GUIA DE DISEÑO DE SISTEMAS
DE CONTROL

INTRODUCCIÓN
La unidad de sistema de control tiene como objetivo principal desarrollar las
habilidades y destrezas del estudiante de la Universidad Bolivariana de
Venezuela, orientados al estudio de los principios fundamentales en los
diferentes sistemas de medición e instrumentación, como base para la
aplicación de control de procesos, en el campo de la industria y la comunidad,
mediante la utilización de métodos de medición de control de variables como lo
son: la temperatura, la presión, la velocidad de un equipo rotativo (r.p.m, Hz,
etc.), cantidad de fluido y volumen, así como también, aquellos elementos de
medición en el área de campo, establecidos y fabricados bajos normas
internacionales y nacionales. Aunque la mayoría de los instrumentos de
medición, están fabricados para medir digitalmente
y otros de forma
analógicas, cada uno de estos instrumentos de medición poseen un margen de
error o tolerancia de trabajo para medir la variables en los sitios de trabajos de
las industrias, dependiendo la utilidad de éste. Los puntos de cada trabajo que
se realizan serán evaluados con la más mínima precaución posible, con la
finalidad de preservar la seguridad del trabajador y del medio ambiente.Por
ejemplo, en las industrias, la medición de nivel es importante, porque de alguna
otra forma controla el funcionamiento correcto del proceso hasta la obtención
del producto final. Cabe decir, que el controlar es aceptado como una actividad
desde todas las directrices de la industria hacia el campo de proceso dentro de
la misma.
La presente unidad curricular está orientada hacia cuatros capítulos de
estudios:
El Capítulo I, se refiere a la introducción de la instrumentación, esta parte de la
unidad estudia la composición y tipos de medidores de las variables a controlar
y mantener constantes algunas magnitudes. Los instrumentos de medición y

control permiten el mantenimiento y manipulación de estas constantes en
condiciones óptimas que las que el propio operador podría realizar. El Capitulo
II, refiere al estudio de los sistemas de control, en esta parte se debe comparar
el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma de
acción para la respectiva corrección dependiendo de la desviación de la
variable. En los Capítulos III y IV, refiere al estudio y comportamiento de las
variables en los sistemas dinámicos y de aquellos sistemas que presenten la
unidad de control, el elemento final de control y el propio proceso, ya que de
ellos podemos encontrar lazos o bucles abiertos o cerrados. Cada unos de
estos capítulos contiene ejercicios de aplicación en el área que se vaya a
manejar dentro de la industria y fuera de ella. Durante el proceso de
aprendizaje los estudiantes, deben ir resolviendo la complejidad de los
ejercicios para así desarrollar las habilidades que adquiera en el tiempo de
estudio de la unidad curricular.

INDICE
Capítulo I. Introducción a la instrumentación.
1.1 Generalidades de la instrumentación.
a. Campo de medida (rango)
b. Alcance.
c. Error.
d. Incertidumbre de la medida.
e. Exactitud.
f. Precisión.
g. Zona muerta.
h. Sensibilidad.
i.
Repetibilidad.
j.
Histéresis.
1.2 Medidores
1.2.1 Generalidades de los medidores
1.2.2 Tipos de Medidores: Mecánicos, Eléctricos, Analógicos y Digitales
1.2.3 Medidores de Presión:
a. Unidades y clases de presión.
b. Elementos mecánicos.
c. Elementos electromecánicos.
d. Elementos electrónicos de vacío.
1.2.4 Medidores Volumétricos
a. Instrumentos de presión diferencial.

b. TuboPitot.
c. Transmisores de fuelle y de diafragma.
d. Integradores.
e. Tubo anular.
f. Vertederos y venturí.
g. Transductores ultrasónicos.
h. Medidor magnético de caudal.
i.
Medidor de disco oscilante.
j.
Medidor de pistón oscilante.
k. Medidor rotativo.
l.
Remolino y vórtex.
m. Medidor Laser.
n. Medidores volumétricos compensados
o. Medidores térmicos de caudal
p. Medidores de momento angular
q. Medidor de Coriolis
1.2.5 Medición de nivel:
a. Instrumentos de medición directa
b. Instrumentos basados en la presión hidrostática: medidor de
membrana, de burbujeo, manométrico y de presión diferencial.
c. Medidor de nivel: de ultrasonidos, de radar, de radiación, de laser y
medidor másico de nivel.
1.2.6 Medición de Temperatura:
a. Termómetro de vidrio.
b. Termómetro bimetálico.
c. Termómetro de bulbo y capilar.
d. Termómetros de resistencia.
e. Termopares.

1.3 Válvulas.
1.3.1 Generalidades
1.3.2 Tipos de válvulas:
a. Válvulas con obturador de movimiento lineal: válvula de globo,
válvula de ángulo, válvula de tres vías, válvula de compuerta, válvula
de jaula, válvula de Y, válvula de cuerpo partido, válvula Saunders,
válvula de compresión, entre otras.
b. Válvulas con obturador de movimiento circular: válvula de mariposa,
válvula de bola, válvula de movimiento excéntrico rotativo ( camflex),
válvula de obturador cilíndrico excéntrico, válvula de macho, válvula
de orificio ajustable, válvula de flujo axial, entre otras.
1.4 Símbolos de Instrumentación.
Capítulo II. Introducción a los sistemas de control.
2.1. Introducción a los sistemas de control.
2.2. Definiciones básicas: plantas, procesos, sistemas.
2.3. Perturbaciones.
2.4. Control de realimentación.
2.5. Sistemas de control de realimentación.
2.6. Sistemas de control de procesos.
2.7. Sistemas de control de lazo Cerrado (manual y Automático).
2.8. Sistema de control de lazo abierto
2.9. Comparación entre los sistemas de control de lazo cerrado y de lazo
abierto.
2.10. Componentes básicos de un sistema de control.
2.10.1. Sensores.
2.10.2. Transmisores.
2.10.3. Tipos de transmisores: neumáticos, eléctricos, digitales.

