curso-isa-instrumentacion basica de procesos industriales-editado

5/8/2018 Curso-Isa-Instrumentacion Basica de Procesos Industriales-editado - slidepdf.com

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5#

TEMARIO

1. Introducción.

- La Instrumentación como factor de aumento de calidad y eficiencia en la

producción.- Seguridad.- Exactitud y precisión.- Errores de medición.- Calibración.

- Hojas de especificación de instrumentos.

2. Simbología ISA

- Diagramas de tubería e instrumentación.- Nomenclatura.

- Terminología.- Diagramas funcionales de instrumentación.- Índice de instrumentos.



6#

3. Medición de temperatura.

- Generalidades.

- Unidades.-Termómetros clínicos industriales, sistemas llenos, termopares,elementos de resistencia, termistores, termopozos.

- Instalación.- Patrones y tablas.

- Aplicaciones.

4. Medición de presión

- Generalidades.- Unidades.

- Tipos de sensores.- Tipos de medidores.- Normas.- Instalación.- Aplicaciones.



7#

5. Medición de nivel.

- Tanques atmosféricos.- Recipientes a presión.- Tipos de sensores.- Aplicaciones.

6. Medición de flujo.- Importancia de la medición de flujo de fluidos.- Unidades.- Diferentes principios para la medición de flujo.

- Aplicaciones.- Instalación.



8#

7. Mediciones analíticas

- Cromatografía de gases

- Analizador de infrarrojo- Analizador de oxígeno

8. Equipos auxiliares.

- Transmisores.

- Indicadores.- Registradores.- Convertidores.- Transductores.- Interruptores.- Buses de campo.- Clasificación de áreas.



9#

9. Elementos finales de control.

- Introducción.

- Características de control.- Tipos de válvulas de control.- Actuadores.- Posicionadores.- Variadores de velocidad

- Servomotores

10. Introducción al control automático.

- Introducción.- Jerarquía de control.- Terminología de control automático.- Lazo abierto y lazo cerrado.- Disturbios.- Parámetros de estabilidad.

- Modos de control: dos posiciones, proporcional, integral y derivativo.- Sintonización de controladores.- Teoría moderna de control.



10#

11. Introducción a sistemas de control digital para supervisión y control

de procesos industriales.

- Control unitario SISO

- PLC

- Sistemas de adquisición de datos

- Sistema SCADA

- Sistemas de control distribuido.



12#

1. INTRODUCCIÓN

¿Qué es la instrumentación?

¿Porqué es importante?

¿Qué relación guarda con el control de un proceso?

¿Cuáles son las características básicas de uninstrumento?

¿En que influye la selección correcta de uninstrumento?



13#

Proceso

• Un proceso es una parte de una planta de manufactura, en la cuál, elmaterial o la energía es convertida a otras formas de material o energía.

Ejemplos: – Cambio en presión, temperatura, velocidad, potencial eléctrico, etc.

PROCESO

Entrada de airecaliente

Salida deaire frío



14#

Proceso continuo y proceso batch

• Proceso Continuo – El material es introducido y removido del proceso al mismo tiempo y

el proceso una vez iniciado, no para (Reacciones químicas,destilaciones, separaciones, etc).

• Proceso Batch

– El material se agrega a un contenedor; algún proceso se lleva acabo; el producto es removido y se sigue una secuencia que puedeparar o reiniciarse (Bebidas alcoholicas, productos alimenticios, etc).



15#

Sistema

Conjunto de elementos ordenados quecumplen un objetivo, y uno solo de estoselementos no puede cumplir, por si solo, eltrabajo de todo el sistema.



16#

Control

Acción o conjunto de acciones que buscanconformar una magnitud variable, o conjuntode magnitudes variables, en un patróndeterminado.



17#

Esquema general de control

Medición

Decisión

Acción



18#

Control de procesos

• La regulación o manipulación de variables que influencian en el

comportamiento de un proceso de una forma determinada para obtener unproducto con una calidad y una cantidad deseadas de una manera eficiente

DISTURBIOS

PROCESO

VARIABLECONTROLADA

VARIABLEMEDIDA

CONTROLADOR

VARIABLESMANIPULADAS



19#

Razones de control

•Seguridad•Estabilidad

•Optimización•Protección ambiental



20#

Seguridad

Preservar bajo cualquier condición la integridad del

personal y equipo involucrado en la operación de losprocesos.



21#

Estabilidad

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



22#

Optimización

Asegurar el máximo beneficio económico en la operaciónde los procesos.



23#

Protección ambiental

Reducir a su mínima expresión el impacto ecológico delos efluentes del proceso, para cumplir con todas lasnormatividades aplicables.



24#

y

t

Variable Analógica

y

t

Variable Digital

TIPOS DE VARIABLES DE ACUERDO A SU

COMPORTAMIENTO EN EL TIEMPO

Tipos de variables



25#

Señal analógica

Dominio del tiempo

VibraciónVozSonar

TemperaturaPresiónFlujoEsfuerzo

DC

ECGPresión de sangreTransientesCromatografía

0.985

t t f

Dominio de la frecuencia



26#

Señal digital

Señal On-Off Tren de pulsos

Entrada:Lectura de un encoder

Salida:Mueve un motor a pasos

Entrada:Cierre o apertura de uninterruptor

Salida:Abre o cierra una válvula

on

off t

1-

0-t



27#

Metrología

La metrologLa metrologííaa es la ciencia de las medidas, cuyoes la ciencia de las medidas, cuyoestudio comprende los patrones, las magnitudes yestudio comprende los patrones, las magnitudes y

los sistemas de unidades.los sistemas de unidades.

La metrologLa metrologíía estudia la fiabilidad de la relacia estudia la fiabilidad de la relacióónnestablecida entre cualquier magnitud y su patr establecida entre cualquier magnitud y su patr óón.n.

*La medición es el “proceso por el cual se asignannúmeros o símbolos a atributos de entidades del

mundo real de tal forma que los describa de acuerdocon reglas o patrones claramente definidos" [Fentony Pfleeger, 1997].

*Fenton, N.E. y Pfleeger, S.L., Software metrics. A rigurous and practical approach, PWSPub, 1997



28#

Magnitud o Cantidad

Atributo de un fenAtributo de un fenóómeno, cuerpo o sustancia quemeno, cuerpo o sustancia que

puede ser distinguido cualitativamente y determinadopuede ser distinguido cualitativamente y determinadocuantitativamente. Ejemplos de magnitudes:cuantitativamente. Ejemplos de magnitudes:

BBáásicas: Longitud, masa, tiempo.sicas: Longitud, masa, tiempo.

Derivadas: Velocidad, calor,Derivadas: Velocidad, calor, áárea.rea.

Particulares: ConcentraciParticulares: Concentracióón de etanol, resistencian de etanol, resistenciaelelééctrica de un cable, Calor ctrica de un cable, Calor íías que aporta unas que aporta un

alimento.alimento.



29#

Unidades de medida

KTTemperatura

stTiempo

mLLongitud

KgMMasa

Unidades SIRepresentación

dimensional

Magnitud

Magnitudesfundamentales

Magnitudes

derivadas

Kg/m/sML-1

t-1

Viscosidad

J/Kg (N-m/Kg)FL/M=M2L-2Energía interna u

W (Kg/m/s3)FL/t=ML-1t-3Potencia

J (Kg/m/s2)FLEnergía

Kg/m3ML-3Densidad

Pa(N/m2)FL2=ML-1t-2Presión

m3L3Volumen

m2L2Area

N(Kg.m/s2)ML2t-2Fuerza

m/s2Lt-2Aceleración

m/sLt-1Velocidad



30#

Rango y Span

• Rango.- Región entre los límites en los cuáles una cantidad es medida,

recibida o transmitida, expresada al establecer los valores de rango

mínimos y máximos.

• LRV (Valor de rango mínimo).- El valor mínimo de la variable medida que

un dispositivo esta ajustado para medir.

• URV (valor de rango máximo).- El valor máximo de la variable medida que

un dispositivo esta ajustado para medir.

• Span.- Diferencia algebraica entre los valores máximo y mínimo.



31#

Rango de las variables medidas

RANGOS TÍPICOS TIPO DE RANGO RANGO VALORBAJO DEL

RANGO

VALORALTO DERANGO

SPAN

TERMOPAR K VARIABLE MEDIDA 0 A 2000 oF 0 oF 2000 oF 2000 oF

SEÑAL ELÉCTRICA -0-68 A 44.91 mV -0.68 mV. + 44.91 mV. + 5.556 mV.

MEDIDOR DEFLUJO

VARIABLE MEDIDA 0 A 10,000 LB/HR 0 LB/HR 10,000 LB/HR 10,000LB/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.

PRESIÓNDIFERENCIAL

VARIABLE MEDIDA 10 A 100 “H2O 10 “H2O 100 “H2O 90 “H2O

SEÑAL ELÉCTRICA 4 A 20 mA. C.D. 4 mA. C.D. 20 mA. C.D. 16 mA. C.D.



32#

Ejemplo de rango de variables medidas

¿Cual será la señal en mA. que entrega un transmisor de

presión que mide 32.3 Kg/cm

2

en un rango calibrado de0-70 Kg/cm2, si el transmisor entrega su señal en unrango de 4-20 mA. C.D.?



33#

Medición

Algunos de los factores que afectan la medición son:

• La exactitud,• La precisión,• La resolución,

• La repetibilidad,• La reproducibilidad,• La linealidad,• La histéresis•• El error • La incertidumbre.



34#

Exactitud de la medición

**La exactitud de la medición es la concordancia entre un valor

obtenido experimentalmente y el valor de referencia. Es función de larepetibilidad y de la calibración del instrumento.

La precisión es el grado de concordancia entre una serie dedeterminaciones obtenidas de repetir la medición y se expresa como la

desviación estándar relativa o el coeficiente de variación.Es función dela repetibilidad y la reproducibilidad.

La resolución de un instrumento es el mínimo valor confiable que

puede ser medido en un instrumento.



35#

100%

0%

SPAN

100

90

80

70

60

5040

30

20

10

0

1009080706050403020100

V A L O R E S

D E

E N T R A D A

VALOR DESEADO

SALIDA MEDIDA

RANGO DE EXACTITUD± 5 % span

Exactitud de la medición



36#

Repetibilidad y Reproducibilidad

La repetibilidad es la precisión de resultados de medición

expresado como la concordancia entre determinaciones omediciones independientes realizada bajo las mismascondiciones (operador, tiempo, aparato, lugar, método, etc).

Reproducibilidad de la medición es la precisión de resultadosde medición expresado como la concordancia entredeterminaciones independientes realizadas bajo diferentes

condiciones (operador, tiempo, aparato, lugar, método, etc).



37#

100%

0%

SPAN

100

90

80

70

60

5040

30

20

10

0

1009080706050403020100

V A L O R E S

D E

E N T R A D A

VALOR DESEADO

SALIDA MEDIDA

Repetibilidad y Reproducibilidad

EL INSTRUMENTO CON QUE SE REALIZA LAMEDICIÓN ES UN INSTRUMENTO PRECISO,MAS NO EXACTO



38#

Linealidad

SALIDA

LINEAL

FLUJO

CURVA CARACTERÍSTICA

LINEALIDAD (ENTRADA/SALIDA)

Se define como la cercania con la cual una curva se aproxima a una línearecta. La linealidad es usuamente medida como una no linealidad y

expresada como linealidad. Hoy en día algunos instrumentos tienen unajuste de linealidad

LINEALIDAD



39#

Histéresis

SALIDA

LINEAL

FLUJO

Es la medida de la diferencia en respuesta de un dispositivo o sistemaal incrementar la señal de entrada de un valor mínimo a un valormáximo y, con respecto a cuando se decrementa de un máximo a unmínimo sobre el mismo rango.

H I S T E

R E S I S



40#

Error

Diferencia algebráica entre los valores indicados y losvalores verdaderos de la variable medida. Existen

diferentes tipos de errores:

• Error de span

• Error de cero• Error de linealización



41#

Error de cero

100%

VALOR VERDADERO

0

100%

% DE ENTRADA

% D E S A L I D A

ERRORES DE CERO

Un instrumento tiene un error de cero cuando todas las indicacionesdel instrumento son consistentemente altos o consistentemente bajos

a través del rango completo del instrumento cuando es comparadocon la salida deseada.



42#

Error de Span

En el error de span, la desviación del valor ideal varía en diferentespuntos a lo largo del rango del instrumento. Normalmente se

incrementa, cuando la señal de entrada se incrementa.

100%

VALOR VERDADERO

0

100%

%

D E S A L I D A

ERRORES DE SPAN

% DE ENTRADA



43#

Errores de Span y de Cero combinados

100%

VALOR VERDADERO

0

100%

% D

E S A L I D A

COMBINACIÓN DEERRORES DESPAN Y CERO

% DE ENTRADA



44#

Error de linealidad

Es cuando el resultado de la salida no presenta una línea recta conrespecto al valor de entrada. El error de no linealidad puede ser

corregido durante la calibración si el instrumento tiene un ajuste de nolinealidad. Generalmente se recomienda tomar 5 puntos.

LINEAL

0

100%

% D

E S A L I D A

100%% DE ENTRADA

ERRORES CAUSADOSPOR LA NO LINEALIDAD

E ifi ió d t í ti d



45#

Especificación de características de un

instrumentoUn 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 enfunción de los factores que afectan su medición, como ejemplo:

Exactitud : ± 0.2% de span calibrado. Aquí se incluye efectos

combinados de lo siguiente: Repetibilidad : ± 0.05% de span calibrado

Linealidad : ± 0.1% de span calibrado

Histéresis : ± 0.05% de span calibrado



46#

•• Ciencias exactas.Ciencias exactas.

•• Respuesta a cuestiones planteadas por la ciencia.Respuesta a cuestiones planteadas por la ciencia.

•• InvestigaciInvestigacióón cientn cientíífica.fica.•• Manufactura.Manufactura.

•• Control de calidad.Control de calidad.

•• InspecciInspeccióón y vigilancia.n y vigilancia.•• TTéécnica.cnica.

•• Forma parte del ciclo de mejora continua del sistema deForma parte del ciclo de mejora continua del sistema de

administraciadministracióón de la calidad.n de la calidad.•• Es un pilar que soporta la calidad.Es un pilar que soporta la calidad.



47#

•• Con la finalidad de evaluar su eficiencia.Con la finalidad de evaluar su eficiencia.

•• Poder comparar mediciones con patrones de referencia.Poder comparar mediciones con patrones de referencia.

•• Poderse comparar con otros laboratorios.Poderse comparar con otros laboratorios.•• Interpretar resultados de la ciencia, la ingenier Interpretar resultados de la ciencia, la ingenier íía, ela, el

comercio, la industria.comercio, la industria.

•• Tener un criterio objetivo para adquisiciTener un criterio objetivo para adquisicióón de equipo.n de equipo.•• Seleccionar el equipo adecuado para un proceso deSeleccionar el equipo adecuado para un proceso de

medicimedicióón especn especíífico.fico.

•• Comprender reglamentaciones oficiales.Comprender reglamentaciones oficiales.



48#

•• AnteriormenteAnteriormente:: error error y any anáálisis delisis de erroreserrores..

•• El error es el resultado de una medida menos el valor El error es el resultado de una medida menos el valor

verdadero del mensurando.verdadero del mensurando.

•• ActualmenteActualmente:: Incertidumbre.Incertidumbre.

•• La incertidumbre refleja la imposibilidad de conocer elLa incertidumbre refleja la imposibilidad de conocer elvalor del mensurando y corresponde a la duda delvalor del mensurando y corresponde a la duda delresultado de la mediciresultado de la medicióón, an, aúún cuando sean eliminadosn cuando sean eliminadoslos errores detectados.los errores detectados.

I tid b d l M di ió



49#

Incertidumbre de la Medición

Parámetro asociado al resultado de una medición que caracteriza ladispersión de los valores, que podrían razonablemente ser atribuídos almensurando.



50#

¿Qué nos da a conocer la Incertidumbre?

••Caracteriza la calidad del resultado de unaCaracteriza la calidad del resultado de una

medicimedicióón.n.••Refleja la imposibilidad de conocer exactamente elRefleja la imposibilidad de conocer exactamente elvalor del mensurando.valor del mensurando.

••Corresponde a laCorresponde a la dudaduda del resultado de medicidel resultado de medicióón.n.••Corresponde a la duda una vez eliminados oCorresponde a la duda una vez eliminados ocorregidos los errores detectados.corregidos los errores detectados.



51#

Fuentes de Incertidumbre

•• Principio de medida.Principio de medida.

•• MMéétodo de medida.todo de medida.

•• Procedimiento de medida.Procedimiento de medida.

•• Correcciones por errores detectados.Correcciones por errores detectados.

•• Correcciones por cantidades de influencia.Correcciones por cantidades de influencia.

•• Valores inexactos de patrones.Valores inexactos de patrones.

•• Muestra no representativa del mensurando.Muestra no representativa del mensurando.

•• Aparatos de mediciAparatos de medicióón.n.

•• MMéétodo de medicitodo de medicióón.n.

•• Variables no controladas (temperatura, humedad, presiVariables no controladas (temperatura, humedad, presióónnatmosf atmosf éérica, corrientes de aire, variacirica, corrientes de aire, variacióón de energn de energíía ela elééctrica,ctrica,

variacivariacióón de flujo de agua,n de flujo de agua, etcetc).).

Normativa de estimación de



52#

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, ellaboratorio debe al menos intentar identificar todos loscomponentes de la incertidumbre y hacer una estimación razonablebasada en el conocimiento del desempeño del método y delalcance 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 incertidumbreque sean de importancia para la situación dada; usando métodos

apropiados de análisis.

C lib ió



53#

Calibración

La calibración de un instrumento es el conjunto de operaciones queestablece, bajo condiciones especificas, la relación entre valores

indicados por un instrumento de medición o sistema de medición o losvalores representados por una medida materializada y los valorescorrespondientes de la magnitud, realizada por los patrones. En formasimple se define como la comparación de las indicaciones de uninstrumento contra un patrón, sin efectuar ningún ajuste.

CALIBRACIÓN APROPIADA

MEDICIÓN EXACTA

BUEN CONTROL DEL PROCESO

SEGURIDAD Y COSTOS BAJOS

Diagrama de bloq es de la calibración



54#

Diagrama de bloques de la calibración

INSTRUMENTOBAJO PRUEBA

PROCESO OENTRADASIMULADA

MEDICIÓNDE ENTRADA PATRÓN

(NORMALIZADA)

MEDICIÓNDE SALIDA(NORMALIZADA)

FUENTE DE ENERGÍA

Programas de calibración de



55#

Programas de calibración deinstrumentos

PROGRAMA ANUAL DE CALIBRACIÓN DE EQUIPOS DE MEDICIÓN

2003

CLAVE

INVENTARIONOM BRE DEL EQUIPO M ARCA M ODELO NO. SERIE

VIDA ÚTIL

DEMANDANTE

RANGO DE

MEDICIÓNPRECISIÓN

COMPAÑÍA QUE

DA EL SERVICIO

PERIODO DE

SERVICIO

S/N Transductor de vacío Baratron 622A TAE-5 619741 10 años 0 a 10 Torr -0.25% E.T.I1 IMP 6 meses*S/N RTD PT100 Fondo Jupiiter JAX1 PT100 9550 10 años -40 a 420oC +-1.0 oC IMP 1 año

S/N RTD PT100 Domo Jupiter JAX PT100 15 10 años -40 a 420oC +-1.0 oC IMP 1 año

S/N RTD PT100 Baño Jupiter JAX2 0H12004 9537 10 años -40 a 420oC +-1.0 oC IMP 1 año

S/N Probeta graduada Pyrex 3062 CB12624 10 años 0-250 ml. +-1.4 ml IMP 1 año

20092 Báscula electrónica Mettler PM30-K L21759 10 años 0-30 Kg. +-1.0 g IMP 1 año

134138 Indicador de temperatura Eurotherm 8155 931-001-007-9 10 años 0-40 oC 0.015 oC IMP 1 año

P t d lib ió



56#

Patrones de calibración

PATRÓN (de medición)

Medida materializada, instrumento de medición, material dereferencia o sistema de medición destinado a definir, realizar,conservar o reproducir una unidad o más valores de unamagnitud para utilizarse como referencia.

PATRÓN NACIONAL (de medición)

Patrón reconocido por una decisión nacional en unpaís, que sirve de base para asignar valores a otrospatrones de la magnitud concerniente.

Pat ones de calib ación



57#

Patrones de calibración

PATRÓN (de medición).- Medida materializada, instrumento demedición, material de referencia o sistema de medición destinado

a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o másvalores de una magnitud para utilizarse como referencia.

PATRÓN NACIONAL (de medición).- Patrón reconocido por unadecisión 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 paracalibrar o controlar las medidas materializadas, instrumentosde medición o los materiales de referencia.

Trazabilidad de la medición



58#

Trazabilidad de la medición

Propiedad del resultado de una medición o del valor de un patrón por lacual pueda ser relacionado a referencias determinadas generalmentepatrones nacionales o internacionales por medio de una cadena

ininterumpida de comparaciones teniendo todas las incertidumbresdeterminadas.

Patrón Nacional o Primario

Consumidor, industria, comercio

Definición de laUnidad de Medida

Laboratorio Nacional

Laboratorios de

Calibración Acreditados

Instrumento de Medición o equipo

calibrado

BIPM

Patrón de Referencia

Patrón de Trabajo

Ejemplo de trazabilidad de la medición



59#

Ejemplo de trazabilidad de la medición

Patrones de trabajo



60#

Patrones de trabajo

PATRONES

MANÓMETROS COLUMNAS H2O HGPOTENCIOMÉTRICOS

PUENTE DE WHEATSONEBALANZA DE PESOS MUERTOS

Calibradores neumáticos



61#

Calibradores neumáticos

Balanza de pesos muertos



62#

Balanza de pesos muertos

Calibrador de flujo



63#

Calibrador de flujo

Calibrador de presión



64#

Calibrador de presión

7 8 9

654

1 2 3

0 .+/- ENTER

SETUP

RANGECLEAR(ZERO)

V

MEASSOURCE

mA

TCRTO

VHz

SAVE MORECHOICES

SCALEENGUNITS

AUTO RANGE0 15 30 mA

20.451 mA

11/18/93 07:44:08SOURCE OFF

FLUKE 702

VRTD

MA MA

RTD

MEAS

V

SOURCE30VMAX

300VMAX

MEASURE

~

DOCUMENTING PROCESSCALIBRATOR

Medición Industrial



65#

Medición Industrial

•Medición Local

•Medición Remota

Medición Local



66#

Medición Local

MEDICIÓNLOCAL

MANÓMETROS MIRILLAS

DE NIVEL

TERMOMETROSMIRILLAS

DE FLUJO

Medición Remota



67#

Medición Remota

MEDICIÓNREMOTA

TRANSMISORESNEUMÁTICOS

TRANSMISORESELÉCTRICOS

TRANSMISORESDIGITALES

Instrumentación



68#

La instrumentación es una especialidad referente a los

instrumentos de medición, principalmente a los utilizadosindustrialmente, y forma parte primordial dentro de unsistema 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 unabuena especificación y selección de la instrumentaciónóptima en un proceso industrial lo cual contribuirá comoun factor de aumento de calidad y eficiencia en laproducción.

Hojas de datos de instrumentos



69#

j

Una hoja de datos es una tabla donde se introducen losdatos de proceso mínimos necesarios para efectuar la

especificación de un instrumento, como pueden ser:temperatura normal y máxima de operación, presión normaly máxima de operación, material de la tubería, tipo defluído, diámetro de la tubería, etc.

En un proyecto, generalmente estos datos se toman deldiagrama de flujo de proceso y del diagrama de tubería einstrumentación, en el que se indican las condiciones de

operación de los puntos importantes del proceso y lascaracterísticas de los recipientes y de las líneas de tubería.




70#




71#

Hoja de especificación de instrumentos



72#

j p

Una hoja de este tipo especifica las característicasgenerales y específicas del instrumento para su compra.

Para el llenado de esta hoja, es necesario conocer el tipode instrumento que se ha seleccionado en base a lascondiciones de operación plasmadas en las hojas de datos

de instrumentos.La hoja de especificación es un documento básico dentrode la ingeniería de proyecto, ya que fundamenta la compra

y sirve de apoyo para las diferentes actividadessubsecuentes de un proyecto, como los típicos deinstalación, diagramas de alambrado, suministros deenergía, etc.



73#

Hojas deespecificación

de

instrumentos(ISA S20)



74#


de

instrumentos(ISA S20)



75#


deinstrumentos

(ISA S20)

Evolución de la instrumentación ycontrol



76#

control

PERÍODO ANTES DE

19201930

A 19401940

A 19501950

A 19601960

A 19701970

A 19801980

A 19901990

EN ADELANTE

INSTRUMENTACIÓN

MEDICIONES

LOCALES

ELEMENTOSFINALES DECONTROL

PRIMEROS

SERVOMECANISMOS

ACTUADORESNEUMÁTICOS

PRIMEROS

INSTRUMENTOSELECTRÓNICOS

PRIMERASCELDAS DE

PRESIÓN DIF.

SURGE LA

CROMATOGRAFÍADE GASES

SURGEN NUEVOSPRINCIPIOS DE

MEDICIÓN

DESARROLLO DE

NUEVOSCONTROLADORES

ELECTRÓNICOSMAS CAPACES

SE DESARROLLANNUEVOS TIPOS

DE VÁLVULAS DECONTROL

SE INTRODUCEN

LOS MICROPROCESADORES

EN LAINSTRUMENTACIÓN

SE

DESARROLLANNUEVOS

INSTRUMENTOSCON MEJOREXACTITUD Y

CONFIABILIDADCON PRECIOSREDUCIDOS

SE

DESARROLLANINSTRUMENTOSINTELIGENTES

CONFUNCIONESMÚTLIPLESCON AUTO

CALIBRACIÓN YAUTO

DIAGNÓSTICO

SISTEMASDE

CONTROL

CONTROLMECÁNICO

CONTROLDE DOS

POSICIONES

PRIMEROSCONTROLESNEUMÁTICOS

PID

PRIMEROSCONTROLES

LÓGICOSPROGRAMABLES

DESARROLLODE LA TEORÍADE CONTROL

MODERNA

PRIMERASTÉCNICAS DE

SINTONÍA

SE DEFINEN LASBASES DECONTROL

SUPERVISORIO YDE CONTROL

DIGITAL DIRECTO

SE DEFINEN LAS

BASES DECONTROL

DISTRIBUIDO

SE DESARROLANLOS PRIMEROS

PLC´s DIGITALES

SE INCREMENTALA CAPCIDAD DE

LOS SISTEMAS DECONTROL

DISTRIBUIDO Y DELOS PLC´s

SEDESARROLLANLAS PRIMERASAPLICACIONESDE CONTROLAVANZADO

SEINTRODUCEN

LOSCONCEPTOS

DE INTEROPERABILIDAD

E INTERCONECTIVIDAD

TELEMETRIA

INSTRUMEN-TACIÓNLOCAL

TRANSMISIÓNNEUMÁTICA

TRANSMISIÓNELÉCTRICA

TRANSMISIÓN4-20 mA.

SEDESARROLLANLOS PRIMEROSSISTEMAS DETELEMETRÍA

SE DESARROLLANLOS PRIMEROSSISTEMAS DEFIBRA ÓPTICA

SENORMALIZAN

LOS PRIMEROSPROTOCOLOS

DIGITALES

SEINTRODUCENLOS CANALES

DE CAMPO

¿Cómo seleccionar un medidor?



77#

Fundamentalmente la selección se basa en las consideraciones deproceso, a la importancia del dato de medición en el proceso y alaspecto económico.

De ahí la importancia de conocer el principio de medición de losdiferentes tipos de medidores y los cálculos necesarios de loselementos primarios para obtener el máximo rendimiento costo-

beneficio de ellos y así disminuir el error en la medición.

Este curso provee métodos técnicos para el diseño, especificación,cálculo y selección de medidores, dando una guía para medir variables

físicas de la mejor manera posible.

Tips para seleccionar un medidor



78#

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 lamejor 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 enaplicaciones críticas de flujo.

Ejemplo de características principales para laselección de un medidor de flujo



79#

ESTANDARES DE LA COMPAÑÍA CONEXIONES PARA INSTALACIÓN: BRIDADO,ROSCADO, ETC.

REQUERIMIENTOS LEGALES LIMITACIONES DE ESPACIO

FASE DEL FLUIDO PRINCIPAL TRAYECTORIA DE TUBERIA CORRIENTE ARRRIBACONTENIDO DE SOLIDOS COMPONENTES MAS CERCANOS CORRIENTE

FACTORES DE CALIBRACIÓN NIVEL DE VIBRACIÓNTIPO DE FLUIDO: AGUA, AIRE HC, ETC REPETIBILIDAD DE LECTURANATURALEZA DEL FLUIDO: CORROSIVO,CONDUCTIVO, ETC

VELOCIDAD O TOTALIZACIÓN

TAMAÑO Y MATERIAL DE TUBERÍA TIEMPO DE RESPUESTAINDICADOR DE FLUJO FLUJO MÁXIMO Y MÍNIMOOBSTRUCCIÓN DE FLUJO PÉRDIDA DE PRESIÓN PRESIÓN MÁXIMA Y MÍNIMA

TIPO DE SALIDA DE CONTROL TEMPERATURA MÁXIMA Y MÍNIMATIEMPO ENTRE INSPECCIÓN Y MANTENIMIENTO DENSIDAD DEL FLUIDO

SEGURIDAD VISCOSIDAD DEL FLUIDO

COSTO FLUJO PULSANTE?DESVÍO DE CALIBRACIÓN FLUJO LAMINAR?PROVEEDORES CONDICIONES EXTERNAS: HUMEDAD, CALOR,



Los diagramas de tubería e instrumentación(DTI´s)



81#

(DTI s)

Los DTI’s son diagramas que contienen básicamente losequipos de proceso, las tuberías, los instrumentos y las

estrategias de control del proceso. Un DTI es el elementoúnico más importante en el dibujo para:

Definir y organizar un proyecto

Mantener el control sobre un contratista durante laconstrucciónEntender como es controlada la planta después definalizar el proyecto

Mantener un registro de lo que fue acordado y aprobadoformalmente para la construcción

Registrar lo que fue construido en la forma como sediseño con los DTI’s

Los diagramas de tubería e instrumentación(DTI´s)



82#

( )

Los DTI’s son conocidos con varios nombres, pero todomundo sin tomar en cuenta como son nombrados conocen su

valor. Estos son algunos de los nombres por los cuales sonconocidos :

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 unabase para luego añadir sus propias modificaciones deacuerdo a sus necesidades.

Normas ISA aplicables a DTI’s



83#

No hay “norma” DTI o acuerdo en la información quedebe ser incluida o excluida de tales documentos.

Las normas ISA ANSI/ISA-5.1-1984 (R1992) y ISA-5.3-1983 son las guías generalmente más aceptables para

desarrollar simbolismo para instrumentación y sistemas decontrol en: las industrias químicas y petroquímica,generación de energía, pulpa y papel, refinación, metales,aire acondicionado, etc. y pueden ser utilizadas enprocesos continuos, por lotes y discretos.

Normas ISA aplicables a DTI’s



84#

• ANSI/ISA-S5.1-1984 (R1992), Identificación y símbolos deinstrumentación.

• ANSI/ISA-S5.2-1976 (R1992), Diagramas lógicos binarios paraoperaciones de proceso.

• ISA-S5.3-1983, Símbolos gráficos para control distribuido,instrumentación de desplegados compartidos, sistemas lógicos ycomputarizados.

• ANSI/ISA-S5.4-1991, Diagramas de lazo de instrumentación.• ANSI/ISA S5.5-1985, Símbolos gráficos para desplegados de proceso.

