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INSTRUMENTACIÓN BÁSICA DE PROCESOS INDUSTRIALES
PONENTE:M. EN C. ARMANDO MORALES SÁNCHEZ
16 AL 18 DE MAYO DEL 2007
2#
S Í N T E S I S C U R R I C U L A R M. EN C. ARMANDO MORALES SÁNCHEZ
El M. en C. Armando Morales Sánchez cursó su licenciatura en Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica (1980) en la ESIME del IPN y su Maestría en Ciencias en Ingeniería de Cómputo con Especialidad en Sistemas Digitales en el Centro de Investigación en Computación del IPN.
En su ingreso al Instituto Mexicano del Petróleo (IMP) en 1981, curso la Especialización de Ingeniería de Proyecto en Instrumentación y Control.Hasta 1987 permanece en el departamento de ingeniería de control, participando en la ingeniería básica y de detalle de instrumentación de 4 plantas industriales. A partir de 1988 y a la fecha, participa como Responsable de la Automatización de las Plantas Piloto del IMP, donde se han instrumentado e instalado sistemas de control digital (SCADA, PLC y SCD) en más de 18 plantas piloto. Ha impartido cursos sobre instrumentación y control a PEMEX y a compañías de iniciativa privada. De 1985 a 1988 fue miembro del comité educativo de la ISA México y durante 19 años fue profesor del IPN en el área de Electrónica. Ha dirigido 10 tesis de licenciatura, 2 tesis de maestría y ha publicado 3 artículos internacionales y 8 artículos nacionales.
3#
Entre las distinciones que ha recibido destacan, el reconocimiento al desempeño en el IMP (1990), excelencia como expositor (1991), y en sus estudios de maestría, mención honorífica, reconocimiento como el alumno más sobresaliente y candidato a la presea Lázaro Cárdenas (2000). En el 2001 obtuvo el segundo lugar en el concurso IMP a la mejor tesis de maestría sobre la industria petrolera. En el 2004 curso un Diplomado enMetrología y otro en Aplicaciones de Sistemas de Control. Actualmente se encuentra finalizando sus estudios del Doctorado en Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Control, en la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME, IPN, desarrollando un método de sintonización para un control de matriz dinámica.
4#
Alcance: Al término del curso el participante conocerá los conceptos básicos de la instrumentación, variables mas importantes, principales características y aplicaciones.
Perfil: Conocimientos básicos de electricidad.
Dirigido a: Ingenieros o técnicos involucrados en servicios, proyectos y mantenimiento dentro de las áreas de Instrumentación y Control.
5#
TEMARIO
1. Introducción.- La Instrumentación como factor de aumento de calidad y eficiencia en la producción.
- Seguridad.- Exactitud y precisión.- Errores de medición.- Calibración.- Hojas de especificación de instrumentos.
2. Simbología ISA- Diagramas de tubería e instrumentación.- Nomenclatura. - Terminología.- Diagramas funcionales de instrumentación.- Índice de instrumentos.
6#
3. Medición de temperatura.- Generalidades.- Unidades.-Termómetros clínicos industriales, sistemas llenos, termopares, elementos de resistencia, termistores, termopozos.
- Instalación. - Patrones y tablas.- Aplicaciones.
4. Medición de presión- Generalidades.- Unidades.- Tipos de sensores.- Tipos de medidores.- Normas.- Instalación.- Aplicaciones.
7#
5. Medición de nivel.- Tanques atmosféricos.- Recipientes a presión.- Tipos de sensores.- Aplicaciones.
6. Medición de flujo.- Importancia de la medición de flujo de fluidos.- Unidades.- Diferentes principios para la medición de flujo.- Aplicaciones.- Instalación.
8#
7. Mediciones analíticas- Cromatografía de gases - Analizador de infrarrojo- Analizador de oxígeno
8. Equipos auxiliares.- Transmisores.- Indicadores.- Registradores.- Convertidores.- Transductores.- Interruptores.- Buses de campo.- Clasificación de áreas.
9#
9. Elementos finales de control.- Introducción. - Características de control.- Tipos de válvulas de control.- Actuadores.- Posicionadores.- Variadores de velocidad- Servomotores
10. Introducción al control automático.- Introducción.- Jerarquía de control.- Terminología de control automático.- Lazo abierto y lazo cerrado.- Disturbios.- Parámetros de estabilidad.- Modos de control: dos posiciones, proporcional, integral y derivativo. - Sintonización de controladores.- Teoría moderna de control.
10#
11. Introducción a sistemas de control digital para supervisión y control de procesos industriales.- Control unitario SISO- PLC- Sistemas de adquisición de datos- Sistema SCADA- Sistemas de control distribuido.
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INSTRUMENTACIINSTRUMENTACIÓÓN N BBÁÁSICA DE PROCESOS SICA DE PROCESOS INDUSTRIALESINDUSTRIALES
CAPCAPÍÍTULO 1TULO 1
INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓNN
M. en C. Armando Morales Sánchez16, 17 y 18 de mayo del 2007
12#
1. INTRODUCCIÓN
¿Qué es la instrumentación?
¿Porqué es importante?
¿Qué relación guarda con el control de un proceso?
¿Cuáles son las características básicas de un instrumento?
¿En que influye la selección correcta de un instrumento?
13#
Proceso
• Un proceso es una parte de una planta de manufactura, en la cuál, el material o la energía es convertida a otras formas de material o energía. Ejemplos:– Cambio en presión, temperatura, velocidad, potencial eléctrico, etc.
PROCESO
Entrada de aire caliente
Salida de aire frío
14#
Proceso continuo y proceso batch
• Proceso Continuo– El material es introducido y removido del proceso al mismo tiempo y
el proceso una vez iniciado, no para (Reacciones químicas, destilaciones, separaciones, etc).
• Proceso Batch– El material se agrega a un contenedor; algún proceso se lleva a
cabo; el producto es removido y se sigue una secuencia que puedeparar o reiniciarse (Bebidas alcoholicas, productos alimenticios, etc).
15#
Sistema
Conjunto de elementos ordenados que cumplen un objetivo, y uno solo de estos elementos no puede cumplir, por si solo, el trabajo de todo el sistema.
16#
Control
Acción o conjunto de acciones que buscan conformar una magnitud variable, o conjunto de magnitudes variables, en un patrón determinado.
17#
Esquema general de control
Medición
Decisión
Acción
18#
Control de procesos
• La regulación o manipulación de variables que influencian en el
comportamiento de un proceso de una forma determinada para obtener un
producto con una calidad y una cantidad deseadas de una manera eficiente
DISTURBIOS
PROCESO
VARIABLECONTROLADA
VARIABLEMEDIDA
CONTROLADOR
VARIABLESMANIPULADAS
19#
Razones de control
•Seguridad
•Estabilidad
•Optimización
•Protección ambiental
20#
Seguridad
Preservar bajo cualquier condición la integridad del personal y equipo involucrado en la operación de los procesos.
21#
Estabilidad
Asegurar las condiciones de operación de los procesos, para mantener en forma continua la calidad de los productos, dentro de los límites especificados.
22#
Optimización
Asegurar el máximo beneficio económico en la operación de los procesos.
23#
Protección ambiental
Reducir a su mínima expresión el impacto ecológico de los efluentes del proceso, para cumplir con todas las normatividades aplicables.
24#
y
t
Variable Analógica
y
t
Variable Digital
TIPOS DE VARIABLES DE ACUERDO A SU COMPORTAMIENTO EN EL TIEMPO
Tipos de variables
25#
Señal analógica
Dominio del tiempo
VibraciónVozSonar
TemperaturaPresiónFlujoEsfuerzo
DC
ECGPresión de sangreTransientesCromatografía
0.985
t t f
Dominio de la frecuencia
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Señal digital
Señal On-Off Tren de pulsos
Entrada:Lectura de un encoder
Salida:Mueve un motor a pasos
Entrada:Cierre o apertura de uninterruptor
Salida:Abre o cierra una válvula
on
offt
1-
0- t
27#
Metrología
La metrologLa metrologííaa es la ciencia de las medidas, cuyo es la ciencia de las medidas, cuyo estudio comprende los patrones, las magnitudes y estudio comprende los patrones, las magnitudes y los sistemas de unidades.los sistemas de unidades.
La metrologLa metrologíía estudia la fiabilidad de la relacia estudia la fiabilidad de la relacióón n establecida entre cualquier magnitud y su patrestablecida entre cualquier magnitud y su patróón.n.
*La medición es el “proceso por el cual se asignan números o símbolos a atributos de entidades del mundo real de tal forma que los describa de acuerdo con reglas o patrones claramente definidos" [Fentony Pfleeger, 1997].
*Fenton, N.E. y Pfleeger, S.L., Software metrics. A rigurous and practical approach, PWS Pub, 1997
28#
Magnitud o Cantidad
Atributo de un fenAtributo de un fenóómeno, cuerpo o sustancia que meno, cuerpo o sustancia que puede ser distinguido cualitativamente y determinado puede ser distinguido cualitativamente y determinado cuantitativamente. Ejemplos de magnitudes:cuantitativamente. Ejemplos de magnitudes:
BBáásicas: Longitud, masa, tiempo.sicas: Longitud, masa, tiempo.
Derivadas: Velocidad, calor, Derivadas: Velocidad, calor, áárea.rea.
Particulares: ConcentraciParticulares: Concentracióón de etanol, resistencia n de etanol, resistencia elelééctrica de un cable, Calorctrica de un cable, Caloríías que aporta un as que aporta un alimento.alimento.
29#
Unidades de medida
KTTemperatura
stTiempo
mLLongitud
KgMMasa
Unidades SIRepresentación dimensional
Magnitud
Magnitudesfundamentales
Magnitudesderivadas
Kg/m/sML-1t-1Viscosidad
J/Kg (N-m/Kg)FL/M=M2L-2Energía interna u
W (Kg/m/s3)FL/t=ML-1t-3Potencia
J (Kg/m/s2)FLEnergía
Kg/m3ML-3Densidad
Pa(N/m2)FL2=ML-1t-2Presión
m3L3Volumen
m2L2Area
N(Kg.m/s2)ML2t-2Fuerza
m/s2Lt-2Aceleración
m/sLt-1Velocidad
30#
Rango y Span
• Rango.- Región entre los límites en los cuáles una cantidad es medida,
recibida o transmitida, expresada al establecer los valores de rango
mínimos y máximos.
• LRV (Valor de rango mínimo).- El valor mínimo de la variable medida que
un dispositivo esta ajustado para medir.
• URV (valor de rango máximo).- El valor máximo de la variable medida que un dispositivo esta ajustado para medir.
• Span.- Diferencia algebraica entre los valores máximo y mínimo.
31#
Rango de las variables medidas
RANGOS TÍPICOS TIPO DE RANGO RANGO VALOR BAJO DEL
RANGO
VALOR ALTO DE RANGO
SPAN
TERMOPAR K VARIABLE MEDIDA 0 A 2000 oF 0 oF 2000 oF 2000 oF
SEÑAL ELÉCTRICA -0-68 A 44.91 mV -0.68 mV. + 44.91 mV. + 5.556 mV.
MEDIDOR DE FLUJO
VARIABLE MEDIDA 0 A 10,000 LB/HR 0 LB/HR 10,000 LB/HR 10,000 LB/HR
TACOMETRO VARIABLE MEDIDA 0 A 500 RPM 0 RPM 500 RPM 500 RPM
SEÑAL ELÉCTRICA 0 A 5 V. 0 V. 5 V. 5 V.
PRESIÓN DIFERENCIAL
VARIABLE MEDIDA 10 A 100 “H2O 10 “H2O 100 “H2O 90 “H2O
SEÑAL ELÉCTRICA 4 A 20 mA. C.D. 4 mA. C.D. 20 mA. C.D. 16 mA. C.D.
32#
Ejemplo de rango de variables medidas
¿Cual será la señal en mA. que entrega un transmisor de presión que mide 32.3 Kg/cm2 en un rango calibrado de 0-70 Kg/cm2, si el transmisor entrega su señal en un rango de 4-20 mA. C.D.?
33#
Medición
Algunos de los factores que afectan la medición son:
• La exactitud, • La precisión, • La resolución,• La repetibilidad,• La reproducibilidad, • La linealidad,• La histéresis•• El error• La incertidumbre.
34#
Exactitud de la medición
**La exactitud de la medición es la concordancia entre un valor obtenido experimentalmente y el valor de referencia. Es función de la repetibilidad y de la calibración del instrumento.
La precisión es el grado de concordancia entre una serie de determinaciones obtenidas de repetir la medición y se expresa como la desviación estándar relativa o el coeficiente de variación.Es función de la repetibilidad y la reproducibilidad.
La resolución de un instrumento es el mínimo valor confiable que puede ser medido en un instrumento.
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100%
0%
SPAN
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1009080706050403020100
VA
LOR
ES
DE
EN
TRA
DA
VALOR DESEADO
SALIDA MEDIDA
RANGO DE EXACTITUD± 5 % span
Exactitud de la medición
36#
Repetibilidad y Reproducibilidad
La repetibilidad es la precisión de resultados de mediciónexpresado como la concordancia entre determinaciones o mediciones independientes realizada bajo las mismascondiciones (operador, tiempo, aparato, lugar, método, etc).
Reproducibilidad de la medición es la precisión de resultadosde medición expresado como la concordancia entredeterminaciones independientes realizadas bajo diferentescondiciones (operador, tiempo, aparato, lugar, método, etc).
37#
100%
0%
SPAN
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1009080706050403020100
VA
LOR
ES
DE
EN
TRA
DA
VALOR DESEADO
SALIDA MEDIDA
Repetibilidad y Reproducibilidad
EL INSTRUMENTO CON QUE SE REALIZA LA MEDICIÓN ES UN INSTRUMENTO PRECISO, MAS NO EXACTO
38#
Linealidad
SALIDA
LINEAL
FLUJO
CURVA CARACTERÍSTICA
LINEALIDAD (ENTRADA/SALIDA)
Se define como la cercania con la cual una curva se aproxima a una línea recta. La linealidad es usuamente medida como una no linealidad y expresada como linealidad. Hoy en día algunos instrumentos tienen un ajuste de linealidad
LINEALIDAD
39#
Histéresis
SALIDA
LINEAL
FLUJO
Es la medida de la diferencia en respuesta de un dispositivo o sistema al incrementar la señal de entrada de un valor mínimo a un valor máximo y, con respecto a cuando se decrementa de un máximo a un mínimo sobre el mismo rango.
HISTERESIS
40#
Error
Diferencia algebráica entre los valores indicados y los valores verdaderos de la variable medida. Existen diferentes tipos de errores:
• Error de span• Error de cero• Error de linealización
41#
Error de cero
100%
VALOR VERDADERO
0
100%
% DE ENTRADA
% D
E SA
LID
A
ERRORES DE CERO
Un instrumento tiene un error de cero cuando todas las indicaciones del instrumento son consistentemente altos o consistentemente bajos a través del rango completo del instrumento cuando es comparado con la salida deseada.
42#
Error de Span
En el error de span, la desviación del valor ideal varía en diferentes puntos a lo largo del rango del instrumento. Normalmente se incrementa, cuando la señal de entrada se incrementa.
100%
VALOR VERDADERO
0
100%
% D
E SA
LID
A
ERRORES DE SPAN
% DE ENTRADA
43#
Errores de Span y de Cero combinados
100%
VALOR VERDADERO
0
100%%
DE
SALI
DA
COMBINACIÓN DE ERRORES DE SPAN Y CERO
% DE ENTRADA
44#
Error de linealidad
Es cuando el resultado de la salida no presenta una línea recta con respecto al valor de entrada. El error de no linealidad puede ser corregido durante la calibración si el instrumento tiene un ajuste de no linealidad. Generalmente se recomienda tomar 5 puntos.
LINEAL
0
100%
% D
E SA
LID
A
100%% DE ENTRADA
ERRORES CAUSADOS POR LA NO LINEALIDAD
45#
Especificación de características de un instrumento
Un instrumento de medición es un dispositivo empleado para efectuar mediciones por si solo o como integrante de otro equipo o sistema. Las características metrológicas de un instrumento están definidas en función de los factores que afectan su medición, como ejemplo:
Exactitud : ± 0.2% de span calibrado. Aquí se incluye efectos combinados de lo siguiente:
Repetibilidad : ± 0.05% de span calibrado
Linealidad : ± 0.1% de span calibrado
Histéresis : ± 0.05% de span calibrado
46#
•• Ciencias exactas.Ciencias exactas.•• Respuesta a cuestiones planteadas por la ciencia.Respuesta a cuestiones planteadas por la ciencia.•• InvestigaciInvestigacióón cientn cientíífica.fica.•• Manufactura.Manufactura.•• Control de calidad.Control de calidad.•• InspecciInspeccióón y vigilancia.n y vigilancia.•• TTéécnica.cnica.•• Forma parte del ciclo de mejora continua del sistema de Forma parte del ciclo de mejora continua del sistema de
administraciadministracióón de la calidad.n de la calidad.•• Es un pilar que soporta la calidad.Es un pilar que soporta la calidad.
47#
•• Con la finalidad de evaluar su eficiencia.Con la finalidad de evaluar su eficiencia.•• Poder comparar mediciones con patrones de referencia.Poder comparar mediciones con patrones de referencia.•• Poderse comparar con otros laboratorios.Poderse comparar con otros laboratorios.•• Interpretar resultados de la ciencia, la ingenierInterpretar resultados de la ciencia, la ingenieríía, el a, el
comercio, la industria.comercio, la industria.•• Tener un criterio objetivo para adquisiciTener un criterio objetivo para adquisicióón de equipo.n de equipo.•• Seleccionar el equipo adecuado para un proceso de Seleccionar el equipo adecuado para un proceso de
medicimedicióón especn especíífico.fico.•• Comprender reglamentaciones oficiales.Comprender reglamentaciones oficiales.
48#
•• AnteriormenteAnteriormente: : errorerror y any anáálisis de lisis de erroreserrores..•• El error es el resultado de una medida menos el valor El error es el resultado de una medida menos el valor
verdadero del mensurando.verdadero del mensurando.
•• ActualmenteActualmente: : Incertidumbre.Incertidumbre.•• La incertidumbre refleja la imposibilidad de conocer el La incertidumbre refleja la imposibilidad de conocer el
valor del mensurando y corresponde a la duda del valor del mensurando y corresponde a la duda del resultado de la mediciresultado de la medicióón, an, aúún cuando sean eliminados n cuando sean eliminados los errores detectados.los errores detectados.
49#
Incertidumbre de la Medición
Parámetro asociado al resultado de una medición que caracteriza la dispersión de los valores, que podrían razonablemente ser atribuídos al mensurando.
50#
¿Qué nos da a conocer la Incertidumbre?
••Caracteriza la calidad del resultado de una Caracteriza la calidad del resultado de una medicimedicióón.n.
••Refleja la imposibilidad de conocer exactamente el Refleja la imposibilidad de conocer exactamente el valor del mensurando.valor del mensurando.
••Corresponde a la Corresponde a la dudaduda del resultado de medicidel resultado de medicióón.n.
••Corresponde a la duda una vez eliminados o Corresponde a la duda una vez eliminados o corregidos los errores detectados.corregidos los errores detectados.
51#
Fuentes de Incertidumbre
•• Principio de medida.Principio de medida.
•• MMéétodo de medida.todo de medida.
•• Procedimiento de medida.Procedimiento de medida.
•• Correcciones por errores detectados.Correcciones por errores detectados.
•• Correcciones por cantidades de influencia.Correcciones por cantidades de influencia.
•• Valores inexactos de patrones.Valores inexactos de patrones.
•• Muestra no representativa del mensurando.Muestra no representativa del mensurando.
•• Aparatos de mediciAparatos de medicióón.n.
•• MMéétodo de medicitodo de medicióón.n.
•• Variables no controladas (temperatura, humedad, presiVariables no controladas (temperatura, humedad, presióón n atmosfatmosféérica, corrientes de aire, variacirica, corrientes de aire, variacióón de energn de energíía ela elééctrica, ctrica, variacivariacióón de flujo de agua, n de flujo de agua, etcetc).).
52#
Normativa de estimación de Incertidumbre
NMX-EC-17025-IMNC-20005.4.6.2. Los laboratorios de ensayo y calibración deberán tener y aplicar
procedimientos para estimar la incertidumbre de medición, el laboratorio debe al menos intentar identificar todos los componentes de la incertidumbre y hacer una estimación razonable basada en el conocimiento del desempeño del método y del alcance de la medición y deberá hacer uso, por ejemplo, de la experiencia previa y de la validación de los datos.
5.4.6.3. Cuando se esté estimando la incertidumbre de medición deben ser tomados en cuenta, todos los componentes de incertidumbre que sean de importancia para la situación dada; usando métodos apropiados de análisis.
53#
Calibración
La calibración de un instrumento es el conjunto de operaciones queestablece, bajo condiciones especificas, la relación entre valoresindicados por un instrumento de medición o sistema de medición o los valores representados por una medida materializada y los valorescorrespondientes de la magnitud, realizada por los patrones. En forma simple se define como la comparación de las indicaciones de un instrumento contra un patrón, sin efectuar ningún ajuste.
CALIBRACIÓN APROPIADA
MEDICIÓN EXACTA
BUEN CONTROL DEL PROCESO
SEGURIDAD Y COSTOS BAJOS
54#
Diagrama de bloques de la calibración
INSTRUMENTOBAJO PRUEBA
PROCESO O ENTRADA SIMULADA
MEDICIÓN DE ENTRADA PATRÓN
(NORMALIZADA)
MEDICIÓN DE SALIDA
(NORMALIZADA)
FUENTE DE ENERGÍA
55#
Programas de calibración de instrumentos
PROGRAMA ANUAL DE CALIBRACIÓN DE EQUIPOS DE MEDICIÓN2003
CLAVE INVENTARIO
NOMBRE DEL EQUIPO MARCA MODELO NO. SERIE VIDA ÚTIL DEMANDANTE
RANGO DE MEDICIÓN
PRECISIÓN COMPAÑÍA QUE DA EL SERVICIO
PERIODO DE SERVICIO
S/N Transductor de vacío Baratron 622A TAE-5 619741 10 años 0 a 10 Torr +-0.25% E.T.I13 IMP 6 meses*S/N RTD PT100 Fondo Jupiiter JAX1 PT100 9550 10 años -40 a 420oC +-1.0 oC IMP 1 añoS/N RTD PT100 Domo Jupiter JAX PT100 15 10 años -40 a 420oC +-1.0 oC IMP 1 añoS/N RTD PT100 Baño Jupiter JAX2 0H12004 9537 10 años -40 a 420oC +-1.0 oC IMP 1 añoS/N Probeta graduada Pyrex 3062 CB12624 10 años 0-250 ml. +-1.4 ml IMP 1 año
20092 Báscula electrónica Mettler PM30-K L21759 10 años 0-30 Kg. +-1.0 g IMP 1 año134138 Indicador de temperatura Eurotherm 8155 0931-001-007-9 10 años 0-40 oC 0.015 oC IMP 1 año
56#
Patrones de calibración
PATRÓN (de medición)
Medida materializada, instrumento de medición, material de referencia o sistema de medición destinado a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o más valores de una magnitud para utilizarse como referencia.
PATRÓN NACIONAL (de medición)
Patrón reconocido por una decisión nacional en un país, que sirve de base para asignar valores a otros patrones de la magnitud concerniente.
57#
Patrones de calibración
PATRÓN (de medición).- Medida materializada, instrumento de medición, material de referencia o sistema de medición destinado a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o más valores de una magnitud para utilizarse como referencia.
PATRÓN NACIONAL (de medición).- Patrón reconocido por una decisión nacional en un país, que sirve de base para asignar valores a otros patrones de la magnitud concerniente.
PATRÓN SECUNDARIO.- Patrón cuyo valor es establecido por comparación con un patrón primario de la misma magnitud.
PATRÓN DE TRABAJO.- Patrón que es usado rutinariamente para calibrar o controlar las medidas materializadas, instrumentos de medición o los materiales de referencia.
58#
Trazabilidad de la medición
Propiedad del resultado de una medición o del valor de un patrón por la cual pueda ser relacionado a referencias determinadas generalmente patrones nacionales o internacionales por medio de una cadena ininterumpida de comparaciones teniendo todas las incertidumbres determinadas.
Patrón Nacional o Primario
Consumidor, industria, comercio
Definición de laUnidad de Medida
Laboratorio Nacional
Laboratorios de Calibración Acreditados
Instrumento de Medición o equipo calibrado
BIPM
Patrón de Referencia
Patrón de Trabajo
59#
Ejemplo de trazabilidad de la medición
60#
Patrones de trabajo
PATRONES
MANÓMETROS COLUMNAS H2O HGPOTENCIOMÉTRICOS
PUENTE DE WHEATSONEBALANZA DE PESOS MUERTOS
61#
Calibradores neumáticos
62#
Balanza de pesos muertos
63#
Calibrador de flujo
64#
Calibrador de presión
7 8 9
654
1 2 3
0 .+/- ENTER
SETUP
RANGECLEAR(ZERO)
V
MEASSOURCE
mA
TCRTO
VHz
SAVE MORECHOICES
SCALEENG UNITS
AUTO RANGE0 15 30 mA
20.451 mA
11/18/93 07:44:08SOURCE OFF
FLUKE 702
VRTD
MA MA
RTD
MEAS
V
SOURCE30V MAX
300VMAX
MEASURE
~
DOCUMENTING PROCESS CALIBRATOR
65#
Medición Industrial
•Medición Local
•Medición Remota
66#
Medición Local
MEDICIÓNLOCAL
MANÓMETROS MIRILLAS DE NIVEL TERMOMETROSMIRILLAS
DE FLUJO
67#
Medición Remota
MEDICIÓNREMOTA
TRANSMISORESNEUMÁTICOS
TRANSMISORESELÉCTRICOS
TRANSMISORES DIGITALES
68#
Instrumentación
La instrumentación es una especialidad referente a los instrumentos de medición, principalmente a los utilizados industrialmente, y forma parte primordial dentro de un sistema enfocado al control de un proceso industrial, por lo que generalmente un instrumentista es un especialista en instrumentación y control.
Un buen conocimiento de la especialidad redunda en una buena especificación y selección de la instrumentación óptima en un proceso industrial lo cual contribuirá como un factor de aumento de calidad y eficiencia en la producción.
69#
Hojas de datos de instrumentos
Una hoja de datos es una tabla donde se introducen los datos de proceso mínimos necesarios para efectuar la especificación de un instrumento, como pueden ser: temperatura normal y máxima de operación, presión normal y máxima de operación, material de la tubería, tipo de fluído, diámetro de la tubería, etc.
En un proyecto, generalmente estos datos se toman del diagrama de flujo de proceso y del diagrama de tubería e instrumentación, en el que se indican las condiciones de operación de los puntos importantes del proceso y las características de los recipientes y de las líneas de tubería.
70#
Hojas de datos de instrumentos
71#
Hojas de datos de instrumentos
72#
Hoja de especificación de instrumentos
Una hoja de este tipo especifica las características generales y específicas del instrumento para su compra.
Para el llenado de esta hoja, es necesario conocer el tipo de instrumento que se ha seleccionado en base a las condiciones de operación plasmadas en las hojas de datos de instrumentos.
La hoja de especificación es un documento básico dentro de la ingeniería de proyecto, ya que fundamenta la compra y sirve de apoyo para las diferentes actividades subsecuentes de un proyecto, como los típicos de instalación, diagramas de alambrado, suministros de energía, etc.
73#
Hojas de especificación
de instrumentos
(ISA S20)
74#
Hojas de especificación
de instrumentos
(ISA S20)
75#
Hojas de especificación
de instrumentos
(ISA S20)
76#
Evolución de la instrumentación y control
PERÍODO
ANTES DE
1920
1930
A 1940
1940
A 1950
1950
A 1960
1960
A 1970
1970
A 1980
1980
A 1990
1990
EN ADELANTE
INSTRU MENTA CIÓN
MEDICIONES
LOCALES
ELEMENTOS FINALES DE CONTROL
PRIMEROS
SERVO MECANISMOS
ACTUADORES NEUMÁTICOS
PRIMEROS
INSTRUMENTOSELECTRÓNICOS
PRIMERAS CELDAS DE
PRESIÓN DIF.
SURGE LA
CROMATOGRAFÍA DE GASES
SURGEN NUEVOS PRINCIPIOS DE
MEDICIÓN
DESARROLLO DE
NUEVOS CONTROLADORES
ELECTRÓNICOS MAS CAPACES
SE DESARROLLAN
NUEVOS TIPOS DE VÁLVULAS DE
CONTROL
SE INTRODUCEN
LOS MICRO PROCESADORES
EN LA INSTRUMENTACIÓN
SE
DESARROLLAN NUEVOS
INSTRUMENTOS CON MEJOR
EXACTITUD Y CONFIABILIDAD CON PRECIOS REDUCIDOS
SE
DESARROLLAN INSTRUMENTOS INTELIGENTES
CON FUNCIONES MÚTLIPLES CON AUTO
CALIBRACIÓN Y AUTO
DIAGNÓSTICO
SISTEMAS DE
CONTROL
CONTROL MECÁNICO
CONTROL DE DOS
POSICIONES
PRIMEROS
CONTROLES NEUMÁTICOS
PID
PRIMEROS CONTROLES
LÓGICOS PROGRAMABLES
DESARROLLO DE LA TEORÍA DE CONTROL
MODERNA
PRIMERAS TÉCNICAS DE
SINTONÍA
SE DEFINEN LAS
BASES DE CONTROL
SUPERVISORIO Y DE CONTROL
DIGITAL DIRECTO
SE DEFINEN LAS
BASES DE CONTROL
DISTRIBUIDO
SE DESARROLAN LOS PRIMEROS
PLC´s DIGITALES
SE INCREMENTA LA CAPCIDAD DE
LOS SISTEMAS DE CONTROL
DISTRIBUIDO Y DE LOS PLC´s
SE
DESARROLLAN LAS PRIMERAS APLICACIONES DE CONTROL AVANZADO
SE
INTRODUCEN LOS
CONCEPTOS DE INTER
OPERABILIDAD E INTER
CONECTIVIDAD
TELE
METRIA
INSTRUMEN-
TACIÓN LOCAL
TRANSMISIÓN NEUMÁTICA
TRANSMISIÓN
ELÉCTRICA
TRANSMISIÓN
4-20 mA.
SE
DESARROLLAN LOS PRIMEROS SISTEMAS DE TELEMETRÍA
SE DESARROLLAN
LOS PRIMEROS SISTEMAS DE FIBRA ÓPTICA
SE
NORMALIZAN LOS PRIMEROS PROTOCOLOS
DIGITALES
SE
INTRODUCEN LOS CANALES
DE CAMPO
77#
¿Cómo seleccionar un medidor?
Fundamentalmente la selección se basa en las consideraciones de proceso, a la importancia del dato de medición en el proceso y al aspecto económico.
De ahí la importancia de conocer el principio de medición de los diferentes tipos de medidores y los cálculos necesarios de los elementos primarios para obtener el máximo rendimiento costo-beneficio de ellos y así disminuir el error en la medición.
Este curso provee métodos técnicos para el diseño, especificación, cálculo y selección de medidores, dando una guía para medir variables físicas de la mejor manera posible.
78#
Tips para seleccionar un medidor
1. Medidor más familiar.- el más fácilmente entendible, basado sobre gran cantidad de mediciones y períodos de tiempo.
2. Medidor que se ha utilizado en aplicaciones previas similares.-simple aproximación, no necesariamente malo pero no siempre la mejor solución. Puede ser muy malo si la selección es siempre la misma.
3. Considerar todos los factores que puedan influir en la selección.-consume en algunos casos demasiadas h-h y es justificada en aplicaciones críticas de flujo.
79#
Ejemplo de características principales para la selección de un medidor de flujo
ESTANDARES DE LA COMPAÑÍA CONEXIONES PARA INSTALACIÓN: BRIDADO, ROSCADO, ETC.
REQUERIMIENTOS LEGALES LIMITACIONES DE ESPACIOFASE DEL FLUIDO PRINCIPAL TRAYECTORIA DE TUBERIA CORRIENTE ARRRIBA
CONTENIDO DE SOLIDOS COMPONENTES MAS CERCANOS CORRIENTE FACTORES DE CALIBRACIÓN NIVEL DE VIBRACIÓNTIPO DE FLUIDO: AGUA, AIRE HC, ETC REPETIBILIDAD DE LECTURANATURALEZA DEL FLUIDO: CORROSIVO, CONDUCTIVO, ETC
VELOCIDAD O TOTALIZACIÓN
TAMAÑO Y MATERIAL DE TUBERÍA TIEMPO DE RESPUESTAINDICADOR DE FLUJO FLUJO MÁXIMO Y MÍNIMOOBSTRUCCIÓN DE FLUJO PÉRDIDA DE PRESIÓN PRESIÓN MÁXIMA Y MÍNIMATIPO DE SALIDA DE CONTROL TEMPERATURA MÁXIMA Y MÍNIMATIEMPO ENTRE INSPECCIÓN Y MANTENIMIENTO DENSIDAD DEL FLUIDOSEGURIDAD VISCOSIDAD DEL FLUIDOCOSTO FLUJO PULSANTE?DESVÍO DE CALIBRACIÓN FLUJO LAMINAR?PROVEEDORES CONDICIONES EXTERNAS: HUMEDAD, CALOR,
80
Standards
Certification
Education & Training
Publishing
Conferences & Exhibits
INSTRUMENTACIINSTRUMENTACIÓÓN N BBÁÁSICA DE PROCESOS SICA DE PROCESOS INDUSTRIALESINDUSTRIALES
CAPCAPÍÍTULO 2TULO 2
SIMBOLOGSIMBOLOGÍÍAA
M. en C. Armando Morales Sánchez23, 24 y 25 de mayo del 2007
81#
Los diagramas de tubería e instrumentación (DTI´s)
Los DTI’s son diagramas que contienen básicamente los equipos de proceso, las tuberías, los instrumentos y las estrategias de control del proceso. Un DTI es el elemento único más importante en el dibujo para:
Definir y organizar un proyectoMantener el control sobre un contratista durante la
construcciónEntender como es controlada la planta después de
finalizar el proyectoMantener un registro de lo que fue acordado y aprobado
formalmente para la construcciónRegistrar lo que fue construido en la forma como se
diseño con los DTI’s
82#
Los diagramas de tubería e instrumentación (DTI´s)
Los DTI’s son conocidos con varios nombres, pero todo mundo sin tomar en cuenta como son nombrados conocen su valor. Estos son algunos de los nombres por los cuales son conocidos :
DTI’sP&ID’s (por sus siglas en inglés)Diagramas de tubería e instrumentación Diagramas de procesos e instrumentación
La mayoria de las firmas utilizan las normas ISA como una base para luego añadir sus propias modificaciones de acuerdo a sus necesidades.
83#
Normas ISA aplicables a DTI’s
No hay “norma” DTI o acuerdo en la información que debe ser incluida o excluida de tales documentos.
Las normas ISA ANSI/ISA-5.1-1984 (R1992) y ISA-5.3-1983 son las guías generalmente más aceptables para desarrollar simbolismo para instrumentación y sistemas de control en: las industrias químicas y petroquímica, generación de energía, pulpa y papel, refinación, metales, aire acondicionado, etc. y pueden ser utilizadas en procesos continuos, por lotes y discretos.
84#
• ANSI/ISA-S5.1-1984 (R1992), Identificación y símbolos de instrumentación.
• ANSI/ISA-S5.2-1976 (R1992), Diagramas lógicos binarios para operaciones de proceso.
• ISA-S5.3-1983, Símbolos gráficos para control distribuido, instrumentación de desplegados compartidos, sistemas lógicos y computarizados.
• ANSI/ISA-S5.4-1991, Diagramas de lazo de instrumentación.• ANSI/ISA S5.5-1985, Símbolos gráficos para desplegados de proceso.
Normas ISA aplicables a DTI’s
85#
Otras normas de simbología
• ASA Y32.11-1961 – Símbolos gráficos para diagramas de flujo de proceso en las industrias del petróleo y química (ASME).
• ASA Z32.2.3-1949 – Símbolos gráficos para accesorios de tubería, válvulas y tubería (ASME)
• ANSI Y14.15.a-1971 Sección 15-11 Interconexión de diagramas (ASME)• IEEE Std 315-1975 (ANSI Y32.2 1975) (CSA Z99 1975) Símbolos
gráficos para diagramas eléctricos y electrónicos (IEEE)• ANSI/IEEE Std 315A-1986 (IEEE)
86#
Diagrama de tubería e instrumentación(DTI ó P&I)
87#
SIMBOLOGÍA
88#
Contenido de la norma ANSI/ISAS5.1-1984
1. Propósito.2. Alcance.3. Definiciones.4. Reglas de identificación de instrumentos.5. Tablas.6. Dibujos.
89#
1. Propósito
Establecer un significado normativo de los instrumentos y sistemas de instrumentación utilizados para la medición y el control, incluyendo símbolos y códigos de identificación.
90#
2. Alcance
1. Generalidades.2. Aplicación a industrias.3. Aplicación a actividades de trabajo.4. Aplicación a diferentes tipos de
instrumentación y a funciones de instrumentos.
5. Extensión de identificaciones funcionales.6. Extensión de identificaciones de lazos.
91#
Aplicación a Industrias
La norma esta disponible para utilizarse en industria química, del petróleo, generación de potencia, acondicionamiento de aire y cualquier industria de procesos, y se espera que la norma tenga la suficiente flexibilidad para manejar muchas de las necesidades de algunos campos como la astronomía, navegación y medicina que utilizan instrumentación diferente de los instrumentos convencionales de proceso.
92#
Aplicación a actividades de trabajo
La norma esta disponible para utilizarse en cualquier referencia de simbolización e identificación de un instrumento o de alguna función de control. Tales referencias pueden ser requeridas para:
-Diagramas de diseño y construcción,-Literatura, discusiones y artículos técnicos,-Diagramas de sistemas de instrumentación, diagramas de lazos y diagramas lógicos,-Descripciones funcionales,-Diagramas de flujo de: procesos, mecánicos, de ingeniería, de tubería e instrumentación (DTI o P&I), -Especificaciones, ordenes de compra, etc.
93#
Aplicación a funciones de instrumentos y a clases de instrumentación
Los métodos de identificación y simbolismos proporcionados por la norma se aplican a todas las clases de instrumentación de control y medición de procesos.
La norma no solo puede utilizarse para describir instrumentos digitales y sus funciones, sino también para describir las funciones analógicas de los sistemas, como por ejemplo: control compartido , control distribuido y control basado en computadora.
94#
Extensión de identificación funcional y de lazo
La norma proporciona la identificación y simbolización de las funciones clave de un instrumento, es decir, son funciones generalizadas, así que cuando se requieren detalles adicionales del instrumento, es conveniente recurrir a la hoja de especificación del instrumento o algún otro documento para cubrir la especificación detallada.
La norma cubre la identificación de un instrumento y todos las funciones de control asociadas con un lazo de control.
95#
3. Definiciones
Para propósitos de conocimiento de la norma, es conveniente analizar algunas definiciones:
Alarma. Un dispositivo o función que señala la existencia de una condición anormal por medio de un cambio discreto visible o audible, o ambos, con el fin de llamar la atención.Automatización. Es el acto o método de hacer que un proceso funcione sin la necesidad de la intervención de un operador. Banda Muerta. Rango a través del cual puede variar la señal de entrada, hacia un dispositivo, sin éste inicie una respuesta. Generalmente se expresa como un porcentaje del rango de operación. Binario. Término aplicado a una señal que sólo tiene dos estados o posiciones discretas (on-off, alto-bajo, etc).
