Transcript of Instrumentacion Industrial_Antonio Creus_8 Edicion
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- 2. ii www.FreeLibros.me
- 3. i 8 EDICIN INSTRUMENTACIN INDUSTRIAL www.FreeLibros.me
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- 5. iii 8 EDICIN INSTRUMENTACIN INDUSTRIAL Antonio Creus Sol
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- 6. iv Instrumentacin industrial Antonio Creus Sol ISBN:
978-84-267-1668-2, edicin en espaol publicada por MARCOMBO, S.A.,
Barcelona, Espaa Derechos reservados MARCOMBO, S.A. Octava edicin:
Alfaomega Grupo Editor, Mxico, septiembre 2010 2011 Alfaomega Grupo
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Instrumentacin industrial Octava Edicin Alfaomega Grupo Editor,
S.A. de C.V., Mxico ISBN: 978-607-707-042-9 Formato: 17 x 23 cm
Pginas: 792 www.FreeLibros.me
- 7. v ndice analtico 1.
Generalidades....................................................................................
1 1.1
Introduccin...................................................................................................................1
1.2 Deniciones en control
................................................................................................3
1.2.1 Campo de medida
....................................................................................................................
4 1.2.2
Alcance.......................................................................................................................................
4 1.2.3
Error...........................................................................................................................................
5 1.2.4 Incertidumbre de la
medida....................................................................................................
6 1.2.5
Exactitud..................................................................................................................................
14 1.2.6 Precisin
..................................................................................................................................
16 1.2.7 Zona
muerta............................................................................................................................
16 1.2.8
Sensibilidad..............................................................................................................................
16 1.2.9
Repetibilidad............................................................................................................................
16 1.2.10
Histresis................................................................................................................................
17 1.2.11 Otros trminos
.....................................................................................................................
18 1.2.12 Ejemplos generales de caractersticas de
instrumentos.................................................. 20
1.3 Clases de
instrumentos...............................................................................................21
1.3.1 En funcin del
instrumento..................................................................................................
22 1.3.2 En funcin de la variable de
proceso..................................................................................
26 1.3.3 Cdigo de identicacin de los
instrumentos....................................................................
26 2.
Transmisores...................................................................................
63 2.1 Generalidades
..............................................................................................................63
2.2 Transmisores
neumticos...........................................................................................64
2.3 Transmisores
electrnicos..........................................................................................65
2.4 Transmisores
digitales.................................................................................................66
2.4.1 Transmisor inteligente
capacitivo.........................................................................................
67 2.4.2 Transmisor inteligente piezoresistivo
..................................................................................
67 2.4.3 Ventajas e
inconvenientes......................................................................................................
68 2.5 Transmisin de seales por
radio..............................................................................71
2.6 Comunicaciones
..........................................................................................................72
2.6.1 Protocolos serie
......................................................................................................................
72 2.6.2 Protocolos
hbridos................................................................................................................
74 2.6.3 Protocolos abiertos
................................................................................................................
76 2.7 Tabla comparativa de
transmisores...........................................................................88
3. Medidas de presin
......................................................................91
3.1 Unidades y clases de
presin......................................................................................91
3.2 Elementos mecnicos
.................................................................................................92
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- 8. vi 3.3 Elementos
electromecnicos......................................................................................96
3.4 Elementos electrnicos de
vaco............................................................................
100 4. Medidas de caudal
.........................................................................105
4.1 Medidores volumtricos
..........................................................................................
106 4.1.1 Instrumentos de presin
diferencial..................................................................................106
4.1.2 rea variable
(rotmetros)...................................................................................................143
4.1.3
Velocidad................................................................................................................................153
4.1.4 Fuerza (medidor de
placa)...................................................................................................161
4.1.5 Tensin inducida (medidor
magntico).............................................................................162
4.1.6 Desplazamiento
positivo.....................................................................................................175
4.1.7 Remolino y
vrtex................................................................................................................179
4.2 Medidores de caudal
masa.......................................................................................
182 4.2.1 Medidores volumtricos
compensados.............................................................................182
4.2.2 Medidores trmicos de
caudal............................................................................................185
4.2.3 Anemmetro de hilo caliente
.............................................................................................186
4.2.4 Medidor de Coriolis
.............................................................................................................189
4.3 Comparacin de caractersticas de los medidores de
caudal.............................. 193 5. Medicin de
nivel...........................................................................195
5.1 Medidores de nivel de lquidos
..............................................................................
195 5.1.1 Instrumentos de medida
directa.........................................................................................196
5.1.2 Instrumentos basados en la presin
hidrosttica.............................................................200
5.1.3 Instrumento basado en el desplazamiento
......................................................................208
5.1.4 Instrumentos basados en caractersticas elctricas del
lquido......................................211 5.1.5 Medidor de
nivel de
ultrasonidos.......................................................................................215
5.1.6 Medidor de nivel de radar o microondas
.........................................................................217
5.1.7 Medidor de nivel de radiacin
............................................................................................220
5.1.8 Medidor de nivel lser
.........................................................................................................223
5.1.9 Otros
fenmenos..................................................................................................................224
5.1.10 Medidor msico de nivel
...................................................................................................225
5.2 Medidores de nivel de
slidos.................................................................................
226 5.2.1 Detectores de nivel de punto
jo.......................................................................................228
5.2.2 Detectores de nivel continuos
............................................................................................230
6. Medida de
temperaturas................................................................235
6.1
Introduccin..............................................................................................................
235 6.2 Termmetro de
vidrio..............................................................................................
236 6.3 Termmetro
bimetlico...........................................................................................
236 6.4 Termmetros de bulbo y capilar
............................................................................
237 6.5 Termmetros de resistencia
...................................................................................
240 6.6
Termistores................................................................................................................
251 6.7 Sensores de temperatura de
semiconductor.........................................................
253 6.8 Termopares
...............................................................................................................
254 www.FreeLibros.me
- 9. vii 6.8.1 Leyes, curvas y tablas caractersticas, tubos de
proteccin y su seleccin...................254 6.8.2 Compensacin de
la unin
fra...........................................................................................294
6.8.3 Circuitos galvanomtrico, potencimetrico y
digital.......................................................295
6.8.4 Vericacin de un instrumento y de un termopar
..........................................................297 6.8.5
Normas tcnicas
..................................................................................................................298
6.9 Pirmetros de radiacin
..........................................................................................
299 6.9.1 Pirmetros pticos de desaparicin de lamento
...........................................................302
6.9.2 Pirmetro de
infrarrojos......................................................................................................302
6.9.3 Pirmetro fotoelctrico
......................................................................................................303
6.9.4 Pirmetro de dos colores
....................................................................................................305
6.9.5 Pirmetro de radiacin
total...............................................................................................306
6.9.6 Otros fenmenos
................................................................................................................309
6.10 Velocidad de respuesta de los instrumentos de
temperatura........................... 310 6.11 Tabla comparativa
de
caractersticas....................................................................
314 7. Otras
variables................................................................................317
7.1 Variables fsicas
.........................................................................................................
317 7.1.1
Peso.........................................................................................................................................317
7.1.2
Velocidad................................................................................................................................323
7.1.3 Densidad y peso
especco.................................................................................................326
7.1.4 Humedad y punto de
roco.................................................................................................338
7.1.5 Viscosidad y consistencia
....................................................................................................351
7.1.6
Llama......................................................................................................................................359
7.1.7 Oxgeno
disuelto...................................................................................................................364
7.1.8
Turbidez.................................................................................................................................366
7.1.9 Intensidad de radiacin
solar..............................................................................................367
7.2 Variables qumicas
....................................................................................................
368 7.2.1 Conductividad en medio
lquido........................................................................................368
7.2.2
pH...........................................................................................................................................370
7.2.3 Redox (potencial de oxidacin-reduccin)
.......................................................................374
7.2.4 Concentracin de
gases.......................................................................................................376
8. Elementos nales de control
.........................................................381 8.1
Vlvulas de
control...................................................................................................
381 8.1.1
Generalidades........................................................................................................................381
8.1.2 Tipos de vlvulas
..................................................................................................................382
8.1.3 Cuerpo de la
vlvula.............................................................................................................388
8.1.4 Tapa de la vlvula o
casquete..............................................................................................390
8.1.5 Partes internas de la vlvula. Obturador y
asientos.........................................................395
8.1.6 Corrosin y erosin en las vlvulas. Materiales
...............................................................396
8.1.7 Caractersticas de la
vlvula.................................................................................................402
8.1.8
Servomotores........................................................................................................................414
8.1.9
Accesorios..............................................................................................................................435
8.1.10 Vlvula
inteligente..............................................................................................................446
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- 10. viii 8.1.11 Dimensionamiento de la vlvula. Coecientes Cv y
Kv .............................................447 8.1.12 Ruido en
las vlvulas de
control.......................................................................................485
8.2 Otros elementos nales de
control........................................................................
493 8.2.1 Recticadores controlados de silicio
.................................................................................493
8.2.2 Bombas
dosicadoras..........................................................................................................496
8.2.3 Actuadores de velocidad
variable.......................................................................................497
8.2.4 Elementos nales varios
.....................................................................................................497
9. Regulacin automtica
..................................................................499
9.1
Introduccin..............................................................................................................
499 9.2 Caractersticas del proceso
......................................................................................
