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Beedy Academy · Calculadoras

Calculadoras de instrumentación y control PID

Señales 4–20 mA, caudal y nivel por presión diferencial, sondas Pt100, válvulas de control y sintonía PID: 18 cálculos con fórmula y ejercicios.

Señales y medición

Señal 4–20 mA → valor de ingeniería

Fórmula% = (I − 4) ÷ 16 × 100  ·  PV = LRV + % ÷ 100 × (URV − LRV)
mA
Porcentaje del rango—%
Valor del proceso (PV)—

PV está en las mismas unidades que LRV y URV. Por debajo de 3,8 mA o por encima de 20,5 mA la señal sale del rango; por debajo de 3,6 mA o por encima de 21 mA es señal de falla (NAMUR NE 43).

Valor de ingeniería → señal 4–20 mA

Fórmula% = (PV − LRV) ÷ (URV − LRV) × 100  ·  I = 4 + 16 × % ÷ 100
Porcentaje del rango—%
Señal esperada (I)—mA

Útil para verificar un transmisor o simular un valor con el calibrador: inyectar esta corriente y comparar con la pantalla del sistema de control.

Caudal por presión diferencial (raíz cuadrada)

FórmulaQ = Qmax × √(ΔP ÷ ΔPmax)  ·  I = 4 + 16 × ΔP ÷ ΔPmax
kPa
m³/h
kPa
Caudal (Q)—m³/h
Caudal en % del rango—%
Señal sin extracción (lineal en ΔP)—mA
Señal con extracción de raíz—mA

Extraer la raíz una sola vez: en el transmisor o en el sistema de control, nunca en ambos. Por debajo del 5 al 10 % de caudal la medida es inestable; se usa un corte de bajo caudal.

Nivel por presión diferencial

Fórmulah = (ΔP − ΔP₀) ÷ (ρ × g)  ·  URV = ΔP₀ + ρ × g × hmax
kPa
kg/m³
kPa
m
Nivel sobre la toma inferior (h)—m
Porcentaje del rango—%
URV a ajustar en el transmisor—kPa

ΔP₀ positivo: supresión de cero (transmisor debajo de la toma inferior); negativo: elevación de cero (rama húmeda en el lado de baja). El rango va de ΔP₀ (LRV) al URV calculado. g = 9,80665 m/s².

Sonda Pt100 / Pt1000: resistencia ↔ temperatura

FórmulaR = R₀ × (1 + A × T + B × T²)  ·  A = 3,9083×10⁻³  ·  B = −5,775×10⁻⁷  (IEC 60751, T ≥ 0 °C)
°C
Ω
Resistencia a la temperatura T—Ω
Temperatura para la resistencia R—°C

Coeficientes de la norma IEC 60751 (α = 0,00385), válidos de 0 a 850 °C. Por debajo de 0 °C se añade un término C: usar la tabla de la norma. Medir a 3 o 4 hilos para anular los cables.

Exactitud del instrumento: % del rango o % de la lectura

Fórmulaes = as ÷ 100 × (URV − LRV)  ·  er = ar ÷ 100 × PV
%
%
Error posible, espec. en % del rango (±)—
Mismo error en % de la lectura (±)—%
Error posible, espec. en % de la lectura (±)—

Una exactitud en % del rango pesa mucho en la parte baja: al 10 % del rango, ±0,25 % del rango se vuelve ±2,5 % de la lectura. Elegir un rango cercano al de operación.

Caudal y válvulas de control

Coeficiente de válvula Cv / Kv (líquido)

FórmulaKv = Q × √(SG ÷ ΔP)  ·  Cv = Kv ÷ 0,865
m³/h
bar
Kv requerido—m³/h
Cv requerido—
Caudal (Q)—US gpm

IEC 60534-2-1: líquido en flujo turbulento, sin vaporización ni cavitación, sin reductores (Fp = 1). Elegir una válvula que trabaje entre 20 y 80 % de apertura.

Conversión Kv ↔ Cv

FórmulaCv = Kv ÷ 0,865  ·  Kv = 0,865 × Cv
m³/h
Cv equivalente al Kv—
Kv equivalente al Cv—m³/h

Kv: caudal de agua en m³/h con 1 bar de ΔP. Cv: caudal de agua en galones US por minuto con 1 psi de ΔP. Las hojas de datos norteamericanas dan sobre todo el Cv.

Caudal de una válvula con una nueva ΔP

FórmulaQ = 0,865 × Cv × √(ΔP ÷ SG)  ·  Q₂ ÷ Q₁ = √(ΔP₂ ÷ ΔP₁)
bar
bar
Caudal con ΔP₁ (Q₁)—m³/h
Caudal con ΔP₂ (Q₂)—m³/h
Q₂ en % de Q₁—%

Misma apertura de válvula. En servicio la ΔP de la válvula baja cuando sube el caudal (curva de la bomba, pérdidas de la línea): por eso la característica instalada difiere de la inherente.

Placa de orificio: caudal con una nueva ΔP

FórmulaQ₂ = Q₁ × √(ΔP₂ ÷ ΔP₁) × √(ρ₁ ÷ ρ₂)
m³/h
kPa
kPa
kg/m³
kg/m³
Nuevo caudal (Q₂)—m³/h
Variación del caudal—%

Misma placa, mismo coeficiente de descarga (número de Reynolds suficientemente alto). Caudal volumétrico. Si la densidad real difiere de la de cálculo, el caudal mostrado se desvía en √(ρ₁/ρ₂).