96#
Definiciones
Círculo. Símbolo utilizado para denotar e identificar el propósito o función de un instrumento y puede contener un número de identificación (ballon, bubble)Configurable. Término aplicado a un dispositivo o sistema en el que sus características pueden ser seleccionadas o rearregladas a través de programación o algún otro método.Controlador. Un dispositivo que tiene una salida que varía para regular una variable controlada de una manera específica y puede ser un dispositivo analógico o digital. Un controlador automático varía su salida automáticamente, en respuesta a una entrada directa o indirecta de una variable de proceso medida.
97#
Definiciones
Controlador compartido. Un controlador que contiene algoritmos preprogramados que son usualmente accesibles, configurables y asignables y permite un número de variables de proceso a ser controladas por un solo dispositivo.Controlador Lógico Programable (PLC). Un controlador, usualmente con entradas y salidas múltiples, que contiene un programa que se puede alterar.Convertidor. Un dispositivo que recibe información en alguna forma de señal y transmite una señal de salida en alguna otra forma. El convertidor también se le llama transductor, aunque el término transductor no se recomienda utilizarse para conversión de señales.Corrimiento. Cualquier cambio paralelo de la curva de entrada -salida.
98#
Definiciones
Digital. Término aplicado a una señal o dispositivo que utiliza dígitos binarios para representar valores continuos o estados discretos.Dispositivo de cómputo. Un dispositivo o función que ejecuta uno o más cálculos u operaciones lógicas, o ambas, y transmite uno o mas señales de salida resultantes. Es también llamado relevador de cómputo.Elemento Final de Control. Dispositivo que cambia el valor de la variable manipulada directamente de un lazo de control. Elemento Primario. Parte de un instrumento o un lazo, que detecta el valor de una variable de proceso, o que asume un estado o salida predeterminada. El elemento primario puede estar separado o integrado con otro elemento funcional de un circuito, también se le conoce como detector o sensor.
99#
Definiciones
Estación de Control. Estación manual de carga que también proporciona la transferencia entre los modos de control automático y manual de un circuito de control. Se conoce también como estación automático y manual. Estación Manual de Carga. Dispositivo que cuenta con una salida ajustable manualmente que se usa para actuar uno o más dispositivos remotos, pero que no puede ser usada para transferir entre los modos de control automático y manual de un circuito de control. Error. Es la diferencia algebraica entre la indicación actual y el valor verdadero de una magnitud medida. A menudo expresado como un porcentaje del SPAN O del valor a escala total. Los valores positivos del error denotan la indicación del instrumento es más grande que el valor real.
100#
Definiciones
Exactitud. Límites dentro de los cuales puede variar el valor establecido de una propiedad del proceso con respecto a su valor. Esta se expresa generalmente en un porcentaje de la escala total. Frecuencia Natural. Frecuencia a la cual el sensor, bajo condiciones de carga resonará con algunas fuentes de frecuencia externa. Función. Propósito de o acción realizada por un dispositivo. Histéresis. La diferencia en la señal de medición para un valor dado de una variable de proceso cuando se alcanza primero desde una carga cero y después desde la escala total.
101#
Definiciones
Identificación. Secuencia de letras y/o dígitos usados para designar un instrumento individual o un circuito. Instrumento. Dispositivo utilizado para medir y/o controlar una variable directa o indirectamente. El término incluye elementos primarios, finales, dispositivos de cómputo y dispositivos eléctricos como alarmas, interruptores y botones de paro.Instrumentación. Es la rama de la ingeniería involucrada con la aplicación de los instrumentos a un proceso industrial para medir o controlar alguna variable y es referida a todos los instrumentos para cumplir este propósito.
102#
Definiciones
Interruptor. Dispositivo que conecta, desconecta o transfiere uno o más circuitos, y que no es designado como controlador, un revelador o una válvula de control. EI interruptor es un dispositivo que (I mide (I la variable y opera(abre o cierra) cuando ésta alcanza un valor predeterminado. Lazo. Combinación de dos o mas instrumentos o funciones de control arregladas para el propósito de medir y/o controlar una variable de procesoLinealidad. Se define como la desviación máxima a partir de una línea recta que une el valor de la señal de medición a carga cero con la señal de medición a una carga dada.Local. Localización de un instrumento que no esta en el tablero ni atrás del tablero. Los instrumentos locales están comúnmente en la vecindad de un elemento final de control.
103#
Definiciones
Longitud de Inmersión. Longitud desde el extremo libre del pozo o bulbo al punto de inmersión en el medio al cual se está midiendo la temperatura. Luz Piloto. Luz que indica un número de control normales de un sistema o dispositivo. También se le conoce como luz monitora. Medición. Determinación de la existencia o magnitud de una variable. Los instrumentos de medición incluyen todos los dispositivos usados directa o indirectamente para este propósito. Modos de Control. Método con el cual un controlador contrarresta la desviación de una señal de su punto de ajuste.
104#
Definiciones
Montado en Tablero. Término aplicado a un instrumento que esta montado en el panel frontal del tablero y que es accesible al operador para su uso normal. Parte posterior del tablero. Término aplicado al área que se encuentra atrás del tablero y que contiene los instrumentos que no es necesario que se encuentren accesibles al operador para su uso normal. Proceso. Cualquier operación o secuencia de operaciones que involucre un cambio de estado, de energía, de composición, de dimensión de otra propiedad que puede definirse con respecto a un dato. Programa. Secuencia repetida de acciones que definen el estado de las salidas en relación a un conjunto de entradas.
105#
Definiciones
Punto de Ajuste. (Set -Point, SP) magnitud predeterminada de una variable de proceso que el controlador trata de mantener. Punto de Prueba. Conexión de proceso en la cual no hay instrumento conectado permanentemente, pero la cual estácolocada para usarse temporal o permanentemente para la conexión futura de un instrumento. Rango. Región entre cuyos límites una cantidad se mide, recibe o transmite. Rango de Operación. (SPAN) Diferencia algebraica entre los valores de más bajo y más alto rango. Rango Compensado de Temperatura. Rango de temperaturas sobre el cual el sensor se compensa para mantener el rango de operación y el balance del cero dentro de los límites especificados.
106#
Definiciones
Rangeabilidad. La relación entre los valores de más alto y más bajo rango.Relevador. Dispositivo que recibe información en la forma de una o más señales de instrumento, modifica la información o su forma o ambas si se requiere, envía una o más señales resultantes y no es designado como controlador, interruptor o algún otro, el término relevador se aplica especialmente también a un interruptor eléctrico que es actuado remotamente por una señal eléctrica. Reluctancia. Oposición que presenta una sustancia magnética al flujo magnético. Se expresa como la relación de la diferencia de potencial magnético, al flujo correspondiente.
107#
Definiciones
Repetibilidad. La capacidad de un instrumento de generar una señal de medición cuya magnitud permanecerá dentro de los límites establecidos de repetibilidad bajo idénticas condiciones de proceso sucediendo en tiempos diferentes. Resolución. El cambio más pequeño en la variable de proceso que produce un cambio detectable en la señal de medición expresado en porcentaje de la escala total. Respuesta. Comportamiento de la salida de un dispositivo como función de la entrada, ambos con respecto al tiempo. Reproducibilidad. La exactitud con que un a medición y otra condición puede ser duplicada a través de un periodo de tiempo. Ruido. Perturbaciones externas o cualquier otra señal que no aporta información.
108#
Definiciones
Sistema de control distribuido. Un sistema integrado funcionalmente que consiste de subsistemas separados físicamente y localizados remotamente uno de otro.Sensitividad. (Sensibilidad) La razón de cambio en la salida causada por un cambio en la entrada, después que se ha alcanzado el estado estacionario. Se expresa como la relación numérica en unidades de medición de las dos cantidades establecidas. Señal. Información que en forma neumática, eléctrica, digital o mecánica, se transmite de un componente de un circuito de instrumentación a otro. Tablero. Una estructura que contiene un grupo de instrumentos montados en él y al cual se le da una designación individual. Pueden consistir de una o más
109#
Definiciones
casillas, secciones escritorios o paneles. Es el punto de interfase entre el proceso y el operador. Telemetría. La práctica de transmitir y recibir la medición de una variable para lectura u otros. El término se aplica comúnmente a sistemas de señal. Termistor. Resistor eléctrico cuya resistencia varia con la temperatura.Tiempo de Respuesta. Intervalo de tiempo requerido para que la señal de "-~ medición de un detector alcance un porcentaje especifico de su valor final como resultado de un cambio de escalón en la variable de proceso. Tiempo Muerto. Intervalo de tiempo entre la iniciación de un cambio en la entrada y el comienzo de la respuesta resultante.
110#
Definiciones
Transmisor. Dispositivo que detecta el valor de una variable de proceso por medio de un elemento primario (o sensor) y que tiene una salida cuyo valor de estado estacionario varia sólo como una función predeterminada de la variable de proceso. Elemento primario puede o no ser integral al transmisor. Válvula de Control. Elemento final de control, a través del cual, un fluido pasa, que ajusta la magnitud del flujo de dicho mediante cambios en el tamaño de su abertura y de acuerdo con la señal que recibe del controlador, y así lograr la acción correctiva necesaria. Variable. Cualquier fenómeno que no es de estado necesario sino que involucra condiciones continuamente cambiantes.
111#
Reglas para la identificación de instrumentos
a) Cada instrumento o función a ser identificado se le designa un código alfanumérico o número de identificación:
TIC-103
b) El número del instrumento puede incluir información del código de área o series específicas. Normalmente la serie 900 a 99 puede ser utilizada para instrumentos relacionados con seguridad.
c) Cada instrumento puede representarse en un diagrama por un símbolo que puede acompañarse con una identificación.
IDENTIFICACIÓNFUNCIONAL
NÚMERO DEL INSTRUMENTO
112#
Reglas para la identificación de instrumentos
d) La identificación funcional del instrumento consiste de letras de acuerdo a la tabla, en donde la primer letra designa la variable inicial o medida y una o mas letras subsecuentes identifican la función del instrumento.
TIC
VARIABLE MEDIDA(Temperatura)
FUNCIÓN(Indicador Controlador)
113#
Identificación de instrumentos
114#
Combinaciones en la identificación
115#
Reglas para la identificación de instrumentos
e) La identificación funcional del instrumento se realiza de acuerdo a la función y no a la construcción (por ejemplo, un transmisor de nivel LT en lugar de un transmisor de presión diferencial PDT).
f) El número de letras utilizado debe ser el mínimo para describir al instrumento.
g) Un instrumento multifuncional puede ser simbolizado por más de un instrumento.
116#
Notas para la identificación de instrumentos
1. Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente en un proyecto se han previsto letras libres. Estas letras pueden tener un significado como primera letra y otro como letra sucesiva. Por ejemplo, la letra N puede representar como primera letra el modelo de elasticidad y como sucesiva un osciloscopio.
2.La letra sin clasificar X, puede emplearse en las designaciones no indicadas que se utilizan solo una vez o un numero limitado de veces. Se recomienda que su significado figura en el exterior del circulo de identificación del instrumento. Ejemplo XR-3 Registrador de Vibración.
117#
Notas para la identificación de instrumentos
3. Cualquier letra primera se utiliza con las letras de modificación D (diferencial), F (relación) o Q (interpretación) o cualquier combinación de las mismas cambia su significado para representar una nueva variable medida. Por ejemplo, los instrumentos TDI y TI miden dos variables distintas, la temperatura diferencial y la temperatura, respectivamente.
4.La letra A para análisis, abarca todos los análisis no indicados en la tabla anterior que no están cubiertos por una letra libre. Es conveniente definir el tipo de análisis al lado del símbolo en el diagrama de proceso.
118#
Notas para la identificación de instrumentos
5.El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinación de primera letra, es opcional.
6.El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o intermedio y exploración, es opcional.
7.El termino seguridad, debe aplicarse solo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o el personal). La designación PSV se aplica a todas las válvulas proyectadas para proteger contra condiciones de emergencia de presión sin tener en cuenta las características de la válvula y la forma de trabajo la colocan en la categoría de válvula de seguridad, válvula de alivio o válvula de seguridad de alivio.
119#
Notas para la identificación de instrumentos
8.La letra de función pasiva vidrio, se aplica a los instrumentos que proporciona una visión directa no calibrada del proceso.
9.La letra indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso, No se aplica a la escala de ajuste manual de la variable si no hay indicación de ésta.
10.Una luz piloto que es parte de un bucle de control debe designarse por una primera letra seguida de la letra sucesiva I. 11.El empleo de la letra U como multifunción en lugar de una combinación de otras letras es opcional.
120#
Notas para la identificación de instrumentos
12.Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirán en el exterior del símbolo del instrumento cuando sea conveniente hacerlo así.
13.Los términos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a valores de la variable medida, no a los de la señal a menos que se indique de otro modo. Por ejemplo, una alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor de nivel de acción inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor bajo.
121#
Notas para la identificación de instrumentos
14.Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre apertura, se definen como sigue:
Alto: indica que la válvula esta, o se aproxima a la posición de apertura completa.
Bajo: Denota que se acerca o esta en la posición completamente cerrada.
122#
Ejercicio 1
Efectuar la identificación funcional de los siguientes instrumentos:
a) LICb) PYc) FVd) FQIe) WTf) TEg) AICh) SRi) TAHHj) LSL
123#
Ejercicio 2
Indicar los códigos alfanuméricos de los siguientes instrumentos:
a) Registrador de temperaturab) Convertidor electroneumático de presiónc) Interruptor por bajo nivel de flujod) Totalizador de flujoe) Indicador de velocidadf) Termopozo de temperaturag) Controlador de presiónh) Válvula de control de análisisi) Alarma por muy alta presiónj) Relevador de presión
124#
Tips para numeración de instrumentos
• Utilizar un número básico si el proyecto es pequeño y no hay números de área, unidad o planta:– Número básico FT-2 o FT-02 o FT-002
• Si el proyecto tiene pocas áreas, unidades o plantas (9 o menos), utilizar el primer dígito del número de la planta como el tag:– FT-102 (1 = número de área, unidad, o planta)
• Si el proyecto es divido en áreas, unidades o plantas:– FT-102– FT-1102– FT-111002
125#
• Algunos proyectos utilizan una secuencia numérica para cada variable de proceso:– FIC-001, FIC-002, FIC-003, etc.– LIC-001, LIC-002, LIC-003, etc.– PIC-001, PIC-002, etc.
• Algunos proyectos predeterminan bloques de números:– Para indicadores, PI-100 a 300 o TI-301 a 400– Para dispositivos de seguridad, PSV-900 a 999
Tips para numeración de instrumentos
126#
• Algunos proyectos utilizan una secuencia numérica recta:– FT-1, FIC-1, FV-1– LT-2, LIC-2, LV-2– FT-3, FR-3
• La mayoría de los proyectos utilizan los sufijos A y B si dos instrumentos en el mismo lazo tienen identificaciones idénticas:– PV-006A, PV-006B
Tips para numeración de instrumentos
127#
Símbolos generales de instrumentos
LOCALIZACIÓNPRIMARIA
*** NORMALMENTEACCESIBLE AL
OPERADOR
MONTADO EN CAMPO
LOCALIZACIÓNAUXILIAR
*** NORMALMENTEACCESIBLE AL
OPERADOR
INSTRUMENTOS DISCRETOS
MONITOREO COMPARTIDOCONTROL COMPARTIDO
FUNCIÓNDE COMPUTO
CONTROL LÓGICOPROGRAMABLE
1 2 3
4 5 6
7 8 9
10 11 12
128#
Símbolos de instrumentos
LOCALIZACIÓNPP En línea de procesoLO En campo, localPNB En tablero principal de controlBPNB Parte posterior del tableroPNBL En tablero de control local
SUMINISTROSSA Suministro de aireSE Suministro eléctricoSG Suministro de gasSH Suministro hidráulicoSN Suministro de nitrógenoSS Suministro de vaporSW Suministro de agua
LI
2702
SA
129#
Bloques de funciones de instrumentos
130#
Simbología de líneas en los diagramas
(1) SUMINISTRO A PROCESO * O CONEXIÓN A PROCESO
(2) SEÑAL NO DEFINIDA
(3) SEÑAL NEUMÁTICA **
(4) SEÑAL ELÉCTRICA
(5) SEÑAL HIDRAÚLICA
(6) TUBO CAPILAR
(7) SEÑAL SÓNICA O ELECTROMAGNÉTICA (GUÍADA)***
(8) SEÑAL SÓNICA O ELECTROMAGNÉTICA (NO GUÍADA)***
(9) LÍNEA DE SISTEMA INTERNO (LÍNEA DE DATOS O DE SOFTWARE)
(10) LINEA MECÁNICA
(11) SEÑAL NEUMÁTICA BINARIA
(12) SEÑAL BINARIA ELÉCTRICA
SÍMBOLOS BINARIOS OPCIONALES
131#
Simbología de válvulas
132#
Acción del actuador a falla de energía
ABRE A FALLA CIERRA A FALLA CIERRA A FALLA
A VÍA A-C
ABRE A FALLA VÍAS A-C Y D-B
SE BLOQUEA A FALLA(LA POSICIÓN NO CAMBIA)
POSICIÓN INDETERMINADAA FALLA
133#
Ejemplos de simbología de
elementos primarios de
flujo
134#
Ejemplos de relevadores de cómputo
135#
Diagrama esquemático
136#
Diagrama esquemático
137#
Diagramas de lazo y el índice de instrumentos
Aunque los DTI’s son muy importantes, no contienen toda la información necesaria. Los documentos básicos que complementan la información del DTI son:
- Diagramas funcionales de instrumentación o diagramas de lazo.
- Indice de instrumentos.
138#
Diagrama funcional de instrumentación o de lazo
Es un diagrama que muestra todos los dispositivos en un lazo específico utilizando la simbología que identifica las interconexiones, e incluye número e identificación de conexiones, tipo de cables y tamaños, tipos de señal, etc.
La mayoría de la gente considera que el diagrama funcional de instrumentación es el documento más importante para un instrumentista.
Siempre que se requiera la localización de fallas, el diagrama funcional de instrumentación es un documento muy valioso, ya que contiene suficiente información para combrobar o verificar averías en ese lazo, ya que no sólo contiene el diagrama de cableado, sino que muestra todos los dispositivos conectados a ese lazo.
139#
• Usos– Diseño– Construcción– Puesta en marcha– Operación– Mantenimiento– Modificaciones
• Tipos– Neumático – Electrónico– Despelgados compartidos
Diagrama funcional de instrumentación o de lazo
140#
Ejemplos de diagramas funcionales de instrumentación
FIC301J100
J110
A8
A9
51
XJA 11
12
13
1
2
3
+
-
FE 301
FT 301
A8
A9 UJA
14
15
6
7
+
-
FV 301 FY
301 O S
AS 20 PSIG
CTB 1
CTB 2
Cable50-1-1
Cable50-1-2
Cable-3B
PR-14
PR-15
PR-1
PR-2
Shield BendBack & Tape
Shield BendBack & Tape
JB30
JB40
Área de proceso en campo Área de cableado Gabinete Consola
Cable -4A
Setpoint
141#
Indice de instrumentos
El índice de Instrumentos es una lista alfanumérica de todos los instrumentos que se muestran en el DTI, proporcionando los datos para la instalación, la puesta en marcha, el mantenimiento y las modificaciones.
Los datos incluidos en el índice de instrumentos varía y depende de la complejidad de la instrumentación de las plantas.
Básicamente el índice de instrumentos debe incluir el tag, la descripción, la localización física, la referencia cruzada con otros documentos asociados o dibujos. El índice de instrumentos es una herramienta muy útil para proyectos futuros si es actualizada.
142#
Indice de instrumentos típico
143#
Indice de instrumentos típico
Tag # Desc. DTI # Ultima Calib.
Calib. por
Fecha Cal. esperada
Rango de Calib.
Peligros
LI-50 VS. 50 H2s 103 Aug 01 AWS Aug 02 0-75 “H2O
H2S
LAL-50 VS. 50 H2S – Alarma en nivel bajo
103 Aug 01 AWS Aug 02 10”H2O H2S
LSLL-50
VS. 50 H2S – Switch en nivel bajo
103 Aug 01 AWS Aug 02 5”H2O H2S
LT-100 VS. 100 - K.O. Drum 103 May 02 DAL Nov 02 0-125 “H2O
LI-100 VS. 100 - K.O. Drum 103 May 02 DAL Nov 02 0-100% --
LT-201 VS. 201 – Columna de destilación
205 Nov 02 BJP Feb 03 0-164 “H2O
N2 Blanket
LIC-201 VS. 201 – Columna de destilación
205 Nov 02 BJP Feb 03 0-100%
144
Standards
Certification
Education & Training
Publishing
Conferences & Exhibits
INSTRUMENTACIINSTRUMENTACIÓÓN N BBÁÁSICA DE PROCESOS SICA DE PROCESOS INDUSTRIALESINDUSTRIALES
CAPCAPÍÍTULO 3TULO 3
MEDICIMEDICIÓÓN DE TEMPERATURAN DE TEMPERATURA
M. en C. Armando Morales Sánchez16, 17 y 18 de mayo del 2007
145#
El Lazo de control
ELEMENTOFINAL DE CONTROL
PROCESOELEMENTOPRIMARIO
DE MEDICION
CONVERTIDOR O TRANSDUCTOR TRANSMISOR
PERTURBACIONES
PUNTO DE AJUSTE
VARIABLE
CONTROLADA
VARIABLE
MANIPULADA
CONTROLADORm(t)
c(t)
d(t)
e(t)=R(t)-c(t)
R(t)
146#
Elemento primario de medición
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.
Contempla generalmente dos partes: un sensor o elemento primario de medición que mide la variable controlada c(t), a la que se llamará más adelante como variable de proceso PV, y la transforma a un tipo diferente de energía.
147#
Elemento primario de medición
Las señales eléctricas estándar manejadas son: 4-20 mA.C.D., 0-5 V.C.D. y 0-10 V.C.D. Así por ejemplo, si se desea medir una temperatura de 0-700oC, la señal de 4 mA. corresponderá a 0oC. y la señal de 20 mA. corresponderá a 700oC.
La razón básica de la señal estándar es utilizar solamente un solo tipo de controlador universal que se aplique a cualquier variable de proceso (temperatura, flujo, nivel, presión, peso, densidad, conductividad, etc.).
En algunos casos, el elemento primario de medición y el transmisor vienen en un solo instrumento, como es el caso de los transmisores de presión.
148#
El Controlador
Su función es fijar la variable controlada c(t) en un valor deseado R(t), conocido como punto de ajuste o “setpoint”, mediante la manipulación de su salida o variable manipulada m(t) a través de un actuador que interactúa directamente en el proceso. Este controlador en su entrada y salida maneja también señales eléctricas estándar e incluyen internamente el comparador o generador de la señal de error.
149#
El Elemento Final de Control
Convierte la señal estándar recibida por el controlador en una señal adecuada para interactuar con el proceso y asímodificar o mantener el valor de la variable controlada. Normalmente contempla dos partes: un transductor y un elemento final de control. Por ejemplo, si el elemento final utilizado es una válvula de control, se requiere un transductor que convierta la señal eléctrica de 4-20 mA.C.D. en una señal de aire con una presión de 3-15 PSIG (lb/pulg2).
150#
Medición de temperatura
" La Temperatura es una manifestación del promedio de energía cinética, ondulatoria y de traslación de las moléculas de una sustancia".
Las unidades de temperatura son establecidas en cinco escalas arbitrarias: escala Farenheit °F, escala Centigrada°C, escala Kelvin K, escala Rankine °R y escala Reamur°R
La conversión más común es de °C a °F.
°C= (°F-32)/1.8°F=1.8 °C +32
151#
Escalas de temperatura
Escala Cero Absoluto
Fusión del Hielo
Evaporación
Kelvin 0°K 273.2°K 373.2°K
Rankine 0°R 491.7°R 671.7°R
Reamur -218.5°Re 0°Re 80.0°Re
Centígrada -273.2°C 0°C 100.0°C
Fahrenheit -459.7°F 32°F 212.0°F
152#
Escalas de Temperatura: Más comunes
• Fahrenheit– El agua se congela a 32°F, y hierve a 212°F
– A nivel del mar
• Celsius (centigrados antes de 1948)– El agua se congela a 0°C, hierve a 100°C
– A nivel del mar
• °F= (°C x 1.8) + 32• °C= 5/9 (°F -32)
153#
Escalas de Temperature: Absolutas
• Escala-Kelvin Termodinamica– El movimiento molecular se detiene a 0K– El agua se congela a 273.15K, hierve a 373.15K– K=°C + 273.15
– Las unidades grados tienen el mismo tamaño que la escala en Celsius
– Escala de temperatura Internacional de 1990
• Rankine: – El paralela a la escala termodinámica pero en unidades grados
tiene el mismo tamaño que en la escala Fahrenheit– °R=°F + 459.64
154#
Uso de la medición de temperatura
La detección, medición y control de temperatura en procesos industriales es deseada en los siguientes casos:
-En operaciones que involucran transferencia de calor, como los intercambiadores de calor, hornos, rehervidores, evaporadores o calderas.
- Control de reacciones químicas sensibles a la temperatura.
- Operación de equipos, como torres de destilación, tanques de almacenamiento, torres de enfriamiento, mezcladores, cristalizadores, etc.
155#
Uso de la medición de temperatura
- Monitoreo del funcionamiento de equipo rotatorio, para prevenir calentamiento, como turbinas, compresores, bombas y motores en general.
- Control de temperatura de productos y límites de planta.
156#
Medición inferencial de temperatura
Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura:
a) Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (Termómetros de vidrio y bimetálicos, sistemas termales);
b) Variación de resistencia de un conductor (Bulbos de resistencia RTD, termistores);
c) Generación de una f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares);
d) Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación);
e) Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.)
157#
Termómetros
TERMÓMETROS
DE VIDRIO BIMÉTALICOS
CLÍNICOS INDUSTRIALES
158#
Termómetros de vidrio
El termómetro de líquido encerrado son los más familiares y constan de un depósito de vidrio que contiene, por ejemplo, mercurio y que al calentarse se expande y aumenta su volumen en el tubo capilar.
Su bulbo, relativamente grande en la parte más baja del termómetro, contiene la mayor cantidad del líquido, el cual se expande cuando se calienta y sube por el tubo capilar en el cual se encuentra grabada una escala apropiada con marcas.Los líquidos más usados son alcohol y mercurio.
El mercurio no puede usarse debajo de su punto de congelación de -38.78°F (-37.8°C) y por arriba de su punto de ebullición a 357 oC, con la ventaja de ser portátil.
159#
Termómetros de vidrio
Mercurio...........................................................-35 hasta +280 ºCMercurio (tubo capilar lleno de gas).................-35 hasta+450 ºCPentano...........................................................-200 hasta +20 ºCAlcohol............................................................-110 hasta +50ºCTolueno.......................................................... -70 hasta +100ºC
El alcohol tiene un coeficiente de expansión más alto que el del mercurio pero esta limitado a mediciones de baja temperatura, hasta -110 oC, debido a que tiende a hervir a temperaturas altas, su punto de ebullición es a 78 oC.
160#
Termómetro bimetálico
Los termómetros bimetálicos se basan en el coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como latón, monel o acero y una aleación de ferroníquel o Invar laminados conjuntamente. La diferencia en la relación de coeficiente de expansión de cada metal provoca que el elemento bimetálico se doble. Las láminas bimetálicas van unidas y pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices.
161#
Fixed End
Free End Attachedto Pointer Shaft
Rotating Shaft
Bulb
5 67
89
10
43
21
0
Bulbo
Extremo fijo
Extremo libre conectado al eje del indicador
Eje giratorio
Termómetro bimetálico
FREE END
FIXED END
HIGH EXPANSIONCOEFFICIENT
LOWEXPANSIONCOEFFICIENT
FREE END
FIXED END
EXTREMO LIBRE
EXTREMO FIJOEXTREMO FIJO
EXTREMO LIBRE
ALTOCOEFICIENTEDE EXPANSIÓN
BAJOCOEFICIENTEDE EXPANSIÓN
Cuando se unen los dos metales y enredados en espiral, la expansión provoca que el lado libre rote. Este es un instrumento relativamente barato, pero es inexacto y lento en relación a su respuesta.
162#
Termómetro bimetálico
Este instrumento contiene pocas partes móviles, sólo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o de la hélice y el propio elemento bimetálico. El eje y el elemento están sostenidos con cojinetes y el conjunto está construido con precisión para evitar rozamientos. La precisión del instrumento es de 1% y su campo de medida (rango) es de –200 a +500 ºC.Este instrumento es el indicador local de temperatura mas comúnmente utilizado.
163#
Sistemas Termales
Este es uno de los métodos más antiguos utilizados para indicación local, registro y control y actualmente su uso se limita a transmisores, sobretodo en lazos neumáticos. Básicamente es un medidor de presión que consiste de:
- Un bulbo sensitivo, inmerso en el medio a medir.
- Un tubo capilar conectado del bulbo al dispositivo de lectura para que cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse moviendo,
- Un dispositivo indicador actuado por presión para efectuar la indicación de temperatura.
164#
Mecanismo del sistema termal
bulbo
capilar
Dispositivo indicador
165#
Compensación del sistema termal
Uno de los problemas básicos de este sistema es el error inducido por las variaciones en la temperatura ambiente, por lo que requiere una compensación.
La compensación puede ser de dos tipos: En caja por medio de un elemento bimetálico que tiende a anular los efectos de la temperatura ambiente sobre el receptor; y Total por medio de otro capilar paralelo que este sometido a los mismos efectos y los contrarresta, sobretodo cuando la extensión del capilar es considerable
166#
Compensación del sistema
167#
Clasificación del sistema termal
De acuerdo a la Asociación de Fabricantes de Aparatos Eléctricos (SAMA) existen cuatro grupos de acuerdo al fluido de llenado y al rango:
- Clase I Llenado con líquidos (cambios de volumen)- Clase II Llenado con vapor (cambios de presión)- Clase III Llenado con gas (cambios de presión)- Clase V Llenado con mercurio (cambios de volumen)
El rango de medición de estos instrumentos varía entre –40 hasta +500 ºC, dependiendo del tipo de líquido, vapor o gas que se emplee.
168#
Comparación de los sistemas termales
NO USO EN CONTROLPARA CONTROL-270 A 160TOTAL
GASIIIB
NO USO EN CONTROLSIN COMPLINEAL-270 A 160TOTAL
GASIIIA
MANEJO DE HG150 %-40 A 640TOTAL
MERCURIOVA
MANEJO DE HG-40 A 640EN CAJA
MERCURIOVB
NO LINEAL
NO LINEAL
NO LINEAL
LINEAL EXCEPTO A
BAJA T
LINEAL EXCEPTO A
BAJA T
LINEALIDAD DE LA ESCALA
NINGUNO
NECESARIO COMPENSAR
NECESARIO COMPENSARLO
DEBE SER COMPENSADO
EFECTO DE LA COLUMNA
HIDROSTATICA
NO
150%
150%
150%
CAPACIDAD DE
SOBRERANGO
NO COMP. POR T AMB.
NO COMP. POR T AMB.
CAPILARES GRANDES
CAPILARES GRANDES
COSTO MENOR
VENTAJAS
4 A 5 s
4 A 5 s
4 A 5 s
6 A 7 s
6 A 7 s
6 A 7 s
VELOCIDADRESPUESTA SIN
TERMOPOZO
NO
EN CAJA
EN CAJA
EN CAJA
TOTAL
NO COMPEN
SADO
COMPENSACION
0 A 185
0 A 350
0 A 350
-90 A 370
-90 A 370
-90 A 370
TEMPERATURA
oC
NO TIENE SOBRECARGA
VAPOR IIC
VAPORIIB
VAPORIIA
DIFICIL EN T AMBIENTE
LIQUIDO1B
ESCALA LINEAL
CAPILAR CORTO,
LIQUIDO1A
LIMITACIONESFLUIDO DE LLENADO
CLASIFICACION SAMA
Características
169#
Características de los sistemas termales
Voluminoso, tiempo de respuesta lento, capilar sensible (requiere protección)
El tamaño del sensor es mayor que los sensores eléctricos.Varios sistemas se pueden instalar en una sola caja
La sensitividad y exactitud son comparativamente mas bajos que la mayoría de los sensores eléctricos.
Amplia variedad de gráficas de registro disponible
La falla del bulbo o del capilar implica el reemplazo total del sistema.El sistema es autocontenido y no necesita alimentación de energía para su
funcionamiento
No adecuados para temperaturas arriba de 750 oCCosto inicial relativamente bajo
Requiere señal de transmisión, si esta localizado a mas de 50 m del sistema
Principio de operación simple
El costo de reemplazo es mas alto que en la mayoría de los sistemas eléctricos
Construcción robusta
LIMITACIONESVENTAJAS
170#
El termopar es uno de los métodos más simples para medir temperatura. En 1821 Seebeck señaló que si se unían dos metales distintos por sus extremos y si se someten a temperaturas diferentes, entre las uniones aparecen fuerzas electromotrices generadas queestán en función de la diferencia de temperaturas en la unión y del tipo de metal utilizado para fabricar la unión. La ecuación que se cumple es:
FEM (mV) = a + bT + cT2
En su forma más simple, un termopar consiste de dos alambres, cada uno hecho de un metal homogéneo diferente o aleación. Los alambres son unidos en un extremo para formar una junta de medición. Esta junta de medición es expuesta al medio a ser medido. El otro extremo de los alambres van usualmente a un instrumento de medición, donde forman una junta de referencia. Cuando las dos juntas están a diferentes temperaturas, se producirá una f.e.m. (fuerza electromotriz).
Termopar
171#
Termopar
Metal A (+)
Metal B (-)Zona de Temperatura T1
Zona de Temperatura T2
T1 ≠T2
FEM = E
Junta de medición
(junta caliente)
Junta de referencia (junta fría)
172#
La fem en la junta caliente es manifestación del Efecto Perlier, este efecto involucra la liberación o absorción de calor en la unión cuando fluye corriente a través de el y de la dirección del flujo depende si el efecto es de calentamiento o enfriamiento.
En el efecto Thompson se desarrolla una segunda fem, debido al gradiente de temperatura de un conductor sencillo y homogéneo.
Efectos en el termopar
173#
1. En un circuito formado por un solo metal, la FEM generada es cero, cualquiera que sean las temperaturas.
2. Si se interrumpe un circuito termoeléctrico en una de sus uniones intercalándose un nuevo metal, la FEM generada por el circuito no cambia a condición de que los extremos del nuevo metal sean mantenidos a la misma temperatura que había en el punto de interrupción y de que la temperatura en la otra unión permanezca invariable.
3. En un circuito formado por dos metales diferentes la FEM generada es diferente de cero, siempre y cuando las temperaturas sean diferentes en la unión caliente con respecto de la unión fría.
Leyes de la Termoelectricidad
174#
Compensación por junta fría
Junta de medición y de referencia (industrial)
Junta de medición y de referencia (laboratorio)
JUNTA DE MEDICIÓN
T1
T2 JUNTA DE REFERENCIA
AL INSTRUMENTODE MEDICIÓNBAÑO DE
HIELO
ALAMBRESDE COBRE
ALAMBRE DE HIERRO
ALAMBRE DE CONSTANTANO
JUNTA DEMEDICIÓN
INSTRUMENTOT1 TERMOPAR
+
-
JUNTA DEREFERENCIA
Para prevenir errores por efectos de la junta fría, se efectúa una compensación, por medio de un baño de hielo o por medio de circuitos compensadores que suministran una femconstante.
175#
Oxidante o reductora
Oxidante
Oxidante
Oxidante
Reductora, no corrosivos
Oxidante
Oxidante
Inerte, ligeramente oxidante
Atmosfera recomendada
-190 a 400
-18 a 1760
-18 a 1700
-190 a 1370
-195 a 760
-195 a 900
1650 a 2315
0 a 1860
Rango °C
Buena
Buena
Buena
El mas lineal
Buena, lineal de 150 a 450
Buena
Buena
Buena debajo de 500
Linealidad
Temperatura limitadaCobre (+)
Constantano (-)T
Rango de temperaturaPlatino 10% Rodio (+)
Platino (-)S
Pequeño, respuesta rapida
Platino 13% Rodio (+)Platino (-)
R
Alta resistencia a la corrosion
Cromo (+)Alumel (-)
K
El mas economicoAcero (+)
Constantano (-)J
Alta resolucion mV/oCCromo (+)
Constantano (-)E
Alto costoW5Re Tungsteno 5% Rhenium (+)W26Re Tungsteno 26% Rhenium
C
Alto costoPlatino 30%, Rodio (+)Platino 6%, Rodio (-)
B
CaracterísticasMaterialesTipo de Termopar
Materiales de construcción
176#
Materiales de construcción
Tipos de termopares
Relación de temperatura vs F.E.M. del termoparTEMPERATURA
F.E.
M. M
ILIV
OLT
S
2 4 6 8 10 12 14 16 18
70
60
50
40
30
20
10
0
E
JK
R
S
BT
TIPO DENOMINACIÓN SIMBOLO MATERIAL SIMBOLO MATERIALT COBRE-CONSTANTANO TP COBRE TN CONSTANTANOJ FIERRO-CONSTANTANO JP FIERRO JN CONSTANTANOE CROMEL-CONSTANTANO EP CROMEL EN CONSTANTANOK CROMEL-ALUMEL KP CROMEL KN ALUMELS PLATINO-Pt 10% RH SP PLATINO10% RH SN PLATINOR PLATINO-Pt 13% RH RP PLATINO13% RH RN PLATINOB Pt 30% RH-Pt 6% RH BP PLATINO 30% RH BN PLATINO 6% RH
POSITIVO NEGATIVO
177#
Formas de conexión de termopares
Medición diferencial de temperatura con dos termopares
+
-
+
-
-
+
TERMOPARES
CONEXIONES
CAJA DECONEXIÓNES
CABLES DEEXTENSIÓN
INSTRUMENTO
CABLES DE COBRE
T1
T2
T = T1-T2
Termopares en paralelo
+
-
+
-
TERMOPARES
CONEXIONES CAJA DECONEXIÓNES
CABLES DEEXTENSIÓN
INSTRUMENTO
T1
T2
T = (T1+T2)/2
+
-
178#
Formas de conexión de termopares
Conexiones correcta del termopar
+
-
+
-
HIERRO
CONSTANTANOJUNTA DE
REFERENCIAT3
CABLES DE EXTENSIÓN
INSTRUMENTO
T1
BLOQUE DECONEXIONES
T2
HIERRO
CONSTANTANO
Conexiones incorrecta del termopar
+
-
+
-
HIERRO
CONSTANTANOJUNTA DE
REFERENCIAT3
CABLES DE EXTENSIÓN
INSTRUMENTO
T1
BLOQUE DECONEXIONES
T2
HIERRO
CONSTANTANO
179#
Cables de extensión de termopares
Los cables de extensión deben ser específicos para el tipo de termopar utilizado, aunque para una transmisión a gran distancia puede utilizarse cobre, cuidando la temperatura y composición homogénea del conductor.