CAPITULO I. Introducción a la instrumentación.

Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos
productos, ya que son variados y abarcan varios tipos, como por ejemplo, los
productos derivados del petróleo, los productos alimenticios, la industria de la
cerámica, las centrales hidroeléctricas, las siderúrgicas en fin grandes otras
industrias que el mercado moderno sostiene para el comercio y las
necesidades.
En todos estos procesos es necesario controlar y mantener algunas
magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la
velocidad, la conductividad, la humedad, el punto de rocío, etc. Los procesos
industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categorías que
son los continuos y los discontinuos. En ambos tipos, deben mantenerse en
general las variables, presión, caudal, nivel, temperatura, volumen, etc; ya sea
con valor prefijado o bien digamos con un valor deseado fijo, el otro sería el
valor variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, o
bien guardando una relación determinada con otra variable.
Campo de medida (rango):
Es aquel espectro o conjunto de valores de la variable medida que están
comprendido dentro de los límites superior e inferior de un instrumento dentro
de su capacidad medida. Por ejemplo, el rango de trabajo de un compresor,
entre sus variables directas temperatura, presión y volumen. Otro término muy
utilizado es la rangeabilidad o dinámica de medida que resulta del cociente
entre el valor de medida superior e inferior de un instrumento.
Alcance:
Es la diferencia entre los valores superior e inferior del campo de medida del
instrumento. Por ejemplo, la diferencia de temperatura de un instrumento de
medición.
Error:
Es la diferencia entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor
real de la variable medida. En condiciones de régimen permanente para un
proceso, se llamaría error estático. Ahora si las condiciones son dinámicas, el

error varía considerablemente debido a que los instrumentos tienen
características comunes a los sistemas físicos como lo es la absorción de
energía y requiera tiempo para ser transmitida, lo que da lugar a retardos en la
lectura del instrumento, estos se llama error dinámico ( es la diferencia entre el
valor instantáneo de la variable y el indicado por el instrumento), el valor
depende del tipo de fluido del proceso, de su velocidad, del elemento primerio
termopar, bulbo y capilar, etc. El error medio del instrumento, es la medida
aritmética de los errores en cada punto de la medida determinados para todos
los valores crecientes y decrecientes de la variable medida. Algo muy
importante, cuando se realiza mediciones con varios instrumentos, colocados
unos a continuación de otros en forma de series, el valor final de la medición
estará constituido por los errores propios a cada uno de los instrumentos. El
error total de una medición suele tomarse como la raíz cuadrada de la suma
algebraica de los cuadrados de los errores máximos de los instrumentos, es
decir, la expresión:
Por ejemplo, el error obtenido al medir el caudal con un diafragma, un
transmisor electrónico de 4-20 mAc.c, un receptor y un integrador electrónicos
es de:
Error del diafragma ………………………………………….2%
Error del transmisor electrónico de 4-20 mAc.c …………0,5%
Error del receptor electrónico ………………………………0,5%
Error del integrador electrónico …………………………….0,5%

Incertidumbre de la medida:
Es la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al
verdadero valor de la magnitud medida. En el cálculo de la incertidumbre
interviene la distribución estadística de los resultados de series de mediciones,
las características de los equipos, etc.
i = incertidumbre de la medida
k = factor que depende del nivel de confianza
σ = desviación típica del instrumento indicada por el fabricante
Exactitud:
Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas
próximas al verdadero valor de la magnitud medida.
Precisión:
Es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento ( intervalo donde
es admisible que se sitúe la magnitud de la medida), y define los límites de los
errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales
de servicio durante un período de tiempo. Existen varias formas de expresar la
precisión de un instrumento:
a.- Tanto por ciento del alcance. Por ejemplo si un instrumento presenta una
capacidad de 500 psi y da una lectura de 250 psi y tiene una precisión de 0,5%
el valor real de presión estará comprendido entre 250
0,5x500/100 = 250
2,5, es decir, valores entre 247,5 psi y 252,5 psi.
b.- Directamente, en unidades de la variable medida, por ejemplo precisión de
1psi.
c.- Tanto por ciento de la lectura efectuada. Por ejemplo: precisión de
250 psi, es decir,
2,5 psi.
1% de