499 9.3 Tipos de
control........................................................................................................
504 9.3.1 Control
todo-nada................................................................................................................504
9.3.2 Control otante
...................................................................................................................506
9.3.3 Control proporcional de tiempo variable
........................................................................506
9.3.4 Control proporcional
..........................................................................................................507
9.3.5 Control proporcional +
integral.........................................................................................510
9.3.6 Control proporcional +
derivado.......................................................................................512
9.3.7 Control proporcional + integral +
derivado....................................................................514
9.4 Controladores neumticos
......................................................................................
515 9.5 Controladores electrnicos
.....................................................................................
516 9.5.1 Controlador
todo-nada........................................................................................................517
9.5.2 Control proporcional de tiempo variable
.........................................................................518
9.5.3 Control
proporcional...........................................................................................................518
9.5.4 Control proporcional +
integral.........................................................................................519
9.5.5 Control proporcional +
derivado.......................................................................................520
9.5.6 Control proporcional + integral +
derivado....................................................................521
9.6 Controladores digitales
............................................................................................
522 9.6.1
Componentes........................................................................................................................522
9.6.2
Algoritmos.............................................................................................................................524
9.6.3 Controlador digital
universal...............................................................................................527
9.7 Seleccin del sistema de control
............................................................................
529 9.8 Criterios de estabilidad en el control
....................................................................
530 9.9 Mtodos de ajuste de
controladores......................................................................
532 9.10 Otros tipos de control
...........................................................................................
545 9.10.1
Generalidades......................................................................................................................545
9.10.2 Control en cascada
............................................................................................................546
9.10.3
Programadores....................................................................................................................550
9.10.4 Control de
relacin.............................................................................................................551
9.10.5 Control anticipativo
...........................................................................................................552
9.10.6 Control de gama partida
...................................................................................................555
9.10.7 Control
selectivo.................................................................................................................556
9.10.8 Control de procesos discontinuos
...................................................................................557
9.10.9 Controladores no lineales
.................................................................................................559
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- 11. ix 9.10.10 Instrumentos auxiliares
...................................................................................................561
9.11 Seguridad intrnseca y
funcional...........................................................................
563 9.11.1
Introduccin........................................................................................................................563
9.11.2 Nivel de energa de seguridad y mecanismos de la ignicin
........................................564 9.11.3 Clasicaciones de
reas
peligrosas...................................................................................567
9.11.4 Normas
...............................................................................................................................568
9.11.5 Barreras Zener
...................................................................................................................569
9.11.6 Barreras galvnicas
............................................................................................................571
9.11.7 Factores de seguridad
.......................................................................................................571
9.11.8 Seguridad funcional de los
instrumentos........................................................................572
9.12 Control por ordenador
.........................................................................................
576 9.12.1
Generalidades......................................................................................................................576
9.12.2 Control DDC
.....................................................................................................................579
9.12.3 Control supervisor
(SPC)..................................................................................................581
9.12.4 Control distribuido (DCS)
................................................................................................583
9.13 Sistemas de control
avanzado...............................................................................
590 9.13.1
Generalidades......................................................................................................................590
9.13.2
Correctores..........................................................................................................................595
9.13.3 Control
robusto..................................................................................................................597
9.13.4 Control linealizador global
...............................................................................................598
9.13.5 Control estadstico del proceso
(SPC).............................................................................599
9.13.6 Control multivariable
........................................................................................................602
9.13.7 Control
ptimo...................................................................................................................603
9.13.8 Control
adaptativo..............................................................................................................606
9.13.9 Control
predictivo..............................................................................................................610
9.13.10 Sistemas expertos
............................................................................................................613
9.13.11 Control por redes
neuronales.........................................................................................615
9.13.12 Control por lgica difusa
................................................................................................619
9.14 Control integrado
...................................................................................................
623 9.14.1
Generalidades......................................................................................................................623
9.14.2 Sistema de control bsico, control distribuido y control
avanzado............................625 9.14.3 Gestin de
alarmas.............................................................................................................627
9.14.4 Sistema de gestin de
laboratorio....................................................................................628
9.14.5 Sistema de gestin de la produccin
...............................................................................629
9.14.6 Red de
comunicaciones.....................................................................................................629
9.14.7 Sistema de gestin de seguridad de la planta
.................................................................633
9.14.8 Sistema de gestin de la calidad (ISO
9000:2000).........................................................634
9.14.9 Estndar OPC de intercambio de datos de
proceso.....................................................636
9.14.10 Gestin de calibraciones
.................................................................................................638
10. Calibracin de los instrumentos
..................................................643 10.1
Generalidades..........................................................................................................
643 10.2 Errores de los instrumentos. Procedimiento general de
calibracin.............. 644 10.3 Calibracin de instrumentos de
presin, caudal y nivel ................................... 647
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- 12. x 10.3.1 Presin
.................................................................................................................................647
10.3.2
Caudal...................................................................................................................................650
10.3.3 Nivel
.....................................................................................................................................652
10.4 Calibracin de instrumentos de
temperatura.....................................................
653 10.4.1 Pirmetros de radiacin
....................................................................................................656
10.4.2 Transmisores de temperatura inteligentes
......................................................................656
10.4.3 Calibradores universales de temperatura
........................................................................657
10.5 Calibracin de vlvulas de
control.......................................................................
657 10.6 Calibracin de instrumentos
digitales..................................................................
660 10.6.1 Controlador universal o
multifuncin.............................................................................660
10.6.2 Resto de instrumentos de la
planta..................................................................................661
10.7 Mantenimiento de
instrumentos..........................................................................
662 10.8 Normativa de calidad ISO 9000:2000 aplicada a la
instrumentacin............. 666 10.8.1 ISO
9001..............................................................................................................................667
11. Aplicaciones en la industria. Esquemas tpicos de control
.........671 11.1
Generalidades..........................................................................................................
671 11.2 Calderas de vapor
...................................................................................................
671 11.2.1
Generalidades......................................................................................................................671
11.2.2 Control de
combustin......................................................................................................672
11.2.3 Control de
nivel..................................................................................................................675
11.2.4 Seguridad de llama
.............................................................................................................677
11.3 Secaderos y evaporadores
....................................................................................
678 11.4 Horno tnel
............................................................................................................
680 11.5 Columnas de destilacin
.......................................................................................
681 11.6 Intercambiadores de calor
....................................................................................
683 11.7 Control del reactor en una central nuclear
........................................................ 685
Apndice A. Anlisis dinmico de los
instrumentos.........................689 A.1 Generalidades
..........................................................................................................
689 A.2 Funciones elementales de
excitacin....................................................................
695 A.2.1 Escaln unidad u(t)
............................................................................................................695
A.2.2 Impulso
unidad....................................................................................................................695
A.2.3 Respuesta
impulsional.........................................................................................................695
A.2.4 Respuesta indicial
................................................................................................................696
A.2.5 Respuesta ante una entrada en rampa
..............................................................................696
A.2.6 Respuesta ante una entrada senoidal
................................................................................698
A.3 Anlisis dinmico de los transmisores
.................................................................
702 A.3.1 Elementos
fundamentales..................................................................................................702
A.3.2 Diagrama de bloques, diagrama de Bode y funcin de
transferencia de un transmisor
.........................................................................................702
A.4 Anlisis dinmico de los controladores
............................................................... 705
A.4.1 Introduccin
........................................................................................................................705
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- 13. xi A.4.2 Accin proporcional
..........................................................................................................706
A.4.3 Accin proporcional +
integral.........................................................................................711
A.4.4 Accin proporcional + derivada
.......................................................................................713
A.4.5 Accin proporcional + integral +
derivada.....................................................................715
A.4.6 Control PID en el diagrama de
Nyquist..........................................................................718
A.4.7 Ensayo de controladores
...................................................................................................719
A.5 Iniciacin a la optimizacin de procesos
............................................................ 722
A.5.1 Generalidades
......................................................................................................................722
A.5.2 Anlisis experimental del proceso
....................................................................................722
A.5.3 Estabilidad
...........................................................................................................................724
A.5.4 Criterios de ajuste en el diagrama de
Bode......................................................................725
A.5.5 Criterios de ajuste en el diagrama de
Nyquist.................................................................729
A.5.6 baco de Nichols y curva de desviacin
........................................................................736
Apndice B. Evolucin de la
instrumentacin..................................741 B.1 Inicios -
Instrumentos locales y
neumticos........................................................
741 B.2 Instrumentos electrnicos - Convencionales y de alta
densidad ...................... 742 B.3 Computadores
..........................................................................................................
744 B.4 Control
distribuido...................................................................................................
746 B.5 Control avanzado y transmisores
inteligentes......................................................
748 B.6
Ergonoma.................................................................................................................
748 B.7 Comunicaciones
.......................................................................................................
749 B.8 Futuro
........................................................................................................................
