Principios de Instrumentacin - Seales de Instrumentacin y Transmisores

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Presentacin sobre seales de instrumentacin y transmisores

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  • James Robles Departamento de Instrumentacin Huertas College

    Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    En esta presentacin:

    Interpolacin de seales de instrumentacin Exactitud (Accuracy) de seales de instrumentacin Precisin (Precision) de seales de instrumentacin Histresis de seales de instrumentacin Valor Mnimo - LRV (Lower Range Value) Valor Mximo - URV (Upper Range Value) Ajuste de span (alcance) y ajuste de zero (cero) Acondicionamiento de seales (Signal Conditioning) Especificaciones de Transmisores

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin:

    Interpolacin es un proceso matemtico que nos ayuda a calcular la seal de instrumentacin,

    dados el rango de proceso y la variable de proceso

    Este proceso consiste en calcular la seal de instrumentacin que corresponde

    proporcionalmente a la variable de proceso

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin:

    =

    . .

    . .=

    . . . .

    . . . .

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin: El lazo de transmisor produce una seal de

    instrumentacin proporcional a la variable de proceso en relacin con el rango de proceso

    Para calcular la seal de instrumentacin (output) del transmisor, se debe conocer el rango de proceso y la variable de proceso

    Se utiliza la siguiente ecuacin para resolver:

    =

    Este proceso se conoce como Interpolacin

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin:

    20 4

    100 0=

    20

    100 50

    Ejemplo: El Rango de Proceso es de 0 100 psi y la variable de proceso (input) est en

    50 psi. Cul es la seal de instrumentacin (output) en este caso?

    (Recordar que el rango de instrumentacin es de 4 20 mA)

    16

    100=

    20

    50

    16

    10050 = 20

    8 = 20

    20 = 8

    = 20 8

    = 12

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin:

    El procedimiento de interpolacin se puede visualizar como una relacin de proporciones entre el rango de proceso y el rango de

    instrumentacin

    Ejemplo 1: Si el rango de proceso es una presin de 0 100 psi

    0 psi 25 psi 50 psi 75 psi 100psi

    4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA

    Rango de Proceso (Input)

    Rango de Instrumentacin (Output)

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin:

    Ejemplo 2: Si el rango de Proceso es un nivel de un tanque de 0 40 ft

    0 ft 10 ft 20 ft 30 ft 40 ft

    4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA

    Rango de Proceso (Input)

    Rango de Instrumentacin (Output)

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin:

    Ejemplo 3: Si el rango de Proceso es un flujo de 0 900 gal/min.

    0 gpm 225 gpm 450 gpm 675 gpm 900 gpm

    4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA

    Rango de Proceso (Input)

    Rango de Instrumentacin (Output)

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin:

    Ejemplo 4: Si el rango de Proceso es una temperatura de 50 F - 250 F

    50 F 100 F 150 F 200 F 250 F

    4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA

    Rango de Proceso (Input)

    Rango de Instrumentacin (Output)

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin:

    Ejemplo 5: Si el rango de Proceso es un pH de 2 12

    2 pH 4.5 pH 7 pH 9.5 pH 12 pH

    4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA

    Rango de Proceso (Input)

    Rango de Instrumentacin (Output)

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin: En los ejemplos vistos, es fcil convertir la variable de proceso a su

    equivalente en seal de instrumentacin

    Sin embargo, todos los puntos intermedios tienen su valor de seal de instrumentacin equivalente

    Hay que utilizar la interpolacin para lograr conocer la seal exacta. Ejemplo 6: Cul es la seal de instrumentacin para una variable

    de proceso de 61.43 psi con un rango de proceso de 0 100 psi?

    0 psi 25 psi 50 psi 75 psi 100 psi

    4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA

    Rango de Proceso (Input)

    Rango de Instrumentacin (Output)

    61.43 psi

    ? mA

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin:

    0 psi 25 psi 50 psi 75 psi 100 psi

    4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA

    Rango de Proceso (Input)

    Rango de Instrumentacin (Output)

    61.43 psi

    ? mA

    20 4

    100 0=

    20

    100 .

    16

    100=

    20

    38.57

    16

    10038.57 = 20

    6.17 = 20

    20 = 6.17

    = 20 6.17

    = 13.83

    13.83 mA

    Ejemplo 6:

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin: Ejemplo 6:

    +

    24 Vdc

    - +

    Variable de Proceso (Presin) = 61.43 psi

    PT-1

    Seal de Instrumentacin Transmisor de Presin (0 100 psi)

    Receptor

    Remoto

    13.83 mA + - 13.83 mA

    -

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Transmisores de Variables de Proceso:

    Muestras de Transmisores de Presin:

    Rosemount Endress + Hauser Foxboro Honeywell

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin:

    0 ft 10 ft 20 ft 30 ft 40 ft

    4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA

    Rango de Proceso (Input)

    Rango de Instrumentacin (Output)

    ? mA

    20 4

    40 0=

    20

    40 .