Otras normas de simbología



85#

• ASA Y32.11-1961 – Símbolos gráficos para diagramas de flujo deproceso 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)

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



86#



87#

SIMBOLOGÍA

Contenido de la norma ANSI/ISAS5.1-1984



88#

1. Propósito.

2. Alcance.3. Definiciones.4. Reglas de identificación de instrumentos.

5. Tablas.6. Dibujos.

1. Propósito



89#

Establecer un significado normativo de los

instrumentos y sistemas de instrumentaciónutilizados para la medición y el control,incluyendo símbolos y códigos de

identificación.

2. Alcance



90#

1. Generalidades.

2. Aplicación a industrias.3. Aplicación a actividades de trabajo.4. Aplicación a diferentes tipos de

instrumentación y a funciones deinstrumentos.5. Extensión de identificaciones funcionales.

6. Extensión de identificaciones de lazos.

Aplicación a Industrias



91#

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 lanorma tenga la suficiente flexibilidad para manejar muchasde las necesidades de algunos campos como la astronomía,navegación y medicina que utilizan instrumentación diferentede los instrumentos convencionales de proceso.

Aplicación a actividades de trabajo



92#

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, diagramasde lazos y diagramas lógicos,

-Descripciones funcionales,-Diagramas de flujo de: procesos, mecánicos, deingeniería, de tubería e instrumentación (DTI o P&I),-Especificaciones, ordenes de compra, etc.

Aplicación a funciones de instrumentos y aclases de instrumentación



93#

Los métodos de identificación y simbolismos proporcionadospor la norma se aplican a todas las clases de instrumentación

de control y medición de procesos.

La norma no solo puede utilizarse para describir instrumentosdigitales y sus funciones, sino también para describir lasfunciones analógicas de los sistemas, como por ejemplo:control compartido , control distribuido y control basado encomputadora.

Extensión de identificación funcional y delazo



94#

La norma proporciona la identificación y simbolización de lasfunciones clave de un instrumento, es decir, son funciones

generalizadas, así que cuando se requieren detallesadicionales del instrumento, es conveniente recurrir a la hojade especificación del instrumento o algún otro documentopara cubrir la especificación detallada.

La norma cubre la identificación de un instrumento y todoslas funciones de control asociadas con un lazo de control.

3. Definiciones



95#

Para propósitos de conocimiento de la norma, esconveniente analizar algunas definiciones:

Alarma. Un dispositivo o función que señala la existencia deuna condición anormal por medio de un cambio discretovisible o audible, o ambos, con el fin de llamar la atención.Automatización. Es el acto o método de hacer que unproceso funcione sin la necesidad de la intervención de unoperador.Banda Muerta. Rango a través del cual puede variar la señal

de entrada, hacia un dispositivo, sin éste inicie unarespuesta. Generalmente se expresa como un porcentaje delrango de operación.Binario. Término aplicado a una señal que sólo tiene dos

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

Definiciones



96#

Círculo. Símbolo utilizado para denotar e identificar elpropósito o función de un instrumento y puede contener unnúmero de identificación (ballon, bubble)Configurable. Término aplicado a un dispositivo o sistemaen el que sus características pueden ser seleccionadas orearregladas a través de programación o algún otro método.

Controlador. Un dispositivo que tiene una salida que varíapara regular una variable controlada de una maneraespecífica y puede ser un dispositivo analógico o digital. Uncontrolador automático varía su salida automáticamente, en

respuesta a una entrada directa o indirecta de una variablede proceso medida.

Definiciones



97#

Controlador compartido. Un controlador que contienealgoritmos preprogramados que son usualmente accesibles,configurables y asignables y permite un número de variablesde 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 enalguna forma de señal y transmite una señal de salida enalguna otra forma. El convertidor también se le llama

transductor, aunque el término transductor no se recomiendautilizarse para conversión de señales.Corrimiento. Cualquier cambio paralelo de la curva de

entrada -salida.

Definiciones



98#

Digital. Término aplicado a una señal o dispositivo que utilizadígitos binarios para representar valores continuos o estadosdiscretos.Dispositivo de cómputo. Un dispositivo o función queejecuta 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 unestado o salida predeterminada. El elemento primario puedeestar separado o integrado con otro elemento funcional de uncircuito, también se le conoce como detector o sensor.

Definiciones



99#

Estación de Control. Estación manual de carga que tambiénproporciona la transferencia entre los modos de controlautomático y manual de un circuito de control. Se conoce

también como estación automático y manual.Estación Manual de Carga. Dispositivo que cuenta con unasalida ajustable manualmente que se usa para actuar uno o

más dispositivos remotos, pero que no puede ser usada paratransferir entre los modos de control automático y manual deun circuito de control.Error. Es la diferencia algebraica entre la indicación actual y

el valor verdadero de una magnitud medida. A menudoexpresado como un porcentaje del SPAN O del valor aescala total. Los valores positivos del error denotan laindicación del instrumento es más grande que el valor real.

Definiciones



100#

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 laescala total.Frecuencia Natural. Frecuencia a la cual el sensor, bajocondiciones 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 alcanzaprimero desde una carga cero y después desde la escalatotal.

Definiciones



101#

Identificación. Secuencia de letras y/o dígitos usados paradesignar un instrumento individual o un circuito.

Instrumento. Dispositivo utilizado para medir y/o controlar una variable directa o indirectamente. El término incluyeelementos primarios, finales, dispositivos de cómputo ydispositivos eléctricos como alarmas, interruptores y botones

de paro.Instrumentación. Es la rama de la ingeniería involucradacon la aplicación de los instrumentos a un proceso industrial

para medir o controlar alguna variable y es referida a todoslos instrumentos para cumplir este propósito.

Definiciones



102#

Interruptor. Dispositivo que conecta, desconecta o transfiereuno o más circuitos, y que no es designado comocontrolador, un revelador o una válvula de control. EIinterruptor es un dispositivo que (I mide (I la variable y opera(abre o cierra) cuando ésta alcanza un valor predeterminado.Lazo. Combinación de dos o mas instrumentos o funciones

de control arregladas para el propósito de medir y/o controlar una variable de procesoLinealidad. Se define como la desviación máxima a partir deuna 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 eltablero ni atrás del tablero. Los instrumentos locales estáncomúnmente en la vecindad de un elemento final de control.

Definiciones



103#

Longitud de Inmersión. Longitud desde el extremo libre delpozo 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 deun sistema o dispositivo. También se le conoce como luzmonitora.

Medición. Determinación de la existencia o magnitud de unavariable. Los instrumentos de medición incluyen todos losdispositivos 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 deajuste.

Definiciones



104#

Montado en Tablero. Término aplicado a un instrumentoque 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 seencuentra atrás del tablero y que contiene los instrumentosque no es necesario que se encuentren accesibles al

operador para su uso normal.Proceso. Cualquier operación o secuencia de operacionesque involucre un cambio de estado, de energía, decomposición, de dimensión de otra propiedad que puededefinirse con respecto a un dato.Programa. Secuencia repetida de acciones que definen elestado de las salidas en relación a un conjunto de entradas.

Definiciones

Punto de Ajuste (Set Point SP) magnitud predeterminada



105#

Punto de Ajuste. (Set -Point, SP) magnitud predeterminadade una variable de proceso que el controlador trata demantener.

Punto de Prueba. Conexión de proceso en la cual no hayinstrumento conectado permanentemente, pero la cual estácolocada para usarse temporal o permanentemente para laconexión 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 detemperaturas sobre el cual el sensor se compensa paramantener el rango de operación y el balance del cero dentro

de los límites es ecificados.

Definiciones



106#

Rangeabilidad. La relación entre los valores de más alto ymás bajo rango.

Relevador. Dispositivo que recibe información en la forma deuna o más señales de instrumento, modifica la información osu forma o ambas si se requiere, envía una o más señalesresultantes y no es designado como controlador, interruptor o

algún otro, el término relevador se aplica especialmentetambién a un interruptor eléctrico que es actuadoremotamente por una señal eléctrica.

Reluctancia. Oposición que presenta una sustanciamagnética al flujo magnético. Se expresa como la relación dela diferencia de potencial magnético, al flujo correspondiente.

Definiciones

R tibilid d L id d d i t t d



107#

Repetibilidad. La capacidad de un instrumento de generar una señal de medición cuya magnitud permanecerá dentrode los límites establecidos de repetibilidad bajo idénticascondiciones de proceso sucediendo en tiempos diferentes.Resolución. El cambio más pequeño en la variable deproceso que produce un cambio detectable en la señal de

medición expresado en porcentaje de la escala total.Respuesta. Comportamiento de la salida de un dispositivocomo 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 detiempo.Ruido. Perturbaciones externas o cualquier otra señal queno aporta información.

Definiciones



108#

Sistema de control distribuido. Un sistema integradofuncionalmente que consiste de subsistemas separados

físicamente y localizados remotamente uno de otro.Sensitividad. (Sensibilidad) La razón de cambio en la salidacausada por un cambio en la entrada, después que se haalcanzado el estado estacionario. Se expresa como la

relación numérica en unidades de medición de las doscantidades establecidas.Señal. Información que en forma neumática, eléctrica, digitalo mecánica, se transmite de un componente de un circuito deinstrumentación a otro.Tablero. Una estructura que contiene un grupo deinstrumentos montados en él y al cual se le da una

designación individual. Pueden consistir de una o más

Definiciones



109#

casillas, secciones escritorios o paneles. Es el punto deinterfase entre el proceso y el operador.

Telemetría. La práctica de transmitir y recibir la medición deuna variable para lectura u otros. El término se aplicacomúnmente a sistemas de señal.Termistor. Resistor eléctrico cuya resistencia varia con la

temperatura.Tiempo de Respuesta. Intervalo de tiempo requerido paraque la señal de "-~ medición de un detector alcance unporcentaje 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 uncambio en la entrada y el comienzo de la respuesta

resultante.

Definiciones

Transmisor Dispositivo que detecta el valor de una variable



110#

Transmisor. Dispositivo que detecta el valor de una variablede proceso por medio de un elemento primario (o sensor) yque tiene una salida cuyo valor de estado estacionario variasólo como una función predeterminada de la variable deproceso. Elemento primario puede o no ser integral altransmisor.

Válvula de Control. Elemento final de control, a través delcual, un fluido pasa, que ajusta la magnitud del flujo de dichomediante cambios en el tamaño de su abertura y de acuerdocon la señal que recibe del controlador, y así lograr la acción

correctiva necesaria.Variable. Cualquier fenómeno que no es de estadonecesario sino que involucra condiciones continuamentecambiantes.

Reglas para la identificación deinstrumentos

) C d i t t f ió id tifi d l



111#

a) Cada instrumento o función a ser identificado se ledesigna un código alfanumérico o número de identificación:

TIC-103

b) El número del instrumento puede incluir información delcódigo de área o series específicas. Normalmente la serie900 a 99 puede ser utilizada para instrumentos relacionadoscon seguridad.

c) Cada instrumento puede representarse en un diagramapor un símbolo que puede acompañarse con una

identificación.

IDENTIFICACIÓNFUNCIONAL

NÚMERO DELINSTRUMENTO




112#

d) La identificación funcional del instrumento consiste deletras de acuerdo a la tabla, en donde la primer letra designa

la variable inicial o medida y una o mas letras subsecuentesidentifican la función del instrumento.

TIC

VARIABLE MEDIDA(Temperatura)

FUNCIÓN(Indicador Controlador)



113#

Identificación de

instrumentos

Combinaciones en la identificación



114#




115#

e) La identificación funcional del instrumento se realiza deacuerdo a la función y no a la construcción (por ejemplo, un

transmisor de nivel LT en lugar de un transmisor de presióndiferencial 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.

Notas para la identificación deinstrumentos



116#

1. Para cubrir las designaciones no normalizadas quepueden emplearse repetidamente en un proyecto se han

previsto letras libres. Estas letras pueden tener unsignificado como primera letra y otro como letra sucesiva.Por ejemplo, la letra N puede representar como primeraletra 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 oun numero limitado de veces. Se recomienda que susignificado figura en el exterior del circulo de identificacióndel instrumento. Ejemplo XR-3 Registrador de Vibración.




117#

3. Cualquier letra primera se utiliza con las letras demodificación D (diferencial), F (relación) o Q

(interpretación) o cualquier combinación de las mismascambia su significado para representar una nueva variablemedida. Por ejemplo, los instrumentos TDI y TI miden dosvariables 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 allado del símbolo en el diagrama de proceso.


5.El empleo de la letra U como multivariable en lugar de



118#

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 elementosprimarios y a elementos finales de control que protejancontra condiciones de emergencia (peligrosas para elequipo o el personal). La designación PSV se aplica a

todas las válvulas proyectadas para proteger contracondiciones de emergencia de presión sin tener en cuentalas características de la válvula y la forma de trabajo lacolocan en la categoría de válvula de seguridad, válvula de

alivio o válvula de se uridad de alivio.


8 La letra de función pasiva vidrio se aplica a los



119#

8.La letra de función pasiva vidrio, se aplica a losinstrumentos que proporciona una visión directa no

calibrada del proceso.9.La letra indicación se refiere a la lectura de una medidareal 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 debedesignarse por una primera letra seguida de la letra

sucesiva I.11.El empleo de la letra U como multifunción en lugar deuna combinación de otras letras es opcional.


12 S l f i i d l d l



120#

12.Se supone que las funciones asociadas con el uso de laletra 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 debencorresponder 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 deun transmisor de nivel de acción inversa debe designarse

LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señalcae a un valor bajo.


14 L té i lt b j d li ál l



121#

14.Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas,o a otros dispositivos de cierre apertura, se definen como

sigue:

Alto: indica que la válvula esta, o se aproxima a la posiciónde apertura completa.

Bajo: Denota que se acerca o esta en la posicióncompletamente cerrada.

Ejercicio 1

Efectuar la identificación funcional de los siguientes



122#

Efectuar la identificación funcional de los siguientesinstrumentos:

a) LICb) PYc) FV

d) FQIe) WTf) TE

g) AICh) SRi) TAHH

j) LSL

Ejercicio 2

Indicar los códigos alfanuméricos de los siguientes



123#

Indicar los códigos alfanuméricos de los siguientesinstrumentos:

a) Registrador de temperaturab) Convertidor electroneumático de presiónc) Interruptor por bajo nivel de flujo

d) Totalizador de flujoe) Indicador de velocidadf) Termopozo de temperatura

g) Controlador de presiónh) Válvula de control de análisisi) Alarma por muy alta presión

j) Relevador de presión

Tips para numeración de instrumentos

• Utilizar un número básico si el proyecto es pequeño y no hay números



124#

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

• Algunos proyectos utilizan una secuencia numérica para cada variable deproceso:




125#

– 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

• Algunos proyectos utilizan una secuencia numérica recta:

– FT-1, FIC-1, FV-1




126#

– 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 elmismo lazo tienen identificaciones idénticas:

– PV-006A, PV-006B

Símbolos generales de instrumentos

LOCALIZACIÓNPRIMARIA

*** NORMALMENTEMONTADOEN CAMPO

LOCALIZACIÓNAUXILIAR

*** NORMALMENTE



127#

ACCESIBLE ALOPERADOR

ACCESIBLE ALOPERADOR

INSTRUMENTOSDISCRETOS

MONITOREO COMPARTIDO

CONTROL COMPARTIDO

FUNCIÓNDE COMPUTO

CONTROL LÓGICOPROGRAMABLE

1 2 3

4 5 6

7 8 9

10 11 12

Símbolos de instrumentos

SUMINISTROSLI



128#

LOCALIZACIÓNPP En línea de proceso

LO En campo, localPNB En tablero principal de controlBPNB Parte posterior del tableroPNBL En tablero de control local

SA Suministro de aireSE Suministro eléctricoSG Suministro de gasSH Suministro hidráulicoSN Suministro de nitrógeno

SS Suministro de vapor SW Suministro de agua

LI

2702

SA

Bloques de funciones de instrumentos



129#

Simbología de líneas en los diagramas

(1) SUMINISTRO A PROCESO *O CONEXIÓN A PROCESO

(2) SEÑAL NO DEFINIDA



130#

(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 DEDATOS O DE SOFTWARE)

(10) LINEA MECÁNICA

(11) SEÑAL NEUMÁTICA BINARIA

(12) SEÑAL BINARIA ELÉCTRICA

SÍMBOLOS BINARIOS OPCIONALES

Simbología de válvulas



131#

Acción del actuador a falla de energía



132#

ABRE A FALLA CIERRA A FALLACIERRA A FALLA

A VÍA A-C

ABRE A FALLAVÍAS A-C Y D-B

SE BLOQUEA A FALLA(LA POSICIÓN NO CAMBIA)

POSICIÓN INDETERMINADAA FALLA

Ejemplos de



133#

Ejemplos de

simbología deelementos

primarios deflujo



134#

Ejemplos derelevadoresde cómputo

Diagrama esquemático



135#

Diagrama esquemático



136#

Diagramas de lazo y el índice de instrumentos

Aunque los DTI’s son muy importantes, no contienen todala información necesaria Los documentos básicos que



137#

la información necesaria. Los documentos básicos quecomplementan la información del DTI son:

- Diagramas funcionales de instrumentación o diagramasde lazo.

- Indice de instrumentos.

Diagrama funcional de instrumentación o delazo

Es un diagrama que muestra todos los dispositivos en unlazo específico utilizando la simbología que identifica las



138#

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 funcionalde instrumentación es el documento más importante para

un instrumentista.Siempre que se requiera la localización de fallas, eldiagrama funcional de instrumentación es un documento

muy valioso, ya que contiene suficiente información paracombrobar o verificar averías en ese lazo, ya que no sólocontiene el diagrama de cableado, sino que muestra todoslos dispositivos conectados a ese lazo.

• Usos – Diseño

– Construcción

• Tipos – Neumático

– Electrónico

Diagrama funcional de instrumentación o delazo



139#

Construcción

– Puesta en marcha

– Operación – Mantenimiento

– Modificaciones

Electrónico

– Despelgados compartidos

Ejemplos de diagramas funcionales deinstrumentación

CTB 1CableCable 3B

JB30

JB40

Área de proceso en campo Área de cableado Gabinete Consola

Cable -4A

Setpoint



140#

FIC

301J100

J 1 1 0

A8

A9

51

XJA

11

12

13

1

2

3

+

-

FE

301

FT

301

A8

A9UJA

14

15

6

7

+

-

FV301 FY

301

O S

AS 20 PSIG

CTB 2

Cable50-1-1

Cable

50-1-2

Cable-3B

PR-14

PR-15

PR-1

PR-2

Shield BendBack & Tape

Shield BendBack & Tape

30 40

Indice de instrumentos

El índice de Instrumentos es una lista alfanumérica detodos los instrumentos que se muestran en el DTI,



141#

todos los instrumentos que se muestran en el DTI,proporcionando los datos para la instalación, la puesta enmarcha, el mantenimiento y las modificaciones.

Los datos incluidos en el índice de instrumentos varía ydepende 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 deinstrumentos es una herramienta muy útil para proyectosfuturos si es actualizada.

Indice de instrumentos típico



142#

Indice de instrumentos típico

Tag # Desc. DTI # UltimaCalib.

Calib.por

Fecha Cal.esperada

Rangode Calib.

Peligros

LI-50 VS. 50 H2s 103 Aug 01 AWS Aug 02 0-75 H2S



143#

g g“H2O

LAL-50 VS. 50 H2S – Alarmaen nivel bajo 103 Aug 01 AWS Aug 02 10”H2O H2S

LSLL-50

VS. 50 H2S – Switchen nivel bajo

103 Aug 01 AWS Aug 02 5”H2O H2S

LT-100 VS. 100 - K.O. Drum 103 May 02 DAL Nov 02 0-125“H2O

LI-100 VS. 100 - K.O. Drum 103 May 02 DAL Nov 02 0-100% --

LT-201 VS. 201 – Columna dedestilación

205 Nov 02 BJP Feb 03 0-164“H2O

N2 Blanket

LIC-201 VS. 201 – Columna dedestilación

205 Nov 02 BJP Feb 03 0-100%



El Lazo de control

PERTURBACIONES

d(t)



145#

ELEMENTOFINAL DECONTROL

PROCESOELEMENTOPRIMARIO

DE MEDICION

CONVERTIDOR OTRANSDUCTOR TRANSMISOR

PUNTO DE AJUSTE

VARIABLE

CONTROLADA

VARIABLE

MANIPULADA

CONTROLADOR

m(t)

c(t)

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

R(t)

Elemento primario de medición

El elemento primario de medición, detector o sensor es uninstrumento, que puede formar parte de un lazo de control,



146#

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 elementoprimario de medición que mide la variable controlada c(t), ala que se llamará más adelante como variable de procesoPV, y la transforma a un tipo diferente de energía.

Elemento primario de medición

Las señales eléctricas estándar manejadas son: 4-20mA.C.D., 0-5 V.C.D. y 0-10 V.C.D. Así por ejemplo, si sedesea medir una temperatura de 0-700oC la señal de 4



147#

desea medir una temperatura de 0-700 C, la señal de 4

mA. corresponderá a 0o

C. y la señal de 20 mA.corresponderá a 700oC.

La razón básica de la señal estándar es utilizar

solamente un solo tipo de controlador universal que seaplique a cualquier variable de proceso (temperatura,flujo, nivel, presión, peso, densidad, conductividad, etc.).

En algunos casos, el elemento primario de medición y eltransmisor vienen en un solo instrumento, como es elcaso de los transmisores de presión.

El Controlador

Su función es fijar la variable controlada c(t) en un valor



148#

deseado R(t), conocido como punto de ajuste o “set

point”, mediante la manipulación de su salida o variablemanipulada m(t) a través de un actuador que interactúadirectamente en el proceso. Este controlador en su

entrada y salida maneja también señales eléctricasestándar e incluyen internamente el comparador ogenerador de la señal de error.

El Elemento Final de Control

Convierte la señal estándar recibida por el controlador enuna señal adecuada para interactuar con el proceso y así



149#

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 unelemento final de control. Por ejemplo, si el elemento finalutilizado es una válvula de control, se requiere untransductor que convierta la señal eléctrica de 4-20mA.C.D. en una señal de aire con una presión de 3-15PSIG (lb/pulg2).

Medición de temperatura

" La Temperatura es una manifestación del promedio de

energía cinética, ondulatoria y de traslación de las

lé l d t i "



150#

moléculas de una sustancia".

Las unidades de temperatura son establecidas en cincoescalas 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

Escalas de temperatura

Escala CeroAbsoluto

Fusión delHielo

Evaporación



151#

Kelvin 0°K 273.2°K 373.2°K

Rankine 0°R 491.7°R 671.7°R

Reamur -218.5°Re 0°Re 80.0°Re

Centígrada -273.2°C 0°C 100.0°C

Fahrenheit -459.7°F 32°F 212.0°F

Escalas de Temperatura: Más comunes

• Fahrenheit – El agua se congela a 32°F, y hierve a 212°F

– A nivel del mar



152#

• 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)

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



153#

– K=°C + 273.15 – Las unidades grados tienen el mismo tamaño que la escala enCelsius

– 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

Uso de la medición de temperatura

La detección, medición y control de temperatura en procesosindustriales es deseada en los siguientes casos:



154#

-En operaciones que involucran transferenciade calor, como los intercambiadores de calor,hornos, rehervidores, evaporadores ocalderas.

- Control de reacciones químicas sensibles ala temperatura.

- Operación de equipos, como torres dedestilación, tanques de almacenamiento,torres de enfriamiento, mezcladores,cristalizadores, etc.

Uso de la medición de temperatura

- Monitoreo del funcionamiento de equipo rotatorio, paraprevenir calentamiento, como turbinas, compresores,b b t l



155#

bombas y motores en general.

- Control de temperatura de productos y límites de planta.

Medición inferencial de temperatura

Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenosque son influidos por la temperatura:



156#

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 deresistencia RTD, termistores);

c) Generación de una f.e.m. creada en la unión de dosmetales distintos (termopares);

d) Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo

(pirómetros de radiación);e) Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad delsonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal,etc.)

Termómetros

TERMÓMETROS



157#

DE VIDRIO BIMÉTALICOS

CLÍNICOS INDUSTRIALES

Termómetros de vidrio

El termómetro de líquido encerrado son los más familiares yconstan de un depósito de vidrio que contiene, por ejemplo,mercurio y que al calentarse se expande y aumenta su volumen



158#

en el tubo capilar.Su bulbo, relativamente grande en la parte más baja deltermómetro, contiene la mayor cantidad del líquido, el cual se

expande cuando se calienta y sube por el tubo capilar en elcual 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 decongelación de -38.78°F (-37.8°C) y por arriba de su punto deebullición a 357 oC, con la ventaja de ser portátil.

Termómetros de vidrio

El alcohol tiene un coeficiente de expansión más alto que el delmercurio pero esta limitado a mediciones de baja temperatura,hasta -110 oC, debido a que tiende a hervir a temperaturas



159#

Mercurio...........................................................-35 hasta +280 ºC

Mercurio (tubo capilar lleno de gas).................-35 hasta+450 ºCPentano...........................................................-200 hasta +20 ºCAlcohol............................................................-110 hasta +50ºCTolueno.......................................................... -70 hasta +100ºC

altas, su punto de ebullición es a 78o

C.

Termómetro bimetálico

Los termómetros bimetálicos se basan en el coeficiente dedilatación de dos metales diferentes, tales como latón, monel oacero y una aleación de ferroníquel o Invar laminados



160#

y q

conjuntamente. La diferencia en la relación de coeficiente deexpansión de cada metal provoca que el elemento bimetálico se doble.Las láminas bimetálicas van unidas y pueden ser rectas ocurvas, formando espirales o hélices.


Cuando se unen los dos metales y enredados en espiral, la expansiónprovoca que el lado libre rote. Este es un instrumento relativamentebarato, pero es inexacto y lento en relación a su respuesta.



161#

Fixed End

Free End Attachedto Pointer Shaft

Rotating Shaft

Bulb

5 6 78

9

10

432

1

0

Bulbo

Extremo fijo

Extremo libreconectado aleje del indicador

Eje giratorio

FREE END

FIXED END

HIGHEXPANSIONCOEFFICIENT

LOWEXPANSIONCOEFFICIENT

FREE END

FIXED END

EXTREMO LIBRE

EXTREMO FIJOEXTREMO FIJO

EXTREMO LIBRE

ALTOCOEFICIENTEDE EXPANSIÓN

BAJOCOEFICIENTEDE EXPANSIÓN


Este instrumento contiene pocas partes móviles, sólo la agujaindicadora sujeta al extremo libre de la espiral o de la hélice y elpropio elemento bimetálico. El eje y el elemento están sostenidos con



162#

cojinetes y el conjunto está construido con precisión para evitar rozamientos. La precisión del instrumento es de 1% y su campo demedida (rango) es de –200 a +500 ºC.Este instrumento es el indicador local de temperatura mascomúnmente utilizado.

Sistemas Termales

Este es uno de los métodos más antiguos utilizados paraindicación local, registro y control y actualmente su uso se limitaa transmisores, sobretodo en lazos neumáticos. Básicamente



163#

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 lecturapara que cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o ellíquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende adesenrollarse moviendo,

- Un dispositivo indicador actuado por presión para efectuar laindicación de temperatura.

Mecanismo del sistema termal

bulbo

Dispositivoindicador



164#

capilar

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



165#

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; yTotal por medio de otro capilar paralelo que este sometidoa los mismos efectos y los contrarresta, sobretodo cuandola extensión del capilar es considerable

Compensación del sistema



166#

Clasificación del sistema termal

De acuerdo a la Asociación de Fabricantes de AparatosEléctricos (SAMA) existen cuatro grupos de acuerdo alfluido de llenado y al rango:



167#

- Clase I Llenado con líquidos (cambios de volumen)- Clase II Llenado con vapor (cambios de presión)

- Clase III Llenado con gas (cambios de presión)- Clase V Llenado con mercurio (cambios de volumen)

El rango de medición de estos instrumentos varía entre –

40 hasta +500 ºC, dependiendo del tipo de líquido, vapor o gas que se emplee.

Comparación de lossistemas termales

LINEALEXCEPTO A

LINEALEXCEPTO A

BAJA T

LINEALIDAD DELA ESCALA

DEBE SERCOMPENSADO

EFECTO DE LACOLUMNA

HIDROSTATICA

150%

150%

CAPACIDADDE

SOBRERANGO

CAPILARESGRANDES

COSTO MENOR

VENTAJAS

6 A 7 s

6 A 7 s

VELOCIDADRESPUESTA SIN

TERMOPOZO

TOTAL

NOCOMPEN

SADO

COMPENSACION

-90 A 370

-90 A 370

TEMPERATURA

oC

ESCALALINEAL

CAPILARCORTO,

LIQUIDO1A

LIMITACIONESFLUIDO DELLENADO

CLASIFICACION

SAMA

Características



168#

NO USO ENCONTROL

PARA CONTROL-270 A 160TOTALGASIIIB

NO USO ENCONTROL

SIN COMPLINEAL-270 A 160TOTALGASIIIA

MANEJO DEHG

150 %-40 A 640TOTALMERCURIOVA

MANEJO DEHG

-40 A 640EN CAJAMERCURIOVB

NO LINEAL

NO LINEAL

NO LINEAL

BAJA T

NINGUNO

NECESARIOCOMPENSAR

NECESARIOCOMPENSARLO

NO

150%

NO COMP. PORT AMB.

NO COMP. PORT AMB.

CAPILARESGRANDES

GRANDES

4 A 5 s

4 A 5 s

4 A 5 s

6 A 7 s

NO

EN CAJA

EN CAJA

EN CAJA

0 A 185

0 A 350

0 A 350

-90 A 370

NO TIENESOBRECARGA

VAPORIIC

VAPORIIB

VAPORIIA

DIFICIL EN TAMBIENTE

LIQUIDO1B

LINEAL

Características de los sistemas termales

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

Principio de operación simple

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

Construcción robusta

LIMITACIONESVENTAJAS



169#

Voluminoso, tiempo de respuesta lento, capilar sensible (requiereprotección)

El tamaño del sensor es mayor que los sensores eléctricos.Varios sistemas se pueden instalar en una sola caja

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

Amplia variedad de gráficas de registro disponible

La falla del bulbo o del capilar implica el reemplazo total del sistema.El sistema es autocontenido y no necesitaalimentación de energía para su

funcionamiento

No adecuados para temperaturas arriba de 750 oCCosto inicial relativamente bajo

El termopar es uno de los métodos más simples para medir temperatura. En 1821 Seebeck señaló que si se unían dos metalesdistintos por sus extremos y si se someten a temperaturas diferentes,entre las uniones aparecen fuerzas electromotrices generadas que

Termopar



170#

están en función de la diferencia de temperaturas en la unión y del tipode 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, cadauno hecho de un metal homogéneo diferente o aleación. Los alambresson unidos en un extremo para formar una junta de medición. Esta

junta de medición es expuesta al medio a ser medido. El otro extremode los alambres van usualmente a un instrumento de medición, dondeforman una junta de referencia. Cuando las dos juntas están adiferentes temperaturas, se producirá una f.e.m. (fuerza electromotriz).

Termopar

Metal A (+)

Junta de Junta de



171#

Metal B (-)Zona de

Temperatura T1

Zona deTemperatura T2

T1 ≠T2

FEM = Emedición(juntacaliente)

referencia(junta fría)

La fem en la junta caliente es manifestación del EfectoPerlier, este efecto involucra la liberación o absorción decalor en la unión cuando fluye corriente a través de el y de la

Efectos en el termopar



172#

dirección del flujo depende si el efecto es de calentamiento oenfriamiento.

En el efecto Thompson se desarrolla una segunda fem,debido al gradiente de temperatura de un conductor sencilloy homogéneo.

1. En un circuito formado por un solo metal, la FEMgenerada es cero, cualquiera que sean las temperaturas.

Leyes de la Termoelectricidad



173#

2. Si se interrumpe un circuito termoeléctrico en una de susuniones intercalándose un nuevo metal, la FEM generadapor el circuito no cambia a condición de que los extremosdel nuevo metal sean mantenidos a la misma temperatura

que había en el punto de interrupción y de que latemperatura 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 lastemperaturas sean diferentes en la unión caliente conrespecto de la unión fría.