750
Glosario..............................................................................................755
Bibliografa
........................................................................................767
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- 14. www.FreeLibros.me
- 15. xiii Prlogo a la octava edicin La primera edicin de este
libro apareci en el ao 1979, la segunda en 1981, la tercera en
1985, la cuarta en 1989, la quinta en 1993, la sexta en 1997 y la
spma en 2005. Durante estos aos, las novedades incorporadas en la
industria fueron el perfeccionamiento del control distribuido,
aparecido inicialmente en 1975, la aparicin del transmisor
inteligen- te digital en 1986, la aplicacin masiva del
microprocesador, en todos los campos de la industria, con las
espectaculares mejoras en los instrumentos de medicin y control que
de una precisin en la variable medida clsica del 0,5% han pasado al
0,1%, el perfec- cionamiento del control avanzado, del control por
redes neuronales, del control por lgica difusa y el avance de las
comunicaciones hacia protocolos abiertos. En la spma edicin se
revisaron las deniciones de control y el resumen de las nor- mas
ISA e ISO de idencacin de instrumentos en el captulo 1, las
comunicaciones en el captulo 2 y, en el captulo 9, se agruparon el
control por computador con el control avanzado incluyendo su
anlisis dinmico y se aadi el control integrado con todos sus
componentes de gesn de alarmas y de seguridad de la planta. Se
incluy un resumen de la norma de calidad ISO 9000 del ao 2000 y se
actualiz el captulo 10 de calibracin de los instrumentos,
trasladando al apndice la evolucin de la instrumentacin y aadiendo
hojas representavas de especicaciones de instrumentos. En esta
edicin actual se han revisado todos los captulos, en parcular el
primero en la parte de incerdumbre y exactud de la medida, el
segundo en la parte de comunicacio- nes, el sexto en pirmetros y en
las tablas de termopares y el captulo 8 en el dimensio- namiento de
las vlvulas de control. Se ha conservado el texto de las ediciones
anteriores, amplindolo con los nuevos instrumentos y tcnicas
aparecidas en el mercado y se ha reducido el estudio de la
instrumentacin neumca y electrnica, en favor de la digital. Se han
conservado las explicaciones bsicas de los instrumentos electrnicos
y el punto de vista de considerar el instrumento dotado de
microprocesador con sus algoritmos de control como una caja negra
que se comporta igual que un instrumento convencional neumco o
electrnico pero, lgicamente, proporcionando unas mejores
prestaciones. En lo posible se han incluido fotos de instrumentos
reales junto con los esquemas para que el lector pueda idencarlos
en planta. Antonio CREUS www.FreeLibros.me
- 16. www.FreeLibros.me
- 17. xv Prlogo Los instrumentos de control estn universalmente
aceptados. Hoy en da, es inimaginable la existencia de una
industria moderna sin instrumentos. Y, aunque exisera, las
necesida- des, que crea el mercado, de obtener productos terminados
con las garanas de calidad exigidas y en la candad suciente para
que el precio obtenido sea compevo, forzaran a modicar esta hipotca
industria, incluyendo en la transformacin subsiguiente la au-
tomazacin del proceso mediante los instrumentos de medicin y
control. En la industria se presenta pues, repedamente, la
necesidad de conocer y entender el funcionamiento de los
instrumentos y el papel que juegan dentro del control del proceso.
As le ocurre al jefe o al operador del proceso, al proyecsta y a su
ingeniera, al estudiante y a cualquier persona que est relacionada
o vaya a relacionarse con el proceso, sin men- cionar, como es
lgico, al instrumensta o al tcnico en instrumentos para quienes el
tema es la esencia de su profesin. A todas estas personas va
dirigido este libro que ha sido escrito exponiendo los aspectos ms
interesantes para el tcnico que, aunque no sea especialista en
instrumentos, tenga la necesidad de conocer parte o todo el campo
de la instrumentacin industrial. Desde este punto de vista he
intentado que los temas expuestos sean fcilmente inteligibles para
el lector, aunque no tenga una preparacin previa en instrumentacin,
con la excepcin, naturalmente, de las partes de la obra dedicadas
al anlisis dinmico de los instrumentos, en las que se precisa una
base matemca, que no obstante se facilita en forma resumida en el
Apndice A para referencia del lector. La obra consta de once
captulos y de dos apndices. En el primer captulo se examinan los
trminos que denen a los instrumentos y un cdigo para su idencacin.
En el segundo captulo se estudian los transmisores y los sistemas
de comunicaciones. En los captulos 3, 4, 5, 6 y 7 se estudian las
variables medidas y controladas en los pro- cesos industriales, en
parcular las que son consideradas ms importantes, la presin, el
caudal, el nivel y la temperatura. En el captulo 8 se estudian los
elementos nales de control que constuyen una de las partes ms
importantes del control, en parcular, las vlvulas. Se describen sus
elementos y se deducen las frmulas de clculo correspondientes. La
parte ms importante de la obra est dedicada al control automco en
el captulo 9. Describe los sistemas de control ulizados explicando
los conceptos del control proporcio- nal, integral y derivavo con
sus valores consignados en el instrumento. Este captulo exa- mina,
adems, otros pos de control que constuyen mejoras de los clsicos
PID y, entre www.FreeLibros.me
- 18. xvi los que se encuentran, el control avanzado, la
seguridad intrnseca y funcional, el control distribuido, el control
integrado, etc. En el captulo 10 se describen los errores propios
de los instrumentos, un sistema general de calibracin y una
descripcin de los instrumentos de comprobacin o patrones ulizados.
Finalmente, en el captulo 11 guran varias aplicaciones picas en la
industria para pre- sentar al lector ejemplos que le permitan
hacerse una idea de las mlples aplicaciones de los instrumentos y
su papel dentro del proceso. Este captulo se limita, naturalmente,
a estudiar slo unos pocos procesos y todava de forma simple, ya que
un estudio exhaus- vo requerira una obra dedicada exclusivamente a
esta parte de las aplicaciones, lo que queda, como es lgico, fuera
de los lmites de este libro. Un apndice dedicado al anlisis dinmico
de los instrumentos, a la evolucin de la instru- mentacin y a la
presentacin de hojas de especicaciones de instrumentos completan la
obra. Permite al lector familiarizarse con los trminos empleados en
el anlisis armnico, estudia el control desde el punto de vista
dinmico, lo que permite deducir un camino en el cual estn basados
los criterios establecidos para el ajuste adecuado de los
controladores y las tcnicas del control avanzado. Se incluye una
descripcin de la evolucin que ha ido experimentando la
instrumentacin en los lmos aos de acuerdo con la industria, con la
que ha ido avanzando paralelamente. Finalmente, y como material
adicional, se incluyen ejemplos picos de hojas de especicacin de
instrumentos. Espero que la obra cumplir su objevo, contribuyendo a
la mejor comprensin de la ins- trumentacin, y que ayudar,
conjuntamente con la bibliograa existente sobre el tema, a un mayor
entendimiento entre el personal de proceso y el de instrumentacin,
al posibili- tar el mejor conocimiento del papel que los
instrumentos juegan en la industria, as como de sus limitaciones,
que forzosamente las enen al ser, en realidad, disposivos mecni-
cos, electrnicos o digitales. www.FreeLibros.me
- 19. Captulo 1. Generalidades 1 Captulo 1 Generalidades 1.1
Introduccin Los procesos industriales exigen el control de la
fabricacin de los diversos productos obtenidos. Los procesos son
muy variados y abarcan muchos pos de productos: la fabricacin de
los pro- ductos derivados del petrleo, de los productos alimencios,
la industria cermica, las centrales generadores de energa, la
siderurgia, los tratamientos trmicos, la industria papelera, la
industria texl, etc. En todos estos procesos, es absolutamente
necesario controlar y mantener constantes algunas mag- nitudes,
tales como la presin, el caudal, el nivel, la temperatura, el pH,
la conducvidad, la velocidad, la humedad, el punto de roco, etc.
Los instrumentos de medicin y control permiten el mantenimien- to y
la regulacin de estas constantes en condiciones ms idneas que las
que el propio operador podra realizar. En los inicios de la era
industrial, la operatoria de los procesos se llevaba a cabo con un
control ma- nual de estas variables ulizando slo instrumentos
simples, manmetros, termmetros, vlvulas manuales, etc., control que
era suciente por la relava simplicidad de los procesos. Sin
embargo, la gradual complejidad con qu stos se han ido
desarrollando ha exigido su automazacin pro- gresiva por medio de
los instrumentos de medicin y control. Estos instrumentos han ido
liberando al personal de campo de su funcin de actuacin sica
directa en la planta y, al mismo empo, le han permido una labor
nica de supervisin y de vigilancia del proceso desde centros de
control situados en el propio proceso o bien en salas aisladas
separadas; asimismo, gracias a los instrumen- tos, ha sido posible
fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y
de caracte- rscas, condiciones que al operario le seran imposibles
o muy diciles de conseguir, realizando exclusivamente un control
manual. Los procesos industriales a controlar pueden dividirse
ampliamente en dos categoras: procesos connuos y procesos
disconnuos. En general, en ambos pos deben mantenerse las variables
(presin, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor
deseado jo, bien en un valor variable con el empo de acuerdo con
una relacin predeterminada, o bien guardando una relacin deter-
minada con otra variable. El sistema de control que permite este
mantenimiento de las variables puede denirse como aquel que compara
el valor de la variable, o condicin a controlar, con un valor
deseado y toma una accin de correccin de acuerdo con la desviacin
existente sin que el operario intervenga en absoluto. El sistema de
control exige pues, para que esta comparacin y subsiguiente
correccin sean posi- bles, que se incluya una unidad de medida, una
unidad de control, un elemento nal de control y el propio proceso.
