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“ESTUDIO Y DESARROLLO DE MATERIAL DOCENTE” Realizado por: Juan Luís Pérez Lapetra. Dirigido por: Mª Pilar Lambán Castillo. Proyecto Fin de Carrera INGENIERIA TECNICA INDUSTRIAL ESPECIALIDAD MECANICA 2 En primer lugar quiero agradecer a la directora de este proyecto, Mª Pilar Lambán Castillo, el tiempo invertido en el mismo, así como su dedicación y disposición durante la realización de dicho proyecto. Mi agradecimiento, también, a todas las personas que me he encontrado durante este camino, tanto en la Residencia como en la Universidad, gracias por su compañerismo y amistad; y a todas las personas que siempre me han apoyado. Finalmente agradecer su apoyo a toda mi familia. Gracias por estar ahí en todo momento. Simplemente ¡GRACIAS! Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 3 INDICE GENERAL 1. INTRODUCCION ------------------------------------------------- 12 1.1 OBJETIVO------------------------------------------------------------------- 12 1.2 ALCANCE ------------------------------------------------------------------- 12 2. MANUAL DE LOS SISTEMAS DE CONTROL --------------- 13 2.1 DEFINICON DE SISTEMA DE CONTROL------------------------- 13 2.2 CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS DE CONTROL -------- 14 2.2.1 SISTEMAS HECHOS POR LAS PERSONAS----------------------- 14 2.2.2 SISTEMAS NATURALES---------------------------------------------- 16 2.2.3 SISTEMAS MIXTOS --------------------------------------------------- 16 2.3 SISTEMAS DE LAZO ABIERTO Y SISTEMAS DE LAZO CERRADO -------------------------------------------------------------- 17 2.3.1 SISTEMAS DE LAZO ABIERTO------------------------------------- 17 2.3.2 SISTEMAS DE LAZO CERRADO------------------------------------ 18 2.3.3 COMPARACION ENTRE LOS SISTEMAS DE LAZO ABIERTO Y LOS SISTEMAS DE LAZO CERRADO --------------------------------- 19 2.4 CARACTERISTICAS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ------------------------------------------------------------------ 20 2.5 ESTABILIDAD Y RESPUESTA DE LOS SISTEMAS DE CONTROL------------------------------------------------------------------------ 21 2.6 MODELOS DE SISTEMAS---------------------------------------------- 22 2.6.1 ECUACIONES DIFERENCIALES----------------------------------- 22 2.6.2 DIAGRAMAS DE BLOQUES----------------------------------------- 23 2.7 EQUIPO BASICO DE UN SISTEMA DE CONTROL------------- 24 2.7.1 ELEMENTOS DE MEDICION--------------------------------------- 24 2.7.2 ELEMENTOS ELECTRONICOS DE CORRECCION------------- 28 2.7.3 ELEMENTOS DE CORRECCION ELECTRONEUMATICOS O HIDRAULICOS ------------------------------------------------------------ 30 2.8 CONTROL DE LOS PROCESOS DISCRETOS-------------------- 31 Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 4 2.9 EQUIPOS Y PROCEDIMIENTOS DE CONTROL---------------- 34 2.9.1SISTEMAS DE DATOS DE FORMULACION ---------------------- 34 2.9.2 MANEJO DE CONTROLADORES ---------------------------------- 34 2.9.3 TRANSMISION DE DATOS ------------------------------------------ 36 2.9.4 REGULACION DE PROCESOS ------------------------------------- 37 2.9.5 CONTROL Y OPTIMIZACION--------------------------------------- 37 2.10 CONTROL DE LOS PROCESOS DE PRIMERA TRANSFORMACION --------------------------------------------------------- 39 2.10.1 HARINA---------------------------------------------------------------- 39 2.10.2 ALMIDON------------------------------------------------------------- 40 2.10.3 AZUCAR--------------------------------------------------------------- 40 2.10.4 LECHE----------------------------------------------------------------- 42 2.10.5 ACEITES Y GRASAS------------------------------------------------- 43 2.10.6 ZUMOS DE FRUTAS ------------------------------------------------ 44 2.10.7 LA FERMENTACION------------------------------------------------ 45 2.11 PRODUCTOS MANUFACTURADOS------------------------------- 48 2.11.1 COCCION POR EXTRUSION-------------------------------------- 48 2.11.2 PANADERIAS--------------------------------------------------------- 50 2.11.3 LECHERIAS----------------------------------------------------------- 52 2.11.4 EL PROCESO TERMICO DE LOS ALIMENTOS PARTICULADOS------------------------------------------------------------- 55 2.11.5 EL TOSTADO DEL CAFE------------------------------------------- 57 2.12 PRODUCTOS QUE MANTIENEN SU ESTRUCTURA--------- 58 2.12.1 CARNES Y PESCADOS---------------------------------------------- 58 2.12.2 FRUTAS Y HORTALIZAS ------------------------------------------- 59 2.12.3 EL ENVASADO EN ATMOSFERAS MODIFICADAS ---------- 60 2.12.4 DULCES Y HELADOS----------------------------------------------- 60 2.12.5 EL ENCAPSULADO ------------------------------------------------- 61 2.12.6 EL ENVASADO------------------------------------------------------- 62 Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 5 2.13 CONTROL INTEGRADO EN PLANTA ------------------------------ 63 2.13.1 EL CABLEADO DE CAMPO --------------------------------------- 63 2.13.2 LA TRANSMISION DE DATOS Y LOS COMPUTADORES SUPERVISORES-------------------------------------------------------------- 63 2.13.3 TENDENCIAS EN SOFTWARE ------------------------------------ 63 2.13.4 RECOMENDACIONES PARA FUTUROS PROYECTOS------- 64 2.14 ELEMENTOS FINALES DE CONTROL--------------------------- 65 2.14.1 TIPOS DE VALVULAS----------------------------------------------- 65 2.14.2 TIPOS DE ACTUADORES------------------------------------------ 72 2.15 BIBLIOGRAFIA Y PAGINAS WEBS ------------------------------- 75 3. MANUAL DE SENSORES------------------------------------------- 77 3.1 DEFINICION DE SENSOR---------------------------------------------- 77 3.2 CARACTERISTICAS DE LOS SENSORES------------------------- 80 3.3 RESOLUCION Y PRECISION DE LOS SENSORES------------- 82 3.4 SENSORES DE TEMPERATURA ------------------------------------- 83 3.5 SENSORES DE PRESION ----------------------------------------------- 91 3.5.1 SENSORES DE PRESION MECANICOS--------------------------- 92 3.5.2 SENSORES DE PRESION ELECTROMECANICOS ------------- 94 3.5.3 SENSORES DE PRESCION ELECTRONICOS DE VACIO------ 97 3.6 SENSORES DE NIVEL ------------------------------------------------- 100 3.6.1 SENSORES DE NIVEL PARA LIQUIDOS------------------------ 100 3.6.2 SENSORES DE NIVEL PARA SOLIDOS ------------------------- 104 3.7 SENSORES DE CAUDAL---------------------------------------------- 107 3.7.1 SENSORES DE CAUDAL VOLUMETRICO --------------------- 107 3.7.2 SENSORES DE CAUDAL MASICO ------------------------------- 112 3.8 SENSORES DE DENSIDAD------------------------------------------- 114 3.9 SENSORES DE VISCOSIDAD---------------------------------------- 115 3.10 SENSORES DE HUMEDAD ----------------------------------------- 116 3.10.1 HUMEDAD DE EQUILIBRIO------------------------------------ 116 3.10.2 SENSORES DE MICROONDAS---------------------------------- 116 3.10.3 SENSORES DE INFRARROJOS---------------------------------- 117 Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 6 3.11 SENSORES QUIMICOS Y BIOQUIMICOS--------------------- 118 3.11.1 RESONANCIA MAGNETICA NUCLEAR ----------------------- 118 3.11.2 ELECTRODOS DE pH--------------------------------------------- 118 3.11.3 SELECTIVOS DE IONES------------------------------------------ 118 3.12 SENSORES DE TAMAÑO-------------------------------------------- 119 3.13 SENSORES DE COLOR ---------------------------------------------- 120 3.14 SENSORES DE TURBIDEZ ----------------------------------------- 121 3.15 SENSORES DE LUZ--------------------------------------------------- 122 3.16 SENSORES INDUCTIVOS------------------------------------------- 125 3.17 SENSORES CAPACITIVOS----------------------------------------- 126 3.18 SENSORES POR ULTRASONIDOS------------------------------- 127 3.19 SENSORES DE ESFUERZO----------------------------------------- 128 3.20 SENSORES DE MOVIMIENTO ------------------------------------ 129 3.20.1 SENSORES DE DESLIZAMIENTO ------------------------------ 129 3.20.2 SENSORES DE VELOCIDAD ------------------------------------ 130 3.20.3 SENSORES DE ACELERACION--------------------------------- 130 3.21 FIABILIDAD DE LA MEDIDA ------------------------------------- 134 3.22 BIBLIOGRAFIA Y PAGINAS WEBS ----------------------------- 135 4. PRESENTACIONES DE POWEPOINT-------------------------136 4.1 PRESENTACION DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ------- 136 4.1.1 INDICE DE LA PRESENTACION DE LOS SISTEMAS DE CONTROL -------------------------------------------------------------- 136 4.1.2 RELACION DE VIDEOS DE SISTEMAS DE CONTROL------ 138 4.2 PRESENTACION DE LOS SENSORES---------------------------- 140 4.2.1 INDICE DE LA PRESENTACION DE LOS SENSORES-------- 140 4.2.2 RELACION DE VIDEOS DE SENSORES ------------------------ 140 5. CASOS PRACTICOS------------------------------------------------141 5.1 ELABORACION DE AZUCAR--------------------------------------- 141 5.1.1 SENSORES UTILIZADOS ------------------------------------------ 149 5.2 ELABORACION DE PAN---------------------------------------------- 150 5.2.1 SENSORES UTILIZADOS ------------------------------------------ 153 Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 7 5.3 ELABORACION DE CHOCOLATE -------------------------------- 154 5.3.1 SENSORES UTILIZADOS ------------------------------------------ 156 6. CONCLUSIONES ----------------------------------------------------157 7. BIBLIOGRAFIA Y PAGINAS WEBS ---------------------------158 7.1 BIBLIOGRAFIA---------------------------------------------------------- 158 7.2 PAGINAS WEBS --------------------------------------------------------- 159 Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 8 INDICE IMAGENES Figura 2.1 Esquema de un Sistema de Lazo Abierto -------------- 17 Figura 2.2 Esquema de un Sistema de Lazo Cerrado-------------- 19 Figura 2.3 Esquema de un Diagrama de Bloques------------------- 23 Figura 2.4 Esquema Interno de un Potenciómetro Circular ----- 24 Figura 2.5 Esquema de un Transformador Diferencial de Variación Lineal -------------------------------------------------------- 25 Figura 2.6 Esquema de un Extensómetro de Resistencia Eléctrica------------ -------------------------------------------------------- 25 Figura 2.7 Esquema de un Tacómetro -------------------------------- 26 Figura 2.8 Componentes de un Codificador ------------------------- 27 Figura 2.9 Esquema de un Sincro-------------------------------------- 27 Figura 2.10 Esquema de Conexión de un RTD---------------------- 28 Figura 2.11 Motor de Corriente Directa------------------------------ 28 Figura 2.12 Motor de Corriente Directa sin Escobillas------------ 29 Figura 2.13 Motor de Corriente Alterna ----------------------------- 29 Figura 2.14 Motor de Pasos --------------------------------------------- 30 Figura 2.15 Elemento de Corrección Hidráulico-------------------- 30 Figura 2.16 Diagrama de Tiempos de un Proceso ------------------ 31 Figura 2.17 Diagrama de Escalera------------------------------------- 32 Figura 2.18 Diagrama de Flujo----------------------------------------- 32 Figura 2.19 Diagrama de Funciones Secuenciales------------------ 33 Figura 2.20 Mezcladora de Ingredientes ----------------------------- 35 Figura 2.21 Mezcladora de Fluidos------------------------------------ 35 Figura 2.22 Planta de Fabricación de Harina ----------------------- 39 Figura 2.23 Diagrama de Flujo de la Producción de Almidón--- 40 Figura 2.24 Esquema de Fabricación de Azúcar-------------------- 41 Figura 2.25 Línea de Producción de la Leche----------------------- 42 Figura 2.26 Proceso de Refinado de Aceite Vegetal---------------- 44 Figura 2.27 Proceso de Elaboración de Zumo----------------------- 45 Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 9 Figura 2.28 Armario para la Fermentación del Pan --------------- 46 Figura 2.29 Elaboración de Cerveza ---------------------------------- 47 Figura 2.30 Etapa del Proceso de Elaboración de la Pasta Fresca ----------------------------------------------------------------------- 48 Figura 2.31 Etapa del Proceso de Elaboración de Embutidos --- 49 Figura 2.32 Amasadora de Pan----------------------------------------- 50 Figura 2.33 Proceso de Elaboración del Pan------------------------- 51 Figura 2.34 Diagrama de Bloques de la Elaboración de la Mantequilla ---------------------------------------------------------------- 52 Figura 2.35 Diagrama de Elaboración del Queso de Cabra ------ 53 Figura 2.36 Diagrama de Elaboración de Yogur ------------------- 54 Figura 2.37 Esterilización con Autoclaves de Alimentos ---------- 55 Figura 2.38 Proceso de Elaboración de Café ------------------------ 57 Figura 2.39 Proceso de Elaboración del Chocolate----------------- 61 Figura 2.40 Planta de Embotellado de Agua------------------------- 62 Figura 2.41 Válvulas de Globo------------------------------------------ 65 Figura 2.42 Válvula en Angulo ----------------------------------------- 66 Figura 2.43 Válvula de Compuerta------------------------------------ 66 Figura 2.44 Válvula de Jaula-------------------------------------------- 67 Figura 2.45 Válvula en Y ------------------------------------------------ 67 Figura 2.46 Válvula de Cuerpo Partido ------------------------------ 68 Figura 2.47 Válvula Saunders ------------------------------------------ 68 Figura 2.48 Válvula de Obturador Excéntrico Rotativo ---------- 69 Figura 2.49 Válvula de Mariposa -------------------------------------- 69 Figura 2.50 Válvula de Bola--------------------------------------------- 70 Figura 2.51 Válvula de Orificio Ajustable --------------------------- 70 Figura 2.52 Válvula de Flujo Axial ------------------------------------ 71 Figura 2.53 Válvula de Desahogo -------------------------------------- 71 Figura 2.54 Actuador Neumático -------------------------------------- 72 Figura 2.55 Actuador Hidráulico-------------------------------------- 73 Figura 2.56 Actuador de Solenoide------------------------------------ 74 Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 16 2.2 CLASIFICACION DE LOS SINTEMAS DE CONTROL. Los sistemas de control son agrupados en tres tipos básicos que son: los realizados por las personas, los naturales y los mixtos. 2.2.1 SISTEMAS HECHOS POR LAS PERSONAS. Como su propio nombre indica, estos sistemas de control han sido realizados por las personas para controlar distintas propiedades de un proceso. Los sistemas eléctricos o electrónicos están permanentemente capturando señales del estado del sistema y al detectar una desviación de los parámetros preestablecidos del funcionamiento normal del sistema, actúan mediante sensores y actuadores, para llevar al sistema de vuelta a sus condiciones normales de funcionamiento. Un claro ejemplo de sistema realizado por las personas sería un termostato, el cual capta consecutivamente señales de temperatura. En el momento en que la temperatura desciende o aumenta y sale del rango, este actúa encendiendo un sistema de refrigeración o de calefacción. Los sistemas realizados por las personas se pueden clasificar según distintos parámetros: • Según su causalidad pueden ser: - CAUSALES. Un sistema es causal si existe una relación de causalidad entre las salidas y las entradas del sistema, más explícitamente, entre la salida y los valores futuros de la entrada. - NO CAUSALES. • Según el número de entradas y salidas del sistema: - DE UNA ENTRADA Y UNA SALIDA. - DE UNA ENTRADA Y MULTIPLES SALIDAS. - DE MULTIPLES ENTRADAS Y UNA SALIDA. - DE MULTIPLES ENTRADAS Y MULTIPLES SALIDAS. • Según la ecuación que define el sistema: - LINEAL. Definido por una ecuación diferencial lineal. - NO LINEAL. Definido por una ecuación diferencial no lineal. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 17 • Según sean o no las señales o variables de los sistemas dinámicos función del tiempo: - De TIEMPO CONTINUO. Si el modelo del sistema es una ecuación diferencial, y por tanto el tiempo se considera infinitamente divisible. - De TIEMPO DISCRETO. Si el sistema está definido por una ecuación por diferencias. El tiempo se considera dividido en períodos de valor constante. Los valores de las variables son digitales y su valor solo se conoce en cada período. - De EVENTOS DISCRETOS. Si el sistema evoluciona de acuerdo con variables cuyo valor se conoce al producirse un determinado evento. • Según la relación entre las variables de los sistemas: - ACOPLADOS. Dos sistemas están acoplados cuando las variables de uno de ellos están relacionadas con las del otro sistema. - DESACOPLADOS. Dos sistemas están desacoplados si las variables de ambos sistemas no tienen ninguna relación. • Según la evolución de las variables de un sistema en el tiempo y el espacio: - ESTACIONARIOS. Cuando sus variables son constantes en el tiempo y en el espacio. - NO ESTACIONARIOS. Cuando sus variables no son constantes en el tiempo o en el espacio. • Según sea la respuesta del sistema (valor de la salida) respecto a la variación de la entrada del sistema: - ESTABLE. Si ante una variación muy rápida de la entrada se produce una respuesta acotada de la salida. - INESTABLE. Si ante una entrada muy rápida se produce una respuesta no acotada de la salida. • Según comparen o no la entrada y la salida de un sistema, para controlar la salida: - LAZO ABIERTO. Si cuando la salida para ser controlada, no se compara con el valor de la señal de entrada o señal de referencia. - LAZO CERRADO. Si cuando la salida para ser controlada, se compara con la señal de referencia. La señal de salida que es llevada junto a la señal de entrada, para ser comparada, se denomina señal de retroalimentación. • Según la posibilidad de predecir la respuesta del sistema: - DETERMINISTA. Si cuando su comportamiento futuro es predecible dentro de unos límites de tolerancia. - ESTOCASTICO. Si es imposible predecir el comportamiento futuro. Las variables del sistema se denominan aleatorias. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 18 2.2.2 SISTEMAS NATURALES. Un ejemplo claro de un sistema de control natural serían los movimientos corporales humanos, así como el acto de indicar un objeto que incluye como componentes del sistema de control biológico los ojos, el brazo, la mano, el dedo y el cerebro del hombre. En la entrada se procesa el movimiento y la salida es la dirección hacia la cual se hace referencia. 2.2.3 SISTEMAS MIXTOS. Un sistema de control mixto está formado tanto por sistemas de control realizados por las personas como por sistemas naturales. Un ejemplo de sistema de control mixto sería un conductor con su vehículo. Este sistema está compuesto por los ojos, las manos, el cerebro y el vehículo. La entrada se manifiesta en el rumbo que el conductor debe seguir sobre la vía y la salida es la dirección actual del automóvil. Otro ejemplo puede ser las decisiones que toma un político antes de unas elecciones. Éste sistema está compuesto por ojos, cerebro, oídos y boca. La entrada se manifiesta en las promesas que anuncia el político y la salida es el grado de aceptación de la propuesta por parte de la población. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 19 2.3 SISTEMAS DE LAZO ABIERTO Y SISTEMAS DE LAZO CERRADO. Según su comportamiento existen dos clases de sistemas de control: sistema de control de lazo abierto y sistema de control de lazo cerrado. 2.3.1 SISTEMAS DE LAZO ABIERTO. Un sistema de lazo abierto es aquel sistema en el que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como resultado una señal de salida independiente a la señal de entrada, pero basada en la primera. Esto significa que no hay retroalimentación hacia el controlador para que éste pueda ajustar la acción de control. Es decir, la señal de salida no se convierte en señal de entrada para el controlador. Los elementos básicos que podemos encontrar en un sistema de control de lazo abierto son tres: • Elemento de control: este elemento determina que acción se va a tomar dada una entrada al sistema de control. • Elemento de corrección: este elemento responde a la entrada que viene del elemento de control e inicia la acción para producir el cambio en la variable controlada al valor requerido. • Proceso: es el sistema en el que se va a controlar la variable. También se llama planta. Hay veces en las que los dos primeros elementos se unen para formar el elemento controlador. Figura 2.1 Esquema de un Sistema de Lazo Abierto. Un ejemplo de sistema de lazo abierto sería un calefactor eléctrico utilizado para calentar una habitación. En este caso, la variable a controlar sería la temperatura de la habitación, el elemento de control sería una persona que toma las decisiones relativas a la temperatura, el interruptor y el calefactor serían el elemento de corrección, y la habitación sería el proceso. Los sistemas de lazo abierto se caracterizan por ser sencillos y de fácil concepto. Su estabilidad ante una perturbación no está asegurada (puede ser afectado por las perturbaciones), la salida no se compara con la entrada y su precisión depende de la calibración del sistema. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 20 2.3.2 SISTEMAS DE LAZO CERRADO. Los sistemas de lazo cerrado son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida. Los sistemas de circuito cerrado usan la retroalimentación desde un resultado final para ajustar la acción de control. El control en lazo cerrado es imprescindible cuando se da alguna de las siguientes circunstancias: cuando un proceso no es posible de regular por el hombre, cuando existe una producción a gran escala que exige grandes instalaciones y el hombre no es capaz de manejar y cuando vigilar un proceso puede resultar especialmente duro o se requiera una gran atención (el hombre puede distraerse y se pueden producir errores). En un sistema de lazo cerrado se pueden encontrar los siguientes elementos básicos: • Elemento de comparación: este elemento compara el valor requerido con el valor medido que se obtiene a la salida, y produce una señal de error que indica la diferencia entre dichos valores. • Elemento de control: en él se decide que acción tomar cuando se recibe la señal de error. • Elemento de corrección: se utiliza para producir un cambio en el proceso al eliminar el error. Con frecuencia se les denomina actuador. • Elemento proceso o planta: es el sistema donde se controla la variable. • Elemento de medición: este elemento produce una señal relacionada con la condición de la variable controlada, y proporciona la señal de realimentación al elemento de comparación para detectar si hay o no error. Un ejemplo de sistema de control de lazo cerrado sería el sistema utilizado para mantener constante el nivel de agua en un tanque. El valor de referencia es la posición inicial en el brazo de flotador, de modo que se cierra el suministro en el nivel deseado. Cuando el agua sale del tanque, el flotador baja con el nivel de agua. Esto propicia que el brazo del flotador se mueva y permita que el agua entre en el tanque. Este flujo continúa hasta que el flotador sube a una altura tal, que haya movido el brazo del flotador y cerrado el suministro de agua. En el ejemplo anterior la variable controlada sería el nivel de agua, el valor de referencia sería la posición inicial del brazo del flotador, el elemento comparador es el brazo del flotador, la señal de error vendría determinada por la diferencia entre la posición real del brazo y su posición inicial, el brazo pivotante sería el elemento de control, el elemento de corrección es la aleta de apertura o cierre del suministro de agua, el agua en el tanque es el proceso y el dispositivo de medición el flotador y el brazo que lo sostiene. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 21 Figura. 2.2 Esquema de un Sistema de Lazo Cerrado. Los sistemas de control de lazo cerrado se caracterizan por ser complejos, comparar la salida con la entrada. Tienen la propiedad de la retroalimentación (medio a través del cual una señal relacionada con la variable real obtenida se realimenta para compararse con la señal de referencia) y son más estables a perturbaciones y vibraciones internas. 2.3.3 COMPARACION ENTRE LOS SISTEMAS DE LAZO ABIERTO Y LOS SISTEMAS DE LAZO CERRADO. Las ventajas que tienen la realimentación, y por tanto, un sistema de lazo cerrado en comparación con un sistema de lazo abierto son las siguientes: • Es más exacto. • Es menos sensible a las perturbaciones. • Es menos sensible a cambios en las características de los componentes. • Tienen una mayor velocidad de respuesta y, por lo tanto, el intervalo de frecuencias en los que es sistema responde es mayor. Pero no todo son ventajas, también existen algunos inconvenientes son la inestabilidad y que son sistemas más complejos y por lo tanto más caros. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 22 2.4 CARACTERISTICAS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL: • Señal de Corriente de Entrada: es un estímulo aplicado a un sistema desde una fuente de energía externa con el propósito de que el sistema produzca una respuesta específica. • Señal de Corriente de Salida: es la respuesta obtenida por el sistema que puede o no relacionarse con la respuesta que implicaba la entrada. • Variable Manipulada: es el elemento al cual se le modifica su magnitud, para lograr la respuesta deseada. es decir, se manipula la entrada del proceso. • Variable Controlada: es el elemento que se desea controlar. Se puede decir que es la salida del proceso. • Conversión: mediante receptores se generan las variaciones o cambios que se producen en la variable. • Variaciones Externas: son los factores que influyen en la acción de producir un cambio de orden correctivo. • Fuente de Energía: es la que proporciona la energía necesaria para generar cualquier tipo de actividad dentro del sistema. • Retroalimentación: la retroalimentación es una característica importante de los sistemas de control de lazo cerrado. Es una relación secuencial de causas y efectos entre las variables de estado. Dependiendo de la acción correctiva que tome el sistema, este puede apoyar o no una decisión, cuando en el sistema se produce un retorno se dice que hay una retroalimentación negativa; si el sistema apoya la decisión inicial se dice que hay una retroalimentación positiva. • Variables de fase: son las variables que resultan de la transformación del sistema original a la forma canónica controlable. De aquí se obtiene también la matriz de controlabilidad cuyo rango debe ser de orden completo para controlar el sistema. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 23 2.5 ESTABILIDAD Y RESPUESTA DE LOS SISTEMAS DE CONTROL: Se dice que un sistema es estable si cuando está sujeto a una entrada o perturbación acotada entonces la salida es acotada. Una salida o entrada acotada es aquella que tiene una magnitud finita. La condición para estabilidad también se puede expresar como que un sistema es estable si al excitarlo con un impulso la salida regresa eventualmente a cero. Los sistemas de control de lazo abierto son, por lo general, estables. Una entrada finita produce una salida finita y que en forma indefinida no cambia con el tiempo. Al aumentar la función de transferencia de un elemento en un sistema de lazo abierto no tiene efecto en la estabilidad del propio sistema. Sin embargo, los sistemas de control de lazo cerrado pueden mostrar inestabilidad, que se puede presentar como resultado de tiempos de retardo que ocurren entre el cambio en la variable y la señal de realimentación resultante de la respuesta del sistema. Las respuestas de un sistema de control, o de un elemento del sistema, están formada por: la respuesta en estado estable y la respuesta transitoria. La respuesta transitoria es la parte de la respuesta de un sistema que se presenta cuando hay un cambio en la entrada y desaparece después de un corto intervalo de tiempo. La respuesta en estado estable es aquella que permanece después de que desaparecen todos los transitorios. Cuando se aplica una entrada a un sistema de control, se espera que después de que desaparezcan todos los efectos transitorios, la salida se asentará al valor del comando. El error entre este valor y el comando de entrada se llama error en estado estable. El error en cualquier sistema es la diferencia entre la señal de salida requerida y la señal real que se presenta. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 24 2.6 MODELOS DE SISTEMAS. Para poder analizar un sistema de control necesitamos modelos matemáticos de los elementos empleados en dichos sistemas. Estos modelos son ecuaciones que representan la relación entre la entrada y la salida del sistema. Las bases de todo modelo matemático provienen de las leyes físicas fundamentales que gobiernan el comportamiento de un elemento. A partir de una variedad de bloques funcionales, es posible la creación de sistemas. Cada bloque tiene una función y unas propiedades únicas. Al combinar los bloques funcionales de diferentes maneras es posible lograr una gran cantidad de sistemas eléctricos y las relaciones entrada-salida globales, que se obtienen para dichos sistemas, son a partir de la combinación de las relaciones causa-efecto de cada bloque funcional. Un sistema formado de esta manera se llama sistema de parámetros concentrados, debido a que cada parámetro (propiedad o función) se considera de forma independiente. Para describir por completo el comportamiento de un sistema el modelo debe tener en cuenta la relación entre las entradas y las salidas, las cuales son función del tiempo y son capaces de describir comportamientos transitorios y en estado estable. Por eso se necesitará un modelo que indique cómo variará la respuesta del sistema con el tiempo. 2.6.1 ECUACIONES DEFERENCIALES. Un tipo de modelo utilizado para describir el comportamiento de un sistema o de un elemento del sistema es la ecuación diferencial. Una ecuación diferencial es una ecuación en la que intervienen derivadas de una o más funciones. Dependiendo del número de variables independientes respecto de las que se deriva, las ecuaciones diferenciales se dividen en: • Ecuaciones diferenciales ordinarias: aquellas que contienen derivadas respecto a una sola variable independiente. • Ecuaciones en derivadas parciales: aquellas que contienen derivadas respecto a dos o más variables. Este modelo incluye derivadas respecto al tiempo, por lo que nos proporciona una información de cómo varía la respuesta del sistema con el tiempo. Un método muy utilizado para la resolución de ecuaciones es la Transformada de Laplace que transforma una ecuación diferencial en una ecuación algebraica más fácil de resolver. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 25 2.6.2 DIAGRAMAS DE BLOQUES. Establecer modelos para sistemas complicados es el resultado de enlazar algunos subsistemas o elementos que tienen su propia función de transferencia. Los diagramas de bloques se pueden utilizar para representar cada uno de estos subsistemas y, el sistema como un todo. Figura 2.3 Esquema de un Diagrama de Bloques. En un diagrama de bloques se muestra la representación de los elementos de un diagrama de bloques. Las flechas representan las direcciones de flujo de la señal. Un punto suma es aquel en el que las señales se suman algebraicamente. Un punto de separación indica que de algún punto de la trayectoria de la señal se toma parte de la señal. El término trayectoria directa se usa para los elementos a través de los cuales pasa la señal en la dirección entrada-salida a lo largo del sistema. La trayectoria de realimentación se usa para los elementos por los cuales pasa la señal cuando se alimenta de regreso desde la salida hacia la entrada. Una trayectoria de prealimentación es aquella en la que los elementos están en paralelo con la trayectoria directa y a través de los cuales la señal se mueve en la misma dirección, entrada-salida. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 32 • MOTOR DE PASOS O MOTOR PASO A PASO. El motor de pasos produce una rotación angular igual al ángulo de paso de cada pulso digital aplicado a su entrada. Figura 2.14 Motor de Pasos. 2.7.3 ELEMENTOS DE CORRECCION ELECTRONEUMATICOS O HIDRAULICOS. En muchos sistemas de control se puede usar una salida eléctrica del controlador para operar una válvula solenoide y aprovechar esta acción para producir una señal neumática o hidráulica que active un dispositivo. El solenoide es un núcleo de hierro suave. Cuando la corriente pasa a través de la bobina se establece un campo magnético que atrae al núcleo de hierro hacia el interior de la bobina. Figura 2.15 Elemento de Corrección Hidráulico. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 33 2.8 CONTROL DE LOS PROCESOS DISCRETOS. Un proceso discreto tiene distintas operaciones, cada una de las cuales tiene una condición definida para reiniciarse. El control es una secuencia de operaciones. Las secuencias de un proceso pueden estar manejadas por eventos o por tiempos. Una secuencia manejada por eventos es aquella en la que la segunda operación no puede llevarse a cabo hasta que no finalice la primera, la tercera no se podrá realizar hasta que no se haya realizado la segunda y así sucesivamente. Y una secuencia manejada por tiempos es aquella en la que por ejemplo la segunda acción aparece a un determinado tiempo de haber empezado la primera, no necesita que la primera hay terminado para poder llevarse a cabo la segunda. Algunos de los modelos utilizados para describir procesos discretos son: • LISTAS DE INSTRUCCIONES. Una lista de instrucciones establece con palabras la secuencia de acciones que se llevan a cabo para cada paso de la secuencia requerida. • DIAGRAMAS DE TIEMPOS DEL PROCESO. Un diagrama de tiempos del proceso es una gráfica que describe cada una de las operaciones de la secuencia como funciones del tiempo. Figura 2.16 Diagrama de Tiempos de un Proceso. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 34 • DIAGRAMAS DE ESCALERA. Los diagramas de escalera muestran cada paso en el proceso como el escalón de una escalera. Los lados verticales de la escalera están conectados a la alimentación de voltaje y los escalones son circuitos con interruptores como entradas y dispositivos que se encienden y se apagan por la acción de los interruptores en un escalón de salida. Figura 2.17 Diagrama de Escalera. • DIAGRAMAS DE FLUJO. Un diagrama de flujo usa bloques para representar cada paso y líneas para mostrar la trayectoria posible de un paso a otro. Figura 2.18 Diagrama de Flujo. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 35 • DIAGRAMAS DE FUNCIONES SECUENCIALES. Para representar cada paso, estos diagramas usan bloques unidos con líneas que indican las transiciones de un paso a otro. Figura 2.19 Diagrama de Funciones Secuenciales. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 36 2.9 EQUIPOS Y PROCEDIMIENTOS DE CONTROL. 2.9.1 SISTEMAS DE DATOS DE FORMULACION. Todo proceso tiene alguna materia prima como entrante. La mayor parte de los procesos tienen más de un componente en el producto que se desea fabricar, por lo que la calidad final del producto depende de la cantidad utilizada de cada uno de los componentes utilizados. Estos procesos también dependen de la intensidad con la que son suministrados los ingredientes. Según el número de entradas de los que disponga la fábrica, se pueden clasificar las plantas en tres grupos. El primer grupo está formado por las plantas que tienen una sola entrada y no es ni controlada ni medida, un ejemplo podría ser una planta de fabricación de patatas fritas. El segundo grupo serían las plantas que tienen una sola entrada, medida pero no controlada, como por ejemplo una planta de refinado de aceite. Y el último grupo lo forman las plantas con más de una entrada, donde se encuentran la mayoría de los procesos de la industria alimentaria. A la hora de seleccionar un sistema de control en planta hay que tener en cuenta aspectos como: el número de líneas a suministrar, la forma de producción (continua o por lotes), el número de recetas que se deben manejar, la frecuencia con la que se cambian las recetas, quien está autorizado a cambiar las recetas y si más de una planta pueden utilizar el mismo ingrediente a la vez. • DISPENSACION DE INGREDIENTES. A la hora de proceder a la dispensación de ingredientes, la cantidad de ingredientes necesarios para la realización de la receta vienen expresados en unidades de peso (polvos y sólidos) o de volumen. Los sistemas de alimentación pueden ser de dos clases. La primera clase son los sistemas de alimentación por cocción por extrusión, donde se pueden mezclar hasta cuatro ingredientes que son conducidos a una tolva de alimentación donde se miden las cantidades de la mezcla. La segunda clase son aquellos sistemas de alimentación por tornillo de velocidad variable. Con éste último método se obtiene una medida controlada del granulado y de los polvos. A la hora de su utilización, los sistemas de pesado por lotes ofrecen una mejor precisión que los sistemas de medida continua, una mayor fiabilidad y pueden utilizar un mayor número de depósitos. • MEZCLA DE INGREDIENTES SECOS. Al utilizar la mezcla de ingredientes en seco se puede producir el problema de la segregación, ya que pueden llegar a producirse aglomeraciones. Dentro de la mezcla de ingredientes en seco podemos distinguir tres tipos; la mezcla correctiva, la difusiva y la cortante. En la mezcla correctiva el material es Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 37 reciclado desde la tolva de descarga a la de alimentación. En la mezcla difusiva las partículas se destruyen en el mezclador, en una superficie que se halla en su interior. Y por último, el sistema que utiliza unos planos deslizantes para la mezcla de las partículas, se llama mezcla cortante. El método de mezcla en ingredientes secos se utiliza en la fabricación de batidos, salchichas y leche en polvo. Figura 2.20 Mezcladora de Ingredientes. • MEZCLA DE FLUIDOS. En lugar de utilizar la mezcla de ingredientes en seco, se puede utilizar la mezcla de fluidos. La mezcla de fluidos presenta el problema de la viscosidad de los fluidos utilizados. Si un fluido es muy viscoso es más probable que el depósito se quede totalmente limpio después de pesar los lotes. Si se utiliza el método de la dispensación volumétrica el problema que nos encontramos es el aire, que puede producir imprecisiones. La mezcla de fluidos se utiliza entre otros casos en la fabricación de salsas, mermeladas, margarina y bebidas. Figura 2.21 Mezcladora de Fluidos. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 38 • SOFTWARE PARA EL CONTROL DE PROCESOS DISCONTINUOS. Los sistemas de control deben de realizar dos funciones; aquellas sobre las que no interviene el operador de planta y aquellas que el operador de planta necesita modificar. Entre las primeras podríamos destacar los módulos necesarios para la operación de varios elementos del computar, y entre las segundas la lógica de control que se necesita en planta. Los controladores lógicos disponen de un software fijo en la memoria ROM, son robustos, seguros y tienen una gran fiabilidad. Las funciones principales de control que debe desarrollar un software son: las funciones de lazo, la operación unitaria, la receta de control, control de fase y receta básica. Este método se aplica a la fabricación de siropes, tartas, bases para helados, pizzas y empaquetado de arroz. Con este método conseguimos disminuir los costes ya que el software se puede utilizar para diversas tareas con solo realizar unas pequeñas modificaciones. 2.9.2 MANEJO DE CONTROLADORES. Para obtener una buena optimización en los procesos de fabricación se necesita tanto de la inteligencia de las personas como de la inteligencia de los computadores. La inteligencia humana proporciona la capacidad de reconocer los patrones, el sentido común y la imaginación; mientras que la inteligencia de los computadores ofrece una alta velocidad, un almacenamiento detallado de la información y una alta fiabilidad. A la hora de manejar los controladores se pueden utilizar una o varias pantallas donde se ve la información. La ventaja que tiene la utilización de una sola pantalla es el ahorro de espacio, pero presenta el inconveniente de que sólo se ve parte de la información. Los elementos que componen un controlador deben ser fiables, dar la información de forma clara y ser accesibles. Pueden presentar el problema de almacenar demasiada información. 2.9.3 TRANSMISION DE DATOS. En todo proceso la transmisión de datos tiene una gran importancia. Las variables que son medidas con dispositivos analógicos son transmitidas como señales neumáticas o como una corriente eléctrica continua. Los métodos para transmitir datos mediante la corriente eléctrica están muy extendidos ya que son inmunes a los cambios de impedancias y al ruido. Al modular la señal se mejora la protección frente a las interferencias. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 39 Para transmitir datos podemos utilizar la modulación de frecuencia, la anchura de pulso o la frecuencia de repetición. También podemos utilizar la transmisión binaria, en serie, en paralelo, unidireccional o bidireccional. 2.9.4 REGULACION DE PROCESOS. Los sistemas de control necesitan medios para controlar y/o regular los equipos de planta. Los medios más utilizados para ello son los relés, los contactores, los relés de estado sólido y los solenoides para la actuación neumática e hidráulica. Uno de los métodos más utilizados en la industria alimentaria es la válvula Zehyr APV, que impide la contaminación por agentes externos. Se utiliza en la industria cervecera y en la industria láctea. Las propiedades más importantes de controlar en todo proceso son la temperatura, la velocidad y el caudal. Para su regulación se pueden utilizar válvulas de control de caudal, un motor de velocidad variable, el calentamiento eléctrico de una variable y la modificación de la carrera de un pistón de bomba variable mecánicamente. 2.9.5 CONTROL Y OPTIMIZACION. Las técnicas que se agrupan bajo en término de lazo cerrado, tienen en común la característica de que recorren un camino continuo, desde el sensor que monitoriza un proceso, a través del cual se compara la medida con el valor deseado. • CONTROL DE LAZO AISLADO. Un sistema de lazo aislado es aquel en el que todo camino está separado de cualquier otro, y un operador ajusta el valor de salida que se desea en cada momento. • CONTROL ESTADISTICO DE PROCESOS. Un controlador estadístico de proceso (SPC) tiene dos salidas, una para avisar de que se deben realizar ajusten en el proceso y la otra para ayudar a identificar las causas de una posible variación. • AJUSTE DE LAZOS AISLADOS. Cuando se realiza el ajuste del lazo, se proporciona al controlador una velocidad y un grado de respuesta que son los adecuados. Para el ajuste se utilizan controladores modulares ya que se ajustan por sí mismos. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 40 Las técnicas que se utilizan para el autoajuste de los controladores pueden ser cuatro: la planificación de ganancias, la utilización de un único disparo, el análisis de la forma de honda y la técnica basada en la utilización de modelos. Cuando se requiere de una respuesta especial es recomendable ajustar la ganancia. Los controladores de único disparo se utilizan en plantas donde el reajuste no es efectivo. Con el análisis de onda se monitorizan los errores para poder realizar cambios a la entrada. Y por último los métodos basados en la utilización de modelos dan una respuesta más cercana a la ideal. • CONTROL MULTIVARIABLE. En un proceso se dice que hay acoplamiento cuando al realizar un cambio para modificar el valor de una variable se altera también el valor de otra variable. Se dice que hay interacción si además hay acoplamiento en la otra dirección. El control multivariable se aplica en los procesos de combustión. Los procesos de combustión utilizados en la industria alimentaria son tres: las calderas de vapor, los calentadores de procesos continuos y los calentadores de procesos discontinuos. Existen cuatro sistemas para controlar los procesos de combustión que son: el control maestro, el control de caudal de aire, el control de caudal de fuel y el control de la proporción fuel-aire. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 41 2.10 CONTROL DE LOS PROCESOS DE PRIMERA TRANSFORMACION. 2.10.1 HARINA. La molienda del grano es un ejemplo de una operación que implica la separación sólido-sólido y la división del material granulado. Para moler el trigo y producir harina se utilizan una serie de rodillos cada vez más juntos entre sí. Una vez que el producto en polvo ha pasado por los rodillos se criba. En la criba los granos más bastos se vuelven a someter a los rodillos, los granos medios se vuelven a tamizar y los más finos se conducen al almacén. La automatización de los molinos para moler harina presenta muchas ventajas. Entre estas ventajas podemos destacar la disminución de las pérdidas de tiempo, permite vigilar la planta, se obtiene una mezcla adecuada, permite controlar mejor la humedad, permite modificar la separación entre los rodillos, permite el control del contenido en proteínas y reduce costes. El rendimiento de extracción es el mejor indicador para medir la eficiencia de la molienda. Figura 2.22 Planta de Fabricación de Harina. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 48 • LEVADURAS DE PANIFICACION. La fermentación de levaduras puede realizarse de forma continua, discontinua o discontinua con alimentación. El método más utilizado para la obtención de levaduras es el discontinuo con alimentación, ya que permite controlar el crecimiento celular. A veces se puede utilizar un pre-fermento o esponja para acelerar la fermentación. Figura 2.28 Armario para la Fermentación del Pan. • DESTILACION. La destilación es la operación de separar, mediante vaporización y condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada una de las sustancias. Se realiza en procesos como la elaboración de vinagres, zumos de frutas, bebidas alcohólicas y en el procesado de aceite. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 49 • LEVADURA PARA LA ELABORACION DE CERVEZA. La elaboración de cerveza tiene una mayor automatización debido fundamentalmente a que la cerveza se prepara en lotes de mayor tamaño y a que su mantenimiento es más fácil. La fermentación en el proceso de la elaboración de la cerveza se puede controlar midiendo la densidad. Hay que tener en cuenta que la velocidad de fermentación aumenta con la temperatura. Figura 2.29 Elaboración de Cerveza. • OTROS PROCESOS DE FERMENTACION. Una de las principales razones del uso de la fermentación es la de proteger frente a microorganismos que pueden “envenenar” los alimentos, ya que durante el proceso se produce una bajada del pH. Algunos de los métodos utilizados en la fermentación son: el cultivo de hongos sobre residuos celulósicos o cultivar algas como fuente de proteínas. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 50 2.11 PRODUCTOS MANUFACTURADOS. A la hora de mezclar los elementos hay que tener en cuenta que los productos sólidos, líquidos pastosos, polvos o en forma de grano son más difíciles de mezclar que los productos líquidos. Los productos manufacturados se realizan en plantas continuas y se obtiene una alta productividad. 2.11.1 COCCION POR EXTRUSION. La cocción por extrusión se aplica a procesos como la preparación de pastas alimenticias, cereales para el desayuno y alimentos de aperitivos. • PASTAS ALIMENTICIAS. Las pastas alimenticias se producen a una temperatura más bien baja, por lo que el aumento de temperaturas producido por el corte y la compresión, se realiza con agua fría. El secado de la pasta se realiza mediante un proceso que está formando por tres etapas: presecado, etapa de reposo y secado final. En la etapa de reposo la humedad del producto se reparte uniformemente. La cocción rápida de la pasta se consigue incrementando el contenido en proteínas. Figura 2.30 Etapa del Proceso de Elaboración de la Pasta Fresca. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 51 • OTROS PRODUCTOS DERIVADOS DE LOS CEREALES. Algunos productos necesitan una inyección de vapor para conseguir el hinchamiento adecuado de los granos. Los calentamientos o enfriamientos necesarios para realizar el hinchamiento se realizan mediante agua, vapor o aceite. La operación de extrusión depende de la velocidad de producción que se fija con anterioridad. En procesos como la fabricación de caramelos, la velocidad viene dada por la velocidad de producción de materia base. El amasado del producto se realiza en condiciones de vacío. • EXTRUSIÓN DE ALIMENTOS A BASE DE MÚSCULO DE CARNE O DE PESCADO. Las propiedades de los componentes de los músculos son muy importantes para la calidad final de productos como embutidos, croquetas de pollo y sucedáneos de marisco. También es muy importante la capacidad de los productos de retención de agua y de grasas. Figura 2.31 Etapa del Proceso de Elaboración de Embutidos. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 52 • MODERNIZACION DEL EXTRUSIONADO. La respuesta a las variables de proceso se puede modelizar como el resultado del análisis de los balances de materia y energía, mediante la metodología de superficies de respuesta o mediante funciones de transferencia. 2.11.2 PANADERIAS. El proceso de preparación de la masa se realiza de forma discontinua. • AMASADORES Y DESARROLLO DE LA MASA. La masa para la elaboración de productos panificados se desarrolla después del mezclado y se debe dejar reposar. La temperatura final de la masa depende de: la temperatura de los ingredientes, el calor de hidratación de la harina, la entrada de trabajo y el calor que se extrae por la camisa de enfriamiento. Figura 2.32 Amasadora de Pan. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 53 • HORNOS DE PANIFICACION. Los hornos más utilizados en el proceso de la fabricación del pan son los que utilizan gases de combustión. Estos hornos se utilizan para la fabricación de pan, pasteles y galletas. Una de las funciones principales del horno es eliminar el agua que se ha añadido para realizar la masa. La fabricación de galletas necesita más energía que la fabricación del pan ya que las galletas tienen un menor contenido de humedad. El calor necesario por el proceso puede ser transmitido por conducción, por convección y por radiación. • CONTROL AUTOMATICO DE LA CALIDAD DEL PRODUCTO HORNEADO. A la hora de controlar el proceso de horneado hay que tener en cuenta la temperatura en el centro de la pieza ya que nos indica que el proceso de horneado se ha realizado correctamente. El color de la corteza se puede medir con una sonda, para galletas se utiliza la reflectancia de la superficie. La variación del volumen de los productos horneados depende de las propiedades de la harina, por lo que tiene que ser controlada. La humedad en la cámara de horneado también debe de ser controlada. Figura 2.33 Proceso de Elaboración del Pan. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 54 2.11.3 LECHERIAS. • PRODUCTOS LACTEOS. Para la elaboración de leche condensada y leche en polvo se necesita una leche poco tratada por calor, ya que afecta a las proteínas del suero de la leche. • MATEQUILLA. La mantequilla se elabora a partir de nata desaireada y pasteurizada. Se utilizan cultivos del ácido láctico para dar aroma, mayor rendimiento y un menor riesgo de deterioro. El proceso de fabricación de la mantequilla es un proceso continuo. Figura 2.34 Diagrama de Bloques de la Elaboración de la Mantequilla. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 55 • QUESO. Para la elaboración del queso, la leche se coagula con cuajo. Después de la coagulación de la leche se elimina el suero. En el proceso de elaboración del queso se utilizan sensores para medir la rigidez de la cuajada, o un viscosímetro. Gracias a los viscosímetros obtenemos una calidad más uniforme, un mejor rendimiento y una reducción de los tiempos muertos durante el proceso de fabricación. En la elaboración de queso se produce una elevada cantidad de lactosuero, por lo que muchas industrias de queso lo procesan para obtener polvo de suero de leche y crema de suero. Figura 2.35 Diagrama de Elaboración del Queso de Cabra. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 56 • PRODUCTOS CON INGREDIENTES DERIVADOS DE LA LECHE. Algunos de los productos derivados de la leche son: la crema de helado y los yogures. Para la fabricación de yogur, la leche debe ser homogeneizada y pasteurizada. Los aromatizantes o saborizantes se pueden añadir mediante una bomba dosificadora antes de introducir el producto en el recipiente usado para su consumo. La fabricación de yogur es un proceso continuo. Figura 2.36 Diagrama de Elaboración de Yogur. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 57 2.11.4 EL PROCESO TERMICO DE LOS ALIMENTOS PARTICULADOS. Para el procesado de los alimentos se utilizan tratamientos térmicos como: el calentamiento con microondas y el tratamiento óhmico. • LETALIDAD. La letalidad es un proceso térmico que se aplica a algunos alimentos para la eliminación de bacterias. El efecto letal del calor sobre las bacterias depende de la temperatura, la duración del calentamiento y de la cantidad inicial de bacterias. • ESCALDADO E INYECCION A VAPOR. El escaldado se realiza a temperatura menor de 100ºC y en él se eliminan los gases de los tejidos y se ablandan. El objetivo del control del escaldado es evitar la oxidación. La esterilización se realiza a más de 100ºC mientras que la pasteurización tiene lugar a una temperatura menos de 100ºC. • AUTOCLAVES. Las autoclaves se utilizan para completar la esterilización sin una sobrecocción. Son muy utilizados en el calentamiento de vapor de latas o bolsas. Figura 2.37 Esterilización con Autoclaves de Alimentos. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 64 2.12.6 EL ENVASADO. • EMBOTELLADO. En las líneas de embotellado es importante controlar la velocidad, sobre todo en las curvas y en pendientes descendientes. La velocidad de llenado depende del diámetro del tubo, la viscosidad y la presión. Figura 2.40 Planta de Embotellado de Agua. • ENVASES ASEPTICOS. El envasado aséptico consiste en sistemas de llenado en condiciones estériles y en equipos herméticos, dotados de mecanismos de esterilización del empaque antes del llenado. Se utilizan para la leche esterilizada o para zumos de alta acidez. • CONTROLES DE VOLUMEN Y DE PESO. Los controles de volumen y peso suelen estar localizados al final de la primera etapa de envoltura. El control de peso se utiliza en procesos en los que el envase es una caja que contiene el fluido, bolsas o paquetes. El control de volumen se realiza si el envase es una botella o una lata. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 65 2.13 CONTROL INTEGRADO EN PLANTA. 2.13.1 EL CABLEADO DE CAMPO. En el cableado de campo se tiene un panel de control para cada operación. El control distribuido permite el control manual de parte de la planta. Los paneles de control suministran a los encargados de mantenimiento la posibilidad de usarse sin interrumpir otras operaciones. Las platas automatizadas tienen equipos que se controlan remotamente. 2.13.2 LA TRANSMISION DE DATOS Y LOS COMPUTADORES SUPERVISORES. • COMPUTADORES. Los computadores son utilizados para: coordinar las órdenes de venta con los niveles de almacenamiento, coordinar los tiempos de producción, comprobar los planes de producción, comprobar la velocidad de la planta, comprobar los costes, comprobar los tiempos de parada de la producción y comprobar los informes de producción. Las tareas de alta prioridad se pueden ejecutar en tiempo real, interrumpiendo las de baja prioridad. El sistema se elige en función de la velocidad de computación, el manejo de interrupciones y la velocidad de entrada y salida de datos de planta. 2.13.3 TENDENCIAS EN SOFTWARE. • CONCEPTO DE CONTROL AVANZADO. El control avanzado se utiliza para aumentar los beneficios durante tiempos de operación continua. • FIABILIDAD DEL SOFTWARE. Algunas consecuencias que tiene el fallo del software son: el retraso en la fabricación, un incremento de los gastos y una caída de las prestaciones. Para analizar los defectos que se producen durante la etapa de fabricación se utilizan los siguientes métodos: la especificación, el diseño, el código, la documentación, el operador y el soporte que está formado por las herramientas de prueba y desarrollo. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 66 2.13.4 RECOMENDACIONES PARA PROYECTOS FUTUROS. • SOPORTE DE INGENIERIA. Algunas de las tareas relacionadas con el control y mantenimiento de los instrumentos son: la detección de fallos, la carga de programas, el cambio de los diagramas de registro, el ajuste del lazo, el calibrado, la comprobación de las secuencias lógicas, el listado de fallos y el servicio de suministradores. Los costes de los ciclos de vida se dividen en: hardware y software de los sistemas de control, mantenimiento de los sistemas de control, repuesto y contratos de servicios, la formación tanto interna como externa y los costes de trabajo de ingeniería. • ORGANIZACIÓN DE OPERACIONES. Un centro de organización de operaciones debe tener una prestación en tiempo real de los datos de planta, un entrono de trabajo para planificación, dirección y análisis, y unas instalaciones para poder soportar la ingeniería. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 67 2.14 LOS ELEMENTOS FINALES DE CONTROL. Los elementos finales de control son aquellos dispositivos que se colocan al final de los procesos y sirven para convertir en acciones, que operan sobre el proceso para corregir las desviaciones obtenidas durante el proceso, los comandos de control. Estos elementos suelen ser válvulas de control o actuadotes. Las válvulas de control consisten en un orificio de restricción variable y su funcionamiento consiste en modificar el caudal de un fluido durante un proceso. Las válvulas pueden ser autorreguladoras (la señal de cierre o apertura de la válvula es generada por ella misma) o bien la señal de cierre y apertura es generada por un elemento externo, normalmente un controlador. Los actuadores son aquellos dispositivos que actúan sobre otros elementos de control para producir en ellos su accionamiento. Los actuadotes pueden ser neumáticos, hidráulicos, eléctricos o motorizados. 2.14.1 TIPOS DE VALVULAS. • VALVULAS DE GLOBO. Las válvulas de globo pueden ser de simple asiento, de doble asiento o de obturador equilibrado. Las de simple asiento necesitan un actuador para su cierre, por lo tanto se utilizan cuando la presión es baja y se necesita que las pérdidas en posición de cierre sean mínimas. Las válvulas de doble asiento y la de obturador equilibrado se emplean cuando se trabaja a alta presión. En éstas válvulas las perdidas en la posición de cierre son mayores que en las válvulas de simple asiento. Las válvulas de globo proporcionan un estrangulamiento eficiente, tienen una corta carrera del disco, permiten un control preciso de la circulación y disponen de orificios múltiples. Por otro lado tienen las desventajas de que proporciona una gran caída en la presión y un elevado costo. A la hora de su selección hay que tener en cuenta parámetros como el tipo de conexión, el tipo de disco, de asiento o de vástago, así como la capacidad nominal de presión y de temperatura. Figura 2.41 Válvulas de Globo. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 68 • VALVULAS EN ANGULO. Estas válvulas permiten tener un caudal sin muchas turbulencias. El diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan, para trabajar con grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen sólidos en suspensión. Figura 2.42 Válvula en Angulo. • VALVULAS DE COMPUERTA. Estas válvulas llevan a cabo su cierre con un disco, vertical plano o en forma de espiral, que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Se pueden utilizar en aceites, gases, aire, líquidos espesos, líquidos corrosivos, líquidos y gases no condensables. Las válvulas de compuerta presentan una alta capacidad, un cierre hermético, poca resistencia a la circulación, tiene un bajo costo y un diseño sencillo. Pero también presentan algunos inconvenientes, como por ejemplo que se requiera de gran fuerza para su accionamiento, deben estar cubiertas o cerradas por completo y se produce erosión en el asiento y en el disco. Figura 2.43 Válvula de Compuerta . Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 69 • VALVULA DE JAULA. Consisten en un obturador cilíndrico que se desliza en una jaula. Se caracterizan por que el desmontaje del obturador es muy fácil y porque el obturador puede tener orificios que permitan eliminar el desequilibrio de fuerza producido por la presión. Se utilizan cuando se trabaja a altas presiones. Son muy resistentes a las vibraciones y al desgaste. Figura 2.44 Válvula de Jaula. • VALVULAS EN Y. Estas válvulas se utilizan como válvulas de cierre y de control. Se caracterizan por su baja pérdida de carga, por presentar una gran capacidad de caudal y por su auto drenaje. Figura 2.45 Válvula en Y. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 70 • VALVULAS DE CUERPO PARTIDO. Estas válvulas son una modificación de las válvulas de globo de simple asiento. Tienen el cuerpo partido en dos partes, entre las cuales está el asiento. Se utilizan para fluidos viscosos y en la industria alimentaria. Figura 2.46 Válvula de Cuerpo Partido. • VALVULAS SAUNDERS. En las válvulas Saunders el obturador es una membrana flexible que es forzada contra un resalte del cuerpo impidiendo así el paso de fluido. Se caracterizan porque su cuerpo se puede revestir de goma para trabajar con fluidos agresivos. Su principal desventaja es que el servomotor de accionamiento debe ser muy potente. Son utilizadas en procesos químicos y en el control de fluidos con sólidos en suspensión. Figura 2.47 Válvula Saunders. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 71 • VÁLVULAS DE OBTURADOR EXCÉNTRICO ROTATIVO. Están formadas por un obturador de superficie esférica que tiene un movimiento excéntrico rotativo, y está unido al eje de giro por uno o dos brazos flexibles. El eje de giro es accionado por un vástago que está conectado a un servomotor. Tienen una gran capacidad de caudal y una elevada pérdida de carga admisible. Figura 2.48 Válvula de Obturador Excéntrico Rotativo. • VALVULAS DE MARIPOSA. El cuerpo de estas válvulas está formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira un disco circular. La válvula puede cerrar herméticamente gracias a un anillo de goma empotrado en el cuerpo. El eje del disco es accionado por un servomotor exterior. Se emplean para el control de grandes caudales de fluidos que se hallan a baja presión. Son pequeñas, de bajo coste y pesan poco. Necesitan poco mantenimiento, no utiliza bolas ni tiene cavidades, tienen una alta capacidad y son autolimpiables. Para su accionamiento se necesita una gran torsión. Figura 2.49 Válvula de Mariposa. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 72 • VALVULAS DE BOLA. Las válvulas de bolas tienen en el cuerpo una cavidad interna esférica donde se encuentra un obturador en forma de esfera o de bola. El cierre hermético de estas válvulas se obtiene mediante un aro incorporado en el cuerpo. Estas válvulas son baratas, tienen una alta capacidad, producen pocas fugas, son autolimpiables, necesitan poco mantenimiento, tienen un tamaño compacto y un cierre hermético. Por otro lado tienen los inconvenientes de que necesita una alta torsión para accionarse y los sellos se desgastan fácilmente. Figura 2.50 Válvula de Bola. • VALVULAS DE ORIFICIO AJUSTABLE. En las válvulas de orificio ajustable el obturador es una camisa en forma cilíndrica que tiene dos orificios, uno a la entrada y otro a la salida. La camisa gira mediante una palanca exterior que puede accionarse manualmente o gracias a un servomotor. Estas válvulas se utilizan cuando el caudal se deba ajustar manualmente, cuando el caudal puede variar entre unos límites amplios o cuando no se necesita un cierre hermético. Figura 2.51 Válvula de Orificio Ajustable. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 73 • VALVULAS DE FLUJO AXIAL. Consisten en un diafragma accionado neumáticamente que mueve el pistón. Dicho pistón comprime el fluido contra un obturador, así el obturador se expande para cerrar el flujo. Figura 2.52 Válvula de Flujo Axial. • VALVULAS DE DESAHOGO. Las válvulas de desahogo son de acción automática y sirven para regular la presión. Tienen la ventaja de que se abren rápidamente. Figura 2.53 Válvula de Desahogo. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 80 Magnetoestrictivos A/D Magnetorresistivos Analógica LVDT Analógica Dinamo tacométrica Analógica Encoder Digital Detector inductivo Digital Servo-inclinómetros A/D RVDT Analógica Velocidad lineal y angular Giróscopo Acelerómetro Analógico Aceleración Servo-accelerómetros Galga extensiométrica Analógico Fuerza y par (deformación) Triaxiales A/D Membranas Analógica Piezoeléctricos Analógica Presión Manómetros Digitales Digital Turbina Analógica Caudal Magnético Analógica Termopar Analógica RTD Analógica Termistor NTC Analógica Temperatura Termistor PTC Analógica Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 81 Bimetal I/0 Inductivos I/0 Capacitivos I/0 Sensores de presencia Ópticos I/0 y Analógica Matriz de contactos I/0 Sensores táctiles Piel artificial Analógica Cámaras de video Procesamiento digital Visión artificial Cámaras CCD o CMOS Procesamiento digital Sensor final de carrera Sensor capacitivo Sensor inductivo Sensor de proximidad Sensor fotoeléctrico Sensor acústico (presión sonora) micrófono Sensores de acidez IsFET fotodiodo Fotorresistencia Fototransistor Sensor de luz Célula fotoeléctrica Tabla 3.1 Clasificación de los Sensores. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 82 3.2 CARACTERISTICAS DE LOS SENSORES. Entre las características técnicas de un sensor destacan las siguientes: • Rango de medida: dominio es la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. • Exactitud: capacidad de un instrumento de medir un valor cercano al valor de magnitud real. • Histéresis: es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades en ausencia del estímulo que la ha provocado. • Campo de medida: es el conjunto de valores de la variable medida, que están comprendidos entre un límite superior y otro inferior. • Alcance: es la diferencia entre los valores superior e inferior del campo de medida. • Error: es la diferencia que existe entre el valor leído por el instrumento y el valor que tiene la variable medida. • Precisión: es el error de medida máximo esperado. • Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset. • Linealidad o correlación lineal. • Sensibilidad de un sensor: relación entre la variación de la magnitud de salida y la variación de la magnitud de entrada. • Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida. • Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada. • Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor. • Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida. Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 83 Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de la circuitería. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 84 3.3 RESOLUCION Y PRECISIO DE LOS SENSORES. La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida. La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al medir una distancia la resolución es de 0,01 mm, pero la precisión es de 1 mm, entonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de 0,01 mm, pero no puede asegurarse que haya un error de medición menor a 1 mm. En la mayoría de los casos este exceso de resolución conlleva a un exceso innecesario en el coste del sistema. No obstante, en estos sistemas, si el error en la medida sigue una distribución normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos, la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión. Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de entrada que puede observarse en la magnitud de salida. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 85 3.4 SENSORES DE TEMPERATURA. Los sensores de temperatura consisten en una fina película de resistencia variable con la temperatura (RTD) y están calibrados por láser para una mayor precisión e intercambiabilidad. Las salidas lineales son estables y rápidas. Los transductores eléctricos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y entre los cuales figuran: • Variación de resistencia en un conductor (sondas de resistencia). • Variación de resistencia de un semiconductor (termistores). • La fuerza electromotriz es creada en la unión de dos metales distintos (termopares). • Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación). • Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.). En la siguiente tabla se muestran las ventajas de los principales sensores térmicos. RTD Termistor Sensor de IC Termopar Ventajas Más estable. Más preciso. Más lineal que los Termopares. Alto rendimiento Rápido Medida de dos hilos El más lineal El de más alto rendimiento Económico Autoalimentado Robusto Económico Amplia variedad de formas físicas Amplia gama de temperaturas Desventajas Caro. Lento. Precisa fuente de alimentación. Pequeño cambio de resistencia. Medida de 4 hilos Autocalentable No lineal. Rango de Temperaturas limitado. Frágil. Precisa fuente de alimentación. Autocalentable Limitado a < 250 ºC Precisa fuente de alimentación. Lento Autocalentable. Configuraciones limitadas. No lineal Baja tensión Precisa referencia El menos estable El menos sensible Tabla 3. 2 Ventajas y Desventajas de los Sensores de Temperatura. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 86 Los metales puros tienen un coeficiente de resistencia de temperatura positivo bastante constante. El coeficiente de resistencia de temperatura, generalmente llamado coeficiente de temperatura es la razón de cambio de resistencia al cambio de temperatura. Un coeficiente positivo significa que la resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura. Si el coeficiente es constante, significa que el factor de proporcionalidad entre la resistencia y la temperatura es constante y que la resistencia y la temperatura se graficarán en una línea recta. Cuando se usa un alambre de metal puro para la medición de temperatura, se le refiere como detector resistivo de temperatura, o RTD. Cuando se usan óxidos metálicos para la medición de temperatura, el material de oxido metálicos está conformado en forma que se asemejan a pequeños bulbos. El dispositivo formado así se llama Termistor. Los termistores tienen coeficientes de temperatura negativos grandes que no son constantes. En otras palabras, el cambio de resistencia por unidad de cambio de temperatura es mucho mayor que para el metal puro, pero el cambio es en la otra dirección: la resistencia disminuye a medida que se aumenta la temperatura. El hecho de que el coeficiente no sea constante significa que el cambio en la resistencia por unidad de cambio de temperatura es diferente a diferentes temperaturas. La linealidad extrema de los termistores los hace poco apropiados para la medición de temperatura a través de rangos amplios. Sin embargo, para la medición de temperaturas dentro de bandas angostas, están muy bien dotados, pues dan una gran respuesta a un cambio de temperatura pequeño. Como regla general, los termistores son preferibles cuando la banda de temperaturas esperada es angosta, mientras que los RTD son preferibles cuando la banda de temperatura esperada es amplia. Después del procesado de la medición se necesita monitorizar la temperatura durante el almacenamiento y la distribución de los alimentos, esto se consigue con indicadores “tiempo-temperatura”. Existen tres tipos de dichos indicadores. El primer tipo es un indicador basado en la difusión, en el que una mezcla de ésteres de ácidos grasos y ftalatos (compuestos químicos principalmente empleados como plastificadores) se difunden a lo largo de una mecha porosa para proporcionar una indicación visible de la temperatura crítica para los alimentos congelados. El segundo tipo de indicadores se basa en un cambio de color provocado por el descenso de pH en la hidrólisis. Y el último tipo de indicadores se basa en la habilidad de los cristales de diacetileno para polimerizarse. Este último indicador está activo desde su ensamblado y necesita ser almacenado a baja temperatura hasta su uso. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 87 • TERMOMETRO DE VIDRIO. Estos termómetros tienen un dispositivo de vidrio en cuyo interior se encuentra un fluido. El cuerpo se dilata por acción del calor, lo que hace que se expanda a través del tubo capilar graduado y así poder medir la temperatura. Figura 3.1 Termómetros de Vidrio. • TERMOMETRO BIMETALICO. Se basa en que las temperaturas de dilatación de dos metales diferentes (cintas) no es la misma. El calentamiento provoca que una de las dos cintas se expanda más que la otra, debido a que no poseen el mismo coeficiente de expansión. Como las cintas están soldadas, la cinta se doblará en la dirección del metal que se expanda menos. Posee pocas partes móviles, solo la aguja indicadora y el elemento bimetálico. Este tipo de termómetros proporciona una respuesta rápida de fácil lectura, se pueden utilizar en condiciones difíciles ya que su estructura es fuerte y maciza, la medición no se ve afectada por los cambios en el ambiente, se puede utilizar en ambientes corrosivos y de alta presión, son muy precisos. Figura 3.2 Termómetro Bimetalito. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 88 • TERMOMETRO DE BULBO Y CAPILAR. Consiste en un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Pueden ser de cuatro clases: termómetros actuados por líquido, actuado por vapor, actuado por gas o actuado por mercurio. Figura 3.3 Termómetro de Bulbo y Capilar. • TERMOMETRO DE RESISTENCIA. Su principio de funcionamiento se basa en el flujo de electrones a través de la resistencia. Al variar la temperatura en el material resistivo, el flujo de electrones varía. Lo que quiere decir que la resistencia varía con la temperatura. El elemento consiste en un arrollamiento de hilo muy fino, bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o cerámica. Las bobinas que llevan arrollado el hilo de resistencia están encapsuladas y situadas dentro de una vaina. Algunas de las desventajas que presentan son su alto precio, que se pueden autocalentar y la más importante es que al ser tan baja la resistencia de los hilos conductores puede provocar errores importantes. En la denominada técnica de dos hilos, la resistencia se mide en los terminales del sistema de adquisición de datos, por lo que la resistencia de los hilos forma parte de la cantidad desconocida que se pretende medir. Por el contrario, la técnica de cuatro hilos mide la resistencia en los terminales del RTD, con lo cual la resistencia de los hilos queda eliminada de la medida. La contrapartida es que se necesita el doble de cables y el doble de canales de adquisición de datos. La técnica de tres hilos ofrece una solución intermedia que elimina un cable, pero no es tan precisa. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 89 Estos termómetros tienen un comportamiento lineal, se pueden utilizar para altas temperaturas ya que son estables a altas temperaturas, son bastante exactos. Por otro lado podemos decir que son caros, tienen una baja sensibilidad y pueden ser afectados por choques y vibraciones. Figura 3.4 Termómetros de resistencia. • TERMISTORES. Los termistores, son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo (o positivo) de valor elevado, por lo que presenta unas variaciones rápidas y grandes para los cambios pequeños de temperatura. Se basan en semiconductores y no en conductores como es el caso de los RTD. La salida de los termistores se conecta a circuitos de puente Wheatstone convencionales. Son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor. La corriente que circula por un termistor a través del circuito de medida debe ser baja para garantizar que la variación de resistencia sea debida solamente a los cambios de temperatura del proceso. Figura 3.5 Termistores. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 96 • MEDIDORES DE PRESION ABSOLUTA. Consiste en un conjunto de fuelle y resorte opuesto a un fuelle sellado al vacío absoluto. El movimiento resulta de la unión de los dos fuelles equivalentes a la presión absoluta del fluido. Se utiliza para medidas exactas y el control preciso de bajas presiones. 3.5.2 SENSORES DE PRESION ELECTROMECANICOS. • RESISTIVOS. Consiste en un elemento elástico que varía la resistencia de un potenciómetro en función de la presión. Los transductores resistivos son simples y su señal de salida es bastante potente como para proporcionar una corriente de salida suficiente para el funcionamiento de los instrumentos de indicación sin necesidad de amplificación. Son sensibles a la vibración. La señal de salida no es continua. • MAGNETICOS. - De Inducción Variable. El desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de dicha bobina de forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo contenida dentro de la bobina. Esto hace que la tensión inducida en el bobinado aumente. No producen rozamientos en la medición, tienen una respuesta lineal. Son pequeños y de construcción robusta. Figura 3.12 Sensor de Presión de Inducción Variable. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 97 - De Reluctancia Variable. Consiste en un imán o electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético. El circuito magnético se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante, con lo cual al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por lo tanto el flujo magnético. Esta variación del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es proporcional al grado de desplazamiento de la armadura móvil. Tiene una alta sensibilidad a las vibraciones y a la temperatura. Figura 3.13 Sensor de Presión de Reluctancia Variable. - Capacitivo. Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión. Consiste en dos condensadores con uno de capacidad fija y el otro de capacidad variable. Son de pequeño tamaño. Sirven para medir tanto en condiciones estáticas como dinámicas. La señal de salida es débil, por lo que se necesita un amplificador a la salida. Son sensibles a la variación de temperatura. Figura 3.14 Sensor de Presión Capacitivo. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 98 - Galgas Extensiométricas. Consiste en un alambre muy fino o un papel metálico arreglado en forma de rejilla. La rejilla se encuentra pegada a un apoyo delgado, el cual se encuentra unido a la superficie del objeto sometido a tensión, fuerza o presión. La tensión experimentada por el objeto es transmitida a la galga, la cual responde con un cambio lineal en su resistencia eléctrica. Pueden ser cementadas (formadas por varios bucles de hilo muy fino que están pegados a una hoja base de cerámica, papel o plástico) o sin cementar (los hilos de resistencia descansan entre un armamento fijo y otro móvil bajo ligera tensión inicial). Figura 3.15 Galgas Extensiométricas. - Transductor Piezoeléctrico. Se componen de elementos de estructura cristalina que al deformarse por la acción de la presión generan una señal eléctrica. El efecto es reversible, y al aplicar una diferencia de potencial entre dos de las caras de un material piezoeléctrico, aparece una deformación. Son ligeros, pequeños y robustos. Adecuados para medidas dinámicas y sensibles a los cambios de temperatura. Figura 3.16 Transductor Piezoeléctrico. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 99 3.5.3 SENSORES DE PRESION ELECTRONICOS DE VACIO. • TERMICOS. - De Termopar. Contiene un filamento en V que lleva incorporado un termopar. Al pasar una corriente constante a través del filamento, su temperatura es inversamente proporcional a la presión absoluta del gas. Son baratos, de larga duración y confortables. Son sensibles a la composición del gas. Figura 3.17 Sensor Térmico de Termopar. - Transductor Pirani. Utiliza un circuito Wheatstone que compara la resistencia de dos filamentos de tungsteno, uno sellado en alto vacío y el otro en contacto con el gas medido, y por lo tanto pierde calor por la conducción. La presión viene reflejada por la resistencia del filamento. Es compacto y de fácil manejo. Figura 3.18 Transductor Pirani. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 100 - Bimetálico Utiliza una espiral bimetálica calentada por una fuente de tensión estabilizada. Cualquier cambio de presión, produce una deflexión de la espiral, que a su vez está acoplada a una escala. Figura 3.19 Transductor Bimetálico. • TRANSDUCTORES DE IONIZACIÓN. - Transductores de Filamento Caliente. Consiste en un tubo electrónico con un filamento de tungsteno rodeado por una rejilla en forma de bobina, la cual a su vez está envuelta por una placa colectora. Los electrones emitidos por el filamento caliente se aceleran hacia la rejilla positiva, la atraviesan y en su camino hacia la placa colectora, algunos colisionan con moléculas de gas. Son muy delicados y puede medir vacíos extremadamente altos ya que son muy sensibles. Figura 3.20 Transductor de Filamento Caliente. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 101 - Transductor de Cátodo Frío. Se basa en el principio de la medida de una corriente iónica producida por una descarga iónica producida a su vez por una descarga de alta tensión. Los electrones desprendidos del cátodo toman un movimiento en espiral moviéndose a través de un campo magnético en su camino hacia el ánodo. El movimiento en espiral da lugar a que el camino libre entre los electrones sea mayor que la distancia entre electrodos. Es más robusto que el transductor de filamento caliente y no presenta el problema de la combustión del filamento. Figura 3.21 Transductor de Cátodo Frío. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 102 3.6 SENSORES DE NIVEL. Los sensores de nivel en su mayoría trabajan indirectamente sensando la posición de un flotador mediante un sensor inductivo o un interruptor del tipo de canilla y un imán permanente. No es recomendable utilizar los sensores de presión para medir el nivel de los líquidos, ya que se obtienen mejores indicaciones si se utiliza sensores de capacitancia fija o sensores de nivel ultrasónicos. Suelen aparecer dificultades al utilizar sensores de nivel debido a la presencia de agitadores, a la espuma o los sedimentos, a los cambios de densidad, viscosidad o de alguna propiedad eléctrica. 3.6.1 SENSORES DE NIVEL PARA LIQUIDOS. • SENSORES DE MEDICON DIRECTA. - Medidor de Sonda. El medidor de sonda consiste en una varilla graduada que se introduce en un tanque. El nivel se determina midiendo sobre la varilla la longitud que ha mojado el líquido del tanque. - Medidor de Nivel de Tubo de Vidrio. Consiste en un tubo de vidrio graduado cuyos extremos se conectan al tanque. El tanque se llena según el principio de los vasos comunicantes. Figura 3.22 Medidor de Nivel de Tubo de Vidrio. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 103 - De Flotante. Se basan en utilizar un flotador sometido a fuerza de gravedad y a la oposición que ejerce el fluido. Utiliza un brazo rígido para indicar el nivel del líquido. Figura 3.23 Medidor de Flotante. • SENSORES BASADOS EN PRESIÓN HIDROSTÁTICA. - Medidor Manométrico. Mide la presión debida a la altura del líquido con respecto al eje de instrumentación. - Medidor de Burbujeo. Utiliza un tubo sumergido en un líquido a través del cual, se burbujea aire y se obtiene una presión en dicho tubo que equivale a la presión hidrostática ejercida por la columna de líquido. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 104 • SENSORES BASADOS EN DESPLAZAMIENTO. Consiste en un flotador sumergido parcialmente en el líquido y conectado a un tubo de torsión mediante un brazo. El tubo de torsión se caracteriza porque el ángulo de rotación de su extremo libre es directamente proporcional a la fuerza aplicada, que está definida por el empuje que ejerce el flotador. Figura 3.24 Sensor Basado en Desplazamiento • SENSORES BASADOS EN PROPIEDADES ELÉCTRICAS. - Medidor de Nivel Conductivo. Consiste en uno o varios electrodos y un relé que opera cuando el líquido entra en contacto con los electrodos. La tensión de alimentación es alterna para que no se produzca la oxidación de los electrodos. - Medidor Capacitivo. Mide la capacitancia del condensador, que está formado por el electrodo y las paredes del tanque, el electrodo se encuentra sumergido en el líquido. La capacitancia del sistema depende linealmente del nivel. Figura 3.25 Medidor Capacitivo . Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 105 • SENSORES BASADOS EN ULTRASONIDOS. Se basan en la emisión de un impulso a una superficie reflectante y el retorno del eco a un receptor. El retardo del eco depende del nivel de líquido. Figura 3.26 Sensor Basado en Ultrasonidos. • SENSORES BASADOS EN EMISIONES DE RAYOS GAMMA. Consisten en un emisor de rayos gamma que se monta verticalmente a un lado del tanque y un contador que transforma en señal eléctrica la radiación gamma recibida. Figura 3.27 Sensor Basado en Emisiones de Rayos Gamma. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 112 • TOBERA. Son elementos que tiene una mayor pérdida de carga que los Venturi, pero son más económicos. Figura 3.38 Tobera. • ROTAMETRO. Es un tubo cónico vertical abierto, dentro del cual puede moverse libremente un flotador (la posición del flotador es proporcional al caudal que circula). Las ventajas del rotámetro son la simplicidad, la robustez, la confiabilidad y la baja caída en la presión. • VERTEDEROS. Se utilizan para fluidos que fluyen dejando una superficie libre. Suele ser de forma triangular, trapezoidal, rectangular, etc. Tienen la desventaja de que no permite la medición de caudales de líquidos con alto contenido de sólido en suspensión y la pérdida de carga que se ocasiona es alta. Figura 3.39 Vertedero. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 113 • MEDIDORES ULTRASONICOS. Los transductores de ultrasonidos, miden el caudal por diferencia de velocidades del sonido al propagarse éste en el sentido del flujo del fluido y en el sentido contrario. • MEDIDOR MAGNETICO. Se basa en la ley de inducción electromagnética de Faraday: “el voltaje inducido en un conductor que se mueve en un campo magnético, es proporcional a la velocidad del conductor, dimensiones del conductor y fuerza del campo magnético”. Está formado por un tubo de caudal y un transmisor. Figura 3.40 Medidor Magnético. • VORTEX. Su funcionamiento se basa en los vórtices y remolinos que se producen en un fluido cuando hay un obstáculo en su trayectoria. El número de vórtices está relacionado con la velocidad del fluido. La medición se lleva a cabo mediante sensores de presión o de velocidad. Figura 3.41 Partes de un Vortex. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 114 • MEDIDOR DE PALETA MOVIL. Se utiliza en los casos en los que se necesita una gran exactitud en la medida. Consiste en una paleta que cierra el tubo cuando el flujo es cero. El flujo hace que se abra el tubo un determinado ángulo que es proporcional a la tasa de flujo. Figura 3.42 Medidor de Paleta Móvil. 3.7.2 SENSORES DE CAUDAL MASICO. • MEDIDOR TERMICO DE CAUDAL. Se basan en dos principios: la elevación de temperatura del fluido en su paso por un cuerpo caliente y en la pérdida de calor experimentada por un cuerpo caliente inmerso en un fluido. Cosiste en aportar calor en un punto de la corriente y medir la temperatura aguas arriba y aguas abajo. La diferencia de temperaturas es proporcional al flujo másico existente. Figura 3.43 Medidor Térmico de Caudal. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 115 • MEDIDOR DE CORIOLIS. Se basa en que la aceleración absoluta de un móvil es la resultante de la aceleración relativa, la de arrastre y la de Coriolis. El sensor está formado por tres bobinas electromagnéticas. La bobina impulsora hace vibrar los tubos, sometiéndolos a un movimiento oscilante de rotación alrededor del eje. Los detectores electromagnéticos inducen la corriente eléctrica de forma senoidal. La medición es independiente de la temperatura, presión, densidad, viscosidad. Resulta barato ya que el mantenimiento es casi nulo. Se utiliza con fluidos viscosos, sucios, corrosivos con temperaturas altas y con bajas presiones. Su funcionamiento es muy bueno teniendo en cuenta el rango de medición, la repetibilidad, la precisión y la estabilidad, pero tienen la desventaja de una gran caída de presión y una alta sensibilidad a las vibraciones externas. En la industria alimentaria reutiliza con fluidos y con pastas. Figura 3.44 Medidor de Coriolis. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 116 3.8 SENSORES DE DENSIDAD. La densidad, la viscosidad y el tamaño de las partículas son propiedades de gran importancia en la industria alimentaria. La densidad de un fluido puede medirse con un detector de absorción radiactiva fijado externamente. Esto es adecuado para la monitorización de la aireación de batido, o para monitorizar la densidad de empaquetado de grano. Para la medición de densidad en procesos como la homogeneización de la leche, la fabricación de cerveza y para la extracción por disolventes en el refinado de aceites comestibles se necesita una medida de densidad muy precisa, por lo que esta precisión se obtiene utilizando un densímetro con elementos vibrantes. Uno de los más sencillos consiste en un envase de volumen conocido, relleno de fluido y vibrando sobre un montaje de muelles calibrado. Figura 3.45 Sensores de Densidad. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 117 3.9 SENSORES DE VISCOSIDAD. La viscosidad es una característica de los fluidos en movimiento, que muestra una tendencia de oposición hacia su flujo ante la aplicación de una fuerza. Cuanta más resistencia oponen los líquidos a fluir, más viscosidad poseen. Existen tres tipos de viscosímetros en línea. El viscosímetro de cilindro coaxial: que tiene un elemento cilíndrico que rota dentro de un cilindro estático; es preciso para bajas viscosidades, pero no se puede utilizar si hay partículas en suspensión. El segundo tipo se basa en la caída de presión en una tubería, tiene presión limitada y es muy sensible a los ruidos. Y el último tipo es una varilla que vibra y mide el producto de la densidad y la viscosidad. Figura 3.46 Sensor de Viscosidad. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 118 3.10 SENSORES DE HUMEDAD. 