Instrumentación y control

Ingeniería Bioquímica

Tecnológico Nacional de México

Instituto Tecnológico de Celaya

Caracterización de la asignatura

• El control de procesos químicos y bioquímicos atiende la naturaleza dinámica de los procesos y la consiguiente necesidad de regular las variables involucradas, para que se ajusten los requerimientos óptimos de operación en términos de rendimiento técnico, económico y de seguridad.

​

• La característica dinámica de los procesos químicos y bioquímicos permite trasladar los conocimientos adquiridos en otras asignaturas y complementar el tratamiento de funcionamiento estático o de régimen permanente de las diferentes operaciones unitarias en los procesos químicos y bioquímicos.

Intención didáctica

• Esta asignatura se organiza de la siguiente manera:

​

• El primer tema presenta los contenidos conceptuales de la instrumentación normados por ISA y SAMA. Se estudian los principios de medición de los diferentes sensores y transductores existentes para la detección de las variables más usuales en el control de procesos (presión, flujo, nivel y temperatura), así como los elementos de control más utilizados.

​

• En el segundo tema se desarrollan modelos dinámicos mediante las ecuaciones de conservación de masa y energía para estudiar los procesos a partir del orden proporcionado por dichas ecuaciones. También, se estudia el comportamiento del proceso ante diversos tipos de entrada. Se sugiere realizar simulaciones dinámicas y desarrollar modelos a partir de experimentación, de manera que el conocimiento sea significativo.

​

• El tema tres comprende el estudio del comportamiento de sistemas de lazo abierto y cerrado, utilizando las técnicas del control clásico (PID), incluyendo los diferentes métodos para la sintonización de controladores.

​

• El tema final aborda las técnicas de control de procesos ampliamente utilizadas en la industria, como son: control de relación, en cascada y anticipativo.

Competencias

• Competencias a obtener:
• Selecciona y aplica la instrumentación para el control de procesos químicos o bioquímicos a partir de los requerimientos óptimos de operación.

​

• Competencias previas
• Realiza balances de materia y energía, de diversos procesos químicos.
• Resuelve ecuaciones diferenciales simultáneas, utilizando la técnica de Laplace y diversos métodos numéricos.
• Utiliza series de Taylor para realizar linealizaciones de sistemas.
• Realiza operaciones con números complejos.

Temario

1. Elementos primarios y finales de control
1. Simbología ISA
2. Terminología SAMA
3. Diagramas de Instrumentación.
4. Elementos Primarios de medición.
5. Medidores de Presión
6. Medidores de Flujo
7. Medidores de Nivel
8. Medidores de Temperatura.
9. Otras variables.
10. Tipos de válvulas automáticas de control de caudal.
11. Características de caudal inherente en válvulas.
12. Dimensionamiento de válvulas.
13. Otros elementos finales de control.

Temario

2. Modelación dinámica de sistemas
1. Definiciones
2. Modelos de procesos químicos
3. Linealización de sistemas
4. Sistema de primer orden
5. Sistema de segundo orden
6. Sistema de orden superior

3. Controladores
1. Diagramas de Bloques.
2. Obtención y análisis de funciones de transferencia.
3. Control Proporcional
4. Control Proporcional Integral
5. Control Proporcional Integral Derivativo
6. Estabilidad
7. Sintonización de controladores.

- Métodos y estrategias.

4. Técnicas de control
1. Control de relación
2. Control en cascada
3. Control anticipativo
4. Otras técnicas.

Fuentes de información

• 1. Smith, C. A y Corripio, A. B. (2000), Principios y Práctica de Control Automático de Procesos. (1ª Ed.). John Wiley & Sons.
• 2. Creus S. A., (2010). Instrumentación Industrial, (8ª. Ed.).Marcombo
• 3. Stephanopoulos, G. (2009),Chemical Process Control: An introduction to Theory and Practice. (1ª Ed.). PHI Learning.
• 4. Thomas, E. (2012), Process Control: Designing Processes and Control Systems for Dynamic Performance. (2ª Ed.). Tata Mc-Graw Hill.
• 5. Coughanowr, D. y LeBlac, S. (2008), Process System Analysis and Control. (3ª Ed.)., McGraw-Hill
• 6. Seborg, D., Mellichamp D., Edgar T. y Doyle F. (2010) Process Dynamics and Control.(1ªEd.). John Wiley&Sons.
• 7. Pallás A. R., (2005). Sensores y acondicionadores de señal. (4ª Ed.). Marcombo.
• 8. Hauptmann, P., (1993),Sensors: Principles and Applications. (1ª Ed.). Prentice – Hall.
• 9. Anderson, N. A., (1997). Instrumentation for process measurement and control, Foxboro.
• 10. Considine, D. M.,(1999). Process/Industrial Instruments and Controls Handbook. (5ª Ed.). Mc. Graw-Hill.

