Instrumentación y control de procesos - ?· dos tipos comunes de dispositivos medidores: el detector…

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<ul><li><p>Instrumentacin y control de procesos </p><p>Control de proceso de temperatura </p><p>~3~r;u6~~~el estudiante 11I1I11111111'lm~fflmlflillil1r111ll11111l11 3 o 3 3 3 3 6 o 2 o 5 o 2 ' </p></li><li><p>INSTRUMENTACiN Y CONTROL DE PROCESOS </p><p>CONTROL DE PROCESO DE TEMPERATURA </p><p>por el personal </p><p>de Lab-Volt (Quebec) Ltda. </p><p>Copyright 2005 Lab-Volt Ltda. </p><p>Todos los derechos reservados. Ninguna parte de esta publica-cin puede ser reproducida, de ninguna forma ni por ningn medio, sin la previa autorizacin escrita de Lab-Volt Quebec Ltda. </p><p>Depsito legal - Primer trimestre de 2005 </p><p>ISBN 2-89289-764-5 </p><p>PRIMERA EDICiN, FEBRERO DE 2005 </p><p>Impreso en Canad Febrero de 2005 </p></li><li><p>Prlogo </p><p>El creciente uso del control de procesos en la industria, surge de la necesidad de lograr medios de produccin rpidos y a bajo costo que mejoren la calidad, disminuyan el desperdicio y aumenten el rendimiento. El control de procesos provee muchas otras ventajas, tales como una alta confiabilidad y precisin a un bajo costo. Gracias a la informtica, los controladores son ms eficientes y sofisticados que antes. Para trabajar y detectar fallas de manera exitosa en los sistemas de control de procesos, se requiere una capacitacin efectiva en los mismos. </p><p>El objetivo de este curso es ensear cmo medir y controlar los procesos de temperatura, con el uso del Sistema didctico en control de procesos de Lab-Volt, modelo 6090. El curso ensea los principios de operacin de los dispositivos comunes usados para la medicin de temperatura. Adems, los estudiantes obtienen una amplia experiencia en el reglaje de los procesos de temperatura en lazo cerrado, mediante el uso de mtodos industriales encontrados frecuentemente. </p><p>Los procesos de temperatura del sistema didctico se pueden controlar usando el Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM), modelo 3674, o cualquier otro controlador PI D convencional que sea compatible con seales de 0-5 Vade 4-20 mA. Para mayor simplicidad, los ejercicios del manual han sido escritos para un controlador que trabaja con seales de 0-5 V, que es el caso del controlador LVPROSIM. </p><p>El apndice F del manual resume las caractersticas esenciales del Software de simulacin y de control de procesos (L VPROSI M) y puede,usarSe como referencia rpida si el controlador usado es el LVPROSIM. El manuarde Lab-Volt Fundamen-tos del control de procesos usando el programa L VPROSIM (N/P 30884-02) tambin se puede usar como referencia. </p><p>La gua del profesor Control de proceso de temperatura (nmero de parte 33336-12) de Lab-Volt, provee las respuestas a todos los pasos del procedimiento y a las preguntas de revisin encontradas en cada ejercicio de este manual. </p><p>111 </p></li><li><p>IV </p></li><li><p>ndice </p><p>Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. VII </p><p>Unidad 1 Introduccin al control de procesos de temperatura ... . .. 1-1 </p><p>Definicin de energa trmica y temperatura. Principios bsicos de la transferencia de energa trmica (calor). Mecanismos de transferencia de energa trmica: conduccin, conveccin y radiacin. </p><p>Ej. 1-1 Familiarizacin con el sistema didctico . ........ 1-5 </p><p>Los modos de control de procesos de temper;1tura: calefac-cin y refrigeracin. Familiarizacin con los componentes del Sistema didctico en control de procesos que son utilizados para la medicin y control de la temperatura. </p><p>Unidad 2 Medicin de temperatura . ... .... ......... . ........... 2-1 </p><p>Escalas de temperatura. Conversin entre Celsius y Fahrenheit. Tipos de dispositivos de medicin de temperatura utilizados comnmente en procesos industriales. Caractersticas estticas y dinmicas de dispositivos de medicin de temperatura. </p><p>Ej. 2-1 Detectores de temperatura resistiv9s (DTR) .. .... 