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Arriechi GabrielaOrtiz ngelSistemas de controlDe Temperatura
1Arriechi GabrielaOrtiz ngelLa temperatura se puede definir como
el grado de energa trmica medida en una escala definida. La medicin
de temperatura constituye una de las medidas mas comunes y mas
importantes que se efectan en los procesos industriales.
Temperatura
2Arriechi GabrielaOrtiz ngelLa temperatura es una variable
difcil de cuantificar con exactitud y su medicin siempre se hace en
forma indirecta, es decir, se miden otras variables asociadas a
ella, como por ejemplo:
La expansin volumtrica Generacin de una fuerza
electromotrizCambio en la resistencia de un conductor o
semiconductor.Cuantificacin de la radiacin emitida (o pico de
frecuencia de onda emitida). Entre otras.Medida de
Temperatura3Arriechi GabrielaOrtiz ngelMedida de TemperaturaLas
limitaciones en la medicin quedan definidas segn la aplicacin
por:
La precisinLa velocidad de captacin de la temperaturaLa
distancia entre el instrumento de medida y el aparato receptorPor
el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador
necesario
4Arriechi GabrielaOrtiz ngelEscalas TrmicasESCALACERO
ABSOLUTOFUSIN DEL
HIELOEVAPORACIONKelvin0K273.2K373.2KRankine0R491.7R671.7RReamur-218.5Re0Re80ReCentgrada-273.2C0C100CFahrenheit-459.7F32F212F5Arriechi
GabrielaOrtiz ngelSensores de Temperatura6Arriechi GabrielaOrtiz
ngelTermmetrosAprovechan las propiedades de los materiales slidos o
lquidos los cuales al calentarse cambian su volumen. Pueden estar
llenos de alcohol mercurio o bien de espirales de dos metales.
7Arriechi GabrielaOrtiz ngelTermmetro de vidrio
Mrgenes de trabajos de los fluidos empleados son:8Arriechi
GabrielaOrtiz ngelTermmetro de vidrioPartes de un Termmetro:
9Arriechi GabrielaOrtiz ngelTermmetro de vidrioEstos termmetros
pueden ser:
De inmersin total De inmersin parcialDe inmersin completa
10Arriechi GabrielaOrtiz ngelTermmetro de
vidrioVentajasDesventajasSimpleEconmico Larga duracinFrgilesson de
medicin localdificultades en la lectura11Arriechi GabrielaOrtiz
ngelTermmetro Bimetlico Es un instrumento utilizado para medir
temperatura mediante la contraccin y expansin de dos distintas
aleaciones metlicas de alto y bajo coeficiente de dilatacin. La
precisin del instrumento es de 1 % Y su campo de medida de - 200 a
+ 5000 C.
12Arriechi GabrielaOrtiz ngelTermmetro BimetlicoEl uso de los
termmetros bimetlicos es muy extenso ya que estn diseados para
resistir las condiciones de trabajo ms rigurosas
La alimentariaDe
conservacinFarmacuticaQumicaPetroqumicaPapelera
13Arriechi GabrielaOrtiz ngelTermmetro BimetlicoPartes del
instrumento:
14Arriechi GabrielaOrtiz ngelTermmetro de Bulbo y
CapilarConsiste en un bulbo conectado por un capilar flexible a un
espiral.Rango: -40C a +425C y precisin: 1%Hay cuatro clases de
termmetros de Bulbo y Capilar:
Clase I termmetros activados por lquidoClase II termmetros
activados por vaporClase III termmetros activados por gasClase IV
termmetros de mercurio
15Arriechi GabrielaOrtiz ngelTermmetro de Bulbo y CapilarPartes
del instrumento:
16Arriechi GabrielaOrtiz ngelTermmetro de Resistencia
Miden la temperatura de acuerdo al cambio de electrones en la
resistencia.Mide temperaturas de -250 a 950C
17Arriechi GabrielaOrtiz ngelTermmetro de Resistencia
El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy
fino del conductor adecuado Bobinado entre capas de material
aislante Protegido con un revestimiento de vidrio o de cermica.