Compensación por junta fría

JUNTA DEMEDICIÓN

T1

ALAMBRESDE COBRE

ALAMBRE DE HIERRO

ALAMBRE DE CONSTANTANO

Para prevenir errores por efectos de la junta fría, seefectúa una compensación,por medio de un baño dehielo o por medio de circuitos



174#

Junta de medición y de referencia (industrial)

Junta de medición y de referencia (laboratorio)

T2 JUNTA DE REFERENCIA

AL INSTRUMENTODE MEDICIÓNBAÑO DE

HIELO

JUNTA DE

MEDICIÓN

INSTRUMENTOT1 TERMOPAR

+

-

JUNTA DEREFERENCIA

compensadores quesuministran una femconstante.

O id t

Inerte, ligeramente

oxidante

Atmosfera recomendada

1650 2315

0 a 1860

Rango °C

B

Buena debajo de 500

Linealidad

Alt t

W5Re Tungsteno 5% Rhenium (+)

W26R T t 26% Rh i

C

Alto costoPlatino 30%, Rodio (+)

Platino 6%, Rodio (-)

B

CaracterísticasMaterialesTipo de

Termopar

Materiales de construcción



175#

Oxidante o reductora

Oxidante

Oxidante

Oxidante

Reductora, no corrosivos

Oxidante

Oxidante

-190 a 400

-18 a 1760

-18 a 1700

-190 a 1370

-195 a 760

-195 a 900

1650 a 2315

Buena

Buena

Buena

El mas lineal

Buena, lineal de 150 a

450

Buena

Buena

Temperatura limitadaCobre (+)

Constantano (-)

T

Rango de temperatura

Platino 10% Rodio (+)

Platino (-)

S

Pequeño, respuesta

rapida

Platino 13% Rodio (+)

Platino (-)

R

Alta resistencia a la

corrosion

Cromo (+)

Alumel (-)

K

El mas economicoAcero (+)

Constantano (-)

J

Alta resolucion mV/ oCCromo (+)

Constantano (-)

E

Alto costoW26Re Tungsteno 26% Rhenium

Materiales de construcción

F . E . M . M I L I V O L T S

70

60

50

40

30

20

E

JK

R

S



176#

Tipos de termopares

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

TEMPERATURA

F

2 4 6 8 10 12 14 16 18

10

0

SBT

TIPO DENOMINACIÓN SIMBOLO MATERIAL SIMBOLO MATERIAL

T COBRE-CONSTANTANO TP COBRE TN CONSTANTANO

J FIERRO-CONSTANTANO JP FIERRO JN CONSTANTANO

E CROMEL-CONSTANTANO EP CROMEL EN CONSTANTANO

K CROMEL-ALUMEL KP CROMEL KN ALUMEL

S PLATINO-Pt 10% RH SP PLATINO10% RH SN PLATINO

R PLATINO-Pt 13% RH RP PLATINO13% RH RN PLATINO

B Pt 30% RH-Pt 6% RH BP PLATINO 30% RH BN PLATINO 6% RH

POSITIVO NEGATIVO

Formas de conexión de termopares

+

-

+

-

-

TERMOPARES CAJA DECONEXIÓNES

INSTRUMENTO

CABLESDE COBRE

T1

T2

T = T1-T2



177#

Medición diferencial de temperatura con dos termopares

+

CONEXIONES

CABLES DEEXTENSIÓN

CABLESDE COBRET2

Termo ares en aralelo

+

-

+

-

TERMOPARES

CONEXIONES CAJA DECONEXIÓNES

CABLES DEEXTENSIÓN

INSTRUMENTO

T1

T2

T = (T1+T2)/2

+

-

Formas de conexión de termopares

+

-

+

-

HIERRO

CONSTANTANOJUNTA DE

REFERENCIAT3

CABLES DE EXTENSIÓN

INSTRUMENTO

T1

BLOQUE DECONEXIONES

T2

HIERRO

CONSTANTANO



178#

Conexiones correcta del termopar

Conexiones incorrecta del termopar

+

-

+

-

HIERRO

CONSTANTANOJUNTA DE

REFERENCIAT3

CABLES DE EXTENSIÓN

INSTRUMENTO

T1

BLOQUE DE

CONEXIONEST2

HIERRO

CONSTANTANO

Cables de extensión de termopares

Los cables de extensión deben ser específicos para el tipode termopar utilizado, aunque para una transmisión a grandistancia puede utilizarse cobre, cuidando la temperatura y

i ió h é d l d t



179#

composición homogénea del conductor.

Aspectos a cuidar en los termopares

1. Puntos de fusión.2. Reacciones en varias atmósferas.

3 S lid t lé t i bi d



180#

3. Salida termoeléctrica combinada.4. Conductancia eléctrica.5. Estabilidad.6. Repetibilidad.

7. Costo.8. Facilidad de manejo y fabricación.

Ventajas y desventajas en lostermopares

Ventajas:Determinación de la temperatura se realiza prácticamente

en un punto

La capacidad calorífica de un termopar puede ser muy



181#

La capacidad calorífica de un termopar puede ser muypequeña, con lo que la respuesta a las variaciones detemperatura sería muy rápida.

La salida del sensor es una señal eléctrica producida por el

mismo termopar y por tanto no es necesario alimentarlocon ninguna corriente exterior

Desventajas:Es necesario mantener la unión de referencia a una

temperatura constante y conocida pues la incertidumbreen la temperatura de referencia produce una del mismoorden en la medida.

Características de los termopares

Se deben evitar altos gradientes de temperaturaLa salida eléctrica es apropiada para accionar dispositivos de indicación y control

Sujetos a envejecimiento y contaminación de la junta calienteAmplia variedad de diseños comerciales disponibles

Relación de voltaje–temperatura no linealRelativamente baratos




182#

En sistemas de control digital requieren tarjetas especiales deentrada

No tiene partes móviles

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

Tamaño pequeño y construcción robusta

Baja exactitud cuando se compara con los RTD´sBuena exactitud y velocidad de respuesta

Los voltajes en los conductores pueden afectar la calibraciónFácil calibración y reproducibilidad

Susceptibles a ia inducción de ruidosAmplio rango desde 0 absolutos hasta 2500 oC

Su lectura no es tan directa y se requiere procesamiento en suindicación

Largas distancias de transmisión son posibles

Termopozo

El termopozo se utiliza como elemento de protección deltermopar 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

P S I

5000

4000

3000

N I Q U E LM O N E L

ACERO INOX IDABLET IPOS 304, 316



187#

80 200 400 600 800 1000

TEMPERATURA,

o

F

P R E S I Ó N ,

2000

1000

0

HIERRO FUNDIDO

ALU M I N I O

C O B R E

B R O N C E

A C E R O D E B A J O C A R B O N

, 6

Tipos de termopares con su termopozo

Tipo GCabeza, nipple, tuerca unión

Tipo FCabeza, nipple, tuerca uniónnipple y termopozo roscado

Tipo BCabeza y tubo protector b j d t j

Tipo ACabeza y tubo protector



188#

Tipo ICabeza, conector tubular y tubo protector cerámico

Tipo HCabeza, conector doble roscay tubo protector cerámico

nipple y termopozo bridado

Tipo ECabeza, nipple de extensióny termopozo bridado

Tipo DCabeza, nipple de extensióny termopozo roscado

Tipo C

Cabeza y tubo protector con brida de montaje

con buje de montaje

Un diseño para cada aplicación

ESPECIFICAR:

- Calibración- Materiales

- Dimensiones- Otros accesorios

Instalación del termopozo

(A) NORMAL

(A) NORMAL



189#

(B) ANGLED

(C) IN ELBOW

(B) ANGULADO

(C) EN CODO

El RTD o bulbo de resistencia es un medidor de lavariación de la resistencia en función de la variación de latemperatura y solo se debe disponer de un alambre

bobinado de metal puro, que permita tener unaresistencia alta La ecuación que lo rige de acuerdo a

Detectores de Temperatura tipo resistencia(RTD)



190#

bobinado de metal puro, que permita tener unaresistencia alta. La ecuación que lo rige, de acuerdo aSiemens en 1871, es:

donde R0 es la resistencia a la temperatura de referencia

en ohms (Ω), Rt es la resistencia a la temperatura en Ω, aes el coeficiente de temperatura del material y b, c soncoeficientes calculados.

R t = R 0 (1 + aT + bT2 + cT3)

El elemento consiste en un arrollamiento de hilo muy fino delconductor adecuado, bobinado entre capas de materialaislante y protegido con un revestimiento de vidrio o cerámica.

El material que forma el conductor se caracteriza por el




191#

El material que forma el conductor, se caracteriza por el"coeficiente de temperatura de resistencia" este se expresa enun cambio de resistencia en ohmios del conductor por grado

de temperatura a una temperatura específica. Para casi todoslos materiales, el coeficiente de temperatura es positivo, peropara otros muchos el coeficiente es esencialmente constanteen grandes posiciones de su rango útil.

• Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya quede este modo el instrumento de medida será muy sensible.

• Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia auna temperatura dada, mayor será la variación por grado;

Características de los materiales que formanel conductor de la resistencia



192#

y q yu a e pe a u a dada, ayo se á a a ac ó po g ado;mayor sensibilidad.

• Relación lineal resistencia-temperatura.

• Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesosde fabricación de estirado y arrollamiento del conductor enlas bobinas de la sonda a fin de obtener tamañospequeños (rapidez de respuesta).

El metal que presenta una relación resistencia-temperaturaaltamente estable es el Platino. Otros metales utilizados es elníquel (poco lineal), tungsteno (temperaturas mayores a

100oC) y cobre (bajo rango).




193#

RTD

Platino Níquel Tugsteno

Curvas de respuesta de RTD



194#

Es el material más adecuado por su precisión y estabilidad,con el inconveniente de su costo. En general el RTD de Ptutilizada en la industria tiene una resistencia de 100 ohms a 0

ºC, y por esta razón, y por las ventajosas propiedades físicasdel Pt fue elegido este termómetro como patrón para la

RTD de Platino



195#

g p pdeterminación de temperaturas entre los puntos fijos desde elpunto 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 ycambios de temperatura de 0,001 ºC pueden medirse

fácilmente.

Los arrollamientos están protegidos contra desperfectos por tubos de metal y dispuestos de manera que permiten rápidointercambio de calor en el arrollamiento y el el tubo. El RTD deplatino opera en un rango de -200 oC a 600 oC.

RTD de Platino



196#

Es un alambre fino embobinado en un núcleo de mica,vidrio u otro material, protegido por una cubierta, rellenode óxido de magnesio o óxido de aluminio

Construcción del RTD de platino



197#

Mas barato que el Pt y posee una resistencia más elevada conuna mayor variación por grado, el interés de este material lopresenta su sensitividad, aunque no es lineal, ya que en el

intervalo de temperatura de 0 a 100 ºC, la resistencia de Níquelaumenta en un 62% mientras que el Pt solo aumenta en un

RTD de Niquel



198#

38%.

Sin embargo los problemas relativos a su oxidación u otro tipode deterioro químico, limitan su utilización e incluso ponenen peligro la reproducibilidad de sus medidas.

Otro problema añadido es la variación que experimenta sucoeficiente de resistencia según los lotes fabricados.

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

RTD de Niquel



199#

El cobre tiene una variación de resistencia uniforme en elrango de temperatura cercano a la ambiente; es estable ybarato, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad, ya

que hace que las variaciones relativas de resistencia seanmenores que las de cualquier otro metal. Por otra parte sus

RTD de Cobre



200#

q q pcaracterísticas químicas lo hacen no útil por encima de los 180ºC.

RTD’s



201#

RTD’s

PrecisiónºC

Resistencia deSonda a 0ºC,

ohmios

Costorelativo

Intervalo útil de temperatura

en ºC

Metal



202#

0,010,50

0,10

25,100, 130100

10

AltoMedio

Bajo

-200 a 950-150 a 300

-200 a 120

PlatinoNíquel

Cobre

ohmiosen C

La medición de resistencia en el RTD se realiza con unPuente de Wheatstone:

Nos permite determinar el valor de RXdesconocida, conocidas R1, R2 y RC

Cuando el miliamperímetro indica 0 mA. se

Puente de Wheatstone para medición



203#

Cuando el miliamperímetro indica 0 mA. sedice que el puente está equilibrado.

La condición de equilibrio es:

C

X

R

R

R

R=

1

2

Puente de Wheatstone para medición



204#

Para compensar las longitudesmuy grandes.

Calibración del RTD

SUMINISTRODE ENERGIA

DMM++

-

-

READOUT RESISTOR

TRANSMITTER

TRANSMISOR

LECTURA DERESISTENCIA



205#Courtesy of Rosemount, Inc.

DMM

(ALTERNATE READOUT)

CAJA DE DECADAS

RESISTORES

(ALTERNATIVA DE LECTURA)

Características de RTD’s

Tienen problemas de autocalentamientoBuena repetibilidad, no afectada por cambios térmicos

Algunas configuraciones son voluminosas y frágilesPueden medir rangos estrechos de temperatura (5 oC)

Precio altoAsociado en un sistema puede tener alta exactitud




206#

De vida corta si son sometidos a vibraciones y excesosmecánicos

Sensores de tamaño pequeño están disponibles

En sistemas de control digital requieren tarjetas especiales deentrada

No requieren compensación

La resistencia de los contactos puede alterar la mediciónRespuesta rápida

Termistor

Son resistores variables con la temperatura, que están basados ensemiconductores. La principal característica de este tipo deresistencias es que tienen una sensibilidad del orden de diez vecesmayor que las metálicas y aumenta la resistencia al disminuir la

temperatura.Los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente



207#

de temperatura de resistencia negativo de valor elevado, convariaciones rápidas y extremadamente grandes para cambios

relativamente pequeños en la temperatura.Su fundamento esta en la dependencia de la resistencia de lossemiconductores con la temperatura, debida a la variación con estadel numero de portadores reduciéndose la resistencia, y de ahí que

presenten coeficiente de temperatura negativo y varia con lapresencia de impurezas.

Termistor

Existe un límite impuesto por la temperatura de fusión, por lo que sedebe evitar el autocalentamiento.

En cuanto a la estabilidad del termistor con el tiempo y el medio, estase logra sometiéndolos a un envejecimiento artificial. La segunda se

consigue recubriendo el termistor con vidrio si el medio donde va atrabajar le afecta. La intercambiabilidad es otro parámetro a



208#

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 medidade temperatura. Dada su alta resistividad, pueden tener masa muypequeña, lo que les confiere una velocidad de respuesta rápida y

permite emplear hilos largos para su conexión, aunque éstos vayan aestar sometidos a cambios de temperatura, porque ellos tienen mayor resistencia y coeficiente de temperatura. El costo es muy bajo.

Ecuación del termistor

( ) ( )[ ]0 / 1 / 1

0

T T

t R R

−

=θ



209#

R0.- resistencia a la temperatura de referencia T0, en ohms.

Rt.- resistencia a la temperatura medida T, en ohms.

Ɵ.- Constante por fabricante

Construcción del termistor

Los termistores están encapsulados y se fabrican con óxidos deníquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio, titanio y otrosmetales.



210#

Medición con el termistor

La medición se realiza con microamperímetro y conPuente de Wheatstone:

mA

MiliamperímetroGalvanómetro

con cero



211#

TermistorFuente de

Alimentación

Con Miliamperímetro Con Galvanómetro

Fuente de

Alimentación

G

central

Termistor

Ventajas del termistor

Menos estable que otros dispositivos eléctricosBueno para rangos estrechos

EL intercambio de elementos es problemáticoRespuesta rápida

Poca experiencia en su usoDe tamaño pequeño y numerosas configuracionesdisponibles

Comportamiento no linealAlta sensitividad




212#

No disponible para rangos ampliosSu estabilidad aumenta con el envejecimiento (el 90% seda en la primera semana)

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

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

Bajo costo

Pirómetro

Un pirómetro en un instrumento utilizado para medir, por medioseléctricos, 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 de1600 °C



213#

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.

Pirómetro de radiación

Este instrumento no necesita estar en contacto intimo con el objetocaliente, se basa en la ley de Stephan Boltzmann de energía radiante, lacual establece que la superficie de un cuerpo es proporcional a la cuartapotencia de su temperatura absoluta:

W=KT4

W E í itid



214#

W = Energía emitida por un cuerpoT= Temperatura absoluta (°K)

K= Constante de Stephan Boltzmann = 4.92x10 Kcal/m2

Los pirómetros de radiación para uso industrial, fueron introducidos hacia1902 y desde entonces se han construido de diversas formas, existiendo

dos tipos: espejo concavo y lente .

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 produceaberración cromática, en tanto que la lente puede dar una imagen netapara una sola longitud de onda.



215#

p g

2) las lentes de vidrio o de sílice vítrea absorben completamente una

parte considerable de la radiación de largas longitudes de onda. Laradiación reflejada por el espejo difiere poco en longitud de onda mediade la que en él incide.

Pirómetro de radiación tipo espejo

El instrumento suele ser de "foco fijo" o ajustable en el foco, y elelemento sensible puede ser un simple termopar o una pilatermoeléctrica. La fuerza electromotriz se mide con un milivoltímetro ocon un potenciómetro.



216#

Pirómetro de radiación tipo lente

Este pirómetro está formado por una lente de pyrex, sílice o fluoruro decalcio que concentra la radiación del objeto caliente en una pilatermoeléctrica formada por varios RTD´s de Pt - Pt Rd de pequeñasdimensiones y montados en serie. La radiación está enfocadaincidiendo directamente en las uniones caliente de los termopares. Laf.e.m. que proporciona la pila termoeléctrica depende de la diferenciade temperaturas entre la unión caliente (radiación procedente del objeto

f d ) l ió f í E t últi i id l d l j d l



217#

enfocado) y la unión frío. Esta última coincide con la de la caja delpirómetro, es decir, con la temperatura ambiente. La compensación de

este se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada enparalelo con los bornes de conexión del pirómetro.

La compensación descrita se utiliza para temperaturas ambientalesmáximas de 120 °C. A mayores temperaturas se emplean dispositivos

de refrigeración por aire o por agua que disminuyen la temperatura dela caja en unos 10 a 40 °C por debajo de la temperatura ambiente.




218#


En la medida de bajas temperaturas la compensación se efectúautilizando además una resistencia termostática adicional que mantieneconstante la temperatura de la caja en unos 50 °C, valor que es unpoco más alto que la temperatura ambiente que pueda encontrarse y lo

suficientemente bajo como para reducir apreciablemente la diferenciade temperatura útil. El pirómetro puede apuntar al objeto biendirectamente, bien a través de un tubo de mira abierto (se impide la



219#

llegada de radiación de otras fuentes extrañas) o cerrado (medida detemperatura en baños de sales para tratamientos térmicos, hornos)

Los tubos pueden ser metálicos o cerámicos. Los primeros son deacero inoxidable o aleaciones metálicas resistentes al calor y a lacorrosión y se emplean temperaturas que no superan generalmente los1100 °C.

Permiten una respuesta más rápida a los cambios de temperatura quelos tubos cerámicos. Los tubos cerámicos se utilizan hasta 1650 °C.

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 parestermoeléctricos formados por metales comunes.



220#

•donde las condiciones mecánicas, tales como vibraciones o choquesacorten la vida de un par termoeléctrico caliente.

Y, cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios detemperatura.

Pirómetro óptico

Se basan en la ley de distribución de la radiación térmica deλ

Wien:m λ= A / T, donde A = 0.2897 si m viene en cm.

La longitud de onda λ correspondiente al máximo de potenciairradiada en forma de radiaciones comprendidas en un intervalo

infinitamente pequeño de longitudes de onda es inversamenteproporcional a la temperatura del cuerpo negro.

E l di ió d t t t i ó t tili



221#

En la medición de temperaturas con estos pirómetros se utiliza unacaracterística de la radiación térmica: el brillo. El brillo de la radiaciónen una banda muy estrecha de longitudes de onda emitidas por unafuente, cuya temperatura ha de medirse, es confrontado visualmentecon el brillo, en la misma banda, de una fuente calibrada.

Cuando la energía radiante es luminosa, como sucede con las flamasy los metales fundidos se utiliza un pirómetro óptico, cuyo principio sebasa en la variación de la resistencia de una fotocelda al variar laintensidad de la luz a la que esta expuesta.

Estructura de un pirómetro óptico

El pirómetro óptico empleado en la determinación de altastemperaturas tales como las temperaturas de fusión del platino, delmolibdeno o del tungsteno, es del tipo de filamento.



222#

Problemas comunes en la medición detemperatura

• 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 detemperatura

Las prioridades de selección son:

• Rango

• Exactitud• Estabilidad•Instalación



224#

•Costo

Rango de medidores de temperatura

Vapor

Gas

Mercurio

TermoparesTipo I

Tipo J



225#

-250 -200 -100 0 100 200 500 1000 2000

RANGO DE APLICACIÓN EN oC

Tipo K

Tipo R y S

RTD´sNiquel

Platino

Termistores

Características de los medidores detemperatura

Variable

±0.5% a ±2% escalatotal

500

-180

SISTEMA TERMAL

10-50 mV/oC

±0.25% a ±2%

2500

-250

TERMOPARES

De 0.0004 a 0.0007 Ω /ΩoC

0.05 oC

1000

-250

BULBOS DE

RESISTENCIA

Aprox 5%/oCSensitividad

0.05 oCExactitud

450Rango máximo oCrecomendable

-100Rango mínimo oCrecomendable

TERMISTORESCARACTERÍSTICA



226#

BuenaExcelenteBuenaExcelenteEstabilidad

BuenaExcelenteBuenaMalaRepetibilidad

BuenaInherenteNo necesarioOpcionalElemento secundario

sensor/transmisor sensor/transmisor No requeridaAl transmisor Suministro de energía

Lineal, excepto clase II

4-7 s, sin termopozo

No lineal

Depende del calibre e

instalación

Lineal, excepto conníquel

Aprox. 6 s 3-6 sTiempo de respuesta

Lineal en rangoscortos

Salida



La presión es la variable más comúnmente medida, junto conla temperatura, en plantas de proceso y esto es debido a . aque puede reflejar la fuerza motriz para la reacción otransferencia de fase de gases; la fuerza motriz para eltransporte de gases o líquidos; la cantidad másica de un gasen un volumen determinado; etc.

Elementos primarios de medición dePresión



228#

El control de la presión en los procesos industriales dacondiciones de operación seguras. Las presiones excesivas nosolo pueden provocar la destrucción del equipo, sino tambiénprovoca la destrucción del equipo adyacente y pone alpersonal en situaciones peligrosas, particularmente cuandoestán implícitas, fluidos inflamables o corrosivos.

Elementos primarios de medición de Presión

La presión puede definirse como una fuerza por unidad de área osuperficie, en donde para la mayoría de los casos se mide directamentepor su equilibrio directamente con otra fuerza, conocida que puede ser lade una columna líquida, un resorte, un émbolo cargado con un peso o undiafragma cargado con un resorte o cualquier otro elemento que puedesufrir una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión.



229#

Sistemas de unidades - Instrumentación

U.S METRICO SI

PRESIÓNpsi

Pulgadas de aguaKg/cm2

mm de agua Pascal



230#

Pulgadas de mercurio mm de mercurio

bar

(KPa)

Elementos primarios de medición de Presión

La unidad internacional de presión es el Pascal (Pa), el cualcaracteriza una presión uniforme que actúa sobre un área deun metro cuadrado y crea sobre esta área una fuerzaperpendicular de 1 Newton

1 Pa = 1 Newton/m2



231#

Pa bar psi Kg/cm2 mm Hg m H2O

1Pa = 1 1 x10 -5 1.04503 x10 -4 1.01971 x10 -5 7.500627x10-3 1.019716 x 10 -4

Tipos de Presiones

Presión absoluta: Presión que se mide a partir de la presióncero de un vacío absoluto.

Presión atmosférica: Presión que ejerce la atmósfera que

rodea la tierra (barométrica) sobre todos los objetos que sehallan en contacto con ella.

Presión relativa (manométrica): Presión mayor a la presión



232#

Presión relativa (manométrica): Presión mayor a la presión

atmosférica, es la presión medida con referencia a la presiónatmosférica, conocida también como presión relativa o presiónpositiva.

Presión diferencial: Es la diferencia entre dos presiones.

Tipos de Presiones

Presión absoluta

Presión manométrica

Vacío: Presión menor a la presión atmosférica, medida porabajo de la presión atmosférica. Cuando el vacío se mide conrespecto a la presión atmosférica se le conoce como presiónnegativa, el vacío también puede medirse con respecto al

"cero absoluto" como una presión absoluta menor a lapresión atmosférica.



233#

Presión manométrica

Presión atmósferica

Presión barométrica

Presión de vacío

0 absoluto = 0 psia

760 mm Hg = 14.7 Psia0

Manómetros

Es el nombre genérico de los instrumentos que miden presión.Generalmente se usa para designar a los instrumentos quemiden presión arriba de la presión atmosférica.

La forma más tradicional de medir presión en forma precisautiliza un tubo de vidrio en forma de "U", donde se deposita unacantidad de líquido de densidad conocida (para presiones altas,

tili h bit l t i l t b t



234#

se utiliza habitualmente mercurio para que el tubo tenga

dimensiones razonables; sin embargo, para presionespequeñas 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 medianteuna medición de diferencia de altura (es decir, una longitud).

Manómetro de U

El manómetro de "U" conformaun sistema de mediciónabsoluto y no depende decalibración por lo que se

considera un patrón demedición de presión.

S d t j i i l l



235#

Su desventaja principal es la

longitud de tubos necesariospara una medición depresiones altas y no se utilizaen un sistema de transmisión

remota.

ESCALA LINEALGRADUADA

NIVEL DE REFERENCIA CEROCON IGUAL PRESIÓN

EN CADA TUBO

4

3

2

1

0

Manómetro de U



236#

EN CADA TUBO

(A) MANOMETRO CON IGUAL PRESIÓNEN CADA TUBO

1

2

3

4

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. Estemovimiento se transmite a un mecanismo indicador.

Debido a su resistencia y fácil manejo los manómetros están



237#

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 conaleaciones de cobre o aceros aleados.

Manómetros



238#

Manómetros de diafragma

Los diafragmas son láminas elásticas onduladas de forma circular. Por unacara soportan la presión a medir. La curvatura de la membrana es unamedida de la presión.



239#

Las láminas elásticas tienen una fuerza de retorno relativamente grandepor lo que la influencia de los equipos adicionales es por este motivoinferior que en los aparatos con tubo de Bourdon. Para la corrosión sepueden proteger de las substancias corrosivas mediante la cobertura oanteposición de láminas de plástico.


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

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



240#

Tipo diafragma Horizontal Vertical




241#

Medición de diferentes tipos de presión



242#

Ventajas de los manómetros de diafragma

Requieren transductores adicionales para salida eléctricaPueden soportar altas presiones

Deben ser protegidos de golpes y vibracionesNumerosos materiales de construcción sondisponibles para la resistencia a la corrosión y

temperatura

Difícil su reparaciónPrincipio de operación simple

No aplicables a altas presionesPueden ser directamente acoplados al proceso




243#

Buena linealidad

De tamaño relativamente pequeño

Costo moderado

Manómetros tipo Fuelle

Los fuelles son elementos expandibles y contraíbles, quetienen la forma de un acordeón. Con el fin de tener mayor duración y mejorar su exactitud, el movimiento del fuelle esrestringido por medio de un resorte calibrado.



244#

BELLOWS

PRESSURE

PRESIÓN

FUELLE

Manómetros tipo Fuelle



245#

PIVOT

UNDERANGEPROTECTION

BELLOWS WITH STOPS

OVERRANGEPROTECTION

SPRING

BELLOWS

CAN

PRESSURE

BELLOWS IN A CAN

PIVOTE

FUELLE

PRESIÓN

RESORTE

PROTECCIÓN DESOBRERANGO

PROTECCIÓN DESUBRANGO

FUELLES EN UN RECIPIENTE FUELLES CON TOPES

Ventajas de los manómetros tipo Fuelle

Algunos metales usados en los fuelles deben ser sometidos aendurecimiento

Buenos para bajas presiones a moderadas

Generalmente deben ser compensados por cambios en la temperaturaambiente

Disponibles para medición absoluta y diferencial

Requieren resortes para tener caracterización de exactitudCosto moderado

No aplicables a altas presionesDesarrollan grandes fuerzas




246#

Difícil calibración, algunas veces solo se logra con la ayuda deresortes

Manómetros con tubo de Bourdon

Para cualquier tipo de carga, la relación entre la carga y la deformación ε es unaconstante del material, conocida como el módulo de Young:

E=Carga/ ε

Si la constante de deformación es conocida, se puede obtener la carga según:

Carga = E*ε

De modo que frente a deformaciones pequeñas de materiales elásticos, seráposible obtener una cuantificación reproducible de las cargas (fuerzas) solicitantes.

El manómetro de Bourdon depende precisamente de la elasticidad de los



247#

El manómetro de Bourdon depende, precisamente, de la elasticidad de los

materiales utilizados en su construcción.

Manómetros con tubo de Bourdon

Este manómetro, tal vez el más común en plantas de procesos querequieran medición de presiones, consiste de un tubo metálico achatado ycurvado en forma de "C", abierto sólo en un extremo.

La presión a medir actúa sobre la cara interior del tubo, con lo que lasección 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 demedición de 0,6 bar a 4000 bar, principalmente en las clases 0,6 a 2,5. Lainfluencia de la modificación de la temperatura sobre la indicación estádeterminada fundamentalmente por la evolución de la temperatura del



248#

determinada fundamentalmente por la evolución de la temperatura delmódulo de elasticidad del tubo de Bourdon. El error causado por latemperatura, según el material, está entre 0,3% y 0,4%.

Tipo de tubo Bourdon



249#


En Forma de C En Forma helicoidal



250#

SECCIÓN TRANSVERSALOVAL

ESPIRAL

SECTORDENTADO

PIÑÓN

EXTREMO LIBRECERRADO

ESLABÓNAJUSTABLE




251#

MOVIMIENTODEL PLATO

SOPORTE

DIAL

EXTREMO FIJOABIERTO

Elementos en espiral y helicoidal

MOVABLE TIPOPEN END

EXTREMO ABIERTOPUNTA MOVIBLE



252#

OPEN ENDMOVABLE TIP

EXTREMO ABIERTOPUNTA MOVIBLE

Ventajas del tubo Bourdon

Diseños mejorados para máxima seguridad en altas

Histéresis de 0.25% a 0.50 % sobre el ciclo total de operaciónMuy altos rangos de presión

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

Muy utilizado a través de los años

Usualmente requieren movimiento engranado para amplificación(Bourdon C)

Construcción simple

Muy bajo gradiente elástico debajo de 3 Kg/cmCosto bajo




253#

Diseños mejorados para máxima seguridad en altaspresiones

Fácilmente adaptable a transductores para obtener salida eléctrica

Buena exactitud contra costo, excepto en rangosbajos

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 delrango de indicación del manómetro.

• La carga de presión máxima no debería superar el 75% del valor finalde 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 lainstalación apropiada, deben utilizarse aparatos con amortiguamiento delmecanismo indicador o llenado de líquido, ya que si no dañar í an losmanómetros, transmisores y otros dispositivos. La presión pulsante podr í agastar r ápidamente los movimientos del manómetro mecánico. Esto es

especialmente verdadero cuando se utilizan bombas de desplazamientopositivo. Las oscilaciones pueden reducirse o suprimirse colocando unamortiguador en la lí nea.



258#

FILTRO

STRAINERS

RUBBERBULB

WASHER

FELT PLUG

ADJUSTINGSCREW

GLYCERINE

BULBO DEGOMA TORNILLO

AJUSTABLE

GLICERINA

ROLDANA

TAPON DECONTACTO

COLADORES

Amortiguador de pulsaciones



259#

Courtesy University of Texas PetroleumExtension Service

(A) (B)

El tubo sifón o cola de cochino

La cola de cochino es utilizada para aislar el proceso caliente delinstrumento. Cuando los gases llenan el tubo estos se condensan y llenanla parte baja de la cola de cochino. Esto funciona como un tapón queimpide que los gases alcancen al instrumento y también irradia algo decalor al aire circundante. La cola de cochino no debe estar aislada.

