Medida de nivel (1)

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Tras varias entradas describiendo tipos de equipos, creo que es interesante dedicarle algunas a instrumentación. Antes de introducir los sensores de nivel, por los que voy a comenzar, me gustaría hacer una aclaración muy general. Las señales que nos puede dar un instrumento son básicamente analógicas o digitales. Las primeras ofrecen un valor dentro de un rango, y se traducen en una señal eléctrica (4..20mA, 0..10V, etc), o se transmiten por comunicaciones. Los sensores digitales sólo admiten dos estados. Suelen proporcionar un contacto que abre o cierra cuando la magnitud que se mide sobrepasa cierto valor. Obviamente, existe instrumentación que no proporciona señal eléctrica, sino medida visual, y no son sensores propiamente dicho, aunque también quiero mencionarlos. Así, para la instrumentación de medida de nivel tenemos transductores o transmisores de nivel (analógicos), interruptores de nivel (digitales) e indicadores.

Transmisores de nivel

  • Presión. Esta magnitud es una de las más utilizadas para medir nivel, por la fiabilidad de los instrumentos y su bajo precio. En tanques abiertos basta introducir un sensor de presión en la parte inferior, bien sumergiéndolo en el fluido, bien aislado con una válvula de corte para facilitar el mantenimiento. Conociendo la densidad, es directo determinar la columna de líquido (P=ρgh). Cuando el contacto del fluido puede dañar el instrumento, se interpone una membrana entre ambos y se mide la presión del aire al otro lado de ésta. Otras variantes emplean, con propósito similar, una cámara invertida que mantiene aire; o un tubo en el que se insufla y que produce cierto burbujeo.

    Presión (sonda)
    Presión (sonda)
    Presión (transmisor)
    Presión (transmisor)
    Nivel de burbujeo
    Nivel de burbujeo

    En un tanque cerrado no se puede aplicar alegremente la ecuación previa, puesto que puede estar presurizado. Se necesita por tanto “descontar” la presión de la parte gaseosa, para lo cual se podría instalar un segundo transmisor en la parte superior del recipiente. En la práctica es más simple conducir ambos extremos a un transmisor de presión diferencial, y sigue siendo de aplicación h=P/ρg. A no ser que en el tubo conectado a la parte superior condense el líquido. Pero este problema tiene solución sencilla si se deja que el condensado lo llene por completo, porque entonces el transmisor indica la columna que sobresale. O dicho de otro modo, mide la altura de la parte gaseosa, con lo que h’=H-P/ρg.

    Presión (sin condensación)
    Presión (sin condensación)

    Presión (con condensación)
    Presión (con condensación)
  • Capacitivos. Este método emplea un electrodo de larga longitud semisumergido en el líquido. Si el fluido fuese conductor, es necesario aislar el electrodo. Con esta disposición, se mide la capacitancia entre éste y las paredes del tanque. El conjunto actúa como un condensador, donde hacen de dieléctrico los elementos aislantes intermedios (gas y líquido o recubrimiento). Al variar el nivel, cambia esta capacidad.

    Capacitivo
    Capacitivo

    Capacitivo (esquema)
    Capacitivo (esquema)
  • Ultrasónico. Los sensores ultrasónicos calculan el nivel a partir del tiempo que tarda una onda emitida en retornar tras reflejarse en la superficie. La señal necesita cierto tratamiento para eliminar zonas ciegas, obstáculos y reflejos múltiples. En contrapartida, no están en contacto con el fluido, no se ve afectado por el tipo de material, e incluso pueden detectar interfases entre materiales de diferente densidad.

    Ultrasonidos

    Ultrasonidos (esquema)
    Ultrasonidos (esquema)
  • Radar. El principio de funcionamiento es similar al de los ultrasónicos, pero utilizando microondas. Requieren también, por tanto, una configuración adecuada en función de la geometría del tanque. Este problema se puede resolver con los radares de onda guiada, donde ésta se confina dentro de un tubo por el que asciende el fluido. Usan dos métodos de medida: bien se registra el tiempo que tarda en retornar un pulso, bien se barre un espectro de frecuencias, y se determina la distancia a partir de las resonancias.
    Radar
    Radar

    Radar (guiado)
    Radar (guiado)
  • Óptico. Emplean pulsos de radiación electromagnética, usualmente infrarroja, emitidos por un led o un láser. Hablando con propiedad, los sensores radar también deberían contar en este grupo; la distinción viene motivada porque aquéllos emplean una antena. La luz láser es muy concentrada, con lo que se evita el problema de los ecos. A cambio, puede verse afectado por la radiación solar.

