Curso ISA Presentation Instrumentación Básica

INSTRUMENTACIÓN BÁSICA DE PROCESOS INDUSTRIALES Standards Certification Education & Training Publishing

PONENTE: M. EN C. ARMANDO MORALES SÁNCHEZ

Conferences & Exhibits

1

16 AL 18 DE MAYO DEL 2007

SÍNTESIS CURRICULAR 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.

2#

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 en Metrología 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.

3#

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.

4#

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.

5#

3. Medición de temperatura. - Generalidades. - Unidades. -Termómetros clínicos industriales, sistemas elementos de resistencia, termistores, termopozos. - Instalación. - Patrones y tablas. - Aplicaciones.

llenos,

termopares,

4. Medición de presión - Generalidades. - Unidades. - Tipos de sensores. - Tipos de medidores. - Normas. - Instalación. - Aplicaciones. 6#

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.

7#

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.

8#

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.

9#

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.

10#

INSTRUMENTACIÓN BÁSICA DE PROCESOS INDUSTRIALES

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Standards Certification Education & Training Publishing Conferences & Exhibits

M. en C. Armando Morales Sánchez 16, 17 y 18 de mayo del 2007

11

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 instrumento?

la

selección

correcta

de

un

12#

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.

Entrada de aire caliente PROCESO

Salida de aire frío

13#

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 puede parar o reiniciarse (Bebidas alcoholicas, productos alimenticios, etc).

14#

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.

15#

Control

Acción o conjunto de acciones que buscan conformar una magnitud variable, o conjunto de magnitudes variables, en un patrón determinado.

16#

Esquema general de control

Decisión

Medición

Acción

17#

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 VARIABLE CONTROLADA

VARIABLES MANIPULADAS

PROCESO

CONTROLADOR

VARIABLE MEDIDA 18#

Razones de control

•Seguridad •Estabilidad •Optimización •Protección ambiental

19#

Seguridad Preservar bajo cualquier condición la integridad del personal y equipo involucrado en la operación de los procesos.

20#

Estabilidad Asegurar las condiciones de operación de los procesos, para mantener en forma continua la calidad de los productos, dentro de los límites especificados.

21#

Optimización Asegurar el máximo beneficio económico en la operación de los procesos.

22#

Protección ambiental Reducir a su mínima expresión el impacto ecológico de los efluentes del proceso, para cumplir con todas las normatividades aplicables.

23#

Tipos de variables

y

y

t Variable Analógica

t Variable Digital

TIPOS DE VARIABLES DE ACUERDO A SU COMPORTAMIENTO EN EL TIEMPO

24#

Señal analógica

0.985 t

t

DC Temperatura Presión Flujo Esfuerzo

Dominio del tiempo ECG Presión de sangre Transientes Cromatografía

f

Dominio de la frecuencia Vibración Voz Sonar

25#

Señal digital

on

1off t

Señal On-Off Entrada: Cierre o apertura de un interruptor Salida: Abre o cierra una válvula

0-

t

Tren de pulsos Entrada: Lectura de un encoder Salida: Mueve un motor a pasos

26#

Metrología La metrología es la ciencia de las medidas, cuyo estudio comprende los patrones, las magnitudes y los sistemas de unidades. La metrología estudia la fiabilidad de la relación establecida entre cualquier magnitud y su patrón. *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" [Fenton y Pfleeger, 1997]. *Fenton, N.E. y Pfleeger, S.L., Software metrics. A rigurous and practical approach, PWS Pub, 1997

27#

Magnitud o Cantidad

Atributo de un fenómeno, cuerpo o sustancia que puede ser distinguido cualitativamente y determinado cuantitativamente. Ejemplos de magnitudes: Básicas: Longitud, masa, tiempo. Derivadas: Velocidad, calor, área. Particulares: eléctrica de alimento.

Concentración de etanol, un cable, Calorías que

resistencia aporta un

28#

Unidades de medida

Magnitud

Representación dimensional

Unidades SI

Masa

M

Kg

Longitud

L

m

Tiempo

t

s

Temperatura

T

K

Velocidad

Lt-1

m/s

Aceleración

Lt-2

m/s2

Fuerza

ML2t-2

N(Kg.m/s2)

Area

L2

m2

Volumen

L3

m3

Presión

FL2=ML-1t-2

Pa(N/m2)

Densidad

ML-3

Kg/m3

Energía

FL

J (Kg/m/s2)

Potencia

FL/t=ML-1t-3

W (Kg/m/s3)

Energía interna u

FL/M=M2L-2

J/Kg (N-m/Kg)

Viscosidad

ML-1t-1

Kg/m/s

Magnitudes fundamentales

Magnitudes derivadas

29#

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.

30#

Rango de las variables medidas TIPO DE RANGO

RANGO

VALOR BAJO DEL RANGO

VALOR ALTO DE RANGO

SPAN

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.

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.

RANGOS TÍPICOS

TERMOPAR K

PRESIÓN DIFERENCIAL

31#

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.?

32#

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. 33#

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.

34#

Exactitud de la medición 100

100%

VALOR DESEADO

90

SPAN

VALORES DE ENTRADA

80 70 60 RANGO DE EXACTITUD ± 5 % span

50 40 30 20 10

0%

0 0

10

20

30

40

50

60

70

SALIDA MEDIDA

80 90 100 35#

Repetibilidad y Reproducibilidad La repetibilidad es la precisión de resultados de medición expresado como la concordancia entre determinaciones o mediciones independientes realizada bajo las mismas condiciones (operador, tiempo, aparato, lugar, método, etc). Reproducibilidad de la medición es la precisión de resultados de medición expresado como la concordancia entre determinaciones independientes realizadas bajo diferentes condiciones (operador, tiempo, aparato, lugar, método, etc).

36#

Repetibilidad y Reproducibilidad 100

100%

VALOR DESEADO

90

SPAN

VALORES DE ENTRADA

80 70 60 50 EL INSTRUMENTO CON QUE SE REALIZA LA MEDICIÓN ES UN INSTRUMENTO PRECISO, MAS NO EXACTO

40 30 20 10

0%

0 0

10

20

30

40

50

60

70

SALIDA MEDIDA

80 90 100 37#

Linealidad 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 S A L I D A

LINEAL

CURVA CARACTERÍSTICA

LINEALIDAD LINEALIDAD (ENTRADA/SALIDA)

FLUJO 38#

Histéresis 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.

LINEAL

HI E ST

S A L I D A

RE SI S

FLUJO 39#

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

40#

Error 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.

% DE SALIDA

100%

VALOR VERDADERO

ERRORES DE CERO 100%

0 % DE ENTRADA

41#

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%

% DE SALIDA

ERRORES DE SPAN

VALOR VERDADERO

0

100% % DE ENTRADA 42#

Errores de Span y de Cero combinados

100%

% DE SALIDA

COMBINACIÓN DE ERRORES DE SPAN Y CERO

VALOR VERDADERO

100%

0 % DE ENTRADA

43#

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. 100%

% DE SALIDA

LINEAL

ERRORES CAUSADOS POR LA NO LINEALIDAD 0

100% % DE ENTRADA

44#

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

45#

• • • • • • • •

Ciencias exactas. Respuesta a cuestiones planteadas por la ciencia. Investigación científica. Manufactura. Control de calidad. Inspección y vigilancia. Técnica. Forma parte del ciclo de mejora continua del sistema de administración de la calidad. • Es un pilar que soporta la calidad.

46#

• • • • • • •

Con la finalidad de evaluar su eficiencia. Poder comparar mediciones con patrones de referencia. Poderse comparar con otros laboratorios. Interpretar resultados de la ciencia, la ingeniería, el comercio, la industria. Tener un criterio objetivo para adquisición de equipo. Seleccionar el equipo adecuado para un proceso de medición específico. Comprender reglamentaciones oficiales.

47#

• Anteriormente: error y análisis de errores. • El error es el resultado de una medida menos el valor verdadero del mensurando. • Actualmente: Incertidumbre. • La incertidumbre refleja la imposibilidad de conocer el valor del mensurando y corresponde a la duda del resultado de la medición, aún cuando sean eliminados los errores detectados.

48#

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.

49#

¿Qué nos da a conocer la Incertidumbre?

•Caracteriza la calidad del resultado de una medición. •Refleja la imposibilidad de conocer exactamente el valor del mensurando. •Corresponde a la duda del resultado de medición. •Corresponde a la duda una vez eliminados o corregidos los errores detectados.

50#

Fuentes de Incertidumbre • Principio de medida. • Método de medida. • Procedimiento de medida. • Correcciones por errores detectados. • Correcciones por cantidades de influencia. • Valores inexactos de patrones. • Muestra no representativa del mensurando. • Aparatos de medición. • Método de medición. • Variables no controladas (temperatura, humedad, presión atmosférica, corrientes de aire, variación de energía eléctrica, variación de flujo de agua, etc). 51#

Normativa de estimación de Incertidumbre NMX-EC-17025-IMNC-2000 5.4.6.2. 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.

52#

Calibración La calibración de un instrumento es el conjunto de operaciones que establece, bajo condiciones especificas, la relación entre valores indicados por un instrumento de medición o sistema de medición o los valores representados por una medida materializada y los valores correspondientes 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 53#

Diagrama de bloques de la calibración

MEDICIÓN DE ENTRADA PATRÓN (NORMALIZADA)

PROCESO O ENTRADA SIMULADA

INSTRUMENTO BAJO PRUEBA

MEDICIÓN DE SALIDA (NORMALIZADA)

FUENTE DE ENERGÍA

54#

Programas de calibración de instrumentos PROGRAMA ANUAL DE CALIBRACIÓN DE EQUIPOS DE MEDICIÓN 2003 CLAVE INVENTARIO

S/N S/N S/N S/N S/N 20092 134138

NOMBRE DEL EQUIPO

Transductor de vacío RTD PT100 Fondo RTD PT100 Domo RTD PT100 Baño Probeta graduada Báscula electrónica Indicador de temperatura

MARCA

Baratron Jupiiter JAX1 Jupiter JAX Jupiter JAX2 Pyrex Mettler Eurotherm

MODELO

NO. SERIE

622A TAE-5 619741 PT100 9550 PT100 15 0H12004 9537 3062 CB12624 PM30-K L21759 8155 0931-001-007-9

VIDA ÚTIL DEMANDANTE

10 años 10 años 10 años 10 años 10 años 10 años 10 años

RANGO DE MEDICIÓN

PRECISIÓN

0 a 10 Torr +-0.25% E.T.I13 -40 a 420oC +-1.0 oC -40 a 420oC +-1.0 oC -40 a 420oC +-1.0 oC 0-250 ml. +-1.4 ml 0-30 Kg. +-1.0 g 0-40 oC 0.015 oC

COMPAÑÍA QUE PERIODO DE DA EL SERVICIO SERVICIO

IMP IMP IMP IMP IMP IMP IMP

6 meses* 1 año 1 año 1 año 1 año 1 año 1 año

55#

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.

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. 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.

57#

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.

BIPM Patrón Nacional o Primario Patrón de Referencia Patrón de Trabajo

Definición de la Unidad de Medida Laboratorio Nacional Laboratorios de Calibración Acreditados Instrumento de Medición o equipo calibrado

Consumidor, industria, comercio

58#

Ejemplo de trazabilidad de la medición

59#

Patrones de trabajo

PATRONES

MANÓMETROS

COLUMNAS H2O HG PUENTE DE WHEATSONE POTENCIOMÉTRICOS BALANZA DE PESOS MUERTOS

60#

Calibradores neumáticos

61#

Balanza de pesos muertos

62#

Calibrador de flujo

63#

Calibrador de presión FLUKE 702 DOCUMENTING PROCESS CALIBRATOR 11/18/93 07:44:08 MEASURE SOURCE OFF

20.451 mA AUTO RANGE

0

15

SCALE ENG UNITS

V Hz

V RTD

mA

~

SETUP

TC RTO

7

8

9

4

5

6

1

2

3

+/-

0

.

MA

MORE CHOICES

SAVE

MEAS SOURCE

V

30 mA

CLEAR (ZERO)

RANGE

ENTER MA

V

RTD SOURCE 30V MAX

MEAS

300V MAX

64#

Medición Industrial •Medición Local

•Medición Remota

65#

Medición Local

MEDICIÓN LOCAL

MANÓMETROS

MIRILLAS DE NIVEL

MIRILLAS DE FLUJO

TERMOMETROS

66#

Medición Remota

MEDICIÓN REMOTA

TRANSMISORES NEUMÁTICOS

TRANSMISORES ELÉCTRICOS

TRANSMISORES DIGITALES

67#

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. 68#

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.

69#

Hojas de datos de instrumentos

70#

Hojas de datos de instrumentos

71#

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. 72#

Hojas de especificación de instrumentos (ISA S20)

73#


74#


75#

Evolución de la instrumentación y control PERÍODO

INSTRU MENTA CIÓN

SISTEMAS DE CONTROL

TELE METRIA

ANTES DE 1920

1930 A 1940

1940 A 1950

MEDICIONES LOCALES

PRIMEROS SERVO MECANISMOS

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

ACTUADORES NEUMÁTICOS

CONTROL MECÁNICO

PRIMEROS CONTROLES NEUMÁTICOS PID

DESARROLLO DE LA TEORÍA DE CONTROL MODERNA

CONTROL DE DOS POSICIONES

PRIMEROS CONTROLES LÓGICOS PROGRAMABLES

PRIMERAS TÉCNICAS DE SINTONÍA

INSTRUMENTACIÓN LOCAL

TRANSMISIÓN NEUMÁTICA

TRANSMISIÓN ELÉCTRICA

1950 A 1960

1960 A 1970

1970 A 1980

1980 A 1990

1990 EN ADELANTE

PRIMEROS SURGE LA DESARROLLO DE SE INTRODUCEN SE SE INSTRUMENTOS CROMATOGRAFÍA NUEVOS LOS MICRO DESARROLLAN DESARROLLAN ELECTRÓNICOS DE GASES CONTROLADORES PROCESADORES NUEVOS INSTRUMENTOS ELECTRÓNICOS EN LA INSTRUMENTOS INTELIGENTES MAS CAPACES INSTRUMENTACIÓN CON MEJOR CON EXACTITUD Y FUNCIONES PRIMERAS SURGEN NUEVOS SE DESARROLLAN CONFIABILIDAD MÚTLIPLES CELDAS DE PRINCIPIOS DE NUEVOS TIPOS CON PRECIOS CON AUTO PRESIÓN DIF. MEDICIÓN DE VÁLVULAS DE REDUCIDOS CALIBRACIÓN Y CONTROL AUTO DIAGNÓSTICO SE DEFINEN LAS BASES DE CONTROL SUPERVISORIO Y DE CONTROL DIGITAL DIRECTO

TRANSMISIÓN 4-20 mA.

SE DEFINEN LAS BASES DE CONTROL DISTRIBUIDO SE DESARROLAN LOS PRIMEROS PLC´s DIGITALES SE DESARROLLAN LOS PRIMEROS SISTEMAS DE TELEMETRÍA

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

SE DESARROLLAN LOS PRIMEROS SISTEMAS DE FIBRA ÓPTICA

SE NORMALIZAN LOS PRIMEROS PROTOCOLOS DIGITALES

SE INTRODUCEN LOS CANALES DE CAMPO

76#

¿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 costobeneficio 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.

77#

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.

78#

Ejemplo de características principales para la selección de un medidor de flujo ESTANDARES DE LA COMPAÑÍA REQUERIMIENTOS LEGALES FASE DEL FLUIDO PRINCIPAL

CONEXIONES PARA INSTALACIÓN: BRIDADO, ROSCADO, ETC. LIMITACIONES DE ESPACIO TRAYECTORIA DE TUBERIA CORRIENTE ARRRIBA

CONTENIDO DE SOLIDOS FACTORES DE CALIBRACIÓN TIPO DE FLUIDO: AGUA, AIRE HC, ETC NATURALEZA DEL FLUIDO: CORROSIVO, CONDUCTIVO, ETC TAMAÑO Y MATERIAL DE TUBERÍA INDICADOR DE FLUJO OBSTRUCCIÓN DE FLUJO PÉRDIDA DE PRESIÓN

COMPONENTES MAS CERCANOS CORRIENTE NIVEL DE VIBRACIÓN REPETIBILIDAD DE LECTURA VELOCIDAD O TOTALIZACIÓN TIEMPO DE RESPUESTA FLUJO MÁXIMO Y MÍNIMO PRESIÓN MÁXIMA Y MÍNIMA

TIPO DE SALIDA DE CONTROL TIEMPO ENTRE INSPECCIÓN Y MANTENIMIENTO

TEMPERATURA MÁXIMA Y MÍNIMA DENSIDAD DEL FLUIDO

SEGURIDAD COSTO DESVÍO DE CALIBRACIÓN PROVEEDORES

VISCOSIDAD DEL FLUIDO FLUJO PULSANTE? FLUJO LAMINAR? CONDICIONES EXTERNAS: HUMEDAD, CALOR,

79#


CAPÍTULO 2 SIMBOLOGÍA Standards Certification Education & Training Publishing Conferences & Exhibits


80

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 proyecto Mantener el control sobre un contratista durante la construcción Entender como es controlada la planta después de finalizar el proyecto Mantener un registro de lo que fue acordado y aprobado formalmente para la construcción Registrar lo que fue construido en la forma como se diseño con los DTI’s 81#

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’s P&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. 82#

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-5.31983 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.

