APUNTES DE LA CLASE DE
INSTRUMENTACIÓN
Juan Gilberto Mateos Suárez

INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA

La instrumentación electrónica tiene como objetivo familiarizar a los recursos humanos con bases estructurales y funcionales, proporcionarles conocimientos necesarios para automatizar plantas industriales, las actividades que se aprenden son medir, controlar y regular variables en procesos de tipo térmicos, hidráulicos, neumáticos, químicos, mecánicos etc., para lograr éste objetivo, se utiliza electrónica lineal, digital y de potencia, así como microprocesadores y microcontroladores.

En las industrias existe la posibilidad de variar los parámetros de circuitos y sistemas ensayados desde una computadora, durante el proceso de aprendizaje se realizan ejercicios de tipo deductivo inductivo. Actualmente existen técnicas tecnológicamente evalucionadas en el control de procesos automatizados, tales como sistemas expertos que regulan la retroalimentación de señales de una forma más efectiva, un ejemplo de estos sistemas se encuentra funcionando en la república mexicana, en industrias del Cobre de Nacozari Sonora, Las Truchas de Lázaro Cárdenas Michoacán, y el complejo de ”Pajaritos”, en Veracruz, entre otras.

La instrumentación electrónica capacita profesionistas para que obtengan la competencia de aislar averías en circuitos y sistemas de medición, se aprenden métodos para localizar fallas, diseñar nuevas soluciones y mantiener en optimas condiciones a los equipos y sistemas montados en un proceso.

El control automático actúa en sistemas y procesos por medio de diferentes métodos matemáticos y/o geométricos, con éste tipo de aprendizajes, el instrumentista es capaz de diferenciar los principales fundamentos sobre los que se sustenta la aplicación de las técnicas de análisis de sistemas lineales de control analógico.

Estrategias para estudiar; El aprendizaje de esta temática se hace en forma individual ó en equipos a través de estudios teóricos y de ejercicios experimentales bajo el control de sistemas computarizados, la realización de ejercicios prácticos hace énfasis en la utilización de componentes eléctricos, dispositivos sensores y circuitos electrónicos como los que normalmente se emplean en la industria.

Conocimientos necesarios; Para realizar instrumentación electrónica con aplicación a procesos industriales, se empieza por aprender características de equipos de instrumentación, como son; el rango de medida, alcance, error, precisión, zona muerta, sensibilidad, repetibilidad, histéresis, resolución, ruido, linealidad, estabilidad, reproductibilidad y respuesta de frecuencia, los equipos de instrumentación se dividen en clases ó tipos de instrumentos, como son; indicadores, registradores, elementos primarios ó sensores, transmisores, transductores, convertidores, receptores, controladores, elementos finales de control, y transmisores neumáticos ó electrónicos entre otros.

El instrumentista domina las aplicaciones de transductores y sus principios de funcionamiento, las características más comunes, la clasificación de sensores, como son los de tipo resistivo, capacitivo, de cambio físico, de cambio químico, los transductores magnéticos, etc.

Para diseñar sistemas de control automático, el instrumentista conoce ampliamente conceptos de electricidad básica; circuitos de corriente continua, corriente alterna y motores eléctricos, teoría fundamental sobre los semiconductores, dispositivos optoelectrónicos, amplificadores operacionales, fuentes de alimentación, lógica combinatoria, lógica secuencial, fundamentos de programación en lenguaje ensamblador, unidades periféricas, arquitectura y aplicaciones de microprocesadores y microcontroladores, diseño de reguladores digitales con CPU, temas de electrónica industrial tales como; reguladores de tensión, dispositivos y circuitos de potencia, detectores y transductores, dispositivos de control de motores, estudio de convertidores con tiristores y sus aplicaciones industriales.

Para obtener conocimientos de mecánica de fluidos es necesario dominar las leyes fundamentales de la hidráulica, tipos y propiedades de flujos a presión, estructuras, funcionamiento y datos característicos de bombas, válvulas de caudal y de presión, diafragmas y dispositivos de estrangulación de caudal y sus aplicaciones, así como el uso y funcionamiento de motores hidráulicos.

El profesional instrumentista conoce la teoría básica para realizar aplicaciones de convertidores ADC'S y DAC'S en la instrumentación, clasificación, descripción y funcionamiento, con estos conocimientos se diseñan circuitos que realizan mediciones de temperatura, presión, flujo, y nivel entre otras variables, el personal de instrumentación calcula el diseño de sensores de flujo, selecciona y calcula la placa de orificio, conoce la teoría del comportamiento de fluidos, realiza mediciones de la variable nivel bajo diversas circunstancias.

Además, requiere de una formación básica en la técnica de mandos electroneumáticos, conocimientos sobre las bases físicas, así como funciones y aplicaciones de componentes electro neumáticos, monta mandos programables, realiza y perfecciona la técnica de mandos secuenciales electro neumaticos, monta sistemas combinatorios y programa módulos secuenciales.

Con la computadora se realizan simulaciones en lazo cerrado de sistemas de tipo real, ya que es normal tener limitaciones en espacios y recursos económicos para disponer de avanzados laboratorios de control.

Para el control lógico secuencial se utiliza el PLC como el equipo más importante, su aprendizaje consiste en conocer sus componentes más importantes, así como el funcionamiento interno de dichos equipos, el instrumentista domina el diseño de circuitos seceunciales, realiza la documentación necesaria para generar tareas de control, y utiliza varios lenguajes de programación con PLC'S.