d.- Tanto por ciento del valor máximo del campo de medida. Ejemplo: precisión
de
0,5% de 500 psi =
2,5 psi.
e.- Tanto por ciento de la longitud de La escala. Ejemplo: si la escala del
instrumento es de 250 psi, la precisión de
0,5% representará
0.75 psi de la
escala.
La precisión varía en cada punto del campo de medida si bien, el fabricante la
especifica en todo el margen del instrumento indicado a veces su valor en
algunas zonas de la escala. Hay que señalar que los valores de precisión de un
instrumento se consideran en general establecidos para el usuario, es decir,
son los proporcionados por los fabricantes de los instrumentos, además se
debe considerar los valores de calibración y de inspección. Con ello se
pretende tener un margen de seguridad para compensar los efectos de las
diferencias de apreciación de las personas que efectúan la calibración, las
diferentes precisiones de los instrumentos de medida utilizados, las posibles
alteraciones debidas al desplazamiento del instrumento de un punto a otro, los
efectos ambientales y de envejecimiento, etc.
Un ejemplo ilustrativo de la diferencia entre exactitud y precisión es el
siguiente:
Un manómetro de escala de 0-10 bar que repita la medida de 5 bar muchas
veces en las mismas condiciones, dará diferentes lecturas alrededor de 5 bar,
que estarán distribuidas según una curva de campana (curva de Gauss). El
manómetro será tanto más exacto cuanto más esté el valor medio de las
medidas al valor verdadero de 5 bar y será más preciso cuanto menor sea la
dispersión de las medidas. Por lo tanto, los instrumentos de medida estarán
diseñados por los fabricantes para que sean precisos, y como periódicamente
se descalibran, deben ajustarse para que sean exactos.
Zona muerta:
Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la
señal de salida del instrumento, es decir, que no produce su respuesta, viene
dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo: Si un

instrumento tiene como medida de la variable el
0,2% , su valor estará por
encima y por debajo de su valor de escala.
Sensibilidad:
Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que
la ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. Por ejemplo:
si un transmisor electrónico de 0-10 bar, la presión pasa de 5 a 5,5 bar y la
señal de salida de 11,9 a 12,3 mA c.c., la sensibilidad es el cociente:
Hay que señalar que no se debe confundir la sensibilidad con el término de
zona muerta, son definiciones básicamente distintas que antes era fácil
confundir cuando la definición inicial de la sensibilidad era valor mínimo en que
se ha de modificar la variable para apreciar un cambio medible en el índice o
en la pluma de registro del instrumento.
Repetibilidad:
Es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del índice o
de la señal de salida de instrumento al medir repetidamente valores idénticos
de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de
variación, recorriendo todo el campo. Se considera en general su valor máximo
(repetibilidad máxima) y se expresa en tanto por ciento del alcance; un valor
representativo es el de
0,1%, es importante saber que el término repetibilidad
no incluye la histéresis. Para determinarla, el fabricante comprueba la
diferencia entre el valor verdadero de la variable y la indicación o señal de
salida del instrumento recorriendo todo el campo, y partiendo, para cada
determinación, desde el valor mínimo del campo de medida. De este modo, en
el caso de un manómetro puede haber anotado los datos relacionados en la
siguiente:

Variable
______________________________
Indicación
___________________________
Desde 0 a 0,5
0,502
Desde 0 a 1
1,006
Desde 0 a 1,5
1,509
Desde 0 a 2
2,008
Desde 0 a 2,5
2,506
Desde 0 a 3
3,007
Desde 0 a 3,5
3,503
Desde 0 a 4
4,006
Desde 0 a 4,5
4,507
Desde 0 a 5
5,010
Desde 0 a 5,5
5,505
Desde 0 a 6
6,006
Desde 0 a 6,5
6,501
Desde 0 a 7
7,003
Desde 0 a 7,5
7,504
Desde 0 a 8
8,009
Desde 0 a 8,5
8,508
Desde 0 a 9
9,008
Desde 0 a 10
10,005
______________________
_______________________

La repetibilidad viene dada por la fórmula
resultando:
Histéresis:
Es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o
la pluma del instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida,
cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y
descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida. Por
ejemplo: si en un termómetro de 0-100%, para el valor de la variable de 40
la aguja marca 39,9
,
al subir la temperatura desde 0, e indica 40,1 al bajar la
temperatura desde 100
, el valor de la histéresis es de:
0,2%
Hay que señalar que el término zona muerta está incluido dentro de la
histéresis.
Medidores de presión
Elemento o
instrumento
Materiales
Presión
Precisión
Rango
Repetitividad
Sensibilidad
Barómetro
Acero
inoxidable
6 Bar
0,5 a 1 %
0,1 a 3 mH2 O
N/A
N/A
Tubo en U
Vidrio
10 Bar
0,5 a 1 %
0,2 a 1,2 mH2 O
N/A
Tubo
Bourdon
Aleaciones
de cobre
Hastelloy y
monel
6000 Bar
0,5 a 1 %
0,5 a 6000 Bar
N/A
2500 Bar
0,5 a 1 %
0,5 a 2500 Bar
N/A
Espiral
Aleaciones
de cobre
Error

Hastelloy y
monel
Helicoidal
Aleaciones
de cobre
Hastelloy y
monel
5000 Bar
0,5 a 1 %
0,5 a 5000 Bar
N/A
Diafragma
Níquel
como de
Iconel
2 Bar
0,5 a 1 %
50 mm a 2 Bar
N/A
Fuelle
Bronce
fosforoso
2 Bar
0,5 a 1 %
100 mm a 2 Bar
N/A
Medidores de caudal
Elemento o
instrumento
Materiales
Precisión
Rango
Temperatura
máx.
Presión
máxima
Metales y
plásticos
1-2 %
Max/min 3:1
500 °C
400 bar
Tobera
Metales y
plásticos
0,9-1,5%
Max/min 3/:1
500 °C
400 bar
Tubo Ventury
Metales y
plásticos
0,75 %
Max/min 3:1
500 °C
400 bar
Tubo de pitot
Metales y
plásticos
1,5-4 %
Max/min 3:1
500 °C
400 bar
Metales,
plásticos y
vidrio/ceram.
1-2 %
Max/min
10:1
250 °C
400 bar
Metales,
plásticos y
vidrio/ceram.
0,3 %
250 °C
200 bar
Placa
Rotatometro
Turbina
Max/min
15:1
Error

