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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

26#

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.

35#

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#


71#


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#


de instrumentos

(ISA S20)

75#


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

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¿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.

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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.

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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


Publishing




SIMBOLOGSIMBOLOGÍÍAA


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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

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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.

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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.

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• 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

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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)

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Diagrama de tubería e instrumentación(DTI ó P&I)

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SIMBOLOGÍA

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Contenido de la norma ANSI/ISAS5.1-1984

1. Propósito.2. Alcance.3. Definiciones.4. Reglas de identificación de instrumentos.5. Tablas.6. Dibujos.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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).

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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.

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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.

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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.

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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#


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#


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.

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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#


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#


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#


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.

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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#


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


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


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


Publishing




MEDICIMEDICIÓÓN DE TEMPERATURAN DE TEMPERATURA


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


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#


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


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.


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).


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


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


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#


219#


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


Publishing




MEDICIMEDICIÓÓN DE PRESIN DE PRESIÓÓNN


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#


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#


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#


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


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


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


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#


En Forma de C En Forma helicoidal

251#

SECCIÓN TRANSVERSALOVAL

MOVIMIENTODEL PLATO

SOPORTE

ESPIRAL

SECTORDENTADO

DIAL

PIÑÓN

EXTREMO LIBRECERRADO

ESLABÓNAJUSTABLE

EXTREMO FIJOABIERTO


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


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


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#


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#


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


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#


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#


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


300 oC

0.25% del span

0 a 12 Kg/cm2

.1 a 1% del span

DIAFRAGMAS

Requerido


120 oC

0.25% del span

0 a 35 Kg/cm2

0.5% del span

FUELLES

Requerido


300 oC

0.01% del span

1 a 1500 Kg/cm2

0.5% del span

BOURDONES


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


Publishing




MEDICIMEDICIÓÓN DE NIVELN DE NIVEL


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


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#


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#


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#


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#


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


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#


308#


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


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#


Señal para

controlSeñal para

control

Tanque presurizado

312#


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#


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


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#


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#


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


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#


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#


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#


332#


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 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#


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


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


1” a 35 ft

±1% a ±2%

TIPO CINTA

Líquidos InterfacesSólidos

Servicios

850 oCTemp. max.

InherenteUnidad secundaria


Salida

1/2 ” a 100 ftRango recomenda

ble

±0.5% del span

Exactitud

ADMITAN CIA

CARACTERÍSTICA

341

Standards

Certification


Publishing




FUNDAMENTOS DE MEDICIFUNDAMENTOS DE MEDICIÓÓN DE N DE FLUJOFLUJO


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#


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#


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


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.


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#


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#


• 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#


• 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#


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.


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.


+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


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


DESPLAZAMIENTOPOSITIVO

TURBINA

TÉRMICO

OSCILATORIO

CORIOLIS

VAPOR

AREAVARIABLE


TURBINA

OSCILATORIO

LODOS

MAGNÉTICO


(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


Publishing




MEDICIONES ANALMEDICIONES ANALÍÍTICASTICAS


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#


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 MÓVILFASE MÓVILFASE MÓVIL FASE MÓVILFASE MÓVILFASE MÓVIL FASE MÓVILFASE MÓVILFASE MÓVIL

COLUMNACOLUMNA

COLUMNACOLUMNA



FASE MÓVILFASE MÓVILFASE MÓVIL FASE MÓVILFASE MÓVILFASE MÓVIL FASE MÓVILFASE MÓVILFASE MÓVIL

461#


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#


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#


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











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#


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#


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#


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#


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#


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


Publishing




EQUIPOS AUXILIARESEQUIPOS AUXILIARES


501#

El Lazo de control con elementos auxiliares



DE MEDICION


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#


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#


543#


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


Publishing




ELEMENTOS FINALES DE CONTROL ELEMENTOS FINALES DE CONTROL


562#

Es como su nombre lo indica, el último componente de un lazo de control.

Elemento final de control



DE MEDICION


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#


- 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#


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#


580#


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#


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#


584#


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#


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#


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


Publishing




INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓN AL CONTROL N AL CONTROL AUTOMAUTOMÁÁTICO TICO


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#



DE MEDICION


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%)

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.

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.

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


Publishing




INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓN A SISTEMAS DE N A SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL CONTROL DIGITAL


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#


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#


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.

706#

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.

707#

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

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


micro-procesador

1


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

713#

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:

714#

SEÑALES HACIA LOSELEMENTOS FINALESDE CONTROL

SEÑALES DEL PROCESO(DE SENSORES,TRANSMISORES OINTERRUPTORES)

SEÑALESDIGITALES

SEÑALESANALOGICAS



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#



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


DE ENTRADA Y SALIDA


DE ENTRADA Y SALIDA


DE ENTRADA Y SALIDA


DE ENTRADA Y SALIDAY SEÑALES DIGITALESSEÑALES ANALOGICAS

DE ENTRADA Y SALIDA

CANAL DECOMUNICACIONES

CANAL DECOMUNICACIONES CANAL DE

COMUNICACIONES




SISTEMA DEENLACE O

O DECOMUNICACIONES

MODULODE

CONTROLY ENLACE

CON ELPROCESO


Y SALIDA

MODULODE

CONTROLY ENLACE

CON ELPROCESO


Y SALIDA

MODULODE

CONTROLY ENLACE

CON ELPROCESO


Y SALIDA

MODULODE

CONTROLY ENLACE

CON ELPROCESO


Y SALIDA

MODULODE

CONTROLY ENLACE

CON ELPROCESO


Y SALIDA

MODULODE

CONTROLY ENLACE

CON ELPROCESO


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

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

isa - instrumentacion basica de procesos industriales - vaf

Engineering

detalle de instrumentacin

reas de instrumentacin

control a pemex

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