El espacio de vapor entre el manómetro/transmisor y el sello decondensado es compresible, por lo que los cambios de presión no seránvistos tan rápidamente como con otros dispositivos. El sello de agua actúacomo un amortiguador.



260#

SELLO DE CONDENSADO

MEDIDOR DE PRESIÓN

O TRANSMISOR

GAS CALIENTE

GASFRIO

El tubo sifón o cola de cochino



261#

GAS CALIENTEFLUJO

Instalación

Instrumento arriba del proceso – El condensado retrocede

TRANSMISOR

PROCESOTRANSMISOR

PROCESO SELLO TIPO

RECIPIENTE

Instrumento aislado del proceso

PROCESO

TRANSMISOR

CIERRE REMOTO



262#

Instrumento debajo del proceso – Parte inferior de lapierna de llenado

TRANSMISOR

TRANSMISOR

Instrumento aislado del proceso

PROCESO

TUBO CAPILAR

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 cuyomovimiento es del orden de milésimas con una presión dereferencia.



264#

Medidor tipo Capacitivo

La señal de presión, referencia y medida, es aplicada pormedio de dos diafragmas, que son los que están en contactodirecto con el proceso. Las características de esteinstrumento son:

La unidad electrónica necesita estar bien diseñada e instaladaExcelentes características de histéresis y respuestaen frecuencia

Salida de alta impedanciaBuena velocidad de respuesta

EN ocasiones es necesario compensarlo debido a a variaciones detemperatura

Buena Exactitud




265#

Costo moderado

Desplazamiento volumétrico pequeño

Resolución uniforme

Construcción simple

y pen frecuencia

Medidor de deformaciones tipo Strain Gage

De acuerdo a la Ley de Hooke, cuando un cuerpo se le aplica unafuerza, este sufre una deformación. Un medidor de deformaciones,strain gage o galga de extensión es un dispositivo que utiliza lavariación de su resistencia eléctrica para medir su presión y seconstruye sobre un metal de coeficiente de elasticidad dado,adosándole un alambre, una tira semiconductora o pistasconductoras.



266#

Medidor de deformaciones tipo Strain Gage

Al deformarse el soporte de la galga o strain gage, se "estira" ose "comprime" el sensor, variando así, su resistencia. Elcambio de resistencia será, precisamente, el reflejo de ladeformación sufrida. En términos de su caracterización, dada

la resistencia R sin deformación, la aplicación de una fuerza Fdeformante producirá un cambio de resistencia.



267#

Tipos físicos de medidores de esfuerzo

Medidor de esfuerzo de hilo metálico. Son las más sencillas y seencuentran en configuraciones fijables. Normalmente estánadheridas a una base de dimensiones estables.

Medidor de esfuerzo laminares metálicas. Son las que sedesarrollan por métodos de fotograbado. Se fabrican de formasimilar a la producción de circuitos impresos en bases flexibles.

Medidor de esfuerzo de metal depositado Son las aplicadasdi t t b fi i di t ét d d



268#

Medidor de esfuerzo de metal depositado. Son las aplicadasdirectamente sobre superficies mediante métodos deevaporización o bombardeo químico. Se usan en los diafragmasde los sensores de presión.


Medidor de esfuerzo Semiconductoras. Son fabricadas consilicio u otro metal semiconductor. Su cambio resistivo esmenos lineal que las de metal y tiene gran dependencia en latemperatura. Se usan en la fabricación de sensores integrados

de presión donde se implantan en microdiafragmas para sensarpresión diferencial o presión barométrica.

Los materiales empleados para la fabricación de medidor de

esfuerzo son diversos conductores metálicos como lasl i t t d k i l ti t bié



269#

esfuerzo son diversos conductores metálicos, como lasaleaciones constantan, advance, karma, isoelastic, y tambiénsemiconductores como el silicio y el germanio. Las aleacionesmetálicas tienen la ventaja de un bajo coeficiente de

temperatura.




270#

Medidor de esfuerzos

En la práctica, el medidor de deformaciones va asociado con unfuelle o un diafragma. Los medidores tipo alambre y película sonhechos de metales y aleaciones metálicas. El más recienteavance en este campo son los de película delgada.



271#

Circuito de medición

El puente de Wheatstone es el arreglo más común, por ser sensible, parasensar cambios producidos por el medidor de esfuerzo.

Cuando no hay deformación, se asume quetodas las resistencias son iguales. Entonces,si ΔR = 0 y todas las resistencias son igualesVsa = 0.

Si se tiene una deformación que produce unΔR ≠ 0, se tiene:

)( R R R

R E

R R

R E Vsa

Δ++

−

+

= E R R

R E Vsa

Δ+−=

22

1



272#

)(

R R

R E

R R

RE E R RVsa

Δ+

Δ=

Δ+

−Δ+=

24)2(2

2)2(

El cambioΔ

R es muy pequeño (típicamente de 1 a 10% del valor nominal de R)Entonces 4R >> 2ΔR, y el voltaje de salida se reduce a: E

R

RVsa

4

Δ≅

Circuito de medición

Habitualmente se utilizan circuitos en puentes, compensados

por temperatura, diseñados para los valores típicos de estasgalgas (resistencias nominales de 120 Ω , 350 Ω , 600 Ω y1000 Ω ) utilizando corrientes que no excedan los 10 mA.

[ ]T RT R T Δ+= 01)( 0α



273#

Medidor tipo Strain Gage

Buena capacidad de sobrecarga

Costo de moderado a altoCaracterísticas robustas contra golpes y vibraciones

Sin partes móviles

Limitado a temperaturas de 300 oCPequeños y compactos

Dispositivos adicionales de lectura y transmisiónEstabilidad de largo termino

Baja señal de salidaAmplio rango de presión

Alimentación regulada de voltaje requeridaBuena Exactitud




274#

Resolución continua y uniforme

Mantenimiento simple

Medidores de presión diferencial

Frecuentemente es necesario conocer la presión relativa entredos puntos; tales sistemas se conocen como sensores depresión diferencial.

Existen diferentes métodos y a continuación se analiza unsensor de presión diferencial, basado en un medidor deesfuerzo.

Las señales de presión, P1 y PR, se entregan a dos diafragmasaislantes que impiden que el fluido ingrese a la cámara



275#

p , y , g gaislantes, que impiden que el fluido ingrese a la cámarasensible. La presión es transmitida a la sección sensiblemediante capilares, que están llenos de un fluido adecuado

(por ejemplo aceite de silicon).


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



276#


Uno de los diafragmas aislantes puede ser sujeto a unapresión constante de referencia, de modo que la posición deldiafragma de referencia será una función de la presiónaplicada en un sólo lado. Similarmente, se pueden aplicar dos

presiones y la posición del diafragma sensor será una funciónde la presión diferencial.



277#

Consejos de Calibration para transmisores depresión 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#

p

Problemas comunes en la medición depresión

• Líneas conectadas

• Sobrerango• Materiales de construcción

• ¿Otros?



279#

Características de los medidores de presión

7 cm H2O0.3 Kg/cm21 Kg/cm20.3 Kg/cm27.5” H2OSpan mínimo

Integral

Absoluta,diferencial y vacío

300 oC

0.01% E.T.

0.3 a 13000 Kg/cm2

± 0.25% E.T.

STRAIN GAGE

Requerido

Absoluta, diferencial yvacío

300 oC

0.25% del span

0 a 12 Kg/cm2

.1 a 1% del span

DIAFRAGMAS

Requerido


120 oC

0.25% del span

0 a 35 Kg/cm2

0.5% del span

FUELLES

Requerido


300 oC

0.01% del span

1 a 1500 Kg/cm2

0.5% del span

BOURDONES

Absoluta,diferencial y vacío

Servicio en presión

IntegralElemento secundario

120 oCTemperatura máxima

0.02% E.T.Sensitividad

0 a 300 Kg/cm2Rango recomendable

± 0.15% E.T.Exactitud

CAPACITIVOCARACTERÍSTICA



280#

Analógica y digital

Lineal

Al sensor ytransmisor

Al sensor ytransmisor

Al transmisor Al transmisor Al transmisor Suministro de energía

LinealLineal, excepto con el

tipo C

LinealLinealRespuesta

Analógica y digitalAnalógicaAnalógicaAnalógicaSalida



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 consideracióndel balance adecuado de materias primas o de productos finales.

Dentro de los procesos industriales la medición y el control de nivel sehace necesario cuando se pretende tener una producción continua,

cuando se desea mantener una presión hidrostática, cuando un procesorequiere de control y medición de volúmenes de líquidos ó; bien en el casomás simple, para evitar que un líquido se derrame, la medición de nivel delíquidos, dentro de un recipiente parece sencilla, pero puede convertirseen un problema más ó menos difícil, sobre todo cuando el material escorrosivo 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 contenidoen 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 presiónhidrostática

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 característicaeléctrica

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 longitudconveniente para introducirla dentro del depósito. Ladeterminación del nivel se efectúa por la lectura directade la longitud mojada por el líquido. En el momento de la

lectura el tanque debe estar abierto a presiónatmosférica. Se utiliza generalmente en tanques degasolina.



288#

Medidor de cinta

Este sistema graduada y un plomo en la punta y opera bajo elprincipio de flotación, en el que el flotador actúa balanceado a unindicador o contrapeso que proporciona una indicación directadel 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

Adaptable para transmisión

Resistencia buena a la corrosión

Presión de operación limitada a unas cuantas “H2O manométicasBajo costo

Baja presiónConstrucción e instalación simple




291#

Medidor de cristal (mirilla)

Consiste en un tubo de vidrio con sus extremosconectador a bloques metálicos y cerrados porprensaestopas que están unidos al tanque generalmentemediante tres válvulas, dos de cierre de seguridad en los

extremos del tubo para impedir el escape del líquido encaso de rotura del cristal y una de purga.

El nivel de cristal normal se emplea para presiones hasta7 bar. A presiones más elevadas el cristal es grueso, desección rectangular y está protegido por una armadura



292#

sección rectangular y está protegido por una armadurametálica.

Mirillas de vidrio básicas

CLOSE-LOOP SIGHT GLASSSCALE

PEN-END I HT L

ESCALA

MIRILLA DE VIDRIOCON EXTREMO ABIERTO

MIRILLA DE VIDRIO CERRADO



293#

(A) OPEN OR VENTED VESSEL (B) PRESSURIZED VESSEL

ESCALA

(A) RECIPIENTE ABIERTO O VENTILADO (B) RECIPIENTE PRESURISADO

Medidor de cristal (mirilla)

Generalmente se conocen como vidrios de nivel



294#

CRISTAL CON ARMADURA CRISTAL NORMAL

Medidor de fuerza de flotación

La fuerza producida por un cuerpo sumergido, la cual es igual al peso delfluido 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 unafuerza de empuje vertical hacia arriba igual al peso del

fluido desalojado".



296#


Consiste en cuerpo inmerso, conocido como desplazador, en el líquido

y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión y unidorígidamente al recipiente. Dentro del tubo y unido a su extremo libre seencuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a untransmisor exterior.

El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el ángulode rotación de su extremo libre es directamente proporcional a lafuerza aplicada.

Al aumentar el nivel, el líquido ejerce un empuje sobre el desplazador igual al volumen de la parte sumergida multiplicada por la densidad dellíquido tendiendo a neutralizar su peso propio así que el esfuerzo



297#

líquido, tendiendo a neutralizar su peso propio, así que el esfuerzomedido por el tubo de torsión será muy pequeño. Por el contrario, al

bajar el nivel, menor parte del desplazador queda sumergida, y lafuerza de empuje hacia arriba disminuye, resultando una mayor torsión.


El desplazador estasuspendido en la barra,lo que restringe sumovimiento y evita sucontacto con cualquier parte del recipiente enque es colocado.

La varilla que conecta al

desplazador con la barrade torsion esta diseñadapara absorber las



298#

pfuerzas laterales.

La precisión es del orden de±

0,5 % a±

1 % .

El instrumento puede utilizarse en tanques abiertos y cerradosa presión o a vacío, tiene una buena sensitividad pero presenta

el inconveniente del riesgo de depósitos de sólidos o decrecimiento de cristales en el flotador que afectan a la precisiónde la medida y es apto sólo para la medida de pequeñasdiferencias de nivel (2000 mm máximo como estándar).

Características del desplazador



299#


La caja del desplazador se construye de hierro o acero alcarbón. La barra de torsión de K-monel como estándar. Eldesplazador esta construido de acero inoxidable 316.

La presión de trabajo es hasta 40 Kg/cm2 y 450 oC detemperatura. Sus conexiones pueden ser de 1 ½” roscadas o de2” bridadas.

Se considera a este dispositivo simple, confiable y adaptable aun rango amplio de variación de nivel.



300#


Insensible a la presión del recipiente

Fácil instalación

Convenientes para fluidos condensables

Debe mantenerse sumergidoBuena exactitud

Inadecuado para usarse con fluidos turbulentosNumerosos materiales de construcción paraproporcionar resistencia a la corrosión

No puede ser usado en lodos o en fluidos cubrientesAdaptable a diferentes densidades de líquidos

Pesados y voluminososRequiere estopero




301#

Adecuados para la medición de interfaces

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 flecharotatoria y a un cojinete que en conjunto llevan el movimientohasta un mecanismo transmisor de balance de movimientos.Para tener máxima sensitividad es necesario que el flotador sesumerja hasta su sección más ancha.



302#

Medidor de flotador

Nivel de líquido

Flotador

Cinta

Polea de fricción baja

Resortede

tensión

++

+Rueda de

lecturadigital



303#

Flotador

Medidor de flotador

Este tipo de dispositivo es el más antiguo y el más utilizado en lamedición de niveles en tanques abiertos y cerrados a presión oa vacío, y son independientes del peso específico del líquido.Tiene el inconveniente de que las partes móviles estánexpuestas al fluido y pueden romperse, además el flotador debemantenerse limpio. Los flotadores tienen una precisión de 0,5 %.



304#

Medidor manométrico

Consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior deltanque. El manómetro mide la presión debida a la altura de líquido h queexiste 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) seencuentra conectado a una fuente de gas con presiónsuficiente para vencer la presión hidrostática generada

por la columna de líquido, hasta producir una corrientecontinua de burbujas. La presión requerida para producir el flujo continuo de burbujas es la presión hidrostática dellíquido y conociendo la densidad del líquido se puede

determinar su nivel.

Este sistema es muy ventajoso en aplicaciones con



306#

Este sistema es muy ventajoso en aplicaciones con

líquidos corrosivos con materiales en suspensión (elfluido no penetra en el medidor, ni en la tubería deconexión).




307#


Los gases utilizados son generalmente aire e hidrógeno,lo que representa su máxima desventaja y por esa razónson poco utilizados.

La instalación es económica, particularmente paraindicaciones 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

Funciona bien con fluidos turbulentos

Bueno para uso con lodos

No utilizado en recipientes a presiónBuena exactitud, depende de la calidad del medidor depresión utilizado

No utilizado en recipientes cerradosBajo costo

Dificultad para operarlos en recipientes a baja presiónBueno para problemas severos de corrosión




309#

Medidor de presión diferencial

Este instrumento es el que mejor satisface los requerimientosde transmisión remota. La fuerza o el movimiento resultante esconvertido a una señal normalizada de 3-15 Psig o 4-20 mA.

Consiste en un diafragma en contacto con el líquido delestanque, que mide la presión hidrostática en un punto delfondo del estanque. En un estanque abierto esta presión esproporcional a la altura del líquido en ese punto y a su pesoespecífico, es decir:

P = h γg en la que:

P = presión



310#

P = presión

h = altura del líquido sobre el instrumento

γ = densidad del líquido

g = 9,8 m/s2


Señalparacontrol

Señal paracontrol

Tanquepresurizado



311#


Las celdas o d/p cell, como se conocen, pueden instalarse en

tanques atmosféricos o en tanques a presión, variando suesquema de instalación.



312#


La precisión de los instrumentos de presión diferencial es de ±

0,5 % en los neumáticos, ± 0,2 % a ± 0,3 % en los electrónicos,y de ± 0,15 % en los “inteligentes” con señales de salida de 4-20 mA C.D.

Un punto importante en la especificación es el material deldiafragma y debe ser el adecuado para resistir la corrosión delfluido (existen materiales de acero inoxidable 316, monel,tantalio, hastelloy B, inoxidable recubierto de teflón).



313#

Medición de nivel con un transmisor depresión diferencial

Hmax = Altura total*ρ = 63*0.717

=45.171 cm H2O = 17.78 “H2O

Supresión = Lmin*ρ = 33*0.717= 23.66 cm H2O = 9.31 “H2O

De acuerdo a los valores de Hmax ysupresión se selecciona el rango deltransmisor de 0 30 “H2O.

Volumen del líquido:

V (ml) = factor cub. (ml/cm) * Nivel (cm)

Nivel del líquidoL(cm) = (H(“H2O)*2 54/ ) – Lmin (cm)

LmaxNivel máximo

LminNivel mínimo

RECIPIENTEDE CARGA

30 cm

33 cm

Factor decub70.6 ml/cm



314#

L(cm) = (H( H2O) 2.54/ρ) Lmin (cm)

V(ml) = (70.6 * H*2.54/ρ)-33

LH

Transmisor de PresiónDiferencial

Características del Medidor de presióndiferencial

Compensación por temperatura

Con mucha experiencia y años en la aplicación

Fácil calibración

Fácil instalación

Funciona mejor con fluidos limpios ó pocos corrosivoDisponible para aplicaciones de alta temperatura ypresión

Variaciones en la densidad, índice de errores en la mediciónBuena exactitud

Costo moderado a alto , especialmente cuando se requierenopciones especiales

Adecuados para medición de nivel de interfaces




315#

El medidor de nivel tipo capacitancia

Estos se basan en las propiedades eléctricas de los materiales y en formabásica existen dos tipos:

o Tipo resistivo o conductivo (Admitancia)

o Tipo capacitivo (capacitancia)



316#

Consiste en uno o varios electrodos y un relevador eléctrico o electrónicoque es excitado cuando el líquido moja a dichos electrodos. El líquidodebe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuitoelectrónico, y de este modo el aparato puede discriminar la separaciónentre el líquido y su vapor, tal como ocurre, por ejemplo, en el nivel de

agua de una caldera de vapor.

El medidor de nivel conductivo oresistivo



317#

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 sondaspor causa del fenómeno de la electrólisis.

Cuando el líquido moja los electrodos se cierra el circuito electrónico ycircula una corriente segura del orden de los 2 mA; el relevador electrónico dispone de un temporizador de retardo que impide suenclavamiento ante una ola del nivel del líquido o ante cualquier perturbación momentánea o bien en su lugar se disponen dos electrodospoco separados enclavados eléctricamente en el circuito.

El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo,

El medidor de nivel tipo resistivo paraseñales on-off



318#

El medidor de nivel tipo resistivo paraseñales on-off



319#

El medidor de nivel tipo resistivo paraseñales 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 paraseñales continuas

El hecho de considerar la resistencia, implícitamente en la admitancia, da las

siguientes ventajas:

Inmune a las adherencias e incrustaciones de la sonda.

Adecuado para usarse con líquidos adherentes y espumosos.

Puede ignorar variaciones en la composición y temperatura del medio.

Adecuado para la medición de lodos y cualquier tipo de sólidos



321#

Medidor de nivel capacitivo

Mide la reactancia capacitiva Xc del capacitor C, formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes delrecipiente, en base a una frecuencia conocida f. La capacidaddel conjunto es lineal y depende del nivel del líquido.

Para el cálculo de la capacitancia en microfaradios, se toma elvalor de la constante dieléctrica K, y las dimensiones físicasdel capacitor A, B y L.

fC Xc π 2

1

=



322#

En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y lacapacidad total del sistema se compone de la del líquido, ladel gas superior y la de las conexiones superiores.




323#

La precisión de estos medidores es de ± 1 %. Secaracterizan por no tener partes móviles, son ligeros,presentan una buena resistencia a la corrosión y son defácil 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 posiblescontaminantes contenidos en el líquido puedan adherirse alelectrodo variando su capacidad con lecturas erróneas, enpartic lar en el caso de líq idos cond ctores

Características del Medidor de nivelcapacitivo



324#

particular en el caso de líquidos conductores.


Relativamente de bajo costo

Las sondas pueden resistir las condiciones mas severas

Opera con fluidos conductivos o no conductivos

Ajuste remoto de span y cero en transmisores inteligentes

Su medición puede ser afectada por variaciones detemperatura

Fácil instalación

No puede ser usado con fluidos adherentesÚtil en servicios on-off y control continuo en un ampliorango de nivel

Usualmente requiere recalibración si el fluido medidocambia su composición o humedad

Sin partes móviles expuestas al fluido




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 enun receptor. El retardo en la captación del eco dependedel nivel del tanque.

Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 KHz.Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento oreflexión el medio ambiente de gases o vapores y sereflejan en la superficie del sólido o del líquido.



326#


La precisión de estos instrumentos es de ± 1 a 3 %. Son

adecuados para todos los tipos de tanques y de líquidos ofangos pudiendo construirse a prueba de explosión.Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad

de los fluidos y de dar señales erróneas cuando lasuperficie del nivel del líquido no es nítida como es el casode un líquido que forme espuma, ya que se producenfalsos ecos de los ultrasonidos.

La utilización de la computadora permite, a través de unprograma, almacenar el perfil ultrasónico del nivel, y asítener en cuenta las características particulares de lasuperficie del líquido tal como la espuma con lo cual se



327#

superficie del líquido, tal como la espuma, con lo cual semejora la precisión de la medida.


DetectorEmisor



328#

Medición ultrasónica

RECEIVER ANDAMPLIFIER

TIMED GAINCONTROL

WAVESHAPING

LOGIC ANDDISPLAY

GENERATOR ANDTRANSMITTER

TIMINGGENERATOR

TRANSDUCERS

TRANSMITTED BURST

RECEIVED BURST (ECHO)

ELAPSED TIME PROPORTIONALTO DISTANCE

OBJECT BEINGSENSED

GENERADOR YTRANSMISOR

GENERADORDE TIEMPO

RECEPTOR YAMPLIFICADOR

OBJETO A SERSENSADO

TRANSDUCTORES

GANANCIA DECONTROL

CRONOMETRADA

LOGICA YLECTURA

FORMADE ONDA

TREN DE PULSOS TRANSMITIDO

EL TIEMPO TRANSCURRIDOES PROPORCIONAL A LA DISTANCIA

TREN DE PULSOS RECIBIDO (ECO)



329#

SENSEDSENSADO

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 laradiación gamma recibida en una señal eléctrica de corrientecontinua. Como la transmisión de los rayos es inversamenteproporcional a la masa del líquido en el estanque, la radiación

captada por el receptor es inversamente proporcional al niveldel líquido ya que el material absorbe parte de la energíaemitida.Los rayos emitidos por la fuente son similares a los rayos X,

pero de longitud de onda es más corta. La fuente radiactivapierde igualmente su radiactividad en función exponencial deltiempo. La vida media (es decir, el tiempo necesario para que elemisor pierda la mitad de su actividad) varía según la fuente



330#

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 esde 33 años y en el americio 241 es de 458 años.




331#


Las paredes del estanque absorben parte de la radiacióny al detector llega sólo un pequeño porcentaje. Losdetectores son, en general, detectores de cámara iónica yutilizan amplificadores de c.c. o de c.a. El instrumentodispone de compensación de temperatura, de

linealización de la señal de salida, y de reajuste de lapérdida de actividad de la fuente de radiación. Comodesventajas en su aplicación figuran el blindaje de lafuente y el cumplimiento de las leyes sobre protección de

radiación.La precisión en la medida es de ± 0,5 a ± 2 %, y elinstrumento puede emplearse para todo tipo de líquidos



332#

ya que no esta en contacto con el proceso. Su lecturaviene influida por el aire o los gases disueltos en ellíquido.


El sistema se emplea en caso de medida de nivel en

estanques de acceso difícil o peligroso. Es ventajosocuando existen presiones elevadas en el interior del tanqueque impiden el empleo de otros sistemas de medición. Hay

que señalar que el sistema es caro y que la instalación nodebe ofrecer peligro alguno de contaminación radiactivasiendo necesario señalar debidamente las áreas dondeestán instalados los instrumentos y realizar inspecciones

periódicas de seguridad.



333#


Detector



334#

Fuente de

radiación

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 casode la medición de metal fundido, donde la medida del nivel deberealizarse sin contacto con el líquido y a la mayor distancia posible por existir unas condiciones de calor extremas. El sistema consiste en unrayo láser enviado a través de un tubo de acero y dirigido por reflexiónen un espejo sobre la superficie del metal fundido. El aparato mide el

tiempo que transcurre entre el impulso emitido y el impulso de retornoque es registrado en un fotodetector de alta resolución, y este tiempoes directamente proporcional a la distancia del aparato emisor a ladistancia a la superficie del metal en fusión, es decir, da la lectura delnivel.



335#

Sistema de nivel por radar

REMOTEDISPLAY

MICROWAVEELECTRONIC

MODULE

RADARANTENNA

TANK ATMOSPHERE

ATMOSFERA DEL TANQUE

ANTENADE RADAR

LECTURAREMOTA

MÓDULOELECTRÓNICO

DE MUCROONDAS



336#

TEMPERATURESENSOR

SENSOR DETEMPERATURA

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 denivel

La selección depende de algunos aspectos, como los que a continuaciónse mencionan:

• Condiciones de operación• Exactitud• Costo

• Instalación• Mantenimiento y operación• Calibración• Confiabilidad



339#

Características de medidores de nivel

De acuerdo almedidor asociado

Cercana a laatmósferica

100 oC

Líquidos

Requerido

Analógica

Igual a la alturadel tanque

±1% del rango

BURBUJEO

0.75%

100 Kg/cm2

300 oC con

sello

LíquidosInterfaces

Inherente

Analógica odigital

4” a 1000”H2O

±0.5% a ±2%del span

D/P CELL

0.1 % delspan

200 Kg/cm2

500 oC

LíquidosInterfacesSólidos

Inherente

Analógica odigital

6” a 100 ft

±0.5% delspan

CAPACI

TANCIA

300 Kg/cm24 Kg/cm2150 Kg/cm2200 Kg/cm2Presión max.

0.1 % delspan

± 1 %± 1 %0.75% delrango

Sensitividad

-150 a 500o

C

LíquidosInterfaces

Integral

Analógica

14” a 48”

±0.1% a±0.3%

DESPLA

ZADOR

-150 a 500 oC

Líquidos

Integral

Analógica

1/4” a 14”

±1% a ±3%

FLOTADOR

150 oC

Líquidos

Requerido

Analógica odigital

1” a 35 ft

±1% a ±2%

TIPO CINTA

LíquidosInterfacesSólidos

Servicios

850 oCTemp. max.

InherenteUnidadsecundaria

Analógica odigital

Salida

1/2 ” a 100 ftRangorecomenda

ble

±0.5% delspan

Exactitud

ADMITANCIA

CARACTE

RÍSTICA



340#

sensor/transmisor Al transmisor sensor/transmisor sensor/transmisor Altransmisor Al transmisor Altransmisor Suministro deenergía



Importancia de la mediciImportancia de la medicióón den deFlujoFlujo

La medición de flujo es importante y algunos ejemplos de

aplicación en nuestra vida son para conocer:•Consumos de agua potable para uso doméstico eindustrial,

•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 materiaEstados de la materia

La materia se presenta en tres estados: sólido, líquido o gaseoso y en formabásica se tiene que: un sólido tiene un volumen y forma definidos; un líquidotiene un volumen definido, mas no una forma definida; y un gas no tiene ni

volumen ni forma definidos.

Volumen definido

SÓLIDO FLUÍDO

Forma y volumen

definido Deformaciones LÍQUIDO GAS

Incompresibles Compresibles

Volumen Indefinido, baja

densidad

ESTADOS DE LA MATERIA



343#

FluidoFluido

Un fluido es parte de un estado de la materia y se define como un conjunto de

moléculas distribuidas al azar que se mantienen unidas por fuerzas cohesivasdébiles y por fuerzas ejercidas por las paredes de un recipiente, es decir sinvolumen 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 unlíquido es la compresibilidad, así los gases pueden ser comprimidosreduciendo 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 flujoUnidades de medida de flujo

m3

/hrKg/hrm3

/hrKg/hrGPMlbs/hr

SCFM

S.I.METRICOU.S.A.

• Líquidos GPM, m3 /hr, lbs/hr

• Gases SCFH, m3 /hr

• Vapor lbs/hr, Kg/hr



345#

Tipos de flujoTipos de flujo

• Flujo volumétrico.– El volumen de un flujo que pasa por un punto en la

tuberia por unidad de tiempoQ = A x V

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 fluidosPropiedades de los fluidos

DensidadLa densidad de un material se define como la masa contenida en la unidad devolumen de un material. Ejemplo: agua = 62.4 lbs/ft3

Peso específicoLos ingenieros que no han adoptado el SI, utilizan el peso específico o densidadde peso, definido como el peso de la unidad de volumen de una sustancia.

⎥⎦⎤⎢⎣⎡= 3 m

Kg

v

mδ

Densidad relativa o gravedad específicaPara líquidos, se define como la razón entre la densidad de la sustancia y ladensidad del agua a una temperatura determinada. Para gases, es con respectoa la densidad del aire.

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ ⋅===

33

m

N

m

f Kg g δ

v

mg

v

w PE

tantantan ciasusciasusciasusδ

gδ

PEDR



347#

tantantan

agua

cia sus

agua

cia sus

agua

cia sus

δ g δ g

PE PE DR ===


ViscosidadSe 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 esencialconocerla para la selección de medidores de flujo.

Fluido NewtonianoEs todo aquel fluido que sigue la Ley de Newton de la viscosidad, es decir quecuando la relación de corte y la velocidad de deformación del fluido es lineal y laviscosidad es función exclusiva de la condición del fluido.

Fluido No NewtonianoNo se comporta conforme la Ley de Newton y la viscosidad de este fluido dependedel gradiente de velocidad, además de la condición del fluido..



348#


CompresibilidadA cada incremento/decremento de la presión que se ejerce sobre un fluido, lecorresponde una contracción/expansión del fluido. Esta deformación o cambiode volumen se llama elasticidad o compresibilidad. Se mide en N/m2.

Ecuaciones de estado de los gases

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

2

22

1

11

T V P

T V P ⋅=⋅

T RmV P ⋅⋅=⋅

T R

P

⋅= ρ

ρ



349#

EcuaciEcuacióón de continuidadn de continuidad

La relación de volumen de flujo (Q) que pasa en un punto es igual a la seccióntransversal normal (A) en ese punto por el promedio de velocidad a través del

área (V).

V AQ ⋅= s

feet feet

s

feet ⋅= 2

3

Relación de volumen de flujo = Area x Velocidad promedio

La velocidad de flujo volumétrico a través de una tubería puede ser calculadomultiplicando el área de la tubería por la velocidad promedio en ese punto olocalización Esta es la base de operación de todos los medidores de velocidad



350#

localización. Esta es la base de operación de todos los medidores de velocidadde flujo.

EcuaciEcuacióón de continuidadn de continuidad

Si hay un volumen constante de velocidad de flujo para un cambio de área (uncambio de diámetro de tubería) existe un cambio inverso de la velocidad

promedio. Esta es la ecuación de continuidad y esta basada en la velocidadpromedio a través del área seccional.

Ecuación de continuidad



351#

Teorema deTeorema de BernoulliBernoulli

Daniel Bernoulli (1700-1782) comprobó experimentalmente que "la presión internade un fluido (líquido o gas) decrece en la medida que la velocidad del fluido seincrementa", o dicho de otra forma "en un fluido en movimiento, la suma de la

presión y la velocidad en un punto cualquiera permanece constante", es decir que p + v = k.

Para que se mantenga constante k, si una partícula aumenta su velocidad vtendrá que disminuir su presión p, y a la inversa. Como la presión y la velocidad

actúan recíprocamente:

Presión estática + Presión dinámica = Presión total = Constante

Presión estática + 1/2 v 2 = Presión total = Constante

ρ

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



352#

y j pCuando hay un aumento de flujo en un fluido, la presión disminuye.