Placa de
impacto
Metales , teflón,
Max/min
1%
Fibra, vidrio
400 °C
100 bar
150 °C
25 bar
100 °C
25 bar
150 °C
100 bar
60-200 °C
100 bar
200 °C
400 bar
120 °C
100 bar
400 °C
50 bar
10:1
Max/min
Pistón
oscilante
Metales
Pistón
alternativo
Metales
Cicloidal
metales
0,2-0,5 %
5:1
Max/min
0,2 %
5:1
Max/min
1%
10:1
Max/min
Birrotor
metales
0,2 %
5:1
Coriolis
Axial
Vortex
Max/min
Metal y
plásticos
0,5 %
Metal y
plásticos
1%
Metal y
plásticos
1%
10:1
Max/min
10:1
Max/min
10:1
Medidores de Nivel
Elemento o
instrumento
Precisión
Rango
Temperatura
máx.
Presión
máxima
Cristal
0,5mm
N/A
200 °C
150 bar
Limite
Flotador
1-2 %
N/A
250 °C
400 bar
0-10 m
Presión
diferencial
0,15 % a 0,5
%
N/A
200 °C
150 bar
0,3 m
Ultrasónico
1%
N/A
200 °C
400 bar
0,30 m
Laser
0,5-2 %
N/A
1500 °C
N/A
0-2 m
Radiación
0,5-2 %
N/A
150 °C
N/A
0-2,5 m
Conductivo
N/A
N/A
200 °C
80 bar
limitado
Burbujeo
1%
N/A
200 °C
400 bar
Alto. tanque
Manométrico
1%
N/A
60 °C
Atm.
Alto. tanque
Materiales
Capacidad

Ultrasonidos
0,5- 1 %
N/A
150 °C
N/A
N/A
Bascula
0,5- 1 %
N/A
900 °C
N/A
N/A
Diafragma
50mm
N/A
60 °C
N/A
N/A
Medidores de temperatura
Elemento o
instrumento
Materiales
Precisión
Rango
Temperatura
máx.
Presión
máxima
Termómetro
TGL
Aluminio,
vidrio
1.0
-60…+40°C
200 °C
N/A
N/A
Termómetro
bimetálico
Acero
inoxidable,
1.0
-30…+60°C
500 °C
N/A
N/A
0,5
-30…+50°C
400 °C
N/A
N/A
Termómetro
digital DTM
Acero
inoxidable,
Capacidad
poliamida
Sensor de
temperatura
TSA
Latón, acero
inoxidable
N/A
-40…°C
…150 °C
N/A
N/A
Termocuplaa
tornillable
TTE-1
Acero
inoxidable
N/A
-200…+600°C
600 °C
N/A
N/A
Resistencia
LTS_A
Acero
inoxidable
N/A
-50…+250 °C
250 °C
N/A
N/A
Termómetro
capilares
TNF
Aluminio o
acero
inoxidable
1.0-1.6
-20…+40 °C
600 °C
N/A
N/A
Termocupla
revestida
Acero
inoxidable
N/A
-50…+1100°C
1100 °C
N/A
N/A
Termopozos
para
termómetros
Acero
inoxidable
N/A
N/A
N/A
25 bar
N/A
Sondas de
temperatura
Acero
inoxidable
N/A
-50…+250 °C
250 °C
10 bar
N/A
Termom
resistencia.
En línea,
aplicación
Acero
inoxidable
N/A
-20…+200 °C
200 °C
N/A
N/A

Transmisores
Elemento o
instrumento
Capacidad
Precisión
Rango
Temperatura
máx.
Presión máxima
Neumático
3-15 psi
0,5 %
0,2-1 bar
N/A
N/A
Electrónico
convencional
4-20 mAc.c
0,5 %
N/a
N/A
N/A
Electrónico
inteligente
4-20 mAc.c
0,2 %
N/A
N/A
N/A
Electrónico
inteligente
señal digital
4-20 mAc.c
0,1 %
N/A
N/A
N/A
Que es una Válvula:
Una válvula consistirá básicamente en un cuerpo principal dentro del cual van
alojados elobturador y los asientos, elementos que me definirán el paso de
fluido permitido en cadamomento.
Tipos de Válvulas
Una clasificación quizás más importante es aquella que caracteriza las
válvulas según lafunción que van a desempeñar en el sistema. Según la cual
tendremos los siguientes tiposde válvulas:
 Control:
Regular
la
presión
/
caudal.
 Cierre por sobre-velocidad del fluido:(como por ejemplo cierre de la
válvula en caso de rotura de la tubería aguas abajo).
 Protección a sobrepresiones.
 Prevenir el retorno del fluido (válvula de retención o anti-retorno)
 Servicio de abrir/cerrar.
Otro tipo de clasificación es de acuerdo al uso

Válvula de compuerta
La válvula de compuerta supera en número a los otros tipos de válvulas
en servicios en donde se requiera circulación ininterrumpida y poca caída de
presión. Las válvulas de compuerta no se recomiendan para servicios de
estrangulación, porque la compuerta y el sello tienden a sufrir erosión rápida
cuando restringen la circulación y producen turbulencia con la compuerta
parcialmente abierta.
Cuando la válvula está abierta del todo, se eleva por completo la
compuerta fuera del conducto del flujo, por lo cual el fluido pasa en línea recta
por el conducto que suele tener el mismo diámetro que la tubería.
Las características principales del servicio de las válvulas de compuerta
incluyen: cierre completo sin estrangulación, operación poco frecuente ymínima
resistencia a la circulación.
Válvulas de compuerta con bridas.
Válvulas de globo
Se usan para cortar o regular el flujo del líquido y este último es su uso
principal.