18Arriechi GabrielaOrtiz ngelTermmetro de
ResistenciaVentajasDesventajasTiene un alto coeficiente de
resistencia.Alta resistividad.Relacin lineal
resistencia-temperatura.Rigidez y ductilidadNo se podrn medir
temperaturas prximas ni superiores a la de fusin del
conductor.Posible presencia de deformaciones mecnicas.19Arriechi
GabrielaOrtiz ngelTermoelctricos20Arriechi GabrielaOrtiz
ngelTermistoresSon semiconductores electrnicos slidos con un
coeficiente de temperatura negativo de valor elevado, por lo que
presentan unas variaciones rpidas y extremadamente grandes para los
cambios relativamente pequeos en la temperatura. Rango: -100 a +300
C
21Arriechi GabrielaOrtiz
ngelTermistoresVentajasDesventajasEconmicos.En intervalos amplios
de temperatura tienen caractersticas no lineales.Alta
sensibilidad.Poca precisin.Problemas de estabilidad.La corriente
que circula a travs del circuito debe de ser baja.
22Arriechi GabrielaOrtiz ngelTermoparesEs un dispositivo para la
medicin de temperatura basado en efectos termoelctricos
23Arriechi GabrielaOrtiz ngelTermoparesPartes del
Instrumento:
24Arriechi GabrielaOrtiz
ngelTermoparesVentajasDesventajasDeterminacin puntual de la
temperaturaRespuesta rpida a la variacin de temperatura.No necesita
alimentacin.Rangos de temperaturas grandesRespuesta no ideal.La
temperatura mxima de alcance de un termopar debe de ser menor al
punto de fusin.El medio donde se va a medir no ataca a los metales
de la unin.25Arriechi GabrielaOrtiz ngelPirmetro de radiacinLos
pirmetros de radiacin miden, pues, la temperatura de un cuerpo a
distancia en funcin de su radiacin.
26Arriechi GabrielaOrtiz ngelPirmetro pticosMiden la temperatura
de un cuerpo en funcin de la radiacin luminosa que ste emite.
Rango: 750 5000 k
27Arriechi GabrielaOrtiz ngelPirmetro
pticosVentajasDesventajasMide la temperatura si estar en contacto
con el cuerpo al cual se le quiere determinar la temperatura.El
pirmetro dirigido sobre una superficie incandescente no nos dar su
temperatura verdadera si la superficie no es perfectamente negra.es
preciso hacer una correccin de la temperatura leda (temperatura de
brillo S) para tener en cuenta el valor de absorcin (o de emisin )
de la superficie.
28Arriechi GabrielaOrtiz ngelPirmetro InfrarrojosMiden la
temperatura de un cuerpo en funcin de la radiacin espectral del
infrarrojo, invisible al ojo humano . Rangos: -32 y +1800 C
29Arriechi GabrielaOrtiz ngelPirmetro
InfrarrojosVentajasDesventajasSon capaces de medir temperaturas ms
bajas que lospirmetros pticos.Estn especialmente indicados para
aplicaciones en las que no se pueden utilizar los sensores
convencionales. Son bastante sensibles a cualquier obstruccin en la
lnea de vista entre el pirmetro y el blanco.Respuesta
lenta30Arriechi GabrielaOrtiz ngelPirmetro FotoelctricoEl pirmetro
fotoelctrico o cunticos consisten en materiales semiconductores
cristalinos que responden a los fotones de radiacin del cuerpo que
se enfoca.Rango: 35 a 1200C.