Este conjunto de unidades forman un bucle o lazo que recibe el
nombre de lazo de control. El lazo puede ser abierto o bien cerrado
(gura 1.1). En el lazo de control abierto de la gura 1.1 el
operador ajusta la vlvula manual en la forma que cree conveniente
para igualar el caudal del lquido de salida con el de entrada. Si
los caudales de www.FreeLibros.me
- 20. Instrumentacin Industrial 2 entrada y salida son muy
diferentes con picos de consumo desiguales, al operador le ser
dicil mantener un nivel constante de modo que tendr que hacer
ajustes con frecuencia. En cambio, en el control de lazo cerrado,
una vez ajustada la posicin del vstago de la vlvula de control con
la varilla del ndice del otador, el propio sistema se encargar de
mantener el nivel en el punto deseado. Si en algn momento se
presentan picos de caudal en la entrada, el nivel aumentar, con lo
cual, la vlvula de control abrir para aumentar el caudal de salida
y mantener as un nivel con- trolado, independientemente de la
actuacin del operador. Figura 1.1 Control de nivel en lazo abierto
y lazo cerrado Otro ejemplo de lazo abierto es el calentamiento de
agua en un tanque mediante una resistencia elctrica sumergida. Los
procesos con constantes de empo importantes o con retardos conside-
rables son adecuados para el control en lazo abierto. La principal
desventaja del lazo abierto es la prdida de exactud. No hay garana
de que la entrada manual al proceso sea la adecuada para llevar la
variable al punto de consigna deseado. Otro ejemplo de lazo cerrado
representavo lo constuye la regulacin de temperatura en un
intercambiador de calor (gura 1.2). En ocasiones, el control de
lazo cerrado debe operar en lazo abierto, tal como puede ocurrir en
el arranque de procesos por parte de un operador experimentado con
un buen conocimiento del proceso. El operador, en base a su
experiencia, abrir o cerrar el elemento nal de control (vlvula de
control, etc.) ms all de lo que lo hara un lazo cerrado de control,
con lo que conseguir una mayor velocidad en la variable y alcanzar
el punto de consigna en menos empo. En ambos casos se observa que
existen elementos denidos como el elemento de medida, el trans-
misor, el controlador, el indicador, el registrador y el elemento
nal. www.FreeLibros.me
- 21. Captulo 1. Generalidades 3 Figura 1.2 Lazo cerrado de
control de un intercambiador de calor Si se desea que el proceso
tenga velocidad y exactud en alcanzar el valor de la variable
deseada (punto de consigna) deben aplicarse simultneamente el
control de lazo abierto y el cerrado, lo que constuye el llamado
control ancipavo (feedforward). Este po de control uliza un modelo
matemco que acta inicialmente como un operador experto (lazo
abierto) y que de acuerdo con los resultados obtenidos en la
variable, realiza correcciones adicionales que corresponden al
control de lazo cerrado. Por ejemplo, un coche equipado con un
control de velocidad y con un sistema de radar que cap- te los
cambios de pendiente en la carretera, aumentar su velocidad para
impedir que el coche reduzca su velocidad al pasar del llano a una
subida. Sin el radar, el controlador de velocidad del coche no
puede saber que el coche necesita ser acelerado hasta que la
velocidad ha disminuido al empezar la subida. 1.2 Definiciones en
control Los instrumentos de control empleados en las industrias de
proceso tales como qumica, petro- qumica, alimencia, metalrgica,
energca, texl, papel, etc., enen su propia terminologa; los trminos
empleados denen las caracterscas propias de medida y de control y
las estcas y dinmicas de los diversos instrumentos ulizados:
Indicadores, registradores, controladores, transmisores y vlvulas
de control. La terminologa empleada se ha unicado con el n de que
los fabricantes, los usuarios y los orga- nismos o endades que
intervienen directa o indirectamente en el campo de la
instrumentacin industrial empleen el mismo lenguaje. Las deniciones
de los trminos empleados se relacionan con las sugerencias hechas
por ANSI/ISA-S51.1-1979 (R 1993) aprobadas el 26 de mayo de 1995.
Se representan en la gura 1.3 y son las siguientes (guran entre
parntesis los trminos ingleses equivalentes).
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- 22. Instrumentacin Industrial 4 1.2.1 Campo de medida El campo
de medida (range) es el espectro o conjunto de valores de la
variable medida que estn comprendidos dentro de los lmites superior
e inferior de la capacidad de medida, de recepcin o de transmisin
del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores
extremos. Ejemplo: un manmetro de intervalo de medida 0- 10 bar, un
transmisor de presin electrnico de 0-25 bar con seal de salida 4-20
mA c.c. o un instrumento de temperatura de 100-300 C. Otro trmino
derivado es el de dinmica de medida o rangeabilidad (rangeability),
que es el co- ciente entre el valor de medida superior e inferior
de un instrumento. Por ejemplo, una vlvula de control lineal que
regule linealmente el caudal desde el 2% hasta el 100% de su
carrera tendr una rangeabilidad de 100/2 = 50. Figura 1.3
Definiciones de los instrumentos 1.2.2 Alcance El alcance (span) es
la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del
campo de me- dida del instrumento. En los ejemplos anteriores es de
10 bar para el manmetro, de 25 bar para el transmisor de presin y
de 200 C para el instrumento de temperatura. www.FreeLibros.me
- 23. Captulo 1. Generalidades 5 1.2.3 Error El error de la
medida es la desviacin que presentan las medidas prccas de una
variable de pro- ceso con relacin a las medidas tericas o ideales,
como resultado de las imperfecciones de los aparatos y de las
variables parsitas que afectan al proceso. Es decir: Error = Valor
ledo en el instrumento - Valor ideal de la variable medida El error
absoluto es: Error absoluto = Valor ledo - Valor verdadero El error
relavo representa la calidad de la medida y es: Error relativo =
Error absoluto / Error verdadero Si el proceso est en condiciones
de rgimen permanente existe el llamado error estco. En con-
diciones dinmicas el error vara considerablemente debido a que los
instrumentos enen caracte- rscas comunes a los sistemas sicos:
absorben energa del proceso y esta transferencia requiere cierto
empo para ser transmida, lo cual da lugar a retardos en la lectura
del aparato. Siempre que las condiciones sean dinmicas, exisr en
mayor o menor grado el llamado error dinmico (diferencia entre el
valor instantneo y el indicado por el instrumento): su valor
depende del po de uido del proceso, de su velocidad, del elemento
primario (termopar, bulbo y capilar), de los medios de proteccin
(vaina), etc. El error medio del instrumento es la media aritmca de
los errores en cada punto de la medida determinados para todos los
valores crecientes y decrecientes de la variable medida. Cuando una
medicin se realiza con la parcipacin de varios instrumentos,
colocados unos a con- nuacin de otros, el valor nal de la medicin
estar constuido por los errores inherentes a cada uno de los
instrumentos. Si el lmite del error relavo de cada instrumento es
a, b, c, d, etc., el mximo error posible en la medicin ser la suma
de los valores anteriores, es decir: + (a + b + c + d + ...) Ahora
bien, como es improbable que todos los instrumentos tengan al mismo
empo su error mximo en todas las circunstancias de la medida, suele
tomarse como error total de una medicin la raz cuadrada de la suma
algebraica de los cuadrados de los errores mximos de los instrumen-
tos, es decir, la expresin: 2 2 2 2 ...a b c dr Por ejemplo, el
error obtenido al medir un caudal con un diafragma, un transmisor
electrnico de 4-20 mA c.c., un receptor y un integrador electrnicos
es de: Elementos del lazo Errores Diafragma 2% Transmisor
electrnico de 4-20 mA c.c. 0,50% Receptor electrnico 0,50%
Integrador electrnico 0,50% Error total de la medicin 2 2 2 2 2 0,5
0,5 0,5 = 2,18% Tabla 1.1 Error de medida de caudal
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- 24. Instrumentacin Industrial 6 Figura 1.4 Medida de caudal con
varios instrumentos 1.2.4 Incertidumbre de la medida Cuando se
realiza una operacin de calibracin, se compara el instrumento a
calibrar con un apara- to patrn para averiguar si el error
(diferencia entre el valor ledo por el instrumento y el verdadero
valor medido con el aparato patrn) se encuentra dentro de los
lmites dados por el fabricante del instrumento. Como el aparato
patrn no permite medir exactamente el valor verdadero (tambin ene
un error) y como adems en la operacin de comparacin intervienen
diversas fuentes de error, no es posible caracterizar la medida por
un nico valor, lo que da lugar a la llamada incer- dumbre de la
medida o incerdumbre (uncertainty). Entre las fuentes de
incerdumbre se encuentran: Inuencia de las condiciones ambientales.