180#
Aspectos a cuidar en los termopares
1. Puntos de fusión.2. Reacciones en varias atmósferas.3. Salida termoeléctrica combinada.4. Conductancia eléctrica.5. Estabilidad.6. Repetibilidad.7. Costo.8. Facilidad de manejo y fabricación.
181#
Ventajas y desventajas en los termopares
Ventajas:Determinación de la temperatura se realiza prácticamente
en un puntoLa capacidad calorífica de un termopar puede ser muy
pequeña, con lo que la respuesta a las variaciones de temperatura sería muy rápida.
La salida del sensor es una señal eléctrica producida por el mismo termopar y por tanto no es necesario alimentarlo con ninguna corriente exterior
Desventajas:Es necesario mantener la unión de referencia a una
temperatura constante y conocida pues la incertidumbre en la temperatura de referencia produce una del mismo orden en la medida.
182#
Características de los termopares
En sistemas de control digital requieren tarjetas especiales de entrada
No tiene partes móviles
Se deben escoger los materiales adecuados para resistir atmósferas oxidantes y reductoras
Tamaño pequeño y construcción robusta
Baja exactitud cuando se compara con los RTD´sBuena exactitud y velocidad de respuesta
Los voltajes en los conductores pueden afectar la calibraciónFácil calibración y reproducibilidad
Susceptibles a ia inducción de ruidosAmplio rango desde 0 absolutos hasta 2500 oC
Su lectura no es tan directa y se requiere procesamiento en su indicación
Largas distancias de transmisión son posibles
Se deben evitar altos gradientes de temperaturaLa salida eléctrica es apropiada para accionar dispositivos de indicación y control
Sujetos a envejecimiento y contaminación de la junta calienteAmplia variedad de diseños comerciales disponibles
Relación de voltaje–temperatura no linealRelativamente baratos
LIMITACIONESVENTAJAS
183#
Termopozo
El termopozo se utiliza como elemento de protección del termopar y generalmente viene asociado con este.
184#
Termopozo tipo roscado
185#
Termopozo tipo bridado
186#
Termopozo tipo Van Stone
187#
Rangos de P y T de termopozos
80 200 400 600 800 1000TEMPERATURA, oF
PRES
IÓN
, PSI
5000
4000
3000
2000
1000
0
NIQUEL
HIERRO FUNDIDO
MONEL
ALUMINIO
COBRE
BRONCE
ACERO DE BAJO CARBON
ACERO INOXIDABLETIPOS 304, 316
188#
Tipos de termopares con su termopozo
Tipo ICabeza, conector tubulary tubo protector cerámico
Tipo HCabeza, conector doble roscay tubo protector cerámico
Tipo GCabeza, nipple, tuerca uniónnipple y termopozo bridado
Tipo FCabeza, nipple, tuerca uniónnipple y termopozo roscado
Tipo ECabeza, nipple de extensióny termopozo bridado
Tipo DCabeza, nipple de extensióny termopozo roscado
Tipo CCabeza y tubo protectorcon brida de montaje
Tipo BCabeza y tubo protectorcon buje de montaje
Tipo ACabeza y tubo protector
Un diseño para cada aplicación
ESPECIFICAR:- Calibración- Materiales
- Dimensiones- Otros accesorios
189#
Instalación del termopozo
(A) NORMAL
(B) ANGLED
(C) IN ELBOW
(A) NORMAL
(B) ANGULADO
(C) EN CODO
190#
El RTD o bulbo de resistencia es un medidor de la variación de la resistencia en función de la variación de la temperatura y solo se debe disponer de un alambre bobinado de metal puro, que permita tener una resistencia alta. La ecuación que lo rige, de acuerdo a Siemens en 1871, es:
donde R0 es la resistencia a la temperatura de referencia en ohms (Ω), Rt es la resistencia a la temperatura en Ω, aes el coeficiente de temperatura del material y b, c son coeficientes calculados.
Detectores de Temperatura tipo resistencia (RTD)
Rt = R0 (1 + aT + bT2 + cT3)
191#
El elemento consiste en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado, bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o cerámica.
El material que forma el conductor, se caracteriza por el "coeficiente de temperatura de resistencia" este se expresa en un cambio de resistencia en ohmios del conductor por grado de temperatura a una temperatura específica. Para casi todos los materiales, el coeficiente de temperatura es positivo, pero para otros muchos el coeficiente es esencialmente constante en grandes posiciones de su rango útil.
Detectores de Temperatura tipo resistencia (RTD)
192#
• Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el instrumento de medida será muy sensible.
• Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada, mayor será la variación por grado; mayor sensibilidad.
• Relación lineal resistencia-temperatura. • Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesos
de fabricación de estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda a fin de obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta).
Características de los materiales que forman el conductor de la resistencia
193#
El metal que presenta una relación resistencia-temperatura altamente estable es el Platino. Otros metales utilizados es el níquel (poco lineal), tungsteno (temperaturas mayores a 100oC) y cobre (bajo rango).
Detectores de Temperatura tipo resistencia (RTD)
RTD
Platino Níquel Tugsteno
194#
Curvas de respuesta de RTD
195#
Es el material más adecuado por su precisión y estabilidad, con el inconveniente de su costo. En general el RTD de Ptutilizada en la industria tiene una resistencia de 100 ohms a 0 ºC, y por esta razón, y por las ventajosas propiedades físicas del Pt fue elegido este termómetro como patrón para la determinación de temperaturas entre los puntos fijos desde el punto del O2 (-183 ºC) hasta el punto de Sb (630 ºC).
Con un termómetro de este tipo convenientemente graduado, se pueden hacer medidas con una exactitud de 0,01 ºC y cambios de temperatura de 0,001 ºC pueden medirse fácilmente.
RTD de Platino
196#
Los arrollamientos están protegidos contra desperfectos por tubos de metal y dispuestos de manera que permiten rápido intercambio de calor en el arrollamiento y el el tubo. El RTD de platino opera en un rango de -200 oC a 600 oC.
RTD de Platino
197#
Es un alambre fino embobinado en un núcleo de mica, vidrio u otro material, protegido por una cubierta, relleno de óxido de magnesio o óxido de aluminio
Construcción del RTD de platino
198#
Mas barato que el Pt y posee una resistencia más elevada con una mayor variación por grado, el interés de este material lo presenta su sensitividad, aunque no es lineal, ya que en el intervalo de temperatura de 0 a 100 ºC, la resistencia de Níquel aumenta en un 62% mientras que el Pt solo aumenta en un 38%.
Sin embargo los problemas relativos a su oxidación u otro tipo de deterioro químico, limitan su utilización e incluso ponen en peligro la reproducibilidad de sus medidas.
Otro problema añadido es la variación que experimenta su coeficiente de resistencia según los lotes fabricados.
RTD de Niquel
199#
Los termómetros de resistencia de níquel se usan mucho. Su intervalo de valor de Ro es de 10 a 10000 ohms.
RTD de Niquel
200#
El cobre tiene una variación de resistencia uniforme en el rango de temperatura cercano a la ambiente; es estable y barato, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad, ya que hace que las variaciones relativas de resistencia sean menores que las de cualquier otro metal. Por otra parte sus características químicas lo hacen no útil por encima de los 180 ºC.
RTD de Cobre
201#
RTD’s
202#
RTD’s
0,010,500,10
25,100, 13010010
AltoMedioBajo
-200 a 950-150 a 300-200 a 120
PlatinoNíquelCobre
PrecisiónºC
Resistencia deSonda a 0ºC,ohmios
Costorelativo
Intervalo útilde temperaturaen ºC
Metal
203#
La medición de resistencia en el RTD se realiza con un Puente de Wheatstone:
Nos permite determinar el valor de RXdesconocida, conocidas R1, R2 y RCCuando el miliamperímetro indica 0 mA. se dice que el puente está equilibrado.
La condición de equilibrio es:
C
X
RR
RR
=1
2
Puente de Wheatstone para medición
204#
Puente de Wheatstone para medición
Para compensar las longitudes muy grandes.
205#
Calibración del RTD
Courtesy of Rosemount, Inc.
SUMINISTRODE ENERGIA
DMM
DMM
++
-
-
READOUT RESISTOR
(ALTERNATE READOUT)
TRANSMITTER
CAJA DE DECADAS
RESISTORES
TRANSMISOR
LECTURA DE RESISTENCIA
(ALTERNATIVA DE LECTURA)
206#
Características de RTD’s
De vida corta si son sometidos a vibraciones y excesos mecánicos
Sensores de tamaño pequeño están disponibles
En sistemas de control digital requieren tarjetas especiales de entrada
No requieren compensación
La resistencia de los contactos puede alterar la mediciónRespuesta rápida
Tienen problemas de autocalentamientoBuena repetibilidad, no afectada por cambios térmicos
Algunas configuraciones son voluminosas y frágilesPueden medir rangos estrechos de temperatura (5 oC)
Precio altoAsociado en un sistema puede tener alta exactitud
LIMITACIONESVENTAJAS
207#
Termistor
Son resistores variables con la temperatura, que están basados en semiconductores. La principal característica de este tipo de resistencias es que tienen una sensibilidad del orden de diez veces mayor que las metálicas y aumenta la resistencia al disminuir la temperatura.
Los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado, con variaciones rápidas y extremadamente grandes para cambios relativamente pequeños en la temperatura.
Su fundamento esta en la dependencia de la resistencia de los semiconductores con la temperatura, debida a la variación con esta del numero de portadores reduciéndose la resistencia, y de ahí que presenten coeficiente de temperatura negativo y varia con la presencia de impurezas.
208#
Termistor
Existe un límite impuesto por la temperatura de fusión, por lo que se debe evitar el autocalentamiento.
En cuanto a la estabilidad del termistor con el tiempo y el medio, esta se logra sometiéndolos a un envejecimiento artificial. La segunda se consigue recubriendo el termistor con vidrio si el medio donde va a trabajar le afecta. La intercambiabilidad es otro parámetro a considerar, pues sólo está garantizada para modelos especiales. Por ello, al sustituir un termistor en un circuito suele ser necesario reajustarlo, aunque se trate de una unidad del mismo modelo.
Por su alta sensibilidad permiten obtener alta resolución en la medida de temperatura. Dada su alta resistividad, pueden tener masa muypequeña, lo que les confiere una velocidad de respuesta rápida y permite emplear hilos largos para su conexión, aunque éstos vayan a estar sometidos a cambios de temperatura, porque ellos tienen mayor resistencia y coeficiente de temperatura. El costo es muy bajo.
209#
Ecuación del termistor
R0.- resistencia a la temperatura de referencia T0, en ohms.
Rt.- resistencia a la temperatura medida T, en ohms.
Ɵ.- Constante por fabricante
( ) ( )[ ]0/1/10
TTt RR −= θ
210#
Construcción del termistor
Los termistores están encapsulados y se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio, titanio y otros metales.
211#
Medición con el termistor
La medición se realiza con microamperímetro y con Puente de Wheatstone:
mA
Termistor
Miliamperímetro
Fuente deAlimentación
Con Miliamperímetro Con Galvanómetro
Fuente deAlimentación
G
Galvanómetro con cero central
Termistor
212#
Ventajas del termistor
No disponible para rangos ampliosSu estabilidad aumenta con el envejecimiento (el 90% se da en la primera semana)
Valores altos de resistencia requieren líneas de potencia blindadas, filtros o voltajes de corriente directa
EL efecto de los cables y de la temperatura ambiente en el medidor se elimina con valores de resistencia altos
Bajo costo
Menos estable que otros dispositivos eléctricosBueno para rangos estrechos
EL intercambio de elementos es problemáticoRespuesta rápida
Poca experiencia en su usoDe tamaño pequeño y numerosas configuraciones disponibles
Comportamiento no linealAlta sensitividad
LIMITACIONESVENTAJAS
213#
Pirómetro
Un pirómetro en un instrumento utilizado para medir, por medios eléctricos, elevadas temperaturas por encima del alcance de cualquier otro medidor.
Existen dos tipos básicos:
•Los pirómetros de radiación que se basan en la ley de Stephan -Boltzman y se destinan a medir elevadas temperaturas, arriba de 1600 °C.
•Los pirómetros ópticos que se basan en la ley de distribución de la radiación térmica de Wien y con ellos se han definido puntos por encima de 1063 °C.
214#
Pirómetro de radiación
Este instrumento no necesita estar en contacto intimo con el objeto caliente, se basa en la ley de Stephan Boltzmann de energía radiante, la cual establece que la superficie de un cuerpo es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta:
W=KT4
W = Energía emitida por un cuerpoT= Temperatura absoluta (°K)K= Constante de Stephan Boltzmann = 4.92x10 Kcal/m2
Los pirómetros de radiación para uso industrial, fueron introducidos hacia 1902 y desde entonces se han construido de diversas formas, existiendo dos tipos: espejo concavo y lente .
215#
Pirómetro de radiación tipo espejo
El espejo cóncavo es a veces preferido como medio para enfocar por dos razones:
1) la imagen de la fuente se enfoca igualmente bien en el receptor para todas las longitudes de onda, puesto que el espejo no produce aberración cromática, en tanto que la lente puede dar una imagen neta para una sola longitud de onda.
2) las lentes de vidrio o de sílice vítrea absorben completamente una parte considerable de la radiación de largas longitudes de onda. La radiación reflejada por el espejo difiere poco en longitud de onda mediade la que en él incide.
216#
Pirómetro de radiación tipo espejo
El instrumento suele ser de "foco fijo" o ajustable en el foco, y el elemento sensible puede ser un simple termopar o una pila termoeléctrica. La fuerza electromotriz se mide con un milivoltímetro o con un potenciómetro.
217#
Pirómetro de radiación tipo lente
Este pirómetro está formado por una lente de pyrex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en una pila termoeléctrica formada por varios RTD´s de Pt - Pt Rd de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones caliente de los termopares. La f.e.m. que proporciona la pila termoeléctrica depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión frío. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura ambiente. La compensación de este se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro.
La compensación descrita se utiliza para temperaturas ambientales máximas de 120 °C. A mayores temperaturas se emplean dispositivos de refrigeración por aire o por agua que disminuyen la temperatura de la caja en unos 10 a 40 °C por debajo de la temperatura ambiente.
218#
Pirómetro de radiación tipo lente
219#
Pirómetro de radiación tipo lente
En la medida de bajas temperaturas la compensación se efectúa utilizando además una resistencia termostática adicional que mantiene constante la temperatura de la caja en unos 50 °C, valor que es un poco más alto que la temperatura ambiente que pueda encontrarse y lo suficientemente bajo como para reducir apreciablemente la diferencia de temperatura útil. El pirómetro puede apuntar al objeto bien directamente, bien a través de un tubo de mira abierto (se impide la llegada de radiación de otras fuentes extrañas) o cerrado (medida de temperatura en baños de sales para tratamientos térmicos, hornos)
Los tubos pueden ser metálicos o cerámicos. Los primeros son de acero inoxidable o aleaciones metálicas resistentes al calor y a la corrosión y se emplean temperaturas que no superan generalmente los 1100 °C.
Permiten una respuesta más rápida a los cambios de temperatura que los tubos cerámicos. Los tubos cerámicos se utilizan hasta 1650 °C.
220#
Aplicaciones del pirómetro de radiación
•donde un termopar sería envenenado por la atmósfera de horno.
•para la medida de temperaturas de superficies .
•para medir temperaturas de objetos que se muevan .
•para medir temperaturas superiores a la amplitud de los pares termoeléctricos formados por metales comunes.
•donde las condiciones mecánicas, tales como vibraciones o choques acorten la vida de un par termoeléctrico caliente.
Y, cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de temperatura.
221#
Pirómetro óptico
Se basan en la ley de distribución de la radiación térmica de λWien:
m λ= A / T, donde A = 0.2897 si m viene en cm.
La longitud de onda λ correspondiente al máximo de potencia irradiada en forma de radiaciones comprendidas en un intervalo infinitamente pequeño de longitudes de onda es inversamente proporcional a la temperatura del cuerpo negro.
En la medición de temperaturas con estos pirómetros se utiliza una característica de la radiación térmica: el brillo. El brillo de la radiación en una banda muy estrecha de longitudes de onda emitidas por unafuente, cuya temperatura ha de medirse, es confrontado visualmente con el brillo, en la misma banda, de una fuente calibrada.
Cuando la energía radiante es luminosa, como sucede con las flamas y los metales fundidos se utiliza un pirómetro óptico, cuyo principio se basa en la variación de la resistencia de una fotocelda al variar la intensidad de la luz a la que esta expuesta.
222#
Estructura de un pirómetro óptico
El pirómetro óptico empleado en la determinación de altas temperaturas tales como las temperaturas de fusión del platino, del molibdeno o del tungsteno, es del tipo de filamento.
223#
Problemas comunes en la medición de temperatura
• Localización del elemento• Velocidad del fluido• Deterioro del material• Elemento cubierto o termopozo• Conexiones del cable• Falla del elemento• ¿Otros?
224#
Criterios de selección de medidores de temperatura
Las prioridades de selección son:
• Rango• Exactitud• Estabilidad•Instalación•Costo
225#
Rango de medidores de temperatura
-250 -200 -100 0 100 200 500 1000 2000
RANGO DE APLICACIÓN EN oC
Vapor
Gas
Mercurio
TermoparesTipo ITipo JTipo KTipo R y S
RTD´sNiquelPlatino
Termistores
226#
Características de los medidores de temperatura
BuenaExcelenteBuenaExcelenteEstabilidad
BuenaExcelenteBuenaMalaRepetibilidad
BuenaInherenteNo necesarioOpcionalElemento secundario
sensor/transmisorsensor/transmisorNo requeridaAl transmisorSuministro de energía
Lineal, excepto clase II
4-7 s, sin termopozo
Variable
±0.5% a ±2% escalatotal
500
-180
SISTEMA TERMAL
No lineal
Depende del calibre e instalación
10-50 mV/oC
±0.25% a ±2%
2500
-250
TERMOPARES
Lineal, excepto con níquel
Aprox. 6 s
De 0.0004 a 0.0007 Ω/ ΩoC
0.05 oC
1000
-250
BULBOS DE RESISTENCIA
3-6 sTiempo de respuesta
Lineal en rangos cortos
Salida
Aprox 5%/oCSensitividad
0.05 oCExactitud
450Rango máximo oCrecomendable
-100Rango mínimo oCrecomendable
TERMISTORESCARACTERÍSTICA
227
Standards
Certification
Education & Training
Publishing
Conferences & Exhibits
INSTRUMENTACIINSTRUMENTACIÓÓN N BBÁÁSICA DE PROCESOS SICA DE PROCESOS INDUSTRIALESINDUSTRIALES
CAPCAPÍÍTULO 4TULO 4
MEDICIMEDICIÓÓN DE PRESIN DE PRESIÓÓNN
M. en C. Armando Morales Sánchez16, 17 y 18 de mayo del 2007
228#
La presión es la variable más comúnmente medida, junto con la temperatura, en plantas de proceso y esto es debido a . a que puede reflejar la fuerza motriz para la reacción o transferencia de fase de gases; la fuerza motriz para el transporte de gases o líquidos; la cantidad másica de un gas en un volumen determinado; etc.
El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras. Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, sino también provoca la destrucción del equipo adyacente y pone al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos.
Elementos primarios de medición de Presión
229#
Elementos primarios de medición de Presión
La presión puede definirse como una fuerza por unidad de área o superficie, en donde para la mayoría de los casos se mide directamente por su equilibrio directamente con otra fuerza, conocida que puede ser la de una columna líquida, un resorte, un émbolo cargado con un peso o un diafragma cargado con un resorte o cualquier otro elemento que puede sufrir una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión.
230#
Sistemas de unidades - InstrumentaciónU.S METRICO SI
PRESIÓNpsi
Pulgadas de aguaPulgadas de mercurio
Kg/cm2
mm de aguamm de mercurio
bar
Pascal(KPa)
231#
Elementos primarios de medición de Presión
La unidad internacional de presión es el Pascal (Pa), el cualcaracteriza una presión uniforme que actúa sobre un área de un metro cuadrado y crea sobre esta área una fuerzaperpendicular de 1 Newton
1 Pa = 1 Newton/m2
Pa bar psi Kg/cm2 mm Hg m H2O
1Pa = 1 1 x10-5 1.04503 x10-4 1.01971 x10-5 7.500627x10-3 1.019716 x 10-4
232#
Tipos de Presiones
Presión absoluta: Presión que se mide a partir de la presión cero de un vacío absoluto.
Presión atmosférica: Presión que ejerce la atmósfera que rodea la tierra (barométrica) sobre todos los objetos que se hallan en contacto con ella.
Presión relativa (manométrica): Presión mayor a la presión atmosférica, es la presión medida con referencia a la presión atmosférica, conocida también como presión relativa o presión positiva.
Presión diferencial: Es la diferencia entre dos presiones.
233#
Tipos de Presiones
Presión absoluta
Presión manométrica
Presión atmósferica
Presión barométricaPresión de vacío
0 absoluto = 0 psia
760 mm Hg = 14.7 Psia0
Vacío: Presión menor a la presión atmosférica, medida por abajo de la presión atmosférica. Cuando el vacío se mide con respecto a la presión atmosférica se le conoce como presión negativa, el vacío también puede medirse con respecto al "cero absoluto" como una presión absoluta menor a la presión atmosférica.
234#
Manómetros
Es el nombre genérico de los instrumentos que miden presión. Generalmente se usa para designar a los instrumentos que miden presión arriba de la presión atmosférica.
La forma más tradicional de medir presión en forma precisa utiliza un tubo de vidrio en forma de "U", donde se deposita unacantidad de líquido de densidad conocida (para presiones altas, se utiliza habitualmente mercurio para que el tubo tenga dimensiones razonables; sin embargo, para presiones pequeñas el manómetro en U de mercurio sería poco sensible).
Este tipo de manómetros tiene una ganancia que expresa la diferencia de presión entre los dos extremos del tubo mediante una medición de diferencia de altura (es decir, una longitud).
235#
Manómetro de U
El manómetro de "U" conforma un sistema de medición absoluto y no depende de calibración por lo que se considera un patrón de medición de presión.
Su desventaja principal es la longitud de tubos necesarios para una medición de presiones altas y no se utiliza en un sistema de transmisión remota.
236#
ESCALA LINEALGRADUADA
NIVEL DE REFERENCIA CEROCON IGUAL PRESIÓN
EN CADA TUBO
(A) MANOMETRO CON IGUAL PRESIÓN EN CADA TUBO
4
3
2
1
0
1
2
3
4
Manómetro de U
237#
Manómetro mecánicos
El manómetro es el instrumento local utilizado para medir presión y su elemento sensor generalmente es un Bourdon.
Los manómetros contienen órganos medidores que se deforman bajo la influencia de una presión elástica. Este movimiento se transmite a un mecanismo indicador.
Debido a su resistencia y fácil manejo, los manómetros están ampliamente difundidos en el campo de la medición de presión. Los órganos medidores están construidos normalmente con aleaciones de cobre o aceros aleados.
238#
Manómetros
239#
Manómetros de diafragma
Los diafragmas son láminas elásticas onduladas de forma circular. Por una cara soportan la presión a medir. La curvatura de la membrana es una medida de la presión.
Las láminas elásticas tienen una fuerza de retorno relativamente grande por lo que la influencia de los equipos adicionales es por este motivo inferior que en los aparatos con tubo de Bourdon. Para la corrosión se pueden proteger de las substancias corrosivas mediante la cobertura o anteposición de láminas de plástico.
240#
Manómetros de diafragma
La diferencia de la indicación al cambiar la temperatura es considerablemente superior que en los aparatos con tubo Bourdon.
Los manómetros de láminas elásticas se usan para tensiones de medición de 10 mbar a 25 bar
241#
Tipo diafragma Horizontal Vertical
Manómetros de diafragma
242#
Medición de diferentes tipos de presión
243#
Ventajas de los manómetros de diafragma
Buena linealidad
De tamaño relativamente pequeño
Costo moderado
Requieren transductores adicionales para salida eléctricaPueden soportar altas presiones
Deben ser protegidos de golpes y vibracionesNumerosos materiales de construcción son disponibles para la resistencia a la corrosión y
temperatura
Difícil su reparaciónPrincipio de operación simple
No aplicables a altas presionesPueden ser directamente acoplados al proceso
LIMITACIONESVENTAJAS
244#
Manómetros tipo Fuelle
Los fuelles son elementos expandibles y contraíbles, que tienen la forma de un acordeón. Con el fin de tener mayor duración y mejorar su exactitud, el movimiento del fuelle es restringido por medio de un resorte calibrado.
245#
BELLOWS
PIVOT
UNDERANGEPROTECTION
BELLOWS WITH STOPS
OVERRANGEPROTECTION
PRESSURE
SPRING
BELLOWS
CAN
PRESSURE
BELLOWS IN A CAN
PRESIÓN
FUELLE
PIVOTE
FUELLE
PRESIÓN
RESORTE
PROTECCIÓN DESOBRERANGO
PROTECCIÓN DESUBRANGO
FUELLES EN UN RECIPIENTE FUELLES CON TOPES
Manómetros tipo Fuelle
246#
Ventajas de los manómetros tipo Fuelle
Difícil calibración, algunas veces solo se logra con la ayuda de resortes
Algunos metales usados en los fuelles deben ser sometidos a endurecimiento
Buenos para bajas presiones a moderadas
Generalmente deben ser compensados por cambios en la temperaturaambiente
Disponibles para medición absoluta y diferencial
Requieren resortes para tener caracterización de exactitudCosto moderado
No aplicables a altas presionesDesarrollan grandes fuerzas
LIMITACIONESVENTAJAS
247#
Manómetros con tubo de Bourdon
Para cualquier tipo de carga, la relación entre la carga y la deformación ε es una constante del material, conocida como el módulo de Young:
E=Carga/ε
Si la constante de deformación es conocida, se puede obtener la carga según: Carga = E*ε
De modo que frente a deformaciones pequeñas de materiales elásticos, seráposible obtener una cuantificación reproducible de las cargas (fuerzas) solicitantes.
El manómetro de Bourdon depende, precisamente, de la elasticidad de los materiales utilizados en su construcción.
248#
Manómetros con tubo de Bourdon
Este manómetro, tal vez el más común en plantas de procesos que requieran medición de presiones, consiste de un tubo metálico achatado y curvado en forma de "C", abierto sólo en un extremo.
La presión a medir actúa sobre la cara interior del tubo, con lo que la sección oval se aproxima a la forma circular. Mediante el acodamiento del tubo de Bourdon se producen tensiones en el borde que flexionan el tubo.
Los manómetros de tubo de Bourdon se utilizan para presiones de medición de 0,6 bar a 4000 bar, principalmente en las clases 0,6 a 2,5. La influencia de la modificación de la temperatura sobre la indicación estádeterminada fundamentalmente por la evolución de la temperatura del módulo de elasticidad del tubo de Bourdon. El error causado por la temperatura, según el material, está entre 0,3% y 0,4%.
249#
Tipo de tubo Bourdon
250#
Tipo de tubo Bourdon
En Forma de C En Forma helicoidal
251#
SECCIÓN TRANSVERSALOVAL
MOVIMIENTODEL PLATO
SOPORTE
ESPIRAL
SECTORDENTADO
DIAL
PIÑÓN
EXTREMO LIBRECERRADO
ESLABÓNAJUSTABLE
EXTREMO FIJOABIERTO
Tipo de tubo Bourdon
252#
Elementos en espiral y helicoidal
OPEN END
MOVABLE TIP
MOVABLE TIP
OPEN ENDEXTREMO ABIERTO
EXTREMO ABIERTOPUNTA MOVIBLE
PUNTA MOVIBLE
253#
Ventajas del tubo Bourdon
Diseños mejorados para máxima seguridad en altas presiones
Fácilmente adaptable a transductores para obtener salida eléctrica
Buena exactitud contra costo, excepto en rangos bajos
Histéresis de 0.25% a 0.50 % sobre el ciclo total de operaciónMuy altos rangos de presión
Largos periodos de trabajo en su máxima capacidad los hace sensibles a golpes y vibraciones
Muy utilizado a través de los años
Usualmente requieren movimiento engranado para amplificación (Bourdon C)
Construcción simple
Muy bajo gradiente elástico debajo de 3 Kg/cmCosto bajo
LIMITACIONESVENTAJAS
254#
Construcción de manómetros
255#
Construcción de manómetros
256#
Elementos de un Manómetro
257#
Rangos de indicación
• La presión de operación deberá estar ubicada en el tercio central del rango de indicación del manómetro.
• La carga de presión máxima no debería superar el 75% del valor final de escala con carga en reposo o el 65% del valor final de escala con carga dinámica, véase EN 837-2.
258#
Amortiguador de pulsaciones
Si no pueden evitarse las vibraciones en el manómetro mediante la instalación apropiada, deben utilizarse aparatos con amortiguamiento del mecanismo indicador o llenado de líquido, ya que si no dañarían los manómetros, transmisores y otros dispositivos. La presión pulsante podría gastar rápidamente los movimientos del manómetro mecánico. Esto es especialmente verdadero cuando se utilizan bombas de desplazamiento positivo. Las oscilaciones pueden reducirse o suprimirse colocando un amortiguador en la línea.
259#
Courtesy University of Texas PetroleumExtension Service
FILTRO
STRAINERS
RUBBER BULB
WASHER
FELT PLUG
ADJUSTING SCREW
GLYCERINE
(A) (B)
BULBO DEGOMA TORNILLO
AJUSTABLEGLICERINA
ROLDANA
TAPON DE CONTACTO
COLADORES
Amortiguador de pulsaciones
260#
El tubo sifón o cola de cochino
La cola de cochino es utilizada para aislar el proceso caliente del instrumento. Cuando los gases llenan el tubo estos se condensan y llenan la parte baja de la cola de cochino. Esto funciona como un tapón que impide que los gases alcancen al instrumento y también irradia algo de calor al aire circundante. La cola de cochino no debe estar aislada.El espacio de vapor entre el manómetro/transmisor y el sello de condensado es compresible, por lo que los cambios de presión no serán vistos tan rápidamente como con otros dispositivos. El sello de agua actúa como un amortiguador.
261#
SELLO DE CONDENSADO
MEDIDOR DE PRESIÓNO TRANSMISOR
GAS CALIENTE
GAS CALIENTE
GASFRIO
FLUJO
El tubo sifón o cola de cochino
262#
Instalación
Instrumento debajo del proceso – Parte inferior de lapierna de llenado
Instrumento arriba del proceso – El condensado retrocede
TRANSMISOR
PROCESOTRANSMISOR
PROCESO SELLO TIPORECIPIENTE
Instrumento aislado del proceso
TRANSMISOR
PROCESOTRANSMISOR
Instrumento aislado del proceso
PROCESO
CIERRE REMOTO
TUBO CAPILAR
263#
Medidores electrónicos de presión
Existen básicamente dos tipos:
- Tipo Capacitivo- Tipo medidor de deformaciones o strain gage
264#
Medidor tipo Capacitivo
El principio básico es la medición del cambio de capacitancia por el movimiento de un elemento elástico. Este elemento casi siempre es un diafragma cuyo movimiento es del orden de milésimas con una presión de referencia.
265#
Medidor tipo Capacitivo
La señal de presión, referencia y medida, es aplicada por medio de dos diafragmas, que son los que están en contacto directo con el proceso. Las características de este instrumento son:
Costo moderado
Desplazamiento volumétrico pequeño
Resolución uniforme
Construcción simple
La unidad electrónica necesita estar bien diseñada e instaladaExcelentes características de histéresis y respuesta en frecuencia
Salida de alta impedanciaBuena velocidad de respuesta
EN ocasiones es necesario compensarlo debido a a variaciones de temperatura
Buena Exactitud
LIMITACIONESVENTAJAS
266#
Medidor de deformaciones tipo Strain Gage
De acuerdo a la Ley de Hooke, cuando un cuerpo se le aplica una fuerza, este sufre una deformación. Un medidor de deformaciones, strain gage o galga de extensión es un dispositivo que utiliza la variación de su resistencia eléctrica para medir su presión y seconstruye sobre un metal de coeficiente de elasticidad dado, adosándole un alambre, una tira semiconductora o pistas conductoras.
267#
Medidor de deformaciones tipo Strain Gage
Al deformarse el soporte de la galga o strain gage, se "estira" o se "comprime" el sensor, variando así, su resistencia. El cambio de resistencia será, precisamente, el reflejo de la deformación sufrida. En términos de su caracterización, dada la resistencia R sin deformación, la aplicación de una fuerza F deformante producirá un cambio de resistencia.
268#
Tipos físicos de medidores de esfuerzo
Medidor de esfuerzo de hilo metálico. Son las más sencillas y se encuentran en configuraciones fijables. Normalmente están adheridas a una base de dimensiones estables.
Medidor de esfuerzo laminares metálicas. Son las que se desarrollan por métodos de fotograbado. Se fabrican de forma similar a la producción de circuitos impresos en bases flexibles.
Medidor de esfuerzo de metal depositado. Son las aplicadas directamente sobre superficies mediante métodos de evaporización o bombardeo químico. Se usan en los diafragmas de los sensores de presión.
269#
Tipos físicos de medidores de esfuerzo
Medidor de esfuerzo Semiconductoras. Son fabricadas con silicio u otro metal semiconductor. Su cambio resistivo es menos lineal que las de metal y tiene gran dependencia en la temperatura. Se usan en la fabricación de sensores integrados de presión donde se implantan en microdiafragmas para sensar presión diferencial o presión barométrica.
Los materiales empleados para la fabricación de medidor de esfuerzo son diversos conductores metálicos, como las aleaciones constantan, advance, karma, isoelastic, y también semiconductores como el silicio y el germanio. Las aleaciones metálicas tienen la ventaja de un bajo coeficiente de temperatura.
270#
Tipos físicos de medidores de esfuerzo
271#
Medidor de esfuerzos
En la práctica, el medidor de deformaciones va asociado con un fuelle o un diafragma. Los medidores tipo alambre y película son hechos de metales y aleaciones metálicas. El más reciente avance en este campo son los de película delgada.
272#
Circuito de medición
El puente de Wheatstone es el arreglo más común, por ser sensible, para sensar cambios producidos por el medidor de esfuerzo.
Cuando no hay deformación, se asume que todas las resistencias son iguales. Entonces, si ΔR = 0 y todas las resistencias son iguales Vsa = 0.
Si se tiene una deformación que produce un ΔR ≠ 0, se tiene:
)( RRRRE
RRREVsa
Δ++−
+= E
RRREVsaΔ+
−=22
1
RRRE
RRREERRVsa
Δ+Δ
=Δ+−Δ+
=24)2(2
2)2(
El cambio ΔR es muy pequeño (típicamente de 1 a 10% del valor nominal de R) Entonces 4R >> 2ΔR, y el voltaje de salida se reduce a:
ERRVsa
4Δ
≅
273#
Circuito de medición
Habitualmente se utilizan circuitos en puentes, compensados por temperatura, diseñados para los valores típicos de estas galgas (resistencias nominales de 120 Ω , 350 Ω , 600 Ω y 1000 Ω ) utilizando corrientes que no excedan los 10 mA.
[ ]TRTR T Δ+= 01)(0
α
274#
Medidor tipo Strain Gage
Buena capacidad de sobrecarga
Resolución continua y uniforme
Costo de moderado a altoCaracterísticas robustas contra golpes y vibraciones
Sin partes móviles
Mantenimiento simple
Limitado a temperaturas de 300 oCPequeños y compactos
Dispositivos adicionales de lectura y transmisiónEstabilidad de largo termino
Baja señal de salidaAmplio rango de presión
Alimentación regulada de voltaje requeridaBuena Exactitud
LIMITACIONESVENTAJAS
275#
Medidores de presión diferencial
Frecuentemente es necesario conocer la presión relativa entre dos puntos; tales sistemas se conocen como sensores de presión diferencial.
Existen diferentes métodos y a continuación se analiza un sensor de presión diferencial, basado en un medidor de esfuerzo.
Las señales de presión, P1 y PR, se entregan a dos diafragmas aislantes, que impiden que el fluido ingrese a la cámara sensible. La presión es transmitida a la sección sensible mediante capilares, que están llenos de un fluido adecuado (por ejemplo aceite de silicon).
276#
Medidores de presión diferencial
Existen dos cámaras separadas por el medidor en el centro, conocida como el diafragma sensor, cuyo único requisito es que impida el paso del fluido interno de un lado hacia el otro.
277#
Medidores de presión diferencial
Uno de los diafragmas aislantes puede ser sujeto a una presión constante de referencia, de modo que la posición del diafragma de referencia será una función de la presión aplicada en un sólo lado. Similarmente, se pueden aplicar dos presiones y la posición del diafragma sensor será una función de la presión diferencial.
278#
Consejos de Calibration para transmisores de presión y D/P
• Nunca desconecte o abra sin la confirmación de que es seguro
• Lea y siga las instrucciones• Utilice el equipo apropiado• Elimine fugas• Drene todos los líquidos• Calibre en la temperatura• Calibre en la presión
279#
Problemas comunes en la medición de presión
• Líneas conectadas• Sobrerango• Materiales de construcción• ¿Otros?
280#
Características de los medidores de presión
7 cm H2O0.3 Kg/cm21 Kg/cm20.3 Kg/cm27.5” H2OSpan mínimo
Analógica y digital
Lineal
Al sensor y transmisor
Integral
Absoluta, diferencial y vacío
300 oC
0.01% E.T.
0.3 a 13000 Kg/cm2
± 0.25% E.T.
STRAIN GAGE
Al sensor y transmisor
Al transmisorAl transmisorAl transmisorSuministro de energía
LinealLineal, excepto con el tipo C
LinealLinealRespuesta
Analógica y digitalAnalógicaAnalógicaAnalógicaSalida
Requerido
Absoluta, diferencial y vacío
300 oC
0.25% del span
0 a 12 Kg/cm2
.1 a 1% del span
DIAFRAGMAS
Requerido
Absoluta, diferencial y vacío
120 oC
0.25% del span
0 a 35 Kg/cm2
0.5% del span
FUELLES
Requerido
Absoluta, diferencial y vacío
300 oC
0.01% del span
1 a 1500 Kg/cm2
0.5% del span
BOURDONES
Absoluta, diferencial y vacío
Servicio en presión
IntegralElemento secundario
120 oCTemperatura máxima
0.02% E.T.Sensitividad
0 a 300 Kg/cm2Rango recomendable
± 0.15% E.T.Exactitud
CAPACITIVOCARACTERÍSTICA
281
Standards
Certification
Education & Training
Publishing
Conferences & Exhibits
INSTRUMENTACIINSTRUMENTACIÓÓN N BBÁÁSICA DE PROCESOS SICA DE PROCESOS INDUSTRIALESINDUSTRIALES
CAPCAPÍÍTULO 5TULO 5
MEDICIMEDICIÓÓN DE NIVELN DE NIVEL
M. en C. Armando Morales Sánchez16, 17 y 18 de mayo del 2007
282#
Medición de Nivel
En la industria, la medición de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista del funcionamiento del proceso como de la consideración del balance adecuado de materias primas o de productos finales.
Dentro de los procesos industriales la medición y el control de nivel se hace necesario cuando se pretende tener una producción continua, cuando se desea mantener una presión hidrostática, cuando un proceso requiere de control y medición de volúmenes de líquidos ó; bien en el caso más simple, para evitar que un líquido se derrame, la medición de nivel de líquidos, dentro de un recipiente parece sencilla, pero puede convertirse en un problema más ó menos difícil, sobre todo cuando el material es corrosivo ó abrasivo, cuando se mantiene a altas presiones, cuando es radioactivo ó cuando se encuentra en un recipiente sellado.