83#

Normas ISA aplicables a DTI’s • • •

• •

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.

84#

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)

85#

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

86#

SIMBOLOGÍA

87#

Contenido de la norma ANSI/ISA S5.1-1984

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Propósito. Alcance. Definiciones. Reglas de identificación de instrumentos. Tablas. Dibujos.

88#

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.

89#

2. Alcance

1. 2. 3. 4.

Generalidades. Aplicación a industrias. Aplicación a actividades de trabajo. Aplicación a diferentes tipos de instrumentación y a funciones de instrumentos. 5. Extensión de identificaciones funcionales. 6. Extensión de identificaciones de lazos.

90#

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.

91#

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. 92#

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.

93#

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.

94#

3. Definiciones Para propósitos de conocimiento de conveniente analizar algunas definiciones:

la

norma,

es

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 95# estados o posiciones discretas (on-off, alto-bajo, etc).

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. 96#

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. 97#

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. 98#

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. 99#

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. 100#

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.

101#

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 proceso Linealidad. 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. 102#

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. 103#

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. 104#

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 está colocada 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 105# de los límites especificados.

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. 106#

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. 107#

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

108#

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. 109#

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. 110#

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 IDENTIFICACIÓN FUNCIONAL

NÚMERO DEL INSTRUMENTO

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. 111#

Reglas para la identificación de instrumentos d) La identificación funcional del instrumento consiste de letras de acuerdo a la tabla, en donde la primer letra designa la variable inicial o medida y una o mas letras subsecuentes identifican la función del instrumento.

TIC VARIABLE MEDIDA (Temperatura)

FUNCIÓN (Indicador Controlador)

112#

Identificación de instrumentos

113#

Combinaciones en la identificación

114#

Reglas para la identificación de instrumentos e) La identificación funcional del instrumento se realiza de acuerdo a la función y no a la construcción (por ejemplo, un transmisor de nivel LT en lugar de un transmisor de presión diferencial PDT). f) El número de letras utilizado debe ser el mínimo para describir al instrumento. g) Un instrumento multifuncional puede ser simbolizado por más de un instrumento.

115#

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. 116#

Notas para la identificación de instrumentos 3. Cualquier letra primera se utiliza con las letras de modificación D (diferencial), F (relación) o Q (interpretación) o cualquier combinación de las mismas cambia su significado para representar una nueva variable medida. Por ejemplo, los instrumentos TDI y TI miden dos variables distintas, la temperatura diferencial y la temperatura, respectivamente. 4.La letra A para análisis, abarca todos los análisis no indicados en la tabla anterior que no están cubiertos por una letra libre. Es conveniente definir el tipo de análisis al lado del símbolo en el diagrama de proceso. 117#

Notas para la identificación de instrumentos 5.El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinación de primera letra, es opcional. 6.El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o intermedio y exploración, es opcional. 7.El termino seguridad, debe aplicarse solo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o el personal). La designación PSV se aplica a todas las válvulas proyectadas para proteger contra condiciones de emergencia de presión sin tener en cuenta las características de la válvula y la forma de trabajo la colocan en la categoría de válvula de seguridad, válvula de alivio o válvula de seguridad de alivio.

118#

Notas para la identificación de instrumentos 8.La letra de función pasiva vidrio, se aplica a los instrumentos que proporciona una visión directa no calibrada del proceso. 9.La letra indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso, No se aplica a la escala de ajuste manual de la variable si no hay indicación de ésta. 10.Una luz piloto que es parte de un bucle de control debe designarse por una primera letra seguida de la letra sucesiva I. 11.El empleo de la letra U como multifunción en lugar de una combinación de otras letras es opcional. 119#

Notas para la identificación de instrumentos 12.Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirán en el exterior del símbolo del instrumento cuando sea conveniente hacerlo así. 13.Los términos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a valores de la variable medida, no a los de la señal a menos que se indique de otro modo. Por ejemplo, una alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor de nivel de acción inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor bajo.

120#

Notas para la identificación de instrumentos 14.Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre apertura, se definen como sigue: Alto: indica que la válvula esta, o se aproxima a la posición de apertura completa. Bajo: Denota que se acerca o esta en la posición completamente cerrada.

121#

Ejercicio 1

Efectuar la identificación instrumentos: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j)

funcional

de

los

siguientes

LIC PY FV FQI WT TE AIC SR TAHH LSL 122#

Ejercicio 2

Indicar los códigos instrumentos: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j)

alfanuméricos

de

los

siguientes

Registrador de temperatura Convertidor electroneumático de presión Interruptor por bajo nivel de flujo Totalizador de flujo Indicador de velocidad Termopozo de temperatura Controlador de presión Válvula de control de análisis Alarma por muy alta presión Relevador de presión 123#

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

124#


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

125#


•

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

126#

Símbolos generales de instrumentos LOCALIZACIÓN PRIMARIA *** NORMALMENTE ACCESIBLE AL OPERADOR

MONTADO EN CAMPO

LOCALIZACIÓN AUXILIAR *** NORMALMENTE ACCESIBLE AL OPERADOR

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

INSTRUMENTOS DISCRETOS

MONITOREO COMPARTIDO CONTROL COMPARTIDO

FUNCIÓN DE COMPUTO

CONTROL LÓGICO PROGRAMABLE 127#

Símbolos de instrumentos SUMINISTROS SA Suministro de aire SE Suministro eléctrico SG Suministro de gas SH Suministro hidráulico SN Suministro de nitrógeno SS Suministro de vapor SW Suministro de agua

LI 2702 SA

LOCALIZACIÓN PP En línea de proceso LO En campo, local PNB En tablero principal de control BPNB Parte posterior del tablero PNBL En tablero de control local 128#

Bloques de funciones de instrumentos

129#

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

SÍMBOLOS BINARIOS OPCIONALES (11) SEÑAL NEUMÁTICA BINARIA (12) SEÑAL BINARIA ELÉCTRICA

130#

Simbología de válvulas

131#

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 INDETERMINADA A FALLA 132#

Ejemplos de simbología de elementos primarios de flujo

133#

Ejemplos de relevadores de cómputo

134#

Diagrama esquemático

135#

Diagrama esquemático

136#

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.

137#

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. 138#

Diagrama funcional de instrumentación o de lazo •

Tipos – Neumático – Electrónico – Despelgados compartidos

•

Usos – Diseño – Construcción – Puesta en marcha – Operación – Mantenimiento – Modificaciones

139#

Ejemplos de diagramas funcionales de instrumentación Área de proceso en campo

Área de cableado

Gabinete

Consola Setpoint

FE 301

FT 301

1

+

JB 40 11

A8 PR-14

PR-1 -

CTB 1 Cable-3B

2

12

A9

3

13

51

XJA

Cable 50-1-1 J100

FIC 301 J110

JB 30

Cable 4A

Shield Bend Back & Tape Cable 50-1-2 FV 301

CTB 2 FY 301

+

6

-

7

14 PR-2

15

A8 PR-15

A9

UJA

O S

AS 20 PSIG

Shield Bend Back & Tape

140#

Indice de instrumentos El índice de Instrumentos es todos los instrumentos que proporcionando los datos para marcha, el mantenimiento y las

una lista alfanumérica de se muestran en el DTI, la instalación, la puesta en 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. 141#

Indice de instrumentos típico

142#

Indice de instrumentos típico Tag #

Desc.

DTI #

Ultima Calib.

Calib. por

Fecha Cal. Rango Peligros esperada de Calib.

LI-50

VS. 50 H2s

103

Aug 01 AWS

Aug 02

0-75 “H2O

H2S

LAL-50 VS. 50 H2S – Alarma en nivel bajo LSLLVS. 50 H2S – Switch 50 en nivel bajo LT-100 VS. 100 - K.O. Drum

103

Aug 01 AWS

Aug 02

10”H2O

H2S

103

Aug 01 AWS

Aug 02

5”H2O

H2S

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%

143#


CAPÍTULO 3 MEDICIÓN DE TEMPERATURA Standards Certification Education & Training Publishing Conferences & Exhibits


144

El Lazo de control PERTURBACIONES

d(t) VARIABLE MANIPULADA

ELEMENTO FINAL DE CONTROL

PROCESO

ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICION

VARIABLE CONTROLADA

c(t) CONVERTIDOR O TRANSDUCTOR

e(t)=R(t)-c(t)

TRANSMISOR

CONTROLADOR m(t)

R(t) PUNTO DE AJUSTE

145#

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.

146#

Elemento primario de medición Las señales eléctricas estándar manejadas son: mA.C.D., 0-5 V.C.D. y 0-10 V.C.D. Así por ejemplo, desea medir una temperatura de 0-700oC, la señal mA. corresponderá a 0oC. y la señal de 20 corresponderá a 700oC.

4-20 si se de 4 mA.

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. 147#

El Controlador

Su función es fijar la variable controlada c(t) en un valor deseado R(t), conocido como punto de ajuste o “set point”, 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.

148#

El Elemento Final de Control Convierte la señal estándar recibida por el controlador en una señal adecuada para interactuar con el proceso y así modificar 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).

149#

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 +32 150#

Escalas de temperatura Escala

Cero Absoluto 0°K

Fusión del Hielo 273.2°K

Evaporación

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

Kelvin

373.2°K

151#

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)

152#

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

153#

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.

154#

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.

155#

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.) 156#

Termómetros

TERMÓMETROS

DE VIDRIO

CLÍNICOS

BIMÉTALICOS

INDUSTRIALES

157#

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. 158#

Termómetros de vidrio 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.

Mercurio...........................................................-35 hasta +280 ºC Mercurio (tubo capilar lleno de gas).................-35 hasta+450 ºC Pentano...........................................................-200 hasta +20 ºC Alcohol............................................................-110 hasta +50ºC Tolueno.......................................................... -70 hasta +100ºC

159#

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.

160#

Termómetro bimetálico 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. FREE END EXTREMO LIBRE

EXTREMO LIBRE FREE END

3 2 1 0

4

5

6

7 8 9 10

Rotating Shaft Eje giratorio HIGH ALTO EXPANSION COEFICIENTE COEFFICIENT DE EXPANSIÓN LOW BAJO EXPANSION COEFICIENTE COEFFICIENT DE EXPANSIÓN

EXTREMO FIJO FIXED END

EXTREMO FIJO FIXED END

Bulb Bulbo

Extremo libre Free End Attached conectado al to Pointer Shaft eje del indicador Extremo Fixed Endfijo 161#

Termómetro bimetálico Este instrumento contiene pocas partes móviles, sólo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o de la hélice y el propio elemento bimetálico. El eje y el elemento están sostenidos con cojinetes y el conjunto está construido con precisión para evitar rozamientos. La precisión del instrumento es de 1% y su campo de medida (rango) es de –200 a +500 ºC. Este instrumento es el indicador local de temperatura mas comúnmente utilizado.

162#

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. 163#

Mecanismo del sistema termal

bulbo

Dispositivo indicador

capilar

164#

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

165#

Compensación del sistema

166#

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 - Clase II - Clase III - Clase V

Llenado con líquidos (cambios de volumen) Llenado con vapor (cambios de presión) Llenado con gas (cambios de presión) 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. 167#

Características CLASIFIC ACION SAMA

FLUIDO DE LLENADO

COMPEN SACION

1A LIQUIDO NO Comparación de los COMPEN SADO sistemas termales

1B

IIA

IIB

IIC

IIIA

IIIB

VA

VB

TEMPERA TURA oC

LINEALIDAD DE LA ESCALA

VELOCIDAD RESPUESTA SIN TERMOPOZO

EFECTO DE LA COLUMNA HIDROSTATICA

6A7s

DEBE SER COMPENSADO

CAPACIDAD DE SOBRERANG O

VENTAJAS

LIMITACIONES

150%

COSTO MENOR

CAPILAR CORTO,

150%

CAPILARES GRANDES

ESCALA LINEAL

150%

CAPILARES GRANDES

DIFICIL EN T AMBIENTE

-90 A 370

LINEAL EXCEPTO A BAJA T

TOTAL

-90 A 370

LINEAL EXCEPTO A BAJA T

EN CAJA

-90 A 370

EN CAJA

0 A 350

NO LINEAL

4A5s

NECESARIO COMPENSARLO

NO COMP. POR T AMB.

EN CAJA

0 A 350

NO LINEAL

4A5s

NECESARIO COMPENSAR

NO COMP. POR T AMB.

NO

0 A 185

NO LINEAL

TOTAL

-270 A 160

LINEAL

TOTAL

-270 A 160

TOTAL

-40 A 640

EN CAJA

-40 A 640

LIQUIDO

6A7s

6A7s

VAPOR

VAPOR

VAPOR

4A5s

NINGUNO

NO TIENE SOBRECARGA

NO

GAS SIN COMP

NO USO EN CONTROL

PARA CONTROL

NO USO EN CONTROL

GAS

MERCURIO

MERCURIO

150 %

MANEJO DE HG MANEJO DE HG168#

Características de los sistemas termales VENTAJAS

LIMITACIONES

Construcción robusta

El costo de reemplazo es mas alto que en la mayoría de los sistemas eléctricos

Principio de operación simple

Requiere señal de transmisión, si esta localizado a mas de 50 m del sistema

Costo inicial relativamente bajo

No adecuados para temperaturas arriba de 750 oC

El sistema es autocontenido y no necesita alimentación de energía para su funcionamiento

La falla del bulbo o del capilar implica el reemplazo total del sistema.

Amplia variedad de gráficas de registro disponible

La sensitividad y exactitud son comparativamente mas bajos que la mayoría de los sensores eléctricos.

Varios sistemas se pueden instalar en una sola caja

El tamaño del sensor es mayor que los sensores eléctricos.

Voluminoso, tiempo de respuesta lento, capilar sensible (requiere protección)

169#

Termopar 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 que están 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). 170#

Termopar

Metal A (+) Junta de medición (junta caliente) Zona de Temperatura T1

FEM = E

Metal B (-)

Junta de referencia (junta fría) Zona de Temperatura T2

T1 ≠T2

171#

Efectos en el termopar

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.

172#

Leyes de la Termoelectricidad 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. 173#

Compensación por junta fría JUNTA DE MEDICIÓN

Para prevenir errores por efectos de la junta fría, se efectúa una compensación, por medio de un baño de ALAMBRES hielo o por medio de circuitos DE COBRE compensadores que AL INSTRUMENTO DE MEDICIÓN suministran una fem constante.

ALAMBRE DE HIERRO

T1

ALAMBRE DE CONSTANTANO

BAÑO DE HIELO T2 JUNTA DE REFERENCIA

Junta de medición y de referencia (laboratorio) + TERMOPAR

T1 JUNTA DE MEDICIÓN

INSTRUMENTO

JUNTA DE REFERENCIA

Junta de medición y de referencia (industrial) 174#

Materiales de construcción Tipo de Termopar

Materiales

Rango °C

Linealidad

Atmosfera recomendada

Características

B

Platino 30%, Rodio (+) Platino 6%, Rodio (-)

0 a 1860

Buena debajo de 500

Inerte, ligeramente oxidante

Alto costo

W5Re Tungsteno 5% Rhenium (+) W26Re Tungsteno 26% Rhenium

1650 a 2315

Buena

Oxidante

Alto costo

Cromo (+) Constantano (-)

-195 a 900

Buena

Oxidante

Alta resolucion mV/oC

Acero (+) Constantano (-)

-195 a 760

Buena, lineal de 150 a 450

Reductora, no corrosivos

El mas economico

Cromo (+) Alumel (-)

-190 a 1370

El mas lineal

Oxidante

Alta resistencia a la corrosion

Platino 13% Rodio (+) Platino (-)

-18 a 1700

Buena

Oxidante

Pequeño, respuesta rapida

Platino 10% Rodio (+) Platino (-)

-18 a 1760

Buena

Oxidante

Rango de temperatura

Cobre (+) Constantano (-)

-190 a 400

Buena

Oxidante o reductora

Temperatura limitada

C

E

J

K

R

S

T

175#

Materiales de construcción 70

E

F.E.M. MILIVOLTS

60

J

50 40

K

30

R

20

S T

10

B

0 2

4

6 8 10 TEMPERATURA

12

14

16

18

Relación de temperatura vs F.E.M. del termopar

TIPO T J E K S R B

DENOMINACIÓN COBRE-CONSTANTANO FIERRO-CONSTANTANO CROMEL-CONSTANTANO CROMEL-ALUMEL PLATINO-Pt 10% RH PLATINO-Pt 13% RH Pt 30% RH-Pt 6% RH

POSITIVO SIMBOLO MATERIAL TP COBRE JP FIERRO EP CROMEL KP CROMEL SP PLATINO10% RH RP PLATINO13% RH BP PLATINO 30% RH

NEGATIVO SIMBOLO MATERIAL TN CONSTANTANO JN CONSTANTANO EN CONSTANTANO KN ALUMEL SN PLATINO RN PLATINO BN PLATINO 6% RH

Tipos de termopares 176#

Formas de conexión de termopares TERMOPARES T1

+

CAJA DE CONEXIÓNES INSTRUMENTO

-

+

T2

CABLES DE COBRE

+ CONEXIONES

T = T1-T2

-

CABLES DE EXTENSIÓN

Medición diferencial de temperatura con dos termopares TERMOPARES T1

+

+ T = (T1+T2)/2

-

INSTRUMENTO

+ T2

CABLES DE CONEXIONES EXTENSIÓN

CAJA DE CONEXIÓNES

Termopares en paralelo

177#

Formas de conexión de termopares INSTRUMENTO HIERRO T1

+

HIERRO

+


-

CONSTANTANO BLOQUE DE CONEXIONES T2

-

CONSTANTANO JUNTA DE REFERENCIA T3

Conexiones correcta del termopar

INSTRUMENTO HIERRO T1

+

CONSTANTANO


-

CONSTANTANO BLOQUE DE CONEXIONES T2

HIERRO

+ JUNTA DE REFERENCIA T3

Conexiones incorrecta del termopar 178#

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.