Evaluación

• Examen en línea parcial 1 (60%) (19/02/26) Práctica simbología y diagrama (20%)
• Definiciones básicas Tareas (12%)
• Simbología y diagramas de instrumentación Asistencia (8%)
• Medidores de presión, nivel, flujo y temperatura
• Examen en línea parcial 2 (60%) (19/03/26) Práctica respuesta dinámica (20%)
• Válvulas y otros elementos finales de control Tareas (12%)
• Modelación dinámica de sistemas Asistencia (8%)
• Examen en línea parcial 3 (60%) (30/06/26) Práctica control de procesos (20%)
• Controladores Tareas (12%)
• Técnicas de control Asistencia (8%)

​

• Proyecto final (100%) (18/06/26)

​

​

Definiciones

• Instrumentación
• Es la técnica de la selección y aplicación de instrumentos para la identificación, cuantificación y manipulación de los parámetros físicos o químicos que intervienen en un proceso

​

• Instrumento
• Es un sistema o conjunto de sistemas que mantiene una relación funcional con el medio que le rodea y proporciona una información

Conformación de un sistema de medición

Configuración entrada - salida

Calibración estática

• Se refiere al caso en que todas las entradas, excepto una, se mantienen en algunos valores constantes. Luego se hace variar la entrada que se estudia en algún intervalo de valores constantes, haciendo que la salida o salidas varíen en algún intervalo de valores constantes.

​

• Las relaciones entre la entrada y la salida obtenidas de esta manera, comprenden una calibración estática que es válida bajo las condiciones constantes establecidas de las demás entradas.

Características estáticas

• Campo de medida (range)
• Espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmi­sión del instrumento; viene expresado estableciendo los dos valores extremos.

​

• Alcance
• Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento.

Características estáticas

• Exactitud
• Se refiere al grado de aproximación o conformidad al valor real de la canti­dad medida.

​

• Precisión.
• Es el grado de concordancia dentro de un grupo de mediciones o instrumentos

​

• La precisión se compone de dos características: conformidad y el número de ci­fras significativas con las cuales se puede realizar la medición.

Características estáticas

• Número de cifras significativas
• Una indicación de lo preciso de las mediciones se obtiene a partir del número de cifras significativas con las cuales se expresan los resultados.

​

• Frecuentemente se utilizan números grandes con ceros antes del punto decimal para aproximar cantidades de población o dinero.

​

• Por ejemplo, la población de una ciudad se indica en seis cifras: 380 000. Esto puede significar que el valor real de la población puede variar entre 379 999 y 380 001, las cuales son seis cifras significativas, sin embargo, 3.8x10⁵ indica que la población puede estar más cerca de 380 000 que de 370 000 o de 390 000.

Características estáticas

• Número de cifras significativas
• Se acostumbra llevar un registro de mediciones con todos los dígitos de los cuales se cree estar seguro que están cerca del valor real. Por ejemplo, en una lectura de voltaje, se puede leer 117.1 V. Esto simplemente indica que el voltaje leído está más cercano a 117.1 V que a 117.0 V o a 117.2 V. Otra forma de expresar los resultados es indicar el posible intervalo de error. El voltaje se puede expresar como 117 .1 ± 0.05 V, lo que indica que el valor puede variar entre 117.05 y 117.15 V.

​

• Cuando un número de mediciones independientes se toman con intención de ob­tener la mejor respuesta posible (la más cercana al valor real), el resultado se suele expresar con la media aritmética de las lecturas, con el posible intervalo de error, como la mayor desviación de lo obtenido.

Características estáticas

• Número de cifras significativas
• Ejemplo:

Cuatro observadores realizaron un conjunto de mediciones independientes de voltaje, que se registraron como 117.02 V, 117.11 V, 117.08 V, 117.03 V.