3.10.1 HUMEDAD DE EQUILIBRIO. La calidad de la mayor parte de los alimentos desde su origen hasta su consumo depende de la presencia de una cantidad adecuada de agua. El contenido de humedad en los alimentos en equilibrio puede ser medido por secado en horno a temperatura estándar durante 16 ó 24 horas, o estimado por algunos métodos más rápidos. Algunas de las técnicas utilizadas para medir la cantidad de agua en los alimentos son las que utilizan calentamiento por microondas, los análisis con infrarrojos, la extracción de agua con isopropanol y la cromatografía gas-líquido. Todas estas técnicas nos proporcionan una gran precisión. Figura 3.47 Sensor de Humedad. 3.10.2 SENSORES DE MICROONDAS. En el caso del secado de grano, la actividad de agua de trigo es sensible a pequeños cambios en el contenido de agua en base seca. Se utilizan instrumentos basados en el cambio de resistencia eléctrica, capacidad en frecuencia de radio o absorción de microondas para medir la humedad de grano. El vapor de agua muestra una serie de bandas de absorción en la región de las microondas debido a la cuantización de la energía de rotación. En el agua líquida estas bandas se ensanchan de forma que la energía de las microondas se absorbe de forma uniforme. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 119 3.10.3 SENSORES DE INFRARROJOS. La reflectancia en el infrarrojo cercano es una medida de superficie, y su uso está restringido a los materiales en láminas y a los procesos que ofrecen una superficie expuesta fresca de material fresco mezclado. Este método se utiliza por ejemplo para medir la humedad en los cereales de desayuno, en la harina de trigo, en las galletas semi-dulces. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 120 3.11 SENSORES QUIMICOS Y BIOQUIMICOS. 3.11.1 RESONANCIA MAGNETICA NUCLEAR. Esta técnica es utilizada para identificar los componentes de aceites utilizando el análisis del espectro del carbono-13. Existe la resonancia magnética nuclear de baja resolución, que es más adecuada para el procesado de alimentos, ya que utiliza las propiedades de los protones utilizando así campos magnéticos de menor potencia que los utilizados con la alta frecuencia. Una de las primeras aplicaciones que tuvo esta técnica fue la detección de grasa sólida en margarina. También se ha utilizado para distinguir las fases sólida y líquida, medir la madurez de frutas de piel gruesa como cerezas y uva. 3.11.2 ELECTRODOS DE pH. La medida del pH en fluidos se realiza con electrodo de vidrio sensible al pH, monitorizando el cambio de energía dependiente de la concentración asociada con la ionización del agua en las paredes de un vidrio hidratadas; un segundo electrodo no sensible al pH se utiliza para medir la salida del electrodo de vidrio. Uno de los problemas que presentan los electrodos de pH es que se pueden contaminar al bombear el líquido, ya que puede llegar a su interior. La limpieza de los electrodos se puede realizar por varios métodos, cepillado por chorros o por ultrasonidos. 3.11.3 SELECTIVOS DE IONES. Una capa sensible a los iones es depositada sobre el transistor; los iones que se difunden en la región donde se han colocado polarizan la interfase entre el fluido y el lugar en el que están colocados. Estos elementos muestran una gran dispersión de la medida, en el caso de que tenga dos capas dieléctricas pueden aparecer cargas adicionales en la interfase entre los dos aisladores. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 121 3.12 SENSORES DE TAMAÑO. La longitud y la anchura de piezas situadas en una cinta transportadora pueden medirse con la técnica de conteo y tiempo sobre la salida de video de una videocámara. Se puede obtener mayor velocidad y precisión utilizando diodos led o fuentes de láser y matrices lineales de fotodiodos. Las matrices tienen una gran estabilidad dimensional. La ventaja de los diodos led es que pueden ser modulados a alta frecuencia. Esta técnica se utiliza por ejemplo en el proceso de fabricación de galletas para controlar el espesor de las galletas. En procesos como el refinado de chocolate y el procesado de café, la calidad del producto depende del tamaño de las partículas. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 128 3.17 SENSORES CAPACITIVOS. Existen muchas aplicaciones que requieren sensar a distancia materiales no metálicos y, para ello se emplea este tipo de sensor, que usa el efecto capacitivo a tierra de los objetos a sensar. Ejemplos: presencia de agua en un tubo o el cereal dentro de una caja de cartón. El elemento funcional primario del sensor capacitivo de proximidad es un oscilador de alta frecuencia con un electrodo flotante en el circuito de base de un transistor. En el estado de inactividad hay un campo ruidoso en la región de base, que representa el área activa del sensor de proximidad. Cuando un objeto aparece dentro del área activa, empiezan las oscilaciones. La etapa de conmutación rectifica las oscilaciones de alta frecuencia y la señal continua resultante se aplica a la etapa de salida. La etapa de conmutación incluye un sistema de señal de retroalimentación, el nivel del cual puede ajustarse en algunos modelos, a través de un potenciómetro; esto capacita el sensor de proximidad de variar su sensibilidad de respuesta. Principalmente se emplean para líquidos y sólidos no metálicos y, externamente son muy parecidos a los sensores inductivos. Tanto los sensores inductivos como los capacitivos tienen una distancia máxima de accionamiento, que depende en gran medida del área de la cabeza sensora (bobina o electrodo), por ello a mayor diámetro, mayor distancia máxima. Además, la distancia de sensado siempre se especifica para agua en estado líquido pero, para otros materiales es diferente. Para el vidrio se tiene que considerar un factor de corrección del 65%, mientras que para el agua congelada del 30%. Además de los voltajes y circuitos mencionados en los inductivos, existe también en los sensores capacitivos un tipo con salida analógica (4-20 mA). Figura 3.56 Sensor Capacitivo. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 129 3.18 SENSORES POR ULTRASONIDOS. Este tipo de sensores, se basa en el mismo funcionamiento que los de tipo fotoeléctrico, ya que se emite una señal, esta vez de tipo ultrasónica, y esta señal es recibida por un receptor. De la misma manera, dependiendo del camino que realice la señal emitida podremos diferenciarlos entre los que son de barrera o los de reflexión. Figura 3.57 Sensores por Ultrasonidos. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 130 3.19 SENSORES DE ESFUERZO. Este tipo de captadores, se encuentran basados en su mayor parte en el empleo de galgas extensiométricas, que son unos dispositivos que cuando se les aplica una fuerza, ya puede ser una tracción o una compresión, varia su resistencia eléctrica, de esta forma podemos medir la fuerza que se está aplicando sobre un determinado objeto. • GALGAS PIEZORESISTIVAS. Estas galgas están formadas por un aislante, una malla de cables unidos a un substrato, cables que conectan la malla y un circuito para medición de resistencia. La malla se orienta de tal forma que la deformación comprime las piernas de la malla longitudinalmente. Tiene el inconveniente de que es sensible a la temperatura. • GALGAS PIEZORESISTIVAS SEMICONDUCTORAS. Estos elementos reflejan un cambio en la resistencia eléctrica como respuesta a la deformación. Son elementos frágiles. • GALGAS PIEZOELÉCTRICAS. Son condensadores de placas paralelas cuya propiedad dieléctrica varía como respuesta a la deformación. Al cambiar la polaridad se produce una carga proporcional a la deformación. Son baratos pero no son muy exactos. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 131 3.20 SENSORES DE MOVIMIENTO. Este tipo de sensores es uno de los más importantes en robótica, ya que nos da información sobre las evoluciones de las distintas partes que forman el robot, y de esta manera podemos controlar con un grado de precisión elevada la evolución del robot en su entorno de trabajo. 3.20.1 SENSORES DE DESLIZAMIENTO. Este tipo de sensores se utilizan para indicar al robot con que fuerza ha de coger un objeto para que este no se rompa al aplicarle una fuerza excesiva, o por el contrario que no se caiga de las pinzas del robot por no sujetarlo debidamente. Su funcionamiento general es simple, ya que este tipo de sensores se encuentran instalados en el órgano aprehensor (pinzas), cuando el robot decide coger el objeto, las pinzas lo agarran con una determinada fuerza y lo intentan levantar, si se produce un pequeño deslizamiento del objeto entre las pinzas, inmediatamente es incrementada la presión le las pinzas sobre el objeto, y esta operación se repite hasta que el deslizamiento del objeto se ha eliminado gracias a aplicar la fuerza de agarre suficiente. Figura 3.58 Sensor de Desplazamiento. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 132 3.20.2 SENSORES DE VELOCIDAD. Estos sensores pueden detectar la velocidad de un objeto tanto sea lineal como angular, pero la aplicación más conocida de este tipo de sensores es la medición de la velocidad angular de los motores que mueven las distintas partes del robot. La forma más popular de conocer la velocidad del giro de un motor, es utilizar para ello una dinamo tacométrica acoplada al eje del que queremos saber su velocidad angular, ya que este dispositivo nos genera un nivel determinado de tensión continua en función de la velocidad de giro de su eje, pues si conocemos a que valor de tensión corresponde una determinada velocidad, podremos averiguar de forma muy fiable a qué velocidad gira un motor. De todas maneras, este tipo de sensores al ser mecánicos se deterioran, y pueden generar errores en las medidas. Existen también otros tipos de sensores para controlar la velocidad, basados en el corte de un haz luminoso a través de un disco perforado sujetado al eje del motor, dependiendo de la frecuencia con la que el disco corte el haz luminoso indicará la velocidad del motor. Figura 3.59 Sensor de Velocidad. 3.20.3 SENSORES DE ACELERACION. Este tipo de sensores es muy importante, ya que la información de la aceleración sufrida por un objeto o parte de un robot es de vital importancia, ya que si se produce una aceleración en un objeto, este experimenta una fuerza que tiende ha hacer poner el objeto en movimiento. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 133 • ACELERÓMETROS ELECTROMECÁNICOS. El funcionamiento de estos acelerómetros se basa en la retroalimentación. En ellos, una masa sensible a la aceleración se mantiene muy cerca de una posición neutra gracias a la realimentación. Se genera una fuerza magnética que se opone al movimiento de la masa. Estos acelerómetros son lineales y eliminan el efecto de la histéresis. Existen dos clases, los de bobina magnética y los inductivos. • ACELERÓMETROS PIEZOELÉCTRICOS. Los acelerómetros piezoeléctricos se utilizan para medir aceleraciones, vibraciones e impactos. Son unos transductores de movimiento con una señal de salida de gran amplitud pero de pequeño tamaño. Estos dispositivos utilizan una masa que está en contacto con un dispositivo piezoeléctrico. Cuando sobre el acelerómetro se aplica un movimiento variable, el cristal experimenta una fuerza de excitación. Figura 3.60 Acelerómetro Piezoeléctrico. • ACELERÓMETROS PIEZORRESISTIVOS. Estos acelerómetros son galgas extensiométricos semiconductoras de gran sensibilidad. Utilizan dos o cuatro galgas activas conectadas en un puente Wheatstone. Son utilizados para detectar vibraciones de baja frecuencia. Figura 3.61 Acelerómetro Piezorresistivo. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 134 • ACELERÓMETROS DE CAPACITANCIA DIFERENCIAL. Estos acelerómetros se basan en el cambio de la capacitancia en función de la aceleración aplicada. El sistema se caracteriza por tener una frecuencia nominal cuando no está sometido a perturbación. Si se acelera el instrumento, la frecuencia varía dependiendo de la dirección de la aceleración. • ACELERÓMETROS DE GALGA EXTENSIOMÉTRICA. Se basan en las propiedades de los conductores eléctricos. Si un conductor se comprime, su resistencia se altera debido a los cambios de dimensiones y a sus propiedades piezorresistivas. Por lo que podemos decir que la resistividad del conductor depende de la presión a la que es sometido. • ACELERÇOMETROS SÍSMICOS. Utilizan una masa que suspendida por un resorte dentro de un marco rígido que está unido a la fuente de vibración. Cuando se produce una vibración en el sistema, la masa tiende a permanecer en una posición fija de forma que el movimiento puede ser medido con el desplazamiento relativo entre el marco y la masa. Dicho desplazamiento se mide con un transductor. Figura 3.62 Acelerómetro Sísmico. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 135 • ACELERÓMETROS INERCIALES. Son aquellos acelerómetros en los que la fuerza, que se requiere para limitar el movimiento de una masa cuando hay una vibración, proviene de un sistema inercial como por ejemplo un rotor de vibración o una cuerda vibratoria. • ACELERÓMETRO DE REALIMENTACIÓN DE FUERZA ELECTROSTÁTICA. Su funcionamiento se basa en la ley de Coulomb entre dos electrodos cargados. Los electrodos miden el voltaje según la fuerza que es requerida para sostener un electrodo móvil dentro de un área y con una separación conocida. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 136 3.21 FIABILIDAD DE LA MEDIDA. La calibración de los sensores se puede llevar a cabo mediante la evaluación de los resultados obtenidos con el sensor a partir de un material de referencia o mediante la comparación de las medidas con las muestras tomadas a lo largo del proceso. Una de las maneras de clasificar los fallos puede ser la que se menciona a continuación: • condición: por ejemplo la rotura del diafragma en un sensor de presión. • funcionamiento: clasificación por efecto. • seguridad: fallo seguro o fallo peligroso. • detección: fallo descubierto o no descubierto. Los factores de fiabilidad más importantes son: • diseño enfocado a la fiabilidad realizado durante el desarrollo del instrumento: al aumentar la fiabilidad se necesitan componentes más caros, tienen mayor inefectividad y pueden mejorar el punto más débil del sistema. • complejidad reducida: hay que tener un número bajo de componentes. • evitar una complejidad innecesaria: las funciones adicionales o la precisión excesiva disminuyen la fiabilidad. • uso de componentes comprobados: obtener componentes con un programa que asegure la fiabilidad. • reducción de los esfuerzos de los componentes: la vida media de un componente depende de la disipación de potencia, de las tensiones de pico y de la humedad. El mantenimiento preventivo planificado es menos costoso que el mantenimiento preventivo basado en condiciones. El mantenimiento preventivo permite detectar fallos repetitivos, disminuir los puntos muertos por paradas, aumentar la vida útil de equipos, disminuir costos de reparaciones. El mantenimiento correctivo es aquel que se lleva a cabo cuando se producen los fallos, es caro pero permite una gran disponibilidad. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 137 3.22 BIBLIOGRAFIA Y PAGINAS WEBS. Para la realización del manual de Sensores se han consultado las siguientes páginas webs: • www.directindustry.es • www.wika.es • www.termomed.net • www.labpromm.blogspot.com • www.arotubi.com • www.tumedicion.com • www.pce-iberica.es • www.sapiensman.com/ESDictionary/docs/d7.htm • www.sapiensman.com/neumatica/neumatica35.htm • www.sensoresdenivel.blogspot.com • www.sapiens.itgo.com/documents/doc60.htm • www.mediciondenivelessantech.blogspot.com • www.medirvariables.blogspot.com • www.members.fortunecity.com/losdos/automatizacion1.htm • www.sapiens.itgo.com/documents/doc17.htm • www.microbrian.com.ar • www.sensoresdeproximidad.galeon.com • www.monografias.com/trabajos6/sicox/sicox.shtml • www.lukor.com/ordenadores/05062902.htm • www.monografias.com/trabajos15/sistemas-control/sistemas-control.shtml • www.librosvivos.net/smtc/homeTC.asp?TemaClave=1164 • wikipedia.org/wiki/Sensor Y también se ha consultado el libro “INGENIERIA DE CONTROL” W. Bolton. Marcombron, Boixareu Editores. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 144 4.2.2 RELACION DE VIDEOS DE SENSORES. Los videos utilizados en el PowerPoint de los Sensores son doce, en ellos se muestra el funcionamiento de algunos sensores. 1. Sensores de Nivel. 2. Sensores de Luz. 3. Sensor de Presión. 4. Sensor de Proximidad. 5. Sensores Fotoeléctricos y Capacitivos. 6. Transmisor de Temperatura. 7. Medidores de Caudal. 8. Termistor. 9. Termómetro Infrarrojo. 10. Manómetro Bourdon. 11. Tubo Venturi. 12. Sensor de Humedad. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 145 5. CASOS PRACTICOS. 5.1 ELABORACION DE AZUCAR. El azúcar puede obtenerse principalmente a partir de la caña de azúcar y la remolacha azucarera. Para su obtención se requiere de un largo proceso, desde que la semilla de caña germina hasta que el azúcar se comercializa nacional. La caña de azúcar es una gramínea anual en la que se manejan dos tipos de plantaciones: caña planta, que es el ciclo que comprende desde la siembra hasta el primer corte y caña soca, que empieza después del primer corte y termina con el último antes de hacer una nueva siembra, lo que se conoce como renovación. El proceso de elaboración del azúcar está dividido en dos etapas: campo y planta. • PROCESO DE CAMPO. - Siembra y Cultivo de la Caña Planta. La siembra de la caña de azúcar comienza con la selección de una buena semilla, ésta se obtiene a partir de un campo de caña planta escogido para utilizarse como semillero, bien cultivado y que esté libre de plagas y enfermedades. Entre los 7 y 9 meses de edad, se cortan los tallos de caña de azúcar en trozos que tengan por lo menos tres yemas, que son las que van a dar origen a las nuevas plantas. La preparación del terreno para la siembra consiste en realizar dos o tres pasadas de rastras de discos, para eliminar las cepas del anterior cultivo, y proveer a la semilla de un terreno con suelo suelto donde pueda germinar y desarrollarse. Una vez preparado el terreno, se hacen surcos; el mismo equipo que surca el terreno, va aplicando en cada surco, la primera fertilización a base de nitrógeno, fósforo y potasio. La semilla se coloca en el fondo de estos y luego es tapada con tierra para proceder a dar el primer riego. A los 75 u 80 días, se coloca tierra en la base de la hilera de caña para que esta quede elevada sobre la superficie del terreno; en este momento la planta recibe simultáneamente una segunda fertilización a base de nitrógeno. Los controles de malezas pueden ser químicos, mecánicos o manuales, y se hacen dependiendo de las necesidades específicas de cada lote. La caña planta es cosechada aproximadamente a los 13 meses. Figura 5.1 Proceso de Siembra del Azúcar Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 146 - Cultivo de Caña Soca. La caña soca comienza después del primer corte. La primera labor que se realiza es la disposición o el encalle de los residuos de cosecha (hojarasca, cogollos...). Luego se hacen de manera simultánea la roturación y la fertilización mecánica del cultivo, aplicando nitrógeno y potasio; la roturación se hace para aflojar la superficie del suelo, para romper la compactación producida por el tráfico de los equipos de la cosecha, y mejorar la infiltración del agua del riego. La siguiente labor que se realiza es el riego. La cosecha de la caña soca se realiza aproximadamente a los 12 meses de edad. - Cosecha. La preparación de la caña para la cosecha empieza con la aplicación de madurante, el cual ayuda a incrementar el contenido de sacarosa en la caña y se realiza entre 7 a 9 semanas antes de la fecha de corte. Una vez que el lote tiene la edad adecuada, se procede a quemarlo para facilitar la labor de cosecha; al día siguiente se corta la caña, bien de forma manual o mecanizada. Para el corte manual se utiliza machetes. En la cosecha mecanizada o con cosechadoras, la caña es cortada, picada, limpiada y botada por ésta directamente hacia el camión o carretón, que se ubica y rueda paralelo a la cosechadora. Figura 5.2 Proceso de Cosecha. • PROCESO DE PLANTA. La caña cosechada en el campo es transportada hacia la fábrica por medio de camiones, dichos camiones son pesados para conocer el peso de la caña que llega a la fábrica. Una vez pesados se distribuyen los camiones hacia el tandem de molinos. Cada tandem de molinos posee dos viradoras de caña. Una vez que son viradas las cargas de caña en las respectivas viradoras de cada tandem de molinos, lo primero que se realiza es un lavado con agua para retirarles la tierra y la suciedad que puedan traer del campo. Luego la caña pasa por una primera picadora, que tiene por objeto desmenuzar la caña. Posteriormente pasa por una Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 147 segunda picadora para completar el desmenuzamiento de la caña. Cuanto más desmenuzada esté la caña se logrará un mejor trabajo de extracción en los molinos y se mejorará el rendimiento. Durante este proceso sólo se realiza una fragmentación de la caña pero sin extraerle el jugo, pues no hay acción de compresión. La caña desmenuzada es transportada a través de un conductor hacia los molinos para proceder, por compresión, a extraer el jugo contenido en la caña. El jugo que se extrae de cada molino cae hacia un tanque, llamado "tanque de jugo mezclado". El jugo mezclado del tandem es bombeado hacia una balanza para registrar su peso. El jugo que tenemos ahora puede contener tierra, arena, residuos de caña y otras impurezas, por lo que deben ser clarificadas para poder ser utilizadas. Figura 5.3 Picado del Azúcar. - Desinfección del Jugo. La desinfección es realizada en las llamadas columnas de sulfitación, que son equipos que trabajan en contracorriente, ingresando el jugo mezclado por la parte superior y alimentando anhídrido sulfuroso por la parte inferior. El anhídrido sulfuroso es obtenido mediante combustión de piedras de azufre. Al entrar en contacto el anhídrido con el jugo se produce la desinfección, destruyéndose los agentes patógenos, bacterias y microbios que pudiesen estar presentes en el jugo. Simultáneamente la sulfitación reduce las sales férricas presentes a sales ferrosas. Durante esta etapa del proceso se produce un incremento en la acidez del jugo tratado. - Clarificación del Jugo. Una vez que se ha desinfectado el jugo se procede a separar la tierra, arena y demás impurezas sólidas presentes en el jugo. Esto se realiza mediante sedimentación. La precipitación de las impurezas sólidas es más eficiente si es realizada en caliente. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 148 Después del calentamiento se agrega floculante para agrupar las impurezas sólidas presentes, que al ser más pesadas que el jugo tienden a sedimentar. La separación de los sólidos suspendidos se realiza en equipos llamados clarificadores, obteniéndose por la parte superior un jugo limpio y brillante, llamado "jugo clarificado" y por el fondo del equipo un lodo que contiene todas las impurezas sólidas (tierra, arena, residuos de cal y residuos de floculante). A este lodo se lo denomina "cachaza". Figura 5.4 Clarificación. - Filtración de la Cachaza. La cachaza, por haber estado en contacto con el jugo, es un lodo, el cual debe ser recuperado. Esto se realiza en filtros rotativos al vacío obteniéndose: una torta sólida de cachaza, que por tener presencia de elementos nutrientes es utilizada para enriquecer las aguas de riego de los cultivos de caña, y un jugo sucio llamado "jugo filtrado", que es alimentado al clarificador de jugo filtrado para separarle las impurezas sólidas presentes y obtener un jugo que pueda ser recirculado al proceso. Durante el proceso de filtración se alimenta agua condensada a presión para realizar un lavado de la torta de cachaza y facilitar la extracción de la sacarosa presente. - Evaporación del Jugo Clarificado. El jugo clarificado pasa luego a la sección evaporación para eliminar gran parte del agua presente en el jugo. El jugo clarificado posee aproximadamente un 82- 87 % de agua, por efecto del trabajo de los evaporadores de múltiple efecto se logra reducir el contenido de agua al 33-40 %, denominándose "meladura" al jugo concentrado que sale de los evaporadores. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 149 Figura 5.5 Proceso de Evaporación. - Cristalización y Centrifugación. La presencia de sólidos insolubles en la meladura representa un problema no deseado, razón por la cual la meladura es alimentada a un equipo de clarificación por flotación para minimizar este riesgo y obtener una meladura más clara que se constituya en un material que aporte significativamente a la consecución de un azúcar de buena calidad. Para lograr la formación de los cristales de azúcar (sacarosa) se requiere eliminar el agua presente en la meladura, esto se realiza durante la cocción de las templas en equipos llamados “tachos”, que no son otra cosa que evaporadores de simple efecto que trabajan al vacío. Figura 5.6 Proceso de Cristalización. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 150 Cuando el producto alcanza la concentración deseada, se descarga la templa o masa cocida hacia los cristalizadores para terminar de agotar las mieles. Para lograr la separación de los cristales de las mieles se emplean las centrífugas de segunda. Figura 5.7 Proceso de Centrifugación. - Secado. Una vez descargado de las centrífugas se procede al secado del azúcar empleando una secadora rotativa al vacío. La humedad máxima permitida en el azúcar debe ser 0.075 %. El azúcar seco es conducido hacia las tolvas de almacenamiento para su posterior envasado en sacos. - Envasado. Una vez envasado el producto se debe controlar el peso de los sacos para comprobar que se cumpla con la norma de 50 Kg. de peso neto de azúcar por saco, luego se transportan los sacos hacia la bodega para su posterior distribución. El producto es embalado en las presentaciones de 250 gramos, 500 gramos, 1 Kg, 2 Kg y 5 Kg. envasados en fundas plásticas (polipropileno) y al granel en 50 Kg. envasados en sacos de papel. Figura 5.8 Envasado del Azúcar. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 151 5.1.1 SENSORES UTILIZADOS. Durante el proceso de elaboración del azúcar hay que tener controladas distintas variables como: el nivel, el flujo, la concentración y la temperatura. Para controlar la concentración utilizamos un sensor de concentración tipo Coriolis especial para flujos, tanto de gases como líquidos. Este sensor es bastante preciso además no solo entrega medida de flujo sino más importante aun medidas de densidades. Con lo cual podemos obtener la concentración de azúcar. El sensor más utilizado para ello es un sensor de la marca Siemens (SITRANS FC300). Figura 5.9 Sensor de Concentración. Para en control de la temperatura en los evaporadores, utilizamos las termocuplas tipo K, vienen con vaina marrón, siendo el aislamiento de su conductor positivo (Cromel: Aleación de Cromo y níquel) de color amarillo, mientras que la de su conductor negativo (Alumel: Aleación de aluminio y níquel) de color rojo. El flujo lo controlaremos con sensor de flujo tipo Vortex. El Vortex se basa en la determinación de la frecuencia del torbellino producido por una hélice estática dentro de la tubería a cuyo través pasa el fluido (líquido o gas). Para poder controlar el nivel de jugo en cada evaporador utilizamos un medidor de nivel por ultrasonidos. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 152 5.2 ELABORACION DE PAN. Existen tres sistemas generales para la elaboración del pan dependiendo de la levadura utilizada: • Directo. Es el menos frecuente y se caracteriza por utilizar exclusivamente levadura comercial. Requiere un periodo de reposo de la masa de unos 24 minutos antes de la división de la masa. No es útil en procesos mecanizados con división automática volumétrica. • Mixto. Es el sistema más frecuente en la elaboración de pan común. Utiliza simultáneamente masa natural y levadura comercial. Requiere un reposo previo a la división de la masa de solo unos 10 ó 20 minutos. Es el más recomendado cuando la división de la masa se hace por medio de divisora volumétrica. • Esponja. Es el sistema utilizado para la elaboración de pan francés o de molde. Consiste en elaboración de una masa líquida con el 30 ó 40% del total de la harina, la totalidad de la levadura y tantos litros de agua como kilos de harina se utilizan. Se deja reposar unas horas. Se añade el resto de la harina y del agua, y a partir de ahí se procede como en el método directo. El proceso de elaboración de la harina consta de las siguientes fases: • AMASADO. El objetivo del amasado es lograr la mezcla adecuada de los distintos ingredientes y conseguir, por medio de del trabajo del amasado las características plásticas de la masa así como su perfecta oxigenación. El amasado se realiza con máquinas llamadas amasadoras, que constan de una artesa móvil donde se colocan los ingredientes y de un elemento amasador cuyo diseño determina, en cierto modo, los distintos tipos de amasadoras, siendo las más utilizadas la amasadora de brazos de movimiento variado y las de espiral. Figura 5.10 Amasado del Pan. Estudio y Desarrollo de Material Docente. Juan Luis Pérez Lapetra - - 153 • DIVISDION Y PESADO. El objetivo de esta fase es dar a las piezas el peso justo. Si se trata de piezas grandes se suelen pesar a mano y en el caso de las piezas pequeñas se utiliza una divisora hidráulica, pesando a mano un fragmento de masa múltiplo del número de piezas que da la divisora. Figura 5.11 División de la Masa. • BOLEADO. El boleado consiste en dar forma de bola al fragmento de masa y su objetivo es reconstruir la estructura de la masa tras la división. Puede realizarse a mano, si la baja producción o el tipo de pan así lo aconsejan. O se puede realizar mecánicamente por medio de boleadoras, siendo la más frecuente la formada por un cono truncado giratorio. Figura 5.12 Boleado. • REPOSO. El objetivo del reposo es dejar descansar la masa para que se recupere de la degasificación sufrida durante la división y el boleado. Esta etapa puede ser llevada a