El nEl núúmero demero de ReynoldsReynolds

A finales del siglo XIX, Reynolds efectúa un experimento, inyectando tinta en lacorriente de un flujo y observa cambios significantes en el movimiento de latinta. 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 flujolaminar debido a que el fluido se esta moviendo como si estas fuerancompuestas de laminaciones o placas.

Al incrementa la velocidad, se alcanza la condición donde la tinta inicia comouna línea recta, pero empezando a generar inestabilidad y al aumentar lavelocidad se genera una inmediata dispersión de la tinta a través de la corrientede flujo, llamando a este flujo sinuoso y hoy se llama flujo turbulento.



353#


En el trabajo de Reynolds se demostró que en el flujo laminar , elcomportamiento del fluido esta dominado por las fuerzas viscosas (friccióninterna 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 dosveces la velocidad promedio.



354#

El nEl núúmero demero de ReynoldsReynoldsEn el flujo turbulento, las fuerzas dinámicas dominan el comportamiento delfluido que provocan la dispersión de la tinta. El perfil es cuadrado y cambia conel cambio de velocidad del fluido y de la viscosidad

Flujo Laminar

Flujo

Flujo Laminar

El número de Reynolds es menor de 2000

Flujo

Flujo TurbulentoEl número de Reynolds es mayor de 4000

Flujo

Flujo Turbulento



355#Flujo de Transición

El número de Reynolds esta entre 2000 y 4000


Existe una zona de inestabilidad conocida como régimen de transición donde elflujo puede comportarse como laminar o turbulento.El régimen de flujo laminar, turbulento o de transición está definido por el

número de Reynolds (Re número adimensional):

Si Re ≥ 4000 el perfil es cuadrado hacia arriba y el flujo es turbulento.

D



356#

p y j

Si Re ≤ 2000 el perfil es parabólico y el flujo es laminar .

Si 2000 ≥ Re ≤ 4000 , el flujo es de transición

Perfil de flujo y efectos de tuber Perfil de flujo y efectos de tuber ííaa

Los cálculos del número de Reynolds son válidos para perfiles simétricos. Sinembargo, 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 deflujo. Como el flujo se mueve a través del codo, se acelera alrededor y haciafuera de la curva y disminuye su velocidad dentro de la curva. El perfil sedistorsiona con una zona de alta velocidad ocurriendo al otro lado de la línea decentro de la tubería.



357#

Perfil de flujo y efectos de tuber Perfil de flujo y efectos de tuber ííaa

Existen algunas recomendaciones de ASME para tubería corriente arriba y corriente abajopara el caso de orificios o toberas de flujo después de un disturbio específico. Gráficassimilares pueden existir para otro tipos de medidores.



358#

Acondicionamiento del perfil de flujoAcondicionamiento del perfil de flujo

Idealmente el perfil de flujo lo define el Número de Reynolds y la condición de la paredinterna de la tubería (rugosidad). El perfil puede ser restablecido por acondicionadores deflujo, aunque se deben de utilizar con discreción y sumo cuidado.

Aunque la mayor parte de los acondicionadores de flujo como Sprenkle, Zanker,Mitsubishi y Vortab son efectivos en la eliminación de perfiles de flujo distorsionado,chorros y remolinos persistentes, su principal desventaja es que tienen pérdida de cabeza.

3Zanker

1VORTAB

4Sprenkle

2Mitsubishi

PÉRDIDA DE CABEZALRELATIVO

(4 es el más alto)

ACONDICIONADOR DE FLUJO



359#

Tipos de medidores de flujoTipos de medidores de flujo

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

Másico calculado (medición de densidad)

Másico inferido (Densidad constante)

Flujo Volumétrico

Flujo Másico

Clasificación de Medición de Flujo de Fluidos

Volumen a condicionesestándares

Volumen a temperatura base

Gravimétrica (másico)Gravimétrica (másico)

Gravimétrica (másico)Volumen actualVolumen actual

Vapor GasesLíquidos

Unidades de flujo de medición comúnmente usadas

MEDIDORESDE FLUJO

VOLUMÉTRICONI MÁSICO,NI VOLUMÉ-

TRICOMÁSICO



360#

ClasificaciClasificacióón de medidores de flujon de medidores de flujo

MÁSICO VOLUMÉTRICO HÍBRIDO

TÉRMICO

MEDIDORESDE

FLUJO

CAMBIOMOMENTUM

CORIOLIS

ANGULAR LINEAL

AREAVARIABLE

PRESION DIF.VARIABLE

ORIFICIO CODOTOBERA TARGET

VENTURI TUBO DE

FLUJO

LAMINAR

PARTES ENNO MOVIMIENTO

IÓNICO EFECTO

DOPLERINDUCIÓNELECTRO-

MÁGNETICA

TÉRMICO

RESONANCIAMAGNÉTICA

NUCLEARCABEZA

VARIABLE

OSCILACIÓNHIDRODINÁMICA

AC DC

CANAL TOBERAVERTEDERO DESCARGA

FORZADA LIBRESÓNICO LASER MICROONDAS

PARTES ENMOVIMIENTO

TURBINA DESPLAZAMIENTOPOSITIVO

PROPELA

ENGRANE PISTÓNDISCO VELETA



361#KENNISONDE CHORRO

Medidor de flujo tipoMedidor de flujo tipo áárea variablerea variable

Los medidores de área variable, también llamados rotámetros, utilizan el mismoprincipio que los medidores de flujo del tipo presión diferencial; esto es, larelación 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 ladiferencial de presión cambia con respecto a la velocidad del flujo. En losmedidores de área variable, el área de restricción cambia cuando el flujo cambiay la presión diferencial permanece constante.

El rotámetro consiste de un tubo de medicióncónico y un flotador. El fluido circula en formaascendente por el tubo desplazando alflotador que normalmente lleva unas ranurasque dan lugar a que el flotador gire,proporcionando estabilidad y efectos decentrado. Esta rotación es la que le da elnombre de rotámetro. El rotámetro puedecontener una válvula manual para establecer flujos pequeños, y también puede ser utilizadocomo un indicador, transmisor o un

l d d



362#controlador de campo.

Funcionamiento delFuncionamiento del RotRotáámetrometro

Cuando no existe flujo, el flotador descansa en la parte baja del tubo, y al pasar el flujo, hace ascender el flotador hasta que alcanza un equilibrio y la altura delflotador es una indicación del flujo que esta pasando. El cambiar la forma o la

densidad del flotador permite al mismo tubo medir sobre diferentes rangos.

FLUJO

FLUJO

DENSIDAD

VISCOSIDAD

TAPA DEL TUBO

PESO DEL FLOTADOR

PRESIÓN DEL GAS



363#

Funcionamiento delFuncionamiento del RotRotáámetrometro



364#

El tubo delEl tubo del rotrotáámetrometro

El material del tubo puede ser de vidrio, metal y en algunos casos de plástico.

El tubo de vidrio es utilizado para temperaturas de 33 a 250 oF, no se utiliza en

servicios de vapor, con tamañosde hasta 2”. Su mayor desventaja es que eltubo puede romperse.

El tubo metálico se utiliza en mas aplicaciones, de muy altas presiones (hasta6000 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 deió f t d l t



365#conversión o factores de lectura.

Ventajas y limitaciones de un MF deVentajas y limitaciones de un MF de áárea variablerea variable

Sólo manejan fluidos limpios

Las incrustaciones de suciedad pueden volver difícil la lecturaNingún tipo de suministro requerido

Transmisión no disponible como standardRango de flujo 10:1

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

Baja caída de presión constante

Las unidades en algunos casos son voluminosasRelativamente inmune a los arreglos de tuberíacercanos

Capacidad máxima de flujo limitadaSimple

No es apropiado para altas presionesBajo costo




366#

Medidor de flujo tipo presiMedidor de flujo tipo presi

óó

n diferencialn diferencial

Este tipo de medidores cambia la velocidad o dirección, provocando una presióndiferencial 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 enuso son dispositivos de presión diferencial, siendo el más popular la placa deorificio.



367#

Ventajas de los MF tipo presiVentajas de los MF tipo presióón diferencialn diferencialLas 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 secomparan con otros medidores.

•Pueden utilizarse para la mayoría de los fluidos.

•Hay abundante información sobre sus diferentes usos.



368#

Desventajas de los MF tipo presiDesventajas de los MF tipo presióón diferencialn diferencial

Sus principales desventajas son:

•La amplitud del rango de medida es menor que para la mayoría de los

otros medidores.

•Puede producir pérdidas de carga significativas, es decir provocan unacaída de presión alta.

•La señal de salida no es lineal con el flujo.

•Deben de respetarse tramos rectos de tubería corriente arriba y corrienteabajo del medidor que, según la localización de la tubería y los accesoriosexistentes, pueden llegar a ser grandes.

•Pueden producirse efectos de envejecimiento, es decir, acumulación dedepósitos 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 orificioPlaca de orificioLa placa de orificio es el dispositivo de medición de flujo más comúnmenteusado, cuyas características son.

Máxima pérdida de presión permanente.Más fácil de instalar.Fácilmente reproducible.Requiere inspección periódica.

Es el de más bajo costo.Es el dispositivo más conocido.

Este dispositivo mide flujos de líquidos, gases y vapores bajo un amplio rangode 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 quegeneral una presión diferencial en el sistema, la que se mide, y resulta ser proporcional a la magnitud del flujo.



370#

371#

Placas de orificio concPlacas de orificio concééntricontrico

La placa de orificio mas común es un disco circular concéntrico, normalmentede acero inoxidable, donde el tamaño del orificio y espesor dependen deltamaño 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 esun gas o un vapor con líquido, la placa tiene un pequeño orificio en la partesuperior o inferior respectivamente.



371#

372#

Placa de orificio segmentadoPlaca de orificio segmentado

Existen otros dos tipos de orificios: el orificio segmentado y el orificio excéntrico.

El área del orificio segmentado es equivalente al área del orificio concéntrico. Seusa cuando se requiere eliminar el estancamiento de materiales extraños,instalándose con la secante horizontal y con su sección curva coincidiendo conla superficie inferior de la tubería. Es muy usada para medir vapor húmedo,líquidos con sólidos en suspensión o aceites con agua cuando la medición sehace en tubería horizontal. Cuando el orificio se puede localizar verticalmente,debe cambiarse a orificio concéntrico.



372#

373#

Placa de orificio excPlaca de orificio excééntricontrico

En el orificio excéntrico, el orificio es tangente a la superficie superior de latubería cuando el fluido es un gas, y tangente a la superficie inferior cuando esun líquido. Esta placa tiene las mismas ventajas que la segmentada.

El área del orificio segmentado en equivalente al área del orificio excéntrica.



373#

374#

Tomas en la placa de orificioTomas en la placa de orificio

Para medir la presión diferencial que origina la placa de orificio, se conectan dostomas, una en la parte anterior y otra en la parte posterior de la placa. Ladisposición de las tomas, puede ser: en las bridas, en la vena contraída y en la

tubería.



374#

375#

Perfil de presiPerfil de presióón de las placas de orificion de las placas de orificio



375#

376#

EcuaciEcuacióón de las placas de orificion de las placas de orificioLa relación de proporcionalidad es del tipo cuadrática, en la que el flujo es laraíz cuadrada de la presión diferencial por una constante. El flujo alinteraccionar con la restricción cambia su energía potencial (presión) por

energía cinética (velocidad), describiendo un patrón de flujo muy especial querecibe el nombre de vena contracta.

(1)wh KAQ =

donde:

Q = Flujo.hw = Caída de presión producida por la restricción.

A = Área de la restricción.K = Coeficiente de descarga del sistema.

El teorema de Bernoulli describe el funcionamiento de la placa de orificio,

donde se hace una relación entre la energía potencial, la energía cinética y laspérdidas por fracción del fluido con la tubería y la restricción.



377#

FFóórmula de crmula de cáálculo, caso llculo, caso lííquidoquido

La determinación se hará mediante el procedimiento conocido como “MétodoUniversal”. Este método utiliza a la variable “s”, que recibe el nombre de factor de descarga, como una función de β (relación de diámetros), definido por:

donde:

S.- Factor de descarga = flujo real/flujo teórico, que pasa a través del orificio (=) adimensional.Qmed.Gasto máximo correspondiente a la escala total del medidor, en GPM o m3/hr.GL Gravedad específica del fluido a 60º F.N Constante de proporcionalidad, que depende de las unidades usadas.

D Diámetro interno de la tubería en pulgadas o milímetros.hm Rango diferencial de presión máxima del rango seleccionado en “H2O ó mm H2O.Fm Factor de corrección por densidad relativa del líquido de sello (elemento secundario

manómetros de mercurio o medidores de campana)Fa Factor de corrección por expansión del material de la placa.F

p

Factor de corrección por compresibilidad.Fc Factor de corrección por número de Reynolds basada en S.Ft Factor de corrección por temperatura.

pcmat mi

Lmed

F F F F F h ND

GQS

2=



378#

En este caso se hace uso del método conocido como “ especial”, el que sedefine por la siguiente expresión:

donde:

K0β2= Factor de descarga [=] adimensionalQmed= Gasto máximo correspondiente a la escala total del medidor en SCFH a Presión yTemperatura de operación.Pb = Presión base en Psia. ( por ejemplo para Pemex; 1kg/cm 2 ó 14.223 lb/pulg2)Tb = Temperatura base en ºR (por ejemplo para Pemex; 20º C o 528ºR).

Pf = Presión del fluido en Psia.Tf = Temperatura del flujo en ºR.G = Gravedad específica del fluido a P y T de operación.Zb = Factor de compresibilidad del fluido a condiciones base.Zf = Factor de compresibilidad del fluido a P y T de operación.Fr = Factor de corrección por número de Reynolds.

Y= Factor de corrección por expansión del fluido.Fwv = Factor de corrección por humedad del gas.Di F F y h = Definidos anteriormente

f mwvmar

f

b

f

ib

b

med O

P h F F F F Z

Z

GT D

T

P

Q

Υ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜

⎝

⎛ ⎟ ⎠ ⎞⎜

⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⎟ ⎠ ⎞⎜

⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞

⎜⎜⎝ ⎛

=Κ 1520

520

73.1417.338

2

2 β

FFóórmula de crmula de cáálculo, caso gaslculo, caso gas



Di, F , F y h Definidos anteriormente.

379#

La metodología empleada en el cálculo de placas de orificio para vapores, essimilar a la desarrollada para gases. Este procedimiento tiene ligerasvariaciones, por lo que a continuación se describe la secuencia de cálculo.

La ecuación que describe el factor de descarga es:

donde:

K0ß2 = Factor de descarga.

Wmed

= Gasto másico máximo del vapor que manejará el medidor [=] Lb/hFf = Densidad del vapor en Lb/Ft

3.= Factor de peso específico del vapor de tabla 26 Spink.

hm, D, Fa, Fr y Y= definidos anteriormente

FFóórmula de crmula de cáálculo, caso vaporeslculo, caso vapores

f r a f m

med O

F F F h D

W

γ β

Υ=Κ

2

2

359

f γ



380#

La cuña, como la placa de orificio, produce una presión diferencial y operalinealmente para números de Reynolds por encima de 500.

Sus aplicaciones típicas son en lechadas y fluidos viscosos (sujeta a limitaciónen el número de Reynolds).

Están disponibles los sellos químicos o conexiones de tipo capilar para ayudar aprevenir el taponamiento de la tubería de impulso.

CuCuñña de flujoa de flujo

ALTA BAJA

FLUJO



381#

La tobera de flujo consiste de una restricción con una sección de contornoelíptica que es tangente a la sección de garganta cilíndrica. Se utiliza paraaplicaciones típicas de alta temperatura, alta velocidad y fluidos con números de

Reynolds de 50,000 y mayores. Sus características son:

• Se utiliza en presión diferencial baja• No se puede remover fácilmente para reemplazarse.• Utilizada para servicio de vapor.

• No recomendado para fluidos con un gran porcentaje de sólidos.

Tobera de flujoTobera de flujo



382#

TuboTubo venturiventuri

El tubo venturi consta de tres partes fundamentales:

a) una sección de entrada cónica convergente en la sección transversaldisminuye, lo que se traduce en un aumento de la velocidad del fluido y unadisminución de la presión;

b) una sección cilíndrica o garganta en la que se sitúa la toma de baja presión, ydonde 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 unarecuperación de la mayor parte de la presión diferencial producida y un ahorrode energía.



383#


El tubo venturi es particularmente recomendable cuando el fluido contienegrandes cantidades de sólidos en suspensión o corrientes de flujo sucias puestoque la entrada lisa permite que el material extraño sea arrastrado y no

acumularse como pasaría en una placa de orificio. Los requerimientos de latubería 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 lautilizada para un tubo Venturi, resultando una combinación que se denominaventuri - tobera.



384#


Sus ventajas principales son:

•Se caracteriza por producir una menor pérdidas de presión permanente conrespecto a la placa de orificio y la tobera de flujo.

•Su capacidad de flujo es aproximadamente de un 50% mayor que una placade orificio.

•No está sujeto a obstrucciones por sólidos del fluido debido a su simetría.



385#


Las principales limitaciones de los tubos Venturi son su elevado costo y lalongitud necesaria para su instalación, sobre todo para grandes tamaños detubería.

Sin embargo, debido a su baja pérdida de carga, son justificados en casosdonde tiene que bombearse grandes cantidades de líquido de forma continua.

Cuando la pérdida de carga no es importante, suele prescindirse del tubo

Venturi y sustituirse por una placa de orificio debido a su menor costo y mayor facilidad de instalación y mantenimiento.

flujo



386#

TuboTubo dalldall

El tubo Dall consiste de un cuerpo cilíndrico de longitud relativamente corta yque es paralelo en dirección a la tubería seguido por la convergencia de uncono 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 lapared externa del tubo Dall y la tubería.

Este elemento, por sus características de diseño, no es recomendable para lamedición de fluidos que contengan sólidos en suspensión.

La ventaja principal de este tubo es su caída de presión permanenteaproximada que es de 2.5 a 6% de la diferencial medida, contra un 10 a 14 %para el mismo fluido en un tubo Venturi.



387#

Diferentes diseDiferentes diseñños de tubos de flujoos de tubos de flujo



388#

PPéérdida de presirdida de presióón de los diferentes medidoresn de los diferentes medidores

de flujo de preside flujo de presióón diferencialn diferencial



389#

TuboTubo pitotpitot

El tubo de Pitot es quizá la forma más antigua de medir la presión diferencial ytambién conocer la velocidad de circulación de un fluido en una tubería. Estaforma más sencilla consta de un pequeño tubo con la entrada orientada encontra del sentido de la corriente del fluido. La velocidad del fluido en la entradadel tubo se hace nula, al ser un punto de estancamiento, convirtiendo suenergía cinética en energía de presión, lo que da lugar a un aumento de presióndentro del tubo Pitot.



390#

TuboTubo pitotpitot

En la práctica se emplea un diseño con dos tubos concéntricos, uno interior queactúa como el tubo Pitot y el exterior como un medio de medir la presiónestática.

Los tubos de Pitot son instrumentos sencillos, económicos, con una caída depresión baja y disponibles en un amplio margen de tamaños. Si se utilizanadecuadamente pueden conseguirse precisiones moderadas y, aunque su usohabitual 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 grandesconductos y, prácticamente, con cualquier fluido.

Probablemente la principal desventaja sea su dificultad para medir bajasvelocidades 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 enel extremo inferior del perfil turbulento, la diferencia en velocidad que atraviesael flujo requerirá que se inserte el flujo donde se pueda determinar quevelocidad se esta midiendo.



391#

Arreglos de tubosArreglos de tubos pitotpitot



392#

TuboTubo annubar 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 lacara aguas arriba de la corriente, que utiliza para interpolar los perfiles develocidad y realizar un promedio, y otro orificio en el centro del tubo pero en lacara aguas debajo de la corriente.

De los tubos que están en su interior, uno sirve para promediar las presionesobtenidas en los cuatro orificios, midiendo la presión total, mientras que el otrotubo, que se encuentra en la parte posterior, mide la presión estática en elorificio central aguas debajo de la corriente.

Existen diferentes tipos de tubos annubar, cuya selección depende del tamañode la línea y su aplicación.

El tubo annubar tiene mayor precisión que el tubo de pitot, así como una bajaperdida de carga, utilizándose para la medida de pequeños y grandes flujos defluidos.



393#

TuboTubo annubar annubar



394#

CodosCodos

Cuando un fluido circula por el codo de una tubería, está sujeto a unaaceleración angular. La fuerza centrífuga resultante crea una presión diferencialentre el radio interior y el radio exterior. La raíz cuadrada de esta presión

diferencial es proporcional al flujo, siendo la base fundamental de estosmedidores de flujo.



395#

CodosCodos

Las tomas en el codo presentan la ventaja de que como la mayoría de lasconfiguraciones de tuberías tienen codos, pueden situarse en ellos las tomas de

presión. Esto permite una instalación económica, sin perdidas de presión, y sinintroducir obstrucciones en la línea.

Debe ponerse especial cuidado para alinear los orificios de las tomas de presiónen ambos planos. Si el codo esta calibrado, su precisión puede ser comparable

a la de una placa de orificio



396#

Transmisores de orificio integralTransmisores de orificio integral

El medidor de flujo conorificio integral se aplicaprincipalmente en la

medición de caudales muypequeños, en laboratorios yplantas piloto.

Generalmente se utiliza una

placa con un orificio entre0.020 y 0.350 pulgadaspara tamaño 1/2", 0.242 y0.832 para 1", 0.382 y 1.18para 1 1/2" de diámetro, elcual restringe el paso delflujo; la placa se encuentramontada y conectada a untransmisor de presión

diferencial.



397#

Orificios de restricciOrificios de restriccióónn

Los orificios de restricción se usan para regular flujos no críticos tales comopurgas. 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 dedimensionamiento de orificios, con un ajuste para la recuperación depresión.

Para el cálculo de gas se supone flujo sónico, es decir la presión dedescarga es menos que la mitad de la presión de entrada absoluta. Si esteno es el caso, se utiliza la ecuación para cálculo de orificios para gas.



398#

Medidor de flujo tipo cono en VMedidor de flujo tipo cono en V

El medidor de flujo de presión diferencial V-Cone, utiliza tecnologíapatentada que mide el flujo en forma precisa a través de una amplia gamade 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 flujode fluidos a través de un tubo.

El desempeño del V-Cone es por mucho mejor, ya que incluye cono centralen el interior del tubo. El cono interactúa con el flujo del fluido, modificandoel perfil de velocidad del mismo para crear una región de presión mas bajainmediatamente de aguas abajo del mismo. Presenta baja caída depresión, es mas estable con un amplio rango de materiales y susaplicaciones son para líquidos, gas y vapor.



399#

Medidor de flujo tipo cono en VMedidor de flujo tipo cono en V

Una de las tomas se coloca inmediatamente corriente arriba del cono y laotra se coloca en la cara orientada corriente abajo. Después la diferencia depresión se puede incluir en una derivada de la ecuación de Bernoulli paradeterminar 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 lamedición, asegurando mediciones de flujo altamente precisas y confiables,sin importar la condición de flujo aguas arriba del medidor



400#

Medidores de flujo de velocidadMedidores de flujo de velocidad

Los cuatro medidores de flujo de tipo velocidad más comunes son:

•Medidor magnético

•Vortex

•Turbina

•Ultrasónico

La medición del flujo se infiere a traves de la ecuación de continuidad,convirtiendo la velocidad promedio de flujo, en flujo volumétricoconsiderando el área constante.

AV Q ⋅=2r A ⋅= π

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



401#

Medidores de flujo magnMedidores de flujo magnééticosticos

El medidor de flujo magnético se basa en la Ley de Faraday de inducciónelectromagnética, la cual establece que un voltaje puede ser inducido en unconductor en movimiento a través de un campo magnético.

La magnitud de voltaje inducido E es directamente proporcional a lavelocidad del conductor V, al diámetro D del conductor y a la fuerza decampo magnético B.

V D Bk E ⋅⋅⋅=



402#

Cuando el par de bobinas es energizada, se genera un campo magnético, elcual debe ser perpendicular al eje del líquido conductor y al plano de loselectrodos. El líquido debe considerarse como un número infinito deconductores moviéndose a través del campo magnético y contribuyendocada elemento al voltaje generado. El fluido debe tener alguna conductividadmínima ya que actúa como un conductor.

V D Bk E ⋅⋅⋅=

Medidores de flujo magnMedidores de flujo magnééticosticos



403#

Caracter Caracter íísticas de los MF magnsticas de los MF magnééticosticos

-Mide flujo volumétrico.

-No tiene partes en movimiento.

- Mide flujo de líquidos con partículas de sólidos en movimiento o lodos.

- Alta exactitud y repetibilidad sobre diferentes rangos (+/- 0.25% deexactitud y 0.2 % de repetibilidad).

-Alta confiabilidad por no tener partes en movimiento.

- Aire en el líquido no daña el sensor.

- Mantiene su precisión con el tiempo.

- No depende del número de Reynolds



404#

- Los tamaños de tubería normalmente son de ½” hasta 12”.-• La presión de diseño menor de 580 psig (40 bar)

• La temperatura de diseño menor de 200 oC (392 oF)

• El rango del flujo es desde 0.01 hasta 100,000 GPM.- 3 to 6 ft/s para fluidos viscosos, lodos abrasivos

- 5 to 10 ft/s para fluidos con baja viscosidad y lodos con solidos- 6 to 20 ft/s para fluidos limpios

Caracter Caracter íísticas de los MF magnsticas de los MF magnééticosticos



405#

Aplicaciones de los medidores magnAplicaciones de los medidores magnééticosticos

Estos medidores se aplican ampliamente en:

- Líquidos mezclados con agua,

- En el manejo de pasta,- En procesos altamente corrosivos,- En plantas de tratamiento de efluentes (industrias de desechos),- En plantas de papel,- En la industria del grano (maíz, cereal),

- En la industria de resinas, pinturas,- En la medición de productos viscosos,- En la industria de alimentos (leche, mezclas de helados, industria decerveza, café, salsas, etc) y- en donde la medición de flujo de proceso es díficil



406#

Medidor tipoMedidor tipo VortexVortex

El medidor tipo Vortex es un ejemplo de un medidor de flujo oscilatorio. Abaja velocidad, el modelo del flujo permanece alíneado, sin embargoal incrementar la velocidad, el fluido se separa de cada lado del cuerpo y se

arremolina formando vórtices (torbellinos) corriente abajo del cuerpo. Elnúmero de vórtices generados es directamente proporcional a la velocidaddel fluido.

El Vortex crea una señal pulsante el cual puede ser medido.

Flow

Meter

Bore

High Velocity Fluid

AlternateVortices

Shear Layer

StillFluid

FLUJO

FLUIDOFIJO

ALTA VELOCIDAD DE FLUIDO

VORTICESALTERNADOS

CUERPO DEL

MEDIDOR

CAPA DEINICIO



407#

Medidor de flujo tipo turbinaMedidor de flujo tipo turbina

Un medidor de flujo tipo turbina es aceptado ampliamente como una tecnologíaprobada que es aplicable para medir flujo con una alta exactitud y repetibilidad yconsiste 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 elmovimiento del rotor en un sistema lector externo.



408#


Los medidores para gas y para líquido funcionan bajo el mismo principio. Lasección transversal de un medidor de turbina típico para líquidos consta deuna longitud de tubería en el centro de la cual hay un rotor de paletasmúltiple, montado sobre cojinetes, para que pueda girar con facilidad, y

soportado corriente arriba ycorriente abajo por undispositivo centrado tipocruceta que, habitualmente,

incorpora un enderezador dela vena fluida.

La energía cinética del fluidocirculando hace girar el rotor

con una velocidad angular que, en el margen lineal delmedidor, es proporcional a lavelocidad media axial delfluido y, por tanto, al flujo

volumétrico.



409#


Los medidores de turbina para gas o líquido difieren fundamentalmente en eldiseño del rotor. Una salida mediante impulsos eléctricos se produce cuandose detecta el paso de cada paleta alrededor de uno o más sensores situadosen el campo del medidor. El punto más débil en un medidor de turbina paralíquidos son los cojinetes, ya que tienen que soportar el peso del rotor.

Algunas turbinas proporcionan unafrecuencia de la señal de salidaque varía linealmente con el caudal

volumétrico sobre rangos de flujoespecificados.La bobina colectora o sondaconvierte la velocidad del rotor auna señal de frecuencia

equivalente.



410#

InstalaciInstalacióón del MF tipo turbinan del MF tipo turbina

0.0151 ½ “ a 3”

0.0085/8 a 1 ¼ “

0.00551/4 a 1/2”

Tamaño máximo de partícula enpulgadas

Tamaño del medidor



411#

AplicaciAplicacióón del MF tipo turbinan del MF tipo turbina

Una turbina es una unidad versátil; ésta soporta un rango extremadamente altoa presiones y temperaturas, y debido a que está fabricada de acero inoxidablees compatible con una amplia gama de fluidos. Sin embargo, los fluidos debende ser relativamente limpios y no deben ser productos de alta viscosidad.

Una limitación potencial de los medidores tipo turbina es que estos tienen uncomponente móvil –el rotor- y un cojinete que esta sujeto a desgaste. Medianteel 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 laaplicación de líquidos lubricantes.



412#

Ventajas y limitaciones de los MF tipo turbinaVentajas y limitaciones de los MF tipo turbina

En su instalación es obligatorio utilizar filtrosFácil instalación

Pueden diseñarse para cumplir requerimientos dehigiene

Sus requerimientos de contrapresión son altosAlta confiabilidad (con un solo componente móvil)utilizado en transferencia de custodia

El componente móvil es sujeto a desgasteSalida digital y lineal

Afectados por las condiciones del flujo corriente arribaRespuesta rápida

Requieren indicación secundariaTamaño pequeño y peso ligero

Relativamente carosAmplia disponibilidad de tamaños

Pueden dañarse por sobrevelocidades y gasificaciónVersátil, conveniente para operación bajocondiciones severas

Calibración requeridaRango de flujos de 10:1

No convenientes para altas viscosidadesSon utilizados frecuentemente como medidores deflujo maestros debido a su excelente repetibilidad.




413#

Medidor de flujo tipo ultrasMedidor de flujo tipo ultrasóóniconico

Los medidores de flujo tipo ultrasónico como su nombre lo indica, miden el flujopor medición de energía u onda ultrasónica en sistemas cerrados.

Existen dos tipos:

-Medidor ultrasónico de tiempo transitorio o por impulsos y

- Medidor ultrasónico por efecto Doppler



414#

Medidor de flujo ultrasMedidor de flujo ultrasóónico de tiempo transitorionico de tiempo transitorioEl medidor ultrasónico de tiempo transitorio o por impulsos son los más precisosy se utilizan preferentemente con líquidos limpios, aunque algunos permitenmedir con cierto contenido de partículas (lodos orgánicos), gas y un % deburbujeo .

El método de medida es una diferencial por tiempo de tránsito, es decir, mide elflujo tomando el tiempo que tarda la energía ultrasónica en atravesar la secciónde tubería con y contra el flujo de líquido en la tubería.

Este método se basa en un hecho físico. Si se imaginan dos canoasatravesando un río sobre una misma línea diagonal, una en el sentido del flujo y

la otra en contraflujo, la canoa que se desplaza en el sentido del flujo necesitarámenos tiempo en alcanzar su objetivo.



415#

Medidor de flujo ultrasMedidor de flujo ultrasóónico de tiempo transitorionico de tiempo transitorioLa diferencial se puede referenciar al tiempo y a la frecuencia para calcular lavelocidad de flujo.