2-9 </p><p>Construccin y funcionamiento de los DTR. Comparacin de las relaciones entre resistencia y temperatura de los tipos de OTR ms comunes. Resistencia nominal, coeficiente de temperatura y sensibilidad. Medicin del voltaje producido por un DTR con un puente Wheatstone. </p><p>Ej. 2-2 Termopares .. ........ ..... ........ . ... .. . . 2-31 </p><p>El efecto Seebeck. Construccin y funcionamiento de los termopares. Comparacin de las relaciones entre voltaje y temperatura de los tipos de termopares ms comunes. Compensacin de la juntura en fro. Sensibilidad del termopar ante el ruido. </p><p>Ej. 2-3 Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2-45 </p><p>Medicin de energa trmica. Capacidad trmica especfica. Conversin de energa en un proceso de temperatura. Equilibrio de energa trmica. Determinacin de la tasa a la cual el agua gana o pierde energa trmica en un proceso de temperatura en equilibrio trmico. </p><p>v </p></li><li><p>VI </p><p>ndice (cont.) </p><p>Unidad 3 Caracterizacin de procesos de temperatura . . ... .. . ..... 3-1 </p><p>Los mtodos de Ziegler-Nichols y 28,3%-63,2% para la caracterizacin de procesos. </p><p>Ej. 3-1 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de calefaccin ........ . . . ............ 3-7 </p><p>Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de calefaccin usando el mtodo de Ziegler-Nichols para la caracterizacin de procesos. </p><p>Ej. 3-2 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin .................... . 3-17 </p><p>Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin usando el mtodo 28,3%-63,2% para la caracte-rizacin de procesos. </p><p>Unidad 4 Control PI de procesos de temperatura . ... . . . ... . . .. . ... 4-1 </p><p>Control de temperatura en los modos de calefaccin y refrigeracin, en un proceso de conversin qumica. </p><p>Ej. 4-1 Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefaccin ... . ......... .... ...... .. 4-5 </p><p>Repaso de los principios del mtodo del periodo ltimo para el reglaje del controlador PI. Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefaccin. </p><p>Ej. 4-2 Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin ... . .................. . 4-19 </p><p>Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin. Clculo y reglaje de las constantes P e I del controlador, basndose en las caractersticas del proceso medidas en el ejercicio 3-2 con el mtodo 28,3%-63,2% para la caracterizacin de procesos. </p><p>Apndices A Tabla de utilizacin de los equipos ..... .. ......... A-1 </p><p>Bibliografa </p><p>B Diagramas de conexin ......................... B-1 C Smbolos de instrumentacin I.S.A (Significado de </p><p>los cdigos de letra usados en nmeros identificadores) .. C-1 D Gua de seleccin para los elementos </p><p>medidores de temperatura ....................... D-1 E Factores de conversin . ........................ E-1 F Uso del Software de simulacin y </p><p>de control de procesos (LVPROSIM) ............. . . F-1 </p><p>Nosotros valoramos su opinin! </p></li><li><p>Introduccin </p><p>Este manual provee capacitacin en la medicin y control de procesos de temperatura en los modos de calefaccin y de refrigeracin. El manual est dividido en cuatro unidades: </p><p>La unidad 1 presenta a los estudiantes los componentes del Sistema didctico en control de procesos que se utilizan para el control de procesos de tempera-tura. </p><p>La unidad 2 expone lo relativo a la medicin en procesos de temperatura con dos tipos comunes de dispositivos medidores: el detector de temperatura resistivo (DTR) y el termopar. Esta unidad tambin presenta a los estudiantes los principios de la transferencia de energa trmica y del equilibrio trmico en un proceso de temperatura. </p><p>La unidad 3 expone la caracterizacin de procesos de temperatura en los modos de calefaccin y de refrigeracin, usando el mtodo de respuesta escaln en lazo abierto. </p><p>La unidad 4 presenta el control