    16

    40=

    20

    13.72

    16

    4013.72 = 20

    5.49 = 20

    20 = 5.49

    = 20 5.49

    = 14.51

    14.51 mA

    Ejemplo 7:

    26.28 ft

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    Interpolacin de Seales de Instrumentacin: Ejemplo 7:

    24 Vdc

    - +

    LT-1

    Seal de Instrumentacin Transmisor (0 40 ft)

    Receptor

    Remoto

    14.51 mA

    40 ft

    + - 14.51 mA +

    -

    Variable de Proceso = 26.28 ft

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    Transmisores de Variables de Proceso:

    Muestras de Transmisores de Nivel:

    Rosemount Endress + Hauser Magnetrol Siemens

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin:

    0 gpm 225 gpm 450 gpm 675 gpm 900 gpm

    4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA

    Rango de Proceso (Input)

    Rango de Instrumentacin (Output)

    ? mA

    20 4

    900 0=

    20

    900

    16

    900=

    20

    553

    16

    900553 = 20

    9.95 = 20

    20 = 9.95

    = 20 9.95

    = 10.05

    10.05 mA

    Ejemplo 8:

    347 gpm

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin: Ejemplo 8:

    24 Vdc

    - +

    Variable de Proceso (Flujo) = 347 gpm

    FT-1

    Seal de Instrumentacin Transmisor de Flujo (0 900 gpm)

    Receptor

    Remoto

    10.05 mA + - 10.05 mA +

    -

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Transmisores de Variables de Proceso:

    Muestras de Transmisores de Flujo:

    Rosemount Endress + Hauser Sierra ABB

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin:

    50 F 100 F 150 F 200 F 250 F

    4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA

    Rango de Proceso (Input)

    Rango de Instrumentacin (Output)

    ? mA

    20 4

    250 50=

    20

    250 .

    16

    200=

    20

    65.4

    16

    20065.4 = 20

    5.23= 20

    20 = 5.23

    = 20 5.23

    = 14.77

    14.77 mA

    Ejemplo 9:

    184.6 F

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin: Ejemplo 9:

    24 Vdc

    - +

    Variable de Proceso (Temperatura) = 184.6 F

    TT-1

    Seal de Instrumentacin Transmisor de Temperatura (50 250 F)

    Receptor

    Remoto

    14.77 mA

    +

    -

    + - 14.77 mA

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Transmisores de Variables de Proceso:

    Muestras de Transmisores de Temperatura:

    Rosemount Endress + Hauser ABB Yokogawa

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interpolacin de Seales de Instrumentacin:

    2 pH 4.5 pH 7pH 9.5 pH 12 pH

    4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA

    Rango de Proceso (Input)

    Rango de Instrumentacin (Output)

    ? mA

    20 4

    12 2=

    20

    12 .

    16

    10=

    20

    1.7

    16

    101.7 = 20

    2.72= 20

    20 = 2.72

    = 20 2.72

    = 17.28

    17.28 mA

    Ejemplo 10:

    10.3 pH

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    Interpolacin de Seales de Instrumentacin: Ejemplo 10:

    24 Vdc

    - +

    Variable de Proceso (pH) = 10.3 pH

    pHT-1

    Seal de Instrumentacin Transmisor de pH (2 12 pH)

    Receptor

    Remoto

    17.28 mA + - 17.28 mA +

    -

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Transmisores de Variables de Proceso:

    Muestras de Transmisores Analticos:

    Rosemount Yokogawa Endress+Hauser ABB

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Exactitud (Accuracy) vs. Precisin

    Exacto y Preciso Preciso,

    pero no Exacto

    No Preciso

    ni Exacto

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Accuracy (Exactitud):

    Accuracy es la medida de la capacidad del instrumento para indicar fielmente el valor real de la

    seal medida.

    El valor real es tomado por un instrumento llamado Standard de Laboratorio

    El Accuracy est dada para toda la escala (F.S. Full Scale)

    La exactitud puede calcularse de la siguiente forma:

    (. . ) =

    100%

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Accuracy (Exactitud):

    (. . ) =

    x 100%

    Ejemplo 1: Un termmetro est en un bao de agua de hielo

    que un standard de temperatura indica 32.0 F. El termmetro

    lee 32.3 F. Cual es el accuracy?

    (. . ) = 32 32.3

    32 100%

    (. . ) = .3

    32 100%

    (. . ) = .0094 100%

    (. . ) = .94%

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Accuracy (Exactitud):

    =

    x 100%

    Ejemplo 2: Un manmetro est conectado a un Dead Weight

    Tester que indica 1000 psi. El manmetro lee 993 psi. Cual

    es el accuracy?