179#

Aspectos a cuidar en los termopares

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Puntos de fusión. Reacciones en varias atmósferas. Salida termoeléctrica combinada. Conductancia eléctrica. Estabilidad. Repetibilidad. Costo. Facilidad de manejo y fabricación.

180#

Ventajas y desventajas en los termopares Ventajas: Determinación de la temperatura se realiza prácticamente en un punto La 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. 181#

Características de los termopares VENTAJAS

LIMITACIONES

Relativamente baratos

Relación de voltaje–temperatura no lineal

Amplia variedad de diseños comerciales disponibles

Sujetos a envejecimiento y contaminación de la junta caliente

La salida eléctrica es apropiada para accionar dispositivos de indicación y control

Se deben evitar altos gradientes de temperatura

Largas distancias de transmisión son posibles

Su lectura no es tan directa y se requiere procesamiento en su indicación

Tamaño pequeño y construcción robusta

Se deben escoger los materiales adecuados para resistir atmósferas oxidantes y reductoras

Buena exactitud y velocidad de respuesta

Baja exactitud cuando se compara con los RTD´s

Fácil calibración y reproducibilidad

Los voltajes en los conductores pueden afectar la calibración

Amplio rango desde 0 absolutos hasta 2500 oC

Susceptibles a ia inducción de ruidos

No tiene partes móviles

En sistemas de control digital requieren tarjetas especiales de entrada

182#

Termopozo

El termopozo se utiliza como elemento de protección del termopar y generalmente viene asociado con este.

183#

Termopozo tipo roscado

184#

Termopozo tipo bridado

185#

Termopozo tipo Van Stone

186#

Rangos de P y T de termopozos

5000

PRESIÓN, PSI

4000

NIQU E M ON EL

ACERO INOXIDABLE TIPOS 304, 316

3000

BR ON

2000

CO BR

AC ER OD EB AJ O

CE

E

1000

L

CA RB ON

HIERRO FUNDIDO

ALUM INIO

0

80

200

400

600

800

1000

TEMPERATURA, oF

187#

Tipos de termopares con su termopozo Tipo F Cabeza, nipple, tuerca unión nipple y termopozo roscado

Tipo A Cabeza y tubo protector

Tipo B Cabeza y tubo protector con buje de montaje

Tipo G Cabeza, nipple, tuerca unión nipple y termopozo bridado

Tipo H Cabeza, conector doble rosca y tubo protector cerámico

Tipo C Cabeza y tubo protector con brida de montaje

Tipo I Cabeza, conector tubular y tubo protector cerámico

Tipo D Cabeza, nipple de extensión y termopozo roscado

Un diseño para cada aplicación ESPECIFICAR: Tipo E Cabeza, nipple de extensión y termopozo bridado

- Calibración - Materiales

- Dimensiones - Otros accesorios

188#

Instalación del termopozo

(A) NORMAL NORMAL

ANGLED (B) ANGULADO

(C)EN IN CODO ELBOW (C)

189#

Detectores de Temperatura tipo resistencia (RTD) 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: Rt = R0 (1 + aT + bT2 + cT3) donde R0 es la resistencia a la temperatura de referencia en ohms (Ω), Rt es la resistencia a la temperatura en Ω, a es el coeficiente de temperatura del material y b, c son coeficientes calculados. 190#

Detectores de Temperatura tipo resistencia (RTD) 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.

191#

Características de los materiales que forman el conductor de la resistencia • • • •

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).

192#

Detectores de Temperatura tipo resistencia (RTD) 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

193#

Curvas de respuesta de RTD

194#

RTD de Platino Es el material más adecuado por su precisión y estabilidad, con el inconveniente de su costo. En general el RTD de Pt utilizada 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.

195#

RTD de Platino 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.

196#

Construcción del RTD de platino 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

197#

RTD de Niquel 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. 198#

RTD de Niquel

Los termómetros de resistencia de níquel se usan mucho. Su intervalo de valor de Ro es de 10 a 10000 ohms.

199#

RTD de Cobre

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.

200#

RTD’s

201#

RTD’s

Metal

Intervalo útil de temperatura en ºC

Platino Níquel Cobre

-200 a 950 -150 a 300 -200 a 120

Costo relativo Alto Medio Bajo

Resistencia de Sonda a 0ºC, ohmios

Precisión ºC

25,100, 130 100 10

0,01 0,50 0,10

202#

Puente de Wheatstone para medición

La medición de resistencia en el RTD se realiza con un Puente de Wheatstone: Nos permite determinar el valor de RX desconocida, conocidas R1, R2 y RC Cuando el miliamperímetro indica 0 mA. se dice que el puente está equilibrado. La condición de equilibrio es:

R2 RX = R1 RC

203#

Puente de Wheatstone para medición

Para compensar las longitudes muy grandes. 204#

Calibración del RTD + + -

TRANSMISOR TRANSMITTER

DMM

SUMINISTRO DE ENERGIA LECTURA RESISTOR DE READOUT RESISTENCIA

DMM

CAJA DE DECADAS

(ALTERNATIVA DE LECTURA) (ALTERNATE READOUT)

RESISTORES

Courtesy of Rosemount, Inc. 205#

Características de RTD’s

VENTAJAS

LIMITACIONES

Asociado en un sistema puede tener alta exactitud

Precio alto

Pueden medir rangos estrechos de temperatura (5 oC)

Algunas configuraciones son voluminosas y frágiles

Buena repetibilidad, no afectada por cambios térmicos

Tienen problemas de autocalentamiento

Respuesta rápida

La resistencia de los contactos puede alterar la medición

Sensores de tamaño pequeño están disponibles

De vida corta si son sometidos a vibraciones y excesos mecánicos

No requieren compensación

En sistemas de control digital requieren tarjetas especiales de entrada

206#

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. 207#

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 muy pequeña, 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. 208#

Ecuación del termistor

Rt = R0

θ [(1 / T )−(1 / T0 )]

R0.- resistencia a la temperatura de referencia T0, en ohms. Rt.- resistencia a la temperatura medida T, en ohms. Ɵ.- Constante por fabricante

209#

Construcción del termistor Los termistores están encapsulados y se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio, titanio y otros metales.

210#

Medición con el termistor La medición se realiza con microamperímetro y con Puente de Wheatstone: Miliamperímetro Galvanómetro con cero central

mA

Termistor

Fuente de Alimentación

Fuente de Alimentación

G

Termistor

Con Miliamperímetro

Con Galvanómetro

211#

Ventajas del termistor VENTAJAS

LIMITACIONES

Alta sensitividad

Comportamiento no lineal

De tamaño pequeño y numerosas configuraciones disponibles

Poca experiencia en su uso

Respuesta rápida

EL intercambio de elementos es problemático

Bueno para rangos estrechos

Menos estable que otros dispositivos eléctricos

Su estabilidad aumenta con el envejecimiento (el 90% se da en la primera semana)

No disponible para rangos amplios

EL efecto de los cables y de la temperatura ambiente en el medidor se elimina con valores de resistencia altos

Valores altos de resistencia requieren líneas de potencia blindadas, filtros o voltajes de corriente directa

Bajo costo

212#

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.

213#

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 cuerpo T= 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 .

214#

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 media de la que en él incide.

215#

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.

216#

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. 217#

Pirómetro de radiación tipo lente

218#

Pirómetro de radiación tipo lente En la medida de bajas temperaturas la compensación se efectúa utilizando además una resistencia termostática adicional que mantiene constante la temperatura de la caja en unos 50 °C, valor que es un poco más alto que la temperatura ambiente que pueda encontrarse y lo suficientemente bajo como para reducir apreciablemente la diferencia de temperatura útil. El pirómetro puede apuntar al objeto bien directamente, bien a través de un tubo de mira abierto (se impide la llegada de radiación de otras fuentes extrañas) o cerrado (medida de temperatura en baños de sales para tratamientos térmicos, hornos) Los tubos pueden ser metálicos o cerámicos. Los primeros son de acero inoxidable o aleaciones metálicas resistentes al calor y a la corrosión y se emplean temperaturas que no superan generalmente los 1100 °C. Permiten una respuesta más rápida a los cambios de temperatura que los tubos cerámicos. Los tubos cerámicos se utilizan hasta 1650 °C. 219#

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.

220#

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 una fuente, 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. 221#

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.

222#

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?

223#

Criterios de selección de medidores de temperatura Las prioridades de selección son: • Rango • Exactitud • Estabilidad •Instalación •Costo

224#

Rango de medidores de temperatura

Vapor Gas Mercurio Termopares Tipo I Tipo J Tipo K Tipo R y S RTD´s Niquel Platino Termistores -250 -200

-100

0

100

200

500

1000

2000

RANGO DE APLICACIÓN EN oC 225#

Características de los medidores de temperatura CARACTERÍSTICA

SISTEMA TERMAL

TERMOPARES

BULBOS DE RESISTENCIA

TERMISTORES

Rango mínimo oC recomendable

-180

-250

-250

-100

Rango máximo oC recomendable

500

2500

1000

450

Exactitud

±0.5% a ±2% escala total

±0.25% a ±2%

0.05 oC

0.05 oC

Sensitividad

Variable

10-50 mV/oC

De 0.0004 a 0.0007 Ω/ ΩoC

Aprox 5%/oC

Tiempo de respuesta

4-7 s, sin termopozo

Depende del calibre e instalación

Aprox. 6 s

3-6 s

Salida

Lineal, excepto clase II

No lineal

Lineal, excepto con níquel

Lineal en rangos cortos

Estabilidad

Excelente

Buena

Excelente

Buena

Repetibilidad

Mala

Buena

Excelente

Buena

Elemento secundario

Opcional

No necesario

Inherente

Buena

Suministro de energía

Al transmisor

No requerida

sensor/transmisor

sensor/transmisor

226#


CAPÍTULO 4 MEDICIÓN DE PRESIÓN

Standards Certification Education & Training Publishing Conferences & Exhibits

M. en C. Armando Morales Sánchez 16, 17 y 18 de mayo del 2007 227

Elementos primarios de medición de Presión 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. 228#

Elementos primarios de medición de Presión La presión puede definirse como una fuerza por unidad de área o superficie, en donde para la mayoría de los casos se mide directamente por su equilibrio directamente con otra fuerza, conocida que puede ser la de una columna líquida, un resorte, un émbolo cargado con un peso o un diafragma cargado con un resorte o cualquier otro elemento que puede sufrir una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión.

229#

Sistemas de unidades - Instrumentación

PRESIÓN

U.S

METRICO

SI

psi Pulgadas de agua Pulgadas de mercurio

Kg/cm 2 mm de agua mm de mercurio bar

Pascal (KPa)

230#

Elementos primarios de medición de Presión

La unidad internacional de presión es el Pascal (Pa), el cual caracteriza una presión uniforme que actúa sobre un área de un metro cuadrado y crea sobre esta área una fuerza perpendicular de 1 Newton 1 Pa = 1 Newton/m2

Pa 1Pa = 1

bar

psi

1 x10-5

1.04503 x10-4

Kg/cm2 1.01971 x10-5

mm Hg 7.500627x10-3

m H2O 1.019716 x 10-4

231#

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.

232#

Tipos de Presiones 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. Presión absoluta Presión manométrica Presión atmósferica 0

760 mm Hg = 14.7 Psia Presión barométrica

Presión de vacío 0 absoluto = 0 psia 233#

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 una cantidad 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). 234#

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. 235#

Manómetro de U ESCALA LINEAL GRADUADA 4 3 2 1 NIVEL DE REFERENCIA CERO CON IGUAL PRESIÓN EN CADA TUBO

0 1 2 3 4

(A) MANOMETRO CON IGUAL PRESIÓN EN CADA TUBO

236#

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.

237#

Manómetros

238#

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.

239#

Manómetros de diafragma

La diferencia de la indicación al cambiar la temperatura considerablemente superior que en los aparatos con tubo Bourdon.

es

Los manómetros de láminas elásticas se usan para tensiones de medición de 10 mbar a 25 bar

240#

Manómetros de diafragma Tipo diafragma Horizontal

Vertical

241#

Medición de diferentes tipos de presión

242#

Ventajas de los manómetros de diafragma

VENTAJAS

LIMITACIONES

Pueden ser directamente acoplados al proceso

No aplicables a altas presiones

Principio de operación simple

Difícil su reparación

Numerosos materiales de construcción son disponibles para la resistencia a la corrosión y temperatura

Pueden soportar altas presiones

Deben ser protegidos de golpes y vibraciones

Requieren transductores adicionales para salida eléctrica

Costo moderado De tamaño relativamente pequeño Buena linealidad

243#

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.

244#

Manómetros tipo Fuelle

PRESSURE PRESIÓN

FUELLE BELLOWS

SPRING RESORTE BELLOWS FUELLE CAN

PRESSURE PRESIÓN

FUELLES EN UNIN RECIPIENTE BELLOWS A CAN

PIVOT PIVOTE UNDERANGE PROTECCIÓN DE PROTECTION SOBRERANGO

OVERRANGE PROTECCIÓN DE PROTECTION SUBRANGO

FUELLES TOPES BELLOWSCON WITH STOPS

245#

Ventajas de los manómetros tipo Fuelle

VENTAJAS

LIMITACIONES

Desarrollan grandes fuerzas

No aplicables a altas presiones

Costo moderado

Requieren resortes para tener caracterización de exactitud

Disponibles para medición absoluta y diferencial

Generalmente deben ser compensados por cambios en la temperatura ambiente

Buenos para bajas presiones a moderadas

Algunos metales usados en los fuelles deben ser sometidos a endurecimiento Difícil calibración, algunas veces solo se logra con la ayuda de resortes

246#

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, será posible 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.

247#

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 está determinada 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%.

248#

Tipo de tubo Bourdon

249#

Tipo de tubo Bourdon

En Forma de C

En Forma helicoidal

250#

Tipo de tubo Bourdon SECCIÓN TRANSVERSAL OVAL

EXTREMO LIBRE CERRADO

ESPIRAL PIÑÓN

SECTOR DENTADO

ESLABÓN AJUSTABLE

MOVIMIENTO DEL PLATO

DIAL SOPORTE

EXTREMO FIJO ABIERTO

251#

Elementos en espiral y helicoidal MOVABLE TIP PUNTA MOVIBLE OPEN END EXTREMO ABIERTO

MOVABLE TIP PUNTA MOVIBLE

OPEN END ABIERTO EXTREMO

252#

Ventajas del tubo Bourdon

VENTAJAS

LIMITACIONES

Costo bajo

Muy bajo gradiente elástico debajo de 3 Kg/cm

Construcción simple

Usualmente requieren movimiento engranado para amplificación (Bourdon C)

Muy utilizado a través de los años

Largos periodos de trabajo en su máxima capacidad los hace sensibles a golpes y vibraciones

Muy altos rangos de presión

Histéresis de 0.25% a 0.50 % sobre el ciclo total de operación

Diseños mejorados para máxima seguridad en altas presiones Fácilmente adaptable a transductores para obtener salida eléctrica Buena exactitud contra costo, excepto en rangos bajos

253#

Construcción de manómetros

254#

Construcción de manómetros

255#

Elementos de un Manómetro

256#

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.

257#

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.

258#

Amortiguador de pulsaciones

ROLDANA WASHER COLADORES STRAINERS

TAPON DE FELT PLUG CONTACTO

RUBBER BULBO DE BULB GOMA

ADJUSTING TORNILLO SCREW AJUSTABLE

FILTRO

GLYCERINE GLICERINA

(A)

(B)

Courtesy University of Texas Petroleum Extension Service 259#

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.