283#
Medición de nivel en líquidos
Se realiza de forma indirecta en base a:
• La altura de líquido sobre una línea de referencia,
• La presión hidrostática,
• El desplazamiento producido en un flotador por el propio líquido contenido en el tanque del proceso,
• Aprovechando características eléctricas del líquido.
284#
Medición de nivel en líquidos
Se dividen en tres tipos:
• Los instrumentos de nivel de medida directa.
• Los que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática.
• Los que utilizan características eléctricas del líquido.
285#
Instrumentos de nivel de medida directa
Los instrumentos de medida directa se dividen en:
– Medidor de sonda
– Medidor de cinta y plomada
– Medidor de nivel de cristal
– Medidor de flotador.
286#
Instrumentos de nivel por presión hidrostática
Los que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática se dividen en:
– Medidor manométrico
– Medidor de membrana
– Medidor de tipo burbujeo
– Medidor de presión diferencial de diafragma
287#
Instrumentos de nivel por característica eléctrica
Los que utilizan características eléctricas del líquido se clasifican en:
– Medidor conductivo
– Medidor capacitivo
– Medidor ultrasónico
– Medidor de radiación
– Medidor láser
288#
Medidor de Sonda o regla
Consiste en una varilla o regla graduada, de longitud conveniente para introducirla dentro del depósito. La determinación del nivel se efectúa por la lectura directa de la longitud mojada por el líquido. En el momento de la lectura el tanque debe estar abierto a presión atmosférica. Se utiliza generalmente en tanques de gasolina.
289#
Medidor de cinta
Este sistema graduada y un plomo en la punta y opera bajo el principio de flotación, en el que el flotador actúa balanceado a un indicador o contrapeso que proporciona una indicación directa del nivel. Se emplea cuando es difícil que la regla tenga acceso al fondo del estanque.
290#
Medidor de cinta
291#
Medidor de cinta y plomada
Adaptable para transmisión
Resistencia buena a la corrosión
Presión de operación limitada a unas cuantas “H2O manométicasBajo costo
Baja presiónConstrucción e instalación simple
LIMITACIONESVENTAJAS
292#
Medidor de cristal (mirilla)
Consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectador a bloques metálicos y cerrados por prensaestopas que están unidos al tanque generalmente mediante tres válvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo para impedir el escape del líquido en caso de rotura del cristal y una de purga.
El nivel de cristal normal se emplea para presiones hasta 7 bar. A presiones más elevadas el cristal es grueso, de sección rectangular y está protegido por una armadura metálica.
293#
Mirillas de vidrio básicas
CLOSE-LOOP SIGHT GLASSSCALE
OPEN-END SIGHT GLASS
(A) OPEN OR VENTED VESSEL (B) PRESSURIZED VESSEL
ESCALA
ESCALA
MIRILLA DE VIDRIOCON EXTREMO ABIERTO
MIRILLA DE VIDRIO CERRADO
(A) RECIPIENTE ABIERTO O VENTILADO (B) RECIPIENTE PRESURISADO
294#
Medidor de cristal (mirilla)
CRISTAL CON ARMADURA CRISTAL NORMAL
Generalmente se conocen como vidrios de nivel
295#
Medidor de fuerza de flotación
La fuerza producida por un cuerpo sumergido, la cual es igual al peso del fluido que dicho cuerpo desplaza se conoce como fuerza de flotación.
Bajo este principio se tienen dos tipos de medidores:
Desplazadores (fuerza)
Flotadores (movimiento)
296#
Medidor tipo desplazador
Su operación se basa en el principio de Arquímedes:
"Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza de empuje vertical hacia arriba igual al peso del fluido desalojado".
297#
Medidor tipo desplazador
Consiste en cuerpo inmerso, conocido como desplazador, en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión y unido rígidamente al recipiente. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior.
El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el ángulo de rotación de su extremo libre es directamente proporcional a la fuerza aplicada.
Al aumentar el nivel, el líquido ejerce un empuje sobre el desplazadorigual al volumen de la parte sumergida multiplicada por la densidad del líquido, tendiendo a neutralizar su peso propio, así que el esfuerzo medido por el tubo de torsión será muy pequeño. Por el contrario, al bajar el nivel, menor parte del desplazador queda sumergida, y la fuerza de empuje hacia arriba disminuye, resultando una mayor torsión.
298#
Medidor tipo desplazador
El desplazador esta suspendido en la barra, lo que restringe su movimiento y evita su contacto con cualquier parte del recipiente en que es colocado.
La varilla que conecta al desplazador con la barra de torsion esta diseñada para absorber las fuerzas laterales.
299#
La precisión es del orden de ± 0,5 % a ± 1 % .
El instrumento puede utilizarse en tanques abiertos y cerrados a presión o a vacío, tiene una buena sensitividad pero presenta el inconveniente del riesgo de depósitos de sólidos o de crecimiento de cristales en el flotador que afectan a la precisión de la medida y es apto sólo para la medida de pequeñas diferencias de nivel (2000 mm máximo como estándar).
Características del desplazador
300#
Características del desplazador
La caja del desplazador se construye de hierro o acero al carbón. La barra de torsión de K-monel como estándar. El desplazador esta construido de acero inoxidable 316.
La presión de trabajo es hasta 40 Kg/cm2 y 450 oC de temperatura. Sus conexiones pueden ser de 1 ½” roscadas o de 2” bridadas.
Se considera a este dispositivo simple, confiable y adaptable a un rango amplio de variación de nivel.
301#
Características del desplazador
Insensible a la presión del recipiente
Adecuados para la medición de interfaces
Fácil instalación
Convenientes para fluidos condensables
Debe mantenerse sumergidoBuena exactitud
Inadecuado para usarse con fluidos turbulentosNumerosos materiales de construcción para proporcionar resistencia a la corrosión
No puede ser usado en lodos o en fluidos cubrientesAdaptable a diferentes densidades de líquidos
Pesados y voluminososRequiere estopero
LIMITACIONESVENTAJAS
302#
Medidor de flotador
Consiste en un flotador, esfera de metal hueca, ubicado en el seno del líquido unido, por medio de una varilla, a una flecha rotatoria y a un cojinete que en conjunto llevan el movimiento hasta un mecanismo transmisor de balance de movimientos. Para tener máxima sensitividad es necesario que el flotador se sumerja hasta su sección más ancha.
303#
Medidor de flotador
Flotador
Nivel de líquido
Flotador
Cinta
Polea de fricción baja
Resorte de
tensión
++
+Rueda de lectura digital
304#
Medidor de flotador
Este tipo de dispositivo es el más antiguo y el más utilizado en la medición de niveles en tanques abiertos y cerrados a presión o a vacío, y son independientes del peso específico del líquido. Tiene el inconveniente de que las partes móviles están expuestas al fluido y pueden romperse, además el flotador debe mantenerse limpio. Los flotadores tienen una precisión de 0,5 %.
305#
Medidor manométrico
Consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque. El manómetro mide la presión debida a la altura de líquido h que existe entre el nivel del estanque y el eje del instrumento.
Como las alturas son limitadas, el rango de medida es bastante pequeño, de modo que el manómetro utilizado tiene un elemento de medida del tipo fuelle.
306#
Medidor de tipo burbujeo
Este es uno de los métodos mas antiguos en el que tubo (sumergido en el deposito hasta el nivel mínimo) se encuentra conectado a una fuente de gas con presión suficiente para vencer la presión hidrostática generada por la columna de líquido, hasta producir una corriente continua de burbujas. La presión requerida para producir el flujo continuo de burbujas es la presión hidrostática del líquido y conociendo la densidad del líquido se puede determinar su nivel.
Este sistema es muy ventajoso en aplicaciones con líquidos corrosivos con materiales en suspensión (el fluido no penetra en el medidor, ni en la tubería de conexión).
307#
Medidor de tipo burbujeo
308#
Medidor de tipo burbujeo
Los gases utilizados son generalmente aire e hidrógeno, lo que representa su máxima desventaja y por esa razón son poco utilizados.
La instalación es económica, particularmente para indicaciones locales o servicios limpios.
La exactitud depende del medidor de presión utilizado y de la uniformidad de la densidad del líquido a medir
309#
Características del Medidor de tipo burbujeo
Funciona bien con fluidos turbulentos
Bueno para uso con lodos
No utilizado en recipientes a presiónBuena exactitud, depende de la calidad del medidor de presión utilizado
No utilizado en recipientes cerradosBajo costo
Dificultad para operarlos en recipientes a baja presiónBueno para problemas severos de corrosión
LIMITACIONESVENTAJAS
310#
Medidor de presión diferencial
Este instrumento es el que mejor satisface los requerimientos de transmisión remota. La fuerza o el movimiento resultante es convertido a una señal normalizada de 3-15 Psig o 4-20 mA.
Consiste en un diafragma en contacto con el líquido del estanque, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo del estanque. En un estanque abierto esta presión es proporcional a la altura del líquido en ese punto y a su peso específico, es decir:
P = hγgen la que:
P = presiónh = altura del líquido sobre el instrumentoγ = densidad del líquidog = 9,8 m/s2
311#
Medidor de presión diferencial
Señal para
controlSeñal para
control
Tanque presurizado
312#
Medidor de presión diferencial
Las celdas o d/p cell, como se conocen, pueden instalarse en tanques atmosféricos o en tanques a presión, variando su esquema de instalación.
313#
Medidor de presión diferencial
La precisión de los instrumentos de presión diferencial es de ±0,5 % en los neumáticos, ± 0,2 % a ± 0,3 % en los electrónicos, y de ± 0,15 % en los “inteligentes” con señales de salida de 4-20 mA C.D.
Un punto importante en la especificación es el material del diafragma y debe ser el adecuado para resistir la corrosión del fluido (existen materiales de acero inoxidable 316, monel, tantalio, hastelloy B, inoxidable recubierto de teflón).
314#
Medición de nivel con un transmisor de presión diferencial
Hmax = Altura total*ρ = 63*0.717 =45.171 cm H2O = 17.78 “H2O
Supresión = Lmin*ρ = 33*0.717 = 23.66 cm H2O = 9.31 “H2O
De acuerdo a los valores de Hmax y supresión se selecciona el rango del transmisor de 0 30 “H2O.
Volumen del líquido:V (ml) = factor cub. (ml/cm) * Nivel (cm)
Nivel del líquidoL(cm) = (H(“H2O)*2.54/ρ) – Lmin (cm)
V(ml) = (70.6 * H*2.54/ρ)-33
LH
LmaxNivel máximo
LminNivel mínimo
RECIPIENTE DE CARGA
30 cm
33 cm
Factor de cub
70.6 ml/cm
Transmisor de Presión Diferencial
315#
Características del Medidor de presión diferencial
Compensación por temperatura
Con mucha experiencia y años en la aplicación
Fácil calibración
Fácil instalación
Funciona mejor con fluidos limpios ó pocos corrosivoDisponible para aplicaciones de alta temperatura y presión
Variaciones en la densidad, índice de errores en la mediciónBuena exactitud
Costo moderado a alto , especialmente cuando se requieren opciones especiales
Adecuados para medición de nivel de interfaces
LIMITACIONESVENTAJAS
316#
El medidor de nivel tipo capacitancia
Estos se basan en las propiedades eléctricas de los materiales y en forma básica existen dos tipos:
o Tipo resistivo o conductivo (Admitancia)o Tipo capacitivo (capacitancia)
317#
Consiste en uno o varios electrodos y un relevador eléctrico o electrónico que es excitado cuando el líquido moja a dichos electrodos. El líquido debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito electrónico, y de este modo el aparato puede discriminar la separación entre el líquido y su vapor, tal como ocurre, por ejemplo, en el nivel de agua de una caldera de vapor.
El medidor de nivel conductivo o resistivo
318#
La impedancia mínima es del orden de los 20 MΩ/cm, y la tensión de alimentación es alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas por causa del fenómeno de la electrólisis.
Cuando el líquido moja los electrodos se cierra el circuito electrónico y circula una corriente segura del orden de los 2 mA; el relevadorelectrónico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del líquido o ante cualquier perturbación momentánea o bien en su lugar se disponen dos electrodos poco separados enclavados eléctricamente en el circuito.
El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo,
El medidor de nivel tipo resistivo para señales on-off
319#
El medidor de nivel tipo resistivo para señales on-off
320#
El medidor de nivel tipo resistivo para señales continuas
En este tipo se mide la reactancia del sistema (suma de reactancia inductiva, que es despreciable, y la reactancia capacitiva)
321#
El medidor de nivel tipo resistivo para señales continuas
El hecho de considerar la resistencia, implícitamente en la admitancia, da las siguientes ventajas:
Inmune a las adherencias e incrustaciones de la sonda.
Adecuado para usarse con líquidos adherentes y espumosos.
Puede ignorar variaciones en la composición y temperatura del medio.
Adecuado para la medición de lodos y cualquier tipo de sólidos
322#
Medidor de nivel capacitivo
Mide la reactancia capacitiva Xc del capacitor C, formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes del recipiente, en base a una frecuencia conocida f. La capacidad del conjunto es lineal y depende del nivel del líquido.
Para el cálculo de la capacitancia en microfaradios, se toma el valor de la constante dieléctrica K, y las dimensiones físicas del capacitor A, B y L.
En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacidad total del sistema se compone de la del líquido, la del gas superior y la de las conexiones superiores.
fCXc
π21
=
323#
Medidor de nivel capacitivo
324#
La precisión de estos medidores es de ± 1 %. Se caracterizan por no tener partes móviles, son ligeros, presentan una buena resistencia a la corrosión y son de fácil limpieza. Su campo de medición es prácticamente ilimitado.
Tiene el inconveniente de que la temperatura puede afectar las constantes dieléctricas (0,1 % de aumento de la constante dieléctrica/°C) y de que los posibles contaminantes contenidos en el líquido puedan adherirse al electrodo variando su capacidad con lecturas erróneas, en particular en el caso de líquidos conductores.
Características del Medidor de nivel capacitivo
325#
Medidor de nivel capacitivo
Relativamente de bajo costo
Las sondas pueden resistir las condiciones mas severas
Opera con fluidos conductivos o no conductivos
Ajuste remoto de span y cero en transmisores inteligentes
Su medición puede ser afectada por variaciones de temperatura
Fácil instalación
No puede ser usado con fluidos adherentesÚtil en servicios on-off y control continuo en un amplio rango de nivel
Usualmente requiere recalibración si el fluido medido cambia su composición o humedad
Sin partes móviles expuestas al fluido
LIMITACIONESVENTAJAS
326#
Medidor de nivel ultrasónico
Se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo en un receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque.Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 KHz.Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión el medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del sólido o del líquido.
327#
Medidor de nivel ultrasónico
La precisión de estos instrumentos es de ± 1 a 3 %. Son adecuados para todos los tipos de tanques y de líquidos o fangos pudiendo construirse a prueba de explosión. Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar señales erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida como es el caso de un líquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos.La utilización de la computadora permite, a través de un programa, almacenar el perfil ultrasónico del nivel, y asítener en cuenta las características particulares de la superficie del líquido, tal como la espuma, con lo cual se mejora la precisión de la medida.
328#
Medidor de nivel ultrasónico
DetectorEmisor
329#
Medición ultrasónica
RECEIVER ANDAMPLIFIER
TIMED GAINCONTROL
WAVESHAPING
LOGIC ANDDISPLAY
GENERATOR ANDTRANSMITTER
TIMINGGENERATOR
TRANSDUCERS
TRANSMITTED BURST
RECEIVED BURST (ECHO)
ELAPSED TIME PROPORTIONALTO DISTANCE
OBJECT BEINGSENSED
GENERADOR Y TRANSMISOR
GENERADOR DE TIEMPO
RECEPTOR Y AMPLIFICADOR
OBJETO A SER SENSADO
TRANSDUCTORES
GANANCIA DE CONTROL
CRONOMETRADA
LOGICA Y LECTURA
FORMA DE ONDA
TREN DE PULSOS TRANSMITIDO
EL TIEMPO TRANSCURRIDOES PROPORCIONAL A LA DISTANCIA
TREN DE PULSOS RECIBIDO (ECO)
330#
El sistema de medición de nivel radiactivo
Consiste en un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del estanque y con un contador que transforma la radiación gamma recibida en una señal eléctrica de corriente continua. Como la transmisión de los rayos es inversamente proporcional a la masa del líquido en el estanque, la radiación captada por el receptor es inversamente proporcional al nivel del líquido ya que el material absorbe parte de la energía emitida.Los rayos emitidos por la fuente son similares a los rayos X, pero de longitud de onda es más corta. La fuente radiactiva pierde igualmente su radiactividad en función exponencial del tiempo. La vida media (es decir, el tiempo necesario para que elemisor pierda la mitad de su actividad) varía según la fuente empleada. En el cobalto 60 es de 5,5 años y en el cesio 137 es de 33 años y en el americio 241 es de 458 años.
331#
El sistema de medición de nivel radiactivo
332#
El sistema de medición de nivel radiactivo
Las paredes del estanque absorben parte de la radiación y al detector llega sólo un pequeño porcentaje. Los detectores son, en general, detectores de cámara iónica y utilizan amplificadores de c.c. o de c.a. El instrumento dispone de compensación de temperatura, de linealización de la señal de salida, y de reajuste de la pérdida de actividad de la fuente de radiación. Como desventajas en su aplicación figuran el blindaje de la fuente y el cumplimiento de las leyes sobre protección de radiación.La precisión en la medida es de ± 0,5 a ± 2 %, y el instrumento puede emplearse para todo tipo de líquidos ya que no esta en contacto con el proceso. Su lectura viene influida por el aire o los gases disueltos en el líquido.
333#
El sistema de medición de nivel radiactivo
El sistema se emplea en caso de medida de nivel en estanques de acceso difícil o peligroso. Es ventajoso cuando existen presiones elevadas en el interior del tanque que impiden el empleo de otros sistemas de medición. Hay que señalar que el sistema es caro y que la instalación no debe ofrecer peligro alguno de contaminación radiactiva siendo necesario señalar debidamente las áreas donde están instalados los instrumentos y realizar inspecciones periódicas de seguridad.
334#
El sistema de medición de nivel radiactivo
Fuente de radiación
Detector
335#
Medidor de nivel Láser
Se utiliza en aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y donde los instrumentos de nivel convencionales fallan; tal es el caso de la medición de metal fundido, donde la medida del nivel debe realizarse sin contacto con el líquido y a la mayor distancia posible por existir unas condiciones de calor extremas. El sistema consiste en un rayo láser enviado a través de un tubo de acero y dirigido por reflexión en un espejo sobre la superficie del metal fundido. El aparato mide el tiempo que transcurre entre el impulso emitido y el impulso de retorno que es registrado en un fotodetector de alta resolución, y este tiempo es directamente proporcional a la distancia del aparato emisor a la distancia a la superficie del metal en fusión, es decir, da la lectura del nivel.
336#
Sistema de nivel por radar
REMOTEDISPLAY
MICROWAVEELECTRONIC
MODULE
RADARANTENNA
TANK ATMOSPHERE
TEMPERATURESENSOR
ATMOSFERA DEL TANQUE
SENSOR DE TEMPERATURA
ANTENA DE RADAR
LECTURAREMOTA
MÓDULOELECTRÓNICO
DE MUCROONDAS
337#
Paletas rotativas
338#
Problemas comunes en la medición de nivel
• Líneas conectadas• Líquido – espuma • Líquido – agitación• Pierna seca/pierna húmeda• Supresión y elevación de cero• ¿Otros?
339#
Criterios de selección de los medidores de nivel
La selección depende de algunos aspectos, como los que a continuación se mencionan:
• Condiciones de operación• Exactitud• Costo• Instalación• Mantenimiento y operación• Calibración• Confiabilidad
340#
Características de medidores de nivel
sensor/ transmisor
De acuerdo al medidor asociado
Cercana a la atmósferica
100 oC
Líquidos
Requerido
Analógica
Igual a la altura del tanque
±1% del rango
BURBUJEO
Al transmisor
0.75%
100 Kg/cm2
300 oC con sello
Líquidos Interfaces
Inherente
Analógica o digital
4” a 1000”H2O
±0.5% a ±2% del span
D/P CELL
sensor/ transmisor
0.1 % del span
200 Kg/cm2
500 oC
Líquidos InterfacesSólidos
Inherente
Analógica o digital
6” a 100 ft
±0.5% del span
CAPACITANCIA
300 Kg/cm24 Kg/cm2150 Kg/cm2200 Kg/cm2Presión max.
0.1 % del span
± 1 %± 1 %0.75% del rango
Sensitividad
sensor/ transmisor
Al transmisor
Al transmisorAl transmisor
Suministro de energía
-150 a 500 oC
Líquidos Interfaces
Integral
Analógica
14” a 48”
±0.1% a ±0.3%
DESPLAZADOR
-150 a 500 oC
Líquidos
Integral
Analógica
1/4” a 14”
±1% a ±3%
FLOTADOR
150 oC
Líquidos
Requerido
Analógica o digital
1” a 35 ft
±1% a ±2%
TIPO CINTA
Líquidos InterfacesSólidos
Servicios
850 oCTemp. max.
InherenteUnidad secundaria
Analógica o digital
Salida
1/2 ” a 100 ftRango recomenda
ble
±0.5% del span
Exactitud
ADMITAN CIA
CARACTERÍSTICA
341
Standards
Certification
Education & Training
Publishing
Conferences & Exhibits
INSTRUMENTACIINSTRUMENTACIÓÓN N BBÁÁSICA DE PROCESOS SICA DE PROCESOS INDUSTRIALESINDUSTRIALES
CAPCAPÍÍTULO 6TULO 6
FUNDAMENTOS DE MEDICIFUNDAMENTOS DE MEDICIÓÓN DE N DE FLUJOFLUJO
M. en C. Armando Morales Sánchez16, 17 y 18 de mayo del 2007
342#
Importancia de la mediciImportancia de la medicióón de n de Flujo Flujo
La medición de flujo es importante y algunos ejemplos de aplicación en nuestra vida son para conocer:
•Consumos de agua potable para uso doméstico e industrial,•Demanda de Hidrocarburos, como gas natural, gas LP, combustoleo, gasolina,•La eficiencia de los procesos, •Balances de materia,•Excedentes de costos, etc.
343#
Estados de la materiaEstados de la materia
La materia se presenta en tres estados: sólido, líquido o gaseoso y en forma básica se tiene que: un sólido tiene un volumen y forma definidos; un líquido tiene un volumen definido, mas no una forma definida; y un gas no tiene ni volumen ni forma definidos.
Volumen definido
SÓLIDO FLUÍDO
Forma y volumen definido
DeformacionesLÍQUIDO GAS
Incompresibles Compresibles
Volumen Indefinido, baja
densidad
ESTADOS DE LA MATERIA
344#
FluidoFluido
Un fluido es parte de un estado de la materia y se define como un conjunto de moléculas distribuidas al azar que se mantienen unidas por fuerzas cohesivas débiles y por fuerzas ejercidas por las paredes de un recipiente, es decir sin volumen definido.
Los fluidos tienen la capacidad de fluir, de ahí su nombre y se puede decir que tanto líquidos como gases son fluidos. La diferencia básica entre un gas y un líquido es la compresibilidad, así los gases pueden ser comprimidos reduciendo su volumen y los líquidos son prácticamente incompresibles.
La medición de flujo es la medición de materia en movimiento, es decir es la medición de fluidos.
El flujo de materia se puede presentar en más de una fase: sólidos en líquido, gases en líquido, sólidos en gas, líquido en gas, sólidos y gases en líquido, sólidos y líquidos en gas, etc., y todos ellos se consideran fluidos.
345#
Unidades de medida de flujoUnidades de medida de flujo
m3/hrKg/hr
m3/hrKg/hr
GPMlbs/hrSCFM
S.I.METRICOU.S.A.
• Líquidos GPM, m3/hr, lbs/hr• Gases SCFH, m3/hr• Vapor lbs/hr, Kg/hr
346#
Tipos de flujoTipos de flujo
• Flujo volumétrico.– El volumen de un flujo que pasa por un punto en la tuberia por unidad de tiempoQ = A x VDonde: Q = Velocidad de flujo volumétrico
A = Área interna de la tuberíaV = Velocidad promedio de flujo
• Flujo másico.- Peso de un volumen de fluido que fluye por unidad de tiempo.
• Flujo totalizado.- Flujo acumulado o flujo integrado
347#
Propiedades de los fluidosPropiedades de los fluidos
DensidadLa densidad de un material se define como la masa contenida en la unidad de volumen de un material. Ejemplo: agua = 62.4 lbs/ft3
Peso específicoLos ingenieros que no han adoptado el SI, utilizan el peso específico o densidad de peso, definido como el peso de la unidad de volumen de una sustancia.
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡= 3
mKg
vmδ
Densidad relativa o gravedad específicaPara líquidos, se define como la razón entre la densidad de la sustancia y la densidad del agua a una temperatura determinada. Para gases, es con respecto a la densidad del aire.
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ ⋅
=== 33 mN
mfKggδ
vmg
vwPE
tantantan
agua
ciasus
agua
ciasus
agua
ciasus
δδ
gδgδ
PEPE
DR ===
348#
Propiedades de los fluidosPropiedades de los fluidosViscosidadSe define como la resistencia que presentan los fluidos a fluir, es decir que a mayor viscosidad, menor flujo y está afectada por la presión y la temperatura. Es esencial conocerla para la selección de medidores de flujo.
Fluido NewtonianoEs todo aquel fluido que sigue la Ley de Newton de la viscosidad, es decir que cuando la relación de corte y la velocidad de deformación del fluido es lineal y la viscosidad es función exclusiva de la condición del fluido.
Fluido No NewtonianoNo se comporta conforme la Ley de Newton y la viscosidad de este fluido depende del gradiente de velocidad, además de la condición del fluido..
349#
Propiedades de los fluidosPropiedades de los fluidos
CompresibilidadA cada incremento/decremento de la presión que se ejerce sobre un fluido, le corresponde una contracción/expansión del fluido. Esta deformación o cambio de volumen se llama elasticidad o compresibilidad. Se mide en N/m2.
Ecuaciones de estado de los gases
p: presiónV: Volumenm: MasaT: Temperatura absolutaR: Constante, para aire R=287J/Kg-K: Densidad
2
22
1
11
TVP
TVP ⋅
=⋅
TRmVP ⋅⋅=⋅
TRP⋅
=ρ
ρ
350#
EcuaciEcuacióón de continuidadn de continuidad
La relación de volumen de flujo (Q) que pasa en un punto es igual a la sección transversal normal (A) en ese punto por el promedio de velocidad a través del área (V).
VAQ ⋅=s
feetfeets
feet⋅= 2
3
Relación de volumen de flujo = Area x Velocidad promedio
La velocidad de flujo volumétrico a través de una tubería puede ser calculado multiplicando el área de la tubería por la velocidad promedio en ese punto o localización. Esta es la base de operación de todos los medidores de velocidad de flujo.
351#
EcuaciEcuacióón de continuidadn de continuidad
Si hay un volumen constante de velocidad de flujo para un cambio de área (un cambio de diámetro de tubería) existe un cambio inverso de la velocidad promedio. Esta es la ecuación de continuidad y esta basada en la velocidad promedio a través del área seccional.
Ecuación de continuidad
352#
Teorema de Teorema de BernoulliBernoulli
Daniel Bernoulli (1700-1782) comprobó experimentalmente que "la presión interna de un fluido (líquido o gas) decrece en la medida que la velocidad del fluido seincrementa", o dicho de otra forma "en un fluido en movimiento, la suma de la presión y la velocidad en un punto cualquiera permanece constante", es decir que p + v = k.
Para que se mantenga constante k, si una partícula aumenta su velocidad vtendrá que disminuir su presión p, y a la inversa. Como la presión y la velocidad actúan recíprocamente:
Presión estática + Presión dinámica = Presión total = ConstantePresión estática + 1/2 v2 = Presión total = Constante
ρ
Cuando hay flujo lento en un fluido, la presión aumenta. Cuando hay un aumento de flujo en un fluido, la presión disminuye.
353#
El nEl núúmero de mero de ReynoldsReynolds
A finales del siglo XIX, Reynolds efectúa un experimento, inyectando tinta en la corriente de un flujo y observa cambios significantes en el movimiento de la tinta. A una velocidad de flujos bajos (alta viscosidad), la tinta traza una línea recta desde el punto de inyección y el la llama flujo directo y ahora se llama flujo laminar debido a que el fluido se esta moviendo como si estas fueran compuestas de laminaciones o placas.
Al incrementa la velocidad, se alcanza la condición donde la tinta inicia como una línea recta, pero empezando a generar inestabilidad y al aumentar la velocidad se genera una inmediata dispersión de la tinta a través de la corriente de flujo, llamando a este flujo sinuoso y hoy se llama flujo turbulento.
354#
El nEl núúmero de mero de ReynoldsReynolds
En el trabajo de Reynolds se demostró que en el flujo laminar, el comportamiento del fluido esta dominado por las fuerzas viscosas (fricción interna del fluido) y un análisis de las velocidades locales a través de la tubería definen un perfil parabólico con una velocidad al centro de la tubería, que es dos veces la velocidad promedio.
355#
El nEl núúmero de mero de ReynoldsReynoldsEn el flujo turbulento, las fuerzas dinámicas dominan el comportamiento del fluido que provocan la dispersión de la tinta. El perfil es cuadrado y cambia con el cambio de velocidad del fluido y de la viscosidad
Flujo Laminar
Flujo
Flujo LaminarEl número de Reynolds es menor de 2000
Flujo
Flujo TurbulentoEl número de Reynolds es mayor de 4000
Flujo
Flujo de TransiciónEl número de Reynolds esta entre 2000 y 4000
Flujo Turbulento
356#
El nEl núúmero de mero de ReynoldsReynolds
Existe una zona de inestabilidad conocida como régimen de transición donde el flujo puede comportarse como laminar o turbulento.El régimen de flujo laminar, turbulento o de transición está definido por el número de Reynolds (Re número adimensional):
Si Re ≥ 4000 el perfil es cuadrado hacia arriba y el flujo es turbulento.Si Re ≤ 2000 el perfil es parabólico y el flujo es laminar.Si 2000 ≥ Re ≤ 4000, el flujo es de transición
D
357#
Perfil de flujo y efectos de tuberPerfil de flujo y efectos de tuberííaa
Los cálculos del número de Reynolds son válidos para perfiles simétricos. Sin embargo, como el flujo se mueve a través de una tubería, los perfiles se distorsionan o son asimétricos. Un simple codo de 90o, distorsiona el perfil de flujo. Como el flujo se mueve a través del codo, se acelera alrededor y hacia fuera de la curva y disminuye su velocidad dentro de la curva. El perfil se distorsiona con una zona de alta velocidad ocurriendo al otro lado de la línea de centro de la tubería.
358#
Perfil de flujo y efectos de tuberPerfil de flujo y efectos de tuberííaa
Existen algunas recomendaciones de ASME para tubería corriente arriba y corriente abajo para el caso de orificios o toberas de flujo después de un disturbio específico. Gráficas similares pueden existir para otro tipos de medidores.
359#
Acondicionamiento del perfil de flujoAcondicionamiento del perfil de flujo
Idealmente el perfil de flujo lo define el Número de Reynolds y la condición de la pared interna de la tubería (rugosidad). El perfil puede ser restablecido por acondicionadores de flujo, aunque se deben de utilizar con discreción y sumo cuidado.
Aunque la mayor parte de los acondicionadores de flujo como Sprenkle, Zanker, Mitsubishi y Vortab son efectivos en la eliminación de perfiles de flujo distorsionado, chorros y remolinos persistentes, su principal desventaja es que tienen pérdida de cabeza.
3Zanker
1VORTAB
4Sprenkle
2Mitsubishi
PÉRDIDA DE CABEZAL RELATIVO
(4 es el más alto)
ACONDICIONADOR DE FLUJO
360#
Tipos de medidores de flujo Tipos de medidores de flujo
Flujo de sólidos disueltos/suspendidos- Inferidos, concentración constante- Calculados, concentración médida
Másico calculado (medición de densidad)
Másico inferido (Densidad constante)
Flujo Volumétrico
Flujo Másico
Clasificación de Medición de Flujo de Fluidos
Volumen a condiciones estándares
Volumen a temperatura base
Gravimétrica (másico)Gravimétrica (másico)
Gravimétrica (másico)Volumen actualVolumen actual
VaporGasesLíquidos
Unidades de flujo de medición comúnmente usadas
MEDIDORES DE FLUJO
VOLUMÉTRICONI MÁSICO, NI VOLUMÉ-
TRICOMÁSICO
361#
ClasificaciClasificacióón de medidores de flujon de medidores de flujo
MÁSICO VOLUMÉTRICO HÍBRIDO
TÉRMICO
MEDIDORES DE
FLUJO
CAMBIOMOMENTUM
CORIOLIS
ANGULAR LINEAL
AREAVARIABLE
PRESION DIF. VARIABLE
ORIFICIO CODOTOBERA TARGET
VENTURI TUBO DEFLUJO
LAMINAR
PARTES EN NO MOVIMIENTO
IÓNICO EFECTODOPLER
INDUCIÓNELECTRO-
MÁGNETICA
TÉRMICO
RESONANCIAMAGNÉTICA
NUCLEARCABEZA
VARIABLE
OSCILACIÓNHIDRODINÁMICA
AC DC
CANAL TOBERAKENNISON
VERTEDERO DESCARGADE CHORRO
FORZADA LIBRESÓNICO LASER MICROONDAS
PARTES EN MOVIMIENTO
TURBINA DESPLAZAMIENTOPOSITIVO
PROPELA
ENGRANE PISTÓNDISCO VELETA
362#
Medidor de flujo tipo Medidor de flujo tipo áárea variablerea variableLos medidores de área variable, también llamados rotámetros, utilizan el mismo principio que los medidores de flujo del tipo presión diferencial; esto es, la relación entre la energía cinética y la energía de presión de un sistema.
En un dispositivo de presión diferencial, el tamaño de la restricción es fija y la diferencial de presión cambia con respecto a la velocidad del flujo. En los medidores de área variable, el área de restricción cambia cuando el flujo cambia y la presión diferencial permanece constante.
El rotámetro consiste de un tubo de medición cónico y un flotador. El fluido circula en forma ascendente por el tubo desplazando al flotador que normalmente lleva unas ranuras que dan lugar a que el flotador gire, proporcionando estabilidad y efectos de centrado. Esta rotación es la que le da el nombre de rotámetro. El rotámetro puede contener una válvula manual para establecer flujos pequeños, y también puede ser utilizado como un indicador, transmisor o un controlador de campo.
363#
Funcionamiento del Funcionamiento del RotRotáámetrometro
Cuando no existe flujo, el flotador descansa en la parte baja del tubo, y al pasar el flujo, hace ascender el flotador hasta que alcanza un equilibrio y la altura del flotador es una indicación del flujo que esta pasando. El cambiar la forma o la densidad del flotador permite al mismo tubo medir sobre diferentes rangos.
FLUJO
FLUJO
DENSIDAD
VISCOSIDAD
TAPA DEL TUBO
PESO DEL FLOTADOR
PRESIÓN DEL GAS
364#
Funcionamiento del Funcionamiento del RotRotáámetrometro
365#
El tubo del El tubo del rotrotáámetrometro
El material del tubo puede ser de vidrio, metal y en algunos casos de plástico.
El tubo de vidrio es utilizado para temperaturas de 33 a 250 oF, no se utiliza en servicios de vapor, con tamañosde hasta 2”. Su mayor desventaja es que el tubo puede romperse.
El tubo metálico se utiliza en mas aplicaciones, de muy altas presiones (hasta 6000 psig), muy altas y muy bajas temperaturas (de criogenicas hasta 1000 oF)y puede ser fabricado de aleaciones especales.
Su escala de lectura es lineal 0-100% y normalmente requiere tablas de conversión o factores de lectura.
366#
Ventajas y limitaciones de un MF de Ventajas y limitaciones de un MF de áárea variablerea variable
Sólo manejan fluidos limpios
Las incrustaciones de suciedad pueden volver difícil la lecturaNingún tipo de suministro requerido
Transmisión no disponible como standardRango de flujo 10:1
El costo se incrementa considerablemente con operaciones extras (corazas de protecciones o montaje en tablero)
Baja caída de presión constante
Las unidades en algunos casos son voluminosasRelativamente inmune a los arreglos de tubería cercanos
Capacidad máxima de flujo limitadaSimple
No es apropiado para altas presionesBajo costo
LIMITACIONESVENTAJAS
367#
Medidor de flujo tipo presiMedidor de flujo tipo presióón diferencialn diferencial
Este tipo de medidores cambia la velocidad o dirección, provocando una presión diferencial o “cabezal de presión” en el fluido.
Entre los primeros tipos de medidores de presión diferencial se pueden destacar los siguientes:
•Placas de orificio.•Toberas de flujo.•Tubo Dall•Tubos Venturi.•Tubos Pitot.•Tubos Annubar.•Codos.
Se estima que actualmente al menos el 75 % de los medidores industriales en uso son dispositivos de presión diferencial, siendo el más popular la placa de orificio.
368#
Ventajas de los MF tipo presiVentajas de los MF tipo presióón diferencialn diferencial
Las principales ventajas de dichos medidores son:
• Su sencillez de construcción.
• No incluye partes móviles.
• Su funcionamiento se comprende con facilidad.
•No son caros, particularmente si se instalan en grandes tuberías y se comparan con otros medidores.
•Pueden utilizarse para la mayoría de los fluidos.
•Hay abundante información sobre sus diferentes usos.
369#
Desventajas de los MF tipo presiDesventajas de los MF tipo presióón diferencialn diferencial
Sus principales desventajas son:
•La amplitud del rango de medida es menor que para la mayoría de los otros medidores.
•Puede producir pérdidas de carga significativas, es decir provocan una caída de presión alta.
•La señal de salida no es lineal con el flujo.
•Deben de respetarse tramos rectos de tubería corriente arriba y corriente abajo del medidor que, según la localización de la tubería y los accesorios existentes, pueden llegar a ser grandes.
•Pueden producirse efectos de envejecimiento, es decir, acumulación de depósitos o la erosión de las aristas vivas.
•La precisión suele ser menor que la de medidores más modernos, especialmente si, como es habitual, el medidor se entrega sin calibrar.
370#
Placa de orificioPlaca de orificio
La placa de orificio es el dispositivo de medición de flujo más comúnmente usado, cuyas características son.
Máxima pérdida de presión permanente.Más fácil de instalar.Fácilmente reproducible.Requiere inspección periódica.Es el de más bajo costo.Es el dispositivo más conocido.
Este dispositivo mide flujos de líquidos, gases y vapores bajo un amplio rango de condiciones, y consiste básicamente de una placa circular perforada, la cual se inserta en la tubería y presenta una restricción al paso del flujo, lo que general una presión diferencial en el sistema, la que se mide, y resulta ser proporcional a la magnitud del flujo.