Lecturas diferentes de instrumentos analgicos realizadas por los
operadores. Variaciones en las observaciones repedas de la medida
en condiciones aparentemente idn- cas. Valores inexactos de los
instrumentos patrn. Muestra del producto no representava. Por
ejemplo, en la medida de temperatura con un termmetro patrn de
vidrio, la masa del bulbo cambia la temperatura de la muestra del
pro- ceso cuya temperatura desea medirse. As pues, la incerdumbre
es la dispersin de los valores que pueden ser atribuidos razonable-
mente al verdadero valor de la magnitud medida. En el clculo de la
incerdumbre intervienen la distribucin estadsca de los resultados
de series de mediciones, las caracterscas de los equipos (deriva en
funcin de la tensin de alimentacin o en funcin de la temperatura,
etc.), etc. Para que la comparacin sea correcta, el procedimiento
general es que el patrn de medida sea su- ciente mas preciso que la
del aparato que se calibra (relacin 4:1 en los sensores de presin -
ISA S 37.3). Para el clculo de la incerdumbre pueden seguirse
varias normas: ISO/IEC 17025:2005 General requirements for the
competence of tesng and calibraon labo- ratories. G-ENAC-09 Rev 1
Julio 2005: Gua para la expresin de la incerdumbre en los ensayos
cuan- tavos. www.FreeLibros.me
- 25. Captulo 1. Generalidades 7 CEA-ENAC-LC/02 Expresin de la
Incerdumbre de Medida en las Calibraciones. EAL-R2 Expression of
the Uncertainty of Measurement in Calibraon, 1995. GUM (Guide to
the expression of uncertainty in measurement), conocida tamben como
ISO/TC 213 N 659. En el clculo de la incerdumbre se usa el trmino
mensurando que signica: magnitud parcu- lar objeto de una medicin.
Puede ser medido directamente (por ejemplo, la temperatura de un
cuerpo con un termmetro) o bien de forma indirecta a parr de otras
magnitudes relacionadas de forma matemca o funcional (por ejemplo,
la medida de la densidad a travs de la relacin masa/volumen del
cuerpo). El mensurando es, pues, funcin de una serie de magnitudes
de entra- da y la expresin de esta funcin puede ser experimental o
ser un algoritmo de clculo o bien una combinacin. Hay dos
incerdumbres A y B presentes en la medicin. Las A se relacionan con
fuentes de error aleatorios y pueden ser evaluadas a parr de
distribuciones estadscas (lecturas en el instrumen- to), mientras
que las B estn asociadas a errores de po sistemco y corresponden a
la incer- dumbre del calibrador, la resolucin del instrumento y la
inuencia de otras magnitudes (tempe- ratura, campos externos,
humedad, posicin, etc.) que surgen del control de las condiciones
de contraste o de la experiencia previa del operador. Una vez
obtenidos los valores, tanto de la incerdumbre po A como la de po
B, se procede a calcular la incerdumbre combinada:
- 26. 2 2 c tipo A tipo Bu = u + u Y despus la incerdumbre
expandida: expandida cU =K uu Siendo K = Factor de cobertura o de
seguridad que se determina de acuerdo con el nivel de con- anza de
la incerdumbre, dado en la tabla 1.2 (factor T de Student). Con un
nivel de conanza del 95,45% y para un nmero de valores mayor de 20
es K = 2. N de obser- Grados de vaciones libertad Nivel de conanza
(n - 1) 99% 98% 95,45% 90% 80% 68% 2 1 63,66 31,82 13,97 6,31 3,08
1,82 3 2 9,92 6,96 4,53 2,92 1,89 1,31 4 3 5,84 4,54 3,31 2,35 1,64
1,19 5 4 4,6 3,75 2,87 2,13 1,53 1,13 6 5 4,03 3,36 2,65 2,02 1,48
1,1 7 6 3,71 3,14 2,52 1,94 1,44 1,08 8 7 3,5 3 2,43 1,89 1,41 1,07
9 8 3,36 2,9 2,37 1,86 1,4 1,06 10 9 3,25 2,82 2,32 1,83 1,38 1,05
11 10 3,17 2,76 2,28 1,81 1,37 1,05 www.FreeLibros.me
- 27. Instrumentacin Industrial 8 N de obser- Grados de vaciones
libertad Nivel de conanza (n - 1) 99% 98% 95,45% 90% 80% 68% 12 11
3,11 2,72 2,25 1,8 1,36 1,04 13 12 3,05 2,68 2,23 1,78 1,36 1,04 14
13 3,01 2,65 2,21 1,77 1,35 1,03 15 14 2,98 2,62 2,2 1,76 1,35 1,03
16 15 2,95 2,6 2,18 1,75 1,34 1,03 17 16 2,92 2,58 2,17 1,75 1,34
1,03 18 17 2,9 2,57 2,16 1,74 1,33 1,02 19 18 2,88 2,55 2,15 1,73
1,33 1,02 20 19 2,86 2,54 2,14 1,73 1,33 1,02 Innito Innito 2,58
2,33 2 1,64 1,28 1 Tabla 1.2 Valores T de Student para diferentes
niveles de confianza y grados de libertad Incerdumbre po A. La
evaluacin de la incerdumbre estndar se efecta por anlisis estads-
co de una serie de observaciones independientes de la magnitud de
entrada, bajo las mismas condiciones de medida. Si no existen
componentes evaluadas estadscamente la evaluacin de po A
corresponde a la repebilidad del instrumento a calibrar.
Considerando que la distribucin de probabilidades de las medias de
dichas variables es la curva de Gauss o de distribucin normal en
forma de campana, la media aritmca es el valor esmado de la
variable, mientras que la desviacin estndar representa el grado de
dispersin de los valores de la variable que se miden repevamente.
As, en una serie de medidas repevas de la variable, el valor esmado
x viene dado por la media aritmca o promedio de los valores
observados: ( )i 1 1 x= x= x n n con xi (i = 1, 2, 3, ... n) Y el
valor esmado de la varianza experimental: 2 2 i 1 s (x)= S(x - x)
n-1 La mejor esmacin de la varianza de la media aritmca x es la
varianza experimental de la media aritmca dividida por n. Y as: 2 2
i 1 s (x)= S(x - x) n(n-1) Su raz cuadrada posiva es la desviacin
pica experimental de la media aritmca que equivale a la incerdumbre
pica. U(x) = s(x) Cuando el nmero de medidas repevas es menor de
10, la desviacin pica debe mulplicarse por un factor mulplicador.
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- 28. Captulo 1. Generalidades 9 N de medidas (N) Factor
mulplicador () N de medidas (N) Factor mulplicador () 2 7 6 1,3 3
2,3 7 1,3 4 1,7 8 1,2 5 1,4 9 1,2 Tabla 1.3 Factor multiplicador
del nmero de medidas Incerdumbre po B. La incerdumbre se determina
en base a la informacin disponible proce- dente de varias fuentes,
tales como: Datos de medidas anteriores. Experiencia y conocimiento
de los instrumentos. Especicaciones del fabricante. Valores de
incerdumbre de manuales tcnicos. El mtodo exige un juicio basado en
la experiencia y en conocimientos generales. Es una decisin cienca
basada en toda la informacin disponible que puede venir dada por
resultados de medi- das anteriores, por la experiencia, por las
especicaciones del fabricante, por los datos suministra- dos por
cercados de calibracin u otros cercados, etc. Se asumen las
distribuciones rectangu- lar, triangular y normal segn sea el
criterio y la experiencia del personal. Figura 1.5 Distribuciones
normal, rectangular y triangular y resolucin de los instrumentos
analgicos y digitales Expresin de la distribucin rectangular con un
factor de cobertura de 1,65 (= 0,95 3) para pro- porcionar un nivel
de conanza de aproximadamente el 95%:
- 29. ( ) 2 i a diferencia entre valores mximos y
mnimos,histresis mxima,etc. u x = 12 Si se conocen los valores
mximo y mnimo a1 y a2 se ene: u2 B (xi)= (a1 - a2)2 / 12 Y si se
trata de un sistema centrado, a1 - a2 = 2a, y entonces: u2 B (xi) =
a2 / 3 Distribucin triangular, propia de los instrumentos
analgicos:
- 30. ( ) 2 i a diferencia entre valores mximos y
mnimos,histresis mxima,etc. u x = 24 www.FreeLibros.me
- 31. Instrumentacin Industrial 10 Y para la distribucin normal:
( )i a u x = 3 Ejemplo 1: Manmetro po Bourdon de escala 0-4 bar
(400 KPa o 4,078865 Kg/cm2 ) que se calibra con un patrn
(comprobador de manmetros de peso muerto) de incerdumbre 4,1 10-6
(2 10-4 ), efectundose la calibracin a la temperatura de 20 2 C, y
con ciclos de presiones aplicadas de su- bida y de bajada, que
permiten comprobar si el instrumento ene histresis. Cada medida se
realiza cuatro veces. La calibracin se efecta colocando las pesas
necesarias y haciendo girar con la mano el conjunto. El giro libre
indica que el pistn que soporta las pesas est otando y que por lo
tanto la presin generada es la correcta. Figura 1.6 Comprobacin de
un manmetro con un medidor de peso muerto (dead weight tester)
(Fuente: Ashcroft) La incerdumbre debida al patrn en el fondo de
escala es: -6 pu (Incertidumbre patrn)= 4,110 4 = 0,0000164 bar =
0,00164 KPa y su desviacin pica, basada en las distribuciones
Normal y de Student, con un nivel de conanza del 95% es de: p
0,0000164 u = = 0,0000082 bar = 0,00082 KPa 2 La desviacin pica del
patrn (variacin de Presin del Patrn con la temperatura = 9 10-6 ,
debi- da a las condiciones ambientales es: -6 p 1 u (temperatura)=
910 24 = 0,000024 bar = 0,0024 KPa 3 La desviacin pica de las
medidas en el manmetro analgico es la mxima obtenida: 2 medidas
0,012 5 u (max)= 1,7 = 0,0127575 0,8+1,6 +2,4+3,2+3,9
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- 32. Captulo 1. Generalidades 11 siendo 1,7 el factor
mulplicador para 4 medidas (subesmacin de la incerdumbre que para
10 medidas valdra la unidad). medidas 0,0127575 u (media)= =
0,0063788 bar 2 La incerdumbre experimental po A es: 2 2 2
experimentalu (total)= 0,0000082 +0,000024 +0,0063788 = 0,0063788
bar En la incerdumbre po B, el patrn de peso muerto, ene en el
fondo de escala: -6 Incertidumbre patrn= 4,110 4 = 0,0000164 bar =
0,00164 KPa El manmetro a calibrar ene una escala 0-4 bar (0-400
KPa). El dgito menos signicavo ene el valor de 0,1 bar. Figura 1.7