260#

El tubo sifón o cola de cochino MEDIDOR DE PRESIÓN O TRANSMISOR

GAS FRIO GAS CALIENTE

FLUJO

SELLO DE CONDENSADO

GAS CALIENTE

261#

Instalación TRANSMISOR

PROCESO

SELLO TIPO RECIPIENTE

TRANSMISOR PROCESO

Instrumento aislado del proceso

Instrumento arriba del proceso – El condensado retrocede

CIERRE REMOTO

PROCESO

TRANSMISOR

PROCESO TRANSMISOR

TUBO CAPILAR

Instrumento aislado del proceso Instrumento debajo del proceso – Parte inferior de la pierna de llenado 262#

Medidores electrónicos de presión

Existen básicamente dos tipos: - Tipo Capacitivo - Tipo medidor de deformaciones o strain gage

263#

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.

264#

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: VENTAJAS

LIMITACIONES

Buena Exactitud

EN ocasiones es necesario compensarlo debido a a variaciones de temperatura

Buena velocidad de respuesta

Salida de alta impedancia

Excelentes características de histéresis y respuesta en frecuencia

La unidad electrónica necesita estar bien diseñada e instalada

Construcción simple Costo moderado Desplazamiento volumétrico pequeño Resolución uniforme

265#

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 se construye sobre un metal de coeficiente de elasticidad dado, adosándole un alambre, una tira semiconductora o pistas conductoras.

266#

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.

267#

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.

268#

Tipos físicos de medidores de esfuerzo Medidor de esfuerzo Semiconductoras. Son fabricadas con silicio u otro metal semiconductor. Su cambio resistivo es menos lineal que las de metal y tiene gran dependencia en la temperatura. Se usan en la fabricación de sensores integrados de presión donde se implantan en microdiafragmas para sensar presión diferencial o presión barométrica. Los materiales empleados para la fabricación de medidor de esfuerzo son diversos conductores metálicos, como las aleaciones constantan, advance, karma, isoelastic, y también semiconductores como el silicio y el germanio. Las aleaciones metálicas tienen la ventaja de un bajo coeficiente de temperatura. 269#

Tipos físicos de medidores de esfuerzo

270#

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.

271#

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:

Vsa = E

R R 1 R −E Vsa = E − E R+R R + ( R + ΔR) 2 2 R + ΔR Vsa =

(2 R + ΔR) E − 2 RE ΔR =E 2(2 R + ΔR) 4 R + 2ΔR

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: ΔR

Vsa ≅

4R

E

272#

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.

R(T ) = RT0 [1 + α 0 ΔT ]

273#

Medidor tipo Strain Gage

VENTAJAS

LIMITACIONES

Buena Exactitud

Alimentación regulada de voltaje requerida

Amplio rango de presión

Baja señal de salida

Estabilidad de largo termino

Dispositivos adicionales de lectura y transmisión

Pequeños y compactos

Limitado a temperaturas de 300 oC

Características robustas contra golpes y vibraciones

Costo de moderado a alto

Sin partes móviles Buena capacidad de sobrecarga Resolución continua y uniforme Mantenimiento simple

274#

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). 275#

Medidores de presión diferencial Existen dos cámaras separadas por el medidor en el centro, conocida como el diafragma sensor, cuyo único requisito es que impida el paso del fluido interno de un lado hacia el otro.

276#

Medidores de presión diferencial Uno de los diafragmas aislantes puede ser sujeto a una presión constante de referencia, de modo que la posición del diafragma de referencia será una función de la presión aplicada en un sólo lado. Similarmente, se pueden aplicar dos presiones y la posición del diafragma sensor será una función de la presión diferencial.

277#

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

278#

Problemas comunes en la medición de presión • • • •

Líneas conectadas Sobrerango Materiales de construcción ¿Otros?

279#

Características de los medidores de presión CARACTERÍSTICA

DIAFRAGMAS

FUELLES

BOURDONES

STRAIN GAGE

CAPACITIVO

Exactitud

.1 a 1% del span

0.5% del span

0.5% del span

± 0.25% E.T.

± 0.15% E.T.

Rango recomendable

0 a 12 Kg/cm2

0 a 35 Kg/cm2

1 a 1500 Kg/cm2

0.3 a 13000 Kg/cm2

0 a 300 Kg/cm2

Span mínimo

7.5” H2O

0.3 Kg/cm2

1 Kg/cm2

0.3 Kg/cm2

7 cm H2O

Sensitividad

0.25% del span

0.25% del span

0.01% del span

0.01% E.T.

0.02% E.T.

Temperatura máxima

300 oC

120 oC

300 oC

300 oC

120 oC

Servicio en presión

Absoluta, diferencial y vacío





Elemento secundario

Requerido

Requerido

Requerido

Integral

Integral


Al transmisor

Respuesta

Lineal

Salida

Analógica

Al transmisor

Lineal

Analógica

Al transmisor

Lineal, excepto con el tipo C Analógica

Al sensor y transmisor Lineal

Analógica y digital

Al sensor y transmisor Lineal

Analógica y digital

280#


CAPÍTULO 5 MEDICIÓN DE NIVEL Standards Certification Education & Training Publishing Conferences & Exhibits


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.

282#

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.

283#

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.

284#

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.

285#

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

286#

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

287#

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.

288#

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.

289#

Medidor de cinta

290#

Medidor de cinta y plomada VENTAJAS

LIMITACIONES

Construcción e instalación simple

Baja presión

Bajo costo

Presión de operación limitada a unas cuantas “H2O manométicas

Resistencia buena a la corrosión Adaptable para transmisión

291#

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.

292#

Mirillas de vidrio básicas MIRILLA DE VIDRIO CON EXTREMO ABIERTO OPEN-END SIGHT GLASS ESCALA SCALE

(A) OPEN RECIPIENTE ABIERTO O VENTILADO (A) OR VENTED VESSEL

CLOSE-LOOP SIGHT GLASS MIRILLA DE VIDRIO CERRADO

(B) RECIPIENTE PRESURISADO (B) PRESSURIZED VESSEL

ESCALA 293#

Medidor de cristal (mirilla) Generalmente se conocen como vidrios de nivel

CRISTAL CON ARMADURA

CRISTAL NORMAL

294#

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)

295#

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".

296#

Medidor tipo desplazador Consiste en cuerpo inmerso, conocido como desplazador, en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión y unido rígidamente al recipiente. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior. El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el ángulo de rotación de su extremo libre es directamente proporcional a la fuerza aplicada. Al aumentar el nivel, el líquido ejerce un empuje sobre el desplazador igual 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. 297#

Medidor tipo desplazador

El desplazador esta suspendido en la barra, lo que restringe su movimiento y evita su contacto con cualquier parte del recipiente en que es colocado. La varilla que conecta al desplazador con la barra de torsion esta diseñada para absorber las fuerzas laterales.

298#

Características del desplazador 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).

299#

Características del desplazador La caja del desplazador se construye de hierro o acero al carbón. La barra de torsión de K-monel como estándar. El desplazador esta construido de acero inoxidable 316. La presión de trabajo es hasta 40 Kg/cm2 y 450 oC de temperatura. Sus conexiones pueden ser de 1 ½” roscadas o de 2” bridadas. Se considera a este dispositivo simple, confiable y adaptable a un rango amplio de variación de nivel.

300#

Características del desplazador VENTAJAS

LIMITACIONES

Requiere estopero

Pesados y voluminosos

Adaptable a diferentes densidades de líquidos

No puede ser usado en lodos o en fluidos cubrientes

Numerosos materiales de construcción para proporcionar resistencia a la corrosión

Inadecuado para usarse con fluidos turbulentos

Buena exactitud

Debe mantenerse sumergido

Convenientes para fluidos condensables

Fácil instalación Insensible a la presión del recipiente Adecuados para la medición de interfaces

301#

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.

302#

Medidor de flotador Polea de fricción baja

Cinta

Resorte de tensión

Flotador

+

Rueda de lectura digital

Nivel de líquido

+

+

Flotador 303#

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 %.

304#

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.

305#

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). 306#

Medidor de tipo burbujeo

307#

Medidor de tipo burbujeo Los gases utilizados son generalmente aire e hidrógeno, lo que representa su máxima desventaja y por esa razón son poco utilizados. La instalación es económica, particularmente para indicaciones locales o servicios limpios. La exactitud depende del medidor de presión utilizado y de la uniformidad de la densidad del líquido a medir

308#

Características del Medidor de tipo burbujeo VENTAJAS

LIMITACIONES

Bueno para problemas severos de corrosión

Dificultad para operarlos en recipientes a baja presión

Bajo costo

No utilizado en recipientes cerrados

Buena exactitud, depende de la calidad del medidor de presión utilizado

No utilizado en recipientes a presión

Bueno para uso con lodos Funciona bien con fluidos turbulentos

309#

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 = hγ g en la que: P = presión h = altura del líquido sobre el instrumento γ = densidad del líquido g = 9,8 m/s2

310#

Medidor de presión diferencial

Señal para control

Señal para control

Tanque presurizado

311#

Medidor de presión diferencial Las celdas o d/p cell, como se conocen, pueden instalarse en tanques atmosféricos o en tanques a presión, variando su esquema de instalación.

312#

Medidor de presión diferencial La precisión de los instrumentos de presión diferencial es de ± 0,5 % en los neumáticos, ± 0,2 % a ± 0,3 % en los electrónicos, y de ± 0,15 % en los “inteligentes” con señales de salida de 420 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).

313#

Medición de nivel con un transmisor de presión diferencial Hmax = Altura total*ρ = 63*0.717 =45.171 cm H2O = 17.78 “H2O RECIPIENTE DE CARGA Factor de cub 70.6 ml/cm

Lmax Nivel máximo

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.

30 cm

Lmin Nivel mínimo

Volumen del líquido: V (ml) = factor cub. (ml/cm) * Nivel (cm)

33 cm

H

L

Transmisor de Presión Diferencial

Nivel del líquido L(cm) = (H(“H2O)*2.54/ρ) – Lmin (cm) V(ml) = (70.6 * H*2.54/ρ)-33 314#

Características del Medidor de presión diferencial VENTAJAS

LIMITACIONES

Adecuados para medición de nivel de interfaces

Costo moderado a alto , especialmente cuando se requieren opciones especiales

Buena exactitud

Variaciones en la densidad, índice de errores en la medición

Disponible para aplicaciones de alta temperatura y presión

Funciona mejor con fluidos limpios ó pocos corrosivo

Fácil instalación Fácil calibración Con mucha experiencia y años en la aplicación

Compensación por temperatura

315#

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)

316#

El medidor de nivel conductivo o resistivo 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.

317#

El medidor de nivel tipo resistivo para señales on-off 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 relevador electrónico 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,

318#

El medidor de nivel tipo resistivo para señales on-off

319#

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)

320#

El medidor de nivel tipo resistivo para señales continuas El hecho de considerar la resistencia, implícitamente en la admitancia, da las siguientes ventajas: 9Inmune a las adherencias e incrustaciones de la sonda. 9Adecuado para usarse con líquidos adherentes y espumosos. 9Puede ignorar variaciones en la composición y temperatura del medio. 9Adecuado para la medición de lodos y cualquier tipo de sólidos

321#

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.

1 Xc = 2π fC

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.

322#

Medidor de nivel capacitivo

323#

Características del Medidor de nivel capacitivo 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. 324#

Medidor de nivel capacitivo

VENTAJAS

LIMITACIONES

Sin partes móviles expuestas al fluido

Usualmente requiere recalibración si el fluido medido cambia su composición o humedad

Útil en servicios on-off y control continuo en un amplio rango de nivel

No puede ser usado con fluidos adherentes

Fácil instalación

Su medición puede ser afectada por variaciones de temperatura

Ajuste remoto de span y cero en transmisores inteligentes

Opera con fluidos conductivos o no conductivos

Las sondas pueden resistir las condiciones mas severas

Relativamente de bajo costo

325#

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.

326#

Medidor de nivel ultrasónico La precisión de estos instrumentos es de ± 1 a 3 %. Son adecuados para todos los tipos de tanques y de líquidos o fangos pudiendo construirse a prueba de explosión. Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar señales erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida como es el caso de un líquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos. La utilización de la computadora permite, a través de un programa, almacenar el perfil ultrasónico del nivel, y así tener en cuenta las características particulares de la superficie del líquido, tal como la espuma, con lo cual se mejora la precisión de la medida. 327#

Medidor de nivel ultrasónico Emisor

Detector

328#

Medición ultrasónica

TIMING GENERADOR GENERATOR DE TIEMPO

GENERATOR GENERADORAND Y TRANSMITTER TRANSMISOR

RECEPTOR Y RECEIVER AND AMPLIFIER AMPLIFICADOR

LOGIC AND LOGICA Y DISPLAY LECTURA

GANANCIA DE TIMED GAIN CONTROL CONTROL CRONOMETRADA

TRANSDUCTORES TRANSDUCERS

FORMA WAVE DE ONDA SHAPING

TREN DE PULSOSBURST TRANSMITIDO TRANSMITTED

RECEIVED BURST (ECHO) (ECO) TREN DE PULSOS RECIBIDO EL TIEMPO ELAPSED TIMETRANSCURRIDO PROPORTIONAL ES A LA DISTANCIA TO PROPORCIONAL DISTANCE

OBJECTABEING OBJETO SER SENSED SENSADO

329#

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 el emisor 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.

330#

El sistema de medición de nivel radiactivo

331#

El sistema de medición de nivel radiactivo Las paredes del estanque absorben parte de la radiación y al detector llega sólo un pequeño porcentaje. Los detectores son, en general, detectores de cámara iónica y utilizan amplificadores de c.c. o de c.a. El instrumento dispone de compensación de temperatura, de linealización de la señal de salida, y de reajuste de la pérdida de actividad de la fuente de radiación. Como desventajas en su aplicación figuran el blindaje de la fuente y el cumplimiento de las leyes sobre protección de radiación. La precisión en la medida es de ± 0,5 a ± 2 %, y el instrumento puede emplearse para todo tipo de líquidos ya que no esta en contacto con el proceso. Su lectura viene influida por el aire o los gases disueltos en el líquido.

332#

El sistema de medición de nivel radiactivo El sistema se emplea en caso de medida de nivel en estanques de acceso difícil o peligroso. Es ventajoso cuando existen presiones elevadas en el interior del tanque que impiden el empleo de otros sistemas de medición. Hay que señalar que el sistema es caro y que la instalación no debe ofrecer peligro alguno de contaminación radiactiva siendo necesario señalar debidamente las áreas donde están instalados los instrumentos y realizar inspecciones periódicas de seguridad.

333#

El sistema de medición de nivel radiactivo

Detector

Fuente de radiación

334#

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.

335#

Sistema de nivel por radar LECTURA REMOTE DISPLAY REMOTA MÓDULO MICROWAVE ELECTRÓNICO ELECTRONIC DE MUCROONDAS MODULE

ANTENA RADAR ANTENNA DE RADAR TANK ATMOSPHERE ATMOSFERA DEL TANQUE

TEMPERATURE SENSOR DE SENSOR TEMPERATURA 336#

Paletas rotativas

337#

Problemas comunes en la medición de nivel • • • • • •

Líneas conectadas Líquido – espuma Líquido – agitación Pierna seca/pierna húmeda Supresión y elevación de cero ¿Otros?

338#

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

339#

Características de medidores de nivel CARACTE RÍSTICA

DESPLA ZADOR

FLOTADOR

TIPO CINTA

BURBUJEO

D/P CELL

CAPACI TANCIA

ADMITAN CIA

Exactitud

±0.1% a ±0.3%

±1% a ±3%

±1% a ±2%

±1% del rango

±0.5% a ±2% del span

±0.5% del span

±0.5% del span

Rango recomenda ble

14” a 48”

1/4” a 14”

1” a 35 ft

Igual a la altura del tanque

4” a 1000” H2O

6” a 100 ft

1/2 ” a 100 ft

Salida

Analógica

Analógica

Analógica o digital

Analógica




Unidad secundaria

Integral

Integral

Requerido

Requerido

Inherente

Inherente

Inherente

Servicios

Líquidos Interfaces

Líquidos

Líquidos

Líquidos

Líquidos Interfaces

Líquidos Interfaces Sólidos

Líquidos Interfaces Sólidos

Temp. max.

-150 a 500 oC

-150 a 500 oC

150 oC

100 oC

300 oC con sello

500 oC

850 oC

Presión max.

200 Kg/cm2

150 Kg/cm2

4 Kg/cm2

Cercana a la atmósferica

100 Kg/cm2

200 Kg/cm2

300 Kg/cm2

Sensitividad

0.75% del rango

±1%

±1%

De acuerdo al medidor asociado

0.75%

0.1 % del span

0.1 % del span


Al transmisor

Al transmisor

Al transmisor

sensor/ transmisor

Al transmisor

sensor/ transmisor

sensor/ transmisor

340#


CAPÍTULO 6 FUNDAMENTOS DE MEDICIÓN DE FLUJO Standards Certification Education & Training Publishing Conferences & Exhibits


Importancia de la medición de 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.

342#

Estados 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.

ESTADOS DE LA MATERIA

SÓLIDO Forma y volumen definido

FLUÍDO

Incompresibles

LÍQUIDO Volumen definido

Compresibles

GAS

Deformaciones

Volumen Indefinido, baja densidad

343#

Fluido 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.

344#

Unidades de medida de flujo

• • •

U.S.A.

METRICO

S.I.