371#
Placas de orificio concPlacas de orificio concééntricontrico
La placa de orificio mas común es un disco circular concéntrico, normalmente de acero inoxidable, donde el tamaño del orificio y espesor dependen del tamaño de la tubería y velocidad de flujo. El tipo concéntrico se utiliza cuando el fluido es limpio. Cuando el fluido a medir en un líquido con gases ó cuando es un gas o un vapor con líquido, la placa tiene un pequeño orificio en la parte superior o inferior respectivamente.
372#
Placa de orificio segmentadoPlaca de orificio segmentado
Existen otros dos tipos de orificios: el orificio segmentado y el orificio excéntrico.
El área del orificio segmentado es equivalente al área del orificio concéntrico. Se usa cuando se requiere eliminar el estancamiento de materiales extraños, instalándose con la secante horizontal y con su sección curva coincidiendo con la superficie inferior de la tubería. Es muy usada para medir vapor húmedo, líquidos con sólidos en suspensión o aceites con agua cuando la medición se hace en tubería horizontal. Cuando el orificio se puede localizar verticalmente, debe cambiarse a orificio concéntrico.
373#
Placa de orificio excPlaca de orificio excééntricontrico
En el orificio excéntrico, el orificio es tangente a la superficie superior de la tubería cuando el fluido es un gas, y tangente a la superficie inferior cuando es un líquido. Esta placa tiene las mismas ventajas que la segmentada.El área del orificio segmentado en equivalente al área del orificio excéntrica.
374#
Tomas en la placa de orificioTomas en la placa de orificio
Para medir la presión diferencial que origina la placa de orificio, se conectan dos tomas, una en la parte anterior y otra en la parte posterior de la placa. La disposición de las tomas, puede ser: en las bridas, en la vena contraída y en la tubería.
375#
Perfil de presiPerfil de presióón de las placas de orificion de las placas de orificio
376#
EcuaciEcuacióón de las placas de orificion de las placas de orificioLa relación de proporcionalidad es del tipo cuadrática, en la que el flujo es la raíz cuadrada de la presión diferencial por una constante. El flujo al interaccionar con la restricción cambia su energía potencial (presión) por energía cinética (velocidad), describiendo un patrón de flujo muy especial que recibe el nombre de vena contracta.
(1)whKAQ =
donde:
Q = Flujo.hw = Caída de presión producida por la restricción.A = Área de la restricción.K = Coeficiente de descarga del sistema.
El teorema de Bernoulli describe el funcionamiento de la placa de orificio, donde se hace una relación entre la energía potencial, la energía cinética y las pérdidas por fracción del fluido con la tubería y la restricción.
377#
FFóórmula de crmula de cáálculo, caso llculo, caso lííquidoquido
La determinación se hará mediante el procedimiento conocido como “Método Universal”. Este método utiliza a la variable “s”, que recibe el nombre de factor de descarga, como una función de β (relación de diámetros), definido por:
donde:
S.- Factor de descarga = flujo real/flujo teórico, que pasa a través del orificio (=) adimensional.Qmed.Gasto máximo correspondiente a la escala total del medidor, en GPM o m3/hr.GL Gravedad específica del fluido a 60º F.N Constante de proporcionalidad, que depende de las unidades usadas.D Diámetro interno de la tubería en pulgadas o milímetros.hm Rango diferencial de presión máxima del rango seleccionado en “H2O ó mm H2O.Fm Factor de corrección por densidad relativa del líquido de sello (elemento secundario
manómetros de mercurio o medidores de campana)Fa Factor de corrección por expansión del material de la placa.Fp Factor de corrección por compresibilidad.Fc Factor de corrección por número de Reynolds basada en S.Ft Factor de corrección por temperatura.
pcmatmi
Lmed
FFFFFhNDGQ
S 2=
378#
En este caso se hace uso del método conocido como “ especial”, el que se define por la siguiente expresión:
donde:K0β2= Factor de descarga [=] adimensionalQmed= Gasto máximo correspondiente a la escala total del medidor en SCFH a Presión y Temperatura de operación.Pb = Presión base en Psia. ( por ejemplo para Pemex; 1kg/cm 2 ó 14.223 lb/pulg2)Tb = Temperatura base en ºR (por ejemplo para Pemex; 20º C o 528ºR).Pf = Presión del fluido en Psia.Tf = Temperatura del flujo en ºR.G = Gravedad específica del fluido a P y T de operación.Zb = Factor de compresibilidad del fluido a condiciones base.Zf = Factor de compresibilidad del fluido a P y T de operación.Fr = Factor de corrección por número de Reynolds.Y= Factor de corrección por expansión del fluido.Fwv = Factor de corrección por humedad del gas.Di, Fa, Fm y hm= Definidos anteriormente.
fmwvmarf
b
fi
b
b
medO
PhFFFFZZ
GTDT
P
Q
Υ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=Κ
1520520
73.1417.338 2
2β
FFóórmula de crmula de cáálculo, caso gaslculo, caso gas
379#
La metodología empleada en el cálculo de placas de orificio para vapores, es similar a la desarrollada para gases. Este procedimiento tiene ligeras variaciones, por lo que a continuación se describe la secuencia de cálculo.
La ecuación que describe el factor de descarga es:
donde:
K0ß2 = Factor de descarga.Wmed = Gasto másico máximo del vapor que manejará el medidor [=] Lb/hFf = Densidad del vapor en Lb/Ft
3.= Factor de peso específico del vapor de tabla 26 Spink.
hm, D, Fa, Fr y Y= definidos anteriormente
FFóórmula de crmula de cáálculo, caso vaporeslculo, caso vapores
frafm
medO FFFhD
Wγ
βΥ
=Κ2
2
359
fγ
380#
La cuña, como la placa de orificio, produce una presión diferencial y opera linealmente para números de Reynolds por encima de 500.
Sus aplicaciones típicas son en lechadas y fluidos viscosos (sujeta a limitación en el número de Reynolds).
Están disponibles los sellos químicos o conexiones de tipo capilar para ayudar a prevenir el taponamiento de la tubería de impulso.
CuCuñña de flujoa de flujo
ALTA BAJA
FLUJO
381#
La tobera de flujo consiste de una restricción con una sección de contorno elíptica que es tangente a la sección de garganta cilíndrica. Se utiliza para aplicaciones típicas de alta temperatura, alta velocidad y fluidos con números de Reynolds de 50,000 y mayores. Sus características son:
• Se utiliza en presión diferencial baja• No se puede remover fácilmente para reemplazarse.• Utilizada para servicio de vapor.• No recomendado para fluidos con un gran porcentaje de sólidos.
Tobera de flujoTobera de flujo
382#
Tubo Tubo venturiventuriEl tubo venturi consta de tres partes fundamentales:
a) una sección de entrada cónica convergente en la sección transversal disminuye, lo que se traduce en un aumento de la velocidad del fluido y una disminución de la presión;
b) una sección cilíndrica o garganta en la que se sitúa la toma de baja presión, y donde la velocidad del fluido se mantiene prácticamente constante, y
c) una salida cónica divergente en la que la sección transversal aumenta, disminuyendo la velocidad y aumentando la presión, permitiendo una recuperación de la mayor parte de la presión diferencial producida y un ahorro de energía.
383#
Tubo Tubo venturiventuri
El tubo venturi es particularmente recomendable cuando el fluido contiene grandes cantidades de sólidos en suspensión o corrientes de flujo sucias puesto que la entrada lisa permite que el material extraño sea arrastrado y no acumularse como pasaría en una placa de orificio. Los requerimientos de la tubería son similares a los de la placa de orificio.
Con el fin de reducir las pérdidas de carga causadas por una tobera, puede acoplarse a continuación de la tobera una sección divergente similar a la utilizada para un tubo Venturi, resultando una combinación que se denomina venturi - tobera.
384#
Tubo Tubo venturiventuriSus ventajas principales son:
•Se caracteriza por producir una menor pérdidas de presión permanente con respecto a la placa de orificio y la tobera de flujo.
•Su capacidad de flujo es aproximadamente de un 50% mayor que una placa de orificio.
•No está sujeto a obstrucciones por sólidos del fluido debido a su simetría.
385#
Tubo Tubo venturiventuri
Las principales limitaciones de los tubos Venturi son su elevado costo y la longitud necesaria para su instalación, sobre todo para grandes tamaños de tubería.
Sin embargo, debido a su baja pérdida de carga, son justificados en casos donde tiene que bombearse grandes cantidades de líquido de forma continua.
Cuando la pérdida de carga no es importante, suele prescindirse del tubo Venturi y sustituirse por una placa de orificio debido a su menor costo y mayor facilidad de instalación y mantenimiento.
flujo
386#
Tubo Tubo dalldall
El tubo Dall consiste de un cuerpo cilíndrico de longitud relativamente corta y que es paralelo en dirección a la tubería seguido por la convergencia de un cono corriente arriba y un cono divergente corriente abajo, y una pequeña abertura entre los dos cono que permite al fluido llenar el espacio formado por la pared externa del tubo Dall y la tubería.
Este elemento, por sus características de diseño, no es recomendable para la medición de fluidos que contengan sólidos en suspensión.
La ventaja principal de este tubo es su caída de presión permanente aproximada que es de 2.5 a 6% de la diferencial medida, contra un 10 a 14 % para el mismo fluido en un tubo Venturi.
387#
Diferentes diseDiferentes diseñños de tubos de flujoos de tubos de flujo
388#
PPéérdida de presirdida de presióón de los diferentes medidores n de los diferentes medidores de flujo de preside flujo de presióón diferencialn diferencial
389#
Tubo Tubo pitotpitotEl tubo de Pitot es quizá la forma más antigua de medir la presión diferencial y también conocer la velocidad de circulación de un fluido en una tubería. Esta forma más sencilla consta de un pequeño tubo con la entrada orientada en contra del sentido de la corriente del fluido. La velocidad del fluido en la entrada del tubo se hace nula, al ser un punto de estancamiento, convirtiendo su energía cinética en energía de presión, lo que da lugar a un aumento de presión dentro del tubo Pitot.
390#
Tubo Tubo pitotpitot
En la práctica se emplea un diseño con dos tubos concéntricos, uno interior que actúa como el tubo Pitot y el exterior como un medio de medir la presión estática.
Los tubos de Pitot son instrumentos sencillos, económicos, con una caída de presión baja y disponibles en un amplio margen de tamaños. Si se utilizan adecuadamente pueden conseguirse precisiones moderadas y, aunque su uso habitual sea para la medida de la velocidad del aire, se usan también, con la ayuda de una técnica de integración, para indicar el caudal total en grandes conductos y, prácticamente, con cualquier fluido.
Probablemente la principal desventaja sea su dificultad para medir bajas velocidades del aire. Para líquidos quizás el principal problema sea la rotura de la sonda. En el tubo pitot sencillo, la colocación es muy crítica. Si el flujo esta en el extremo inferior del perfil turbulento, la diferencia en velocidad que atraviesa el flujo requerirá que se inserte el flujo donde se pueda determinar que velocidad se esta midiendo.
391#
Arreglos de tubos Arreglos de tubos pitotpitot
392#
Tubo Tubo annubarannubar
El tubo annubar es una innovación del tubo de pitot.
Cuenta con tubo exterior, situado a lo largo de un diámetro transversal de la tubería, y dos tubos interiores. El tubo exterior presenta cuatro orificios en la cara aguas arriba de la corriente, que utiliza para interpolar los perfiles de velocidad y realizar un promedio, y otro orificio en el centro del tubo pero en la cara aguas debajo de la corriente.
De los tubos que están en su interior, uno sirve para promediar las presiones obtenidas en los cuatro orificios, midiendo la presión total, mientras que el otro tubo, que se encuentra en la parte posterior, mide la presión estática en el orificio central aguas debajo de la corriente.
Existen diferentes tipos de tubos annubar, cuya selección depende del tamaño de la línea y su aplicación.
El tubo annubar tiene mayor precisión que el tubo de pitot, así como una baja perdida de carga, utilizándose para la medida de pequeños y grandes flujos de fluidos.
393#
Tubo Tubo annubarannubar
394#
CodosCodos
Cuando un fluido circula por el codo de una tubería, está sujeto a una aceleración angular. La fuerza centrífuga resultante crea una presión diferencial entre el radio interior y el radio exterior. La raíz cuadrada de esta presión diferencial es proporcional al flujo, siendo la base fundamental de estos medidores de flujo.
395#
CodosCodos
Las tomas en el codo presentan la ventaja de que como la mayoría de las configuraciones de tuberías tienen codos, pueden situarse en ellos las tomas de presión. Esto permite una instalación económica, sin perdidas de presión, y sin introducir obstrucciones en la línea.
Debe ponerse especial cuidado para alinear los orificios de las tomas de presiónen ambos planos. Si el codo esta calibrado, su precisión puede ser comparable a la de una placa de orificio
396#
Transmisores de orificio integralTransmisores de orificio integral
El medidor de flujo con orificio integral se aplica principalmente en la medición de caudales muy pequeños, en laboratorios y plantas piloto.
Generalmente se utiliza una placa con un orificio entre 0.020 y 0.350 pulgadas para tamaño 1/2", 0.242 y 0.832 para 1", 0.382 y 1.18 para 1 1/2" de diámetro, el cual restringe el paso del flujo; la placa se encuentra montada y conectada a un transmisor de presión diferencial.
397#
Orificios de restricciOrificios de restriccióónn
Los orificios de restricción se usan para regular flujos no críticos tales como purgas. Los tamaños grandes de 4” son montadas entre bridas, y los tamaños pequeños de 1” son montados en unión.
El cálculo de líquido esta basado sobre el procedimiento de dimensionamiento de orificios, con un ajuste para la recuperación de presión.
Para el cálculo de gas se supone flujo sónico, es decir la presión de descarga es menos que la mitad de la presión de entrada absoluta. Si este no es el caso, se utiliza la ecuación para cálculo de orificios para gas.
398#
Medidor de flujo tipo cono en VMedidor de flujo tipo cono en V
El medidor de flujo de presión diferencial V-Cone, utiliza tecnología patentada que mide el flujo en forma precisa a través de una amplia gama de números de Reynolds, bajo todo tipo de condición y para una variedad de fluidos.
Opera basándose en el el teorema de conservación de la energía del flujo de fluidos a través de un tubo.
El desempeño del V-Cone es por mucho mejor, ya que incluye cono central en el interior del tubo. El cono interactúa con el flujo del fluido, modificando el perfil de velocidad del mismo para crear una región de presión mas baja inmediatamente de aguas abajo del mismo. Presenta baja caída de presión, es mas estable con un amplio rango de materiales y sus aplicaciones son para líquidos, gas y vapor.
399#
Medidor de flujo tipo cono en VMedidor de flujo tipo cono en V
Una de las tomas se coloca inmediatamente corriente arriba del cono y la otra se coloca en la cara orientada corriente abajo. Después la diferencia de presión se puede incluir en una derivada de la ecuación de Bernoulli para determinar el régimen de flujo. La posición central del cono en la línea optimiza el perfil de velocidad de flujo en el punto donde se hace la medición, asegurando mediciones de flujo altamente precisas y confiables, sin importar la condición de flujo aguas arriba del medidor
400#
Medidores de flujo de velocidadMedidores de flujo de velocidad
Los cuatro medidores de flujo de tipo velocidad más comunes son:
•Medidor magnético
•Vortex
•Turbina
•Ultrasónico
La medición del flujo se infiere a traves de la ecuación de continuidad, convirtiendo la velocidad promedio de flujo, en flujo volumétrico considerando el área constante.
AVQ ⋅=2rA ⋅= π
Q gpm = (2.448) x (d 2, in) x (v, ft/s)
401#
Medidores de flujo magnMedidores de flujo magnééticosticos
El medidor de flujo magnético se basa en la Ley de Faraday de inducción electromagnética, la cual establece que un voltaje puede ser inducido en un conductor en movimiento a través de un campo magnético.
La magnitud de voltaje inducido E es directamente proporcional a la velocidad del conductor V, al diámetro D del conductor y a la fuerza de campo magnético B.
VDBkE ⋅⋅⋅=
402#
Cuando el par de bobinas es energizada, se genera un campo magnético, el cual debe ser perpendicular al eje del líquido conductor y al plano de los electrodos. El líquido debe considerarse como un número infinito de conductores moviéndose a través del campo magnético y contribuyendo cada elemento al voltaje generado. El fluido debe tener alguna conductividad mínima ya que actúa como un conductor.
VDBkE ⋅⋅⋅=
Medidores de flujo magnMedidores de flujo magnééticosticos
403#
CaracterCaracteríísticas de los MF magnsticas de los MF magnééticosticos
-Mide flujo volumétrico.
-No tiene partes en movimiento.
- Mide flujo de líquidos con partículas de sólidos en movimiento o lodos.
- Alta exactitud y repetibilidad sobre diferentes rangos (+/- 0.25% de exactitud y 0.2 % de repetibilidad).
-Alta confiabilidad por no tener partes en movimiento.
- Aire en el líquido no daña el sensor.
- Mantiene su precisión con el tiempo.
- No depende del número de Reynolds
404#
- Los tamaños de tubería normalmente son de ½” hasta 12”.-• La presión de diseño menor de 580 psig (40 bar)
• La temperatura de diseño menor de 200 oC (392 oF)
• El rango del flujo es desde 0.01 hasta 100,000 GPM.- 3 to 6 ft/s para fluidos viscosos, lodos abrasivos- 5 to 10 ft/s para fluidos con baja viscosidad y lodos con solidos- 6 to 20 ft/s para fluidos limpios
CaracterCaracteríísticas de los MF magnsticas de los MF magnééticosticos
405#
Aplicaciones de los medidores magnAplicaciones de los medidores magnééticosticos
Estos medidores se aplican ampliamente en:
- Líquidos mezclados con agua, - En el manejo de pasta, - En procesos altamente corrosivos, - En plantas de tratamiento de efluentes (industrias de desechos), - En plantas de papel, - En la industria del grano (maíz, cereal), - En la industria de resinas, pinturas, - En la medición de productos viscosos,- En la industria de alimentos (leche, mezclas de helados, industria de cerveza, café, salsas, etc) y- en donde la medición de flujo de proceso es díficil
406#
Medidor tipo Medidor tipo VortexVortex
El medidor tipo Vortex es un ejemplo de un medidor de flujo oscilatorio. A baja velocidad, el modelo del flujo permanece alíneado, sin embargoal incrementar la velocidad, el fluido se separa de cada lado del cuerpo y se arremolina formando vórtices (torbellinos) corriente abajo del cuerpo. El número de vórtices generados es directamente proporcional a la velocidad del fluido.
El Vortex crea una señal pulsante el cual puede ser medido.
FlowMeterBore
High Velocity Fluid
AlternateVortices
ShearLayer
StillFluid
FLUJO
FLUIDOFIJO
ALTA VELOCIDAD DE FLUIDO
VORTICESALTERNADOS
CUERPO DEL MEDIDOR
CAPA DE INICIO
407#
Medidor de flujo tipo turbinaMedidor de flujo tipo turbina
Un medidor de flujo tipo turbina es aceptado ampliamente como una tecnología probada que es aplicable para medir flujo con una alta exactitud y repetibilidad y consiste de un sensor para detectar la velocidad real de un líquido que fluye por un conducto. La movilidad del líquido ocasiona que el rotor se mueva a una velocidad tangencial proporcional al flujo del volumen. El movimiento del rotor puede ser detectado mecánica, óptica o eléctricamente, registrándose el movimiento del rotor en un sistema lector externo.
408#
Medidor de flujo tipo turbinaMedidor de flujo tipo turbina
Los medidores para gas y para líquido funcionan bajo el mismo principio. La sección transversal de un medidor de turbina típico para líquidos consta de una longitud de tubería en el centro de la cual hay un rotor de paletas múltiple, montado sobre cojinetes, para que pueda girar con facilidad, ysoportado corriente arriba y corriente abajo por un dispositivo centrado tipo cruceta que, habitualmente, incorpora un enderezador de la vena fluida.
La energía cinética del fluido circulando hace girar el rotor con una velocidad angular que, en el margen lineal del medidor, es proporcional a la velocidad media axial del fluido y, por tanto, al flujo volumétrico.
409#
Medidor de flujo tipo turbinaMedidor de flujo tipo turbinaLos medidores de turbina para gas o líquido difieren fundamentalmente en el diseño del rotor. Una salida mediante impulsos eléctricos se produce cuando se detecta el paso de cada paleta alrededor de uno o más sensores situados en el campo del medidor. El punto más débil en un medidor de turbina para líquidos son los cojinetes, ya que tienen que soportar el peso del rotor.
Algunas turbinas proporcionan una frecuencia de la señal de salida que varía linealmente con el caudal volumétrico sobre rangos de flujo especificados. La bobina colectora o sonda convierte la velocidad del rotor a una señal de frecuencia equivalente.
410#
InstalaciInstalacióón del MF tipo turbinan del MF tipo turbina
0.0151 ½ “ a 3”
0.0085/8 a 1 ¼ “
0.00551/4 a 1/2”
Tamaño máximo de partícula en pulgadas
Tamaño del medidor
411#
AplicaciAplicacióón del MF tipo turbinan del MF tipo turbina
Una turbina es una unidad versátil; ésta soporta un rango extremadamente alto a presiones y temperaturas, y debido a que está fabricada de acero inoxidable es compatible con una amplia gama de fluidos. Sin embargo, los fluidos deben de ser relativamente limpios y no deben ser productos de alta viscosidad.
Una limitación potencial de los medidores tipo turbina es que estos tienen uncomponente móvil –el rotor- y un cojinete que esta sujeto a desgaste. Mediante el uso de cojinetes de carburo de tungsteno, se puede lograr que éstos tengan una vida útil de más de 5 años sin mantenimiento y sin necesidad de la aplicación de líquidos lubricantes.
412#
Ventajas y limitaciones de los MF tipo turbinaVentajas y limitaciones de los MF tipo turbina
En su instalación es obligatorio utilizar filtrosFácil instalación
Pueden diseñarse para cumplir requerimientos de higiene
Sus requerimientos de contrapresión son altosAlta confiabilidad (con un solo componente móvil) utilizado en transferencia de custodia
El componente móvil es sujeto a desgasteSalida digital y lineal
Afectados por las condiciones del flujo corriente arribaRespuesta rápida
Requieren indicación secundariaTamaño pequeño y peso ligero
Relativamente carosAmplia disponibilidad de tamaños
Pueden dañarse por sobrevelocidades y gasificaciónVersátil, conveniente para operación bajo condiciones severas
Calibración requeridaRango de flujos de 10:1
No convenientes para altas viscosidadesSon utilizados frecuentemente como medidores de flujo maestros debido a su excelente repetibilidad.
LIMITACIONESVENTAJAS
413#
Medidor de flujo tipo ultrasMedidor de flujo tipo ultrasóóniconico
Los medidores de flujo tipo ultrasónico como su nombre lo indica, miden el flujo por medición de energía u onda ultrasónica en sistemas cerrados.
Existen dos tipos:
-Medidor ultrasónico de tiempo transitorio o por impulsos y
- Medidor ultrasónico por efecto Doppler
414#
Medidor de flujo ultrasMedidor de flujo ultrasóónico de tiempo transitorionico de tiempo transitorioEl medidor ultrasónico de tiempo transitorio o por impulsos son los más precisos y se utilizan preferentemente con líquidos limpios, aunque algunos permiten medir con cierto contenido de partículas (lodos orgánicos), gas y un % de burbujeo .
El método de medida es una diferencial por tiempo de tránsito, es decir, mide el flujo tomando el tiempo que tarda la energía ultrasónica en atravesar la sección de tubería con y contra el flujo de líquido en la tubería.
Este método se basa en un hecho físico. Si se imaginan dos canoas atravesando un río sobre una misma línea diagonal, una en el sentido del flujo y la otra en contraflujo, la canoa que se desplaza en el sentido del flujo necesitarámenos tiempo en alcanzar su objetivo.
415#
Medidor de flujo ultrasMedidor de flujo ultrasóónico de tiempo transitorionico de tiempo transitorioLa diferencial se puede referenciar al tiempo y a la frecuencia para calcular la velocidad de flujo.
2cos2 AttNV ⋅Δ⋅= θ
donde tA es el tiempo promedio de tránsito
θcos2⋅⋅Δ=
NfV
donde ∆f es generada por dos osciladores
416#
Medidor de flujo tipo ultrasMedidor de flujo tipo ultrasóónico tipo nico tipo DopplerDopplerEl efecto Doppler puede entenderse fácilmente si se considera el cambio que se produce en la frecuencia cuando un tren se mueve hacia una persona con su bocina sonando, cuando el tren se acerca, el nivel de volumen de la bocina es más alto, ya que las ondas sonoras son mas próximas, que si el tren estuviera parado. Cuando el tren se aleja, aumenta el espaciamiento, dando un nivel mas bajo. Este cambio aparente de frecuencia se denomina Efecto Doppler y es directamente proporcional a la velocidad relativa entre el objeto móvil, el tren y la persona.
El medidor de flujo de efecto Doppler utiliza este concepto al proyectar una onda ultrasónica en un ángulo a través de la pared de la tubería en un fluido en movimiento con partículas, por un cristal transmisor. Parte de la energía es reflejada por las burbujas del líquido hacia un cristal receptor.
FLOWPROFILE
VF
RECEIVE
TRANSMITSIGNAL
TRANSMITZONE OF
REFLECTIONIN STABLEVELOCITYREGION
TRANSMITE SEÑAL
TRANSMITE
RECIBE
PERFIL DEFLUJO
ZONA DEREFLEXIÓNEN REGIÓN
DE VELOCIDADESTABLE
417#
Medidor de flujo tipo ultrasMedidor de flujo tipo ultrasóónico tipo nico tipo DopplerDopplerDebido a que los reflectores viajan a la velocidad del fluido, la frecuencia de la onda reflejada presenta un corrimiento o esta desviada de acuerdo al principio Doppler. De acuerdo a lo anterior, se tiene gran parte de su aplicación para medir fluidos con altos niveles de concentración de sólidos (0.2% a 60% sólidos).
418#
La temperatura de diseño va desde -60 ºC a 260 ºC.
La presión de diseño no esta limitada.
Los rangos de flujo velocidad van desde 0.2 ft/seg. a 60 ft/seg.
CaracterCaracteríísticas del MF ultrassticas del MF ultrasóónico tipo nico tipo DopplerDoppler
419#
La rangeabilidad de este tipo de medidores de ultrasonido no es una limitante. Puede manejar doble flujo y se puede cambiar de tubería.
Los tamaños de tubería son desde ½ ” hasta 72 “ con una´exactitud de 0.5 a 1%, una exactitud de calibración de 0.10 a 0.25% y, repetibilidad de 0.05%.
El costo de instalación arriba de 6" de tamaño de línea es bajo comparado con una placa de orificio, turbina, medidor de flujo magnético, venturi, vortéx.
Su mayor ventaja es que no tiene partes móviles y se utiliza en tuberíasgrandes, fluidos corrosivos y peligrosos y servicio sin revestimiento.
CaracterCaracteríísticas del MF ultrassticas del MF ultrasóónico tipo nico tipo DopplerDoppler
420#
Medidores de flujo mMedidores de flujo máásicosico
• a) ¿Qué es flujo másico?
Flujo másico = Masa / Tiempo
Ejemplos de unidades :Pounds / minuto (Lb/min)Kilogramos / hour (Kg/hr)Gramos / second (gr/sec)
b) ¿Que es flujo volumétrico?
Flujo volumétrico = Volumen / Tiempo
Ejemplos de unidades:- Litros / minuto (LPM)- Galones / minuto (GPM)- Pie cúbico / hora (Ft3/Hr)
421#
Medidores de flujo mMedidores de flujo máásicosico
c) ¿Que es Flujo volumétrico corregido?
Flujo volumétrico corregido = Densidad x Volumen / Tiempo = flujo másico
Ejemplos de Unidades de Flujo Volumétrico Corregido:- Litros standard/ minuto (SLPM)- Centímetro cúbico standard / minuto (sccm)- Pie cúbico standard / hora (SCFH)
422#
Medidores de flujo mMedidores de flujo máásicosico
• La densidad de un fluído varía con los cambios en temperatura y presión:
– Densidad = f (fluído, T, P)
• Debido a esta variación, se utilizan condiciones normalizadas para calcular la densidad.
• Condiciones normalizadas de Presión y Temperatura:
– Presión Standard– 14.7 psia = 760 torr = 1 atm
– Temperatura Standard– Industrial - 70 oF– Semiconductor - 0 oC– Otras, definidas por el usuario
423#
Medidores de flujo mMedidores de flujo máásicosico
• Flujo másico = densidad x Volumen / tiempo
• Para medición de flujo másico se debe considerar:
– Tipo de fluido, Temperatura y Presión deben ser conocidas y consideradas
SCFM = ACFM x ( P / 14.7 ) x ( 530 / T )
424#
Medidores de flujo mMedidores de flujo máásicosico
Los medidores de flujo másico, desarrollados en los años 80’s, miden la masa directamente utilizando propiedades de la masa, opuestos a aquellos que miden volumen o velocidad.
Tienen amplia gama de aplicaciones debido a que su medición es independiente del cambio de parámetros del fluido, sin necesidad de recalibrar o compensar los parámetros específicos del fluido. Muchas de las otras tecnologías son afectadas por cambios en la densidad del fluido, viscosidad, presión y/o temperatura.
Básicamente existen dos tipos :
• Medidor de flujo másico tipo Coriolis
• Medidor de flujo másico tipo térmico
425#
Medidor de flujo mMedidor de flujo máásico tipo sico tipo CoriolisCoriolis
Gustave Gaspard Coriolis (1792-1843) fué un ingeniero y matemático quedescribió la fuerza Coriolis por primera vez en 1835 (“Sur les equations du mouvement relatif des systemes de corps”). La aceleración Coriolis se define como:
en el que los vectores F es la fuerza, w es sumovimiento angular y v la velocidad; m es la masa a ser aplicada a un punto conocido a unadistancia L, desde los ejes 0,0.
Esta ecuación es equivalente a la segunda leyde Newton F=ma, para movimiento rotacional
426#
Principio de funcionamiento Principio de funcionamiento CoriolisCoriolis
El medidor Coriolis opera bajo el principio básico de movimiento mecánico. El elemento sensor es un tubo vibrante en el cual se crea y se mide la aceleración Coriolis, soportado sobre un eje de soporte y un eje par.
427#
El fluido en movimiento pasa a través de un tubo de flujo vibrando, y forzando a tomar una aceleración conforme este se mueve hacia el punto del pico de amplitud de vibración. A la inversa, el fluido desacelera conforme se mueve lejos desde el punto pico de amplitud hasta que sale del tubo.
Principio de funcionamiento Principio de funcionamiento CoriolisCoriolis
Fuerza Coriolis (Entrada)
428#
El resultado de fuerzas es una reacción en doble sentido del tubo del flujo durante las condiciones del flujo, mientras este atraviesa cada ciclo de vibraciones. La torsión es sensada por bobinas que miden la posición en cada lado del tubo de medición. El medidor Coriolis ha probado se uno de los medidores disponibles más exactos y si se un medidor “másico” donde no es necesaria una conversión, su rendimiento es incomparable.
Principio de funcionamiento Principio de funcionamiento CoriolisCoriolis
+150 mV
-150 mV
ΔT = 0
Frecuencia = DensidadSensor 2Sensor 1
ΔT= Flujo másico
Condiciones de flujo+150 mV
-150 mV
ANGULO DETORSIÓN
ANGULO DETORSIÓN
429#
Medidores de flujo mMedidores de flujo máásico tipo tsico tipo téérmicormicoLos medidores de flujo másico tipo térmico son aplicados para la industria del petróleo, procesos químicos, tratamiento de agua, generación de electrodo de plantas nucleares, en la electrónica para la manufactura de circuitos integrados, etc. Se utiliza para la medición de líquidos y gases.
Este tipo de medidores depende de las variaciones de una o mas características térmicas de fluidos, como una función de flujo. Existen dos tipos de estos medidores:
- Aquellos que miden la relación de pérdidas de calor a corriente de flujo y
- Los que miden la elevación de temperatura de la corriente de flujo
430#
Medidores de flujo mMedidores de flujo máásico tipo tsico tipo téérmicormico
Medidor de flujo másico de elevación de temperatura a corriente de flujoTípicamente se mide la diferencia de temperatura a los cambios de flujo a través de un tubo calentado
donde:
Thomas, inicialmente considero un gran tubo , con una malla calentada en el centro del tubo y termometros arriba y debajo de la malla, con mucho consumo de potencia
431#
Medidores de flujo mMedidores de flujo máásico tipo tsico tipo téérmicormico
Posteriormente Laub propuso un diseño en la que el calentador y los termómetros son situados sobre la superficie exterior del tubo.
El calor es transferido a través de la pared de la tubería y calentando solamente la capa delgada de gas próxima a la pared
entrada
salida
T3
T3
T4
T4
T1 T2
T2
T1
Calentador
432#
Componentes del MF mComponentes del MF máásico tsico téérmicormico
Los componentes básicos de un controlador de flujo másico térmico son:a) Sensorb) Cuerpo/Restrictorc) Circuito electrónicod) Válvula/orificio
Circuitoelectrónico
Sensor
Cuerpo
Flujo
Restrictor
Válvula
Orificio
433#
Funcionamiento del MF mFuncionamiento del MF máásico tsico téérmicormico
El elemento sensor, no es un medidor de flujo másico, ya que solo detecta la diferencia de temperatura debida al flujo y aprovecha estamedición para determinar el flujo másico
CalorT1 T2
Sensor
T1Temperatura de
entrada alSensor
Calentador
Flujo
Puente para la detección de
T
T2Temperatura de
salida delsensor
434#
Funcionamiento del MF mFuncionamiento del MF máásico tsico téérmicormico
Las curvas de respuesta del medidor son las siguientes:
Temperatura (oC)
Flujo (sccm)
0
20
60
40
80
20 6040 800 100
Salida del sensor
Entrada al sensor
435#
CaracterCaracteríísticas del MF msticas del MF máásico tsico téérmicormico
• Medición y control de flujo másico.
• Principio de operación termodinámico mediante una diferencial de temperatura proporcional al flujo, sensada a través de un circuito puente.
• Precisión de +-1% E.T.
• Manejo de señales estándar.
• Control local y remoto.
• Fácil mantenimiento.
• Requiere una fuente de voltaje.
• Salida lineal.
• Requiere calibración para cada gas.
• Sensible por el uso de capilar.
• Suministro +- 15VCD
• Salida de 0-5 VCD
436#
MF de desplazamiento positivoMF de desplazamiento positivo
Un medidor de desplazamiento positivo es aquel dispositivo que mide la cantidad de fluido que circula por un conducto, dividiendo el flujo en segmentos volumétricos conocidos, aísla el segmento momentáneamente, y lo regresara después a la corriente de flujo mientras tanto va contando el número de desplazamientos.
Un medidor de desplazamiento positivo puede ser dividido en tres componentes básicos:
- La caja externa, que se encuentra llena de fluido- El desplazador, que bajo la acción del fluido circulante, transfiere el fluido desde el final de una cámara a la siguiente, y- El tren de accionamiento indicador o registrador para contar.
La caja externa es un recipiente a presión que contiene los productos a ser medidos y puede ser de construcción sencilla o doble, con la caja simple, teniendo la caja y las paredes de la cámara de medición como unidad integral. Con la construcción de doble caja, la caja externa es separada de la unidad de medición y sirve solo como un recipiente a presión.
437#
Tipos de MF de desplazamiento positivoTipos de MF de desplazamiento positivo
Dentro de los diferentes tipos de medidores de desplazamiento positivo para líquidos, se consideran los siguientes:
- Medidor tipo pistón oscilatorio- Medidor de paletas deslizantes o veleta móvil- Medidor de engranajes, que consideran los de rueda oval y los helicoidales
438#
Medidor de PistMedidor de Pistóón oscilanten oscilante
Este medidor consiste de un pistón hueco montado excéntricamente dentro de un cilindro. El cilindro y el pistón tienen la misma longitud, pero el pistón tien un diámetro mas pequeño. El pistón, cuando circula flujo, oscila alrededor de un puente divisor, que separa la entrada de la salida del líquido.
439#
Medidor de paletas deslizantesMedidor de paletas deslizantes
Consta de un rotor con unas paletas, dispuesta en parejas opuestas, que se pueden deslizar libremente hacia adentro y hacia fuera de su alojamiento. Los miembros de las paletas opuestas se conectan rígidamente mediante varillas, y el fluido circulando actúa sobre las paletas sucesivamente, provocando el giro del rotor.Mediante la rotación, el líquido se transfiere de la entrada a la salida, a través del espacio entre las paletas y mediante el conteo de revoluciones, se determina la cantidad de flujo que ha pasado
Se utilizan para medir líquidos de elevados costos, siendo instalados generalmente en camiones cisterna para la distribución de combustible y es ampliamente usado cuando se requiere exactitud.
440#
Medidor de engranes de rueda ovalMedidor de engranes de rueda oval
Este medidor consta de dos ruedas ovales que engranan entre si y tienen un movimiento de giro debido a la presión diferencial creada por el flujo de líquido. La acción del líquido actúa de forma alterna sobre cada una de las ruedas dando lugar a un giro suave de un par prácticamente constante y preciso, para reducir el rozamiento.
441#
Medidor de engranes tipo helicoidalMedidor de engranes tipo helicoidal
Funciona de manera similar al anterior y su principal ventaja de ambos es que su medición es independiente prácticamente de las variaciones de densidad y de la viscosidad del líquido.
442#
Medidor tipo pistMedidor tipo pistóón oscilanten oscilante
Funciona en base al movimiento de un pistón a través de una válvula de deslizamiento.
Estos son utilizados para agua doméstica y tiene capacidad para manejar fluidos limpios, viscosos y corrosivos. La exactitud es de + 1.0% y en algunos rangos su mejor exactitud es de + 0.2%.
443#
CaracterCaracteríística de comportamiento del MF de stica de comportamiento del MF de desplazamiento positivodesplazamiento positivo
Los medidores de desplazamiento positivo presentan resistencia a la fricción, la cual tiene que ser vencida por el fluido circulante. Para flujos bajos, el flujo no tiene energía cinética suficiente para hacer girar el rotor y la resistencia del mecanismo, por lo que el fluido se desliza lentamente entre los componentes y el error es grande.
Sin embargo, cuando el flujo aumenta, el error disminuye ya que la energía cinética aumenta con el cuadrado de la velocidad hasta alcanzar el equilibrio.
444#
Ventajas y limitaciones de los MF tipo Ventajas y limitaciones de los MF tipo desplazamiento positivodesplazamiento positivo
Alta pérdida en la diferencialAlta resolución
Resultan dañados con las sobrevelocidadesAmplio rango de flujo
Largos y voluminosos para grandes diámetrosLectura local con opción a transmisión por pulsos
Limitada disponibilidad de tamañosLectura directa en unidades volumétricas
Refacciones costosasNo requiere suministro eléctrico ni fuente de alimentación
Instalación díficilExactitud virtualmente insensible a las condiciones corriente arriba de la tubería.
Caros, particularmente para grandes diámetrosPueden absorver grandes cambios de viscosidad
Inconveniente para líquidos sucios, no lubricantes o abrasivos
Adecuados para fluidos de alta viscosidad
Mantenimiento requerido regularmenteMuy buena repetibilidad
Componentes móviles sujetos a desgasteBuena exactitud y rangeabilidad
LIMITACIONESVENTAJAS
445#
Medidor de flujo tipo Medidor de flujo tipo targettarget
Cuando el flujo pasa un obstáculo en la tubería, con fuerza, comúnmente referida como arrastre, está generalizado un empuje o arrastre del obstáculo en la dirección del flujo. Semejante a un obstáculo no soportado a la izquierda puede ser llevado fuera con el fluido. Si de otra manera el obstáculo fuera restringido por una fuerza igual y opuesta al arrastre, la magnitud de la fuerza puede ser usada para determinar la relación del flujo.