2cos

2At

t N V ⋅

Δ⋅= θ

donde tA es el tiempo promedio detránsito

θ cos

2

⋅⋅Δ=N

f V

donde ∆f es generadapor dos osciladores



416#

Medidor de flujo tipo ultrasMedidor de flujo tipo ultrasóónico tiponico tipo Doppler Doppler

El efecto Doppler puede entenderse fácilmente si se considera el cambio que seproduce en la frecuencia cuando un tren se mueve hacia una persona con subocina sonando, cuando el tren se acerca, el nivel de volumen de la bocina esmás alto, ya que las ondas sonoras son mas próximas, que si el tren estuvieraparado. Cuando el tren se aleja, aumenta el espaciamiento, dando un nivel mas

bajo. Este cambio aparente de frecuencia se denomina Efecto Doppler y esdirectamente proporcional a la velocidad relativa entre el objeto móvil, el tren yla 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 enmovimiento con partículas, por un cristal transmisor. Parte de la energía esreflejada por las burbujas del líquido hacia un cristal receptor.

FLOWPROFILE

VF

RECEIVE

TRANSMITSIGNAL

TRANSMITZONEOF

REFLECTIONIN STABLE

VELOCITYREGION

TRANSMITESEÑAL

TRANSMITE

RECIBE

PERFIL DEFLUJO

ZONA DEREFLEXIÓNEN REGIÓN

DE VELOCIDADESTABLE



417#

Medidor de flujo tipo ultrasMedidor de flujo tipo ultrasóónico tiponico tipo Doppler Doppler Debido a que los reflectores viajan a la velocidad del fluido, la frecuencia de laonda reflejada presenta un corrimiento o esta desviada de acuerdo al principioDoppler. De acuerdo a lo anterior, se tiene gran parte de su aplicación paramedir fluidos con altos niveles de concentración de sólidos (0.2% a 60%

sólidos).



418#

La temperatura de diseño va desde -60 ºC a 260 ºC.

La presión de diseño no esta limitada.

Los rangos de flujo velocidad van desde 0.2 ft/seg. a 60 ft/seg.

Caracter Caracter íísticas del MF ultrassticas del MF ultrasóónico tiponico tipo Doppler Doppler



419#

La rangeabilidad de este tipo de medidores de ultrasonido no es una limitante.Puede manejar doble flujo y se puede cambiar de tubería.

Los tamaños de tubería son desde ½ ” hasta 72 “ con una´exactitud de 0.5 a

1%, una exactitud de calibración de 0.10 a 0.25% y, repetibilidad de 0.05%.

El costo de instalación arriba de 6" de tamaño de línea es bajo comparado conuna placa de orificio, turbina, medidor de flujo magnético, venturi, vortéx.

Su mayor ventaja es que no tiene partes móviles y se utiliza en tuberíasgrandes, fluidos corrosivos y peligrosos y servicio sin revestimiento.

Caracter Caracter íísticas del MF ultrassticas del MF ultrasóónico tiponico tipo Doppler Doppler



420#

Medidores de flujo mMedidores de flujo máásicosico

• a) ¿Qué es flujo másico?

Flujo másico = Masa / Tiempo

Ejemplos de unidades :Pounds / minuto (Lb/min)

Kilogramos / hour (Kg/hr)

Gramos / second (gr/sec)

b) ¿Que es flujo volumétrico?

Flujo volumétrico = Volumen / Tiempo

Ejemplos de unidades:- Litros / minuto (LPM)

- Galones / minuto (GPM)

- Pie cúbico / hora (Ft3/Hr)



421#


c) ¿Que es Flujo volumétrico corregido?

Flujo volumétrico corregido = Densidad x Volumen / Tiempo = flujo másico

Ejemplos de Unidades de Flujo Volumétrico Corregido:- Litros standard/ minuto (SLPM)

- Centímetro cúbico standard / minuto (sccm)

- Pie cúbico standard / hora (SCFH)



422#


• La densidad de un fluído varía con los cambios en temperatura y presión:

– Densidad = f (fluído, T, P)

• Debido a esta variación, se utilizan condiciones normalizadas para calcular la densidad.

• Condiciones normalizadas de Presión y Temperatura:

– Presión Standard – 14.7 psia = 760 torr = 1 atm

– Temperatura Standard – Industrial - 70 oF – Semiconductor - 0 oC – Otras, definidas por el usuario



423#


• Flujo másico = densidad x Volumen / tiempo

• Para medición de flujo másico se debe considerar:

– Tipo de fluido, Temperatura y Presión deben ser conocidas y consideradas

SCFM = ACFM x ( P / 14.7 ) x ( 530 / T )



424#


Los medidores de flujo másico, desarrollados en los años 80’s, miden lamasa directamente utilizando propiedades de la masa, opuestos a aquellosque miden volumen o velocidad.

Tienen amplia gama de aplicaciones debido a que su medición esindependiente del cambio de parámetros del fluido, sin necesidad derecalibrar o compensar los parámetros específicos del fluido. Muchas de lasotras tecnologías son afectadas por cambios en la densidad del fluido,viscosidad, presión y/o temperatura.

Básicamente existen dos tipos :

• Medidor de flujo másico tipo Coriolis

• Medidor de flujo másico tipo térmico



425#

Medidor de flujo mMedidor de flujo máásico tiposico tipo CoriolisCoriolis

Gustave Gaspard Coriolis (1792-1843) fué un ingeniero y matemático quedescribió la fuerza Coriolis por primera vez en 1835 (“Sur les equations dumouvement relatif des systemes de corps”). La aceleración Coriolis sedefine como:

en el que los vectores F es la fuerza, w es sumovimiento angular y v la velocidad; m es lamasa a ser aplicada a un punto conocido a unadistancia L, desde los ejes 0,0.

Esta ecuación es equivalente a la segunda leyde Newton F=ma, para movimiento rotacional



426#

Principio de funcionamientoPrincipio de funcionamiento CoriolisCoriolis

El medidor Coriolis opera bajo el principio básico de movimiento mecánico.El elemento sensor es un tubo vibrante en el cual se crea y se mide laaceleración Coriolis, soportado sobre un eje de soporte y un eje par.



427#

El fluido en movimiento pasa a través de un tubo de flujo vibrando, y forzandoa tomar una aceleración conforme este se mueve hacia el punto del pico deamplitud de vibración. A la inversa, el fluido desacelera conforme se muevelejos desde el punto pico de amplitud hasta que sale del tubo.


Fuerza Coriolis (Entrada)



428#

El resultado de fuerzas es una reacción en doble sentido del tubo del flujodurante las condiciones del flujo, mientras este atraviesa cada ciclo devibraciones. La torsión es sensada por bobinas que miden la posición en cadalado 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 esnecesaria una conversión, su rendimiento es incomparable.


+150 mV

-150 mV

ΔT = 0

Frecuencia = DensidadSensor 2Sensor 1

ΔT= Flujo másico

Condiciones de flujo+150 mV

-150 mV

ANGULO DETORSIÓN

ANGULO DETORSIÓN



429#

Medidores de flujo mMedidores de flujo máásico tipo tsico tipo téérmicormico

Los medidores de flujo másico tipo térmico son aplicados para la industriadel petróleo, procesos químicos, tratamiento de agua, generación deelectrodo de plantas nucleares, en la electrónica para la manufactura decircuitos integrados, etc. Se utiliza para la medición de líquidos y gases.

Este tipo de medidores depende de las variaciones de una o mascaracterísticas térmicas de fluidos, como una función de flujo.Existen dos tipos de estos medidores:

- Aquellos que miden la relación de pérdidas de calor a corriente de flujo y

- Los que miden la elevación de temperatura de la corriente de flujo



430#


Medidor de flujo másico de elevación de temperatura a corriente de flujoTípicamente se mide la diferencia de temperatura a los cambios de flujo através de un tubo calentado

donde:

Thomas, inicialmente considero un gran tubo , con una malla calentada en elcentro del tubo y termometros arriba y debajo de la malla, con muchoconsumo de potencia



431#


Posteriormente Laub propuso un diseño en la que el calentador y los termómetrosson situados sobre la superficie exterior del tubo.

El calor es transferido a través de la pared de la tubería y calentando solamente la

capa delgada de gas próxima a la pared

entrada

salida

T3

T3

T4

T4

T1T2

T2

T1

Calentador



432#

Componentes del MF mComponentes del MF máásico tsico téérmicormico

Los componentes básicos de un controlador de flujo másico térmico son:a) Sensor b) Cuerpo/Restrictor

c) Circuito electrónicod) Válvula/orificio

Circuitoelectrónico

Sensor

Cuerpo

Flujo

Restrictor

Válvula

Orificio



433#

Funcionamiento del MF mFuncionamiento del MF máásico tsico téérmicormico

El elemento sensor, no es un medidor de flujo másico, ya que solodetecta la diferencia de temperatura debida al flujo y aprovecha estamedición para determinar el flujo másico

Calor

T1 T2

Sensor

T1Temperatura de

entrada alSensor

Calentador

Flujo

Puente para ladetección de

T

T2Temperatura de

salida delsensor



434#

Funcionamiento del MF mFuncionamiento del MF máásico tsico téérmicormico

Las curvas de respuesta del medidor son las siguientes:

Temperatura (oC)

Flujo (sccm)

0

20

60

40

80

20 6040 800 100

Salida del sensor

Entrada al sensor



435#

Caracter Caracter íísticas del MF msticas del MF máásico tsico téérmicormico

• Medición y control de flujo másico.

• Principio de operación termodinámico mediante unadiferencial de temperatura proporcional al flujo,sensada a través de un circuito puente.

• Precisión de +-1% E.T.

• Manejo de señales estándar.

• Control local y remoto.

• Fácil mantenimiento.

• Requiere una fuente de voltaje.

• Salida lineal.

• Requiere calibración para cada gas.

• Sensible por el uso de capilar.

• Suministro +- 15VCD

• Salida de 0-5 VCD



436#

MF de desplazamiento positivoMF de desplazamiento positivo

Un medidor de desplazamiento positivo es aquel dispositivo que mide lacantidad de fluido que circula por un conducto, dividiendo el flujo en segmentosvolumétricos conocidos, aísla el segmento momentáneamente, y lo regresaradespués a la corriente de flujo mientras tanto va contando el número de

desplazamientos.

Un medidor de desplazamiento positivo puede ser dividido en tres componentesbásicos:

- La caja externa, que se encuentra llena de fluido

- El desplazador, que bajo la acción del fluido circulante, transfiereel fluido desde el final de una cámara a la siguiente, y- El tren de accionamiento indicador o registrador para contar .

La caja externa es un recipiente a presión que contiene los productos a ser medidos y puede ser de construcción sencilla o doble, con la caja simple,teniendo la caja y las paredes de la cámara de medición como unidad integral.Con la construcción de doble caja, la caja externa es separada de la unidad de

medición y sirve solo como un recipiente a presión.



437#

Tipos de MF de desplazamiento positivoTipos de MF de desplazamiento positivo

Dentro de los diferentes tipos de medidores de desplazamiento positivo paralíquidos, 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

M did d Pi tM did d Pi tóó il til t



438#

Medidor de PistMedidor de Pistóón oscilanten oscilante

Este medidor consiste de un pistón hueco montado excéntricamente dentro deun cilindro. El cilindro y el pistón tienen la misma longitud, pero el pistón tien undiámetro mas pequeño. El pistón, cuando circula flujo, oscila alrededor de unpuente divisor, que separa la entrada de la salida del líquido.

M did d l t d li tM did d l t d li t



439#

Medidor de paletas deslizantesMedidor de paletas deslizantes

Consta de un rotor con unas paletas, dispuesta en parejas opuestas, que sepueden deslizar libremente hacia adentro y hacia fuera de su alojamiento. Losmiembros de las paletas opuestas se conectan rígidamente mediante varillas, yel fluido circulando actúa sobre las paletas sucesivamente, provocando el giro

del rotor.Mediante la rotación, el líquidose transfiere de la entrada a lasalida, a través del espacioentre las paletas y mediante el

conteo de revoluciones, sedetermina la cantidad de flujoque ha pasado

Se utilizan para medir líquidos

de elevados costos, siendoinstalados generalmente encamiones cisterna para ladistribución de combustible yes ampliamente usado cuando

se requiere exactitud.



440#

Medidor de engranes de rueda ovalMedidor de engranes de rueda oval

Este medidor consta de dos ruedas ovales que engranan entre si y tienen unmovimiento 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 ruedasdando lugar a un giro suave de un par prácticamente constante y preciso, para

reducir el rozamiento.



441#

Medidor de engranes tipo helicoidalMedidor de engranes tipo helicoidal

Funciona de manera similar al anterior y su principal ventaja de ambos es quesu medición es independiente prácticamente de las variaciones de densidad yde la viscosidad del líquido.

Medidor tipo pistMedidor tipo pistóón oscilanten oscilante



442#

Medidor tipo pistMedidor tipo pistóón oscilanten oscilante

Funciona en base al movimiento de un pistón a través de una válvula dedeslizamiento.

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%.

C tC t íí ti d t i t d l MF dti d t i t d l MF d



443#

Caracter Caracter íística de comportamiento del MF destica de comportamiento del MF de

desplazamiento positivodesplazamiento positivoLos medidores de desplazamiento positivo presentan resistencia a la fricción, lacual tiene que ser vencida por el fluido circulante. Para flujos bajos, el flujo notiene energía cinética suficiente para hacer girar el rotor y la resistencia delmecanismo, 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 energíacinética aumenta con el cuadrado de la velocidad hasta alcanzar el equilibrio.

Ventajas y limitaciones de los MF tipoVentajas y limitaciones de los MF tipo



444#

Ventajas y limitaciones de los MF tipoVentajas y limitaciones de los MF tipodesplazamiento positivodesplazamiento positivo

Alta pérdida en la diferencialAlta resolución

Resultan dañados con las sobrevelocidadesAmplio rango de flujo

Largos y voluminosos para grandes diámetrosLectura local con opción a transmisión por pulsos

Limitada disponibilidad de tamañosLectura directa en unidades volumétricas

Refacciones costosasNo requiere suministro eléctrico ni fuente dealimentación

Instalación díficilExactitud virtualmente insensible a las condicionescorriente arriba de la tubería.

Caros, particularmente para grandes diámetrosPueden absorver grandes cambios de viscosidad

Inconveniente para líquidos sucios, no lubricantes oabrasivos

Adecuados para fluidos de alta viscosidad

Mantenimiento requerido regularmenteMuy buena repetibilidad

Componentes móviles sujetos a desgasteBuena exactitud y rangeabilidad


Medidor de flujo tipoMedidor de flujo tipo targettarget



445#


Cuando el flujo pasa un obstáculo en la tubería, con fuerza, comúnmentereferida como arrastre, está generalizado un empuje o arrastre del obstáculo enla 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 fuerarestringido por una fuerza igual y opuesta al arrastre, la magnitud de la fuerzapuede 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 elobstáculo, llamado fricción de arrastre, y tiene su principal influencia cuando elmedidor de flujo está operando en el régimen de flujo laminar.

- La fuerza resultante de la diferencia entre la presión inmediatamente corrientearriba e inmediatamente corriente abajo del obstáculo, llamada presión dearrastre. Para flujos turbulentos, la presión de arrastre es el primer contribuyenteal arrastre total sobre el obstáculo.

Principio de operaciPrincipio de operacióón del MF tipon del MF tipo targettarget



446#

Principio de operaciPrincipio de operacióón del MF tipon del MF tipo targettarget

En el medidor tipo Target, un target (paleta o disco circular) física es montadoconcéntricamente en la tubería y localizada directamente en el flujo del fluido.

La deflexión del target y la fuerza en la barra es medida por el instrumento.




447#


CaracterCaracteríísticas del MF tiposticas del MF tipo targettarget



448#

Caracter Caracter íísticas del MF tiposticas del MF tipo targettarget

Su mejor campo de aplicación se halla en la medición de flujo en fluidoslíquidos, gases, vapores, sucios, lodos diluidos (slurries), fluidos de altaviscosidad, corrosivos o con sólidos en suspensión, particularmente donde las

características del fluido excluye el uso de medidores con tomas de presión opartes en movimiento.

La versatilidad y el bajo costo de instalación hace que el medidor de flujo tipoTarget un candidato a muchas aplicaciones díficiles de medición de flujo.

El tamaño del orificio total, en medidores en línea, puede ser instalado encualquier tamaño. El tubo target esta disponible desde ½” hasta 6”. La versióninserción para tamaños de línea grande esta también disponible.

El tipo de montaje limita el rango de presión. El tipo strain gage se utiliza en tresrangos de presión: 1000, 5000 y 10,000 PSIG y también en tres rangos detemperatura: -65° a +425° F, -65° a +500° F, y -320° a +250° F.

Medidor tipo CanalMedidor tipo Canal ParshallParshall



449#

Medidor tipo CanalMedidor tipo Canal ParshallParshall

Este medidor de canal abierto consiste de tres secciones: una sección degarganta y una sección divergente. El caudal a través del canal es una funcióndel incremento de velocidad y del nivel del líquido a través del canal. El canalParshall es uno de los tipos más comúnmente utilizados medidores de canal

abierto.Debe mantenerse limpio, los sólidos grandes pueden bloquear el fondo delcanal provocando error en la medición.



450#

Lista de factores de selecciLista de factores de seleccióón del medidor de flujon 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 deenergía tiene?

15.¿Qué propiedades de flujo deben ser consideradas’ (viscosidad,densidad, compresibilidad, conductividad eléctrica, calidad de

lubricación, etc.)

SelecciSeleccióón de medidores de flujon de medidores de flujo



451#

Otra clasificación puede ser dada por el tipo de fase que manejan. Existenaplicaciones donde el gas esta entrampado en el líquido y donde la fase líquida esllevada junto con la fase gaseosa. Los medidores volumétricos manejan líquidos congas entrampado y pueden generar un error en % volumen del gas presente.

LÍQUIDO

AREAVARIABLE

PRESIÓN DIF.VARIABLE

DESPLAZAMIENTO

POSITIVO

TURBINA

MAGNÉTICO

ULTRASÓNICO

TÉRMICO

OSCILATORIO

CORIOLIS

GAS

AREAVARIABLE


DESPLAZAMIENTOPOSITIVO

TURBINA

TÉRMICO

OSCILATORIO

CORIOLIS

VAPOR

AREAVARIABLE


TURBINA

OSCILATORIO

LODOS

MAGNÉTICO


(EXCENTRICO,SEGMENTAL,

VENTURI)

CORIOLIS

ULTRASÓNICO(DOPPLER)

SelecciSeleccióón de medidores de flujon de medidores de flujo

fL MF l t f i d t di



452#

Los MF en la transferencia de custodiaLos MF en la transferencia de custodia

Transferencia de custodia (Custody Transfer)

Definición :

El proceso simultaneo de intercambio de derechos legales de propiedad(ownersip) de una determinada cantidad de fluido, como por ejemplo unproducto refinado del petróleo, mientras se ejecuta el movimiento físico delfluido del contenedor del propietario al contenedor de diferente propietario.

L MF l t f i d t diL MF l t f i d t di



453#

Existen medidores de flujo especiales para transferencia de custodia, pero nobasta con contar con este tipo de sistemas de medición para transferencia decustodia ya que también estos sistemas requieren de otros dispositivos paraque 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, dondeindique la incertidumbre encontrada y la carta de trazabilidad.

Los MF en la transferencia de custodiaLos MF en la transferencia de custodia

La incertidumbreLa incertidumbre



454#

En cada medición existe una incertidumbre y es importante conocerla, yaque en transferencia de custodia y en medición fiscal tiene implicacioneseconómicas importantes como se muestra a continuación:

10.950.000,00365,000.0030.000,001.000,001,00

5.475.000,00182,500.0015.000,00500,000,50

3.285.000,00109,500.009.000,00300,000,30

2.737.500,0091,250.007.500,00250,000,25

2.190.000,0073,000.006.000,00200,000,20

1.095.000,0036,500.003.000,00100,000,10

$/AñoBarri les/Año$/DíaBarri les/Día%

Costo del error annualde flujo

Error anual deflujo

Costo errordiario

Error diario deflujo

Incertidumbre de lamedición

$/Barri l30 Asuma un valor de mercado:

Barri les/día100.000 Asuma una P rodución de Petróleo:

Fuente: METCOCOSTO DE LA INCERTIUMBRE EN LA INDUSTRIA PETROLERA

RangeabilidadRangeabilidad



455#

La rangeabilidad de un instrumento se definen como la relación del máximo al mínimovalor 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 larangeabilidad 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%



Mediciones analMediciones analííticasticas



457#

Mediciones analMediciones analííticasticas

a)Cromatografía de gases.

b)Analizadores de infrarrojo.c)Analizadores de oxígeno.



458#

Cromatograf Cromatograf íía de gasesa de gases

Cromatograf Cromatograf íía de gases 8a de gases 8



459#

El botánico ruso Mijail Tswett estableció las ventajas de latécnica, adopto la terminología y definió los procedimientosexperimentales básicos para esta técnica. A el se leconsidera el Padre de la Cromatografía.

La palabra Cromatografía significa “Escribir en Colores ” ,porque cuando fue desarrollada los componentesseparados eran colorantes.




460#

La cromatografía se define como una técnica de separaciónbasada en el intercambio de solutos entre dos fases, ydepende de la velocidad de desplazamiento diferencial de

los mismos que se establece al ser arrastrados por una fasemóvil (líquida o gaseosa) a través de un lechocromatográfico que contiene la fase estacionaria, la cualpuede ser líquida o sólida.

COLUMNACOLUMNA

COLUMNACOLUMNA

FASE ESTACIONARIAFASE ESTACIONARIA


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

COLUMNACOLUMNA

COLUMNACOLUMNA



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




461#

La cromatografía de gases se utiliza para la separación desustancias gaseosas.

La fase móvil fluye, arrastrando consigo los solutos. Lossolutos se reparten entre ambas fases.

Las propiedades de los componentes de una mezcladeterminan su movilidad entre sí y con respecto a la fasemóvil. Por tanto, la base de la separación cromatográficaserá, por tanto, la diferencia en la migración de los mismos.

MuestraMuestraMuestraFase

estacionaria

FaseFase

estacionariaestacionaria

Fase

móvil

FaseFase

móvil móvil




462#

Al alimentar la muestra, los componentes a separar sedistribuyen entre la fase estacionaria y la fase móvil o fluidoque pasa a través o a lo largo de la fase estacionaria.

La velocidad del soluto varía inversamente con la afinidadcon la fase estacionaria.

F. móvil F. móvil

F. estacionariaF. estacionaria

F. móvil F. móvil

F. estacionariaF. estacionaria




463#

Como los componentes de la mezcla presentan diferentetendencia a permanecer en cualquiera de las fases, laseparación se da por el movimiento de la fase móvil enrelación con la estacionaria y de la distribución de las

sustancias entre las dos fases. Los solutos se separan enbandas y estas salen (eluyen) por el final de la columna.

Fase móvil Fase móvil

Fase estacionariaFase estacionaria

tt11



tt22



tt33



tt11



tt22



tt33

InstrumentaciInstrumentacióón de unn de un CromCromáátografotografo de gasesde gases



464#

Instrumentación de un Cromátografog de gasesg

Controlde flujoGasacarreador Inyecciónde muestra Columna Detección

Registroy proceso

Horno

Controlde flujoGasacarreador Inyecciónde muestra Columna Detección

Registroy proceso

Horno

El cromatógrafo de gases esta constituido normalmente por un suministro y una entrada del gas portador, un puerto deinyección, una columna normalmente localizada en el interior

de una cámara (horno) con temperatura controlada, undetector y un sistema computarizado para analizar, registrar eimprimir el cromatograma.

Cromatografo de gasesCromatografo de gases



465#

Fase mFase móóvil o gas portador vil o gas portador



466#

La fase móvil o gas portador transporta los componentes de lamuestra a través de la columna, por esta razón debe ser inerte paraevitar interacciones con la muestra o la fase estacionaria, y ser capaz de minimizar la difusión gaseosa. La Fase Móvil es un Gas

(llamado Gas Portador o de Arrastre). Se utilizan los gases NSe utilizan los gases N22, He y, He yHH22 y tienen que ser de alta pureza (gradoy tienen que ser de alta pureza (grado cromatogr cromatogr ááficofico 99.99% o99.99% ommáás), capaz de minimizar la difusis), capaz de minimizar la difusióón enn en éél, inertes, no tl, inertes, no tóóxicos,xicos,adecuado con el detector que se utilice y de precio accesible (uadecuado con el detector que se utilice y de precio accesible (unanacarga de N2carga de N2 es de $300 y de He $7,000). Tambies de $300 y de He $7,000). Tambiéén se puede obtener n se puede obtener el N2 con compresoras y el H2 conel N2 con compresoras y el H2 con hidrogenadoreshidrogenadores..

Control de flujoControl de flujo



467#

Válvulas:

• De aguja (restricción al flujo), Δp

• Reguladores de presión. (Psal cte.)

• Diferenciales de flujo. (flujo másico cte.)

InyecciInyeccióón de muestran de muestra



468#

Zona calentadaZona calentada

Gas acarreador Gas acarreador

ColumnaColumna

JeringaJeringacon muestracon muestra

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

Sistema de separaciSistema de separacióónn



469#

La variación de la temperatura en el horno conteniendo a la columna permitevariar la constante de equilibrio y por lo tanto buscar la separación de loscompuestos que forman la muestra.

HornoHorno cromatcromatóógraficografico



470#

La temperatura de la columna es un parámetro básico:

mayor temperatura

mayor presión de vapor

análisis mas rápidos

menor separación

ColumnaColumna cromatcromatóógraficagrafica



471#

La Fase estacionaria, puede ser un sólido (Cromatografía Gas-Sólido)o una Película de líquido de alto punto de ebullición (GeneralmentePolietilén-Glicol o Silicón) recubriendo un sólido inerte(Cromatografía Gas-Líquido).

La columna de aluminio, acero inoxidable, vidrio o teflón contiene lafase estacionaria sólida o líquida y esta sujeta a la superficie por unsoporte que es generalmente de sílice.

Columna empacada (Baja eficiencia) Columna capilar (vidrio, silice)

Detector Detector



472#

Al final de la columna existe el detector que permite la detección ycuantificación de las sustancias, midiendo conductividad térmica yelectronegatividad de las sustancias eluídas. Se produce una señaltipo eléctrico, que posteriormente se amplifica por un registrador

grafico o un integrador permitiendo indicar el momento en que salende la columna los componentes. Existen diferentes tipos de detectores:TCD, FID, etc.

CromatogramaCromatograma



473#

La salida de la sustancia se registra en un cromatógrama en formade picos y se determinan como parametros importantes, el area delpico (% de concentracion) y el tiempo que tarda en salir (componente).

Sistemas de registroSistemas de registro



474#

– 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, yreprocesarlos cuanto se necesite.

CromatogramaCromatograma



475#

11.00 11.50 12.00 12.50 13.00 13.50 14.00 14.50

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

200000

220000

240000

260000

280000

300000

320000

Time-->

Abundance

TIC: MESTE23.D

EST5

EST4

EST3EST2EST1

14.4

14.0

13.7

13.4

10.7



476#

Analizadores de InfrarrojoAnalizadores de Infrarrojo

Espectros de frecuencia de infrarrojoEspectros de frecuencia de infrarrojo



477#

LONGITUDDE ONDA (λ) 10 −13 10 −11 10 −9 10 −7 10 −5 10 −3 10 −2 10 −1 10 0 10 2 10 3 metros (m)

FRECUENCIA (ν) 10 21 10 19 10 17 10 15 10 13 10 11 10 10 10 9 10 8 10 6 10 5 Hertz (Hz)

RAYOS GAMMA RAYOS X UV VISIBLE INFRARROJO MICROONDAS ONDAS DE RADIO

RMN

Grupos funcionales Núcleos individuales

IRUVUV IR

Ultravioleta Infrarrojo Resonancia Magnética

Analizadores de infrarrojoAnalizadores de infrarrojo



478#

Principios de medición

El funcionamiento de estos analizadores se basa en la Ley de

Beer, la cual describe como la luz está absorbida por unamolécula específica en una longitud de onda definida.




479#

La Ley de Beer forma la base para el funcionamiento de losanalizadores automáticos que convierten una señal óptica enuna señal electrónica, independientemente del gas a detectar y

de la empresa que produce el equipo




480#

Analizadores de infrarrojo para COAnalizadores de infrarrojo para CO



481#

La detección y medición de monóxido de carbono se basa enla absorción de radiación infrarroja (IR) por parte de moléculasde CO en la longitud de onda específica de 4.7 μm y utiliza un

elemento calentado con alta energía para generar una bandaancha 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 através de un compartimiento de gas llena de nitrógeno (celdade medición), y otro lleno de una alta concentración demonóxido de carbono (celda de referencia). Detrás del anillo

giratorio se encuentra la celda de muestra.




482#

El principio llamado Correlación de Filtro de Gas requiere queel anillo gire a una tasa de 30 ciclos/segundo, lo que hace queel rayo de luz esté modulado en pulsos de referencia y

medición. Durante un pulso de referencia, el compartimiento deCO del del anillo giratorio descompone eficazmente el rayo detoda la energía IR en longitudes de onda donde el CO puedeabsorber.

Como resultado se obtiene un rayo que no es afectado por elCO en la celda de muestra. Durante el pulso de medición, elnitrógeno del filtro de gas no afecta el rayo, que

subsecuentemente puede alternarse con cualquier CO en lacelda de muestra.




483#

La presencia de CO en lacelda de muestra reducela señal generada en elcompartimiento de

medición (M), mientrasque la señal de referencia(R) queda igual, ya que laalta concentración de CO

en el compartimiento dereferencia absorbió todala luz con longitud deonda 4.7 μm. Ladiferencia entre M y M*determina laconcentración de CO enla celda deMuestra.




484#

Después del anillo de filtro de gas, el rayo IR entra a la celda demuestra de paso múltiple. Esta celda usa ópticas plegables paragenerar una longitud de paso de absorción de 16 metros paralograr sensibilidad máxima.

Luego de excitar la celda de muestra, el rayo pasa por un filtrode interferencia de paso de banda para limitar la luz a la longitudde 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 devoltaje convierten la señal luminosa en una señal de voltajemodulada. La salida del detector es desmoduladaelectrónicamente para crear dos voltajes DC: CO Medición y COReferencia. Estos voltajes son proporcionales a la intensidad dela luz que recibe el detector durante los pulsos de medición yreferencia, res ectivamente.

Analizadores de infrarrojo para ozono OAnalizadores de infrarrojo para ozono O33



485#

La detección y medición de moléculas de ozono se basa en laabsorción de 254 nm de rayos UV debido a una resonanciaelectrónica de la molécula de O3. El analizador automático utiliza unalámpara de mercurio que emite una onda de 254 nm. La luz de la

lámpara brilla hacia abajo hasta un tubo de vidrio hueco quealternamente es llenado con la muestra y luego con gas limpio pararemover el ozono. La tasa de la intensidad de luz I/I0 es la base parael cálculo de la concentración de ozono Cozono según Beer-Lambert

Analizadores de infrarrojo para ozono OAnalizadores de infrarrojo para ozono O33



486#

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 deabsorción que impacta la cantidad de luz que se remueve del rayo deluz. Estos efectos se pueden atender midiendo directamentetemperatura y presión, incluyendo sus valores reales en el cálculo. Elcoeficiente de absorción es un número que refleja la habilidadinherente del ozono de absorber luz de 254 nm.

La longitud de la ruta de absorción determina cuántas moléculasexisten en la columna de gas del tubo de absorción.



487#

Analizadores de OxAnalizadores de Oxíígenogeno

Analizador de OxAnalizador de Oxíígenogeno



488#

El oxígeno es vital en una amplia variedad de procesos industrialesque involucran la oxidación y la combustión. Muchas industriasutilizan oxígeno puro o gases inertes conteniendo un poco de oxígeno

como contaminante y estas aplicaciones requieren el análisis de laconcentración de oxígeno.

Los tipos principales de analizadores de oxígeno utilizados son:

-Analizadores de oxígeno que utilizan las propiedadesparamagnéticos.

- Analizadores de oxígeno que utilizan las propiedades

electroquímicas.