    Óptico
    Óptico
  • Magnetoestrictivo. Este tipo de sensores miden la distancia a un flotador atravesado por una guía vertical. El flotador posee unos imanes perpendiculares a la guía. Por ésta se transmiten a su vez pulsos de corriente que generan campos magnéticos anulares. La interferencia provoca la torsión del flotador, lo que genera una onda que se transmite hacia los dos extremos de la guía. La posición del flotador puede determinarse a partir del tiempo de retardo. Este tipo de sensores, por su complejidad, se usan para aplicaciones muy específicas, con presencia de productos corrosivos o altas temperaturas.

    Magnetoestrictivo
    Magnetoestrictivo

    Magnetoestrictivo (esquema)
    Magnetoestrictivo (esquema)
  • Radiactivo. Si se sitúa una fuente radiactiva en un extremo de un tanque y en otro un detector (Geiger, cámara de ionización…), se puede determinar el grosor del fluido teniendo en cuenta que es proporcional a la radiación absorbida. Obviamente, estos sensores entrañan ciertos riesgos, por lo que se restringen a entornos donde no puedan causar daño. Por otra parte, miden en condiciones muy adversas: corrosión, fluidos en movimento, altas temperaturas, etc.

    Radiactivo
    Radiactivo
  • Servoposicionador. Este tipo de sensores miden la longitud desarrollada de un hilo del que cuelga un flotador, para lo que se emplea un servoposicionador. Cuando el hilo deja de estar en tensión, es preciso restituirla para que permanezca en equilibrio. Una variante apropiada para sólidos emplea un palpador, que se hace descender hasta que toma contacto y el cable pierde tensión, momento en que se recoge.

    Servoposicionador
    Servoposicionador

    Servoposicionador (esquema)
    Servoposicionador (esquema)
  • Peso. Cuando se trabaja con sólidos, es frecuente el uso de sensores de peso (células de carga) para determinar el nivel de silos, tolvas, etc.

Esta entrada continúa en Medida de nivel (2).

Novedades 20150810

Harry Forbes, analista de ARC, considera los beneficios que la incorporación de procesadores multinúcleo va a aportar a la automatización. El más importante, aunque no el único como da a entender el título, es la posibilidad de virtualización, tanto de controladores como de los propios dispositivos de campo. Otra posibilidad que me ha parecido muy interesante es correr simultáneamente un sistema operativo en tiempo real con otro “enriquecido” en funciones.

Para quien quiera profundizar en los protocolos existentes para redes de sensores inalámbricos, Mark Nixon, de Emerson, ha publicado una extensa comparativa entre dos de los más usados, WirelessHART y ISA100.11a. Resumiendo mucho, el primero se introduce como una extensión de HART, mientras que el segundo es más flexible, relegando buena parte de la configuración (e indefiniciones) al usuario final.

Me gusta el sistema de recetas de los S7-1200. En particular, la administración mediante páginas web servidas por el propio PLC, lo que permite, por ejemplo, gestionar y supervisar el proceso desde una tablet, bastante útil cuando se trabaja en campo.

El ingeniero de proceso Béla Lipták define cinco niveles de control en la automatización. Hay que aclarar que sólo se refiere a la regulación de magnitudes simples, lo que comúnmente denominamos -generalizando en exceso- un lazo. Los niveles serían, de menor a mayor sofisticación: control manual, con retroalimentación (un PID, por ejemplo), en cascada, anticipativo (con correcciones a la salida) y “dirigido/retrasado” (lead/lag, que prevé variaciones de carga).

Esta semana GE ha lanzado un servicio que puede dar mucho que hablar. Se trata de su propia nube, Predix, desarrollada específicamente para recoger datos generados por sistemas de control. La idea no es nueva (ya lo hacen los termostatos Nest, por ejemplo), pero el empuje que le puede dar GE va a forzar de seguro a otras compañías a invertir en estas tecnologías. Entre otras cosas, Predix promete mayor operatividad e interoperatividad, escalabilidad, y seguridad.

