Introducción a la Instrumentación Industrial

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  • Ingeniera Mecnica 1

    Introduccin a la Instrumentacin Industrial

    Donal Gildardo Estrada Cifuentes1, Jorge Ivn Cifuentes Castillo2

    cifuentes-9@hotmail.com jorgeivan96@hotmail.com

    1 Estudiante del curso de instrumentacin mecnica de la Escuela de Mecnica,

    Universidad de San Carlos de Guatemala, 01012 2 Catedrtico del curso de instrumentacin mecnica de la Escuela de Mecnica,

    Universidad de San Carlos de Guatemala, 01012

    Abstract

    Industrial instrumentation is a discipline of metrology, along with control, seeks to measure, monitor and control industrial processes of a business, this in order to ensure the quality, costs with poor quality related and optimize resources. An important component is the control instrumentation, which uses transmitters to create feedback loops that allow the system to minimize errors, especially those associated with human intervention. The transmitters may be pneumatic, electric or radio, depending on the specific needs of the control loop. There are several variables to be measured in an industrial plant, among them are: flow, pressure, temperature and level. Also to ensure the reliability and accuracy of the instruments periodic calibration of pressure gauges, flow meters, thermometers, etc. is necessary. Keywords: Industrial Instrumentation, Fluid, Transmitters, Meters, Flow, Temperature, Pressure, Level, Calibration, Mechanical Engineering.

    Resumen

    La instrumentacin industrial es una disciplina de la metrologa que, junto con el control, busca medir, monitorear y controlar los procesos industriales de una empresa, esto con el fin de regular la calidad, los costos asociados a la mala calidad y optimizar los recursos. Un componente importante en la instrumentacin es el control, el cual utiliza transmisores para crear lazos que permitan retroalimentar el sistema y reducir al mnimo los errores, especialmente los asociados a la intervencin humana. Los transmisores pueden ser neumticos, elctricos o de radio, dependiendo de las necesidades especficas del lazo de control. Existen diversas magnitudes que deben ser medidas en una planta industrial, entre ellas destacan: caudal, presin, temperatura y nivel. Asimismo para garantizar la confiabilidad y exactitud de los instrumentos se hace necesaria la calibracin peridica de los manmetros, caudalmetros, termmetros, etc.

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    Palabras clave: Instrumentacin Industrial, Fluidos, Transmisores, Medidores, Caudal, Temperatura, Presin, Nivel, Calibracin, Mecnica, Ingeniera. Objetivos 1. Determinar la importancia de la

    instrumentacin y el control en las plantas de produccin.

    2. Establecer la relacin entre optimizacin y un buen sistema de control en caudales para la industria.

    3. Nombrar criterios necesarios para seleccionar un buen instrumentos de medicin, ya sea en temperatura, nivel o presin.

    1. Introduccin La instrumentacin industrial surge como respuesta a la necesidad de controlar los procesos industriales. En una planta los procesos industriales pueden ser de distinta naturaleza, pero generalmente se requiere el control de determinadas magnitudes como temperatura, presin, flujo, conductividad, etc. (Enrquez, 2012). Segn Enrquez (2012): Sistema de control se puede definir como: un sistema que compara el valor de una variable a controlar con un valor deseado y cuando existe una desviacin, efecta una accin de correccin sin que exista intervencin humana. De forma general, un sistema de control se compone de:

    Una unidad de medida Un indicador El registrador Un elemento final de control El propio proceso a controlar

    Dichos elementos integran lo que se denomina el lazo de control, donde el mismo puede ser cerrado o abierto (Enrquez, 2012).

    Figura 1. Sistema de lazo de control abierto.

    Fuente: Enrquez, G. (2012). 2. Conceptos bsicos y generales de instrumentacin Algunos conceptos generales extrados de la norma ANSI / ISA 5.1 revisin 2009: a. Instrumentacin primaria: consiste en

    medir, monitorear, controlar, o calcular los dispositivos y funciones de equipos y sus funciones inherentes y de software que incluyen: transmisores, registradores, controladores, vlvulas de control, seguridad auto-accionado y dispositivos de control y funciones de software.

    b. Instrumentacin secundaria: consiste en medir, monitorear o el control de dispositivos y equipo que incluyen: medidores de nivel, medidores de presin, termmetros y reguladores de presin.