Las principales características de los servicios de estas válvulas es que
incluyen operación frecuente, estrangulamiento al grado deseado de cualquier
flujo, para gases y aire, y alta resistencia y caída tolerable de presión en la
línea.
Válvulas de mariposa
Son uno de los tipos más usuales y antiguos que se conocen. Son sencillas,
ligeras y de bajo costo. El costo de mantenimiento también es bajo porque
tienen un mínimo de piezas móviles. El uso principal de las válvulas de
mariposa es para servicio de corte y de estrangulación cuando se manejan
grandes volúmenes de gases y líquidos a presiones relativamente bajas.
Válvulas de mariposa, muy usadas en tuberías de baja presión.
Válvulas de macho
El uso principal de estas, es en servicio de cote y estrangulación. Dado que
el flujo es suave e ininterrumpido, hay poca turbulencia dentro de ella y por
tanto, la caída de presión es baja. Las ventajas principales de las válvulas de
macho son acción rápida, operación sencilla, espacio mínimo para la
instalación y cierre hermético cuando tienen macho cónico.

Válvulas de bola
Son básicamente válvulas de macho modificadas. No son satisfactorias
para estrangulación, son de rápida operación de fácil mantenimiento, no
requieren lubricación, producen cierre hermético con baja torsión y su caída de
presión es función del tamaño del orificio.
Válvulas de bola de dos piezas
Válvula de aguja
Son básicamente válvulas de globo que tienen machos cónicos similares a
agujas que ajustan con precisión en sus asientos. Por lo general, se utilizan
para instrumentos o sistemas hidráulicos, aunque no para altas temperaturas.
Los materiales de construcción suelen ser bronce, acero inoxidable, latón y
otras aleaciones.
Válvula en Y
Las válvulas en Y, que son una modificación de las de globo, tienen el
conducto rectilíneo de una válvula de compuerta. El orificio para el asiento está
inclinado un ángulo de 45° con el sentido de flujo. Por tanto, se obtienen una
trayectoria más lisa, similar a la de válvula de compuerta y hay menor caída de
presión que en la válvula de globo convencional; además, tiene buena
capacidad para estrangulación.

Válvula de retención (check)
Las válvulas de retención son integrales y se destinan a impedir la inversión
del flujo en una tubería. La presión del fluido circulante abre la válvula; el peso
del mecanismo de retención y cualquier inversión en el flujo la cierran. Los
discos y componentes móviles pueden estar en movimiento constante sí la
fuerza de la velocidad no es suficiente para mantenerlas en su posición estable
de apertura total.
Hay diferentes tipos de válvulas de retención, como la de bisagra (columpio)
y de retención horizontal, como la vista a continuación, y su selección depende
de la temperatura, caída de presión que producen y la limpieza del fluido.
Válvula de retención (check) horizontal.
El Obturador
El obturador determina la característica de caudal de la válvula, es decir, la
relación que existe entre la posición del obturador y el caudal de paso del
fluido.
La característica de un fluido incompresible fluyendo en condiciones de presión
diferencial constante a través de la válvula se denominacaracterística de caudal
inherente y se representa usualmente considerando como abscisas la carrera
del obturador de la válvula y como ordenadas el porcentaje del caudal máximo
bajo una presión diferencial constante.

Tipos de Obturadores
Tipos de Obturadores:
Obturador con característica de apertura lineal En el obturador con
característica de apertura lineal, el caudal es directamente proporcional a la
carrera según la siguiente ecuación:
q = caudal a pérdida de carga constante
K = constante
l = carrera de la válvula

A los efectos de avanzar en el porqué de estos tipos de válvulas,
introduciremos un primer concepto: el de rangeabilidad (rangeability), la cual
definimos como:
La “Rangeability” o campo de control de caudales que la válvula es capaz de
regular manteniendo la curva característica inherente es en la válvula lineal de
15 a 1 o de 30 a 1. Si bien teóricamente podría ser infinita, las dificultades de
fabricación las limitan a ese valor.
Se utilizan válvulas lineales con obturadores lineales para:
Procesos lentos.
Cuando más del 40 % de la caída de presión del sistema cae en la válvula.
Obturador con característica Isoporcentual:
En el obturador con característica isoporcentual cada incremento de carrera del
obturador produce un cambio en el caudal que es proporcional al caudal que
fluía antes de la variación. La ecuación correspondiente es:
En la que:
q = caudal a pérdida de carga constante
l = carrera
a = constante
De aquí:
E integrando:

En la que:
a y b son constantes
e = base de los logaritmos neperianos
Se utilizan válvulas con obturadores Isoporcentuales para:
• Procesos rápidos.
• Cuando la dinámica del sistema no se conoce muy bien.
• Cuando se requiere alta rangeabilidad.
Simbología para Válvulas
-
DE DOBLE COMPUERTA
-
DE ESFERA
-
DE MARIPOSA
-
DE SEGURIDAD POR EXCESO DE FLUJO
-
DE SEGURIDAD POR FALTA DE PRESION
-
DE SEGURIDAD POR MAXIMA PRESION Y ESCAPE A LA ATMOSFERA
DE RETENCION
-
DE SEGURIDAD POR MAXIMA PRESION