El sistema de control distribuido se basa en una CPU típica, con altas velocidades de trabajo, cubre distancias grandes de comunicación via red, se dispone del control distribuido en centros de operación, utiliza estaciones de dirección y supervisión de información de variables de proceso. Se activan conexiones físicas eléctricas, mecánicas, y líneas de datos (transmisión de datos en redes), así como sistemas de direccionamiento y rutinas de transferencia y claves de uso, manejo y comunicación de datos correspondientes a variables físicas, información actual y procesos de cambios en tiempo real.

Los sistemas de control distribuidos proporcionan acceso a equipos de medición externos y con acceso múltiple, se monitorean las operaciones del proceso, las atenciones a las alteraciones de procesos y las señales de alarma, proporciona facilidades para acciones correctivas de control al proporcionar alternativas si ocurren alteraciones dentro del proceso, lleva registros de mantenimiento y características de operación de la planta, realiza configuraciones de funcionamiento del sistema de control, contiene alarmas de alta velocidad, realiza reportes impresos de alta velocidad, copias en vídeo, en cintas, en papel y en discos magnéticos, se cuenta también con lamparas indicadoras y señales audibles.

El instrumentista diseña sistemas de potencia para aplicarlos en la regulación y control en circuitos de corriente alterna y/o directa, domina dispositivos de potencia tales como tiristores, circuitos típicos de control de los mismos y sus modalidades, retardos en el diseño utilizando microcircuitos temporizadores, y aplicaciones de tiristores en los procesos y plantas industriales, tales como conversores de tres y seis pulsos, circuitos de doble estrella de seis pulsos, rectificadores controlados de seis fases, circuitos inversores, inversores serie y paralelo, control de motores de D.C. y C.A.

El ingeniero en instrumentación selecciona el regulador adecuado para alimentar sistemas de potencia, usa regulaciones con retroalimentación de voltaje, disipadores de potencia, limitación de corriente y regulación de carga. Con la electrónica de potencia construye los diferentes interruptores que existen, como son interruptores termomagnéticos, interruptores de navajas, interruptores para fusibles tipo cartucho, interruptores de alto voltaje de aceite, ó de bajo voltaje de aceite, interruptor con sistema de mando eléctrico, y diseña apartarrayos.

Para controlar las variables de utilizan actuadores de elementos finales de control, conoce las partes de una válvula, sus características, aplica servomotores neumáticos, válvulas solenoides, elementos finales electrónicos, amplificadores magnéticos, y servomotores eléctricos, realiza el análisis dinámico de controladores y su diseño electrónico, utiliza conocimientos tales como, control de procesos discontinuos, control por computadora, control digital directo, control supervisor, etc. Entre otras variables que se usan son la medición de peso, velocidad, vibración y proximidad.

El ingeniero instrumentista utiliza los principios de operación, manejo y aplicación de diferentes instrumentos de laboratorio que miden variables eléctricas y/o electrónicas, así los como errores en las mediciones. Los equipos de medición electrónicos de sistemas de potencia son instrumentos indicadores de corriente directa, instrumentos indicadores de corriente alterna, instrumentos de hierro móvil, termo instrumentos, voltímetro del tipo rectificador, wattmetros monofásicos y trifásicos, medición de potencia reactiva, wathorímetro, factorímetro, frecuencímetro, osciloscopio, tubo de rayos catódicos, circuitos y conexiones básicos del osciloscopio, obtención elemental de gráficas en la pantalla del osciloscopio, mediciones de voltaje, mediciones de tiempo, mediciones de frecuencia, ángulos de fase.

En los sistemas de instrumentación y control automático se presentan variables que involucran fenómenos físicos con características físicas que no ocurren en condiciones uniformes, los sistemas de control, implican esfuerzos de tipo industrial, comercial y militar.

A las señales que se hacen presentes bajo estas características de funcionamiento se les llama, variables de medición, variables de proceso ó variables de instrumentación.

Para realizar el control de procesos se emplean máquinas, procesos, equipos y sistemas, que resultan importantes en la producción de satisfactores sociales, estas máquinas manipulan fenómenos que suceden en forma aleatoria con cierta consistencia.

En este curso se tratan instrumentos generalmente de tipo electrónico, los cuales miden y realizan funciones de control automático, utilizables en la industria, al término de este curso se espera llegar a dominar el siguiente objetivo:

"Conocer la manera en que se hacen mediciones de nivel, presión, flujo y temperatura utilizando transistores amplificadores operacionales y microprocesadores".

Un instrumentista es un profesionista con nociones de electricidad, hidráulica, neumática, mecánica, electrónica, comunicaciones y computación. Su labor es la de cuidar el buen funcionamiento de los instrumentos montados en un sistema, es el principal responsable del proceso y su producción.

Al presentarse los problemas en un proceso, debe ser capaz de tomar decisiones rápidamente, ya que de esta rapidez de decisión depende el que los instrumentos no realicen funciones de peligro para la vida de los operadores y de la producción. Los esfuerzos físicos del instrumentista generalmente representan millones de pesos para las industrias y países donde están instaladas, la instrumentación es capaz de aumentar la producción y la velocidad de elaboración de los satisfactores sociales.

Juan Gilberto Mateos Suárez

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