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    c. Instrumentacin auxiliar: consta de

    dispositivos y equipo que miden, controlan o calcular, y que son necesarios para el funcionamiento eficaz de los elementos primarios o secundarios; que incluyen: el clculo de los dispositivos de purga, medidores, sistemas de manipulacin de muestras, y los conjuntos de instrumentacin de aire.

    d. Controlador: un dispositivo que tiene una salida que varia para regular una variable controlada de una manera especifica.

    e. Convertidor: Dispositivo que recibe seal de informacin desde un instrumento de una forma y enva una seal hacia una salida bajo otra forma.

    f. Elemento final de control: El dispositivo que directamente controla el valor de la variable manipulada de un lazo de control a menudo resulta ser una vlvula de control.

    g. Instrumento: un dispositivo usado directa o indirectamente para medir y/o controlar una variable. El trmino incluye elementos primarios, elementos finales de control, dispositivos computacionales, y dispositivos elctricos tales como anunciadores, interruptores y pulsadores.

    h. Instrumentacin: Una coleccin de instrumentos o su aplicacin para el propsito de observar, medir, controlar o combinaciones de estas.

    i. Sensor: parte de un lazo o un instrumento que primero detecta el valor de la variable de un proceso y que asume el valor correspondiente predeterminado para el estado de la salida. Se le conoce tambin como detector o elemento primario.

    j. Interruptor: Dispositivo que conecta, desconecta, selecciona o transfiere

    uno o ms circuitos y no esta designado como un controlador, como un rel o como una vlvula de control.

    k. Transductor: trmino general para un dispositivo que recibe informacin de una o ms formas de cantidades fsicas, modificando esta informacin y/o su forma produciendo una seal de salida.

    l. Transmisor: Dispositivo que detecta la variable de un proceso por medio de un sensor y tiene una salida cuyo valor en el estado estable varia como una funcin predeterminada de la variable del proceso. El sensor puede o no estar integrado al transmisor

    2. Transmisores Un transmisor es un dispositivo que convierte una seal muy pequea a una seal utilizable. Los transmisores usados en la industria generalmente utilizan seales elctricas pequeas como: microvoltios (V), milivoltios (mV), miliamperios (mA) o frecuencia en seales mayores de tensin elctrica, intensidad o frecuencia (0-10V 4-20mA). Generalmente un transmisor se vale de amplificadores operacionales para amplificar y linealizar la seal de salida (Enrquez, 2012). Los transmisores tambin pueden funcionar con seales neumticas; de 3 a 15psi (0.21-1.05kg/cm2). El elemento primario puede formar o no parte integral del transmisor; el primer caso lo constituye un transmisor de temperatura de bulbo y capilar y el segundo un transmisor de caudal con la

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    placa orificio como elemento primario (Creus, 2011).

    Transmisor Principio Exactitud Des-ventajas

    Neumtico Sistema tobera obturador y bloques amplifica-dores

    0.5 % Suscepti-bles a mal funciona-miento por partculas de polvo o aceite

    Electrnico Detecto-res de inductan-cia, o transfor-madores diferen-ciales o barra de equilibrio de fuerza

    0.5 % No puede guardar seales

    Digital Serie de impulsos en formas de bits (cdigo binario)

    Hasta 0.1 %

    Falta de normali-zacin y respuesta frecuen-cial defectuo-sa

    Radio Seales de 902 a 928 MHz en banda ISM modula-das en dispersin

    Hasta 0.1 %

    Complica-ciones con regula-ciones estatales

    Tabla 1. Tipos de Transmisores.

    Fuente: Propia en base a informacin recopilada de Creus, A. (2011). 3. Medidores de flujo de fluidos 3.1. Medicin de caudal Medir el caudal es necesario en la industria se hace por dos razones: contabilidad y

    control de procesos. La primera atiende a la necesidad de medir la transferencia de fluido entre procesos, usuarios o entre suministrador y cliente. El segundo se utiliza para optimizar rendimientos en las unidades de produccin aplicando balance de materia (Acedo, 2013). Existen diversos tipos de medidores de caudales, entre ellos:

    Medidores de rea variable Medidores por desplazamiento

    positivo Medidores msicos Medidores por presin diferencial Medidores electromagnticos Medidores tipo turbina (Acedo,

    2013). 3.1.1. Medidores de rea variable Los medidores de rea variable, tambin conocidos como rotmetros, se basan en la relacin entre la energa cintica y la energa de presin. En el rotmetro el rea de restriccin cambia al tiempo que el caudal, pero la presin diferencial se mantiene constante (Acedo, 2013).

    Figura 2. Forma simplificada de un rotmetro.

    Fuente: Acedo, J. (2013).

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    En el rotmetro, la posicin de equilibrio de las fuerzas indica el caudal, donde las fuerzas de arrastre e impacto provocan el ascenso del flotador y el propio peso el descenso. Estos instrumentos son aptos para caudales pequeos y limpios (Acedo, 2013). 3.1.2. Medidores por desplazamiento positivo Llamados genricamente como contadores, debido a que cuentan el nmero de volmenes desplazados en un tiempo determinado, donde dicho volumen unitario es conocido (Acedo, 2013). En estos instrumentos las medidas se obtienen de forma directa, son aptos para fluidos muy viscosos, no necesitan alimentacin elctrica y miden un amplio rango de caudal. En contraparte, limitan el caudal, se daan por sobrevelocidad y no son aptos para fluidos abrasivos o sucios (Acedo, 2013).