-
DE SEGURIDAD POR MINIMA PRESION
Cuadro sobre Tipos de válvulas y sus características:
VALVULAS
MATERIAL
DE DOBLE COMPUERTA
HIERRO GRIS (ASTM A-126
CLASE B); BRONCE
PRESION
PRESION DE
TRABAJO 200
psi
DIAMETROS: 2" ( 50 mm) HASTA
LOS 24" (600 mm)
DE GLOBO
BRONCE, PVC Y LATON
DIAMETROS:
BRONCE Y LATON DESDE
13 mm (1/2") HASTA LOS 102
mm (4")
PVC DESDE
LOS 13 mm (1/2") HASTA LOS 32
mm (1 1/4")
BRONCE
DE MARIPOSA
DE RETENCION
DIAMETROS:
DE 2" A 12"
BRONCE
DIAMETROS
DESDE LOS 2" HASTA LOS 16"
APLICACIÓN
se requiera
circulación
ininterrumpida y
poca caída de
presión
Estrangulamiento
al grado deseado
de cualquier
flujo, para gases
y aire, y alta
resistencia
PRESION DE
TRABAJO200
psi
Servicio
de
corte
y de
estrangulación
para
grandes
volúmenes
de
gases y líquidos
a
presiones
relativamente
bajas.
PRESION DE
se utilizan para
TRABAJO 5000
impedir la
psi
inversión total del
flujo en una
tubería

CAPITULO II. Introducción a los Sistemas de
Control.

Control automático de los procesos industriales en el avance de la
ingeniería y otras áreas de las ciencias.
Reseña Histórica:

James Watt. Regulador Centrífugo para el control de la velocidad
de una máquina de vapor. Siglo XIX.

Minorsky, Nyquist y Hazen. Enfocaron sus trabajos en la
determinación de la estabilidad en sistemas, partiendo de la aplicación
de ecuaciones diferenciales. Introducción del término “servomecanismo”
para los sistemas de control de posición.
 1940. Década enmarcada en los diseños de sistemas de control
retroalimentado lineal. Teoría Clásica de Controles. (métodos de
respuestas de frecuencia y del lugar de las raíces).

1960. Década de inicio de la Teoría de Control Moderna. Con el
objeto de afrontar la complejidad creciente de las plantas modernas. La
Disponibilidad de computadoras electrónicas, analógicas, digitales e
hibridas empleadas en los sistemas de control.

Desarrollo de la teoría de control moderna enfocada en los
diferentes campos de la ciencias, contribuyendo en su desarrollo y
avance científico.
 Planta: Constituye un equipo, un juego de piezas de un máquina
funcionando juntas cuyo objeto es realizar una operación determinada.
En general es cualquier objeto físico que ha de ser controlado.
(como por ejemplo un reactor químico, un pozo de petróleo, un
separador, una estación de flujo, una refinería).
 Procesos: se define como la operación o desarrollo natural, artificial o
voluntaria, progresivamente continua caracterizada por una serie de
cambios graduales, acciones controladas o movimientos dirigidos
sistemáticamente de modo tal que tienden a determinado resultado o
final. En general denominamos proceso a cualquier operación que

se vaya a controlar. Tenemos procesos físicos, químicos, biológicos,
económicos, así como puede ser continuo o intermitente.
Ejemplos de Procesos:
 Proceso de extracción de hidrocarburos.
 Proceso de transporte y distribución de hidrocarburos.
 Proceso de refinación y petroquímica.
 Proceso de comercialización.
Sistemas: Un sistema es una combinación de componentes que actúan
conjuntamente y cumplen determinado objetivo. Un sistema no está
limitado a los objetivos físicos.
El concepto de sistema puedes ser aplicado a fenómenos
abstractos y dinámicos, como los de la economía. Hablamos de sistemas
físicos, biológicos, económicos, entre otros.
Elementos acoplados de manera estable que logran la realización
de un fin.
Conjunto de objetos, así como las relaciones entre éstos y sus
atributos, donde ninguno de los elementos puede ser transformado sin

provocar una modificación de los demás. Además de que el objetivo del
sistema es lograr su propia estabilidad para así llegar a sus objetivos.

OBJETOS: componentes o partes del sistema.

ATRIBUTO: propiedades de los objetos.

RELACIONES: lo que mantiene unido al sistema.
Una planta de ciclo combinado está compuesta de una turbina de gas
generadora, una caldera de recuperación de calor y una turbina a vapor
generadora, formando un sistema que permite producir electricidad.
Una planta de ciclo combinado de gas natural genera energía
eléctricados veces, por un lado, por la combustión del gas natural en una
turbina de gas, y por otro lado, en una turbina de vapor por el vapor de
agua creado utilizando los gases de escape de dicha combustión.
La doble generación eléctrica convierte a las plantas de ciclo combinado
de gas en instalaciones de generación eléctrica más eficientes,
alcanzando un rendimiento del 57%, es decir, muy por encima de las
convencionales de carbón y fuel.

Perturbaciones: Una perturbación es una señal que tiende a afectar
adversamente el valor de la salida de un sistema.

Perturbación interna: aquella que se genera dentro del sistema.

Perturbación externa: aquella que se genera fuera del sistema y
constituye una entrada.
Control:Acción o conjunto de acciones que buscan conformar la magnitud
variable, o conjunto de magnitudes variables, en un patrón determinado.