    = 1000 993

    1000 x 100%

    = 7

    1000 100%

    = .007 100%

    . . = .7%

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Accuracy (Exactitud):

    (. . ) =

    x 100%

    Ejemplo 3: Un metro de flujo est conectado a un standard

    de 500 gpm. El flujmetro lee 498 gpm. Cual es el

    accuracy?

    (. . ) = 500 498

    500 x 100%

    (. . ) = 2

    500 100%

    (. . ) = .004 100%

    (. . ) = .4%

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Accuracy (Exactitud):

    (. . ) =

    x 100%

    Ejemplo 4: Un metro de nivel est conectado a un tanque

    con 20 ft segn medido con una cinta. El metro segn de

    nivel lee 19.98 ft. Cual es el accuracy?

    (. . ) = 20 19.98

    20 x 100%

    (. . ) = .02

    20 100%

    (. . ) = .001 100%

    (. . ) = .1%

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Accuracy (Exactitud):

    = . .

    100

    Ejemplo 5: Si un transmisor de flujo de 0-350 gpm tiene un

    accuracy de 1% F.S.; Cul sera el error para un flujo de

    245 gpm?

    = 245 1

    100 350

    = 245 3.5 gpm

    = 241.5 gpm 248.5 gpm

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Accuracy (Exactitud):

    = . .

    100

    Ejemplo 6: Si un manmetro de presin de 0-600 psi tiene

    un accuracy de 0.25% F.S.; Cul sera el error para una

    presin de 214 psi?

    = 214 0.25

    100 600

    = 214 1.5

    = 212.5 215.5 psi

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Accuracy (Exactitud): Si el accuracy no tiene variaciones a lo largo del rango del

    instrumento tiene un accuracy Full Scale o F.S. Si tiene

    variaciones a lo largo del rango, entonces se divide la escala

    en tres partes: Lower 25%, Middle 50% y Upper 25%.

    0% 100%

    50%

    25% 75%

    0% 100%

    50%

    25% 75%

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Accuracy (Exactitud): Grado de Accuracy Lower 25% Middle 50% Upper 25%

    4A 0.1 0.1 0.1

    3A 0.25 0.25 0.25

    2A 0.5 0.5 0.5

    1A 1 1 1

    A 2 1 2

    B 3 2 3

    C 4 3 4

    D 5 5 5

    El accuracy se puede clasificar en diferentes grados segn muestra la tabla ASME B40.1 (Accuracy Grade

    para Pressure Gauges)

    Full Scale

    L.S. / M.S. / U.S.

    Tabla de accuracy para Pressure Gauges

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Accuracy (Exactitud):

    Accuracy class

    2": 2/1/2% of span (ASME B40.100 Grade A) 4": 1% of span (ASME B40.100 Grade 1A)

    En este ejemplo vemos el ofrecimiento del manufacturero en dos tamaos de manmetros. El de 2 tiene accuracy de 2/1/2 (Grade A) y el de 4 tiene accuracy de 1% F.S. (Grade 1A)

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Accuracy (Exactitud):

    El Standard de Laboratorio es un equipo con una exactitud y precisin insuperable debido a su construccin y principio de operacin

    La organizacin NIST (National Institute for Standards and Technology) se encarga de establecer y resguardar los estndares para poder calibrar cualquier instrumento de cualquier variable

    Existe un protocolo para rastrear las calibraciones desde su equipo de laboratorio hasta un estndar NIST. A este protocolo se le llama NIST Traceability

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Accuracy (Exactitud): Laboratory Standards

    Millivolt Standard

    Dead Weight Tester

    pH Buffer Solutions

    Dry Block Cell Standard Flow Standard

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Precisin:

    Precisin es la medida de la estabilidad del instrumento y su capacidad de dar lugar a la

    misma medicin una y otra vez para la

    misma seal de entrada.

    Se puede medir con respecto a la diferencia promedio entre medidas tomadas.

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Histresis de seales de instrumentacin:

    Se trata del comportamiento de la seal producida en su incremento vs. el comportamiento de la seal

    producida en su descenso:

    Medida Real (psi)

    Me

    did

    a d

    e In

    str

    um

    en

    to (

    psi)

    Histresis

    Seal en Incremento

    Seal en Decremento

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    LRV y URV de un Instrumento:

    LRV (Lower Range Value) Valor que se asigna al instrumento como valor mnimo de la escala.

    URV (Upper Range Value) - Valor que se asigna al instrumento como valor mximo de la escala.