GPM lbs/hr SCFM

m3/hr Kg/hr

m3/hr Kg/hr

Líquidos Gases Vapor

GPM, m3/hr, lbs/hr SCFH, m3/hr lbs/hr, Kg/hr

345#

Tipos de flujo •

Flujo volumétrico.– El volumen de un flujo que pasa por un punto en la tuberia por unidad de tiempo Q=AxV Donde: Q = Velocidad de flujo volumétrico A = Área interna de la tubería V = 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

346#

Propiedades de los fluidos Densidad La densidad de un material se define como la masa contenida en la unidad de volumen de un material. Ejemplo: agua = 62.4 lbs/ft3

δ =

m v

⎡ Kg ⎤ ⎢ m3 ⎥ ⎣ ⎦

Peso específico Los 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. w mg ⎡ Kg ⋅ f ⎤ ⎡ N ⎤ PE = = = gδ ⎢ 3 3 v v ⎣ m ⎥⎦ ⎢⎣ m ⎥⎦ Densidad relativa o gravedad específica Para 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.

PE sus tan cia gδ sus tan cia δ sus tan cia DR = = = PE agua gδ agua δ agua

347#

Propiedades de los fluidos Viscosidad Se 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 Newtoniano Es 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 Newtoniano No se comporta conforme la Ley de Newton y la viscosidad de este fluido depende del gradiente de velocidad, además de la condición del fluido..

348#

Propiedades de los fluidos Compresibilidad A 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 P1 ⋅ V1 P2 ⋅ V2 = T1 T2

P ⋅V = m ⋅ R ⋅ T

ρ=

p: presión V: Volumen m: Masa T: Temperatura absoluta R: Constante, para aire R=287J/Kg-K ρ : Densidad

P R ⋅T

349#

Ecuación 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).

Relación de volumen de flujo = Area x Velocidad promedio

Q = A ⋅V

feet 3 feet = feet 2 ⋅ s s

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. 350#

Ecuación 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

351#

Teorema de Bernoulli 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 se incrementa", 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 v tendrá que disminuir su presión p, y a la inversa. Como la presión y la velocidad actúan recíprocamente: ρ Presión estática + Presión dinámica = Presión total = Constante Presión estática + 1/2 v2 = Presión total = Constante

Cuando hay flujo lento en un fluido, la presión aumenta. Cuando hay un aumento de flujo en un fluido, la presión disminuye. 352#

El número de Reynolds 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.

353#

El número de Reynolds 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.

354#

El número de Reynolds En 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 Flujo Laminar

Flujo Laminar El número de Reynolds es menor de 2000

Flujo Flujo Turbulento Flujo Turbulento El número de Reynolds es mayor de 4000

Flujo

Flujo de Transición El número de Reynolds esta entre 2000 y 4000

355#

El número de Reynolds 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):

D

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

356#

Perfil de flujo y efectos de tubería 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.

357#

Perfil de flujo y efectos de tubería 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.

358#

Acondicionamiento 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.

ACONDICIONADOR DE FLUJO

PÉRDIDA DE CABEZAL RELATIVO (4 es el más alto)

Mitsubishi

2

Sprenkle

4

VORTAB

1

Zanker

3

359#

Tipos de medidores de flujo Clasificación de Medición de Flujo de Fluidos

MEDIDORES DE FLUJO

Flujo Másico Flujo Volumétrico Másico inferido (Densidad constante) Másico calculado (medición de densidad)

MÁSICO

NI MÁSICO, NI VOLUMÉTRICO

VOLUMÉTRICO

Flujo de sólidos disueltos/suspendidos - Inferidos, concentración constante - Calculados, concentración médida

Unidades de flujo de medición comúnmente usadas Líquidos

Gases

Volumen actual

Volumen actual

Gravimétrica (másico)

Gravimétrica (másico)

Volumen a temperatura base

Volumen a condiciones estándares

Vapor Gravimétrica (másico)

360#

Clasificación de medidores de flujo MEDIDORES DE FLUJO

MÁSICO

TÉRMICO

VOLUMÉTRICO

HÍBRIDO

CAMBIO CORIOLIS MOMENTUM

ANGULAR

AREA VARIABLE

LINEAL

PRESION DIF. VARIABLE

ORIFICIO

TOBERA

VENTURI

PARTES EN NO MOVIMIENTO

TÉRMICO INDUCIÓN IÓNICO ELECTRORESONANCIA OSCILACIÓN MÁGNETICA MAGNÉTICA HIDRODINÁMICA NUCLEAR CABEZA SÓNICO AC DC VARIABLE FORZADA LIBRE

CANAL VERTEDERO

TARGET

TUBO DE FLUJO

CODO

LAMINAR

PARTES EN MOVIMIENTO

EFECTO DOPLER

LASER

TURBINA

MICROONDAS

PROPELA

DESPLAZAMIENTO POSITIVO

ENGRANE DISCO

VELETA

PISTÓN

DESCARGA TOBERA DE CHORRO KENNISON

361#

Medidor de flujo tipo área variable Los 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.

362#

Funcionamiento del Rotámetro 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

TAPA DEL TUBO

DENSIDAD

PESO DEL FLOTADOR

VISCOSIDAD

PRESIÓN DEL GAS

363#

Funcionamiento del Rotámetro

364#

El tubo del rotámetro 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.

365#

Ventajas y limitaciones de un MF de área variable VENTAJAS

LIMITACIONES

Bajo costo

No es apropiado para altas presiones

Simple

Capacidad máxima de flujo limitada

Relativamente inmune a los arreglos de tubería cercanos

Las unidades en algunos casos son voluminosas

Baja caída de presión constante

El costo se incrementa considerablemente con operaciones extras (corazas de protecciones o montaje en tablero)

Rango de flujo 10:1

Transmisión no disponible como standard

Ningún tipo de suministro requerido

Las incrustaciones de suciedad pueden volver difícil la lectura

Sólo manejan fluidos limpios

366#

Medidor de flujo tipo presión 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. 367#

Ventajas de los MF tipo presión 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.

368#

Desventajas de los MF tipo presión 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. 369#

Placa de orificio La placa de orificio es el dispositivo de medición de flujo más comúnmente usado, cuyas características son. 9Máxima pérdida de presión permanente. 9Más fácil de instalar. 9Fácilmente reproducible. 9Requiere inspección periódica. 9Es el de más bajo costo. 9Es 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.

370#

Placas de orificio concéntrico 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.

371#

Placa 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.

372#

Placa de orificio excéntrico 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.

373#

Tomas 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.

374#

Perfil de presión de las placas de orificio

375#

Ecuación de las placas de orificio La 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.

Q = KA h w

(1)

donde: Q hw A K

= = = =

Flujo. Caída de presión producida por la restricción. Área de la restricción. 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. 376#

Fórmula de cálculo, caso líquido 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:

S=

Qmed GL NDi

2

hm Ft Fa Fm Fc Fp

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. 377#

Fórmula de cálculo, caso gas En este caso se hace uso del método conocido como “ especial”, el que se define por la siguiente expresión:

ΚOβ = 2

Qmed ⎛ 14.73 ⎞⎛ Tb ⎞ 2 ⎛ 520 ⎞⎛ 1 ⎞⎛⎜ Z b ⎟⎜ ⎟ ⎟⎟⎜ 338.17⎜⎜ ⎟ Di ⎜⎜ ⎟ ⎝ Pb ⎠⎝ 520 ⎠ ⎝ T f ⎠⎝ G ⎠⎜⎝ Z f

⎞ ⎟ F ΥF F F h P ⎟ r a m wv m f ⎠

donde: K0β2= Factor de descarga [=] adimensional Qmed= 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. 378# Di, Fa, Fm y hm= Definidos anteriormente.

Fórmula de cálculo, caso vapores 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:

ΚOβ 2 =

359 D 2

Wmed hm F f Fa Fr Υ γ f

donde: K0ß2 = Factor de descarga. W γ f med = Gasto másico máximo del vapor que manejará el medidor [=] Lb/h Ff = Densidad del vapor en Lb/Ft3. = Factor de peso específico del vapor de tabla 26 Spink. hm, D, Fa, Fr y Y= definidos anteriormente

379#

Cuña de flujo 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. ALTA

BAJA

FLUJO

380#

Tobera de flujo 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.

381#

Tubo venturi El 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.

382#

Tubo venturi 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. 383#

Tubo venturi Sus 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.

384#

Tubo venturi 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

385#

Tubo dall 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.

386#

Diferentes diseños de tubos de flujo

387#

Pérdida de presión de los diferentes medidores de flujo de presión diferencial

388#

Tubo pitot El 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.

389#

Tubo pitot 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.

390#

Arreglos de tubos pitot

391#

Tubo annubar 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. 392#

Tubo annubar

393#

Codos 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.

394#

Codos 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 presión en ambos planos. Si el codo esta calibrado, su precisión puede ser comparable a la de una placa de orificio

395#

Transmisores 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. 396#

Orificios de restricción 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.

397#

Medidor 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.

398#

Medidor 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

399#

Medidores 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.

A = π ⋅r2

Q =V ⋅ A Q gpm = (2.448) x (d 2, in) x (v, ft/s)

400#

Medidores de flujo magnéticos 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.

E = k ⋅ B ⋅ D ⋅V 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.

401#

Medidores de flujo magnéticos 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.

E = k ⋅ B ⋅ D ⋅V

402#

Características de los MF magnéticos -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

403#

Características de los MF magnéticos - 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

404#

Aplicaciones de los medidores magnéticos 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

405#

Medidor tipo Vortex El medidor tipo Vortex es un ejemplo de un medidor de flujo oscilatorio. A baja velocidad, el modelo del flujo permanece alíneado, sin embargo al 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. ALTAVelocity VELOCIDAD High FluidDE FLUIDO

CUERPO MeterDEL Bore MEDIDOR

FLUJO Flow FLUIDO Still FIJO Fluid

VORTICES Alternate Vortices ALTERNADOS

CAPA DE Shear Layer INICIO

406#

Medidor 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.

407#

Medidor 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, y soportado 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. 408#

Medidor de flujo tipo turbina Los 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.

409#

Instalación del MF tipo turbina

Tamaño del medidor

Tamaño máximo de partícula en pulgadas

1/4 a 1/2”

0.0055

5/8 a 1 ¼ “

0.008

1 ½ “ a 3”

0.015

410#

Aplicación 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 un componente 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.

411#

Ventajas y limitaciones de los MF tipo turbina VENTAJAS

LIMITACIONES

Son utilizados frecuentemente como medidores de flujo maestros debido a su excelente repetibilidad.

No convenientes para altas viscosidades

Rango de flujos de 10:1

Calibración requerida

Versátil, conveniente para operación bajo condiciones severas

Pueden dañarse por sobrevelocidades y gasificación

Amplia disponibilidad de tamaños

Relativamente caros

Alta confiabilidad (con un solo componente móvil) utilizado en transferencia de custodia

Sus requerimientos de contrapresión son altos

Salida digital y lineal

El componente móvil es sujeto a desgaste

Respuesta rápida

Afectados por las condiciones del flujo corriente arriba

Tamaño pequeño y peso ligero

Requieren indicación secundaria

Fácil instalación

En su instalación es obligatorio utilizar filtros

Pueden diseñarse para cumplir requerimientos de higiene

412#

Medidor de flujo tipo ultrasónico 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

413#

Medidor de flujo ultrasónico de tiempo transitorio El 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 necesitará 414# menos tiempo en alcanzar su objetivo.

Medidor de flujo ultrasónico de tiempo transitorio La diferencial se puede referenciar al tiempo y a la frecuencia para calcular la velocidad de flujo.

Δt V = N ⋅ cos θ ⋅ t A2 2

donde tA es el tiempo promedio de tránsito

N V = Δf ⋅ ⋅ cos θ 2 donde ∆f es generada por dos osciladores

415#

Medidor de flujo tipo ultrasónico tipo Doppler El 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. TRANSMITE TRANSMIT SEÑAL SIGNAL

TRANSMITE TRANSMIT

ZONE OF ZONA DE REFLECTION REFLEXIÓN IN STABLE EN REGIÓN DEVELOCITY VELOCIDAD REGION ESTABLE

VF PERFIL FLOW DE FLUJO PROFILE

RECIBE RECEIVE

416#

Medidor de flujo tipo ultrasónico tipo Doppler Debido 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).

417#

Características del MF ultrasónico tipo Doppler 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.

418#

Características del MF ultrasónico tipo Doppler 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 tuberías grandes, fluidos corrosivos y peligrosos y servicio sin revestimiento.

419#

Medidores de flujo másico •

a) ¿Qué es flujo másico?

b) ¿Que es flujo volumétrico?

Flujo másico = Masa / Tiempo

Flujo volumétrico = Volumen / Tiempo

Ejemplos de unidades : Pounds / minuto (Lb/min) Kilogramos / hour (Kg/hr) Gramos / second (gr/sec)

Ejemplos de unidades: - Litros / minuto (LPM) - Galones / minuto (GPM) - Pie cúbico / hora (Ft3/Hr)

420#

Medidores de flujo másico 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)

421#


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

422#


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 )

423#

Medidores de flujo másico 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

424#

Medidor de flujo másico tipo Coriolis Gustave Gaspard Coriolis (1792-1843) fué un ingeniero y matemático que describió 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 su movimiento angular y v la velocidad; m es la masa a ser aplicada a un punto conocido a una distancia L, desde los ejes 0,0. Esta ecuación es equivalente a la segunda ley de Newton F=ma, para movimiento rotacional

425#

Principio de funcionamiento Coriolis 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.

426#

Principio de funcionamiento Coriolis 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)

427#

Principio de funcionamiento Coriolis 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

ΔT = 0

-150 mV

Sensor 1

Sensor 2

Frecuencia = Densidad Condiciones de flujo +150 mV

ANGULO DE TORSIÓN

ANGULO DE TORSIÓN

-150 mV

ΔT= Flujo másico

428#

Medidores de flujo másico tipo térmico Los 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

429#

Medidores de flujo másico tipo térmico Medidor de flujo másico de elevación de temperatura a corriente de flujo Típicamente 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

430#

Medidores de flujo másico tipo térmico 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

T1

T2

T4 Calentador

T4 T2 T1 T3

431#

Componentes del MF másico térmico Los componentes básicos de un controlador de flujo másico térmico son: a) Sensor b) Cuerpo/Restrictor c) Circuito electrónico d) Válvula/orificio Circuito electrónico

Sensor

Válvula Orificio

Cuerpo

Flujo Restrictor 432#

Funcionamiento del MF másico térmico El elemento sensor, no es un medidor de flujo másico, ya que solo detecta la diferencia de temperatura debida al flujo y aprovecha esta medición para determinar el flujo másico T1 Temperatura de entrada al Sensor

Calor T1

T2

T2 Temperatura de salida del sensor Calentador

Flujo

Sensor Puente para la detección de T

433#

Funcionamiento del MF másico térmico Las curvas de respuesta del medidor son las siguientes: Temperatura (oC) 80 Salida del sensor 60

40 Entrada al sensor 20

0 0

20

40

60

80

100

Flujo (sccm)

434#

Características del MF másico térmico • 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 435#

MF 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. 436#

Tipos 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

437#

Medidor de Pistón 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.

438#

Medidor 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.

439#

Medidor 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.

440#

Medidor 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.

441#

Medidor tipo pistón 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%. 442#

Característica de comportamiento del MF de desplazamiento 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.

443#

Ventajas y limitaciones de los MF tipo desplazamiento positivo VENTAJAS

LIMITACIONES

Buena exactitud y rangeabilidad

Componentes móviles sujetos a desgaste

Muy buena repetibilidad

Mantenimiento requerido regularmente

Adecuados para fluidos de alta viscosidad

Inconveniente para líquidos sucios, no lubricantes o abrasivos

Pueden absorver grandes cambios de viscosidad

Caros, particularmente para grandes diámetros

Lectura local con opción a transmisión por pulsos

Largos y voluminosos para grandes diámetros

Lectura directa en unidades volumétricas

Limitada disponibilidad de tamaños

No requiere suministro eléctrico ni fuente de alimentación

Refacciones costosas

Exactitud virtualmente insensible a las condiciones corriente arriba de la tubería.

Instalación díficil

Alta resolución

Alta pérdida en la diferencial

Amplio rango de flujo

Resultan dañados con las sobrevelocidades

444#

Medidor de flujo tipo target 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. 445#

Principio de operación del MF tipo target 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.

446#

Medidor de flujo tipo target

447#

Características del MF tipo target 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.

448#

Medidor tipo Canal Parshall 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.

449#

Lista de factores de selección del medidor de flujo 1. ¿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.) 450#

Selección de medidores de flujo 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

GAS

AREA VARIABLE

AREA VARIABLE

PRESIÓN DIF. VARIABLE DESPLAZAMIENTO POSITIVO TURBINA MAGNÉTICO

VAPOR

LODOS

AREA VARIABLE

MAGNÉTICO

PRESIÓN DIF. VARIABLE

CORIOLIS

TURBINA

ULTRASÓNICO (DOPPLER)

OSCILATORIO

PRESIÓN DIF. VARIABLE (EXCENTRICO, SEGMENTAL, VENTURI)

PRESIÓN DIF. VARIABLE

DESPLAZAMIENTO POSITIVO

TURBINA

ULTRASÓNICO TÉRMICO TÉRMICO OSCILATORIO CORIOLIS

OSCILATORIO

CORIOLIS

451#

Los 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.