Manmetro analgico de escala 0-4 bar. Dgito menos significativo =
0,1 bar Con una distribucin triangular (instrumentos analgicos) se
ene: Valor medio 0,05 Resolucin instrumento= = = 0,0102062 bar 24
24 La incerdumbre total po B es pues: 2 2 tipo Bu = 0,0000164
+0,0102062 = 0,0102062 bar La incerdumbre combinada po B + po A
es:
- 33. 2 2 2 2 c tipo A tipo Bu = u + u = 0,0063788 +0,0102062 =
0,01203 Y la incerdumbre expandida es: expandida cU = Ku =
1,870,01203= 0,022506 bar www.FreeLibros.me
- 34. Instrumentacin Industrial 12 Siendo el factor de cobertura
K = 1,87 (tabla 1.2 - Factor T de Student con un nivel de conanza
del 95,45%). Si el nmero de valores fuera superior a 20 es K = 2. Y
la expresin de la incerdumbre: 4 0,022 bar. Tabla 1.4 Clculo
incertidumbre de un manmetro tipo Bourdon de 4 bar (400 KPa)
Ejemplo 2: Manmetro digital de escala 0-200 kPa equivalente a 0-2
bar, que se calibra con el mismo patrn anterior (comprobador de
manmetros de peso muerto) de incerdumbre 4,1 10-6 (2 10-4 ), y en
la misma forma. En el ejemplo 1 se determin la incerdumbre debida
al patrn en el fondo de escala up = 0,0000164 bar, su desviacin
pica up = 0,0000082 bar y la desviacin pica del patrn (variacin de
presin con la temperatura 9 10-6 ), debida a las condiciones
ambientales up (tem- peratura)= 0,000024 bar. La desviacin pica de
las medidas en el manmetro digital: 2 medidas 0,002 5 u (max)= 1,7
= 0,0024051 0,4+0,8+1,2+1,6 +1,85 Y la media: medidas 0,0024051 u
(media)= = 0,0012026 bar 2 www.FreeLibros.me
- 35. Captulo 1. Generalidades 13 La incerdumbre experimental po
A es: 2 2 2 experimentalu (total)= 0,0000082 +0,000024 +0,0012026 =
0,0012028 bar El manmetro digital ene una escala de 0-200 KPa (0-2
bar) y el dgito menos signicavo es de 0,01 KPa (0,0001 bar), con lo
que el valor medio es 0,005 KPa (0,00005 bar). Figura 1.8 Manmetro
digital de escala 0-200 KPa (0-2 bar). Dgito menos significativo
0,01 KPa = 0,0001 bar En el manmetro digital se considera una
distribucin rectangular con la frmula: Valor medio 0,00005
Resolucin instrumento= = = 0,0000288 bar 3 3 Manmetro digital: 2 2
tipo Bu = 0,0000164 +0,0000288 = 0,0000331bar = 1,02 KPa La
incerdumbre combinada po A + po B es:
- 36. 2 2 2 2 c tipo A tipo Bu = u + u = 0,0012028 +0,0000331 =
0,00120329 Y la incerdumbre expandida con el factor de cobertura K
= 1,87 es: expandida cU = Ku = 1,870,00120329 = 0,002250152 bar Y
la expresin de la incerdumbre es 2 0,0022 bar, o bien, 200 0,22
KPa. www.FreeLibros.me
- 37. Instrumentacin Industrial 14 Tabla 1.5 Clculo incertidumbre
de un manmetro digital de 200 KPa (2 bar) 1.2.5 Exactitud La
exactud (accuracy) es la cualidad de un instrumento de medida por
la que ende a dar lecturas prximas al valor verdadero de la
magnitud medida. En otras palabras, es el grado de conformidad de
un valor indicado a un valor estndar aceptado o valor ideal,
considerando este valor ideal como si fuera el verdadero. El grado
de conformidad inde- pendiente es la desviacin mxima entre la curva
de calibracin de un instrumento y una curva carac- tersca
especicada, posicionada de tal modo tal que se reduce al mnimo
dicha desviacin mxima. La exactud (accuracy) dene los lmites de los
errores comedos cuando el instrumento se em- plea en condiciones
normales de servicio durante un perodo de empo determinado
(normalmen- te 1 ao). La exactud se da en trminos de inexactud, es
decir, un instrumento de temperatura de 0-100 C con temperatura del
proceso de 100 C y que marca 99,98 C se aproxima al valor real en
0,02 C, o sea ene una inexactud de 0,02 C. Hay varias formas para
expresar la exactud: a) Tanto por ciento del alcance, campo de
medida (range). Ejemplo: en el instrumento de tempe- ratura de la
gura 1.3, para una lectura de 150 C y una exactud de 0,5%, el valor
real de la temperatura estar comprendido entre 150 0,5 200/100 =
150 1, es decir, entre 149 C y 151 C. www.FreeLibros.me
- 38. Captulo 1. Generalidades 15 b) Directamente, en unidades de
la variable medida. Ejemplo: exactud 1 C. c) Tanto por ciento de la
lectura efectuada. Ejemplo: exactud de 1% de 150 C, es decir, 1,5
C. d) Tanto por ciento del valor mximo del campo de medida.
Ejemplo: exactud 0,5% de 300 C = 1,5 C. e) Tanto por ciento de la
longitud de la escala. Ejemplo: si la longitud de la escala del
instrumento de la gura 1.3 es de 150 mm, la exactud de 0,5%
representar 0,75 mm en la escala. La exactud vara en cada punto del
campo de medida s bien, el fabricante la especica, en todo el
margen del instrumento, indicando a veces su valor en algunas zonas
de la escala. Por ejemplo: un manmetro puede tener una exactud de
1% en toda la escala y de 0,5% en la zona central. Cuando se desea
obtener la mxima exactud del instrumento en un punto determinado de
la es- cala, puede calibrarse nicamente para este punto de trabajo,
sin considerar los valores restantes del campo de medida. Por
ejemplo: un termmetro de 0-150 C y de 1% de exactud situado en un
bao de temperatura constante a 80 C, puede ser calibrado a este
valor, de modo que su exac- tud en este punto de trabajo ser la
mxima que se pueda obtener con un termmetro patrn. Es obvio que
para los valores restantes, en parcular los correspondientes a los
extremos de la escala, la exactud se apartar de 1%. Figura 1.9
Exactitud y precisin Hay que sealar que los valores de la exactud
de un instrumento se consideran, en general, esta- blecidos para el
usuario, es decir, son los proporcionados por los fabricantes de
los instrumentos. Sin embargo, estos lmos tambin suelen considerar
los valores de calibracin en fbrica y de inspec- cin. Por ejemplo,
un instrumento que en fbrica ene una exactud de calibracin de 0,8%,
en inspeccin le corresponde 0,9% y la dada al usuario es 1% Con
ello, se pretende tener un margen de seguridad para compensar los
efectos de las diferencias de apreciacin de las personas que
efectan la calibracin, las diferentes exactudes de los instru-
mentos de medida ulizados, las posibles alteraciones debidas al
desplazamiento del instrumento de un punto a otro, los efectos
ambientales y de envejecimiento, etc. www.FreeLibros.me
- 39. Instrumentacin Industrial 16 1.2.6 Precisin La precisin
(precision) es la cualidad de un instrumento por la que ende a dar
lecturas muy prxi- mas unas a otras, es decir, es el grado de
dispersin de las mismas. Un instrumento puede tener una pobre
exactud, pero una gran precisin. Por ejemplo, un manmetro de
intervalo de medida de 0 a 10 bar, puede tener un error de cero
considerable marcando 2 bar sin presin en el proceso y diversas
lecturas de 7,049, 7,05, 7,051, 7,052 efectuadas a lo largo del
empo y en las mismas condiciones de servicio, para una presin del
proceso de 5 bar. Tendr un error prcco de 2 bar, pero los valores
ledos estarn muy prximos entre s con una muy pequea dispersin mxima
de 7,052 - 7,049 = 0,003, es decir, el instrumento tendr una gran
precisin . Por lo tanto, los instrumentos de medida estarn diseados
por los fabricantes para que sean pre- cisos, y como peridicamente
se descalibran, deben reajustarse para que sean exactos. A sealar
que el trmino precisin es sinnimo de repebilidad. 1.2.7 Zona muerta
La zona muerta (dead zone o dead band) es el campo de valores de la
variable que no hace variar la indicacin o la seal de salida del
instrumento, es decir, que no produce su respuesta. Viene dada en
tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo: en el
instrumento de la gura 1.3 es de 0,1%, es decir, de 0,1 200/100 =
0,2 C. 1.2.8 Sensibilidad La sensibilidad (sensivity) es la razn
entre el incremento de la seal de salida o de la lectura y el
incremento de la variable que lo ocasiona, despus de haberse
alcanzado el estado de reposo. Por ejemplo, si en un transmisor
electrnico de 0-10 bar, la presin pasa de 5 a 5,5 bar y la seal de
salida de 11,9 a 12,3 mA c.c., la sensibilidad es el cociente:
(12,3 11,9) / (20 4) (5,5 5) /10= 0,5 mA c.c./bar Viene dada en
tanto por ciento del alcance de la medida. Si la sensibilidad del
instrumento de tem- peratura de la gura 1.3 es de 0,05%, su valor
ser de 0,05 200 = 0,1 C. Hay que sealar que no debe confundirse la
sensibilidad con el trmino de zona muerta; son de- niciones
bsicamente disntas que antes era fcil confundir cuando la denicin
inicial de la sen- sibilidad era valor mnimo en que se ha de
modicar la variable para apreciar un cambio medible en el ndice o
en la pluma de registro de los instrumentos. 1.2.9 Repetibilidad La
repebilidad (repeability) es la capacidad de reproduccin de las
posiciones de la pluma o del ndice o de la seal de salida del
instrumento, al medir repedamente valores idncos de la varia- ble
en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sendo de
variacin, recorriendo todo el campo. La repebilidad es sinnimo de
precisin. A mayor repebilidad, es decir, a un menor valor numrico
(por ejemplo, si en un instrumento es 0,05% y en otro es 0,005%,
este segundo tendr ms repebilidad), los valores de la indicacin o
seal de salida estarn mas concentrados, es decir, habr menos
dispersin y una mayor precisin. www.FreeLibros.me
- 40. Captulo 1. Generalidades 17 La repebilidad se expresa en
tanto por ciento del alcance; un valor representavo es el de 0,1%.