PI en procesos de temperatura en los modos de calefaccin y de refrigeracin. </p><p>Los ejercicios en cada unidad suministran medios sistemticos y realistas para el aprendizaje del tema de estudio. Cada ejercicio contiene </p><p>Unos Objetivos del ejercicio claramente definidos; Unos Principios de la teora correspondiente; Un Resumen del procedimiento que establece un puente entre los Principios tericos y el Procedimiento de laboratorio. Un Procedimiento de laboratorio detallado paso a paso en el cual el estudiante realiza las manipulaciones y observa o mide los fenmenos importantes. Las figuras facilitan la conexin del sistema y pueden guiar las observaciones del estudiante. Unas tablas bien organizadas facilitan la realizacin de los clculos. Las preguntas orientan el proceso de aprendizaje del estudiante y facilitan el entendimiento de los principios abarcados. Una Conclusin para confirmar que los objetivos han sido alcanzados. Unas Preguntas de revisin que verifican que el material ha sido bien asimilado. </p><p>VII </p></li><li><p>VIII </p></li><li><p>Unidad 1 </p><p>Introduccin al control de procesos de temperatura </p><p>OBJETIVO DE LA UNIDAD </p><p>Cuando complete esta unidad, estar familiarizado Coh los componentes usados para el control de procesos de temperatura en el Sistema didctico en control de procesos. Adems, ser capaz de describir la relacin entre la energa trmica y la temperatura, y podr establecer los principios bsicos de la transferencia de energa trmica. Finalmente, sabr describir los mecanismos de transferencia de energa trmica. </p><p>PRINCIPIOS FUNDAMENTALES </p><p>Energa </p><p>Energa es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo. La energa existe en dos formas, potencial y cintica: </p><p> La energa potencial es aqulla que posee un cuerpo debido a su posicin, o a su estado fsico o qumico particular. </p><p> La energa cintica es aqulla que posee un cuerpo debido a su movimiento. </p><p>Dependiendo del contexto en el cual se utilice, produzca o analice, la energa se puede describir como nuclear, gravitacional, mecnica, elctrica, trmica, qumica, etc. Sin embargo, en cualquier caso, la energa est compuesta de energa potencial o cintica o de ambos tipos de energa, como lo muestra la tabla 1-1. Por ejemplo, la energa trmica est compuesta de energa potencial y energa cintica. </p><p>TIPO DE ENERGA FORMA </p><p>Nuclear Potencial </p><p>Gravitacional Potencial </p><p>Mecnica Potencial si la masa est en reposo, cintica si la masa est en movimiento </p><p>Trmica Potencial y cintica </p><p>Elctrica Potencial cuando no se usa, cintica cuando se usa </p><p>Qumica Potencial </p><p>Tabla 1-1. La energa existe en dos formas, cintica y potencial. </p><p>1-1 </p></li><li><p>Introduccin al control de procesos de temperatura </p><p>1-2 </p><p>Energa trmica </p><p>La energa trmica est asociada con el movimiento aleatorio o desorganizado de las partculas que constituyen un cuerpo: </p><p> En fluidos ideales, las partculas se mueven aleatoriamente y no ejercen fuerza las unas sobre las otras, as que la energa trmica es toda energa cintica. </p><p> En los slidos, sin embargo, las partculas se mueven aleatoriamente alrededor de posiciones de equilibrio, como si se mantuvieran juntas mediante resortes diminutos. Como consecuencia, la energa de las partculas cambia constante-mente entre cintica y potencial. Por tanto, la energa trmica, es una combinacin de energa cintica y energa potencial. </p><p>Observe que el trmino calor se utiliza a menudo para indicar lo mismo que energa trmica, lo cual es una prctica comn pero errnea. El calor es slo una sensacin arbitrariamente sentida por los animales y seres humanos que no est relacionada con la naturaleza intrnseca de la energa trmica. </p><p>Temperatura </p><p>La temperatura es una medida de la energa cintica promedio de las partculas que constituyen un cuerpo. Entre ms grande es la energa cintica de las partculas, mayor ser la