452#

Los MF en la transferencia de custodia 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.

453#

La 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: Asuma una Produción de Petróleo:

100.000

Asuma un valor de mercado:

30

Barriles/día $/Barril

Incertidumbre de la medición

Error diario de flujo

Costo error diario

Error anual de flujo

Costo del error annual de flujo

%

Barriles/Día

$/Día

Barriles/Año

$/Año

0,10

100,00

3.000,00

36,500.00

1.095.000,00

0,20

200,00

6.000,00

73,000.00

2.190.000,00

0,25

250,00

7.500,00

91,250.00

2.737.500,00

0,30

300,00

9.000,00

109,500.00

3.285.000,00

0,50

500,00

15.000,00

182,500.00

5.475.000,00

1,00

1.000,00

30.000,00

365,000.00

10.950.000,00

COSTO DE LA INCERTIUMBRE EN LA INDUSTRIA PETROLERA

Fuente: METCO 454#

Rangeabilidad 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.

100% 455#


CAPÍTULO 7 MEDICIONES ANALÍTICAS Standards Certification Education & Training Publishing Conferences & Exhibits


Mediciones analíticas

a)Cromatografía de gases. b)Analizadores de infrarrojo. c) Analizadores de oxígeno.

457#

Cromatografía de gases

458#

Cromatografía 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.

459#

Cromatografía de gases La cromatografía se define como una técnica de separación basada 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. COLUMNA FASE ESTACIONARIA FASE FASEMÓVIL MÓVIL

FASE FASEMÓVIL MÓVIL

FASE FASEMÓVIL MÓVIL

FASE ESTACIONARIA COLUMNA

460#

Cromatografía de gases La cromatografía de gases se utiliza para la separación de sustancias gaseosas. La fase móvil fluye, arrastrando consigo los solutos. Los solutos se reparten entre ambas fases. Fase Fase estacionaria estacionaria

Muestra Muestra

Fase Fase móvil móvil

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 cromatográfica será, por tanto, la diferencia en la migración de los mismos.

461#

Cromatografía de gases Al alimentar la muestra, los componentes a separar se distribuyen entre la fase estacionaria y la fase móvil o fluido que pasa a través o a lo largo de la fase estacionaria. La velocidad del soluto varía inversamente con la afinidad con la fase estacionaria.

F. móvil F. estacionaria

462#

Cromatografía de gases Como los componentes de la mezcla presentan diferente tendencia a permanecer en cualquiera de las fases, la separación se da por el movimiento de la fase móvil en relación con la estacionaria y de la distribución de las sustancias entre las dos fases. Los solutos se separan en bandas y estas salen (eluyen) por el final de la columna. Fase móvil

t1 Fase estacionaria

Fase móvil


Fase móvil


463#

Instrumentación de un Cromátografo de gases 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. Horno

Gas acarreador

Control de flujo

Inyección de muestra

Columna

Detección

Registro y proceso

464#

Cromatografo de gases

465#

Fase móvil 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 N2, He y H2 y tienen que ser de alta pureza (grado cromatográfico 99.99% o más), capaz de minimizar la difusión en él, inertes, no tóxicos, adecuado con el detector que se utilice y de precio accesible (una carga de N2 es de $300 y de He $7,000). También se puede obtener el N2 con compresoras y el H2 con hidrogenadores.

466#

Control de flujo Válvulas: • De aguja (restricción al flujo), Δp • Reguladores de presión. (Psal cte.) • Diferenciales de flujo. (flujo másico cte.)

467#

Inyección de muestra La muestra se introduce a través del sistema de inyección dentro de la columna que es el sitio donde ocurre la separación. Gas acarreador

Columna Jeringa con muestra

Zona calentada

468#

Sistema de separación

La variación de la temperatura en el horno conteniendo a la columna permite variar la constante de equilibrio y por lo tanto buscar la separación de los compuestos que forman la muestra. 469#

Horno cromatógrafico

La temperatura de la columna es un parámetro básico: mayor temperatura mayor presión de vapor análisis mas rápidos menor separación

470#

Columna cromatógrafica 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 un soporte que es generalmente de sílice.

Columna empacada (Baja eficiencia)

Columna capilar (vidrio, silice) 471#

Detector 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.

472#

Cromatograma 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).

473#

Sistemas 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.

474#

Cromatograma

Abundance TIC: MESTE23.D 320000

14.4

300000 10.7 280000 260000

14.0

240000 13.4 220000 200000 180000 160000 13.7 140000 120000 100000 80000 60000

EST4 EST1

EST2 EST3

40000

EST5

20000 0

11.00

11.50

12.00

12.50

13.00

13.50

14.00

14.50

Time-->

475#

Analizadores de Infrarrojo

476#

Espectros de frecuencia de infrarrojo RAYOS GAMMA

RAYOS X

UV

VISIBLE

INFRARROJO

MICROONDAS

ONDAS DE RADIO

LONGITUD DE 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)

UV Ultravioleta

IR Infrarrojo

Grupos funcionales

RMN Resonancia Magnética

Núcleos individuales

477#

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.

478#

Analizadores de infrarrojo La Ley de Beer forma la base para el funcionamiento de los analizadores automáticos que convierten una señal óptica en una señal electrónica, independientemente del gas a detectar y de la empresa que produce el equipo

479#

Analizadores de infrarrojo

480#

Analizadores 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.

481#

Analizadores de infrarrojo para CO El principio llamado Correlación de Filtro de Gas requiere que el anillo gire a una tasa de 30 ciclos/segundo, lo que hace que el rayo de luz esté modulado en pulsos de referencia y medición. Durante un pulso de referencia, el compartimiento de CO del del anillo giratorio descompone eficazmente el rayo de toda la energía IR en longitudes de onda donde el CO puede absorber. Como resultado se obtiene un rayo que no es afectado por el CO en la celda de muestra. Durante el pulso de medición, el nitrógeno del filtro de gas no afecta el rayo, que subsecuentemente puede alternarse con cualquier CO en la celda de muestra.

482#

Analizadores de infrarrojo para CO La presencia de CO en la celda de muestra reduce la señal generada en el compartimiento de medición (M), mientras que la señal de referencia (R) queda igual, ya que la alta concentración de CO en el compartimiento de referencia absorbió toda la luz con longitud de onda 4.7 μm. La diferencia entre M y M* determina la concentración de CO en la celda de Muestra. 483#

Analizadores de infrarrojo para CO Después del anillo de filtro de gas, el rayo IR entra a la celda de muestra de paso múltiple. Esta celda usa ópticas plegables para generar una longitud de paso de absorción de 16 metros para lograr sensibilidad máxima. Luego de excitar la celda de muestra, el rayo pasa por un filtro de 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 desmodulada electrónicamente para crear dos voltajes DC: CO Medición y CO Referencia. Estos voltajes son proporcionales a la intensidad de la luz que recibe el detector durante los pulsos de medición y referencia, respectivamente.

484#

Analizadores de infrarrojo para ozono O3 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

485#

Analizadores de infrarrojo para ozono O3 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.

486#

Analizadores de Oxígeno

487#

Analizador de Oxígeno

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 paramagnéticos.

oxígeno

que

utilizan

las

propiedades

- Analizadores de oxígeno que utilizan las propiedades electroquímicas.

488#

Analizador de O2 Paramagnético 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. Gas 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)

Susceptibilidad magnética -0.24 -0.26 -0.22 -0.27 +0.01 -0.26 -1.7 +0.24 -0.2 +43.0 0.0 +100.0

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 489# magnético, generándose una diferencia de presión.

Analizador de O2 paramagnético de deflexión 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. CUERPO DE MEDICIÓN

POLARIDAD N

ENTRADA DE GAS

CELDA DE MEDICIÓN

SALIDA DE GAS

ESPEJO

POLARIDAD P

FOTOCELDA

FUENTE LUZ

AMPLIFICADOR

UNIDAD DE INDICACIÓN

490#

Analizador de O2 paramagnético de deflexión 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 oxigenoLas 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.

491#

Analizador de O2 paramagnético tipo térmico Esta compuesto de un anillo en donde se hace circular el gas con oxígeno. 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. ENTRADA DE GAS Resistencias embobinadas

TUBO DE VIDRIO

Polo magnético

Al circuito puente

SALIDA DE GAS

492#

Analizador de O2 paramagnético tipo térmico 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.

493#

Analizador de O2 paramagnético 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.

494#

Analizador de O2 electroquímicos Se dividen en tres tipos: a) Detectores tipo celda combustible de alta temperatura que involucra la 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. 495#

Analizador de O2 electroquímico de óxido de 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.

496#

Analizador de O2 electroquímico de óxido de zirconio El electrodo de mayor potencial (mayor concentración de O2) generará iones oxígeno, mientras que el electrodo con menor potencial convertirá los iones en moléculas de Oxígeno. Las reacciones ocurridas son: O2 + 4e2 O-2

2 O-2 (al cátodo) 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.

497#

Analizador de O2 electroquímico de óxido de zirconio El

E=

voltaje del circuito abierto se relaciona con la presión parcial del oxígeno con la ecuación de Nernst: RT Presión parcial O 2 en gas de referencia ln nF Presión parcial O 2 en gas de muestra

donde: E= Voltaje desarrollado en el circuito abierto R= Constante universal de los gases T= Temperatura n= Número de electrones transferidos por molécula de oxígeno F = Constante de Faraday

498#

Analizador de O2 electroquímico de óxido 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.

499#


CAPÍTULO 8 EQUIPOS AUXILIARES Standards Certification Education & Training Publishing Conferences & Exhibits


El Lazo de control con elementos auxiliares

PERTURBACIONES




PROCESO

VARIABLE CONTROLADA


e(t)=R(t)-c(t)

TRANSMISOR

CONTROLADOR

INTERRUPTOR

m(t)

ALARMA

R(t)

REGISTRADOR

INDICADOR

PUNTO DE AJUSTE

501#

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.

502#

Transmisores

0-800 “ H2O 3-15 psi

0-1000 °F 4-20 mA

0-5000 GPM 0-X Cuentas/Pulsos

503#

Transmisor neumático

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. SEÑAL DE PROCESO

3-15 PSI FUELLES TOBERA/PALOMETA

AJUSTES SA

20 PSI

504#

Transmisor electrónico analógico

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.

SEÑAL DE PROCESO

TRANSFORMADOR NUCLEO MÓVIL STRAIN GAGE CAPACITIVO

4-20 mA. C.D.

AJUSTES SE

24 VCD 505#

Transmisor digital

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. SEÑAL DE PROCESO

STRAIN GAGE CAPACITIVO

CONFIGURADOR SE

24 VCD

4-20 mA. C.D. ó Códigos binarios (Protocolos digitales)

506#

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 proceso Puede llevar a cabo cálculos matemáticos que condicionan la salida del sensor

507#

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)

508#

Operación del transmisor inteligente

POT DE AJUSTE DE SPAN

VARIABLE DE PROCESO

SENSOR

ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL

POT DE AJUSTE DE CERO

TRANSMISOR ANALÓGICO

VARIABLE DE PROCESO

ACONDICIONAMIENTO DE SALIDA

SALIDA 4-20 mA CD

MEMORIA SALIDA 4-20 mA CD

SENSOR

A/D

TRANSMISOR INTELIGENTE

MICROPROCESADOR

D/A

COMUNICACIONES DIGITALES 509#

Operación del transmisor inteligente

MODULO DE SENSADO

MODULO ELECTRÓNICO

Conversión de señal analógico/digital

Sensor de temperatura

Memoria del módulo de sensado • Coeficientes de corrección • Módulo de información

Sensor PD Capacitivo

Presión alta

Presión baja

Microprocesador: • Sensor de linealización • Reranging • Amortiguamiento • Diagnósticos • Ingeniería • Comunicación Memoria del módulo electrónico: • Valores de rango • Configuración del transmisor

Salida Analógica 4-20 mA Conversión de señal D/A Comunicaciones digitales HART • Bell 202 • FSK Ajustes de span local y cero

MODULO DE COMUNICACIÓN

Transmisor de presión diferencial Rosemount 3051C

510#

Cambio del rango (“rerange”) en un transmisor inteligente

20 mA

20 mA 20 mA 4 mA

4 mA

4 mA 0”

25”

50”

75”

100”

0”

25”

50”

75”

100”

0”

25”

50”

75”

4 mA = 0” H2 O

4 mA = 50” H2 O

4 mA = 50” H2 O

20 mA = 100” H2 O

20 mA = 100” H2 O

20 mA = 75” H2 O

100”

511#

Transmisor

Neumático

Electrónico Convencional

Electrónico Inteligente

Electrónico Inteligente Señal Digital

Señal

Precisión

Ventajas

Desventajas

Aire limpio, No guardan información, Distancias limitadas, Mantenimiento caro, Sensible a vibraciones

3 – 15 psi 0,2 – 1 bar

± 0,5 %

Rapidez Sencillo

4 – 20 mA c.d.

± 0,5 %

Rapidez

Sensible a vibraciones, deriva térmica

± 0,2 %

Mayor precisión Intercambiable Estable, Confiable Campo de medida más amplio, Bajo costo de mantenimiento

Lento (para variables rápidas puede presentar problemas)

4 – 20 mA c.d.

Digital

± 0,1 %

Mayor precisión Más estabilidad Confiable, sin histéresis Autodiagnóstico Comunicación bidireccional Configuración remota, Campo de medida más amplio, Bajo costo de mantenimiento

Falta normalización de las comunicaciones, No intercambiable con otras marcas

512#

Indicador Los indicadores muestran el valor de la variable de proceso en unidades determinadas, en función de una señal normalizada proveniente del transmisor. SEÑAL DE PROCESO

4-20 mA. C.D. TRANSMISOR

0-30 Kg INDICADOR Muestra el valor de presión con un rango de 0-30 Kg

513#

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) 514#

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. 515#

Registrador

516#

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.

517#

Tipos de convertidores

NEUMÁTICO/ELÉCTRICO 3-15 PSI a 4-20 mA

ELÉCTRICO/ ELÉCTRICO 0-500 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

ELÉCTRICO/NEUMÁTICO 4-20 mA a 3-15 PSI

TARJETAS O MÓDULOS DE ENTRADA/SALIDA A SISTEMAS DISTRIBUIDOS R / mA r / DIGITAL PSI / mA PSI / DIGITAL mV / mA mV / DIGITAL mV / V DIGITAL / PSI R/V r / DIGITAL PSI / V mA / PSIL

518#

Convertidor electroneumático (4-20 mA. CD a 3-15 PSIG)

519#

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. SEÑAL DE PROCESO INTERRUPTOR 1o0 Abierto o cerrado AJUSTE DE PUNTO DE DISPARO

520#

Interruptor Ejemplo: interruptores de temperatura que actúan como elementos de seguridad para el paro automático de la Planta, cuando se tiene una alta temperatura.

521#

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.

522#

Alarmas •

•

Es una función de la interfase de operador que permite detectar y reportar anormalidades en el proceso Estas pueden ser visuales y/o audibles

Tan solo avisandole al operador...

523#

Totalizadores Instrumento cuya función es totalizar las señales de flujo instantaneo de fluidos en períodos de tiempo preestablecidos.

524#

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.

525#

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. Hasta 15 dispositivos INTERFACE

526#

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 527#

Buses de campo

Cali bra dor

COMANDOS PRÁCTICOS

COMANDOS ESPECIFICOS

Lectura de variables Cambio de rango Ajuste de cero y span Autoprueba de inicialización Número de serie Valores de constantes de tiempo

Funciones específicas del modelo Opciones de calibración especial Paro, arranque o inicialización Selección del elemento primario Habilitar el PID Cambiar el punto de ajuste SP Ajuste de parámetros de sintonía 528#

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.

529#

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. 530#

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. 531#

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

532#

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. COMUNICACIÓN ANALOGICA + DIGITAL SIMULTANEA + 0.5 mA

SEÑAL ANALOGICA

- 0.5 mA

Frecuencia Edo. Logico

1200 Hz “1”

2200 Hz “0” 533#

Comunicación analógica + digital

20 mA

SEÑAL DIGITAL

“1”

“0”

“0”

“1”

“1”

“0”

“1”

“1”

“0”

SEÑAL ANALOGICA

4 mA tiempo

534#

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. 4

INTERFACE HART

2 actualizaciones por segundo (posición de la válvula, transmisores, etc)

20

HART 4 a 20 mA

Configuración y diagnóstico remoto

COMUNICACIÓN ANALÓGICA + DIGITAL

Calibrador

535#

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.

536#

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.

537#

Bus de campo Modbus Modbus permite una fácil comunicación con diferentes tipos de arquitecturas de red:

HMI MB PLC I/O

Interface Máquina-Humano Protocolo Modbus Controlador Lógico Programable Entrada/Salida 538#

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.

539#


540#

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.