Analizador de OAnalizador de O22 ParamagnParamagnééticotico

El O í fi id d éti E t



489#

El Oxígeno posee una gran afinidad para un campo magnético. Esta nocomún propiedad de paramagnetismo es compartida por muy pocos gases yalgunos gases incluso son repelidos por los campos magnéticos, como elcaso del dióxido, metano, etano, etileno, CO, CO2, hidrógeno y argon.

Existen 3 tipos de analizadores que explotan la propiedad paramagnética:

el diseño de deflexión requiere que la propiedad paramagnética seaconstante para medir el cambio en la concentración del gas, el diseñotermal, en que el efecto paramagnético decrece conforme aumenta latemperatura del oxígeno y el diseño de gas-referencia, en donde dosgases con diferente contenido de oxígeno son combinadas en un campomagnético, generándose una diferencia de presión.

Gas Susceptibilidad

magnéticaAcetileno (C2H2)Amonia (NH3)Argon (Ar)Bioxido de carbono (CO2)Monóxido de carbono (CO)Etileno (C2H4)

Hexano (C6H14)Hidrógeno (H2)Metano (CH4)Oxido Nitrico (NO)Nitrógeno (N2)Oxígeno (O2)

-0.24-0.26-0.22-0.27+0.01-0.26

-1.7+0.24-0.2+43.00.0+100.0

Analizador de OAnalizador de O22 paramagnparamagnéético de deflexitico de deflexióónn

L f éti tú f t lib t j



490#

POLARIDAD N

ESPEJO

POLARIDAD P

FOTOCELDA FUENTE LUZ

AMPLIFICADOR UNIDAD DE INDICACIÓN

CELDA DE MEDICIÓN

SALIDA DE GASENTRADA DE GAS

CUERPO DE MEDICIÓN

La fuerza magnética actúa en una esfera que rota libremente en un eje.La fuerza es proporcional a la diferencia de las susceptibilidadesmagnéticas del volumen del cuerpo de prueba y del gas alrededor delmismo. Debido a que la esfera es de vidrio y se encuentra lleno de

nitrógeno, se deflexiona ligeramente lejos del punto de máxima fuerzamagnética. Cuando la muestra de gas contiene oxígeno, el oxígeno esatraído al punto del campo en donde es máxima la fuerza magnética,desplazando la esfera.

Analizador de OAnalizador de O22 paramagnparamagnéético de deflexitico de deflexióónn



491#

El oxígeno altamente paramagnético concentra el campo magnético y larotación resultante en la esfera es detectada como una función lineal dela concentración de oxígeno. Cuando la esfera empieza a rotar, el espejo

también rota, desbalanceando la luz hacia la fotocelda. Estedesbalanceo es opuesto y casi igual a la fuerza magnético, el cual esfunción de la concentración de oxigeno-

Las desventajas de este tipo de analizador son:

•Es de naturaleza delicada.•Sensible a las vibraciones.•Variaciones en la temperatura de las muestras o variaciones en la

susceptibilidad magnética de los gases finales contribuyen a loserrores en la medición.

Analizador de OAnalizador de O22 paramagnparamagnéético tipo ttico tipo téérmicormico

Esta compuesto de un anillo en donde se hace circular el gas con



492#

Esta compuesto de un anillo en donde se hace circular el gas conoxígeno. El oxígeno paramagnético de la muestra es atraído por elcampo magnético hacia el tubo horizontal donde las resistenciasresistores calientan los gases. Estas resistencias están conectadas a un

puente de Wheatstone para detectar las variaciones en la resistencia.

TUBO DEVIDRIO

SALIDA DE GAS

ENTRADA DE GAS

Al circuitopuente

Polomagnético

Resistenciasembobinadas

Analizador de OAnalizador de O22 paramagnparamagnéético tipo ttico tipo téérmicormico



493#

El oxígeno en la muestra calentada pierde paramagnetismo, por lo quese atrae oxígeno frío de la muestra entrante, el cual, reemplaza alcaliente, 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 quedesequilibra al puente.

Existen errores que pueden ser originados por materiales diamagnéticosy por el cambio en la presión de la muestra.

La ventaja de este analizador es que es más resistente que el dedeflexión. Su desventaja es que se debe compensar las variaciones dela conductividad térmica de los gases finales.

Analizador de OAnalizador de O22 paramagnparamagnéético tipo dualtico tipo dual

En este tipo de analizador se tienen dos gases con diferente contenido



494#

En este tipo de analizador se tienen dos gases con diferente contenidode oxígeno, se combinan en un campo magnético y se observa unadiferencia de presión.

El gas de referencia puede ser

100% oxígeno, nitrógeno o aire.El gas de referencia pasa por dosductos, y en uno se hace pasar lamuestra de gas por un campo

magnético. Ya que ambosconductos están conectados, lapresión produce un flujo que puedeser medido.

Su diseño es mas robusto pero essensible a las vibraciones y no esrecomendable para medicionescon cantidades pequeñas de

oxígeno.

Analizador de OAnalizador de O22 electroquelectroquíímicosmicos




495#


a) Detectores tipo celda combustible de alta temperatura que involucrala conducción de iones de oxígeno de un electrodo a otro a través de

un electrolito óxido sólido como el zirconio.

b) Detectores tipo galvánico a temperatura ambiente que involucran unareducción 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 paramanejar la reacción de reducción de oxígeno.

A continuación se analiza el tipo a, de óxido de zirconio, que es el másutilizado.

Analizador de OAnalizador de O22 electroquelectroquíímico demico de óóxidoxidode zirconiode zirconio



496#

La operación de estos detectores involucra una ionización del oxígenoen una muestra y en un flujo de un gas conocido de referencia a unatemperatura alta. La celda de medición consiste de un electrolito

sólido de óxido de zirconio estabilizado en calcio con metales noblesporosos, preferentemente platino.

La celda de medición opera en una temperatura de 800ºC. Cuando lamuestra y el gas de referencia tienen contacto con la superficie delelectrodo, el oxígeno se ioniza en iones O-2. Las concentraciones deoxígeno en cada muestra es una función de la presión parcial deloxígeno en la muestra, por lo que el potencial en cada electrododepende de la presión parcial del oxígeno en el gas.

Analizador de OAnalizador de O22 electroquelectroquíímico demico de óóxido dexido dezirconiozirconio

El electrodo de mayor potencial (mayor concentración de O2) generará



497#

El electrodo de mayor potencial (mayor concentración de O ) generaráiones oxígeno, mientras que el electrodo con menor potencialconvertirá los iones en moléculas de Oxígeno. Las reaccionesocurridas son:

O 2 + 4e - 2 O -2 (al cátodo)

2 O -2 O 2 + 4e - (al ánodo)

El flujo de los iones de oxígenoa través del electrolito deóxido de zirconio calienteprovoca una diferencia de

voltaje a través del elementosensor.

Analizador de OAnalizador de O22 electroquelectroquíímico demico deóóxido de zirconioxido de zirconio



498#

El voltaje del circuito abierto serelaciona con la presión parcial deloxígeno con la ecuación de Nernst:

donde:E= Voltaje desarrollado en el circuito abiertoR= Constante universal de los gasesT= Temperatura

n= Número de electrones transferidos por molécula de oxígeno

F = Constante de Faraday

muestradegasenOparcialPresión

referenciadegasenOparcialPresiónln

2

2

nF

RT E =

Analizador de OAnalizador de O22 electroquelectroquíímicomico

dede óóxido de zirconioxido de zirconio



499#

La máxima concentración detectable de oxígeno en el fluido de muestraes igual que en el de referencia.

Si la concentración en la muestra es mayor que en la de referencia, losiones se moverán en dirección opuesta y el voltaje del circuito abiertoserá de polaridad contraria.

Este detector debe ser utilizado para las aplicaciones en donde lamuestra no contenga combustible ya que a elevadas temperaturas elmaterial oxidable en la muestra gaseosa se combinará con oxígeno yen consecuencia, disminuirá la concentración de oxígeno en lamuestra gaseosa, causando un error en la medición, si existencombustibles presentes.



El Lazo de control con elementos auxiliares



501#



DE MEDICION


PERTURBACIONES

PUNTO DE AJUSTE

VARIABLE

CONTROLADA

VARIABLE

MANIPULADA

CONTROLADOR

m(t)

c(t)

d(t)

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

R(t)INDICADORREGISTRADOR

INTERRUPTOR

ALARMA

Transmisores

Di iti d t t l l d i bl d



502#

Dispositivo que detecta el valor de una variable deproceso por medio de un elemento primario (o sensor) yque tiene una salida estándar cuyo valor de estadoestacionario varia sólo como una función predeterminadade la variable de proceso. El elemento primario puede ono ser integral al transmisor.

Básicamente existen tres tiposde transmisores: neumáticos,electrónicos y digitales.

Transmisores



503#

0-800 “ H2O3-15 psi

0-1000 °F4-20 mA

0-5000 GPM0-X Cuentas/Pulsos

Transmisor neumático



504#

FUELLESTOBERA/PALOMETA

SA

SEÑAL DE PROCESO

3-15 PSI

AJUSTES

Este transmisor entrega una señal neumática de aire,normalmente con una presión de 3-15 PSIG

(libras/pulg2). Sus dos principios son con fuelles o contobera-palometa.

20 PSI

Transmisor electrónico analógico



505#

TRANSFORMADORNUCLEO MÓVILSTRAIN GAGE

CAPACITIVO

SE

SEÑAL DE PROCESO 4-20 mA. C.D.

AJUSTES

Este transmisor construido con elementos electrónicosanalógicos (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. Suprincipio de medición es por medio de un transformador connúcleo móvil, de esfuerzo o strain gage y tipo capacitivo.

24 VCD

Transmisor digital

E t t i t id i d d j l



506#

STRAIN GAGECAPACITIVO

SE4-20 mA. C.D. óCódigos binarios(Protocolosdigitales)

SEÑAL DE PROCESO

CONFIGURADOR

24 VCD

Este transmisor construido con microprocesadores que puede mejorar elrendimiento del sensor y/o accesar a comunicaciones remotas a través deun dispositivo de interface de mano, un sistema de control o ambos.

Entrega una señal digital en algún protocolo con opción de una señal de4-20 mA. C.D. modulada. Existen diferentes sensores en los transmisoresy uno ellos es el medidor tipo capacitivo a partir de movimientos elásticosde un diafragma. Esta técnica es utilizada para los transmisores de

presión absoluta, manométrica y diferencial.

Transmisor digital inteligente

El i d j l di i t d l d d f



507#

El microprocesador mejora el rendimiento del sensor de dos formas: Puede almacenar curvas de entrada/salida para compensar loserrores de salida del sensor originados por factores fuera del proceso Puede llevar a cabo cálculos matemáticos que condicionan la salidadel sensor

Funciones del transmisor digital inteligente

Auto diagnósticos



508#

• Auto-diagnósticos

• La compensación del sensor de temperatura proporcionando unalinealización 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)

Operación del transmisor inteligente



509#

VARIABLE DE PROCESO

SENSOR ACONDICIONAMIENTODE SEÑAL ACONDICIONAMIENTODE SALIDA

POT DE AJUSTEDE CERO

POT DE AJUSTEDE SPAN

SALIDA

4-20 mA CD

TRANSMISOR ANALÓGICO

VARIABLE DE PROCESO

SENSOR MICROPROCESADOR

MEMORIA

SALIDA4-20 mA CD

TRANSMISOR INTELIGENTE

A/D

COMUNICACIONESDIGITALES

D/ A

MODULO DE SENSADO MODULO ELECTRÓNICO

Operación del transmisor inteligente



510#

MODULO DECOMUNICACIÓN

MODULO DE SENSADO

Conversión de señalanalógico/digital

Sensor detemperatura

Memoria delmódulo de sensado• Coeficientesde corrección• Módulo deinformación

Microprocesador:• Sensor delinealización• Reranging• Amortiguamiento• Diagnósticos• Ingeniería• Comunicación

Sensor PDCapacitivo

Presiónbaja

Presiónalta

Memoria del móduloelectrónico:• Valores de rango• Configuración deltransmisor

Conversión deseñal D/A

Comunicacionesdigitales HART• Bell 202

• FSK

SalidaAnalógica

4-20 mA

MODULO ELECTRÓNICO

Ajustes de spanlocal y cero

Transmisor de presión diferencial Rosemount 3051C

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



511#

20 mA

4 mA

0” 25” 50” 75” 100”

20 mA

4 mA

0” 25” 50” 75” 100”

4 mA

0” 25” 50” 75” 100”

20 mA

4 mA = 0” H2O

20 mA = 100” H2O

4 mA = 50” H2O

20 mA = 100” H2O

4 mA = 50” H2O

20 mA = 75” H2O

Transmisor Señal Precisión Ventajas Desventajas

Neumático 3 – 15 psi0,2 – 1 bar

± 0,5 % RapidezSencillo

Aire limpio, Noguardan

información,Distanciaslimitadas,



512#

Mantenimientocaro, Sensible avibraciones

ElectrónicoConvencio-nal

4 – 20 mAc.d. ± 0,5 % RapidezSensible avibraciones, derivatérmica

Electrónico

Inteligente

4 – 20 mA

c.d.± 0,2 %

Mayor precisiónIntercambiableEstable, Confiable

Campo de medidamás amplio, Bajocosto demantenimiento

Lento (paravariables rápidas

puede presentar problemas)

ElectrónicoInteligenteSeñal Digital

Digital ± 0,1 %

Mayor precisiónMás estabilidad

Confiable, sinhistéresisAutodiagnósticoComunicaciónbidireccionalConfiguraciónremota, Campo demedida másamplio, Bajo costo

de mantenimiento

Falta normalizaciónde lascomunicaciones,No intercambiablecon otras marcas

Indicador

Los indicadores muestran el valor de la variable de proceso



513#

Los indicadores muestran el valor de la variable de procesoen unidades determinadas, en función de una señalnormalizada proveniente del transmisor.

TRANSMISOR

SEÑAL DEPROCESO 4-20 mA. C.D.

0-30 Kg

INDICADORMuestra el valor

de presión con un

rango de 0-30 Kg

Indicador



514#

Indicadores neumáticos: manómetros con rango de3-15 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 controldigital, este se da en base a software que esconfigurado cuando se instala el equipo.

Rangos de 0-120 V. 4-20 mA, 0-5 A, 0-20 mA, 0-10V.C.D. con escalas graduadas de acuerdo a lascaracterísticas del transmisor, (tecnología, analógica odigital)

Registrador

Es un instrumento que indica la tendencia gráfica de las



515#

Es un instrumento que indica la tendencia gráfica de lasvariables de proceso.

En el caso de los registradores neumáticos se utilizan lasgráficas graduadas de acuerdo al rango del transmisor, sondel tipo circular o rollo de papel con registros múltiples.

Existen registradores electrónicos que funcionan de la mismamanera con rollos de papel.

En los sistemas de control digital, en el software se

configuran las tendencias en rango y tiempo, e inclusivegeneran una base de datos histórica de los datos registrados.

Registrador



516#

Convertidor

Cuando se desea realizar una medición, es necesario un



517#

,transductor o acondicionador de señal que transformeuna variable en otra, por ejemplo una variable eléctricaen variable neumática. En términos generales unconvertidor acondiciona o convierte una señal en otra ypuede contener las siguientes etapas: Conversión de

señal, modificación del nivel de la señal, linearizar larespuesta y si es necesario el filtrado de la señal.

Tipos de convertidores



518#

NEUMÁTICO/ELÉCTRICO3-15 PSI a 4-20 mA

ELÉCTRICO/NEUMÁTICO4-20 mA a 3-15 PSI

ELÉCTRICO/ ELÉCTRICO0-500 mV a 4-20 mA4-20 mA a 0-15 A.

0-300 ohms a 4-20 mA0-100 Hz a 4-20 mA

TARJETAS O MÓDULOS DEENTRADA/SALIDA A

SISTEMAS DISTRIBUIDOSR / mA r / DIGITALPSI / mA PSI / DIGITALmV / mA mV / DIGITAL

mV / V DIGITAL / PSIR / V r / DIGITALPSI / V mA / PSIL

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



519#

Interruptor

Un interruptor es un dispositivo que conecta, desconecta o



520#

p p qtransfiere uno o más circuitos, y que no es un controlador, yel caso mas común es un relevador. EI interruptor es undispositivo que mide la variable y opera (abre o cierra uncontacto) cuando se alcanza un valor predeterminado,previamente calibrado.

INTERRUPTORSEÑAL DE PROCESO

1 o 0

Abierto o cerradoAJUSTE DE

PUNTO DE DISPARO

Interruptor

Ejemplo: interruptores de temperatura que actúan como



521#

elementos de seguridad para el paro automático de laPlanta, cuando se tiene una alta temperatura.

Interruptores en circuitos de protección



522#

Los interruptores

juegan un papelimportante yaquegeneralmente

los interruptoresvan asociados alos sistemas dealarmas y deparo de planta.

Alarmas

• Es una función de lainterfase de operador que



523#

interfase de operador quepermite detectar y reportar anormalidades en elproceso

• Estas pueden ser visualesy/o audibles

Tan solo avisandole al operador...

Totalizadores

Instrumento cuya función es totalizar las señales de flujo



524#

instantaneo de fluidos en períodos de tiempopreestablecidos.

Buses de campo

Un bus de campo es un término genérico que describe un



525#

conjunto de redes de comunicación para uso industrial cuyoobjetivo es sustituir las conexiones punto a punto entre loselementos de campo y el sistema de control a través deltradicional lazo de 4-20 mA.

El objetivo es reemplazar los sistemas de control centralizadospor redes para control distribuidos con el fin de mejorar la calidaddel producto, reducir costos y mejorar la eficiencia del sistema.

Buses de campo

Típicamente son redes digitales, bidireccionales, multipunto



526#

montadas sobre un bus serie. Cada dispositivo de campoconectado incorpora cierta capacidad de proceso, que lo convierteen un dispositivo inteligente, tratando de mantener un costo bajo,la cual es su principal ventaja con la reducción de cableado y sucomunicación digital.

INTERFACE

Hasta 15 dispositivos

Buses de campo

Cada uno de estos elementos es capaz de ejecutar funciones



527#

simples de autodiagnóstico, control o mantenimiento, así comocomunicarse bidireccionalmente a través del bus.

La señal aloja tanto a la variable de medición y a la señal decontrol además de que puede proporcionar información adicional,como por ejemplo:

- Mediciones secundarias- Parámetros de Proceso- Configuración del Dispositivo- Calibración- Diagnósticos- Identificación o Tag

Buses de campo



528#

COMANDOS PRÁCTICOS

Lectura de variablesCambio de rango

Ajuste de cero y span Autoprueba de inicializaciónNúmero de serie

Valores de constantes de tiempo

COMANDOS ESPECIFICOS

Funciones específicas del modeloOpciones de calibración especialParo, arranque o inicializaciónSelección del elemento primarioHabilitar el PIDCambiar el punto de ajuste SP

Ajuste de parámetros de sintonía

Calibrador

Tipos de buses de campo

Debido a la falta de normas, algunas compañías han desarrolladol i d d ll dif t t í ti



529#

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.

Buses de altas velocidad y baja funcionalidad

Están diseñados para integrar dispositivos simples como finalesd f t ld l d t d i l



530#

de carrera, fotoceldas, relevadores y actuadores simples,funcionando en tiempo real y agrupados en una pequeña zonade 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 basadoen CAN.

ASI: Bus serie diseñado por Siemens para la integración desensores y actuadores.

Buses de alta velocidad y funcionalidad media

Se basan en el diseño de una capa de enlace para el envíoeficiente de bloques de datos de tamaño medio permitiendo al



531#

eficiente de bloques de datos de tamaño medio, permitiendo aldispositivo 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.

Buses de altas características

Son capaces de soportar comunicaciones a nivel planta industrial.



532#

Aunque se basan en buses de alta velocidad, algunas

presentan problemas debido a la sobrecarga excesiva paraalcanzar las características funcionales y de seguridad que lesexigen. Algunos ejemplos son:

- Profibus

- FIP

- Fieldbus Foundation

Protocolo Hart

El protocolo HART es uno de los primeros protocolosimplementados y permite la comunicación bi-direccional con



533#

implementados y permite la comunicación bi direccional coninstrumentos inteligentes superponiendo la señal digital en la

analógica sin afectarla, transmitiendo simultáneamente por el mismo alambrado.

SEÑAL ANALOGICA

+ 0.5 mA

- 0 .5 mA

Frecuencia 1200 Hz 2200 HzEdo. Logico “1” “0”

COMUNICACIÓN ANALOGICA + DIGITAL SIMULTANEA

Comunicación analógica + digital



534#

SEÑAL ANALOGICA

20 mA

4 mA

SEÑAL DIGITAL

tiempo

“1” “1” “1”

“1” “1”

“0” “0” “0”

“0”

Protocolo HART (Highway Addressable RemoteTransducer)

Esta tecnología va creciendo rápidamente a tal grado de queprácticamente todos los fabricantes ofrecen transmisores con



535#

prácticamente todos los fabricantes ofrecen transmisores contecnología HART y garantizan ahorros sustanciales, tanto en

instalación y puesta en marcha como durante la vida útil delequipo por concepto de mantenimiento y operación.

INTERFACEHART

Configuración ydiagnóstico remoto

4 20

COMUNICACIÓN ANALÓGICA + DIGITAL

4 a 20 mA

HART

2 actualizaciones porsegundo (posición de la

válvula, transmisores, etc)

Calibrador

Transmisor como controlador

El transmisor HART tiene internamente una opción deactuar como controlador El dispositivo se configura de tal



536#

actuar como controlador. El dispositivo se configura de talmanera que el lazo de 4-20 mA es proporcional a la salidadel algoritmo de control PID para mandar una señal sobrela válvula de control.

Bus de campo Modbus

Modbus (1979) es un protocolo que trabaja en la capa de aplicaciónnivel 7 del modelo OSI que proporciona comunicación cliente servidor entre dispositivos conectados en diferentes tipos de buses o redes



537#

entre dispositivos conectados en diferentes tipos de buses o redes.

Modbus es un protocolo de petición/respuesta y comúnmente se utilizaen:

- 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.

Bus de campo Modbus

Modbus permite una fácil comunicación con diferentes tipos dearquitecturas de red:



538#

HMI Interface Máquina-HumanoMB Protocolo ModbusPLC Controlador Lógico ProgramableI/O Entrada/Salida

Bus de campo Fieldbus

Foundation Fieldbus es una arquitectura total y abierta para laintegración de información que funciona bajo un sistema de



539#

comunicación digital bidireccional serie.

- El bus H1, con una velocidad de 31.25 kbits/s, interconecta equiposde campo como, sensores, actuadores y dispositivos de E/S.

- El bus HSE, con una velocidad de 100 Mbit/s, sirve para laintegración de controladores de alta velocidad (como PLC’s),subsistemas H1, servidores de datos y estaciones de trabajo.

Foundation Fieldbus es el único protocolo con la capacidad de

distribuir las aplicaciones de control a través de la red.




540#

Ventajas de Fieldbus

- Incrementa la capacidad debido a la comunicación digital completa.- Reduce el número de alambrado y de tableros de conexión.



541#

y- Reduce el número de barreras intrínsecas de seguridad.

- Reduce el número de convertidores de entrada y salida.- Reduce el número de fuentes de alimentación y gabinetes.,- Reduce el tamaño del cuarto de control.- Reduce la configuración de dispositivos.

- Incrementa la exactitud de las mediciones.- Incrementa la sofisticación y la flexibilidad de la instrumentación.- Mejora el autodiagnóstico y los diagnósticos remotos.




542#




543#

Bus de campo Profibus

La base del especificación del estándar Profibus fue un proyecto deinvestigación (1987-1990) llevado a cabo por: ABB, AEG, Bosch,Honeywell Moeller Landis & Gyr Phoenix Contact Rheinmetall RMP



544#

Honeywell, Moeller, Landis & Gyr, Phoenix Contact, Rheinmetall, RMP,

Sauter-cumulus, Schleicher, Siemens y cinco institutos alemanes deinvestigación.

El resultado de este proyecto fue el primer borrador de la norma DIN19245 (DIN= Deutsches Institut für Normung e.V. “Instituto alemán denormas”), 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 buscon más futuro en el campo de los procesos industriales.

Bus de campo Profibus

Este bus soporta una gran variedad de equipos que van desde PC´s yPLC´s hasta robots, pasando por todo tipo de elementos de campo, lamayoría de las aplicaciones industriales Profibus ofrece tres



545#

mayoría de las aplicaciones industriales. Profibus ofrece tres

opciones: FMS, DP y PA.

Instalación de instrumentos en áreas peligrosas

• Clasificación de área peligrosa

– NEC, clase, division, grupo

• Confinación de la explosión



546#

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

Clasificación de área peligrosa

Las áreas peligrosas deben ser clasificadas por alguien que estéfamiliarizado con la clasificación de áreas peligrosas y el área a serclasificada.



547#

clasificada.

La National Electrical Code (NEC), patrocinada por la National FireProtection Association (NFPA), presenta un conjunto de normas queson ampliamente utilizadas en requerimientos de seguridad. Incluyeun sistema de clasificación que consiste de tres partes para áreas

peligrosas donde los materiales flamables podrían ocasionar problemay son:

Clase Grupo División

Denominaciones de clase

• Clase I

– Lugares donde los gases flamables o vapores están o pueden estar presentes en elaire en cantidades suficientes como para producir una explosión o una mezcla deignición (plantas químicas y refinerías de petróleo)



548#

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 depulverización de carbón)

• Clase III

– Lugares donde el material peligroso consiste de fibras que ardan fácilmente o filingsque no están normalmente en suspensión en el aire en cantidades que produzcanmezclas de ignición (aserraderos e instalaciones de manufactura de fibras)

Clase I.- Designaciones de grupo

La designación de grupo define el material peligroso. Un factor en ladesignación de grupo es el límite explosivo del gas. Cuando el límite sevuelve más estrecho, el gas es situado en una clase menor.



549#

Grupo A Acetileno

Grupo BButadieno, etileno oxido, propilen oxido, hidrógeno (y gases o

vapores de peligrosidad equivalente)Grupo CCiclopropano, eter etílico, etileno, hidrógeno sulfide (y gases ovapores de peligrosidad equivalente)

Grupo D Acetona, alcohol, amoniaco, benzeno, butano, propilene, gasolina,metano, gas natural (y gases o vapores de peligrosidadequivalente)

Clase II.- Designaciones de grupo

• Grupo E

– Polvos de metal combustible sin tomar en cuenta la resistividad u otrospolvos combustibles de peligrosidad similar (magnesio, aluminio, broncepolvos, etc.)



550#

p )

• Grupo F

– Carbón black, carbón vegetal, carbón, o polvos de coque que tienen untotal de más de 8 % de material volatil

• Grupo G

– Polvos de combustible (arina, fécula, azúcar pulverizada y cacao, heno

seco, etc.)

Designaciones de división

La designación de división define la probabilidad y el punto en el quela mezcla inflamable o combustible existirá en el área en cualquiermomento:



551#

División 1La mezcla flamable o combustible existe bajo condicionesnormales (durante las actividades regulares de mantenimiento,liberación de químicos que ocurres regularmente, etc.)

División 2La mezcla flamable o combustible existe bajo condicionesanormales (mal funcionamiento, ruptura de tubería, fugas en elequipo, etc.)

Ejercicio de práctica: Clasificación

A r e a d e

p r o c e s

o

o en c o n c e

n t r a c i ó n

iempo

Ar e a d e t e r m i n a c i ó n P olvo



552#

PLANTA DE POLIPROPILENO

G a s p r o p i l e n o

e n

f l a m a b l e t o d o e

l t i e m p no l v o s d e

p o l i p r o p i l e n o t r a n s p o r t a d o

S o l o b a j o c o n d i c i o n e s a n o r m a l e s

• ISA-12.1-1991

– Definiciones e información perteneciente a instrumentos eléctricos en lugarespeligrosos (clasificados)

Normas ISA aplicables



553#

• 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 decontrol de seguridad intrínseca

• ISA-RP12.4-1996

– Recintos presurizados

Normas ISA aplicables

• ANSI/ISA-RP12.6-1995

– Prácticas de cableado para lugares de instrumentación peligrosos (clasificados)parte 1: seguridad intrínseca



554#

- 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

Componentes de fuego y explosión

LE

F U E N

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



555#

C O M B U

S T I B L E

N

T E D E I G

N I C I Ó N

OXIGENOPara reducir el peligro, eliminar el combustible, eloxidante o la fuente de ignición

Técnicas de protección

• Confinamiento de la explosión

– Prueba de explosión

Ai l i t d l f t d í



556#

• Aislamiento de la fuente de energía

– Presurización

– Purga

• Limitación de la liberación de energía

– Seguridad intrínseca

– Equipo contra-incendio

Confinamiento de la explosión



557#

CLASE I ATMÓSFERA PELIGROSA

RECINTO A PRUEBADE EXPLOSION

Recintos presurizados

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



558#

ATMÓSFERAPELIGROSA

PRESIÓNMAS ALTA

Purga: En un recinto presurizado, la operación de pasar una cantidad deGAS PROTECTOR a través del recinto y ductos, para que la concentración de laatmósfera de gas explosivo sea traido a un nivel seguro.

Seguridad intrínseca

*

SELLO

CONDUCTO UOTRO

RECINTOEQUIPO DELCUARTO DECONTROL

LUGAR PELIGROSO (CLASIFICADO) LUGAR NO PELIGROSO



559#

*

*

I.S. TRANSMISOR

S.I.SENSOR

S.I.SENSOR

S.I.SENSOR

I.S. TRANSMISOR

TRANSMISOR

S.I.BARRERAS

SELLOS

SELLO

SELLO

CONDUCTOA PRUEBA DEEXPLOSION

RECINTO A PRUEBADE EXPLOSIÓN

CONDUCTOU OTRO

RECINTO

S.I.BARRERAS

EQUIPO DEL

CUARTO DECONTROL

Aparatos

ASOCIADOS

Barrera segura intrínsecamente

AREA PELIGROSA AREA PELIGROSARESISTENCIA

LIMITADORA DE CORRIENTE



560#

VOLTAGE

DE ENTRADA

FUSIBLE

DIODOS

ZENER

TIERRA INTRINSECAMENTESEGURA

DISPOSITIVO

DE CAMPO



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

Elemento final de control

PERTURBACIONES

d(t)



562#



DE MEDICION


PUNTO DE AJUSTE

VARIABLE

CONTROLADA

VARIABLE

MANIPULADA

CONTROLADOR

m(t)

c(t)

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

R(t)

En conjunto con el actuador que lo opera, recibe señalesdel sistema de control para modificar el flujo de masa oenergía al proceso. Los elementos finales de control más

Elemento final de control



563#

comunes son:- Válvulas de Control.- Reguladores de energía eléctrica.

- Reguladores de velocidad.- Bombas y alimentadores.

De todos estos tipos, las válvulas de control representanun 95% o más de todas las aplicaciones en queinterviene un elemento final de control.

Válvulas de control

Una válvula de control interactúa directamente sobre lascorrientes del proceso con la finalidad de absorber unacantidad adecuada de caída de presión para así mantener al sistema total en balance bajo todas las condiciones de



564#

joperación. Mediante la regulación de caídas de presiónse logra el control inferencial de flujo, nivel, presión,temperatura, p.H., es decir todas las variables vistas

anteriormente de ahí su importancia. Su aplicación haavanzado desde sus comienzos en los 30´s, a ser un arteen los 50´s y casi una ciencia en los 70´s. La selección dela válvula adecuada requiere la consideración de muchos

factores, para cubrir las demandas del proceso en loreferente a características de control y confiabilidadmecánica.