Cuando los valores de proceso no se reciben de periferia integrada, sino a través de comunicaciones, no siempre se dispone de tiempos de muestreo reducidos y constantes; en especial, cuando es vía inalámbrica. Los lazos PID tradicionales no se pueden usar en estas circunstancias. Un PID inteligente, como el PIDPlus, debe tener en cuenta estos tiempos extensos y variables, así como fallos de comunicación.

He descubierto el muy recomendable blog de Juan Carlos Martín Castillo: REEA (Revista de Electricidad, Electrónica y Automática). En él se se puede encontrar gran cantidad de recursos relacionados con sistemas de control. Pero me gustaría destacar la producción propia, en formato videoblog, consistente en tutoriales en los que de forma muy detallada expone casos prácticos, sin renunciar a profundizar en la teoría o herramientas aplica.

Novedades 20150726

Heather MacKenzie, de Hirschmann, se pregunta cómo será la automatización industrial en en futuro (1 y 2). Su visión pasa por la fabricación inteligente, el peso y estructura de las comunicaciones en el nuevo modelo, y los retos y posibilidades que conllevan.
La automatización de los procesos por lotes es más compleja que para los continuos. Greg McMillan hace un recuento de motivos, de entre los que quiero resaltar el primero: se pueden concebir como estar arrancando y parando perpétuamente.
Algo que aprendí en Cosentino fue la ventaja estratégica que proporciona una buena comunicación entre las redes de fábrica y de negocio, los dos niveles superiores del modelo CIM, que tradicionalmente se han mantenido aislados por un mal entendido concepto de seguridad. Edmunds, Voss y Whitehead plantean varios aspectos clave en esta integración: por supuesto la seguridad, pero también la movilidad que ofrece, el acceso remoto, la computación en la nube, el uso del vídeo o la gestión energética.
Hubertus Breuer, de Siemens, nos habla de la importancia de los datos, la más valiosa “materia bruta”. Para ello, presenta varios ejemplos de uso de la información digital: el metro de Riyadh, con trenes sin conductor que operan con intervalos de 90 segundos, los sensores de turbinas de gas o el software PLM, de gestión del ciclo de vida del producto.
InfoPLC ha publicado esta semana dos tutoriales eminentemente prácticos elaborados por José M. Hurtado, que imparte en el ciclo de Automatización y Robótica Industrial del I.E.S. Himilce. El primero, sobre redes Profibus. El segundo, para quien quiera formarse en la programación de Step 7.
Hablando de formación, la empresa chilena Arian ha elaborado unas breves notas técnicas con fines educativos sobre sensores de temperatura y lazos PID. Aviso: en España nos pueden resultar extraños algunos términos (termocuplas por termopares, por ejemplo).
Y para terminar, diez consejos de la NASA para escribir código crítico. Están los clásicos (control de flujo), los esperados (no usar memoria dinámica, ámbitos reducidos) y los llamativos (las funciones deben caber en una cara de papel y contener al menos dos aserciones).

Novedades 20150712

Bill Tanner, presidente de Sensoray, escribía esta semana una guía breve para la elección de sensores de temperatura. Comienza distinguiendo las propiedades de termopares, RTD, termistores, diodos y sensores de infrarrojos. En función de ellas, el punto de medida, rango, precisión, coste, etc. se determina qué instrumento es más apropiado para cada aplicación.
Un motivo de queja constante, y justificado, de los operadores en las instalaciones suele ser el alarmero. Rich Carpenter, de General Electric, cree que el 95% de las alarmas que generan los sistemas de control son prescindibles. Básicamente hay que atacar dos problemas: considerarlas dentro del sistema, no como avisos de valores individuales, y eliminar el “ruido”. A propósito de este tema, Bradley Ford, de Yokogawa, da siete consejos para redactar los mensajes de alarma.
Aunque hace unas semanas que se publicaron, quiero mencionar dos artículos sobre seguridad en sistemas de control. El primero, de Kerry L. Sparks, ofrece cinco consejos para proteger las comunicaciones. Se centran en evitar el acceso a la red por medio de firewalls, VPN, filtrado y segmentación. Deborah Galea, directora de OPSWAT, se dirige más específicamente a los SCADA en refinerías y plantas de gas, pero las recomendaciones son extensibles a cualquier instalación.
Por último, mencionar la batalla anunciada entre robots gigantes de Estados Unidos y Japón que, aunque no deje de ser una maniobra publicitaria bien orquestada, promete ratos de diversión el año que viene.