541#


542#


543#

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.

544#

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.

545#

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

546#

Clasificación de área peligrosa Las áreas peligrosas deben ser clasificadas por alguien que esté familiarizado con la clasificación de áreas peligrosas y el área a ser clasificada. La National Electrical Code (NEC), patrocinada por la National Fire Protection 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: Clase Grupo División

547#

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)

548#

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 A Acetileno Grupo B Butadieno, etileno oxido, propilen oxido, hidrógeno (y gases o vapores de peligrosidad equivalente) Grupo C Ciclopropano, eter etílico, etileno, hidrógeno sulfide (y gases o vapores de peligrosidad equivalente) Grupo D Acetona, alcohol, amoniaco, benzeno, butano, propilene, gasolina, metano, gas natural (y gases o vapores de peligrosidad equivalente) 549#

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.)

550#

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 2 La mezcla flamable o combustible existe bajo condiciones anormales (mal funcionamiento, ruptura de tubería, fugas en el equipo, etc.)

551#

Ejercicio de práctica: Clasificación

s oce r p e ea d

o

n nce o Ar c en iempo o n t opilteodo el r p Gasmable fla

i ón c a r t

Area

de te r

mina ción

Polv o Solo s de polip bajo r cond opileno t r icion es an ansporta do orma les

PLANTA DE POLIPROPILENO 552#

Normas ISA aplicables •

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

553#

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

554#

Componentes de fuego y explosión

TE EN FU

CO

ÓN CI NI IG

M BU

DE

ST IB LE

Para que ocurra el fuego o explosión, el triángulo debe ser completado

OXIGENO Para reducir el peligro, eliminar el combustible, el oxidante o la fuente de ignición 555#

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

556#

Confinamiento de la explosión

RECINTO A PRUEBA DE EXPLOSION

CLASE I ATMÓSFERA PELIGROSA 557#

Recintos presurizados

Presurización: Técnica de proteger contra el ingreso de una atmósfera externa dentro de un recinto manteniendo un GAS PROTECTOR allí dentro, a una presión por arriba de la presión de la atmósfera externa

ATMÓSFERA PELIGROSA PRESIÓN MAS ALTA

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. 558#

Seguridad intrínseca CONDUCTO U OTRO

LUGAR PELIGROSO (CLASIFICADO)

LUGAR NO PELIGROSO

RECINTO

EQUIPO DEL CUARTO DE CONTROL

*

S.I. SENSOR

I.S. TRANSMISOR

SELLO S.I. BARRERAS

SELLO

S.I. SENSOR

CONDUCTO U OTRO RECINTO

I.S. TRANSMISOR RECINTO A PRUEBA DE EXPLOSIÓN SELLOS

* S.I. SENSOR

S.I. TRANSMISOR BARRERAS

Aparatos *

ASOCIADOS

EQUIPO DEL CUARTO DE CONTROL

CONDUCTO A PRUEBA DE EXPLOSION 559#

Barrera segura intrínsecamente

AREA PELIGROSA

AREA PELIGROSA RESISTENCIA LIMITADORA DE CORRIENTE

FUSIBLE

DIODOS ZENER

VOLTAGE DE ENTRADA

DISPOSITIVO DE CAMPO

TIERRA INTRINSECAMENTE SEGURA

560#


CAPÍTULO 9 ELEMENTOS FINALES DE CONTROL Standards Certification Education & Training Publishing Conferences & Exhibits


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



PROCESO


VARIABLE CONTROLADA


e(t)=R(t)-c(t)

TRANSMISOR

CONTROLADOR m(t)

R(t) PUNTO DE AJUSTE 562#

Elemento final de control 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: - 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. 563#

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. 564#

Válvulas de control SIGNAL FROM SEÑAL DEL CONTROLLER CONTROLADOR DIAPHRAGM DIAFRAGMA

ACTUADOR

VASTAGO OBTURADOR

ASIENTO

CUERPO FLUJO MANIPULADO

565#

Ensamble de una válvula de control

ATC

566#

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 567#

Característica inherente de la válvula de control

568#

Característica de la válvula de control

APERTURA RAPIDA LINEAL MODIFICADO % IGUAL %

Tapón curveado

569#

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 570#

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.

571#

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. -

572#

Válvula de control de igual porcentaje

- En cambiadores de calor cuando un incremento en el flujo del producto, requiere mucho mayor incremento en el medio de enfriamiento o calentamiento. - Para cierre rápido. Como primera alternativa en aplicaciones de control de flujo y Presión.

573#

Válvula de control de igual porcentaje

Una válvula con característica de igual porcentaje pierde su característica inherente a medida que esta absorba menos de la caída de presión dinámica del sistema, tendiendo hacia la característica lineal. Ésta es aún la mejor elección cuando la dinámica del sistema no es bien conocida, para esto mantiene una característica deseable de control sobre un amplio rango de las caídas de presión dinámicas. Tiene también amplia rangeabilidad, la cual es deseable cuando las cargas del sistema no son bien conocidas.

574#

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.

575#

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. 576#

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 y globo. Aunque existen otros tipos como: tapón, diafragma, compuerta y solenoide.

577#

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

578#

Válvula de control tipo Bola

579#

Válvula de control tipo Bola

V E N T A J A

L I M I T A C I O N E S

Alta calidad para un diámetro dado.

Presión de operación limitada.

Buenas características de control.

No es recomendable para servicios de alta caída de presión.

Alta rangeabiliad. Bajo costo.

Necesita actuadores poderosos.

Maneja fluidos fibrosos, viscosos y Mantenimiento difícil, por necesitar lodos. removerse de la tubería.

580#

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. 581#

Válvula de control tipo Mariposa

Su operación consiste en la rotación de un disco usualmente 90º, lo que hace variar el área entre las paredes del cuerpo y el disco, lo que originará una regulación del flujo a través de la válvula

582#

Válvula de control tipo Mariposa

583#

Válvula de control tipo Mariposa VENTAJAS 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

LIMITACIONES 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

Pocas partes para dar mantenimiento

584#

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:

585#

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.

586#

Tipos de válvulas de control tipo globo

VALVULA DE GLOBO DE PUERTO SIMPLE

VALVULA DE GLOBO DE PUERTO DOBLE

587#

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. 588#

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 desbalance entre 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. 589#

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. 590#

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. 591#

Otros tipos de válvulas 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.

PUERTO A

FUENTE

PUERTO B

VALVULA DE TRES POSICIONES (VALVULA DE DESVIO)

VALVULA TIPO Y

592#

Dimensionamiento de una válvula Al seleccionar una válvula se debe tener cuidado en: Datos de la aplicación: Velocidad máxima y mínima del flujo Caída de presión Temperatura del fluido Datos del fluido Nombre del fluido Fase (gas, líquido) Densidad (gravedad especifica, peso especifico, peso molecular) Viscosidad (líquidos) Presión de vapor (gases) Influencia de la tubería Presencia de reductores u otras perturbaciones

593#

Dimensionamiento de una válvula Influencia del sistema Dinámica del control (Es el sobredimensionamiento importante) Factor económico Seguridad Estilo de la válvula (basada en aplicación) Capacidad resistencia a la erosión y corrosión Cálculos del dimensionamiento Coeficientes del tamaño Formulas de selección

594#

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 variará mucho 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. 595#

Rangeabilidad de una Válvula de control 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. 596#

Ejemplo

Obtener la característica Cv de la válvula dado: Fluido: Agua salada Gravedad especifica: 1.2 Velocidad de flujo máxima : 250 gpm ΔP a flujo máximo: 10 psi Velocidad de flujo mínima : 40 gpm ΔP a flujo mínimo: 25 psi Sabiendo que su ecuación es:

G cv = q ΔP cv = 250

1.2 = 87 10

c v (minimo) = 40

1 .2 = 8 .7 25

Rangeabilidad 10:1 597#

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”

598#

Fugas en una Válvula de control Cantidad de flujo que pasa a través de una válvula completamente cerrada

599#

CARACTERÍSTICAS

TIPO GLOBO

TIPO M ARIPOSA

TAMAÑO

1” a 24”

1” a 150”

TIPO BOLA CARACTERIZAD A 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 RANGEABILIDAD

70-210Kg/cm²

70

20

35:1

100:1

300:1

CARACTERÍSTICAS DE FLUJO

Igual porcentaje, apertura rápida, lineal.

Igual porcentaje.

Igual porcentaje.

CAPACIDADES DE FLUJO NO CRÍTICO CRITICO

13d²

20d² A60º, 45d²

30d²

10 d²

15d²

FUGAS

Puerto sencillo (metal): Clase IV Puerto sencillo (suave): Clase VI Interiores balanceados (metal): Clase II Interiores Balanceados (suaves): Clase V. Líquidos limpios, sucios gases y vapores.

12d² A60º, 20d² A90º Revestidos: Menos de 1 burbu No revestidos hasta 5% cap. Max.

Líquidos limpios, viscosos, gases y vapores.

Líquidos limpios, suaves, viscosos, gases, vapores y lodos fibrosos.

SERVICIO

Sellos suave: mejor Clase V Sellos metálicos: Clase IV.

600#

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. 601#

Actuadores SEÑAL DEL CONTROLADOR ACTUADOR

DIAFRAGMA PLACA DIAFRAGMA RESORTE VASTAGO

CUERPO

602#

Acciones de los actuadores

Incremento (aire para cerrar)

Decremento (aire para abrir) 603#

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.

604#

Posicionadores

SEÑAL DE INSTRUMENTO

POSICIONADOR

SUMINISTRO DE AIRE

ACTUADOR POSICIÓN DEL VÁSTAGO DE LA VÁLVULA

CUERPO

605#

Posicionador tipo Movimiento-Equilibrio

SALIDA RELAY ACTUADOR SUMINISTRO

ENTRADA FUELLE BOQUILLA INDICADOR

CONEXIÓN

606#

Otros elementos finales de control

• Variadores de velocidad • Servomotores • Bombas

607#

Variadores de velocidad

608#

Aplicaciones de los variadores de velocidad

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.

609#

Características de los variadores de velocidad 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

Control basado en PWM o relación V/F Tecnología basada en dispositivos de estado solido (IGBT) Microprocesador de control digital Control de corriente de flujo (FCC) para una mejor respuesta Dinámica y control optimizado del motor Rearranque automático siguiente a estado de falla o falta de red Controlador PI para control simple de procesos Aceleración/desaceleración programable de 0 s hasta 650 s Suavizado de rampa de aceleración/desaceleración Límite de corriente rápido (FCL) para operación libre de fallas Tiempo de respuesta de las entradas digitales rápido y repetitivo Ajuste fino de velocidad utilizando una entrada analógica de 10-bits

610#

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 .

611#

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.

612#

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 ms o mayores de 2 ms, pudiéndose conseguir ángulos mayores de 180°.

613#

Funcionamiento de un Servomotor

Si se sobrepasan los límites de movimiento del servo, éste comenzará a emitir un zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso.

614#

Funcionamiento de un Servomotor El periodo entre pulso y pulso no es crítico, e incluso puede ser distinto entre uno y otro pulso. Se suelen emplear valores entre 10 ms y 30 ms. Si el intervalo entre pulso y pulso es inferior al mínimo, puede interferir con la temporización interna del servo, causando un zumbido, y la vibración del brazo de salida. Si es mayor que el máximo, entonces el servo pasará a estado dormido, entre pulsos. Esto provoca que se mueva con intervalos pequeños. Es importante destacar que para que un servo se mantenga en la misma posición durante un cierto tiempo, es necesario enviarle continuamente el pulso correspondiente. Si se deja de enviar pulsos (o el intervalo entre pulsos es mayor del máximo) entonces el servo perderá fuerza y dejará de intentar mantener su posición, de modo que cualquier fuerza externa podría desplazarlo.

615#


CAPÍTULO 10 INTRODUCCIÓN AL CONTROL AUTOMÁTICO Standards Certification Education & Training Publishing Conferences & Exhibits


INTRODUCCIÓN

CONTROL.- Acción o conjunto de acciones que buscan conformar una magnitud variable, o conjunto de magnitudes variables , en un patrón determinado.

617#

INTRODUCCIÓN

TODO-NADA

CONTROL CLASICO

REGULATORIO

Æ PROPORCIONAL Æ INTEGRAL Æ DERIVARTIVO

SERVO SOFTWARE

CONTROL AVANZADO CONTROL INDUSTRIAL DE EQUIPOS Y PROCESOS

Æ CONTROL ROBUSTO Æ CONTROL PREDICTIVO Æ CONTROL OPTIMO

CONTROL MODERNO

CONTROL INTELIGENTE

Æ LOGICA DIFUSA Æ REDES NEURONALES Æ ALGORITMOS GENETICOS

HARDWARE

CONTROL DISTRIBUIDO REDES DE COMUNICACION CONTROL DIGITAL UNITARIO SISTEMAS MINIMOS SCADA LAZOS UNITARIOS

618#

JERARQUÍA DE CONTROL TECNICAS DE CONTROL

OPTIMIZACIÓN CONTROL REGULATORIO AVANZADO Relación, Cascada, Prealimentación CONTROL REGULATORIO BASICO Retroalimentación CONTROLES DE SEGURIDAD

PROCESO

619#

TERMINOLOGÍA DE CONTROL AUTOMÁTICO

PERTURBACIONES

d(t)

VARIABLE MANIPULADA

Actuador


PROCESO

CONVERTIDOR O TRANSDUCTOR

VARIABLE CONTROLADA ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICION

Sensor

TRANSMISOR

CONTROLADOR

Señal normalizada

Señal normalizada PUNTO DE AJUSTE

620#

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

621#

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

622#

CARACTERISTICAS DEL CIRCUITO DE CONTROL ABIERTO

ENTRADA

SALIDA

9 LAS ACCIONES DEL CONTROL SON 9 PRECISAS (CON CALIBRACION ADECUADA). 9 ES INHERENTEMENTE ESTABLE. 9 ES BARATO Y SENCILLO. 9 EL CONTROL DEPENDE DE LA EXPERIENCIA DEL OPERADOR. 9 NO SE PUEDEN COMPENSAR TODAS LAS PERTURBACIONES.

GAS COMBUSTIBLE

CIRCUITO DE CONTROL ABIERTO 623#

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

624#

CARACTERISTICAS DEL CIRCUITO DE CONTROL RETROALIMENTADO 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

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 CORRIGEN HASTA QUE ALTERARON EL PROCESO. NO ELIMINA LOS TIEMPOS MUERTOS. MAS CARO, COMPLEJO Y DE MANTENIMIENTO MAS DIFICIL QUE LOS CIRCUITOS ABIERTOS. MAS INESTABLE QUE LOS CIRCUITOS ABIERTOS

TY 213

I

VAPOR

DEL REACTOR ALIMENTACIÓN

P

TIC 213

TV 213

TT 213 TE 213 AL REACTOR

V-213

CONDENSADO

625#

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”

626#

VARIACION

RESPUESTA

ESQUEMATIZACION DE UN PROCESO DESDE EL ENFOQUE DEL CONTROL

627#

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.

Y ( s) K (a m s m + a m−1 s m−1 +...+ a1 s + 1) G ( s) = = X ( s) bn s n + bn −1 s n − +...+b1 s + 1)

628#

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: X(s)

+

E(s)

-

G(s)

Y(s)

Y(s) G(s) ___ __________ = X(s) 1 + G(s)H(s) H(s)

Ecuación característica: 1 + G(s)H(s) = 0 629#

DISTURBIO.- Cualquier cambio en el proceso que afecta adversamente la cantidad o variable controlada. Ejemplos: - Un disturbio en la cantidad o variable controlada Al controlar flujo – cambia el caudal Al controlar nivel – cambia la velocidad del flujo que sale del tanque Al controlar temperatura – entra más producto - Cambio en la calidad del agente de control, tal como: La calidad del vapor cambia - Cambio de las condiciones ambientales Combustión – Cambia la temperatura del aire exterior

630#

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. CAMBIO EN LA ENTRADA

RESPUESTA EN LA SALIDA

PROCESO TIEMPO MUERTO MAS RETARDO DE PRIMER ORDEN

631#

DINÁMICA DEL PROCESO

PARAMETROS DE ESTABILIDAD: •GANANCIA •CONSTANTE DE TIEMPO •TIEMPO MUERTO

632#

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.

633#

CONSTANTE DE TIEMPO En una constante de tiempo se alcanza el 63.2% del cambio total y en consecuencia guarda relación con la

CAMBIO EN LA SALIDA %

velocidad de respuesta de un proceso.