Ntese que el trmino repebilidad no incluye la histresis (gura
1.3b). Para determinarla, el fabri- cante comprueba la diferencia
entre el valor verdadero de la variable y la indicacin o seal de
salida del instrumento recorriendo todo el campo, y parendo, para
cada determinacin, desde el valor mnimo del campo de medida. De
este modo, en el caso de un manmetro puede haber anotado los
siguientes datos relacionados. Tabla 1.6 Valoracin de la
repetibilidad La repebilidad viene dada por la frmula: 2 i(x - x) N
Resultando: 0,00078 0,0064 19 r 1.2.10 Histresis La histresis
(hysteresis) es la diferencia mxima que se observa en los valores
indicados por el ndice o la pluma del instrumento o la seal de
salida para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando
la variable recorre toda la escala en los dos sendos, ascendente y
descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la
medida. Por ejemplo: si en un termmetro de 0-100%, para el valor de
la variable de 40 C, la aguja marca 39,9 Cal subir la temperatura
desde 0 C, e indica 40,1 C al bajar la temperatura desde 100 C, el
valor de la histresis es de: 40,1 39,9 100 0 x 100 = 0,2% En la
gura 1.3c pueden verse las curvas de histresis que estn dibujadas
exageradamente para apre- ciar bien su forma. Hay que sealar que el
trmino zona muerta est incluido dentro de la histresis.
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- 41. Instrumentacin Industrial 18 1.2.11 Otros trminos Otros
trminos empleados en las especicaciones de los instrumentos son los
siguientes: Campo de medida con elevacin de cero Es aquel campo de
medida en el que el valor cero de la variable o seal medida es
mayor que el valor inferior del campo. Por ejemplo, -10 C a 30 C.
Campo de medida con supresin de cero Es aquel campo de medida en el
que el valor cero de la variable o seal medida es menor que el
valor inferior del campo. Por ejemplo, 20 C a 60 C. Elevacin de
cero Es la candad con que el valor cero de la variable supera el
valor inferior del campo. Puede expre- sarse en unidades de la
variable medida o en % del alcance. Por ejemplo, 10 C en el campo
-10 C a 30 C del instrumento, o sea (10/40) 100 = 25%. Supresin de
cero Es la candad con que el valor inferior del campo supera el
valor cero de la variable. Puede expre- sarse en unidades de la
variable medida o en % del alcance. Por ejemplo, 20 C en el campo
20 C a 60 C del instrumento, o sea (20/40) 100 = 50%. Deriva Es una
variacin en la seal de salida que se presenta en un perodo de empo
determinado mien- tras se manenen constantes la variable medida y
todas las condiciones ambientales. Se suelen considerar la deriva
de cero (variacin en la seal de salida para el valor cero de la
medida atribui- ble a cualquier causa interna) y la deriva trmica
de cero (variacin en la seal de salida a medida cero, debida a los
efectos nicos de la temperatura). La deriva est expresada
usualmente en porcentaje de la seal de salida de la escala total a
la temperatura ambiente, por unidad, o por intervalo de variacin de
la temperatura. Por ejemplo, la deriva trmica de cero de un
instrumento en condiciones de temperatura ambiente durante 1 mes
fue de 0,2% del alcance. Fiabilidad Medida de la probabilidad de
que un instrumento conne comportndose dentro de lmites es-
pecicados de error a lo largo de un empo determinado y bajo unas
condiciones especicadas. Resolucin Es la menor diferencia de valor
que el instrumento puede disnguir. En los instrumentos analgicos
interviene el operador segn donde observe la posicin de la aguja,
su error de paralaje en la lec- tura efectuada y la distancia entre
los valores marcados en la escala. Por ejemplo, en un indicador de
nivel de 0% a 100% graduado cada 1% de la escala, con la aguja
indi- cadora, que el observador considera en la mitad entre las
divisiones 52% y 53%, y que el arma que es capaz de discriminar
valores del 0,5%, podr considerarse la resolucin como (0,5/100) =
0,05%. En los instrumentos digitales, la resolucin es el cambio de
valor de la variable que ocasiona que el dgito menos signicavo se
modique. Por ejemplo, un indicador digital de temperatura en el que
se lee 531,01 C, el dgito menos signicavo es el lmo 1.
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- 42. Captulo 1. Generalidades 19 Luego, si la temperatura
aumenta a 531,02 C, la resolucin es de ((531,02 - 531,01)/100) =
0,00001%, lo cual no signica en absoluto que esta sea la exactud
del instrumento. Resolucin innita Capacidad de proporcionar una
seal de salida progresiva y connua en todo el campo de trabajo del
instrumento. Trazabilidad Propiedad del resultado de las mediciones
efectuadas con un instrumento o con un patrn, tal que puede
relacionarse con patrones nacionales o internacionales, mediante
una cadena ininterrumpi- da de comparaciones y con todas las
incerdumbres determinadas. Ruido Cualquier perturbacin elctrica o
seal accidental no deseada que modica la transmisin, indica- cin o
registro de los datos deseados. Un caso especial es la
interferencia de radiotransmisores RFI (Radio Frequency
Interference). Puede expresarse en unidades de la seal de salida o
en tanto por ciento del alcance. Linealidad La aproximacin de una
curva de calibracin a una lnea recta especicada. Linealidad basada
en puntos Falta de linealidad expresada en forma de desviacin mxima
con relacin a una lnea recta que pasa a travs de los puntos dados
correspondientes al cero y al 100% de la variable medida.