Sintonía PID

Ziegler–Nichols en lazo cerrado (Ku, Pu)

FórmulaP: Kc = 0,5 Ku  ·  PI: Kc = 0,45 Ku, Ti = Pu ÷ 1,2  ·  PID: Kc = 0,6 Ku, Ti = Pu ÷ 2, Td = Pu ÷ 8
min
Ganancia del controlador (Kc) — solo P—
Ganancia del controlador (Kc) — PI—
Tiempo integral (Ti) — PI—min
Ganancia del controlador (Kc) — PID—
Tiempo integral (Ti) — PID—min
Tiempo derivativo (Td) — PID—min

Ku: ganancia que produce una oscilación sostenida en solo P; Pu: período de esa oscilación. Sintonía agresiva (decaimiento ~1/4): partir de aquí y bajar Kc si el lazo oscila. Kc como ganancia, no como banda proporcional.

Ziegler–Nichols en lazo abierto (curva de reacción)

FórmulaPI: Kc = 0,9 τ ÷ (Kp θ), Ti = θ ÷ 0,3  ·  PID: Kc = 1,2 τ ÷ (Kp θ), Ti = 2 θ, Td = 0,5 θ
%/%
min
min
Ganancia del controlador (Kc) — PI—
Tiempo integral (Ti) — PI—min
Ganancia del controlador (Kc) — PID—
Tiempo integral (Ti) — PID—min
Tiempo derivativo (Td) — PID—min

En manual, dar un escalón a la salida (5 a 10 %); leer Kp = ΔPV % ÷ ΔOP %, el tiempo muerto θ y la constante de tiempo τ (63 % de la respuesta). Válido para 0,1 ≤ θ/τ ≤ 1 aprox.

Cohen–Coon (PI y PID)

Fórmular = θ ÷ τ  ·  PI: Kc = τ ÷ (Kp θ) × (0,9 + r ÷ 12), Ti = θ (30 + 3r) ÷ (9 + 20r)  ·  PID: Kc = τ ÷ (Kp θ) × (4/3 + r ÷ 4), Ti = θ (32 + 6r) ÷ (13 + 8r), Td = 4θ ÷ (11 + 2r)
%/%
min
min
Ganancia del controlador (Kc) — PI—
Tiempo integral (Ti) — PI—min
Ganancia del controlador (Kc) — PID—
Tiempo integral (Ti) — PID—min
Tiempo derivativo (Td) — PID—min

Misma prueba que la curva de reacción. Cohen–Coon trata mejor un tiempo muerto grande, pero sigue siendo agresivo: en un lazo real a menudo se reduce Kc entre 25 y 50 %.

Sintonía lambda (IMC), proceso autorregulado

FórmulaKc = τ ÷ (Kp × (λ + θ))  ·  Ti = τ
%/%
min
min
min
Ganancia del controlador (Kc)—
Tiempo integral (Ti)—min
Banda proporcional (BP)—%

Controlador PI de forma estándar (ISA). λ de 1 a 3 × τ da un lazo suave y robusto (mantener λ ≥ θ). Cuanto mayor λ, más lento el lazo y más tolerante a errores del modelo.

Parámetros del lazo

Ganancia ↔ banda proporcional

FórmulaBP = 100 ÷ Kc  ·  Kc = 100 ÷ BP
%
Banda proporcional equivalente a la ganancia—%
Ganancia equivalente a la banda—

BP = rango de error, en % del rango, que mueve la salida un 100 %. Ganancia alta = BP estrecha. Verificar qué término usa el sistema de control antes de introducir un ajuste.

Acción integral: min/repetición ↔ repeticiones/min

Fórmularepeticiones/min = 1 ÷ Ti  ·  Ti (s) = 60 × Ti  ·  Ki = Kc ÷ Ti
min/repetición
Acción integral—repeticiones/min
Tiempo integral en segundos—s
Ganancia integral (Ki)—min⁻¹

Algunos controladores ajustan la integral en min/repetición (Ti): un valor mayor la hace más lenta. Otros en repeticiones/min (1/Ti): un valor mayor la acelera. Nunca copiar la cifra sin convertir.

Error permanente con solo acción P

Fórmulaess = ΔSP ÷ (1 + Kc × Kp)
%
%/%
Error permanente (ess)—%
Parte del cambio realmente alcanzada—%

Proceso autorregulado, ΔSP en % del rango. Subir Kc reduce el error pero acerca el lazo a la inestabilidad; la acción integral lo elimina. Una perturbación de carga también deja un error con solo P.

Filtro de primer orden: respuesta tras t

Fórmulay = y₀ + (y₁ − y₀) × (1 − e−t/τ)  ·  t₉₈ = τ × ln 50
s
s
Parte del escalón alcanzada—%
Valor filtrado en t—
Tiempo para llegar al 98 %—s

Un filtro suaviza el ruido pero añade retardo al lazo: mantener τ del filtro muy por debajo de la constante de tiempo del proceso (a menudo menos de 1/10). Misma respuesta para una sonda en vaina.

Herramientas de aprendizaje y verificación. Los rangos indicados son referencias generales: siga siempre los procedimientos, permisos y consignas de su planta. No se envía nada: los cálculos se hacen en su navegador.