CAMBIO EN LA ENTRADA

PRIMER CONSTANTE DE TIEMPO

100% 63.2% 0% TIEMPO

PROCESO

634#

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 LA ENTRADA

INICIO DEL CAMBIO EN LA ENTRADA

PROC ESO

635#

RETRASO DE PRIMER ORDEN

SALIDA ENTRADA 0

1

2

3

4

5

TIEMPO 636#

RETRASO DE PRIMER ORDEN MAS TIEMPO MUERTO

T

d

SALIDA

ENTRADA 0

1

2

3

4

5

TIEMPO Td =TIEMPO MUERTO

637#

PROCESOS AUTORREGULABLES

638#

PROCESO NO AUTO-REGULABLES 639#

TEORÍA DEL CONTROL AUTOMÁTICO LA TEORIA DEL CONTROL AUTOMATICO DEFINE EN EXPRESIONES MATEMATICAS EL COMPORTAMIENTO DE LOS SISTEMAS DESDE EL ENFOQUE DE SUS INTERRELACIONES DINAMICAS. EXISTEN DOS PRINCIPALES TEORIA:

ENFOQUES DE ESTA

• TEORIA CLASICA DEL CONTROL AUTOMATICO •TEORIA MODERNA DEL CONTROL AUTOMATICO

640#

TEORIAS DEL CONTROL AUTOMATICO TEORIA CLASICA DEL CONTROL AUTOMATICO

TEORIA MODERNA DEL CONTROL AUTOMATICO

• OCURRE EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA COMPLEJA

• OCURRE EN EL DOMINIO DEL TIEMPO

• SOLO MANEJA UNA ENTRADA Y UNA SALIDA (SISO)

• MANEJA MULTIPLES ENTRADAS Y MULTIPLES SALIDAS (MIMO)

• PARA PROCESOS CON PEQUEÑAS NO • PARA PROCESOS CON FUERTES NO LINEALIDADES, VARIABLES EN EL LINEALIDADES, INVARIANTES EN EL TIEMPO Y CON TIEMPOS MUERTOS TIEMPO Y CON TIEMPOS MUERTOS GRANDES PEQUEÑOS • NO MANEJA INTERACCIONES

• MANEJA EFICIENTEMENTE INTERACCIONES

• NO MANEJA RESTRICCIONES

• MANEJA EFICIENTEMENTE RESTRICCIONES

• ES EL ENFOQUE MAS UTILIZADO

• NO ES COMUN SU UTILIZACION

• SE DEFINE POR EL ALGORITMO PID

• SE DEFINE POR LA ECUACION DE ESTADO DEL CONTROL 641#

Ecuacion PID: m(t)=Kc*e(t) + 1/TI*∫ e(t)*dt + TD* de(t) + Mo d(t) m(t) e(t) R(t) c(t) Kc TI TD Mo

donde:

es la variable manipulada es el error y a su vez es igual a R(t) - c(t) es la variable de referencia o punto de ajuste es la variable controlada es la ganancia del controlador es el tiempo de Integral es el tiempo de Derivada es la constante de polarización del controlador (normalmente 50%)

642#

643#

LA TEORIA CLASICA DEL CONTROL AUTOMATICO BASA SU DESARROLLO EN LA UTILIZACION Y AJUSTE DE LA ACCION Y MODOS DE CONTROL DE LOS CONTROLADORES

644#

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).

645#

MODO PROPORCIONAL 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) + Mo DONDE: Kc.- Ganancia del controlador. Mo.- Constante de polarización del controlador. 646#

X

K=5

r=1

K=2 K=1

0

5

10

15

20

t

EFECTO DE LA GANANCIA SOBRE UN DISTURBIO.

647#

648#

MODO INTEGRAL (I) 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

649#

X

Ti=1 Ti=2

r=1

Ti=5 Ti=

0

5

10

15

20

t

EFECTO DEL TIEMPO DE INTEGRAL SOBRE UN DISTURBIO.

650#

MODO DERIVATIVO (D) 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

651#

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).

652#

X r=1

TD=0.1 TD=0.7 TD=4.5

0

5

10

15

20 t

EFECTO DEL TIEMPO DE DERIVADA SOBRE UN DISTURBIO.

653#

CONTROL PI Los modos PI son específicos cuando no existe tiempo muerto, los cambios de carga son moderados, y no se aceptan los efectos del corrimiento e(t) 1

u(t) Modo PI

Escalón unitario

2K Modo P

K Ti

t E(s)

K (1+Ti s)

t

U(s)

1+Ti s

654#

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. 655#

CONTROL PD

e(t)

u(t)

Modo PD T

1

D

Modo P

Rampa unitaria

t E(s)

t K (1+TD s)

U(s)

656#

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 MODO PROPORCIONAL, PERO MEJORA SU RESPUESTA. •EN GENERAL AUMENTA LA ESTABILIDAD CIRCUITO.

DEL

•SE PREFIERE EL USO DEL CONTROL PID EN LUGAR DEL PD.

657#

CONTROL PID

658#

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. 659#

660#

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 controlador Local: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)

661#

¿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

662#

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.

663#

Oscilación sostenida

R e 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 9

2 6 .9 7 S ( 0 .4 4 m in )

0 .0 0 8

F lu jo h id r ó g e n o (

0 .0 0 7 0 .0 0 6 0 .0 0 5 0 .0 0 4 0 .0 0 3 0 .0 0 2 0 .0 0 1 0 15

1 5 .1

1 5 .2

1 5 .3

1 5 .4

1 5 .5 T ie m p o ( m in )

1 5 .6

1 5 .7

1 5 .8

1 5 .9

16

664#

Ziegler-Nichols

Medir el periodo de la oscilación y determinar con que ganancia proporcional se obtiene esta oscilación, emplear las siguientes correlaciones:

Tipo de Controlador

Ganancia Proporcional

Tiempo de Integración

Tiempo de Derivación.

P

Kcu/2

---------

---------

PI

Kcu/2.2

Tu/1.2

---------

PID

Kcu/1.7

Tu/2

Tu/8 665#

Respuesta obtenida

Detalle Flujo Alimentación 0.00429

S.P. Flujo alimentación

Flujo hidrógeno (gr/s)

0.00428

0.00427

Flujo alimentación

0.00426

0.00425

0.00424 0

10

20 30 Tiempo (min)

40

50

666#

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). X a

0

Controlador P PI PID

b

Tu

Ganancia Kc = 0.5 Kcu Kc = 0.45 Kcu Kc = 0.75 Kcu

t Razón de decaimiento = b/a =1/4

Tiempo de integral Ti = Tu/1.2 Ti = Tu/1.6

Tiempo de derivada TD = Tu/10 667#

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. ym B

R 0

td

t

668#

MÉTODO DE LA CURVA DE REACCIÓN DE COHEN-COON

Controlador P PI PID

Ganancia t Kc = 1 τ ⎛⎜1 + d ⎞⎟ K t d ⎝ 3τ ⎠ t Kc = 1 τ ⎛⎜ 0.9 + d ⎞⎟ 12τ ⎠ K td ⎝

t Kc = 1 τ ⎛⎜ 4 + d ⎞⎟ K t d ⎝ 3 4τ ⎠

Tiempo de integral -

ti = td ti = t d

Tiempo de derivada -

30 + 3t d / τ 9 + 20t d / τ 32 + 6t d / τ 13 + 8t d / τ

tD = td

4 11 + 2t d / τ

669#

¿Autosintonización? • • • •

¿Qué es? ¿Es confiable? ¿Siempre esta disponible? ¿Cómo se usa?

670#

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 vectoresmatrices, 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). 671#

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 1

y(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)

672#


CAPÍTULO 11 INTRODUCCIÓN A SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL Standards Certification Education & Training Publishing Conferences & Exhibits


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.

674#

Sistemas para pequeñas instalaciones de control 2. Controladores independientes multilazo • Este tipo de controladores constituyen la nueva generación del controlador de tablero, descrito como antecedente. • Las posibilidades de la electrónica han logrado que esta generación de controladores electrónicos (digitales, por supuesto) sea capaz de gobernar simultáneamente un número de lazos superior a uno (típicamente 4, 8 Ó 16), • Hoy en día la utilización habitual de estos dispositivos se reduce a pequeñas aplicaciones, no integrales, en las que el número de señales es suficientemente reducido como para no justificar sistemas más complejos. • La visualización de las variables medidas y los parámetros de control se puede realizar mediante una pequeña pantalla o visor localizada sobre el propio controlador, frecuentemente instalado en campo. La mayoría de las plantas químicas o afines exige un número de señales superior a las que justificarían la selección de un sistema de las características mencionadas por lo que su empleo no resulta demasiado frecuente en esos casos, salvo aplicaciones aisladas.

675#

Sistemas para pequeñas instalaciones de control

INTERFASES DEL OPERADOR

676#

EL PLC 677#

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.

678#

Sistema de PLC básico 24 VCD

120 VCA

INTERRUPTOR DE LIMITE

VÁLVULA SOLENOIDE

BOTON PULSADOR MODULOS DE ENTRADA

CPU

MODULOS DE SALIDA

CONTROL DEL RELEVADOR

LUZ DEL PANEL

INTERRUPTOR DE NIVEL

ALIMENTACIÓN DEL SISTEMA

679#

El PLC

• • •

Para procesos discretos, el PLC no tiene competencia y su uso es universal. Puede manejar fácilmente señales continuas (analógicas) y algoritmos de control. Se programan, mediante una PC o un programador portátil.

680#

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.

• • • •

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.

Por lo que el PLC puede tener aplicaciones en las siguientes áreas:

681#

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.

682#

ESTRUCTURA DE UN PLC

ESTRUCTURA EXTERNA Actualmente son tres las estructuras más significativas que existen en el mercado: •Estructura compacta. •Estructura semimodular ( Estructura Americana) •Estructura modular (Estructura Europea)

683#

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.

684#

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).

685#

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.

686#

FUENTE DE PODER

CPU

4 RANURAS

FUENTE DE PODER

CPU

8 RANURAS

FUENTE DE CPU PODER

16 RANURAS

MONTAJE MODULAR TIPICO DE LOS PLC´s

687#

TARJETA DE COMUNICACIONES DEL PLC

MONITOR A COLOR

IMPRESORA TECLADOS CABLE DE COMUNICACIONES

FUENTE DE CPU XX DI PODER

DI DI

DI DO DO DO AI AI

AI AO AO TC TC TC

16 RANURAS

ARREGLO TIPICO DE UN SISTEMA BASADO EN UN PLC

688#

SEÑALES DE/A CAMPO

RED DE CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES 689#

ESTRUCTURA INTERNA DE UN PLC

MEMORIA

MICROPROCESADOR

- Sistema operativo - Memoria de E/S - Programa de usuario - Memoria de estados internos - Salvaguarda de datos - Variables interna

- Vigila el tiempo de ejecución - Ejecuta el programa usuario - Crea imagen de entradas - Actualiza el edo. de salidas - Chequea el sistema.

REGISTROS Y UNIDADES E/S

ACOPLADORES E/S

- SENSORES - ACTUADORES

E/S SERIE

RELOJ

EXPANSION E/S

- E/S ADICIONALES - E/S ESPECIALES

- RS-485 - RS-232 - MODBUS - UNIDADES DE PROG

FUENTE DE ALIMENTACION

BUS EXPANSION

RED INDUSTRIAL LAN WAN

690#

SECUENCIA DE OPERACIÓN DE UN PLC IMAGEN DE LAS ENTRADAS

ENTRADAS

EJECUCIÓN DEL PROGRAMA DE USUARIO

IMAGEN DE LAS SALIDAS

SALIDAS

WATCHDOG (PERRO GUARDIÁN)

691#

Funciones del PLC

Redes de comunicación Entradas/ salidas distribuidas

Buses de campo

Control de Procesos continuos

Funciones Avanzadas Del PLC Sistemas de supervisión

692#

Programación de lógica de escalera • Formato típico de lógica de escalera • Instrucciones de lógica de escalera • Diagramas de cableado Entrada/Salida

693#

Formato típico de la lógica de escalera

Continuous path required Se requiere de una trayectoria for logic continua para continuity la continuidad lógica

694#

Formato típico de la lógica de escalera

Escalón 0 BOTON PULSADOR BOTON PULSADOR N.A. NORMALMENTE CERRADO ARRANQUE PARO I:1/1 I:1/0

ARRANQUE DEL MOTOR O:3/0

ARRANQUE DEL MOTOR O:3/0

695#

Diagrama del cableado de entradas SLOT 1 PB1

H

ARRANQUE PB PB2 K1

PARO PB MOTOR AUX.

0

I:1/00

1

I:1/01

2

I:1/02

3

I:1/03

4

I:1/04

5

I:1/05

6

I:1/06

7

I:1/07

N NEUTRo

HOT 120V CA

696#

Diagrama del cableado de salidas CA SALIDA MODULO SLOT 3

120 VCA H

N

H

O:3/0

0

O:3/1

1

O:3/2

2

O:3/3

3

O:3/4

4

O:3/5

5

O:3/6

6

O:3/7

7 N

ARRANCADOR DE LA BOMBA

K1

697#

SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS

698#

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.

699#

DAS Convencional

700#

SISTEMA DE CONTROL SEÑALES DEL PROCESO (DE SENSORES, TRANSMISORES O INTERRUPTORES)

SEÑALES HACIA LOS

ASOCIADO

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

(ANALOGICO o DIGITAL)

SEÑALES ANALOGICAS

SEÑALES DIGITALES A/ D

ACONDICIO NADOR DE S EÑA LES

Y MULTIPLEXOR

SISTEMA DE

INFORMACION PROCESADA

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACION

DESPLEGADOS GRAFICOS REPORTES SUMARIOS INDICES TENDENCIAS BALANCES, ETC.

ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS (SAD)

701#

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.

702#

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.

703#

SISTEMAS SCADA SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION

704#

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.

705#

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.

706#

MODEM

MODEM

MODEM

RADIO UNIDAD TERMINAL MAESTRA MODEM

INTERFASES RADIO

RADIO MODEM

MODEM UNIDAD TERMINAL REMOTA No. 4

UNIDAD TERMINAL REMOTA No. 1



707#

708#

SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO

709#

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.

710#

SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO (SCD) Consola central de control

TRAYECTORIA DE DATOS Controlador basado en micro -procesador 1

Controlador basado en micro -procesador 2

Controlador basado en micro -procesador N

Unidad de Proceso 1

Unidad de Proceso 2

Unidad de Proceso N

711#

SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO Características

- 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 712#

ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO 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: •

• • • •

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 713#

MODULOS DE CONTROL (SU NUMERO DEPENDE DEL TIPO DE SISTEMA DE CONTROL)

C-1

SEÑALES DEL PROCESO (DE SENSORES, TRANSMISORES O INTERRUPTORES) SEÑALES ANALOGICAS

Y

C-2

C-3

C-4 SEÑALES HACIA LOS

INTERFASES DE ENTRADA CON EL PROCESO

SEÑALES DIGITALES

C-5

SEÑALES MULTIPLEXADAS

A/DE OTROS SISTEMAS

C-6

C-7

INTERFASES DE SALIDA CON EL PROCESO

C-8

SISTEMA DE COMUNICACIONES

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL SEÑALES ANALOGICAS

Y

SEÑALES DIGITALES

SEÑALES MULTIPLEXADAS

DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO MASIVO

INTERFASES MAQUINA-MAQUINA

DESPLEGADOS GRAFICOS REPORTES INTERFASES CON EL OPERADOR

SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS

SUMARIOS INDICES INFORMACION PROCESADA

TENDENCIAS BALANCES, ETC.

ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO (SCD) ALTERNATIVA No. 1 (DISTRIBUCION FUNCIONAL UNICAMENTE)

714#

INTERFASES MODULO DE ENTRADA DE Y SALIDA CONTROL CON EL PROCESO Y ENLACE

SEÑALES ANALOGICAS Y SEÑALES DIGITALES DE ENTRADA Y SALIDA


CANAL DE COMUNICACIONES







SISTEMA DE ENLACE O O DE COMUNICACIONES


A/DE OTROS SISTEMAS








DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO MASIVO

INTERFASES MAQUINA-MAQUINA

DESPLEGADOS GRAFICOS INTERFASES CON EL OPERADOR

SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS

REPORTES SUMARIOS INFORMACION PROCESADA

INDICES TENDENCIAS BALANCES, ETC.

ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO (SCD) ALTERNATIVA No. 2 (DISTRIBUCION FUNCIONAL Y GEOGRAFICA)

715#

ARQUITECTURA LINEAL TIPO BUS DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO Módulo de Cálculo

Módulo de Registro de eventos

Módulo de Historia Módulo de Acceso a computadora

Interfase hombre-Máquina

Módulo de Aplicación

Otros Módulo de Control Laser printer PC

PC

PC

RED DE CONTROL LOCAL

Interfase Serial para PC Interfase de propósito general Puerto de la pista de datos

Controlador Extendido

Controlador de Multifunción Controlador de procesos críticos

Conexiones del proceso

Workstation

PISTA DE DATOS

Controlador Básico

Controlador Avanzado (HPM)

E/S Remotas Interfase con Unidades del proceso

Conexiones del proceso

Estación de operador

PC

Interfase de red de alta Velocidad

Interfase de baja Velocidad

RED UNIVERSAL DE CONTROL

Interfase de Procesador

716#

717#

DISPLAY GRÁFICO DE UN SCD

718#

DISPLAY DE TENDENCIA DE UN SCD

719#

RESUMEN DE ALARMAS DE UN SCD

720#

COMPARACIÓN ENTRE UN SCADA Y UN SCD

721#

GRACIAS POR SU PARTICIPACION

722#

Curso ISA Presentation Instrumentación Básica

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