31Arriechi GabrielaOrtiz ngelPirmetro
FotoelctricoVentajasDesventajasPuede llegar a tiempos de respuesta
de nanosegundos, lo que es una ventaja en la medida de cambios
rpidos de temperatura .Debe mantenerse refrigerado a muy baja
temperatura mediante nitrgeno lquido para reducir el nivel de ruido
elctrico32Arriechi GabrielaOrtiz ngelSeleccin de Instrumentos
33Arriechi GabrielaOrtiz ngelCaractersticas de los
Instrumentos
34Arriechi GabrielaOrtiz ngelCaractersticas de los
Instrumentos
35Arriechi GabrielaOrtiz ngelSeleccin de Sensores de
TemperaturaALTAS TEMPERATURASMEDIAS TEMPERATURAS BAJAS
TEMPERATURASSEGN LA MAGNITUD A MEDIRALTAMEDIA BAJASEGN LA EXACTITUD
A MEDIR36Arriechi GabrielaOrtiz ngelCaractersticas de
InstrumentosSensoresRango de trabajoVentajasDesventajasTermmetro de
resistenciaMide la temperatura de 0 a 850C con un rango de -50 a +
600 C1.- Tiene un alto coeficiente de resistencia.2.-Alta
resistividad.3.-Relacion lineal
resistencia-temperatura.4.-Estabilidad de las caractersticas
durante la vida til del material.Termopares -270 a + 3000 C
Determinacin puntual de la temperatura. Respuesta rpida a la
variacin de temperatura. No necesita alimentacin. Rangos de
temperaturas grandes. Estabilidad a largo plazo aceptable y
fiabilidad elevada.-Mantener la unin de referencia a un temperatura
constante y conocida.-La temperatura mxima de alcance de un
termopar debe de ser menor al punto de fusin.-El medio donde se va
a medir no ataca a los metales de la unin.-La corriente de
alimentacin de un termopar debe ser muy pequea para despreciar el
efecto joule.37Arriechi GabrielaOrtiz ngelCaractersticas de
InstrumentosPirmetro pticos750 5000 KIdeal para medir la
temperatura de las tintas en los hornos que utilizan un sistema de
secado por radiacin Se requiere dar una correccin a la lectura de
temperatura. Solo funciona si se encuentra en una superficie
completamente negra.Pirmetros infrarrojos puede medir temperaturas
-32 C a 1800 C Usados en casos donde no se puede medir directamente
la temperatura por posible contaminacin o influencias negativas.No
permite una medicin exacta por ser de contacto indirecto, en el
calor puede perderse en el medio donde se encuentre y dar una
lectura menor a la real.Pirmetro fotoelctrico Puede medir
temperaturas de 35C a 1200 CPermite lecturas casi instantneas
necesarias cuando se presentan variaciones muy rpidas de
temperatura.38Arriechi GabrielaOrtiz ngelCaractersticas de
InstrumentosTermmetro de bulbo y capilar Temperaturas de -200 C a
500 C Es muy til en procesos donde no se requieren temperaturas muy
elevadas.Una sola variable controla otras dos ms. Si un factor
afecta la variable primaria afectara a las otras
variables.Termmetro bimetlico Variaciones de: 0-300 C, 50-400 C,
100-500 C Diseo y de operacin simple.Son flexible
Termistores De -100 a +300 C La salida de los Termistores se
conectan a un circuito de puente de Wheastone convencional. Son muy
pequeos y el tiempo de repuesta depende de la capacidad trmica y de
la masa del termistor..La corriente que circula a travs del
circuito debe de ser baja para garantizar que la variacin de la
resistencia del elemento sea exclusivamente a los cambios de
temperaturas del proceso.39
Arriechi GabrielaOrtiz ngelSistemas de Control de
TemperaturaSistemas a Lazo Abierto: Calentamiento de un Tanque,
regulacin y control manual.40
Arriechi GabrielaOrtiz ngelSistemas de Control de
TemperaturaSistemas a Lazo Abierto: Operario controlando un
intercambiador de calor.41Arriechi GabrielaOrtiz ngelSistemas de
Control de TemperaturaSistemas a Lazo Cerrado: Regulacin de
Temperatura en un intercambiador de Calor.