Hay dos contribuyentes primarios para el arrastre:
-La fuerza generada por la viscosidad del fluido conforme se desliza por el obstáculo, llamado fricción de arrastre, y tiene su principal influencia cuando el medidor de flujo está operando en el régimen de flujo laminar.
- La fuerza resultante de la diferencia entre la presión inmediatamente corriente arriba e inmediatamente corriente abajo del obstáculo, llamada presión de arrastre. Para flujos turbulentos, la presión de arrastre es el primer contribuyente al arrastre total sobre el obstáculo.
446#
Principio de operaciPrincipio de operacióón del MF tipo n del MF tipo targettarget
En el medidor tipo Target, un target (paleta o disco circular) física es montado concéntricamente en la tubería y localizada directamente en el flujo del fluido.
La deflexión del target y la fuerza en la barra es medida por el instrumento.
447#
Medidor de flujo tipo Medidor de flujo tipo targettarget
448#
CaracterCaracteríísticas del MF tipo sticas del MF tipo targettarget
Su mejor campo de aplicación se halla en la medición de flujo en fluidos líquidos, gases, vapores, sucios, lodos diluidos (slurries), fluidos de alta viscosidad, corrosivos o con sólidos en suspensión, particularmente donde las características del fluido excluye el uso de medidores con tomas de presión o partes en movimiento.
La versatilidad y el bajo costo de instalación hace que el medidor de flujo tipo Target un candidato a muchas aplicaciones díficiles de medición de flujo.
El tamaño del orificio total, en medidores en línea, puede ser instalado en cualquier tamaño. El tubo target esta disponible desde ½” hasta 6”. La versión inserción para tamaños de línea grande esta también disponible.
El tipo de montaje limita el rango de presión. El tipo strain gage se utiliza en tres rangos de presión: 1000, 5000 y 10,000 PSIG y también en tres rangos de temperatura: -65° a +425° F, -65° a +500° F, y -320° a +250° F.
449#
Medidor tipo Canal Medidor tipo Canal ParshallParshall
Este medidor de canal abierto consiste de tres secciones: una sección de garganta y una sección divergente. El caudal a través del canal es una función del incremento de velocidad y del nivel del líquido a través del canal. El canal Parshall es uno de los tipos más comúnmente utilizados medidores de canal abierto.Debe mantenerse limpio, los sólidos grandes pueden bloquear el fondo del canal provocando error en la medición.
450#
Lista de factores de selecciLista de factores de seleccióón del medidor de flujon del medidor de flujo1. ¿Es la medición másica o volumétrica?2. ¿Es requerida velocidad de flujo o totalización?3. ¿Qué señal es requerida?4. ¿Qué desplegado es necesario?5. ¿Es el fluido corrosivo o pasivo?6. ¿Cuales son las restricciones ambientales?7. ¿Es el fluido limpio o sucio?8. ¿Qué tipo de suministro eléctrico se requiere?9. ¿Cuál es el rango requerido, relación de flujo máximo a flujo mínimo?10.¿Qué funcionalidad (exactitud) es necesaria?11.¿Cual es el costo? (costo del hardware y/o costo total de permiso de
licencia)12.¿Qué mantenimiento es requerido y quien lo va a hacer?13.¿Cuáles son la temperatura y presión de operación?14.¿Cuál es la caída de presión permisible, es decir, que consumo de
energía tiene?15.¿Qué propiedades de flujo deben ser consideradas’ (viscosidad,
densidad, compresibilidad, conductividad eléctrica, calidad de lubricación, etc.)
451#
Otra clasificación puede ser dada por el tipo de fase que manejan. Existen aplicaciones donde el gas esta entrampado en el líquido y donde la fase líquida es llevada junto con la fase gaseosa. Los medidores volumétricos manejan líquidos con gas entrampado y pueden generar un error en % volumen del gas presente.
LÍQUIDO
AREAVARIABLE
PRESIÓN DIF.VARIABLE
DESPLAZAMIENTOPOSITIVO
TURBINA
MAGNÉTICO
ULTRASÓNICO
TÉRMICO
OSCILATORIO
CORIOLIS
GAS
AREAVARIABLE
PRESIÓN DIF.VARIABLE
DESPLAZAMIENTOPOSITIVO
TURBINA
TÉRMICO
OSCILATORIO
CORIOLIS
VAPOR
AREAVARIABLE
PRESIÓN DIF.VARIABLE
TURBINA
OSCILATORIO
LODOS
MAGNÉTICO
PRESIÓN DIF.VARIABLE
(EXCENTRICO,SEGMENTAL,
VENTURI)
CORIOLIS
ULTRASÓNICO(DOPPLER)
SelecciSeleccióón de medidores de flujon de medidores de flujo
452#
Los MF en la transferencia de custodiaLos MF en la transferencia de custodia
Transferencia de custodia (Custody Transfer)
Definición :
El proceso simultaneo de intercambio de derechos legales de propiedad (ownersip) de una determinada cantidad de fluido, como por ejemplo un producto refinado del petróleo, mientras se ejecuta el movimiento físico del fluido del contenedor del propietario al contenedor de diferente propietario.
453#
Existen medidores de flujo especiales para transferencia de custodia, pero no basta con contar con este tipo de sistemas de medición para transferencia de custodia ya que también estos sistemas requieren de otros dispositivos para que sean calibrados y certificados de manera regular y acreditados ante una entidad legalmente autorizada como laboratorios de segundo orden.
La entidad que calibra, debe entregar los cerificados de calibración, donde indique la incertidumbre encontrada y la carta de trazabilidad.
Los MF en la transferencia de custodiaLos MF en la transferencia de custodia
454#
La incertidumbreLa incertidumbre
En cada medición existe una incertidumbre y es importante conocerla, ya que en transferencia de custodia y en medición fiscal tiene implicaciones económicas importantes como se muestra a continuación:
10.950.000,00365,000.0030.000,001.000,001,00
5.475.000,00182,500.0015.000,00500,000,50
3.285.000,00109,500.009.000,00300,000,30
2.737.500,0091,250.007.500,00250,000,25
2.190.000,0073,000.006.000,00200,000,20
1.095.000,0036,500.003.000,00100,000,10
$/AñoBarriles/Año$/DíaBarriles/Día%
Costo del error annualde flujo
Error anual de flujo
Costo error diario
Error diario de flujo
Incertidumbre de la medición
$/Barril30Asuma un valor de mercado:
Barriles/día100.000Asuma una Produción de Petróleo:
Fuente: METCOCOSTO DE LA INCERTIUMBRE EN LA INDUSTRIA PETROLERA
455#
La rangeabilidad de un instrumento se definen como la relación del máximo al mínimo valor en el que el instrumento tiene una actuación aceptable.
Se tiene un ejemplo de un instrumento que tiene una exactitud especificada de ±0.5%. Si el límite en la actuación aceptable es entonces ±4% de lectura, la rangeabilidad del instrumento se limita a 8 a 1 (es decir ±4% de exactitud de lectura ocurre a 12.5%).
Sin embargo si una exactitud de ±5% de lectura fuera aceptable, se aumentaría la rangeabilidad del instrumento a 10 a 1.
Debe recordarse que el impacto de variables independientes también puede afectar en serio la linearidad y la rangeabilidad de un instrumento.
RangeabilidadRangeabilidad
100%
456
Standards
Certification
Education & Training
Publishing
Conferences & Exhibits
INSTRUMENTACIINSTRUMENTACIÓÓN N BBÁÁSICA DE PROCESOS SICA DE PROCESOS INDUSTRIALESINDUSTRIALES
CAPCAPÍÍTULO 7TULO 7
MEDICIONES ANALMEDICIONES ANALÍÍTICASTICAS
M. en C. Armando Morales Sánchez16, 17 y 18 de mayo del 2007
457#
Mediciones analMediciones analííticas ticas
a)Cromatografía de gases. b)Analizadores de infrarrojo.c)Analizadores de oxígeno.
458#
CromatografCromatografíía de gases a de gases
459#
CromatografCromatografíía de gases 8a de gases 8
El botánico ruso Mijail Tswett estableció las ventajas de la técnica, adopto la terminología y definió los procedimientos experimentales básicos para esta técnica. A el se le considera el Padre de la Cromatografía.
La palabra Cromatografía significa “Escribir en Colores”, porque cuando fue desarrollada los componentes separados eran colorantes.
460#
CromatografCromatografíía de gases a de gases
La cromatografía se define como una técnica de separaciónbasada en el intercambio de solutos entre dos fases, y depende de la velocidad de desplazamiento diferencial de los mismos que se establece al ser arrastrados por una fase móvil (líquida o gaseosa) a través de un lecho cromatográfico que contiene la fase estacionaria, la cual puede ser líquida o sólida.
COLUMNACOLUMNA
COLUMNACOLUMNA
FASE ESTACIONARIAFASE ESTACIONARIA
FASE ESTACIONARIAFASE ESTACIONARIA
FASE MÓVILFASE MÓVILFASE MÓVIL FASE MÓVILFASE MÓVILFASE MÓVIL FASE MÓVILFASE MÓVILFASE MÓVIL
COLUMNACOLUMNA
COLUMNACOLUMNA
FASE ESTACIONARIAFASE ESTACIONARIA
FASE ESTACIONARIAFASE ESTACIONARIA
FASE MÓVILFASE MÓVILFASE MÓVIL FASE MÓVILFASE MÓVILFASE MÓVIL FASE MÓVILFASE MÓVILFASE MÓVIL
461#
CromatografCromatografíía de gases a de gases
La cromatografía de gases se utiliza para la separación de sustancias gaseosas.
La fase móvil fluye, arrastrando consigo los solutos. Los solutos se reparten entre ambas fases.
Las propiedades de los componentes de una mezcla determinan su movilidad entre sí y con respecto a la fase móvil. Por tanto, la base de la separación cromatográficaserá, por tanto, la diferencia en la migración de los mismos.
MuestraMuestraMuestraFaseestacionaria
FaseFaseestacionariaestacionaria
FasemóvilFaseFasemóvilmóvil
462#
CromatografCromatografíía de gases a de gases
Al alimentar la muestra, los componentes a separar se distribuyen entre la fase estacionaria y la fase móvil o fluido que pasa a través o a lo largo de la fase estacionaria.
La velocidad del soluto varía inversamente con la afinidad con la fase estacionaria.
F. móvilF. móvil
F. estacionariaF. estacionaria
F. móvilF. móvil
F. estacionariaF. estacionaria
463#
CromatografCromatografíía de gases a de gases
Como los componentes de la mezcla presentan diferente tendencia a permanecer en cualquiera de las fases, la separación se da por el movimiento de la fase móvil en relación con la estacionaria y de la distribución de las sustancias entre las dos fases. Los solutos se separan en bandas y estas salen (eluyen) por el final de la columna.
Fase móvilFase móvil
Fase estacionariaFase estacionariatt11
Fase móvilFase móvil
Fase estacionariaFase estacionariatt22
Fase móvilFase móvil
Fase estacionariaFase estacionariatt33
Fase móvilFase móvil
Fase estacionariaFase estacionariatt11
Fase móvilFase móvil
Fase estacionariaFase estacionariatt22
Fase móvilFase móvil
Fase estacionariaFase estacionariatt33
464#
InstrumentaciInstrumentacióón de un n de un CromCromáátografotografo de gasesde gases
Controlde flujo
Gasacarreador
Inyecciónde muestra Columna Detección
Registroy proceso
Horno
Controlde flujo
Gasacarreador
Inyecciónde muestra Columna Detección
Registroy proceso
Horno
El cromatógrafo de gases esta constituido normalmente por un suministro y una entrada del gas portador, un puerto de inyección, una columna normalmente localizada en el interior de una cámara (horno) con temperatura controlada, un detector y un sistema computarizado para analizar, registrar e imprimir el cromatograma.
465#
Cromatografo de gasesCromatografo de gases
466#
Fase mFase móóvil o gas portadorvil o gas portador
La fase móvil o gas portador transporta los componentes de la muestra a través de la columna, por esta razón debe ser inerte para evitar interacciones con la muestra o la fase estacionaria, y ser capaz de minimizar la difusión gaseosa. La Fase Móvil es un Gas (llamado Gas Portador o de Arrastre). Se utilizan los gases NSe utilizan los gases N22, He y , He y HH22 y tienen que ser de alta pureza (grado y tienen que ser de alta pureza (grado cromatogrcromatográáficofico 99.99% o 99.99% o mmáás), capaz de minimizar la difusis), capaz de minimizar la difusióón en n en éél, inertes, no tl, inertes, no tóóxicos, xicos, adecuado con el detector que se utilice y de precio accesible (uadecuado con el detector que se utilice y de precio accesible (una na carga de N2carga de N2 es de $300 y de He $7,000). Tambies de $300 y de He $7,000). Tambiéén se puede obtener n se puede obtener el N2 con compresoras y el H2 con el N2 con compresoras y el H2 con hidrogenadoreshidrogenadores..
467#
Control de flujoControl de flujo
Válvulas:• De aguja (restricción al flujo), Δp• Reguladores de presión. (Psal cte.)• Diferenciales de flujo. (flujo másico cte.)
468#
InyecciInyeccióón de muestran de muestra
Zona calentadaZona calentada
Gas acarreadorGas acarreador
ColumnaColumna
JeringaJeringacon muestracon muestra
La muestra se introduce a través del sistema de inyección dentro de la columna que es el sitio donde ocurre la separación.
469#
Sistema de separaciSistema de separacióónn
La variación de la temperatura en el horno conteniendo a la columna permitevariar la constante de equilibrio y por lo tanto buscar la separación de los compuestos que forman la muestra.
470#
Horno Horno cromatcromatóógraficografico
La temperatura de la columna es un parámetro básico:mayor temperatura
mayor presión de vapor
análisis mas rápidos
menor separación
471#
Columna Columna cromatcromatóógraficagrafica
La Fase estacionaria, puede ser un sólido (Cromatografía Gas-Sólido) o una Película de líquido de alto punto de ebullición (Generalmente Polietilén-Glicol o Silicón) recubriendo un sólido inerte (Cromatografía Gas-Líquido).
La columna de aluminio, acero inoxidable, vidrio o teflón contiene la fase estacionaria sólida o líquida y esta sujeta a la superficie por unsoporte que es generalmente de sílice.
Columna empacada (Baja eficiencia) Columna capilar (vidrio, silice)
472#
DetectorDetector
Al final de la columna existe el detector que permite la detección y cuantificación de las sustancias, midiendo conductividad térmica y electronegatividad de las sustancias eluídas. Se produce una señal tipo eléctrico, que posteriormente se amplifica por un registrador grafico o un integrador permitiendo indicar el momento en que salen de la columna los componentes. Existen diferentes tipos de detectores: TCD, FID, etc.
473#
CromatogramaCromatograma
La salida de la sustancia se registra en un cromatógrama en forma de picos y se determinan como parametros importantes, el area del pico (% de concentracion) y el tiempo que tarda en salir (componente).
474#
Sistemas de registroSistemas de registro
– Registrador– costoso– lento y con pobre calidad de resultados.
– Integrador– Basado en los 1°’s microprocesadores.
– Computadora con Tarjetas A/D– Permite optimizar la calidad de los resultados, y
reprocesarlos cuanto se necesite.
475#
CromatogramaCromatograma
11.00 11.50 12.00 12.50 13.00 13.50 14.00 14.500
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
180000
200000
220000
240000
260000
280000
300000
320000
Time-->
Abundance
TIC: MESTE23.D
EST5EST4
EST3EST2EST1
14.4
14.0
13.7
13.4
10.7
476#
Analizadores de Infrarrojo Analizadores de Infrarrojo
477#
Espectros de frecuencia de infrarrojo Espectros de frecuencia de infrarrojo
LONGITUDDE ONDA (λ) 10 −13 10 −11 10 −9 10 −7 10 −5 10 −3 10 −2 10 −1 10 0 10 2 10 3 metros (m)
FRECUENCIA (ν) 10 21 10 19 10 17 10 15 10 13 10 11 10 10 10 9 10 8 10 6 10 5 Hertz (Hz)
RAYOS GAMMA RAYOS X UV VISIBLE INFRARROJO MICROONDAS ONDAS DE RADIO
RMN
Grupos funcionales Núcleos individuales
IRUVUV IR
Ultravioleta Infrarrojo Resonancia Magnética
478#
Analizadores de infrarrojo Analizadores de infrarrojo
Principios de medición
El funcionamiento de estos analizadores se basa en la Ley de Beer, la cual describe como la luz está absorbida por una molécula específica en una longitud de onda definida.
479#
Analizadores de infrarrojo Analizadores de infrarrojo
La Ley de Beer forma la base para el funcionamiento de los analizadores automáticos que convierten una señal óptica en una señal electrónica, independientemente del gas a detectar y de la empresa que produce el equipo
480#
Analizadores de infrarrojo Analizadores de infrarrojo
481#
Analizadores de infrarrojo para COAnalizadores de infrarrojo para CO
La detección y medición de monóxido de carbono se basa en la absorción de radiación infrarroja (IR) por parte de moléculas de CO en la longitud de onda específica de 4.7 μm y utiliza un elemento calentado con alta energía para generar una banda ancha de luz infrarroja.
La luz pasa a través de un filtro de gas en forma de anillo giratorio que hace que el rayo de luz pase alternamente a través de un compartimiento de gas llena de nitrógeno (celda de medición), y otro lleno de una alta concentración de monóxido de carbono (celda de referencia). Detrás del anillo giratorio se encuentra la celda de muestra.
482#
Analizadores de infrarrojo para COAnalizadores de infrarrojo para CO
El principio llamado Correlación de Filtro de Gas requiere que el anillo gire a una tasa de 30 ciclos/segundo, lo que hace que el rayo de luz esté modulado en pulsos de referencia y medición. Durante un pulso de referencia, el compartimiento de CO del del anillo giratorio descompone eficazmente el rayo de toda la energía IR en longitudes de onda donde el CO puede absorber.
Como resultado se obtiene un rayo que no es afectado por el CO en la celda de muestra. Durante el pulso de medición, el nitrógeno del filtro de gas no afecta el rayo, que subsecuentemente puede alternarse con cualquier CO en la celda de muestra.
483#
Analizadores de infrarrojo para COAnalizadores de infrarrojo para CO
La presencia de CO en la celda de muestra reduce la señal generada en el compartimiento de medición (M), mientras que la señal de referencia (R) queda igual, ya que la alta concentración de CO en el compartimiento de referencia absorbió toda la luz con longitud de onda 4.7 μm. La diferencia entre M y M* determina la concentración de CO en la celda de Muestra.
484#
Analizadores de infrarrojo para COAnalizadores de infrarrojo para CO
Después del anillo de filtro de gas, el rayo IR entra a la celda de muestra de paso múltiple. Esta celda usa ópticas plegables para generar una longitud de paso de absorción de 16 metros para lograr sensibilidad máxima.
Luego de excitar la celda de muestra, el rayo pasa por un filtrode interferencia de paso de banda para limitar la luz a la longitud de onda que se necesita. Por último, el rayo golpea el detector que es un fotoconductor sólido enfriado termo eléctricamente.
Este detector, junto con su preamplificador y su suministro de voltaje convierten la señal luminosa en una señal de voltaje modulada. La salida del detector es desmoduladaelectrónicamente para crear dos voltajes DC: CO Medición y CO Referencia. Estos voltajes son proporcionales a la intensidad dela luz que recibe el detector durante los pulsos de medición y referencia, respectivamente.
485#
Analizadores de infrarrojo para ozono OAnalizadores de infrarrojo para ozono O33
La detección y medición de moléculas de ozono se basa en la absorción de 254 nm de rayos UV debido a una resonancia electrónica de la molécula de O3. El analizador automático utiliza una lámpara de mercurio que emite una onda de 254 nm. La luz de la lámpara brilla hacia abajo hasta un tubo de vidrio hueco que alternamente es llenado con la muestra y luego con gas limpio para remover el ozono. La tasa de la intensidad de luz I/I0 es la base para el cálculo de la concentración de ozono Cozono según Beer-Lambert
486#
Analizadores de infrarrojo para ozono OAnalizadores de infrarrojo para ozono O33
La concentración de ozono depende de la tasa de la intensidad (I/I0).
La temperatura y presión influyen sobre la densidad de la muestra, la cual cambia el número de moléculas de ozono en el tubo de absorción que impacta la cantidad de luz que se remueve del rayo de luz. Estos efectos se pueden atender midiendo directamente temperatura y presión, incluyendo sus valores reales en el cálculo. El coeficiente de absorción es un número que refleja la habilidad inherente del ozono de absorber luz de 254 nm.
La longitud de la ruta de absorción determina cuántas moléculas existen en la columna de gas del tubo de absorción.
487#
Analizadores de OxAnalizadores de Oxíígeno geno
488#
Analizador de OxAnalizador de Oxíígenogeno
El oxígeno es vital en una amplia variedad de procesos industriales que involucran la oxidación y la combustión. Muchas industrias utilizan oxígeno puro o gases inertes conteniendo un poco de oxígeno como contaminante y estas aplicaciones requieren el análisis de la concentración de oxígeno.
Los tipos principales de analizadores de oxígeno utilizados son:
-Analizadores de oxígeno que utilizan las propiedades paramagnéticos.
- Analizadores de oxígeno que utilizan las propiedades electroquímicas.
489#
Analizador de OAnalizador de O22 ParamagnParamagnééticotico
El Oxígeno posee una gran afinidad para un campo magnético. Esta no común propiedad de paramagnetismo es compartida por muy pocos gases y algunos gases incluso son repelidos por los campos magnéticos, como el caso del dióxido, metano, etano, etileno, CO, CO2, hidrógeno y argon.
Existen 3 tipos de analizadores que explotan la propiedad paramagnética:el diseño de deflexión requiere que la propiedad paramagnética sea
constante para medir el cambio en la concentración del gas, el diseño termal, en que el efecto paramagnético decrece conforme aumenta la temperatura del oxígeno y el diseño de gas-referencia, en donde dos gases con diferente contenido de oxígeno son combinadas en un campo magnético, generándose una diferencia de presión.
Gas Susceptibilidad magnética
Acetileno (C2H2) Amonia (NH3) Argon (Ar) Bioxido de carbono (CO2) Monóxido de carbono (CO) Etileno (C2H4) Hexano (C6H14) Hidrógeno (H2) Metano (CH4) Oxido Nitrico (NO) Nitrógeno (N2) Oxígeno (O2)
-0.24 -0.26 -0.22 -0.27 +0.01 -0.26 -1.7 +0.24 -0.2 +43.0 0.0 +100.0
490#
Analizador de OAnalizador de O22 paramagnparamagnéético de deflexitico de deflexióónn
POLARIDAD N
ESPEJO
POLARIDAD P
FOTOCELDA FUENTE LUZ
AMPLIFICADOR UNIDAD DE INDICACIÓN
CELDA DE MEDICIÓN
SALIDA DE GASENTRADA DE GAS
CUERPO DE MEDICIÓN
La fuerza magnética actúa en una esfera que rota libremente en un eje. La fuerza es proporcional a la diferencia de las susceptibilidades magnéticas del volumen del cuerpo de prueba y del gas alrededor del mismo. Debido a que la esfera es de vidrio y se encuentra lleno de nitrógeno, se deflexiona ligeramente lejos del punto de máxima fuerza magnética. Cuando la muestra de gas contiene oxígeno, el oxígeno es atraído al punto del campo en donde es máxima la fuerza magnética, desplazando la esfera.
491#
Analizador de OAnalizador de O22 paramagnparamagnéético de deflexitico de deflexióónn
El oxígeno altamente paramagnético concentra el campo magnético y la rotación resultante en la esfera es detectada como una función lineal de la concentración de oxígeno. Cuando la esfera empieza a rotar, el espejo también rota, desbalanceando la luz hacia la fotocelda. Este desbalanceo es opuesto y casi igual a la fuerza magnético, el cual es función de la concentración de oxigeno-
Las desventajas de este tipo de analizador son:
•Es de naturaleza delicada.•Sensible a las vibraciones.•Variaciones en la temperatura de las muestras o variaciones en la susceptibilidad magnética de los gases finales contribuyen a los errores en la medición.
492#
Analizador de OAnalizador de O22 paramagnparamagnéético tipo ttico tipo téérmicormico
Esta compuesto de un anillo en donde se hace circular el gas conoxígeno. El oxígeno paramagnético de la muestra es atraído por el campo magnético hacia el tubo horizontal donde las resistencias resistores calientan los gases. Estas resistencias están conectadas a un puente de Wheatstone para detectar las variaciones en la resistencia.
TUBO DE VIDRIO
SALIDA DE GAS
ENTRADA DE GAS
Al circuito puente
Polo magnético
Resistencias embobinadas
493#
Analizador de OAnalizador de O22 paramagnparamagnéético tipo ttico tipo téérmicormico
El oxígeno en la muestra calentada pierde paramagnetismo, por lo que se atrae oxígeno frío de la muestra entrante, el cual, reemplaza al caliente, esta acción produce un fenómeno conocido como “viento magnético”.
El gas que fluye, enfría al “viento” del lado izquierdo, y calienta al “viento”del lado derecho, originando una diferencia de temperaturas que desequilibra al puente.
Existen errores que pueden ser originados por materiales diamagnéticos y por el cambio en la presión de la muestra.
La ventaja de este analizador es que es más resistente que el de deflexión. Su desventaja es que se debe compensar las variaciones de la conductividad térmica de los gases finales.
494#
Analizador de OAnalizador de O22 paramagnparamagnéético tipo dualtico tipo dual
En este tipo de analizador se tienen dos gases con diferente contenido de oxígeno, se combinan en un campo magnético y se observa una diferencia de presión.El gas de referencia puede ser 100% oxígeno, nitrógeno o aire.El gas de referencia pasa por dos ductos, y en uno se hace pasar la muestra de gas por un campo magnético. Ya que ambos conductos están conectados, la presión produce un flujo que puede ser medido.
Su diseño es mas robusto pero es sensible a las vibraciones y no es recomendable para mediciones con cantidades pequeñas de oxígeno.
495#
Analizador de OAnalizador de O22 electroquelectroquíímicosmicos
Se dividen en tres tipos:
a) Detectores tipo celda combustible de alta temperatura que involucrala conducción de iones de oxígeno de un electrodo a otro a través de un electrolito óxido sólido como el zirconio.
b) Detectores tipo galvánico a temperatura ambiente que involucran una reducción del oxígeno hacia el cátodo y la disolución de un ánodo activo, como cadmio, en un electrolito.
c) Detectores tipo polaridad grafica que consiste de tres electrodos (cátodo, ánodo y una referencia) y un electrolito. Es similar al tipo galvánico, sólo que aquí se aplica un potencial externo al cátodo para manejar la reacción de reducción de oxígeno.
A continuación se analiza el tipo a, de óxido de zirconio, que es el más utilizado.
496#
Analizador de OAnalizador de O22 electroquelectroquíímico de mico de óóxido xido de zirconiode zirconio
La operación de estos detectores involucra una ionización del oxígeno en una muestra y en un flujo de un gas conocido de referencia a una temperatura alta. La celda de medición consiste de un electrolito sólido de óxido de zirconio estabilizado en calcio con metales nobles porosos, preferentemente platino.
La celda de medición opera en una temperatura de 800ºC. Cuando la muestra y el gas de referencia tienen contacto con la superficie del electrodo, el oxígeno se ioniza en iones O-2. Las concentraciones de oxígeno en cada muestra es una función de la presión parcial del oxígeno en la muestra, por lo que el potencial en cada electrodo depende de la presión parcial del oxígeno en el gas.
497#
Analizador de OAnalizador de O22 electroquelectroquíímico de mico de óóxido de xido de zirconiozirconio
El electrodo de mayor potencial (mayor concentración de O2) generaráiones oxígeno, mientras que el electrodo con menor potencial convertirá los iones en moléculas de Oxígeno. Las reacciones ocurridas son:
O2 + 4e- 2 O-2 (al cátodo)2 O-2 O2 + 4e- (al ánodo)
El flujo de los iones de oxígeno a través del electrolito de óxido de zirconio caliente provoca una diferencia de voltaje a través del elemento sensor.
498#
Analizador de OAnalizador de O22 electroquelectroquíímico de mico de óóxido de zirconioxido de zirconio
El voltaje del circuito abierto se relaciona con la presión parcial del oxígeno con la ecuación de Nernst:
donde:E= Voltaje desarrollado en el circuito abiertoR= Constante universal de los gasesT= Temperaturan= Número de electrones transferidos por
molécula de oxígenoF = Constante de Faraday
muestra de gasen O parcialPresión referencia de gasen O parcialPresión ln
2
2
nFRTE =
499#
Analizador de OAnalizador de O22 electroquelectroquíímico mico de de óóxido de zirconioxido de zirconio
La máxima concentración detectable de oxígeno en el fluido de muestra es igual que en el de referencia.
Si la concentración en la muestra es mayor que en la de referencia, los iones se moverán en dirección opuesta y el voltaje del circuito abierto será de polaridad contraria.
Este detector debe ser utilizado para las aplicaciones en donde la muestra no contenga combustible ya que a elevadas temperaturas el material oxidable en la muestra gaseosa se combinará con oxígeno y en consecuencia, disminuirá la concentración de oxígeno en la muestra gaseosa, causando un error en la medición, si existen combustibles presentes.
500
Standards
Certification
Education & Training
Publishing
Conferences & Exhibits
INSTRUMENTACIINSTRUMENTACIÓÓN N BBÁÁSICA DE PROCESOS SICA DE PROCESOS INDUSTRIALESINDUSTRIALES
CAPCAPÍÍTULO 8TULO 8
EQUIPOS AUXILIARESEQUIPOS AUXILIARES
M. en C. Armando Morales Sánchez16, 17 y 18 de mayo del 2007
501#
El Lazo de control con elementos auxiliares
ELEMENTOFINAL DE CONTROL
PROCESOELEMENTOPRIMARIO
DE MEDICION
CONVERTIDOR O TRANSDUCTOR TRANSMISOR
PERTURBACIONES
PUNTO DE AJUSTE
VARIABLE
CONTROLADA
VARIABLE
MANIPULADA
CONTROLADORm(t)
c(t)
d(t)
e(t)=R(t)-c(t)
R(t)INDICADORREGISTRADOR
INTERRUPTOR
ALARMA
502#
Transmisores
Dispositivo que detecta el valor de una variable de proceso por medio de un elemento primario (o sensor) y que tiene una salida estándar cuyo valor de estado estacionario varia sólo como una función predeterminada de la variable de proceso. El elemento primario puede o no ser integral al transmisor.
Básicamente existen tres tipos de transmisores: neumáticos, electrónicos y digitales.
503#
Transmisores
0-800 “ H2O3-15 psi
0-1000 °F4-20 mA
0-5000 GPM0-X Cuentas/Pulsos
504#
Transmisor neumático
FUELLESTOBERA/PALOMETA
SA
SEÑAL DE PROCESO 3-15 PSI
AJUSTES
Este transmisor entrega una señal neumática de aire, normalmente con una presión de 3-15 PSIG (libras/pulg2). Sus dos principios son con fuelles o con tobera-palometa.
20 PSI
505#
Transmisor electrónico analógico
TRANSFORMADORNUCLEO MÓVILSTRAIN GAGECAPACITIVO
SE
SEÑAL DE PROCESO 4-20 mA. C.D.
AJUSTES
Este transmisor construido con elementos electrónicos analógicos (transistores y algunos circuitos integrados) entrega una señal eléctrica de corriente o voltaje, normalmente de 4-20 mA. C.D., 0-5 V.C.D., 0-10 V.C.D. Su principio de medición es por medio de un transformador con núcleo móvil, de esfuerzo o strain gage y tipo capacitivo.
24 VCD
506#
Transmisor digital
STRAIN GAGECAPACITIVO
SE
4-20 mA. C.D. óCódigos binarios (Protocolos digitales)
SEÑAL DE PROCESO
CONFIGURADOR
24 VCD
Este transmisor construido con microprocesadores que puede mejorar el rendimiento del sensor y/o accesar a comunicaciones remotas a través de un dispositivo de interface de mano, un sistema de control o ambos. Entrega una señal digital en algún protocolo con opción de una señal de 4-20 mA. C.D. modulada. Existen diferentes sensores en los transmisores y uno ellos es el medidor tipo capacitivo a partir de movimientos elásticos de un diafragma. Esta técnica es utilizada para los transmisores de presión absoluta, manométrica y diferencial.
507#
Transmisor digital inteligente
El microprocesador mejora el rendimiento del sensor de dos formas:Puede almacenar curvas de entrada/salida para compensar los
errores de salida del sensor originados por factores fuera del procesoPuede llevar a cabo cálculos matemáticos que condicionan la salida
del sensor
508#
Funciones del transmisor digital inteligente
• Auto-diagnósticos
• La compensación del sensor de temperatura proporcionando una linealización mejorada
• Se pueden programar remotamente el cero y el span
• Opciones de salida:
– Lineal
– Raíz cuadrada
– Por ciento
• Capaz de medir más de una variable de proceso (por ejemplo, flujo másico)
509#
Operación del transmisor inteligente
VARIABLE DE PROCESO
SENSORACONDICIONAMIENTO
DE SEÑALACONDICIONAMIENTO
DE SALIDA
POT DE AJUSTE DE CERO
POT DE AJUSTE DE SPAN
SALIDA 4-20 mA CD
TRANSMISOR ANALÓGICO
VARIABLE DE PROCESO
SENSOR MICROPROCESADOR
MEMORIASALIDA
4-20 mA CD
TRANSMISOR INTELIGENTE
A/D
COMUNICACIONESDIGITALES
D/A
510#
MODULO DECOMUNICACIÓN
MODULO DE SENSADO
Conversión de señalanalógico/digital
Sensor detemperatura
Memoria delmódulo de sensado• Coeficientes de corrección• Módulo de información
Microprocesador:• Sensor de linealización• Reranging• Amortiguamiento• Diagnósticos• Ingeniería• Comunicación
Sensor PDCapacitivo
Presión baja
Presión alta
Memoria del módulo electrónico:• Valores de rango• Configuración del transmisor
Conversión de señal D/A
Comunicacionesdigitales HART• Bell 202• FSK
Salida Analógica4-20 mA
MODULO ELECTRÓNICO
Ajustes de spanlocal y cero
Transmisor de presión diferencial Rosemount 3051C
Operación del transmisor inteligente
511#
Cambio del rango (“rerange”) en un transmisor inteligente
20 mA
4 mA
0” 25” 50” 75” 100”
20 mA
4 mA
0” 25” 50” 75” 100”
4 mA
0” 25” 50” 75” 100”
20 mA
4 mA = 0” H2O
20 mA = 100” H2O
4 mA = 50” H2O
20 mA = 100” H2O
4 mA = 50” H2O
20 mA = 75” H2O
512#
Transmisor Señal Precisión Ventajas Desventajas
Neumático 3 – 15 psi0,2 – 1 bar ± 0,5 % Rapidez
Sencillo
Aire limpio, No guardan información, Distancias limitadas, Mantenimiento caro, Sensible a vibraciones
Electrónico Convencio-nal
4 – 20 mA c.d. ± 0,5 % Rapidez
Sensible a vibraciones, deriva térmica
ElectrónicoInteligente
4 – 20 mA c.d. ± 0,2 %
Mayor precisión Intercambiable Estable, Confiable Campo de medida más amplio, Bajo costo de mantenimiento
Lento (para variables rápidas puede presentar problemas)
Electrónico Inteligente Señal Digital
Digital ± 0,1 %
Mayor precisión Más estabilidad Confiable, sin histéresis Autodiagnóstico Comunicación bidireccionalConfiguración remota, Campo de medida más amplio, Bajo costo de mantenimiento
Falta normalización de las comunicaciones, No intercambiable con otras marcas
513#
Indicador
Los indicadores muestran el valor de la variable de proceso en unidades determinadas, en función de una señal normalizada proveniente del transmisor.
TRANSMISOR
SEÑAL DE PROCESO 4-20 mA. C.D.
0-30 Kg
INDICADORMuestra el valor
de presión con un rango de 0-30 Kg
514#
Indicador
Indicadores neumáticos: manómetros con rango de 3-15 psi y escalas graduadas de acuerdo a las características del transmisor.
Indicadores analógicos: Voltmetros, Ampermetros, Milivoltmetros, Miliampermetros.
En la indicación digital de los sistemas de control digital, este se da en base a software que es configurado cuando se instala el equipo.
Rangos de 0-120 V. 4-20 mA, 0-5 A, 0-20 mA, 0-10 V.C.D. con escalas graduadas de acuerdo a las características del transmisor, (tecnología, analógica o digital)
515#
Registrador
Es un instrumento que indica la tendencia gráfica de las variables de proceso.
En el caso de los registradores neumáticos se utilizan las gráficas graduadas de acuerdo al rango del transmisor, son del tipo circular o rollo de papel con registros múltiples. Existen registradores electrónicos que funcionan de la misma manera con rollos de papel.
En los sistemas de control digital, en el software se configuran las tendencias en rango y tiempo, e inclusive generan una base de datos histórica de los datos registrados.
516#
Registrador
517#
Convertidor
Cuando se desea realizar una medición, es necesario un transductor o acondicionador de señal que transforme una variable en otra, por ejemplo una variable eléctrica en variable neumática. En términos generales un convertidor acondiciona o convierte una señal en otra y puede contener las siguientes etapas: Conversión de señal, modificación del nivel de la señal, linearizar la respuesta y si es necesario el filtrado de la señal.
518#
Tipos de convertidores
NEUMÁTICO/ELÉCTRICO3-15 PSI a 4-20 mA
ELÉCTRICO/NEUMÁTICO4-20 mA a 3-15 PSI
ELÉCTRICO/ ELÉCTRICO0-500 mV a 4-20 mA
4-20 mA a 0-15 A.0-300 ohms a 4-20 mA
0-100 Hz a 4-20 mA
TARJETAS O MÓDULOS DEENTRADA/SALIDA A
SISTEMAS DISTRIBUIDOSR / mA r / DIGITAL PSI / mA PSI / DIGITALmV / mA mV / DIGITAL mV / V DIGITAL / PSIR / V r / DIGITAL PSI / V mA / PSIL
519#
Convertidor electroneumático (4-20 mA. CD a 3-15 PSIG)
520#
Interruptor
Un interruptor es un dispositivo que conecta, desconecta o transfiere uno o más circuitos, y que no es un controlador, y el caso mas común es un relevador. EI interruptor es un dispositivo que mide la variable y opera (abre o cierra un contacto) cuando se alcanza un valor predeterminado, previamente calibrado.
INTERRUPTORSEÑAL DE PROCESO
1 o 0Abierto o cerrado
AJUSTE DE PUNTO DE DISPARO
521#
Interruptor
Ejemplo: interruptores de temperatura que actúan como elementos de seguridad para el paro automático de la Planta, cuando se tiene una alta temperatura.
522#
Interruptores en circuitos de protección
Los interruptores juegan un papel importante ya que generalmente los interruptores van asociados a los sistemas de alarmas y de paro de planta.