temperatura del cuerpo. , </p><p>La temperatura se mide sobre una escala de temperatura. Actualmente se usan cuatro escalas de temperatura: Celsius, Kelvin, Fahrenheit y Rankine. Esto se expondr en detalle en el ejercicio siguiente. </p><p>Principios bsicos de la transferencia de energa trmica </p><p>Siempre que dos cuerpos de diferentes temperaturas se juntan, las partculas de los mismos colisionarn debido a su movimiento aleatorio. Las partculas del cuerpo ms caliente, el cual tiene mayor energa cintica, disminuirn su velocidad debido a las colisiones, mientras que las partculas ms lentas del cuerpo ms fro se movern ms rpido. </p><p>Como resultado de estas colisiones, la energa trmica del cuerpo ms caliente ser transferida al cuerpo ms fro. Esto causar que la temperatura del cuerpo ms caliente disminuya y que la temperatura del cuerpo ms fro aumente. </p><p>Este fenmeno se conoce como transferencia de energa trmica. La transferencia de energa trmica, dejndose por s sola, continuar hasta que las partculas de los dos cuerpos tengan la misma energa trmica. Cuando esto ocurre, los dos cuerpos han alcanzado la misma temperatura y se dice que estn en equilibrio trmico. Una vez que se logra el equilibrio trmico, se termina la transferencia de energa trmica. </p></li><li><p>Introduccin al control de procesos de temperatura </p><p>La tasa a la cual ocurre la transferencia de energa trmica vara en proporcin directa a la conductividad trmica de los dos cuerpos, a la superficie de transferen-cia de energa trmica entre ellos y a la diferencia en la temperatura de ambos. </p><p>Observe que el trmino transferencia de calor se usa frecuentemente para indicar lo mismo que transferencia de energa trmica. Desafortunadamente, el trmino transferencia de calor es engaoso porque da la idea errnea de que el calor es una sustancia que puede almacenarse o moverse de un lugar a otro. Sin embargo, dicho trmino se acepta comnmente en el mundo de la instrumentacin y el control porque brinda un entendimiento intuitivo del fenmeno. </p><p>Siempre que se utilice el trmino, lo importante es recordar que la energa trmica siempre se transfiere desde un cuerpo ms caliente hasta uno ms fro. sta es la razn por la que nunca observaremos a un cuerpo fro calentar a un cuerpo caliente. </p><p>Mecanismos de transferencia de energa trmica </p><p>Hay tres mecanismos mediante los cuales ocurre la transferencia de energa trmica: conduccin, conveccin y radiacin: </p><p> Conduccin: la energa trmica es transferida mediante contacto directo entre las partculas de un nico cuerpo, o entre las partculas de dos (o ms) cuerpos que tengan buen contacto trmico el uno con el otro. Por ejemplo, un pedazo de metal con un extremo en el fuego se pondr caliente muy pronto de extremo a extremo. </p><p>La transferencia de energa trmica por conduccin es ms efectiva en los metales, los cuales son buenos conductores trmicos y es menos efectiva en los gases, los cuales son pobres conductores trmicos. </p><p> Conveccin: la energa trmica es transferida entre las partculas de un fluido. La conveccin puede ser natural o forzada: </p><p>- La conveccin natural causa que el fluido calentado se haga ms liviano y se eleve a una regin ms fra y ms densa. Por ejemplo, el aire caliente sube al techo de un cuarto por conveccin natural y es reemplazado por aire ms fro. La transferencia de energa trmica por conveccin natural ocurre solamente en el campo gravitacional y no puede darse en slidos. </p><p>- La conveccin forzada es la circulacin forzada de un fluido por medio de un dispositivo mecnico tal como un ventilador o una bomba que resulta en una tasa aumentada de transferencia de energa trmica entre las partculas del fluido. </p><p> Radiacin: la energa trmica es transferida a travs de los efectos de la radiacin electromagntica. Por ejemplo, el efecto de la radiacin del sol calentando su cara mientras que...</p></li></ul>

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