42Arriechi GabrielaOrtiz ngelSistemas de Control de
TemperaturaSistemas a Lazo Cerrado: En sistemas de control trmico
tambin se usan tiristores como elemento final de control.
43
Arriechi GabrielaOrtiz ngelSistemas de Control de
TemperaturaCapacitancia Trmica: Capacidad del proceso para
transferir energa trmica a un elemento. Mientras mas resistencia
tenga a la variacin de temperatura mas capacitancia trmica
tiene.44Arriechi GabrielaOrtiz ngelControl Todo o NadaEl elemento
final de control se mueve rpidamente entre sus posiciones extrema,
o sea, la salida solo puede tener dos posiciones: 0% o 100%.
45Arriechi GabrielaOrtiz ngelControl Todo o NadaA este tipo de
control se le agrega usualmente una histresis o banda diferencial
en la que el elemento final de control permanece en su ltima
posicin para valores de la variable comprendidos dentro de esta
banda diferencia.
46
Arriechi GabrielaOrtiz ngelControl Todo o NadaSe aplica en
procesos que tienen una velocidad de reaccin lenta o gran
capacidad, y poseen un tiempo de retardo mnimo. Son usados en
control de temperatura de gran capacidad.47
Arriechi GabrielaOrtiz ngelControl FlotanteMueve el elemento
final de control a una velocidad nica sin importar la desviacin. Se
obtiene al acoplar un todo o nada con banda muerta a una vlvula
motorizada reversible de baja velocidad. Los cambios de carga
pueden ser pequeos pero no rpidos.
48Arriechi GabrielaOrtiz ngelControl Proporcional Tiempo
VariableEs bsicamente una modulacin por ancho de pulso, es decir
que dentro de un ciclo de tiempo constante se produce una conexin y
desconexin del elemento final de control. El valor de la salida se
logra modificando la relacin entre el tiempo de conexin y el tiempo
total del ciclo. Solo se emplea en controladores elctricos.
49Arriechi GabrielaOrtiz ngelControl Proporcional En este tipo
de control la salida depende directamente del error. Se define como
error a la diferencia entre el valor real o Medido y el valor de
consigna o Set Point correspondientes a la variable del proceso que
se esta controlando. En este tipo de control existe una relacin
continua entre el valor de la variable controlada y la posicin del
elemento final de control(dentro de la BP). Es decir la vlvula se
mueve el mismo valor por cada unidad de desviacin.50Arriechi
GabrielaOrtiz ngelControl Proporcional
51Arriechi GabrielaOrtiz ngelControl Proporcional
52Arriechi GabrielaOrtiz ngelControl PID Este controlador
combina control proporcional con dos ajustes adicionales, que ayuda
a la unidad automticamente a compensar los cambios en el sistema.
Estos ajustes, integral y derivativo, se expresan en unidades
basadas en el tiempo, tambin se les nombra por sus recprocos, RATE
y RESET, respectivamente. Los trminos proporcional, integral y
derivativo se deben ajustar de manera individual mediante el mtodo
prueba y error.
53Arriechi GabrielaOrtiz ngelControl PID El controlador
proporcional es el control ms preciso y estable de los tres tipos
de controladores, y se utiliza comnmente en sistemas que tienen una
masa relativamente pequea, que son aquellos que reaccionan
rpidamente a cambios en la energa aadida al proceso. Se recomienda
en sistemas en los que la carga cambia a menudo y no se espera que
el controlador lo compense automticamente, debido a los frecuentes
cambios en el punto de referencia, la cantidad de energa
disponible, o la masa a controlar.
54
Arriechi GabrielaOrtiz ngelControl en Cascada Se usa cuando la
variable controlada no puede mantenerse bajo el punto de consigna
por mas ptimos que sean los ajustes.