Regulación manual o automática sobre un sistema.
Esquema de General de Control
DECISIÓN
ACCIÓN
MEDICIÓN
 Con base a la medición, el controlador decide qué hacer para mantener
la variable en el valor que se desea.
 La medición de la variable que se controla se hace generalmente
mediante la combinación de sensor y transmisor
 Como resultado de la decisión del controlador se debe efectuar una
acción en el sistema, generalmente ésta es realizada por elemento final
de control.
Control de Realimentación: Es una operación que presencia perturbaciones,
aunque tiende a reducir la diferencia entre la salida y la entrada de referencia
de un sistema (o un estado deseado, arbitrariamente variado) y que lo hace
sobre la base de esta diferencia.
Las perturbaciones no previsibles (las desconocidas).
Sistema de Control Realimentado: es aquel que tiende a
mantener una relación preestablecida entre la salida y la entrada de referencia,
comparando ambas y utilizando la diferencia como parámetro de control.
Servomecanismos: Un sistema de control realimentado en el
cual la salida es una posición velocidad o aceleración mecánica. Ejemplo: El
cuerpo humano es un sistema de control realimentado extremadamente
complejo.

Sistema de regulación automática: Es un sistema de control realimentado en
el que la entrada de referencia o la salida deseada son o bien constantes o
varían lentamente en el tiempo y donde la tarea fundamental consiste en
mantener la salida en le valor deseado a pesar de las perturbaciones
presentes.La realimentación es un mecanismo, un proceso cuya señal se
mueve dentro de un sistema, y vuelve al principio de éste sistema como un
bucle. Este bucle se llama "bucle de realimentación".

En un sistema de control, éste tiene entradas y salidas del
sistema.

La realimentación tiene que ser bidireccional de modo que la
mejora continua sea posible, en el escalafón jerárquico, de arriba para
abajo y de abajo para arriba.
Nota importante:La realimentación y la autorregulación están íntimamente
relacionadas.
Tipos de Realimentación:
Realimentación negativa: la cual tiende a reducir la señal de salida o a
reducir la actividad. Es la más común, ayuda a mantener estabilidad en un
sistema a pesar de los cambios externos. Se relaciona con la homeostasis.
Realimentación positiva: La cual tiende a aumentar la señal de salida,
o actividad, lo que amplifica, es la condición necesaria para incrementar los
cambios. Este mecanismo de realimentación presenta una variación en la
salida produce un efecto dentro del sistema, que refuerza esa tasa de cambio.
Por lo general, esto hace que el sistema no llegue a un punto de equilibrio sino
más bien a uno de saturación. Es un estimulo constante.
Realimentación bipolar: La cual puede aumentar o disminuir la señal o
actividad de salida. Positivo y negativo.Ejemplos:Un automóvil conducido por
una persona, un sistema de calefacción, están realimentado negativamente.En
un sistema electrónico. Los dispositivos semiconductores conducen mejor la
corriente
cuanto
positivamente.
mayor
sea
su
temperatura.
Está
retroalimentado

Sistema de Control de Proceso: La regulación o manipulación de variables
que influyen en el comportamiento de un proceso de una forma determina
como obtenemos un producto con una calidad y una cantidad deseadas de
manera eficiente.Un sistema de regulación automática en el que la salida es
una variable como temperatura, presión, flujo, nivel de líquido, se llama
“sistema de control de proceso”
Sistema de Control de Proceso

Entendemos como un sistema de control a la combinación de
componentes que actúan juntos para realizar el control de un proceso.

Este control se puede hacer de forma continua, es decir en todo
momento o de forma discreta, es decir cada cierto tiempo.

Cuando el sistema es continuo, el control se realiza con
elementos continuos.

Cuando el sistema es discreto, el control se realiza con elementos
digitales como el ordenador, por lo que hay que digitalizar los valores
antes de su procesamiento y volver a convertirlos tras el procesamiento.

En cualquier caso existen dos tipos de sistemas, en lazo abierto y
en lazo cerrado.
Sistema de Control de Lazo Cerrado:

Un sistema de control de lazo cerrado es aquel en el que la señal de
salida tiene efecto directo sobre la acción de control.
Características de Control de lazo cerrado.
 Son sistema de control realimentado.
 La señal de error actuante entra al detector o control de manera de
reducir el error y llevar la salida del sistema al valor deseado. (el término
lazo cerrado implica el uso de acción de realimentación para reducir el
error del sistema.
 La señal de salida influye sobre la señal de entrada.
Ejemplos:
1. Llenado de agua de un inodoro.
2. Sistema térmico (mantenimiento de temperatura).
3. Sistemas de refrigeración, calentadores de agua automáticos, sistemas
de calefacción con control termostático.
Sistema de Control de Lazo Abierto:

Son sistemas de control en los que la salida no tiene efecto sobre la
acción de control, es decir la salida ni se mide ni se realimenta para comparar
la entrada.
Es aquella en los que la decisión y la acción, se realiza con la
intervención del elemento humano.
Características de Sistemas de Control de Lazo Abierto.
 En los sistemas de control de lazo abierto no se compara la salida con la
entrada de referencia. Por lo que para cada entrada de referencia
corresponde una condición de operación fijada.
 La exactitud del sistema depende de la calibración y esta debe
mantenerse
 En presencia de perturbaciones un sistema de control de lazo abierto no
cumple su función asignada.
 En la práctica, sólo se puede emplear el control de lazo abierto si la
relación entre la entrada y la salida es conocida y si no hay
perturbaciones ni internas ni externas.
 Estos sistemas claramente no son sistemas de control realimentado.
 Cualquier sistema de control que funciona sobre una base de tiempos
es de lazo abiertos.