523#
Alarmas
• Es una función de la interfase de operador quepermite detectar y reportaranormalidades en el proceso
• Estas pueden ser visualesy/o audibles
Tan solo avisandole al operador...
524#
Totalizadores
Instrumento cuya función es totalizar las señales de flujo instantaneo de fluidos en períodos de tiempo preestablecidos.
525#
Buses de campo
Un bus de campo es un término genérico que describe un conjunto de redes de comunicación para uso industrial cuyo objetivo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el sistema de control a través del tradicional lazo de 4-20 mA.
El objetivo es reemplazar los sistemas de control centralizados por redes para control distribuidos con el fin de mejorar la calidad del producto, reducir costos y mejorar la eficiencia del sistema.
526#
Buses de campo
Típicamente son redes digitales, bidireccionales, multipunto montadas sobre un bus serie. Cada dispositivo de campo conectado incorpora cierta capacidad de proceso, que lo convierte en un dispositivo inteligente, tratando de mantener un costo bajo, la cual es su principal ventaja con la reducción de cableado y su comunicación digital.
INTERFACE
Hasta 15 dispositivos
527#
Buses de campo
Cada uno de estos elementos es capaz de ejecutar funciones simples de autodiagnóstico, control o mantenimiento, así como comunicarse bidireccionalmente a través del bus.
La señal aloja tanto a la variable de medición y a la señal de control además de que puede proporcionar información adicional, como por ejemplo:
- Mediciones secundarias- Parámetros de Proceso - Configuración del Dispositivo- Calibración - Diagnósticos- Identificación o Tag
528#
Buses de campo
COMANDOS PRÁCTICOS
Lectura de variablesCambio de rangoAjuste de cero y spanAutoprueba de inicializaciónNúmero de serieValores de constantes de tiempo
COMANDOS ESPECIFICOS
Funciones específicas del modeloOpciones de calibración especialParo, arranque o inicializaciónSelección del elemento primarioHabilitar el PIDCambiar el punto de ajuste SPAjuste de parámetros de sintonía
Calibrador
529#
Tipos de buses de campo
Debido a la falta de normas, algunas compañías han desarrollado soluciones y cada una de ellas con diferentes características.
Se pueden dividir en los siguientes grupos:
a) Buses de alta velocidad y baja funcionalidad.b) Buses de alta velocidad y funcionalidad media.c) Buses de altas características.
530#
Buses de altas velocidad y baja funcionalidad
Están diseñados para integrar dispositivos simples como finales de carrera, fotoceldas, relevadores y actuadores simples, funcionando en tiempo real y agrupados en una pequeña zona de la planta, típicamente en una PC. Algunos ejemplos son:
CAN: Diseñado originalmente para aplicación en vehículos.
SDS: Bus para la integración de sensores y actuadores basado en CAN.
ASI: Bus serie diseñado por Siemens para la integración de sensores y actuadores.
531#
Buses de alta velocidad y funcionalidad media
Se basan en el diseño de una capa de enlace para el envío eficiente de bloques de datos de tamaño medio, permitiendo al dispositivo mayor funcionalidad incluyendo aspectos de configuración, calibración o programación del dispositivo. Algunos ejemplos son:
DeviceNet: utiliza como base el bus CAN con una capa de aplicación orientada a objetos (Allen-Bradley).
LONWorks: Red desarrollada por Echelon.BitBus: Red desarrollada por Intel.DIN MessBus: Norma alemana de bus de instrumentación basado
en comunicación RS-232.BitBus: Norma alemana de bus usado en aplicaciones
medias.
532#
Buses de altas características
Son capaces de soportar comunicaciones a nivel planta industrial. Aunque se basan en buses de alta velocidad, algunas presentan problemas debido a la sobrecarga excesiva para alcanzar las características funcionales y de seguridad que les exigen. Algunos ejemplos son:
- Profibus
- FIP
- Fieldbus Foundation
533#
Protocolo Hart
El protocolo HART es uno de los primeros protocolos implementados y permite la comunicación bi-direccional con instrumentos inteligentes superponiendo la señal digital en la analógica sin afectarla, transmitiendo simultáneamente por el mismo alambrado.
SEÑAL ANALOGICA
+ 0.5 mA
- 0.5 mA
Frecuencia 1200 Hz 2200 HzEdo. Logico “1” “0”
COMUNICACIÓN ANALOGICA + DIGITAL SIMULTANEA
534#
Comunicación analógica + digital
SEÑAL ANALOGICA
20 mA
4 mA
SEÑAL DIGITAL
tiempo
“1”“1” “1”
“1” “1”
“0” “0”“0”
“0”
535#
Protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer)
Esta tecnología va creciendo rápidamente a tal grado de que prácticamente todos los fabricantes ofrecen transmisores con tecnología HART y garantizan ahorros sustanciales, tanto en instalación y puesta en marcha como durante la vida útil del equipo por concepto de mantenimiento y operación.
INTERFACEHART
Configuración y diagnóstico remoto
4 20
COMUNICACIÓN ANALÓGICA + DIGITAL
4 a 20 mA
HART
2 actualizaciones por segundo (posición de la
válvula, transmisores, etc)
Calibrador
536#
Transmisor como controlador
El transmisor HART tiene internamente una opción de actuar como controlador. El dispositivo se configura de tal manera que el lazo de 4-20 mA es proporcional a la salida del algoritmo de control PID para mandar una señal sobre la válvula de control.
537#
Bus de campo Modbus
Modbus (1979) es un protocolo que trabaja en la capa de aplicación nivel 7 del modelo OSI que proporciona comunicación cliente servidor entre dispositivos conectados en diferentes tipos de buses o redes.
Modbus es un protocolo de petición/respuesta y comúnmente se utiliza en:
- TCP/IP sobre Ethernet. Internet puede accesar Modbus en un puerto de sistema reservado 502 en el stack o pila TCP/IP.
- Transmisión asíncrona serie sobre una amplia variedad de medios(EIT/TIA-232-E, EIA-422, EIA/TIA-485-A, fibra óptica, radio, etc).
- Modbus plus, una red token passing de alta velocidad.
538#
Bus de campo Modbus
Modbus permite una fácil comunicación con diferentes tipos de arquitecturas de red:
HMI Interface Máquina-HumanoMB Protocolo ModbusPLC Controlador Lógico ProgramableI/O Entrada/Salida
539#
Bus de campo Fieldbus
Foundation Fieldbus es una arquitectura total y abierta para la integración de información que funciona bajo un sistema de comunicación digital bidireccional serie.
- El bus H1, con una velocidad de 31.25 kbits/s, interconecta equipos de campo como, sensores, actuadores y dispositivos de E/S.
- El bus HSE, con una velocidad de 100 Mbit/s, sirve para la integración de controladores de alta velocidad (como PLC’s), subsistemas H1, servidores de datos y estaciones de trabajo.
Foundation Fieldbus es el único protocolo con la capacidad de distribuir las aplicaciones de control a través de la red.
540#
Bus de campo Fieldbus
541#
Ventajas de Fieldbus
- Incrementa la capacidad debido a la comunicación digital completa.- Reduce el número de alambrado y de tableros de conexión.- Reduce el número de barreras intrínsecas de seguridad.- Reduce el número de convertidores de entrada y salida.- Reduce el número de fuentes de alimentación y gabinetes.,- Reduce el tamaño del cuarto de control.- Reduce la configuración de dispositivos.- Incrementa la exactitud de las mediciones.- Incrementa la sofisticación y la flexibilidad de la instrumentación.- Mejora el autodiagnóstico y los diagnósticos remotos.
542#
Bus de campo Fieldbus
543#
Bus de campo Fieldbus
544#
Bus de campo Profibus
La base del especificación del estándar Profibus fue un proyecto de investigación (1987-1990) llevado a cabo por: ABB, AEG, Bosch, Honeywell, Moeller, Landis & Gyr, Phoenix Contact, Rheinmetall, RMP, Sauter-cumulus, Schleicher, Siemens y cinco institutos alemanes de investigación.
El resultado de este proyecto fue el primer borrador de la norma DIN 19245 (DIN= Deutsches Institut für Normung e.V. “Instituto alemán de normas”), el estándar Profibus, partes 1 y 2. La parte 3, Profibus-DP, se definió en 1993.
Recientes estudios de mercado llevados a cabo por empresas ajenas a la Organización de Usuarios de Profibus señalan a éste como el bus con más futuro en el campo de los procesos industriales.
545#
Bus de campo Profibus
Este bus soporta una gran variedad de equipos que van desde PC´s y PLC´s hasta robots, pasando por todo tipo de elementos de campo, la mayoría de las aplicaciones industriales. Profibus ofrece tres opciones: FMS, DP y PA.
546#
Instalación de instrumentos en áreas peligrosas
• Clasificación de área peligrosa– NEC, clase, division, grupo
• Confinación de la explosión– Prueba de explosión
• Aislamiento de la fuente de energía– Presurización – Purga
• Limitación en la liberación de energía– Seguridad intrínseca– Equipo inti-incendio
547#
Clasificación de área peligrosa
Las áreas peligrosas deben ser clasificadas por alguien que estéfamiliarizado con la clasificación de áreas peligrosas y el área a ser clasificada.
La National Electrical Code (NEC), patrocinada por la National FireProtection Association (NFPA), presenta un conjunto de normas que son ampliamente utilizadas en requerimientos de seguridad. Incluye un sistema de clasificación que consiste de tres partes para áreas peligrosas donde los materiales flamables podrían ocasionar problema y son:
ClaseGrupoDivisión
548#
Denominaciones de clase
• Clase I– Lugares donde los gases flamables o vapores están o pueden estar presentes en el
aire en cantidades suficientes como para producir una explosión o una mezcla de ignición (plantas químicas y refinerías de petróleo)
• Clase II– Lugares donde los polvos de combustible pueden estar presentes en cantidades
suficientes como para causar daños (fábricas de harina e instalaciones de pulverización de carbón)
• Clase III– Lugares donde el material peligroso consiste de fibras que ardan fácilmente o filings
que no están normalmente en suspensión en el aire en cantidades que produzcan mezclas de ignición (aserraderos e instalaciones de manufactura de fibras)
549#
Clase I.- Designaciones de grupo
La designación de grupo define el material peligroso. Un factor en la designación de grupo es el límite explosivo del gas. Cuando el límite se vuelve más estrecho, el gas es situado en una clase menor.
Grupo AAcetileno
Grupo BButadieno, etileno oxido, propilen oxido, hidrógeno (y gases o vapores de peligrosidad equivalente)
Grupo CCiclopropano, eter etílico, etileno, hidrógeno sulfide (y gases o vapores de peligrosidad equivalente)
Grupo DAcetona, alcohol, amoniaco, benzeno, butano, propilene, gasolina, metano, gas natural (y gases o vapores de peligrosidad equivalente)
550#
Clase II.- Designaciones de grupo
• Grupo E– Polvos de metal combustible sin tomar en cuenta la resistividad u otros
polvos combustibles de peligrosidad similar (magnesio, aluminio, bronce polvos, etc.)
• Grupo F– Carbón black, carbón vegetal, carbón, o polvos de coque que tienen un
total de más de 8 % de material volatil• Grupo G
– Polvos de combustible (arina, fécula, azúcar pulverizada y cacao, heno seco, etc.)
551#
Designaciones de división
La designación de división define la probabilidad y el punto en el que la mezcla inflamable o combustible existirá en el área en cualquier momento:
División 1 La mezcla flamable o combustible existe bajo condiciones normales (durante las actividades regulares de mantenimiento, liberación de químicos que ocurres regularmente, etc.)
División 2La mezcla flamable o combustible existe bajo condiciones anormales (mal funcionamiento, ruptura de tubería, fugas en el equipo, etc.)
552#
Ejercicio de práctica: Clasificación
PLANTA DE POLIPROPILENO
Area de proceso
Gas propileno en concentración
flamable todo el tiempo
Area de terminaciónPolvos de polipropileno transportado
Solo bajo condiciones anormales
553#
• ISA-12.1-1991 – Definiciones e información perteneciente a instrumentos eléctricos en lugares
peligrosos (clasificados)
• ISA-TR12.2-1995 – Evaluación del sistema seguro intrínsecamente utilizando el concepto de entidad
• ISA-RP12.2.02-1996– Recomendaciones para la preparación, contenido y organización de dibujos de
control de seguridad intrínseca
• ISA-RP12.4-1996– Recintos presurizados
Normas ISA aplicables
554#
Normas ISA aplicables
• ANSI/ISA-RP12.6-1995– Prácticas de cableado para lugares de instrumentación peligrosos (clasificados)
- parte 1: seguridad intrínseca
• ANSI/ISA-12.10-1988– Clasificación de área en lugares con polvo peligrosos (clasificados)
• ANSI/ISA-12.12-1994– Equipo eléctrico anti-incendio para uso en lugares peligrosos (clasificados)
clase I y II, división 2 y clase III, divisiones 1 y 2
555#
Componentes de fuego y explosión
COMBUSTIBLE
FUENTE DE IGNICIÓN
OXIGENOPara reducir el peligro, eliminar el combustible, el oxidante o la fuente de ignición
Para que ocurra el fuego o explosión, el triángulo debe ser completado
556#
Técnicas de protección
• Confinamiento de la explosión
– Prueba de explosión
• Aislamiento de la fuente de energía
– Presurización
– Purga
• Limitación de la liberación de energía
– Seguridad intrínseca
– Equipo contra-incendio
557#
Confinamiento de la explosión
CLASE I ATMÓSFERA PELIGROSA
RECINTO A PRUEBA DE EXPLOSION
558#
Recintos presurizados
ATMÓSFERAPELIGROSA
PRESIÓNMAS ALTA
Presurización: Técnica de proteger contra el ingreso de una atmósfera externa dentro de un recinto manteniendo un GAS PROTECTOR allí dentro, a una presiónpor arriba de la presión de la atmósfera externa
Purga: En un recinto presurizado, la operación de pasar una cantidad de GAS PROTECTOR a través del recinto y ductos, para que la concentración de la atmósfera de gas explosivo sea traido a un nivel seguro.
559#
Seguridad intrínseca
*
*
*
I.S. TRANSMISOR
S.I. SENSOR
S.I. SENSOR
S.I. SENSOR
I.S. TRANSMISOR
TRANSMISOR
S.I.BARRERAS
SELLOS
SELLO
SELLO
CONDUCTOA PRUEBA DEEXPLOSION
RECINTO A PRUEBADE EXPLOSIÓN
CONDUCTO UOTRO
RECINTO
CONDUCTOU OTRO
RECINTO
S.I.BARRERAS
EQUIPO DELCUARTO DECONTROL
Aparatos
ASOCIADOS
EQUIPO DELCUARTO DECONTROL
LUGAR PELIGROSO (CLASIFICADO) LUGAR NO PELIGROSO
560#
Barrera segura intrínsecamente
AREA PELIGROSA AREA PELIGROSA
VOLTAGEDE ENTRADA
FUSIBLE
DIODOSZENER
TIERRA INTRINSECAMENTESEGURA
RESISTENCIA LIMITADORA DE CORRIENTE
DISPOSITIVODE CAMPO
561
Standards
Certification
Education & Training
Publishing
Conferences & Exhibits
INSTRUMENTACIINSTRUMENTACIÓÓN N BBÁÁSICA DE PROCESOS SICA DE PROCESOS INDUSTRIALESINDUSTRIALES
CAPCAPÍÍTULO 9TULO 9
ELEMENTOS FINALES DE CONTROL ELEMENTOS FINALES DE CONTROL
M. en C. Armando Morales Sánchez16, 17 y 18 de mayo del 2007
562#
Es como su nombre lo indica, el último componente de un lazo de control.
Elemento final de control
ELEMENTOFINAL DE CONTROL
PROCESOELEMENTOPRIMARIO
DE MEDICION
CONVERTIDOR O TRANSDUCTOR TRANSMISOR
PERTURBACIONES
PUNTO DE AJUSTE
VARIABLE
CONTROLADA
VARIABLE
MANIPULADA
CONTROLADORm(t)
c(t)
d(t)
e(t)=R(t)-c(t)
R(t)
563#
En conjunto con el actuador que lo opera, recibe señales del sistema de control para modificar el flujo de masa o energía al proceso. Los elementos finales de control más comunes son:
Elemento final de control
- Válvulas de Control.- Reguladores de energía eléctrica.- Reguladores de velocidad.- Bombas y alimentadores.
De todos estos tipos, las válvulas de control representan un 95% o más de todas las aplicaciones en que interviene un elemento final de control.
564#
Válvulas de control
Una válvula de control interactúa directamente sobre las corrientes del proceso con la finalidad de absorber una cantidad adecuada de caída de presión para así mantener al sistema total en balance bajo todas las condiciones de operación. Mediante la regulación de caídas de presión se logra el control inferencial de flujo, nivel, presión, temperatura, p.H., es decir todas las variables vistas anteriormente de ahí su importancia. Su aplicación ha avanzado desde sus comienzos en los 30´s, a ser un arte en los 50´s y casi una ciencia en los 70´s. La selección de la válvula adecuada requiere la consideración de muchos factores, para cubrir las demandas del proceso en lo referente a características de control y confiabilidad mecánica.
565#
Válvulas de control
SIGNAL FROMCONTROLLER
ASIENTO
OBTURADOR
VASTAGO
DIAPHRAGMACTUADOR
CUERPO
FLUJOMANIPULADO
SEÑAL DELCONTROLADOR
DIAFRAGMA
566#
Ensamble de una válvula de control
ATC
567#
Características de control
Se refiere a la verificación del flujo que pasa a través de una válvula como una función del viaje del tapón de la válvula y cubre dos casos; el primero, cuando se considera a la válvula como un elemento aislado y a este comportamiento se le conoce como característica inherente, ésta dependerá únicamente del diseño de los interiores de la válvula, los principales tipos de características inherentes son:
- Abertura rápida- Lineal- Parabólica modificada- Mariposa y bola caracterizada- Igual porcentaje
568#
Característica inherente de la válvula de control
569#
Característica de la válvula de control
Tapón curveado
APERTURA RAPIDALINEALMODIFICADO %IGUAL %
570#
Características instaladas de la válvula de control
El segundo Cuando la válvula ha sido instalada, su comportamiento cambiará, de acuerdo con el sistema y al porcentaje de caída de presión de la válvula con respecto a la caída de presión total del sistema.Ahora esta característica se conoce como instalada y es la que definirá el comportamiento de la válvula en el sistema. Si los cambios en la carga son poco apreciables, la selección de la característica de la válvula es de poca importancia debido a que las variaciones en el punto de control serán pequeñas. Pero cuando grandes variaciones en la presión y en la carga ocurran, que es lo más común, se requerirán respuestas rápidas de la válvula, siendo esta respuesta función de la característica inherente de la válvula
571#
Válvula de control Lineal
La relación entre la abertura de la válvula y el flujo a caída de presión constante es una línea recta. Son usadas en las siguientes aplicaciones:- En procesos lentos.- Cuando más del cuarenta por ciento de la caída de presión del sistema ocurre en la válvula.- Cuando la mayoría de los cambios en el proceso sean resultado de carga.- Como primer alternativa en las aplicaciones de control de nivel.
572#
Válvula de control de igual porcentaje
En este caso la relación es exponencial. La principal propiedad de esta característica es que a igual incremento en el movimiento del vástago de la válvula, producirá un cambio de igual porcentaje en el flujo a caída de presión constante, basado en el flujo antes que el cambio sea hecho. Se utiliza en: - En procesos rápidos.- Cuando alta rangeabilidad es requerida.- Cuando la dinámica del proceso no sea bien conocida.-
573#
Válvula de control de igual porcentaje
- En cambiadores de calor cuando un incremento en el flujo del producto, requiere mucho mayor incremento en el medio de enfriamiento o calentamiento.- Para cierre rápido.Como primera alternativa en aplicaciones de control de
flujo y Presión.
574#
Válvula de control de igual porcentaje
Una válvula con característica de igual porcentaje pierde su característica inherente a medida que esta absorba menos de la caída de presión dinámica del sistema, tendiendo hacia la característica lineal. Ésta es aún la mejor elección cuando la dinámica del sistema no es bien conocida, para esto mantiene una característica deseable de control sobre un amplio rango de las caídas de presión dinámicas. Tiene también amplia rangeabilidad, la cual es deseable cuando las cargas del sistema no son bien conocidas.
575#
Válvula de control de abertura rápida
No es común asignarle una definición matemática a esta característica. Su comportamiento es aproximadamente lineal en un 25% del viaje del tapón desde que éste se encuentra cerrado, y en este intervalo se maneja del 60% al 70% del flujo total. Si se usa en este rango se puede considerar como lineal, su uso fuera del mismo es raro excepto en servicio abierto-cerrado. Son usadas en:
- Control de dos posiciones.- Cuando la máxima capacidad de la válvula debe ser obtenida rápidamente.
576#
Consideraciones mecánicas de una válvula de control
Las consideraciones mecánicas de una válvula de control se basan en la construcción física de la misma, que consta de dos partes: cuerpo y actuador.
El cuerpo es la parte de la válvula de control que maneja el fluido de proceso. Cuando éste se encuentra adecuadamente operado por un actuador, modulará el flujo del fluido del proceso para ayudar a regular la presión, flujo, temperatura, nivel o alguna otra variable, en un sistema de control en particular. El ensamble del cuerpo de la válvula consiste en un cuerpo resistente a la presión, un bonete o ensamble de cierre superior y los interiores.
577#
Cuerpo de la válvula de control
Generalmente el estilo y forma de la válvula depende del tipo de interiores que ésta contiene, además de los requerimientos de conexiones que necesita la tubería en particular.
Debido a las crecientes necesidades de los procesos se han desarrollado una extensa variedad de tipos de cuerpos de válvulas de control, sin embargo, con tres tipos de válvulas se puede satisfacer prácticamente la mayoría de las aplicaciones normales de control: bola, mariposa yglobo. Aunque existen otros tipos como: tapón, diafragma, compuerta y solenoide.
578#
Válvula de control tipo Bola
El diseño básico de estas válvulas no fue pensado para control, debido a que el flujo crítico se da cuando la caída de presión a través de éstas alcanza el 15% de la presión de entrada contra el 50% normal en otros diseños, lo que origina problemas de inestabilidad como cavitación,flasheo o ruido, en condiciones que en otro tipo de válvulas no ocurrirían, por lo que su uso es en servicios on-off
579#
Válvula de control tipo Bola
580#
Válvula de control tipo Bola
V E N T A J A L I M I T A C I O N E S
Alta calidad para un diámetro dado. Presión de operación limitada.
Buenas características de control. No es recomendable para servicios de alta caída de presión.
Alta rangeabiliad.
Bajo costo. Necesita actuadores poderosos.
Maneja fluidos fibrosos, viscosos y lodos.
Mantenimiento difícil, por necesitar removerse de la tubería.
581#
Válvula de control tipo Mariposa
Este tipo de válvulas es probablemente uno de los diseños más antiguos aún en uso, originalmente fue usada en muchos de los primeros hornos de tiro natural, el regulador de tiro usado en las estufas de cocinas antiguas es una válvula de mariposa. Esta válvula fue ampliamente aceptada solo a partir de los 20´s, y es a partir de entonces cuando su diseño original ha experimentado grandes variaciones y mejoras hasta llegar a ser un dispositivo de control confiable, capaz de producir altas caídas de presión y asegurar cierre firme, además, sus características de auto limpieza y su patrón de flujo lineal son adecuados para algunos servicios sólidos-líquidos.
582#
Válvula de control tipo Mariposa
Su operación consiste en la rotación de un disco usualmente 90º, lo que hace variar el área entre las paredes del cuerpo y el disco, lo que originará una regulación del flujo a través de la válvula
583#
Válvula de control tipo Mariposa
584#
Válvula de control tipo Mariposa
Altas capacidades, para un tamaño dado.
Económicas, especialmente en tamaños grandes.
Caracterizada por tener alta recuperación de presión.
No permite la formación de sedimentos, adecuada para lodos.
Requiere un espacio mínimo para su instalación.
Fácilmente disponibles en tamaños grandes
Pocas partes para dar mantenimiento
Los torques operacionales pueden ser altos, haciendo necesarios actuadores grandes si la válvula es grande o la caída de presión es alta. (si no usa diseños especiales de bajo torque).
El cierre depende del uso de asientos resilientes los que están limitados por la temperatura.
La acción reguladora, en algunos diseños es limitada a un viaje de 60º.
Rangeabilidad limitada
V E N T A J A S L I M I T A C I O N E S
585#
Válvula de control tipo globo
Bajo esta denominación se encuentra cubierto un número de diseños que permiten como características común la forma de globo en todos estos. Este tipo de válvulas son las más comúnmente usadas y cuando el término válvula de control se menciona, normalmente se piensa en una válvula tipo globo. La forma en que estas válvulas logran la acción de control, es:
586#
Tipos de válvulas de control tipo globo
Válvulas de puerto sencillo.
Válvulas de puerto doble.
Válvulas de caja.
Válvulas de ángulo.
Válvulas de tres vías.
587#
Tipos de válvulas de control tipo globo
VALVULA DE GLOBO DE PUERTO SIMPLE VALVULA DE GLOBO
DE PUERTO DOBLE
588#
Válvulas tipo globo de puerto sencillo
Esta válvula tiene un puerto único. Debido a su construcción simple, fácil accesibilidad y economía en su diseño básico, estas válvulas son de uso extenso y se puede considerar que intervienen en la inmensa mayoría de las aplicaciones que requiere una válvula de control. Proporcionan cierre hermético, pero debido a deficiencias en el diseño de tapón, este estará sujeto a fuerzas de desbalance por lo que se deben usar actuadores de mayor poder.
589#
Válvulas tipo globo de puerto doble
Estas reducen hasta en un 70% la magnitud de las fuerzas de desbalance, debido a que las fuerzas de desbalanceentre el tapón superior tienden a compensarse. La principal desventaja de este diseño es la de no poder proporcionar cierre hermético debido a deficiencias en el maquinado de los interiores. Esta es el mejor modelo de válvula anticaviatación disponible ya que disminuye alrededor del 98% de la presión corriente arriba en algunos casos sin cavitación. Su uso ha sido desplazado por su alto costo, gran tamaño y baja recuperación de presión.
590#
Válvulas tipo globo de caja
Esta usa un pistón que hace las veces de tapón, rodeado por una caja cilíndrica que a la vez de sostener el anillo del asiento define la característica de la válvula, permite mayores caídas de presión sin causar mayor inestabilidad. Su principal ventaja es su facilidad de mantenimiento, y su principal desventaja es que sólo puede proporcionar cierre hermético con diseños especiales, lo que eleva el costo de la válvula.
591#
Válvulas de globo tipo ángulo
Aunque su uso es poco común, su diseño las hace adecuadas en servicios con alta caída de presión, en aplicaciones en las que haya de cubrir requerimientos especiales de arreglos de tuberías, para servicios que requieran autodrenaje o para servicios erosivos en donde el choque con partículas sólidas debe ser evitado. Son utilizadas con frecuencia en sistemas de control de presión y nivel, donde el espacio es reducido.
592#
Otros tipos de válvulas
VALVULA TIPO Y
PUERTO A
PUERTO B
FUENTE
VALVULA DE TRES POSICIONES (VALVULA DE DESVIO)
Una válvula de tres posiciones se utiliza para desviar (dividir) el flujo. Algunas requieren actuadores poderosos por las fuerzas no balanceadas que actúan en el obturador.
593#
Dimensionamiento de una válvula
Al seleccionar una válvula se debe tener cuidado en:Datos de la aplicación:
Velocidad máxima y mínima del flujoCaída de presión Temperatura del fluido
Datos del fluidoNombre del fluidoFase (gas, líquido)Densidad (gravedad especifica, peso especifico, peso molecular)Viscosidad (líquidos)Presión de vapor (gases)
Influencia de la tuberíaPresencia de reductores u otras perturbaciones
594#
Dimensionamiento de una válvula
Influencia del sistemaDinámica del control (Es el sobredimensionamiento importante)Factor económicoSeguridad
Estilo de la válvula (basada en aplicación)Capacidadresistencia a la erosión y corrosión
Cálculos del dimensionamientoCoeficientes del tamaño Formulas de selección
595#
Capacidad Cv de una Válvula de control
La capacidad de una válvula referida en unidades de Cv, esto es el número de galones por minuto de agua que pasan a través de la válvula con una caída de presión de una lb/pulg2 a 60ºF, es función de su diseño y del diámetro del puerto de la válvula. Esta capacidad variarámucho de diseño a diseño y en caso extremos de flujo máximo y mínimo alguno de estos diseños será incapaz de manejarlos, la válvula de mariposa y la de bola caracterizada son capaces de manejar eficientemente flujos altos, mientras que una válvula de globo que manejará estos mismos flujos generalmente es muy voluminosa y pesada en comparación a las anteriores.
596#
Es la relación entre el flujo máximo y el flujo mínimo controlable, donde controlable implica que la desviación no exceda ciertos límites establecidos a partir de su característica inherente de flujo y es importante cuando:
- Indica el punto en que la válvula actuará como un dispositivo abierto-cerrado o pierde control completamente debido a fugas.- Establece el punto en el que la característica de empuje ascendente del flujo se desvía de lo separado.- Una válvula deberá manejar eficientemente varias condiciones de flujo alejadas entre sí.
Las válvulas de mariposa y bola caracterizada son las que mejores características de rangeabilidad ofrecen.
Rangeabilidad de una Válvula de control
597#
Ejemplo
Obtener la característica Cv de la válvula dado:Fluido: Agua saladaGravedad especifica: 1.2Velocidad de flujo máxima : 250 gpmΔP a flujo máximo: 10 psiVelocidad de flujo mínima : 40 gpmΔP a flujo mínimo: 25 psiSabiendo que su ecuación es:
PGqcv Δ
=
8710
2.1250 ==vc
7.825
2.140)minimo( ==vc Rangeabilidad 10:1
598#
Recomendación…
Existen muchos factores para seleccionar una válvula, el ejemplo anterior, solo aplica a líquidos incompresibles y con un numero de Reynolds mayor a 500, si se desea conocer más técnicas se recomienda el“ISA Handbook of control Valves” o “ISA standard S39.4”
599#
Cantidad de flujo que pasa a través de una válvula completa-mente cerrada
Fugas en una Válvula de control
600#
CARACTERÍSTICAS TIPO GLOBO TIPO M ARIPOSA TIPO BOLA CARACTERIZADA
TAMAÑO
1” a 24” 1” a 150” 1” a 24”
PRESIÓN DE DISEÑO
Hasta 400Kg/cm² Hasta 400Kg/cm² Hasta 100Kg/cm²
TEMPERATURA DE DISEÑO Criogénicas Hasta 650º C
Criogénicas Hasta 1000º C
Criogénicas hasta 500 ºC
MÁXIMA CAIDA DE PRESIÓN
70-210Kg/cm² 70 20
RANGEABILIDAD 35:1 100:1 300:1
CARACTERÍSTICAS DE FLUJO
Igual porcentaje, apertura rápida, lineal.
Igual porcentaje. Igual porcentaje.
CAPACIDADES DE FLUJO NO CRÍTICO
13d² 20d² A60º, 45d² 30d²
CRITICO 10 d² 12d² A60º, 20d² A90º
15d²
FUGAS Puerto sencillo (metal): Clase IV Puerto sencillo (suave): Clase VI Interiores balanceados (metal): Clase II Interiores Balanceados (suaves): Clase V.
Revestidos: Menos de 1 burbu No revestidos hasta 5% cap. Max.
Sellos suave: mejor Clase V Sellos metálicos: Clase IV.
SERVICIO Líquidos limpios, sucios gases y vapores.
Líquidos limpios, viscosos, gases y vapores.
Líquidos limpios, suaves, viscosos, gases, vapores y lodos fibrosos.
601#
Actuadores
Las válvulas pueden ser accionadas neumáticamente, eléctricamente o hidráulicamente. El actuador neumático es el más ampliamente utilizado. Es simple, barato, no tiene fricción y su velocidad es limitada sólo por el índice con el cuál el aire puede ser mandado al actuador y retirado del mismo.La posición a falla de la válvula es la posición de la válvula cuando la energía (suministro de aire) falla. Puede estar abierta, cerrada en la última posición o desconocida. Aunque los actuadores de resorte-diafragma proporcionan una operación de falla segura por diseño, algunos actuadores de pistón requieren accesorios para proporcionar operación de falla segura.
602#
Actuadores
SEÑAL DELCONTROLADOR
VASTAGO
DIAFRAGMA
ACTUADOR
CUERPO
RESORTE
PLACADIAFRAGMA
603#
Incremento(aire para cerrar)
Decremento (aire para abrir)
Acciones de los actuadores
604#
Posicionadores
La función de un posicionador de válvula es sensar la señal del instrumento y la posición del vástago de la válvula y asegurar que la válvula se mueve en la posición correcta de acuerdo a la señal del controlador. Se considera como un controlador de lazo cerrado que tiene a la señal del instrumento como la entrada, el suministro de aire como la salida al actuador y retroalimentación desde la posición física del vástago de la válvula.
Los posicionadores pueden:• Incrementar la potencia disponible para mover la válvula.• Invertir la señal a la válvula.• Vencer las fuerzas dentro de una válvula provocadas por
la fricción o la presión alta a través de la válvula.
No todas las válvulas requieren posicionadores. Una válvula con un recipiente de diafragma con resorte puede regular sin él.
605#
SEÑAL DE INSTRUMENTO POSICIONADOR
POSICIÓN DEL VÁSTAGODE LA VÁLVULA
ACTUADOR
CUERPO
SUMINISTRO DE AIRE
Posicionadores
606#
Posicionador tipo Movimiento-Equilibrio
ACTUADOR
CONEXIÓN
SUMINISTRO
SALIDARELAY
ENTRADAFUELLE
BOQUILLA
INDICADOR
607#
Otros elementos finales de control
• Variadores de velocidad• Servomotores• Bombas
608#
Variadores de velocidad
609#
Los convertidores de frecuencia son ideales para múltiples aplicaciones de accionamiento de velocidad variable, como bombas, ventiladores y sistemas de transporte (por ejemplo, bandas transportadoras), entre otras.
Aplicaciones de los variadores de velocidad
610#
1. Control basado en PWM o relación V/F2. Tecnología basada en dispositivos de estado solido (IGBT)3. Microprocesador de control digital 4. Control de corriente de flujo (FCC) para una mejor respuesta Dinámica y
control optimizado del motor 5. Rearranque automático siguiente a estado de falla o falta de red6. Controlador PI para control simple de procesos7. Aceleración/desaceleración programable de 0 s hasta 650 s8. Suavizado de rampa de aceleración/desaceleración 9. Límite de corriente rápido (FCL) para operación libre de fallas 10. Tiempo de respuesta de las entradas digitales rápido y repetitivo11. Ajuste fino de velocidad utilizando una entrada analógica de 10-bits
Características de los variadores de velocidad
611#
Servomotores
Los servos son un tipo especial de motor que se caracterizan por su capacidad para posicionarse de forma inmediata en cualquier posición dentro de su rango de operación. Para ello, el servo espera un tren de pulsos que corresponden con el movimiento a realizar.
Están generalmente formados por un amplificador, un motor, la reducción de engranaje y la retroalimentación, todo en un misma caja de pequeñas dimensiones. El resultado es un servo de posición con un margen de operación de 180° o 360º .
612#
Servomotores
Disponen de tres conexiones electricas: Vcc (roja), GND(negra) y entrada de control (amarilla). Estos colores de identificación y el orden de las conexiones dependen del fabricante del servo. Es importante identificar las conexiones ya que un voltaje de polaridad contraria podría dañar el servo.
613#
Funcionamiento de un Servomotor
El control de un servo se limita a indicar en que posición se debe situar. Estas "ordenes" consisten en una serie de pulsos. La duración del pulso indica el ángulo de giro del motor. Cada servo tiene sus márgenes de operación, que se corresponden con el ancho del pulso máximo y mínimo que el servo entiende. Los valores más generales corresponde con valores entre 1 ms y 2 ms, que dejarían al motor en ambos extremos.
El valor 1,5 ms indica la posición central, mientras que otros valores del pulso lo dejan en posiciones intermedias. Estos valores suelen ser los recomendados, sin embargo, es posible emplear pulsos menores de 1 mso mayores de 2 ms, pudiéndose conseguir ángulos mayores de 180°.
614#
Funcionamiento de un Servomotor
Si se sobrepasan los límites de movimiento del servo, éste comenzará a emitir un zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso.
615#
Funcionamiento de un Servomotor
El periodo entre pulso y pulso no es crítico, e incluso puede ser distinto entre uno y otro pulso. Se suelen emplear valores entre 10 ms y 30 ms. Si el intervalo entre pulso y pulso es inferior al mínimo, puede interferir con la temporización interna del servo, causando un zumbido, y la vibración del brazo de salida. Si es mayor que el máximo, entonces el servo pasará a estado dormido, entre pulsos. Esto provoca que se mueva con intervalos pequeños.
Es importante destacar que para que un servo se mantenga en la misma posición durante un cierto tiempo, es necesario enviarle continuamente el pulso correspondiente. Si se deja de enviar pulsos (o el intervalo entre pulsos es mayor del máximo) entonces el servo perderá fuerza y dejará de intentar mantener su posición, de modo que cualquier fuerza externa podría desplazarlo.
616
Standards
Certification
Education & Training
Publishing
Conferences & Exhibits
INSTRUMENTACIINSTRUMENTACIÓÓN N BBÁÁSICA DE PROCESOS SICA DE PROCESOS INDUSTRIALESINDUSTRIALES
CAPCAPÍÍTULO 10TULO 10
INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓN AL CONTROL N AL CONTROL AUTOMAUTOMÁÁTICO TICO
M. en C. Armando Morales Sánchez16, 17 y 18 de mayo del 2007
617#
INTRODUCCIÓN
CONTROL.- Acción o conjunto de acciones que buscan conformar una magnitud variable, o conjunto de magnitudes variables , en un patrón determinado.