55Arriechi GabrielaOrtiz ngelControl en Cascada En un horno
industrial la presin del fuel no es controlada por el lazo de
control de temperatura.
56
Arriechi GabrielaOrtiz ngelControl en Cascada En un control en
cascada la variable secundaria debe: Contener el mayor numero
posible de perturbaciones.Debe tener una BP pequeaLazo de respuesta
rpida.
57Arriechi GabrielaOrtiz ngelElementos Finales de
ControlVlvulas: Se usan las isoporcentuales por su ganancia
proporcional.
58Arriechi GabrielaOrtiz ngelElementos Finales de ControlVlvulas
Isoporcentuales: Su ganancia es directamente proporcional al caudal
de entrada.
59
Arriechi GabrielaOrtiz ngelVlvulas IsoporcentualesEn procesos
trmicos la ganancia deja de ser una constante, y generalmente en
procesos de regulacin la ganancia es inversamente proporcional al
caudal del producto.60Arriechi GabrielaOrtiz ngelSeleccin de
VlvulasAdems la ganancia en procesos de control trmico es
directamente proporcional al caudal de la vlvula.
61
Arriechi GabrielaOrtiz ngelElementos Finales ElectrnicosSe usan
procesos industriales sofisticados como hornos y tratamientos
trmicos donde la regulacin precisa de la variable controlada (suele
ser temperatura) obliga a controlar la potencia entregada a la
resistencia de calefaccin. SCR Amplificador Magntico Saturable
Vlvulas inteligentes(Microprocesadores)
62Arriechi GabrielaOrtiz ngelAmplificador Magntico Saturable Es
un dispositivo electromagntico para amplificar seales elctricas. El
amplificador magntico se invent a principios del siglo 20, y fue
utilizado como una alternativa a los amplificadores de tubo de vaco
donde se requiere robustez y alta capacidad de corriente.
63Arriechi GabrielaOrtiz ngelAmplificador Magntico
SaturableVisualmente pueden parecerse a un transformador, pero el
principio de funcionamiento es bastante diferente de un
transformador - esencialmente el amplificador magntico es un
reactor saturable. Se hace uso de la saturacin magntica del ncleo,
una caracterstica no lineal de una cierta clase de ncleos de
transformador.
64
Arriechi GabrielaOrtiz ngelRectificadores Controlados de
SilicioBloquean la corriente en sentido inverso, pero adems lo
hacen en sentido directo hasta que no se presenta la seal de
control en la compuerta. Existen dos mtodos de activacin:Por Angulo
de fasePor cruc en cero
65Arriechi GabrielaOrtiz ngelRectificadores Controlados de
SilicioEncendido por Angulo de fase: Se aplica en el control de
cargas inductivas o resistivas como la resistencia de un horno
trmico.
66Arriechi GabrielaOrtiz ngelRectificadores Controlados de
SilicioEncendido discreto por paso de cero: Se aplica en el control
de cargas resistivas universalmente usado para el control de
resistencias trmicas de hornos industriales.
67
Arriechi GabrielaOrtiz ngelRectificadores Controlados de
SilicioEncendido discreto por paso de cero: Necesita de un circuito
limitador de corriente, proteccin contra tensiones transitorias y
fusibles de sobre corriente.
68Arriechi GabrielaOrtiz ngelCaractersticas de los SCR
69Arriechi GabrielaOrtiz ngelVlvulas Inteligentes
70Arriechi GabrielaOrtiz ngelAplicacin en la IndustriaAlgunas de
las operaciones de control de temperatura mas usadas en la
industria son las siguientes:Secaderos Intercambiadores de
CalorControl de la llama en las Calderas de Vapor
71
Arriechi GabrielaOrtiz ngelSecaderosLos secaderos tienen por
objeto obtener un producto solido de poca humedad. Entre los tipos
de secaderos mas usados estn:
Secaderos de evaporacin rpidaSecaderos rotativosSecaderos de
doble cilindro rotativo72Arriechi GabrielaOrtiz ngelSecadero de
Evaporacin RpidaTransporta el producto en una corriente de aire
caliente y en muy poco tiempo disminuye su humedad. El control
suele ser en cascada y el control es normalmente PID.