    Figura 3. Medidor de desplazamiento positivo de ruedas ovales forma Bopp

    Reuther. Fuente: Bopp & Reuther Messtechnik (2011).

    3.1.3. Medidores msicos Como su nombre lo indica, miden el caudal en unidades de masa sobre tiempo (kg/h, lbm/s). Los medidores msicos se pueden basar en:

    Volumen, presin y temperatura Momento angular por fluido en

    sentido axial debido a un sistema rotor-estator

    Efecto Coriolis y la segunda ley de Newton (Acedo, 2013).

    Estos medidores ofrecen muy buena exactitud, un rango amplio de medidas, un bajo conste de mantenimiento y la lectura se hace de forma directa. Como desventajas estn los altos costos de la instalacin y el equipo en s mismo, no se puede utilizar con gases o vapor y hay prdida de carga media (Acedo, 2013).

    Figura 4. Medidor msico bajo

    principio Coriolis, Micro Motion Elite de la firma Emerson.

    Fuente: Micro Motion Inc. (2015). 3.1.4. Medidores por presin diferencial Es el mtodo ms usado en la industria y se encuentran varios tipos de elementos basados en este principio: placas de

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    orificio, tubos Venturi, toberas, tubos Pitot, tubos Annubar, etc. (Acedo, 2013). Esencialmente se basan en la ecuacin de Bernoulli y usar un estrechamiento o garganta para provocar una subida de presin (Cromer, 1986) 3.1.4. Medidores electromagnticos

    Figura 5. Esquema general de un medidor electromagntico.

    Fuente: Comisin Nacional del Agua (s.f.). Estos medidores se basan en el principio de Faraday, que establece que la fuerza electromotriz inducida en un elemento conductor es directamente proporcional a la velocidad de dicho conductor. El lquido hace la funcin de conductor y el medidor cuenta con bobinas que generan un campo magntico. Se utilizan con caudales altamente conductores, muy viscosos y abrasivos, pero que no se encuentren en fase de gas (Acedo, 2013). 3.1.5. Medidores de tipo turbina Esencialmente es un rotor con labes que rota perpendicularmente a la direccin del fluido; usando un detector magntico se cuentan el nmero de veces que el labe

    corta el fluido y se determina entonces la velocidad y el caudal. No es til con fluidos sucios y muy viscosos, necesita una peridica calibracin y el exceso de velocidad lo puede daar (Acedo, 2013). 4. Medidores de presin 4.1. Definicin de presin Segn Cromer (1986): la presin es la fuerza por unidad de superficie que se ejerce perpendicularmente, sobre una superficie. Las dimensionales de la presin son fuerza por unidad de superficie. En el Sistema Internacional la dimensional es el pascal (Pa), que representa un newton por metro cuadrado (N/m2). Otras unidades de medicin son la libra por pulgada cuadrada (psi), el torr o milmetro de mercurio (mmHg) y el bar (Cromer, 1986). 4.2. Instrumentos para medir la presin 4.2.1. Barmetro

    Figura 5. Un barmetro. Fuente: Himmelblau, D. (2002). Sirve para medir la presin atmosfrica. Lo componen un tubo de vidrio recto, de longitud superior a 76 cm, cerrado por un

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    extremo. Se llena el tubo de mercurio y luego se invierte introducindolo en una cubeta de mercurio, lo que provoca que descienda el Hg a partir del extremo cerrado. El instrumento se basa en el principio de la presin hidrosttica (Cromer, 1986). 4.2.2. Manmetro de Bourdon Es un instrumento con un indicador de medida que se puede construir para medir presiones bajas o altas. El ms comn es el Bourdon C: consiste en un tubo metlico, cerrado en un extremo y al que se curva en forma de letra C; dicho extremo, tambin llamado punta, se conecta a una aguja indicadora mediante un sistema multiplicador mecnico. El otro extremo, abierto, est unido rgidamente a un soporte (Cromer, 1986). La seccin del tubo es oval. Al aumentar la presin dentro del tubo, la seccin se hace ms circular y hace que el tubo se ponga ligeramente ms recto. El sistema multiplicador mecnico transforma el pequeo movimiento de la punta del tubo en un gran movimiento de la aguja (Cromer, 1986). Parte de la circunferencia se divide en los nmeros correspondientes a las alturas observadas en un buen barmetro, entonces el aparato queda graduado y en disposicin de funcionar (Fernndez, 2012).

    Figura 6. Dispositivos de manmetros

    de Bourdon para medir la presin; Bourdon C y Bourdon espiral.

    Fuente: Himmelblau, D. (2002). 4.2.3. Manmetro aneroide

    Figura 7. Barmetro. Fuente: Cromer, A. (1986). Es un barmetro mecnico comp...

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