Temperatura de servicio Campo de temperaturas en el cual se espera
que trabaje el instrumento dentro de unos lmites de error
especicados. Vida l de servicio Tiempo mnimo especicado durante el
cual se aplican las caracterscas de servicio connuo e intermitente
del instrumento sin que se presenten cambios en su comportamiento,
ms all de tolerancias especicadas. Reproducbilidad Capacidad de
reproduccin de un instrumento de las medidas repevas de la lectura
o seal de salida para el mismo valor de la variable medida
alcanzado en ambos sendos, en las mismas con- diciones de servicio
y a lo largo de un perodo de empo determinado. Por ejemplo, un
valor representavo sera 0,2% del alcance de la lectura o seal de
salida a lo largo de un perodo de 30 das. Respuesta frecuencial
Variacin con la frecuencia de la relacin de amplitudes seal de
salida/variable medida (y de la diferencia de fases entre la salida
y la variable medida) para una medida de variacin senoidal aplicada
a un instrumento dentro de un campo establecido de frecuencias de
la variable medida. Se especica usualmente como dentro de ...% de
... a ... Hz. www.FreeLibros.me
- 43. Instrumentacin Industrial 20 1.2.12 Ejemplos generales de
caractersticas de instrumentos En la gura 1.10 pueden verse tres
pos de instrumentos cuyas caracterscas son: Termmetro bimetlico
Intervalo de medida (range) = 0-100 C Alcance (span) = 100 Exactud
(accuracy) = 0,5% Repebilidad (repeability) = 0,1% Histresis
(hysteresis) = 0,2% Incerdumbre (uncertainty) = 0,13% Transmisor de
caudal digital mulvariable por presin diferencial con compensacin
de pre- sin y temperatura Intervalo de medida (range) = 0-2,5 hasta
0-1000 mbar (0-1 hasta 0-400 c.d.a.) Alcance (span) de la presin
diferencial = 2,5 a 1000 mbar / 1 a 400 c.d.a. Alcance (span) de la
presin absoluta = 0,35 a 52 bar / 5 a 750 psia Alcance (span) de la
presin relava = 4,1 a 200 bar / 60 a 3.000 psig Exactud (accuracy)
de la presin diferencial = 0,1% del alcance Exactud (accuracy) de
la presin absoluta = 0,1% del alcance Exactud (accuracy) de la
temperatura = 1 C 0,025% del alcance Limites de temperatura
ambiente = -40 C a 85 C (-40 F a 185 F) Alimentacin = 85 a 260 V
c.a. Seal de salida = 20 mA c.c. o protocolo HART Controlador
digital universal Entrada por termopar, sonda de resistencia, mV,
0-5 V, 1-5 V, 0-20 mA c.c., 4-20 mA c.c., reos- tato Exactud
(accuracy) = 0,20% del mximo de la escala Resolucin 16 bits
Velocidad de muestreo (scan rate) = 6 veces/segundo (166 ms)
Resolucin = cuatro veces mayor que la digital de la pantalla
Algoritmos de control = todo-nada, proporcional en empo, dplex
proporcional en corriente, proporcional en posicin Salida en seal
connua lineal: 0 a 20 mA c.c., 4-20 mA c.c., 8 bits en 50 ms o 10
bits en 1 segundo. Salida por rel electromecnico = 5 A resisvo 240
V c.a. mx. 3 A inducvo 240 V c.a. mx. Salida por rel de estado
slido = 1 A resisvo 240 V c.a. mx. 50 VA inducvo 240 V c.a. mx. N
de alarmas = 2 (5 A resisvo 240 V c.a. mximo) Limites de
temperatura ambiente = 0 C a 55 C (32 F a 131 F), 20% a 95% H.R.
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- 44. Captulo 1. Generalidades 21 Alimentacin = 120/240 V c.a. /
22 a 65 V c.c. Comunicaciones = RS422/485 a 4800, 9600, 19200 o
38400 baudios (bits/seg) Ethernet TCP/IP (10Base-T, 100 m mx.)
Infrarrojas (serie infrarroja 1 m, 19200 o 38400 baudios (bits/seg)
Consumo = 20 VA mx. (90 a 264 V c.a.), 15 VA mx. (24 V c.a./c.c.)
Figura 1.10 Termmetro bimetlico, transmisor digital de caudal,
controlador digital. Fuente: WIKA y Honeywell 1.3 Clases de
instrumentos Los instrumentos de medicin y de control son
relavamente complejos y su funcin puede com- prenderse bien si estn
incluidos dentro de una clasicacin adecuada. Como es lgico, pueden
exisr varias formas para clasicar los instrumentos, cada una de
ellas con sus propias ventajas y limitaciones. Se considerarn dos
clasicaciones bsicas: la primera relacionada con la funcin del
instrumento y la segunda con la variable del proceso.
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- 45. Instrumentacin Industrial 22 1.3.1 En funcin del
instrumento De acuerdo con la funcin del instrumento, obtenemos las
formas siguientes: Instrumentos ciegos (gura 1.11), son aquellos
que no enen indicacin visible de la variable. Hay que hacer notar
que son ciegos los instrumentos de alarma, tales como presostatos y
termostatos (interruptores de presin y temperatura respecvamente)
que poseen una escala exterior con un ndice de seleccin de la
variable, ya que slo ajustan el punto de disparo del interruptor o
conmu- tador al cruzar la variable el valor seleccionado. Son
tambin instrumentos ciegos los transmisores de caudal, presin,
nivel y temperatura sin indicacin. Figura 1.11 Instrumentos ciegos
Los instrumentos indicadores (gura 1.12) disponen de un ndice y de
una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable.
Segn la amplitud de la escala se dividen en indicadores concntricos
y excntricos. Existen tambin indicadores digitales que muestran la
variable en for- ma numrica con dgitos. Figura 1.12 Instrumentos
indicadores Los instrumentos registradores (gura 1.13) registran
con trazo connuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o
de grco rectangular o alargado segn sea la forma del grco. Los
registradores de grco circular suelen tener el grco de 1 revolucin
en 24 horas mientras que en los de grco rectangular la velocidad
normal del grco es de unos 20 mm/hora. A sealar que los
registradores sin papel (paperless recorders) enen un coste de
operacin reduci- do, una mejor exactud y pueden incorporar
funciones de captura de datos, lo que los hace ideales para
procesos disconnuos (batch process). Se pueden conectar a una red
LAN, lo que permite un fcil acceso de los datos a los varios
departamentos de la empresa. www.FreeLibros.me
- 46. Captulo 1. Generalidades 23 Figura 1.13 Instrumentos
registradores (circular y rectangular sin papel). Fuente: Honeywell
Los sensores captan el valor de la variable de proceso y envan una
seal de salida predeterminada. El sensor puede formar parte de otro
instrumento (por ejemplo, un transmisor) o bien puede estar
separado. Tambin se denomina detector o elemento primario (gura
1.14) por estar en contacto con la variable, con lo que uliza o
absorbe energa del medio controlado para dar, al sistema de
medicin, una indicacin en respuesta a la variacin de la variable.
El efecto producido por el ele- mento primario puede ser un cambio
de presin, fuerza, posicin, medida elctrica, etc. Por ejemplo: en
los elementos primarios de temperatura de bulbo y capilar, el
efecto es la varia- cin de presin del uido que los llena y en los
de termopar se presenta una variacin de fuerza electromotriz.
Figura 1.14 Sensores y elementos primarios Los transmisores (gura
1.15) captan la variable de proceso a travs del elemento primario y
la transmiten a distancia en forma de seal neumca de margen 3 a 15
psi (libras por pulgada cua- drada) o electrnica de 4 a 20 mA de
corriente connua o digital. La seal neumca de 3 a 15 psi equivale a
0,206-1,033 bar por lo cual, tambin se emplea la seal en unidades
mtricas 0,2 a 1 bar. Asimismo, se emplean seales electrnicas de 1 a
5 mA c.c., de 10 a 50 mA c.c. y de 0 a 20 mA c.c., si bien la seal
normalizada es de 4-20 mA c.c. La seal digital es la ms ampliamente
ulizada y es apta directamente para las comunicaciones, ya que
uliza protocolos estndar. www.FreeLibros.me
- 47. Instrumentacin Industrial 24 Figura 1.15 Transmisores El
sensor puede formar parte integral, o no, del transmisor; el primer
caso lo constuye un trans- misor de temperatura de bulbo y capilar
y el segundo un transmisor de caudal con la placa oricio como
elemento primario. Los transductores reciben una seal de entrada
funcin de una o ms candades sicas y la con- vierten modicada o no a
una seal de salida, es decir, convierten la energa de entrada de
una forma a energa de salida en otra forma. Son transductores, un
rel, un elemento primario, un transmisor, un converdor PP/I (presin
de proceso a intensidad), un converdor PP/P (presin de proceso a
seal neumca), etc. Los converdores son aparatos que reciben una
seal de entrada neumca (3-15 psi) o electrnica (4-20 mA c.c.)
procedente de un instrumento y despus de modicarla (converrla)
envan la resul- tante en forma de seal de salida estndar. Ejemplo:
un converdor P/I (seal de entrada neumca a seal de salida
electrnica, un converdor I/P (seal de entrada elctrica a seal de
salida neum- ca). Conviene sealar que a veces se confunde converdor
con transductor. Este lmo trmino es general y no debe aplicarse a
un aparato que convierta una seal de instrumentos. Los receptores
reciben las seales procedentes de los transmisores y las indican o
registran. Los re- ceptores controladores envan otra seal de salida
normalizada a los valores ya indicados 3-15 psi en seal neumca o
4-20 mA c.c. en seal electrnica, que actan sobre el elemento nal de
control. Los controladores (gura 1.16) comparan la variable
controlada (presin, nivel, temperatura) con un valor deseado y
ejercen una accin correcva de acuerdo con la desviacin. La variable
contro- lada la pueden recibir directamente como controladores
locales o bien indirectamente en forma de seal neumca, electrnica o
digital procedente de un transmisor. El elemento nal de control
(gura 1.17) recibe la seal del controlador y modica su posicin
variando el caudal de uido. En el control neumco, el elemento suele
ser una vlvula neumca o un servomotor neum- co que efectan su accin
completa de 3 a 15 psi (0,2-1 bar). En el control electrnico o
digital, la vlvula o el servomotor anteriores son accionados a
travs de un converdor de intensidad a presin (I/P) o seal digital a
presin que convierte la seal electrnica de 4 a 20 mA c.c. o digital
a neumca 3-15 psi. www.FreeLibros.me
- 48. Captulo 1. Generalidades 25 Figura 1.16 Controladores
Figura 1.17 Elemento final de control En el control elctrico el
elemento suele ser una vlvula motorizada que efecta su carrera
comple- ta accionada por un servomotor elctrico. En el control
electrnico y, en parcul