​

Calcular:

​

a) voltaje promedio:

​

b) rango de error:

​

Características estáticas

• Número de cifras significativas
• Cuando se suman dos o más mediciones con diferentes grados de exactitud, el resultado es tan exacto según lo sea la medición menos exacta. Ejemplo:

​

Dos resistencias están conectadas en serie. Medidas individualmente se tiene: R₁ = 18.7Ω y R₂ = 3.624 Ω.

​

Calcular la resistencia total con el número apropiado de cifras significativas.

​

Solución:

R₁ = 18.7 Ω (tres cifras significativas)

R₂ = 3.624 Ω (cuatro cifras significativas)

R_T = R₁+ R₂ = 22.324 Ω (cinco cifras significativas) = 22.3 Ω

​

Características estáticas

• Número de cifras significativas
• El número de cifras significativas en una multiplicación se puede incrementar rápidamente, pero solo las cifras apropiadas se presentan en la respuesta.

​

• Ejemplo:

En el cálculo de una caída de voltaje, una corriente de 3.18 A se registra en una resistencia de 35.68 W. Calcular la caída de voltaje a través de la resistencia.

​

Solución:

E = I R = (3.18) (35.68) = 113.4624 = 113 V

Características estáticas

• Número de cifras significativas
• Suma de cifras con rango de incertidumbre

​

​

• Ejemplo:

​

• Resta de cifras con rango de incertidumbre

​

​

• Ejemplos:

Características estáticas

• Sensibilidad
• La sensibilidad es la pendiente de la curva de calibración. Un sistema será lineal si la sensibilidad es constante. Se dice que un sistema es sensible si es capaz de notar mínimos cambios en su estado.

S= dR/dT^a

​

• Curva de calibración
• Es la relación entre la entrada del sistema y su salida, es una gráfica de x contra y, donde x es la entrada y y la salida.

​

​

Características estáticas

• Histéresis
• La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida.

​

• Resolución
• La resolución de un sistema de medición se refiere al cambio mínimo detectable en la variable medida y por consiguiente contribuye a la exactitud del sistema.

​

Características estáticas

• Linealidad
• Expresa lo constante que resulta la sensibilidad del sensor o aparato de medida. Una sensibilidad constante (alta linealidad) facilita la conversión del valor leído al valor medido.

​

​

​

​

• A la máxima desviación con respecto a la recta proporcional se le denomina alinealidad y está dada en porcentaje:

Características estáticas

• Zona muerta
• Rango de variación de la variable medida que no produce cambio apreciable en la salida del mismo. Relacionado con la fricción estática. (% Alcance).

Características estáticas

• Saturación
• Nivel de entrada a partir del cual la sensibilidad disminuye de forma significativa.

​

​

​

​

​

​

• Vida útil
• Es el tiempo mínimo durante el cual se aplican las características de servicio continuo e intermitente del instrumento sin que se presenten cambios en su comportamiento más allá de tolerancias especificadas.

Error

• Error es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida.

​

• Cada medición involucra error y para obtener una información razonable de la incertidumbre, es necesario conocer la forma del error.

​

• En general un error tiene las siguientes componentes:

​

• Errores Humanos.
• Errores Sistemáticos.
• Errores Aleatorios.

Error

Sistema de unidades

• Unidades Fundamentales.
• Metro (longitud), m
• Kilogramo (masa), kg
• Segundo (tiempo), s
• Amperio (corriente eléctrica), A
• Kelvin (temperatura), K
• Candela (intensidad luminosa), cd
• Mole (cantidad de sustancia), mol

​

• Unidades Suplementarias
• Radian (ángulo plano), rad
• Estereorradián (ángulo sólido), sr

​

Sistema de unidades

• Unidades derivadas

Sistema de unidades

• Unidades derivadas

Sistema de unidades

• Múltiplos y submúltiplos

​

peta P =10¹⁸ atto a =10^-18

exa E =10¹⁵ femto f =10^-15

tera T =10¹² pico p =10^-12

giga G =10⁹ nano n =10^-9

mega M =10⁶ micro μ =10^-6

kilo k =10³ mili m=10^-3

hecto h =10² centi c =10^-2

deca da=10¹ deci d =10^-1

​