    Ejemplo: Si el rango de proceso es de 0 200 psi y se desea que el transmisor este

    configurado para ese rango, entonces el

    transmisor se configura de la siguiente manera:

    Lower Range Value = 0 psi Upper Range Value = 200 psi

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    LRV y URV de un Instrumento:

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Ajuste de Cero y Span de un Transmisor:

    Son los ajustes que el tcnico manipula para ejecutar la calibracin de los instrumentos. Existen

    dos ajustes bsicos para este propsito:

    Ajuste de Cero Es el ajuste que se utiliza para que el output del transmisor sea 4 mA, cuando

    el transmisor tiene el 0% de la variable del

    proceso aplicado.

    Ajuste de Span Es el ajuste que se utiliza para que el output del transmisor sea 20 mA,

    cuando el transmisor tiene el 100% de la

    variable del proceso aplicado.

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Acondicionamiento de seales:

    Se puede acondicionar estas las seales de instrumentacin para mejorar su comunicacin.

    Existen varias tcnicas utilizadas para este

    propsito: Filtros Eliminar ruidos y seales no deseadas Amplificacin Aumentar la amplitud de la seal Aislacin Eliminar efecto en el resto del circuito Atenuacin Disminuir la amplitud de la seal Linealizacin Convertir la seal en una lineal Curva No Lineal - Ejemplo: Extraer raz cuadrada a una seal

    de flujo

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Acondicionamiento de seales:

    Filtros: Al estar en un ambiente industrial con muchas seales y conductores con potencia elctrica, se induce voltaje en el conductor de la seal de instrumentacin. Para resolver este asunto se pueden instalar filtros para eliminar este ruido.

    Tiempo

    Seal + Ruido Seal - Ruido

    Seal

    de

    Instr

    um

    enta

    ci

    n

  • Principios de Instrumentacin Seales de Instrumentacin y Transmisores

    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Acondicionamiento de seales:

    Atenuacin (Damping): Si la variable tiene variaciones muy rpidas, el transmisor puede atenuar este efecto. En los transmisores existe el ajuste de atenuacin (Damping), que promedia las variaciones y suaviza la seal.

    Tiempo

    Seal Inestable Seal Atenuada

    Seal

    de

    Instr

    um

    enta

    ci

    n

    2 Damping 1.00 s

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Acondicionamiento de seales:

    Curva No-Lineal: Si el transmisor genera una seal no-lineal, como es el ejemplo de diferencia de presin para medir flujo, se utiliza la funcin de square root extractor para normalizar la seal.

    4

    6

    8

    10

    12

    14

    16

    18

    20

    0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

    mA

    dP

    Differential Pressure vs mA

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Especificaciones de Transmisores:

    Accuracy (Exactitud)

    Precision (Repeatability)

    Estabilidad

    Efecto de Temperatura Ambiente

    Efecto de Posicion de Montura

    Rendimiento Dinamico

    Efecto de Power Supply

    Compatibilidad Electromagnetica

    Limites de Sobre-Presion

    Limites de Temperatura

    Efecto de Vibracion

    Especificaciones de Funcionales:

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Especificaciones Fisicas:

    Rango de Proceso (Ejemplo: 0 100 psi)

    Estilo y tamao de Conexin (Ejemplo: FNPT)

    Power Supply (Ejemplo: 24 Vdc)

    Output (Ejemplo: 4 20 mA)

    Communicaciones (Ejemplo: HART Protocol)

    Clasificasion Electrica (Ejemplo: NEMA 7X)

    Conecciones Electricas (Ejemplo FNPT)

    Partes en Contacto con el Proceso (Process Wetted Parts Materials) (Ejemplo: S.S. 316)

    Non-Wetted Parts Materials (Ejemplo: Aluminum)

    Especificaciones de Transmisores:

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Se usa para especificar uniformemente los instrumentos de medicin o

    transmisin de Presin

    Permite comparar varios instrumentos utilizando parmetros genricos para

    prevenir competencia desleal entre

    suplidores de instrumentos

    Este formulario existe para instrumentos de flujo, temperatura, nivel y todo tipo de

    variable

    Especificaciones de Transmisores Forma ISA 20P 1001 Rev 0

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interruptores de Variables Fsicas: Algunos sistemas de control utilizan un valor lgico para

    llevar a cabo sus operaciones Estos sistemas de control necesitan una seal que nos

    seala si una condicin est o no est hecha Al decir valor lgico, nos referimos a un 1 0 lgico Esto se logra al cerrar o abrir un interruptor que est

    conectado a un sensor Un interruptor de varible fsica puede hacer este trabajo

    sin indicarnos el valor de la variable, sino cerrando un contacto para dejarnos saber si la condicin est hecha Existen interruptores para todas las variables existentes

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    Interruptores de Variables Fsicas: Ejemplos de Interruptores de Variables Fsicas:

    Estos interruptores actan cuando la variable fsica alcanza el valor calibrado

    Push Button

    Level Switch Pedal Switch

    Limit Switch

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    James Robles, Departamento de Instrumentacin, Huertas College

    http://instrumentacionhuertas.wordpress.com

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