73
Arriechi GabrielaOrtiz ngelSecadero de Evaporacin
Rpida74Arriechi GabrielaOrtiz ngelSecador RotativoConsiste en un
cilindro de gran longitud en cuya entrada se introduce un producto
hmedo, mientras se hace circular aire caliente por el mismo. El
control suele ser en cascada PID.
75Arriechi GabrielaOrtiz ngelSecador Doble Cilindro
RotativoConsiste en dos cilindros rotativos calentados con vapor
que giran en sentidos opuestos hacia adentro muy poco separados y
arrastrando una pelcula del producto. Los cilindros se cargan con
producto que se seca en el corto espacio existente en el rodillo
hasta una cuchilla que lo arranca y cae un transportador.El nico
control automtico que se aplica es la regulacin de presin de
vapor.76Arriechi GabrielaOrtiz ngelSecador Doble Cilindro
Rotativo
77Arriechi GabrielaOrtiz ngelHorno TnelLos procesos de coccin
establecen un programa preciso de control de temperatura
distribuida en las tres zonas tpicas del horno: precalemantiento,
coccin y enfriamiento. La carga es transportada en vagonetas a una
velocidad determinada y las temperaturas se regulan de manera
indirecta.Las medidas se efectan con termopares y los reguladores
actan sobre vlvulas de solenoide o vlvulas neumticas. Cada zona del
horno se regula independiente con control todo o nada, proporcional
o PID y PI.78Arriechi GabrielaOrtiz ngelHorno Tnel
79
Arriechi GabrielaOrtiz ngelIntercambiadores de CalorExisten
varios sistemas para el control de intercambiadores de calorYa que
debe considerarse la presin de vapor, la presin del fluido de
alimentacin, las fluctuaciones en el canal del producto,
variaciones de temperatura, calor especifico, retardos en el
proceso, entre otros.
80
Arriechi GabrielaOrtiz ngelIntercambiadores de CalorSe utilizan
en procesos como precalentamiento, pasteurizacin, esterilizacin y
refrigeracin entre otros. A continuacin vemos un esquema de control
simple que acta directamente sobre la vlvula de vapor.
81
Arriechi GabrielaOrtiz ngelIntercambiadores de CalorEn este caso
se regula la extraccin de condensado, es decir, indirectamente el
nivel de condensado en el serpentn de vapor, mediante un
controlador de temperatura del producto que manda una vlvula de
control en la lnea de salida de l condensado.
Presin de vapor constante.No existen problemas de purga.Vlvula
de control mas pequea.
82Arriechi GabrielaOrtiz ngelIntercambiadores de CalorCuando la
presin del condensado es baja, y existen problemas en su
eliminacin, se coloca un control de nivel en el condensado
sustituyendo a la purga. La temperatura del producto sigue siendo
regulada por un controlador convencional sobre la vlvula de
vapor.
83
Arriechi GabrielaOrtiz ngelIntercambiadores de CalorUn control
en cascada entre el controlador de temperatura como primario y un
controlador de presin de vapor como secundario. Las variaciones de
presin de vapor de la lnea de alimentacin son corregidas
inmediatamente, y las variaciones de temperatura son
compensadas.84Arriechi GabrielaOrtiz ngelIntercambiadores de
Calor
85Arriechi GabrielaOrtiz ngelIntercambiadores de Calor
86
Arriechi GabrielaOrtiz ngelIntercambiadores de CalorSi la
respuesta es demasiado lenta, se mantiene la temperatura del
producto con un controlador actuando sobre una vlvula de tres vas
divisoras que deriva el intercambiador, as se logra una respuesta
rpida y se genera retardos ante cambios en la carga.87