Requerimientos Generales de un Sistema de Control.
1. Cualquier sistema de control debe ser estable.(estabilidad absoluta y
relativa razonable)
2. Un sistema de control debe también poder reducir a cero, o a un valor
tolerablemente pequeño, los errores. (exactitud)
Problemas Básicos en Proyectos de Sistemas de Control.
1. Perturbaciones de origen interno o externos que pueden ser causales o
previsibles.
2. Determinar la Ley de Control Óptimo. (Índice de funcionamiento- señal
de control óptima).
3. Análisis: Conocimiento del modelo matemático.
4. Proyecto: Cumplimiento de los requerimientos.
5. Síntesis: procedimiento totalmente matemático desde el principio al final
del proceso diseñado. Síntesis para rede lineales y sistemas óptimos
lineales
Enfoque Básico del Proyecto de Sistema de Control.
1. Procedimientos de tanteos.
2. Las especificaciones han de ser interpretadas en términos matemáticos.
3. Diseño y simulación del sistema de control (diseño del modelo matemático).
4. Prototipo 1
5. Rediseño del sistema de control
6. Prototipo Completamente Satisfactorio
Los Cuatros Componentes básicos de todo sistema de control son
los siguientes:
Sensor, que también se conoce como elemento primario.

Transmisor, el cual se conoce como elementos secundario.
Controlador, que es el “cerebro” del sistema de control.
Elemento Final de Control, frecuentemente se trata de una válvula de
control aunque no siempre. Otros elementos finales de control comúnmente
utilizados son las bombas de velocidad variable, los transportadores, y los
motores eléctricos.
Esquemáticamente podemos representar un lazo de control de la siguiente
manera:
Elementos Primarios en su definición:
 Es el dispositivo que está en contacto con el proceso y traduce e
interpreta los cambios producidos por la variable y los comunica
mecánicamente al sistema.
 El elemento primario de medición, detector o sensor es un
instrumento, que puede formar parte de un lazo de control, que
primero detecta o sensa el valor de la variable de proceso y que
asume
un
estado
o
salida
legible,
correspondiente
y
predeterminado. En algunos casos el sensor y el transmisor
vienen en un solo instrumento.

Sensor: dispositivo capaz de convertir una magnitud física (presión,
temperatura, flujo, nivel) en una señal eléctrica. La señal eléctrica se
debe acondicionar (amplificar, eliminar ruido, linealizar) para adaptarla a
las necesidades del equipo que debe leer la señal (autómata).
Esquema básico:
Elementos secundarios son representados por:
Transmisores: consisten en instrumentos que interpretan fenómenos
físicos, los cuales traducen en señales estándar de ingeniería.
Instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a
distancia a un instrumento receptor, indicador, registrador, controlador o una
combinación de estos.
Por lo tanto, es preciso señalar que según los elementos de control en un
proceso, esquematiza lo siguiente:

Existe una gran variedad y Tipos de transmisores que son: Los Neumáticos, los
electrónicos, los digitales, los hidráulicos y los telemétricos.
Transmisores Neumáticos
Un transmisor neumático es un dispositivo mecánico que convierte un
desplazamiento mecánico en variaciones proporcionales de presión. Se utiliza
para convertir una medida de cierta magnitud en una señal neumática
representativa de esta medida y transmitirla a una cierta distancia a un
elemento receptor, indicador, registrador, controlador o una combinación de
estos.Por ejemplo los transmisores neumáticos trabajan así:
Emiten una señal de salida: 3-15psi.
Recibe una señal de
entrada: 3-20psi.
Otros emplean señales con menor
frecuencia de uso: 6-30psi ó 3-27psi.
Transmisores Electrónicos.

Es un instrumento que mide y transmite las variables de presión
manométrica, absoluta y diferencial, convirtiéndolas en unidades de corriente o
voltaje y puede ser lineal o cuadrática, las cuales son traducidas por los
sistemas de indicación y control (PLC, Scada, RTU, entre otros). Los
transmisores electrónicos trabajarían con rango de 4-20 mA en c.c (corriente
continua), recibiendo un voltaje de 50- 105 V c.c.
Transmisores Digitales:
Un nuevo tipo de transmisores, basado en microprocesadores, ofrece
una mayor capacidad y confiabilidad que sus antecesores neumáticos y
electrónicos análogos.
Los transmisores digitales emiten una señal digital
discreta, la cual emplea el sistema binario.Los cambios de señal se realizan
mediante un transductor por ejemplo una señal eléctrica mA (miliamperios) a
neumática (psi) transductor (I/P) que transforma la señal de corriente ( I ) en
neumática (P).
Tabla comparativa de transmisores:
Transmisor
Señal
Precisión
Ventajas
Desventajas

-Aire limpio
-No guardan
información
(3-15) psi
Neumático
-Rapidez
+ 0,5%
(0,2-1) bar
-Distancias limitadas
-Sencillo
-Mantenimiento
costoso
-Sensible a vibraciones
Electrónico
(4-20)
Convencional
mAc.c
-Sensible a vibraciones
+0,5%
-Rapidez
-Desviaciones térmicas
-Mayor precisión
intercambiable.
-Estable, Fiable.
Electrónico
(4-20)
Inteligente
mAc.c
+0,2%
-Campo de medida
más amplio.
Lento (para variables
rápidas puede
presentar problemas)
-Bajo costo de
mantenimiento.
-Mayor precisión
-Lento (para variables
rápidas puede
Electrónico
Inteligente
(señal digital)
-Más estabilidad.
Digital
+ 0,1%
-Fiable
Autodiagnóstico
-Comunicación
presentar problemas)
-Falta normalización de
las comunicaciones.