618#
CONTROL CLASICO
CONTROL MODERNO
CONTROL ROBUSTOCONTROL PREDICTIVOCONTROL OPTIMO
HARDWARE
CONTROLINDUSTRIAL
DE EQUIPOS YPROCESOS
CONTROL AVANZADO
CONTROL INTELIGENTE
PROPORCIONALINTEGRALDERIVARTIVO
LOGICA DIFUSAREDES NEURONALESALGORITMOS GENETICOS
SOFTWARE
CONTROL DISTRIBUIDOREDES DE COMUNICACIONCONTROL DIGITAL UNITARIOSISTEMAS MINIMOSSCADALAZOS UNITARIOS
TODO-NADA
REGULATORIO
SERVO
INTRODUCCIÓN
619#
JERARQUÍA DE CONTROL
OPTIMIZACIÓN
PROCESO
CONTROLES DE SEGURIDAD
CONTROL REGULATORIO AVANZADORelación, Cascada, Prealimentación
CONTROL REGULATORIO BASICORetroalimentación
TECNICAS DE CONTROL
620#
ELEMENTOFINAL DE CONTROL
PROCESOELEMENTOPRIMARIO
DE MEDICION
CONVERTIDOR O TRANSDUCTOR TRANSMISOR
PERTURBACIONES
PUNTO DE AJUSTE
VARIABLE VARIABLECONTROLADA
MANIPULADA
CONTROLADOR
d(t)
SensorActuador
Señal normalizada Señal normalizada
TERMINOLOGÍA DE CONTROL AUTOMÁTICO
621#
TERMINOLOGÍA DE CONTROL AUTOMÁTICO
• Sistema de control• Lazo abierto• Control retroalimentado• Lazo cerrado• Señal normalizada • Transmisor• Sensor• Variable controlada• Actuador• Variable manipulada
• Controlador• Valor de referencia (SP) • Error• Perturbación• Estabilidad• Algoritmo • Sintonización• Constante de tiempo • Ganancia del proceso
622#
SISTEMAS DE CONTROL.- Arreglo de dispositivos cuya finalidad es mantener un proceso dado, dentro de un patrón de comportamiento predeterminado.LAZO ABIERTO es aquella en los que la decisión y la acción, se realiza con la intervención del elemento humano
623#
ENTRADA
SALIDA
GAS COMBUSTIBLE
CIRCUITO DE CONTROL ABIERTO
CARACTERISTICAS DEL CIRCUITO DE CONTROL ABIERTO
LAS ACCIONES DEL CONTROL SON PRECISAS (CON CALIBRACION ADECUADA). ES INHERENTEMENTE ESTABLE.ES BARATO Y SENCILLO.EL CONTROL DEPENDE DE LA EXPERIENCIA DEL OPERADOR. NO SE PUEDEN COMPENSAR TODAS LAS PERTURBACIONES.
624#
LAZO CERRADO
EN LOS CIRCUITO CERRADOS TODAS LAS ETAPAS NECESARIAS PARA EL CONTROL, SON
REALIZADAS POR DISPOSITIVOS Y EL ELEMENTO HUMANO SOLO SUPERVISA SU FUNCIONAMIENTO
625#
SE AUMENTA LA EXACTITUD DEL CONTROL. SE REDUCEN LOS EFECTOS DE LAS PERTURBACIONES.ES MAS ESTABLE QUE EL CONTROL PREALIMENTADO.ES EL MAS CONOCIDO Y USADO.LAS PERTURBACIONES SOLO SE CORRIGENHASTA QUE ALTERARON EL PROCESO.NO ELIMINA LOS TIEMPOS MUERTOS.MAS CARO, COMPLEJO Y DE MANTENIMIENTOMAS DIFICIL QUE LOS CIRCUITOS ABIERTOS.MAS INESTABLE QUE LOS CIRCUITOS ABIERTOS
CARACTERISTICAS DEL CIRCUITO DE CONTROL RETROALIMENTADO
TIC213
VAPOR
DEL REACTORALIMENTACIÓN
V-213 CONDENSADO
AL REACTOR
TE213
TY213
IP
TV213
213TT
626#
UNA VARIABLE CONTROLADA ES UNA MAGNITUD O CONDICION DEL PROCESO OBJETO DEL CONTROL, LA CUAL ES DIRECTAMENTE
MEDIDA Y CONTROLADA.
UNA VARIABLE MANIPULADA ES UNA VARIABLE DE PROCESO, CUYA MAGNITUD ES MODIFICADA PARA ELIMINAR EL ERROR
PRESENTE EN EL SISTEMA.
“UN SISTEMA ES LLAMADO ESTABLE SI SU SALIDA ES ACOTADA PARA CUALQUIER ENTRADA ACOTADA”
627#
ESQUEMATIZACION DE UN PROCESO DESDE EL ENFOQUE DEL CONTROL
VARIACION
RESPUESTA
628#
FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA: se define como la relación de la variable de salida de un proceso, sobre la entrada al mismo. Define las características de estado estacionario y dinámico, es decir, la respuesta total de un sistema que se describa mediante una ecuación diferencial lineal y sus términos determinan si el sistema es estable o no.
G s Y sX s
K a s a s a sb s b s b s
mm
mm
nn
nn( ) ( )
( )( ... )
... )= =
+ + + ++ + + +
−−
−−
11
1
1 1
11
629#
ESTABILIDAD: “Un sistema es llamado estable si su salida es acotada para cualquier entrada acotada”. La estabilidad de un sistema lineal se determina del análisis de las raíces de la ecuación característica y es equivalente a plantear en el plano-s la localización de polos:
G(s)+
H(s)
-E(s)X(s) Y(s)
__________Y(s) G(s)X(s) 1 + G(s)H(s)= ___
Ecuación característica: 1 + G(s)H(s) = 0
630#
DISTURBIO.- Cualquier cambio en el proceso que afecta adversamente la cantidad o variable controlada. Ejemplos:
- Un disturbio en la cantidad o variable controladaAl controlar flujo – cambia el caudalAl controlar nivel – cambia la velocidad del flujo que sale
del tanqueAl controlar temperatura – entra más producto
- Cambio en la calidad del agente de control, tal como:La calidad del vapor cambia
- Cambio de las condiciones ambientalesCombustión – Cambia la temperatura del aire exterior
631#
CAMBIO EN LA ENTRADA
RESPUESTAEN LA SALIDA
PROCESOTIEMPO MUERTOMAS RETARDO
DE PRIMER ORDEN
DINÁMICA DEL PROCESO (RESPUESTA AL CAMBIO)
El proceso ha sido definido como un cambio químico o físico o de conversión de energía. Las estrategias de control sirven para controlar estos cambios. Pocos procesos son instantáneos: Casi todos requieren algún tiempo para que la salida complete su respuesta a un cambio en la entrada. Las respuestas dinámicas de la mayoría de los procesos pueden ser representadas por combinaciones de dos elementos: retrasos de primer orden y tiempo muerto.
632#
PARAMETROS DE ESTABILIDAD:
•GANANCIA
•CONSTANTE DE TIEMPO
•TIEMPO MUERTO
DINÁMICA DEL PROCESO
633#
GANANCIA
Definida como el cambio en estado estable de la
salida por una unidad de cambio en la entrada y
define la sensibilidad del proceso.
634#
CONSTANTE DE TIEMPO
En una constante de tiempo se alcanza el 63.2% del
cambio total y en consecuencia guarda relación con la
velocidad de respuesta de un proceso.
PRIMER CONSTANTEDE TIEMPO
TIEMPO
100%
63.2%0%
CAMBIO EN LA ENTRADA
PROCESO
CA
MB
IO E
N L
A S
ALI
DA
%
635#
TIEMPO MUERTO
Es el intervalo de tiempo en que una perturbación entra al
proceso y empieza a responder. Se conoce como tiempo
muerto, retardo de tiempo o retardo de transporte.
TIEMPO MUERTO
CAMBIO EN LAENTRADA
INICIO DEL CAMBIO EN LA ENTRADA
PROCESO
636#
RETRASO DE PRIMER ORDEN
TIEMPO
0 1 2 3
ENTRADA
SALIDA
4 5
637#
RETRASO DE PRIMER ORDEN MAS TIEMPO MUERTO
0 1 2 3
TIEMPO
ENTRADA
SALIDA
4
Td
5
Td =TIEMPO MUERTO
638#
PROCESOS AUTORREGULABLES
639#
PROCESO NO AUTO-REGULABLES
640#
LA TEORIA DEL CONTROL AUTOMATICO DEFINE EN EXPRESIONES MATEMATICAS EL COMPORTAMIENTO DE LOS SISTEMAS DESDE EL ENFOQUE DE SUS INTERRELACIONES DINAMICAS.EXISTEN DOS PRINCIPALES ENFOQUES DE ESTA TEORIA:
• TEORIA CLASICA DEL CONTROL AUTOMATICO
•TEORIA MODERNA DEL CONTROL AUTOMATICO
TEORÍA DEL CONTROL AUTOMÁTICO
641#
TEORIAS DEL CONTROL AUTOMATICOTEORIA CLASICA DEL
CONTROL AUTOMATICOTEORIA MODERNA DEL CONTROL AUTOMATICO
• OCURRE EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA COMPLEJA
• SOLO MANEJA UNA ENTRADA Y UNA SALIDA (SISO)
• PARA PROCESOS CON PEQUEÑAS NO LINEALIDADES, INVARIANTES EN EL TIEMPO Y CON TIEMPOS MUERTOS PEQUEÑOS
• NO MANEJA INTERACCIONES
• NO MANEJA RESTRICCIONES
• ES EL ENFOQUE MAS UTILIZADO
• SE DEFINE POR EL ALGORITMO PID
• OCURRE EN EL DOMINIO DEL TIEMPO
• MANEJA MULTIPLES ENTRADAS Y MULTIPLES SALIDAS (MIMO)
• PARA PROCESOS CON FUERTES NO LINEALIDADES, VARIABLES EN EL TIEMPO Y CON TIEMPOS MUERTOS GRANDES
• MANEJA EFICIENTEMENTE INTERACCIONES
• MANEJA EFICIENTEMENTE RESTRICCIONES
• NO ES COMUN SU UTILIZACION
• SE DEFINE POR LA ECUACION DE ESTADO DEL CONTROL
642#
Ecuacion PID:
m(t)=Kc*e(t) + 1/TI*∫e(t)*dt + TD* de(t) + Mo donde: d(t)
m(t) es la variable manipuladae(t) es el error y a su vez es igual a R(t) - c(t)R(t) es la variable de referencia o punto de ajustec(t) es la variable controladaKc es la ganancia del controladorTI es el tiempo de Integral
TD es el tiempo de DerivadaMo es la constante de polarización del controlador
(normalmente 50%)
643#
644#
LA TEORIA CLASICA DEL CONTROL AUTOMATICOBASA SU DESARROLLO EN LA UTILIZACION YAJUSTE DE LA ACCION Y MODOS DE CONTROL
DE LOS CONTROLADORES
645#
LOS MODOS DE CONTROL SON ALGORITMOS BAJO LOS CUALES OPERAN LOS CONTROLADORES, QUE FUNCIONAN DENTRO DE LO ESTABLECIDO POR LA TEORIA CLASICA DEL CONTROL Y SON:
•MODO PROPORCIONAL (P, DOS POSICIONES).
•MODO INTEGRAL (I)•MODO DERIVATIVO (D).
646#
LA SEÑAL DE SALIDA (m(t)) ES PROPORCIONAL A LA SEÑAL DE ERROR PRESENTE EN EL SISTEMA (e(t)).
m(t) ∝ e(t)
QUE SE TRANSFORMA A:
m(t)= Kc e(t) + MoDONDE:Kc.- Ganancia del controlador.Mo.- Constante de polarización del controlador.
MODO PROPORCIONAL
647#
20151050
r=1
XK=5
K=2
K=1
t
EFECTO DE LA GANANCIA SOBRE UN DISTURBIO.
648#
649#
EL EFECTO DE LA INTEGRAL SOBRE UNA FUNCION MATEMATICA, ES LA DE DETERMINAR EL AREA BAJO LA CURVA DEFINIDA POR DICHA FUNCION, CON RESPECTO A UNA REFERENCIA DADA.EL MODO INTEGRAL AGREGA UN EFECTO EQUIVALENTE A LA INTEGRACION DEL ERROR DE LA CURVA DE REACCION DEL PROCESO
MODO INTEGRAL (I)
650#
20151050
r=1
X Ti=1
Ti=2
Ti=5
Ti=
t
EFECTO DEL TIEMPO DE INTEGRAL SOBRE UN DISTURBIO.
651#
EL EFECTO DE LA DERIVADA SOBRE UNA FUNCION MATEMATICA, ES LA DE DETERMINAR LA RAZON DE CAMBIO DE LA CURVA DEFINIDA POR DICHA FUNCION, CON RESPECTO A UNA VARIABLE DADA.EL CONTROL DERIVATIVO ANTICIPA EL EFECTO DE CORRECCION, DE MANERA QUE SE CONTRARRESTE EL TIEMPO MUERTO
MODO DERIVATIVO (D)
652#
EL CONTROL DERIVATIVO "DETECTA" LA RAZON DE CAMBIO DEL ERROR (PENDIENTE), Y PROYECTA UN EFECTO MULTIPLICADO Td VECES, TAL QUE SE ANTICIPE AL EFECTO FUTURO DEL ERROR e(t).
653#
EFECTO DEL TIEMPO DE DERIVADA SOBRE UN DISTURBIO.
20151050
r=1
X T =0.1D
T =0.7D
T =4.5D
t
654#
Los modos PI son específicos cuando no existe tiempo muerto, los cambios de carga son moderados, y no se aceptan los efectos del corrimiento
CONTROL PI
E(s) U(s)K (1+Ti s)1+Ti s
t
1Escalón unitario
e(t)
t
K
Modo PI
u(t)
Modo P
Ti
2K
655#
CARACTERISTICAS DEL CONTROL PI
•ESTE CONTROL ES EL QUE MEJOR SATISFACE LA MAYORIA DE LAS APLICACIONES INDUSTRIALES QUE NO TENGAN TIEMPO MUERTO.•ES EL TIPO DE CONTROL MAS COMUNMENTE USADO, CON EL 85% DEL TOTAL.•TIENE UNA RESPUESTA MUCHO MAYOR QUE EL CONTROL INTEGRAL SOLO Y TAMPOCO PRESENTA CORRIMIENTO.•LA ESTABILIDAD DEL SISTEMA SE DEMERITA.•PUEDE GENERAR LA SATURACION DEL ELEMENTO FINAL.
656#
E(s) U(s)K (1+T s)D
t
1 Rampa unitaria
e(t)
t
Modo PDu(t)Modo PTD
CONTROL PD
657#
CARACTERISTICAS DEL CONTROL PD
•ESTE CONTROL, ES CAPAZ DE SEGUIR CAMBIOS RAPIDOS EN LA VARIABLE DE PROCESO Y COMPENSAR RETRASOS EN TIEMPO.•DEGRADA SU ACCION EN PROCESOS RUIDOSOS.•CONSERVA EL CORRIMIENTO DEL MODOPROPORCIONAL, PERO MEJORA SU RESPUESTA.•EN GENERAL AUMENTA LA ESTABILIDAD DEL CIRCUITO.•SE PREFIERE EL USO DEL CONTROL PID EN LUGAR DEL PD.
658#
CONTROL PID
659#
CARACTERISTICAS DEL CONTROL PID
•ESTA COMBINACION DE MODOS ES EL CONTROL CONVENCIONAL MAS COMPLEJO.•MEJORA EL COMPORTAMIENTO, DE LOS CONTROLES DE DOS MODOS.•COMPENSA LOS RETRASOS EN TIEMPO, DEBIDOS PRINCIPALMENTE A LA INSTRUMENTACION Y NO AL PROCESO, POR LA PRESENCIA DEL MODO DERIVATIVO.•DEBIDO AL MODO INTEGRAL, ESTE CONTROL NO PRESENTA CORRIMIENTO PERO PUEDE SATURAR AL ELEMENTO FINAL.•TIENDE A ESTABILIZAR AL SISTEMA.•EL PRINCIPAL PROBLEMA ES SU SINTONIZACIÓN.•EL 12% DE LOS CONTROLADORES SON PID, USADOS PRINCIPALMENTE EN CIRCUITOS DE TEMPERATURA, pH Y ANALISIS.
660#
661#
Modos básicos de operación de un controlador
• Modo Manual/Automático: Determina quien establece la salida del control: Manual:Operador, Auto: Algoritmo de control
• Modo Local/Remoto: Determina quien establece el setpoint del controladorLocal:Desde el panel, Remoto: otro dispositivo
• Modo directo/Inverso: Determina si al 100% de la salida su valor normalizado es máximo (directo) o mínimo (inverso)
662#
¿Sintonización?
Es el hecho de encontrar los parámetros óptimos del controlador (Ganancia proporcional, tiempo de integral y tiempo de derivativa)
¿Cómo Sintonizo?
Existen técnicas analíticas, pero también existen técnicas empíricas como Ziegler-Nichols
663#
Ziegler-Nichols
Procedimiento: 1. Colocar el Controlador en modo Auto con una
ganancia proporcional pequeña, y las ganancias integral y derivativa en cero.
2. Aumentar la ganancia proporcional hasta obligar a la planta a tener una oscilación sostenida.
664#
Oscilación sostenida
Re s p u e s ta d e l c o n tr o l p r o p o r c io n a l c o n K c u
0
0 .0 0 1
0 .0 0 2
0 .0 0 3
0 .0 0 4
0 .0 0 5
0 .0 0 6
0 .0 0 7
0 .0 0 8
0 .0 0 9
1 5 1 5 .1 1 5 .2 1 5 .3 1 5 .4 1 5 .5 1 5 .6 1 5 .7 1 5 .8 1 5 .9 1 6Tie m p o ( m in )
Flu
jo h
idró
ge
no
(
2 6 .9 7 S ( 0 .4 4 m in )
665#
Ziegler-Nichols
Medir el periodo de la oscilación y determinar con que ganancia proporcional se obtiene esta oscilación, emplear las siguientes correlaciones:
Tu/8Tu/2Kcu/1.7PID
---------Tu/1.2Kcu/2.2PI
------------------Kcu/2P
Tiempo deDerivación.
Tiempo deIntegración
GananciaProporcional
Tipo de Controlador
666#
Respuesta obtenida
Detalle Flujo Alimentación
0.00424
0.00425
0.00426
0.00427
0.00428
0.00429
0 10 20 30 40 50Tiempo (min)
Fluj
o hi
dróg
eno
(gr/s
)
S.P. Flujo alimentación
Flujo alimentación
667#
MÉTODO DE LAS OSCILACIONES AMORTIGUADAS DE ZIEGLER-NICHOLS
Incrementando la ganancia hasta encontrar una respuesta de un cuarto de decaímiento (la oscilación tiene 1/4 de la oscilación anterior).
t0
X
Tu
a b
Razón de decaimiento = b/a =1/4
Controlador Ganancia Tiempo de integral Tiempo de derivadaP Kc = 0.5 Kcu - -PI Kc = 0.45 Kcu Ti = Tu/1.2 -
PID Kc = 0.75 Kcu Ti = Tu/1.6 TD = Tu/10
668#
MÉTODO DE LA CURVA DE REACCIÓN DE COHEN-COON
Trabajar en forma manual o lazo abierto para determinar la relación de la salida con respecto a la entrada.
Introducir una función escalón de magnitud A en la variable u(t) obteniéndose una curva de reacción del proceso.
t0
Bym
R
td
669#
MÉTODO DE LA CURVA DE REACCIÓN DE COHEN-COON
Controlador Ganancia Tiempo de integral Tiempo de derivadaP Kc = ⎟
⎠
⎞⎜⎝
⎛ +τ
τ3
11 d
d
ttK
- -
PI Kc = ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ +τ
τ12
9.01 d
d
ttK τ
τ/209/330
d
ddi t
ttt
++
=-
PID Kc = ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ +τ
τ43
41 d
d
ttK τ
τ/813/632
d
ddi t
ttt
++
=τ/211
4
ddD t
tt+
=
670#
¿Autosintonización?
• ¿Qué es?• ¿Es confiable?• ¿Siempre esta disponible?• ¿Cómo se usa?
671#
TEORÍA MODERNA DE CONTROL
Se basa en la notación de estado, utilizada en el estudio de la Mecánica Dinámica y es una manera conveniente de representar sistemas de ecuaciones diferenciales de orden "n" (acopladas o no acopladas), de tal forma que sean expresadas como ecuaciones de vectores-matrices, permitiendo ser manipulados, transformados y estudiados mediante procedimientos sencillos de álgebra lineal, con lo que permitió mejorar el desempeño de los Modelos Matemáticos y manejar modelos MIMO (Entradas Múltiples-Salidas Múltiples).
672#
Ecuación de estado del control:
x(t) = A*x(t) - B*u(t) y(t)=C*x(t) donde:
x(t) es el vector de las variables de estado (de magnitud n x 1)u(t) es el vector de las variables manipuladas (de magnitud m x 1y(t) es el vector de las variables de salida (de magnitud j x 1)A es la matriz de parámetros de estado (de magnitud n x n)B es la matriz de parámetros de entrada (de magnitud m x m)C es la matriz de parámetros de salida (de magnitud j x j)
673
Standards
Certification
Education & Training
Publishing
Conferences & Exhibits
INSTRUMENTACIINSTRUMENTACIÓÓN N BBÁÁSICA DE PROCESOS SICA DE PROCESOS INDUSTRIALESINDUSTRIALES
CAPCAPÍÍTULO 11TULO 11
INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓN A SISTEMAS DE N A SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL CONTROL DIGITAL
M. en C. Armando Morales Sánchez16, 17 y 18 de mayo del 2007
674#
Sistemas para pequeñas instalaciones de control
1. Control directo por PC• La creciente capacidad de las PC's posibilita la decisión de manejar directamente las
labores de control y la actuación sobre los elementos finales, mediante las interfases adecuadas.
• El soporte físico se constituye por un PC con un software de adquisición de datos y control SCADA (Supervisory Control and Data Adquisition) y una adecuada interfase para las entradas y salidas (E/S) de las señales de campo, a base de multiplexores y convertidores A/D y D/A.
• Los procesos que utilizan esta solución normalmente no incluyen lazos de control continuos sobre los que haya de ejecutarse un algoritmo, pero, en su caso, podría incluso ejecutarse éste, un número limitado, en la propia PC.
• Su desventaja radica en la frágil confiabilidad del sistema al depender sólo del procesador de la PC (único y no muy robusto)
• Se usa en plantas con funciones de control de responsabilidad baja. • En cualquier otro caso, la opción a considerar debe ser la utilización de PLC's para las
labores de control y la PC a las tareas exclusivamente de monitorización, como se describe en los puntos siguientes.
675#
Sistemas para pequeñas instalaciones de control
2. Controladores independientes multilazo• Este tipo de controladores constituyen la nueva generación del controlador de
tablero, descrito como antecedente. • Las posibilidades de la electrónica han logrado que esta generación de
controladores electrónicos (digitales, por supuesto) sea capaz de gobernar simultáneamente un número de lazos superior a uno (típicamente 4, 8 Ó 16),
• Hoy en día la utilización habitual de estos dispositivos se reduce a pequeñas aplicaciones, no integrales, en las que el número de señales es suficientemente reducido como para no justificar sistemas más complejos.
• La visualización de las variables medidas y los parámetros de control se puede realizar mediante una pequeña pantalla o visor localizada sobre el propio controlador, frecuentemente instalado en campo. La mayoría de las plantas químicas o afines exige un número de señales superior a las que justificarían la selección de un sistema de las características mencionadas por lo que su empleo no resulta demasiado frecuente en esos casos, salvo aplicaciones aisladas.
676#
Sistemas para pequeñas instalaciones de control
INTERFASES DELOPERADOR
677#
EL PLC
678#
EL PLC - Definición
Un autómata programable o Controlador Lógico Programable (PLC), es un equipo electrónico, programable en lenguaje no informático, diseñado para control de procesos secuenciales en tiempo real y en ambiente tipo industrial, aunque ahora también pueden ejercer eficientemente control regulado.
679#
Sistema de PLC básico
INTERRUPTORDE LIMITE
MODULOSDE
ENTRADA
BOTONPULSADOR
CPU
24 VCD
VÁLVULASOLENOIDE
120 VCA
CONTROL DELRELEVADOR
LUZ DELPANEL
ALIMENTACIÓNDEL
SISTEMA
MODULOSDE
SALIDA
INTERRUPTORDE NIVEL
680#
El PLC
• Para procesos discretos, el PLC no tiene competencia y su uso esuniversal.
• Puede manejar fácilmente señales continuas (analógicas) y algoritmos de control.
• Se programan, mediante una PC o un programador portátil.
681#
Campos de aplicación
Aunque el PLC por excelencia ha sido creado para el control de procesos secuenciales, hoy en día el PLC puede además controlar lazos regulados, además de permitir el manejo de señales digitales como Ethernet, Device Net, ETC.
Por lo que el PLC puede tener aplicaciones en las siguientes áreas:
• Control de cualquier máquina que implique una o varias secuencias o recetas.
• Señalización de estados de equipos• Controles regulados como PID o arreglos de PID
como el control en cascada• Supervisión y control básica de señales.
682#
Ventajas y desventajas del PLC
Ventajas• CONFIABILIDAD. Una vez que un programa se ha
escrito y se han localizado y corregido errores, éste puede fácilmente transferirse y descargarse a otros PLC
• FLEXIBILIDAD. Las modificaciones del programa pueden hacerse fácilmente, inclusive en campo con diferentes niveles de acceso
• FUNCIONES AVANZADAS. Amplia variedad de tareas de control, desde una sola acción repetitiva hasta el control complejo de datos.
• COMUNICACIONES. Facilidad de envió o recepción de datos y el intercambio de información.
• VELOCIDAD. Característica de los sistemas digitales.
• DIAGNÓSTICO. Permiten a los usuarios localizar y corregir fácilmente los problemas de software y hardware
Desventajas• Como inconvenientes podríamos
hablar, en primer lugar, de que hace falta un programador,
• El costo inicial también puede ser alto.
683#
ESTRUCTURA DE UN PLC
ESTRUCTURA EXTERNAActualmente son tres las estructuras más significativas que existen en el mercado:
•Estructura compacta. •Estructura semimodular ( Estructura Americana) •Estructura modular (Estructura Europea)
684#
Estructura compacta
Este tipo de autómatas se distingue por presentar en un solo bloque todos sus elementos, esto es, fuente de alimentación, CPU, memorias, entradas/salidas, etc..
Son los autómatas de gama baja o nanoautómatas los que suelen tener una estructura compacta. Su potencia de proceso suele ser muy limitada dedicándose a controlar máquinas muy pequeñas o cuadros de mando.
685#
Estructura semimodular
Se caracteriza por separar las E/S del resto del autómata, de tal forma que en un bloque compacto están reunidas las CPU, memoria de usuario o de programa y fuente de alimentación y separadamente las unidades de E/S .
Son los autómatas de gama media los que suelen tener una estructura semimodular (Americana).
686#
Estructura modular
Su característica principal es la de que existe un módulo para cada uno de los diferentes elementos que componen el autómata como puede ser una fuente de alimentación, CPU, E/S, etc. La sujeción de los mismos se hace por carril DIN, placa perforada o sobre RACK, en donde va alojado el BUS externo de unión de los distintos módulos que lo componen.
Son los autómatas de gama alta los que suelen tener una estructura modular, que permiten una gran flexibilidad en su constitución.
687#
FUENTEDE
PODER
FUENTEDE
PODER
CPU
CPU
4 RANURAS
8 RANURAS
16 RANURAS
MONTAJE MODULAR TIPICO DE LOS PLC´s
FUENTEDE
PODERCPU
688#
FUENTEDE
PODERCPU
16 RANURAS
ARREGLO TIPICO DE UN SISTEMA BASADO EN UN PLC
XX DI DI DI DI DO DO DO AI AI AI AO AO TC TC TC
MONITORA COLOR
TARJETA DE COMUNICACIONESDEL PLC
TECLADOS
IMPRESORA
CABLE DE COMUNICACIONES
689#
SEÑALES DE/A CAMPO
RED DE CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
690#
MEMORIA
- Sistema operativo- Memoria de E/S- Programa de usuario- Memoria de estados internos- Salvaguarda de datos- Variables interna
- SENSORES- ACTUADORES
REGISTROS Y UNIDADES E/S
ACOPLADORES E/S
MICROPROCESADOR
- Vigila el tiempo de ejecución- Ejecuta el programa usuario- Crea imagen de entradas- Actualiza el edo. de salidas- Chequea el sistema.
E/S SERIE
RELOJFUENTE DE
ALIMENTACION
EXPANSION E/S BUS EXPANSION
- RS-485- RS-232- MODBUS- UNIDADES DE PROG
RED INDUSTRIALLANWAN
- E/S ADICIONALES- E/S ESPECIALES
ESTRUCTURA INTERNA DE UN PLC
691#
SECUENCIA DE OPERACIÓN DE UN PLC
IMAGEN DE LAS ENTRADAS
ENTRADAS
EJECUCIÓN DEL PROGRAMA DE
USUARIO
IMAGEN DE LASSALIDAS SALIDAS
WATCHDOG(PERRO GUARDIÁN)
692#
Funciones del PLC
Funciones Avanzadas
Del PLCControl deProcesoscontinuos
Sistemas de supervisión
Redes de comunicación
Entradas/salidas
distribuidasBuses de
campo
693#
Programación de lógica de escalera
• Formato típico de lógica de escalera• Instrucciones de lógica de escalera• Diagramas de cableado Entrada/Salida
694#
Formato típico de la lógica de escalera
Continuous path requiredfor logic continuity
Se requiere de una trayectoriacontinua para la continuidad lógica
695#
ARRANQUEDEL MOTOR
Escalón 0
I:1/0
BOTON PULSADORNORMALMENTE CERRADO
PAROO:3/0
ARRANQUEDEL MOTOR
O:3/0
I:1/1
BOTON PULSADORN.A.
ARRANQUE
Formato típico de la lógica de escalera
696#
Diagrama del cableado de entradas
120V CA
0
H
1
2
3
4
5
6
7
N
NEUTRoHOT
ARRANQUE PB
PARO PB
MOTOR AUX.
I:1/00
I:1/01
I:1/02
I:1/03
I:1/04
I:1/05
I:1/06
I:1/07
K1
PB1
PB2
SLOT 1
697#
Diagrama del cableado de salidas
ARRANCADOR DE LA BOMBA K10
1
2
3
4
5
6
7
N
H
CA SALIDAMODULO
O:3/0
O:3/1
O:3/2
O:3/3
O:3/4
O:3/5
O:3/6
O:3/7
SLOT 3 H N120 VCA
698#
SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE
DATOS
699#
SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS (SAD)
Sistema de procesamiento de información cuyos resultados son dados en desplegados gráficos, reportes, sumarios, índices, tendencias, balances e involucra el acondicionamiento de señales.
De acuerdo al tamaño y complejidad del monitoreo de procesos y sistemas de control existen desde sistemas de control simples y sencillos hasta sistemas de control distribuido grandes (SCD). Su elemento mas importante es la computadora.
700#
DAS Convencional
701#
Y MULTIPLEXORACONDICIONADOR DE SEÑALES
SISTEMA DE
PROCESAMIENTO
DE LA INFORMACION
SISTEMA DE CONTROL
ASOCIADO
(ANALOGICO o DIGITAL)
AD/
SEÑALESANALOGICAS
SEÑALESDIGITALES
ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMADE ADQUISICION DE DATOS (SAD)
SEÑALES HACIA LOS
ELEMENTOS FINALES
DE CONTROL
SEÑALES DEL PROCESO(DE SENSORES,TRANSMISORES OINTERRUPTORES)
DESPLEGADOS GRAFICOSREPORTESSUMARIOSINDICESTENDENCIASBALANCES, ETC.
INFORMACIONPROCESADA
702#
SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS (Características)
- Cuentan con herramientas de software sofisticado y poder computacional.
- Los datos se adquieren directamente a través de la computadora (con tarjetas de E/S), o remotamente a partir de un sistema de control distribuido (DCS) o controladores lógicos programables (PLCs).
- Su aplicación más común es en pequeños sistemas como plantas piloto y laboratorios.
- La modularidad y flexibilidad de los sistemas los hacen fácil para reconfigurar para distintas aplicaciones.
703#
SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS (Características)
- Los sistemas basados en PC no son usualmente apropiados para aplicaciones críticas a menos que la redundancia sea construida dentro del sistema.
- Actualmente cuentan con herramientas de comunicación entre procesos, como TCP/IP.
704#
SISTEMAS SCADA
SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION
705#
DEFINICIÓN DE SCADA
“Un sistema SCADA es definido como sistemas usados para control Supervisorio, adquisición de datos, control automático o ambos (ANSI/IEEE)”. Normalmente se refiere a sistemas de control digital cuyos constituyentes se encuentran ampliamente dispersos, utilizando en su sistema estaciones remotas con comunicaciones en redes de área local o de area extendida.
Un sistema SCADA consiste de una o más estaciones maestras que recopilan datos transmitidos por los controles de una o más estaciones remotas.
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SISTEMA SCADA
Los sistemas SCADA son comúnmente usados por compañías que transportan productos por tubería (gaseoductos, oleoductos, etc.) y energía eléctricas. Otras aplicaciones incluyen compañías de agua, tratamiento de agua, transportación, y otros sistemas industriales que requieren adquisición de datos y control remoto.
En todos estos sistemas el SCADA es considerado como un componente critico de la operación, así que, hay que tomar cuidado de asegurar la confiabilidad de las estaciones remotas y maestras.
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INTERFASESUNIDAD TERMINAL MAESTRA MODEM
MODEM
RADIO
MODEM MODEM
UNIDAD TERMINAL
REMOTA No. 1
UNIDAD TERMINAL
REMOTA No. 2
UNIDAD TERMINAL
REMOTA No. 3UNIDAD
TERMINAL REMOTA No. 4
MODEMMODEM
RADIORADIO
708#
709#
SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO
710#
SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO (SCD)
Es una red de procesadores digitales de información, con sistema operativo distribuido y procesamiento en “tiempo real”, operando bajo los preceptos de la teoría del control automático que reúne toda la funcionalidad requerida para realizar funciones de control y adquisición de datos, incluyendo las interfases gráficas con el operador, alarmas, tendencias, historización, control continuo y discontinuo, sistemas que permiten la configuración, redundancias de hardware, generación de reportes y la capacidad de comunicarse con otros sistemas digitales; presentando una arquitectura que permite la integración del control de procesos con la administración de la empresa.
711#
Consola central
de control
Unidad de Proceso
N
TRAYECTORIADE DATOS
Controladorbasado en
micro-procesador
N
Unidad de Proceso
2
Unidad de Proceso
1
Controladorbasado en
micro-procesador
1
Controladorbasado en
micro-procesador
2
SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO (SCD)
712#
SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDOCaracterísticas
- Integración de control lógico y continuo- Biblioteca de funciones de control continuo y discreto - Configuración de llenado de blancos- Historización de datos, eventos y alarmas- Autodiagnóstico- Redundancia total- Autoentonamiento- Diferentes tipos de arquitecturas- Niveles de seguridad y acceso a áreas - Arquitectura abierta- Comunicación TCP/IP- Diferentes niveles de integración- Opción de control avanzado- Costo alto
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ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO
• Interfase hombre-máquina– Teclado– Pantalla
– Display gráfico– Display de gráfica de la tendencia– Resumen de alarmas
• Memoria • Red de comunicación• Controladores basados en microcontrolador• Tarjetas de E/S
Como en cualquier sistema basado en computadoras, existe el hardware y el software. Mucho del hardware del SCD es común a todas las computadoras. El software es el que se explota para desarrollar algoritmos específicos para aplicaciones particulares. Sus elementos básicos de hardware son:
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SEÑALES HACIA LOSELEMENTOS FINALESDE CONTROL
SEÑALES DEL PROCESO(DE SENSORES,TRANSMISORES OINTERRUPTORES)
SEÑALESDIGITALES
SEÑALESANALOGICAS
INFORMACIONPROCESADA
DESPLEGADOS GRAFICOSREPORTESSUMARIOSINDICESTENDENCIASBALANCES, ETC.
CON ELPROCESO
DE SALIDAINTERFASES
CON ELPROCESO
DE ENTRADAINTERFASES
SEÑALESMULTIPLEXADAS
SEÑALESMULTIPLEXADAS
Y SEÑALESDIGITALES
SEÑALESANALOGICAS
Y
DISPOSITIVOS DEALMACENAMIENTO
MASIVO
INTERFASESCON EL
OPERADOR
INTERFASESMAQUINA-MAQUINA
A/DE OTROSSISTEMAS
SISTEMA DEADQUISICION
DE DATOS
C-1 C-2 C-3 C-4
C-5 C-6 C-7 C-8
SISTEMA DECOMUNICACIONES
MODULOS DE CONTROL(SU NUMERO DEPENDE DEL TIPO
DE SISTEMA DE CONTROL)
ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO (SCD)ALTERNATIVA No. 1 (DISTRIBUCION FUNCIONAL UNICAMENTE)
715#
INFORMACIONPROCESADA
DESPLEGADOS GRAFICOSREPORTESSUMARIOSINDICESTENDENCIASBALANCES, ETC.
DISPOSITIVOS DEALMACENAMIENTO
MASIVO
INTERFASESCON EL
OPERADOR
INTERFASESMAQUINA-MAQUINA
A/DE OTROSSISTEMAS
SISTEMA DEADQUISICION
DE DATOS
ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO (SCD)ALTERNATIVA No. 2 (DISTRIBUCION FUNCIONAL Y GEOGRAFICA)
Y SEÑALES DIGITALESSEÑALES ANALOGICAS
DE ENTRADA Y SALIDA
Y SEÑALES DIGITALESSEÑALES ANALOGICAS
DE ENTRADA Y SALIDA
Y SEÑALES DIGITALESSEÑALES ANALOGICAS
DE ENTRADA Y SALIDA
Y SEÑALES DIGITALESSEÑALES ANALOGICAS
DE ENTRADA Y SALIDA
Y SEÑALES DIGITALESSEÑALES ANALOGICAS
DE ENTRADA Y SALIDAY SEÑALES DIGITALESSEÑALES ANALOGICAS
DE ENTRADA Y SALIDA
CANAL DECOMUNICACIONES
CANAL DECOMUNICACIONES CANAL DE
COMUNICACIONES
CANAL DECOMUNICACIONES
CANAL DECOMUNICACIONES
CANAL DECOMUNICACIONES
SISTEMA DEENLACE O
O DECOMUNICACIONES
MODULODE
CONTROLY ENLACE
CON ELPROCESO
DE ENTRADAINTERFASES
Y SALIDA
MODULODE
CONTROLY ENLACE
CON ELPROCESO
DE ENTRADAINTERFASES
Y SALIDA
MODULODE
CONTROLY ENLACE
CON ELPROCESO
DE ENTRADAINTERFASES
Y SALIDA
MODULODE
CONTROLY ENLACE
CON ELPROCESO
DE ENTRADAINTERFASES
Y SALIDA
MODULODE
CONTROLY ENLACE
CON ELPROCESO
DE ENTRADAINTERFASES
Y SALIDA
MODULODE
CONTROLY ENLACE
CON ELPROCESO
DE ENTRADAINTERFASES
Y SALIDA
716#
PIS
TA D
E D
ATO
S
RE
D U
NIV
ER
SA
L D
E C
ON
TRO
L
RED DE CONTROL LOCAL
PC
Workstation
PC
Laser printer
PC
Interfase hombre-MáquinaMódulo deAcceso a
computadora
Módulo deAplicación
Módulo deCálculo
Módulo deHistoria
Módulo deRegistro de
eventos
PC
Otros Módulode Control
Interfase deProcesador
Interfase debaja Velocidad
Interfase de redde alta
Velocidad
ControladorBásico
ControladorExtendido
Controlador deMultifunción
Controlador deprocesoscríticos
Interfase Serialpara PC
Interfase depropósitogeneral
Puerto de lapista de datos
Estación deoperador
Con
exio
nes
del p
roce
so
Controlador Avanzado(HPM)
E/SRemotas
Interfase conUnidades del
proceso Con
exio
nes
del p
roce
so
ARQUITECTURA LINEAL TIPO BUS DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO
717#
718#
DISPLAY GRÁFICO DE UN SCD
719#
DISPLAY DE TENDENCIA DE UN SCD
720#
RESUMEN DE ALARMAS DE UN SCD
721#
COMPARACIÓN ENTRE UN SCADA Y UN SCD
722#
GRACIAS POR SU PARTICIPACIONGRACIAS POR SU PARTICIPACION