Válvulas de control

SIGNAL FROMCONTROLLER

DIAPHRAGMACTUADOR

SEÑAL DELCONTROLADOR

DIAFRAGMA



565#

ASIENTO

OBTURADOR

VASTAGO

CUERPO

FLUJOMANIPULADO

Ensamble de una



566#

válvula de control

ATC

Características de control

Se refiere a la verificación del flujo que pasa a través deuna válvula como una función del viaje del tapón de laválvula y cubre dos casos; el primero, cuando seconsidera a la válvula como un elemento aislado y a este



567#

comportamiento se le conoce como característicainherente, ésta dependerá únicamente del diseño de losinteriores de la válvula, los principales tipos de

características inherentes son:

- Abertura rápida- Lineal

- Parabólica modificada- Mariposa y bola caracterizada- Igual porcentaje

Característica inherente de la válvula de control



568#

Característica de la válvula de control



569#

Tapón curveado

APERTURA RAPIDALINEAL

MODIFICADO %IGUAL %

Características instaladas de la válvula decontrol

El segundo Cuando la válvula ha sido instalada, sucomportamiento cambiará, de acuerdo con el sistema y alporcentaje de caída de presión de la válvula con respecto



570#

a la caída de presión total del sistema.Ahora esta característica se conoce como instalada y esla que definirá el comportamiento de la válvula en elsistema. Si los cambios en la carga son poco

apreciables, la selección de la característica de la válvulaes de poca importancia debido a que las variaciones en elpunto de control serán pequeñas. Pero cuando grandesvariaciones en la presión y en la carga ocurran, que es lo

más común, se requerirán respuestas rápidas de laválvula, siendo esta respuesta función de la característicainherente de la válvula

Válvula de control Lineal

La relación entre la abertura de la válvula y el flujo a caídade presión constante es una línea recta. Son usadas enlas siguientes aplicaciones:- En procesos lentos.



571#

- Cuando más del cuarenta por ciento de la caída depresión 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 denivel.

Válvula de control de igual porcentaje

En este caso la relación es exponencial. La principalpropiedad de esta característica es que a igual incrementoen el movimiento del vástago de la válvula, producirá un



572#

cambio de igual porcentaje en el flujo a caída de presiónconstante, basado en el flujo antes que el cambio seahecho. Se utiliza en:- En procesos rápidos.- Cuando alta rangeabilidad es requerida.- Cuando la dinámica del proceso no sea bien conocida.-


- En cambiadores de calor cuando un incremento en elflujo del producto, requiere mucho mayor incremento en el

di d f i i l i



573#

medio de enfriamiento o calentamiento.- Para cierre rápido.Como primera alternativa en aplicaciones de control de

flujo y Presión.


Una válvula con característica de igual porcentaje pierdesu característica inherente a medida que esta absorbamenos de la caída de presión dinámica del sistema,

É



574#

tendiendo hacia la característica lineal. Ésta es aún lamejor elección cuando la dinámica del sistema no es bienconocida, para esto mantiene una característica deseable

de control sobre un amplio rango de las caídas de presióndinámicas. Tiene también amplia rangeabilidad, la cual esdeseable cuando las cargas del sistema no son bienconocidas.

Válvula de control de abertura rápida

No es común asignarle una definición matemática a estacaracterística. Su comportamiento es aproximadamentelineal en un 25% del viaje del tapón desde que éste se

t d t i t l j d l 60%



575#

encuentra cerrado, y en este intervalo se maneja del 60%al 70% del flujo total. Si se usa en este rango se puedeconsiderar como lineal, su uso fuera del mismo es raroexcepto en servicio abierto-cerrado. Son usadas en:

- Control de dos posiciones.- Cuando la máxima capacidad de la válvula debe ser obtenida rápidamente.

Consideraciones mecánicas de una válvula decontrol

Las consideraciones mecánicas de una válvula de controlse basan en la construcción física de la misma, que constade dos partes: cuerpo y actuador .

El l d l ál l d l j



576#

El cuerpo es la parte de la válvula de control que manejael fluido de proceso. Cuando éste se encuentraadecuadamente operado por un actuador, modulará el

flujo del fluido del proceso para ayudar a regular lapresión, flujo, temperatura, nivel o alguna otra variable, enun sistema de control en particular. El ensamble delcuerpo de la válvula consiste en un cuerpo resistente a lapresión, un bonete o ensamble de cierre superior y losinteriores.

Cuerpo de la válvula de control

Generalmente el estilo y forma de la válvula depende deltipo de interiores que ésta contiene, además de losrequerimientos de conexiones que necesita la tubería enparticular.



577#

Debido a las crecientes necesidades de los procesos sehan desarrollado una extensa variedad de tipos de

cuerpos de válvulas de control, sin embargo, con tres tiposde válvulas se puede satisfacer prácticamente la mayoríade las aplicaciones normales de control: bola, mariposa yglobo. Aunque existen otros tipos como: tapón, diafragma,

compuerta y solenoide.

Válvula de control tipo Bola

El diseño básico de estas válvulas no fue pensado paracontrol, debido a que el flujo crítico se da cuando la caídade presión a través de éstas alcanza el 15% de la presión

de entrada contra el 50% normal en otros diseños lo quei i bl d i bilid d i ió



578#

de entrada contra el 50% normal en otros diseños, lo queorigina problemas de inestabilidad como cavitación,flasheo o ruido, en condicionesque en otro tipo de válvulas no

ocurrirían, por lo que su uso esen servicios on-off




579#


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.



580#

Buenas características de control. No es recomendable para serviciosde alta caída de presión.

Alta rangeabiliad.

Bajo costo. Necesita actuadores poderosos.

Maneja fluidos fibrosos, viscosos ylodos.

Mantenimiento difícil, por necesitar removerse de la tubería.

Válvula de control tipo Mariposa

Este tipo de válvulas es probablemente uno de los diseñosmás antiguos aún en uso, originalmente fue usada enmuchos de los primeros hornos de tiro natural, el regulador

de tiro usado en las estufas de cocinas antiguas es una



581#

de tiro usado en las estufas de cocinas antiguas es unaválvula de mariposa. Esta válvula fue ampliamenteaceptada solo a partir de los 20´s, y es a partir de entoncescuando su diseño original ha experimentado grandes

variaciones y mejoras hasta llegar a ser un dispositivo decontrol confiable, capaz de producir altas caídas de presióny asegurar cierre firme, además, sus características de

auto limpieza y su patrón de flujo lineal son adecuadospara algunos servicios sólidos-líquidos.


Su operación consiste en la rotación de un disco usualmente90º, lo que hace variar el área entre las paredes del cuerpo

y el disco lo que originará una regulación del flujo a travésde la válvula



582#

y el disco, lo que originará una regulación del flujo a travésde la válvula




583#


Altas capacidades, para un tamañodado.

Económicas, especialmente entamaños grandes.

Los torques operacionales pueden ser altos, haciendo necesarios actuadoresgrandes si la válvula es grande o la caída

de presión es alta. (si no usa diseñosi l d b j t )

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



584#

g

Caracterizada por tener altarecuperación de presión.

No permite la formación de

sedimentos, adecuada para lodos.

Requiere un espacio mínimo para suinstalación.

Fácilmente disponibles en tamaños

grandesPocas partes para dar mantenimiento

especiales de bajo torque).

El cierre depende del uso de asientosresilientes los que están limitados por latemperatura.

La acción reguladora, en algunos diseñoses limitada a un viaje de 60º.

Rangeabilidad limitada

Válvula de control tipo globo

Bajo esta denominación se encuentra cubierto un número dediseños que permiten como características común la forma deglobo en todos estos. Este tipo de válvulas son las más

comúnmente usadas y cuando el término válvula de control se



585#

comúnmente usadas y cuando el término válvula de control semenciona, normalmente se piensa en una válvula tipo globo. Laforma en que estas válvulas logran la acción de control, es:

Tipos de válvulas de control tipo globo

Válvulas de puerto sencillo.

Válvulas de puerto doble.



586#

Válvulas de puerto doble.

Válvulas de caja.

Válvulas de ángulo.

Válvulas de tres vías.

Tipos de válvulas de control tipo globo



587#

VALVULA DE GLOBO

DE PUERTO SIMPLE

VALVULA DE GLOBO

DE PUERTO DOBLE

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 válvulasson de uso extenso y se puede



588#

,son de uso extenso y se puedeconsiderar que intervienen en lainmensa mayoría de las

aplicaciones que requiere unaválvula de control. Proporcionancierre hermético, pero debido adeficiencias en el diseño de tapón,este estará sujeto a fuerzas dedesbalance por lo que se debenusar actuadores de mayor poder.

Válvulas tipo globo de puerto doble

Estas reducen hasta en un 70% la magnitud de las fuerzasde desbalance, debido a que las fuerzas de desbalanceentre el tapón superior tienden a compensarse. La principaldesventaja de este diseño es la de no poder proporcionar cierre hermético debido a deficiencias en el maquinado de



589#

qlos interiores.

Esta es el mejor modelo de válvula

anticaviatación disponible ya quedisminuye alrededor del 98% de lapresión corriente arriba en algunoscasos sin cavitación. Su uso ha

sido desplazado por su alto costo,gran tamaño y baja recuperación depresión.

Válvulas tipo globo de caja

Esta usa un pistón que hace lasveces de tapón, rodeado por unacaja cilíndrica que a la vez desostener el anillo del asientodefine la característica de la



590#

válvula, permite mayores caídasde presión sin causar mayor

inestabilidad. Su principalventaja es su facilidad demantenimiento, y su principaldesventaja es que sólo puede

proporcionar cierre herméticocon diseños especiales, lo queeleva el costo de la válvula.

Válvulas de globo tipo ángulo

Aunque su uso es poco común, sudiseño las hace adecuadas enservicios con alta caída de presión,en aplicaciones en las que haya decubrir requerimientos especiales de



591#

arreglos de tuberías, para serviciosque requieran autodrenaje o para

servicios erosivos en donde elchoque con partículas sólidas debeser evitado. Son utilizadas confrecuencia en sistemas de control

de presión y nivel, donde elespacio es reducido.

Otros tipos de válvulas

Una válvula de tres posiciones se utiliza para desviar (dividir) el flujo. Algunas requieren actuadores poderosospor las fuerzas no balanceadas que actúan en el

obturador.



592#VALVULA TIPO Y

PUERTO A

PUERTO B

FUENTE

VALVULA DE TRES POSICIONES (VALVULA DE DESVIO)

Dimensionamiento de una válvula

Al seleccionar una válvula se debe tener cuidado en:Datos de la aplicación:

Velocidad máxima y mínima del flujoCaída de presiónTemperatura del fluido

Datos del fluido

Nombre del fluidoFase (gas, líquido)



593#

(g q )Densidad (gravedad especifica, peso especifico, peso molecular)Viscosidad (líquidos)Presión de vapor (gases)

Influencia de la tuberíaPresencia de reductores u otras perturbaciones

Dimensionamiento de una válvula

Influencia del sistemaDinámica del control (Es el sobredimensionamiento importante)Factor económicoSeguridad

Estilo de la válvula (basada en aplicación)Capacidad



594#

resistencia a la erosión y corrosiónCálculos del dimensionamiento

Coeficientes del tamaño

Formulas de selección

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 quepasan a través de la válvula con una caída de presión de

una lb/pulg2

a 60ºF, es función de su diseño y deldiámetro del puerto de la válvula. Esta capacidad variará



595#

p pmucho de diseño a diseño y en caso extremos de flujomáximo y mínimo alguno de estos diseños será incapaz

de manejarlos, la válvula de mariposa y la de bolacaracterizada son capaces de manejar eficientementeflujos altos, mientras que una válvula de globo quemanejará estos mismos flujos generalmente es muyvoluminosa y pesada en comparación a las anteriores.

Es la relación entre el flujo máximo y el flujo mínimocontrolable, donde controlable implica que la desviación noexceda ciertos límites establecidos a partir de sucaracterística inherente de flujo y es importante cuando:

- Indica el punto en que la válvula actuará como un

Rangeabilidad de una Válvula de control



596#

- Indica el punto en que la válvula actuará como undispositivo abierto-cerrado o pierde control completamentedebido a fugas.- Establece el punto en el que la característica de empujeascendente 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 quemejores características de rangeabilidad ofrecen.

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 psiVelocidad de flujo mínima : 40 gpm



597#

Velocidad de flujo mínima : 40 gpm

ΔP a flujo mínimo: 25 psi

Sabiendo que su ecuación es:

P

Gqcv

Δ=

8710

2.1250 ==vc

7.825

2.140)minimo( ==vc

Rangeabilidad 10:1

Recomendación…

Existen muchos factores para seleccionar una válvula, el ejemplo anterior, soloaplica a líquidos incompresibles y con un numero de Reynolds mayor a 500, sise desea conocer más técnicas se recomienda el“ISA Handbook of control Valves” o

“ISA standard S39.4”



598#

Cantidadde flujoque pasa

a travésde una

Fugas en una Válvula de control



599#

válvulacompleta-

mentecerrada

CARACTERÍSTICAS TIPO GLOBO TIPO MA RIPOSA TIPO BOLACARACTERIZADA

TAMAÑO 1” a 24” 1” a 150” 1” a 24”

PRESIÓN DE DISEÑO Hasta 400Kg/cm² Hasta 400Kg/cm² Hasta 100Kg/cm²

TEMPERATURA DE DISEÑO CriogénicasHasta 650º C

CriogénicasHasta 1000º C

Criogénicas hasta500 ºC

MÁXIMA CAIDA DEPRESIÓN

70-210Kg/cm² 70 20

RANGE ABILIDAD 35:1 100:1 300:1

CARACTERÍSTICAS DEFLUJO

Igual porcentaje, aperturarápida, lineal.

Igual porcentaje. Igual porcentaje.



600#

CAPACIDADES DE FLUJONO CRÍTICO

13d² 20d² A60º, 45d² 30d²

CRITICO 10 d² 12d² A60º, 20d²A90º

15d²

FUGAS Puerto sencillo (metal):Clase IVPuerto sencillo (suave):Clase VIInteriores balanceados(metal): Clase IIInteriores Balanceados(suaves):Clase V.

Revestidos: Menosde 1 burbu Norevestidos hasta 5%cap. Max.

Sellos suave: mejorClase VSellos metálicos:Clase IV.

SERVICIO Líquidos limpios, suciosgases y vapores.

Líquidos limpios,viscosos, gases yvapores.

Líquidos limpios,suaves, viscosos,gases, vapores ylodos fibrosos.

Actuadores

Las válvulas pueden ser accionadas neumáticamente,eléctricamente o hidráulicamente. El actuador neumático esel más ampliamente utilizado. Es simple, barato, no tiene

fricción y su velocidad es limitada sólo por el índice con elcuál el aire puede ser mandado al actuador y retirado deli



601#

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 proporcionanuna operación de falla segura por diseño, algunosactuadores de pistón requieren accesorios paraproporcionar operación de falla segura.

Actuadores

SEÑAL DELCONTROLADOR DIAFRAGMA

ACTUADOR

RESORTE

PLACADIAFRAGMA



602#

VASTAGO

CUERPO

Acciones de los actuadores



603#

Incremento(aire para cerrar)

Decremento(aire para abrir)

Posicionadores

La función de un posicionador de válvula es sensar la señal delinstrumento y la posición del vástago de la válvula y asegurar que la válvula se mueve en la posición correcta de acuerdo a laseñal del controlador. Se considera como un controlador de lazocerrado que tiene a la señal del instrumento como la entrada, elsuministro de aire como la salida al actuador y retroalimentacióndesde la posición física del vástago de la válvula



604#

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 conun recipiente de diafragma con resorte puede regular sin él.

SEÑAL DE INSTRUMENTO POSICIONADOR SUMINISTRODE AIRE

Posicionadores



605#

POSICIÓN DEL VÁSTAGODE LA VÁLVULA

ACTUADOR

CUERPO

Posicionador tipo Movimiento-Equilibrio

ACTUADOR

SALIDA

RELAY

ENTRADA



606#

CONEXIÓN

SUMINISTRO FUELLE

BOQUILLA

INDICADOR

Otros elementos finales de control

• Variadores de velocidad

• Servomotores

• Bombas



607#

Variadores de velocidad



608#

Los convertidores de frecuencia son ideales para múltiplesaplicaciones de accionamiento de velocidad variable, como

bombas, ventiladores y sistemas de transporte (por ejemplo, bandas transportadoras), entre otras.

Aplicaciones de los variadores de velocidad



609#

1. Control basado en PWM o relación V/F2. Tecnología basada en dispositivos de estado solido (IGBT)3. Microprocesador de control digital4. Control de corriente de flujo (FCC) para una mejor respuesta Dinámica y

control optimizado del motor 5. Rearranque automático siguiente a estado de falla o falta de red6. Controlador PI para control simple de procesos

Características de los variadores de velocidad



610#

7. Aceleración/desaceleración programable de 0 s hasta 650 s8. Suavizado de rampa de aceleración/desaceleración

9. Límite de corriente rápido (FCL) para operación libre de fallas10. Tiempo de respuesta de las entradas digitales rápido y repetitivo11. Ajuste fino de velocidad utilizando una entrada analógica de 10-bits

Servomotores

Los servos son un tipo especial de motor que se caracterizan por sucapacidad para posicionarse de forma inmediata en cualquier posicióndentro de su rango de operación. Para ello, el servo espera un tren depulsos que corresponden con el movimiento a realizar.

Están generalmente formados por un amplificador, un motor, la reducciónde engranaje y la retroalimentación, todo en un misma caja depequeñas dimensiones. El resultado es un servo de posición con unmargen de operación de 180° o 360º



611#

margen de operación de 180 o 360 .

Servomotores

Disponen de tres conexiones electricas: Vcc (roja), GND(negra) y entrada decontrol (amarilla). Estos colores de identificación y el orden de las conexionesdependen del fabricante del servo. Es importante identificar las conexiones yaque 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 pulsoindica el ángulo de giro del motor. Cada servo tiene sus márgenes deoperación, que se corresponden con el ancho del pulso máximo y mínimoque el servo entiende. Los valores más generales corresponde convalores 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 delpulso lo dejan en posiciones intermedias. Estos valores suelen ser los



613#

p j precomendados, sin embargo, es posible emplear pulsos menores de 1 mso mayores de 2 ms, pudiéndose conseguir ángulos mayores de 180°.


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



614#


El periodo entre pulso y pulso no es crítico, e incluso puede ser distintoentre uno y otro pulso. Se suelen emplear valores entre 10 ms y 30 ms. Siel intervalo entre pulso y pulso es inferior al mínimo, puede interferir con latemporización interna del servo, causando un zumbido, y la vibración delbrazo de salida. Si es mayor que el máximo, entonces el servo pasará a

estado dormido, entre pulsos. Esto provoca que se mueva con intervalospequeños.

Es importante destacar que para que un servo se mantenga en la misma



615#

Es importante destacar que para que un servo se mantenga en la mismaposición durante un cierto tiempo, es necesario enviarle continuamente elpulso correspondiente. Si se deja de enviar pulsos (o el intervalo entrepulsos es mayor del máximo) entonces el servo perderá fuerza y dejará deintentar mantener su posición, de modo que cualquier fuerza externapodría desplazarlo.



INTRODUCCIÓN

CONTROL.- Acción o conjunto de acciones

que buscan conformar una magnitud variable,o conjunto de magnitudes variables , en un



617#

patrón determinado.

CONTROL CLASICO

CONTROL ROBUSTO CONTROL PREDICTIVO CONTROL OPTIMO

CONTROL AVANZADO

PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVARTIVO

SOFTWARE

TODO-NADA

REGULATORIO

SERVO

INTRODUCCIÓN



618#

CONTROL MODERNO

CONTROL OPTIMO

HARDWARE

CONTROLINDUSTRIAL

DE EQUIPOS YPROCESOS

CONTROL INTELIGENTE LOGICA DIFUSA

REDES NEURONALES ALGORITMOS GENETICOS

CONTROL DISTRIBUIDOREDES DE COMUNICACIONCONTROL DIGITAL UNITARIOSISTEMAS MINIMOSSCADALAZOS UNITARIOS

JERARQUÍA DE CONTROL

OPTIMIZACIÓN

CONTROL REGULATORIO AVANZADORelación, Cascada, Prealimentación

TECNICAS DE CONTROL



619#

PROCESO

CONTROLES DE SEGURIDAD

CONTROL REGULATORIO BASICORetroalimentación

ELEMENTO

FINAL DECONTROL

PROCESO

ELEMENTO

PRIMARIODE MEDICION

PERTURBACIONES

VARIABLE VARIABLECONTROLADA

MANIPULADA

d(t)

Sensor Actuador

TERMINOLOGÍA DE CONTROL AUTOMÁTICO



620#

CONVERTIDOR O

TRANSDUCTOR

TRANSMISOR

PUNTO DE AJUSTE

CONTROLADOR

Señal normalizada Señal normalizada

TERMINOLOGÍA DE CONTROL AUTOMÁTICO

• Sistema de control

• Lazo abierto• Control retroalimentado• Lazo cerrado• Señal normalizada• Transmisor • Sensor • Variable controlada• Actuador

• Controlador

• Valor de referencia (SP)• Error • Perturbación• Estabilidad• Algoritmo• Sintonización• Constante de tiempo• Ganancia del proceso



621#

• Variable manipulada

SISTEMAS DE CONTROL.- Arreglo de dispositivos cuya

finalidad es mantener un proceso dado, dentro de un patrónde comportamiento predeterminado.

LAZO ABIERTO es aquella en los que la decisión y laacción, se realiza con la intervención del elemento

humano



622#

ENTRADA

SALIDA

CARACTERISTICAS DEL CIRCUITODE CONTROL ABIERTO

LAS ACCIONES DEL CONTROL SON PRECISAS (CON CALIBRACION

ADECUADA). ES INHERENTEMENTE ESTABLE. ES BARATO Y SENCILLO. EL CONTROL DEPENDE DE LA

EXPERIENCIA DEL OPERADOR



623#

GAS COMBUSTIBLE

CIRCUITO DE CONTROL ABIERTO

EXPERIENCIA DEL OPERADOR. NO SE PUEDEN COMPENSAR TODAS

LAS PERTURBACIONES.

LAZO CERRADO

EN LOS CIRCUITO CERRADOS TODAS LAS ETAPAS

NECESARIAS PARA EL CONTROL, SONREALIZADAS POR DISPOSITIVOS Y EL ELEMENTOHUMANO SOLO SUPERVISA SU FUNCIONAMIENTO



624#

SE AUMENTA LA EXACTITUD DELCONTROL.

SE REDUCEN LOS EFECTOS DE LAS PERTURBACIONES. ES MAS ESTABLE QUE EL CONTROL PREALIMENTADO. ES EL MAS CONOCIDO Y USADO. LAS PERTURBACIONES SOLO SE

CARACTERISTICAS DEL CIRCUITO DE CONTROL

RETROALIMENTADO

TIC

213

VAPOR TE213

TY

213

IP

TV

213

213

TT



625#

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

DEL REACTOR ALIMENTACIÓN

V-213 CONDENSADO

AL REACTOR

213

UNA VARIABLE CONTROLADA ES UNA MAGNITUD O CONDICION DEL

PROCESO OBJETO DEL CONTROL, LA CUAL ES DIRECTAMENTEMEDIDA Y CONTROLADA.

UNA VARIABLE MANIPULADA ES UNA VARIABLE DE PROCESO,CUYA MAGNITUD ES MODIFICADA PARA ELIMINAR EL ERRORPRESENTE EN EL SISTEMA.



626#

“UN SISTEMA ES LLAMADO ESTABLE SI SU SALIDA ES ACOTADA PARACUALQUIER ENTRADA ACOTADA”

VARIACION

RESPUESTA



627#

ESQUEMATIZACION DE UN PROCESODESDE EL ENFOQUE DEL CONTROL

RESPUESTA

FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA: se define como larelación de la variable de salida de un proceso, sobrela entrada al mismo. Define las características de

estado estacionario y dinámico, es decir, larespuesta total de un sistema que se describamediante una ecuación diferencial lineal y sus



628#

ed a te u a ecuac ó d e e c a ea y sus

términos determinan si el sistema es estable o no.

G sY s

X s

K a s a s a s

b s b s b s

m

m

m

m

n

n

n

n( )

( )

( )

( ... )

... )= =

+ + + +

+ + + +−

−

−−

1

1

1

1 1

1

1

ESTABILIDAD: “Un sistema es llamado estable si susalida es acotada para cualquier entrada acotada”.

La estabilidad de un sistema lineal se determina del

análisis de las raíces de la ecuación característica yes equivalente a plantear en el plano-s la localizaciónde polos:



629#

p

G(s)+

H(s)

-

E(s)X(s) Y(s)

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

= ___

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

DISTURBIO.- Cualquier cambio en el proceso que afecta adversamente lacantidad o variable controlada. Ejemplos:

- Un disturbio en la cantidad o variable controladaAl controlar flujo – cambia el caudalAl controlar nivel – cambia la velocidad del flujo que sale

del tanqueAl controlar temperatura – entra más producto



630#

- Cambio en la calidad del agente de control, tal como:La calidad del vapor cambia

- Cambio de las condiciones ambientalesCombustión – Cambia la temperatura del aire exterior

CAMBIO EN RESPUESTA

DINÁMICA DEL PROCESO (RESPUESTA AL CAMBIO)

El proceso ha sido definido como un cambio químico o físico o de conversión deenergía. Las estrategias de control sirven para controlar estos cambios.Pocos procesos son instantáneos: Casi todos requieren algún tiempo para quela 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.



631#

LA ENTRADA EN LA SALIDA

PROCESOTIEMPO MUERTOMAS RETARDO

DE PRIMER ORDEN

PARAMETROS DE ESTABILIDAD:

•GANANCIA•CONSTANTE DE TIEMPO

•TIEMPO MUERTO

DINÁMICA DEL PROCESO



632#

TIEMPO MUERTO

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

velocidad de respuesta de un proceso.

PRIMER CONSTANTEDE TIEMPO

L A S A L I D A %



634#

DE TIEMPO

TIEMPO

100%

63.2%

0%

CAMBIO EN LA ENTRADA

PROCESO

C A M B I O

E N

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

INICIO DEL CAMBIOEN LA ENTRADA



635#

CAMBIO EN LAENTRADA

PROCESO

RETRASO DE PRIMER ORDEN



636#

TIEMPO

0 1 2 3

ENTRADA

SALIDA

4 5

RETRASO DE PRIMER ORDEN MAS TIEMPOMUERTO

SALIDA

Td



637#

0 1 2 3

TIEMPO

ENTRADA

4 5

Td =TIEMPO MUERTO



638#

PROCESOS AUTORREGULABLES



639#

PROCESO NO AUTO-REGULABLES

LA TEORIA DEL CONTROL AUTOMATICO DEFINE ENEXPRESIONES MATEMATICAS EL COMPORTAMIENTODE LOS SISTEMAS DESDE EL ENFOQUE DE SUS

INTERRELACIONES DINAMICAS.EXISTEN DOS PRINCIPALES ENFOQUES DE ESTATEORIA:

TEORÍA DEL CONTROL AUTOMÁTICO



640#

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

TEORIAS DEL CONTROL AUTOMATICO

TEORIA CLASICA DELCONTROL AUTOMATICO

TEORIA MODERNA DELCONTROL AUTOMATICO

• OCURRE EN EL DOMINIO DE LAFRECUENCIA COMPLEJA

• SOLO MANEJA UNA ENTRADA Y UNASALIDA (SISO)

• PARA PROCESOS CON PEQUEÑAS NOLINEALIDADES, INVARIANTES EN ELTIEMPO Y CON TIEMPOS MUERTOSPEQUEÑOS

• OCURRE EN EL DOMINIO DEL TIEMPO

• MANEJA MULTIPLES ENTRADAS YMULTIPLES SALIDAS (MIMO)

• PARA PROCESOS CON FUERTES NOLINEALIDADES, VARIABLES EN ELTIEMPO Y CON TIEMPOS MUERTOSGRANDES



641#

PEQUEÑOS

• NO MANEJA INTERACCIONES

• NO MANEJA RESTRICCIONES

• ES EL ENFOQUE MAS UTILIZADO

• SE DEFINE POR EL ALGORITMO PID

GRANDES

• MANEJA EFICIENTEMENTEINTERACCIONES

• MANEJA EFICIENTEMENTERESTRICCIONES

• NO ES COMUN SU UTILIZACION

• SE DEFINE POR LA ECUACION DEESTADO DEL CONTROL

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

d(t)

m(t) es la variable manipuladae(t) es el error y a su vez es igual a R(t) - c(t)R(t) es la variable de referencia o punto de ajustec(t) es la variable controladaKc es la ganancia del controlador



642#

Kc es la ganancia del controlador

TI es el tiempo de IntegralTD es el tiempo de DerivadaMo es la constante de polarización del controlador

(normalmente 50%)



643#

LA TEORIA CLASICA DEL CONTROL AUTOMATICOBASA SU DESARROLLO EN LA UTILIZACION YAJUSTE DE LA ACCION Y MODOS DE CONTROL

DE LOS CONTROLADORES



644#

LOS MODOS DE CONTROL SON

ALGORITMOS BAJO LOS CUALES OPERANLOS CONTROLADORES, QUE FUNCIONANDENTRO DE LO ESTABLECIDO POR LA

TEORIA CLASICA DEL CONTROL Y SON:•MODO PROPORCIONAL(P DOS POSICIONES)



645#

(P, DOS POSICIONES).

•MODO INTEGRAL (I)

•MODO DERIVATIVO (D).

LA SEÑAL DE SALIDA (m(t)) ES PROPORCIONALA LA SEÑAL DE ERROR PRESENTE EN ELSISTEMA (e(t)).

m(t) ∝ e(t)

QUE SE TRANSFORMA A:

MODO PROPORCIONAL



646#

m(t)= Kc e(t) + MoDONDE:Kc.- Ganancia del controlador.Mo.- Constante de polarización del controlador.

20151050

r=1

XK=5

K=2

K=1

t



647#

EFECTO DE LA GANANCIA SOBRE UNDISTURBIO.



648#

EL EFECTO DE LA INTEGRAL SOBRE UNAFUNCION MATEMATICA, ES LA DEDETERMINAR EL AREA BAJO LA CURVA

DEFINIDA POR DICHA FUNCION, CONRESPECTO A UNA REFERENCIA DADA.EL MODO INTEGRAL AGREGA UN EFECTOEQUIVALENTE A LA INTEGRACION DEL

MODO INTEGRAL (I)



649#

ERROR DE LA CURVA DE REACCION DELPROCESO

20151050

r=1

X Ti=1

Ti=2

Ti=5

Ti=

t



650#

EFECTO DEL TIEMPO DE INTEGRAL SOBREUN DISTURBIO.

EL EFECTO DE LA DERIVADA SOBREUNA FUNCION MATEMATICA, ES LA DEDETERMINAR LA RAZON DE CAMBIO DE

LA CURVA DEFINIDA POR DICHAFUNCION, CON RESPECTO A UNAVARIABLE DADA.EL CONTROL DERIVATIVO ANTICIPA EL

MODO DERIVATIVO (D)



651#

EFECTO DE CORRECCION, DEMANERA QUE SE CONTRARRESTE ELTIEMPO MUERTO

EL CONTROL DERIVATIVO "DETECTA"LA RAZON DE CAMBIO DEL ERROR(PENDIENTE), Y PROYECTA UN EFECTOMULTIPLICADO Td VECES, TAL QUE SEANTICIPE AL EFECTO FUTURO DEL



652#

ERROR e(t).

20151050

r=1

X T =0.1D

T =0.7D

T =4.5D

t



653#

EFECTO DEL TIEMPO DE DERIVADA SOBREUN DISTURBIO.

Los modos PI son específicos cuando no existetiempo muerto, los cambios de carga sonmoderados, y no se aceptan los efectos delcorrimiento

CONTROL PI

1Escalón unitario

e(t)

K

Modo PI

u(t)

Modo P2K



654#

E(s) U(s)K (1+Ti s)

1+Ti s

t tTi

CARACTERISTICAS DEL CONTROL PI

•ESTE CONTROL ES EL QUE MEJORSATISFACE LA MAYORIA DE LASAPLICACIONES INDUSTRIALES QUENO TENGAN TIEMPO MUERTO.

•ES EL TIPO DE CONTROL MASCOMUNMENTE USADO, CON EL 85%DEL TOTAL.

•TIENE UNA RESPUESTA MUCHOMAYOR QUE EL CONTROL



655#

INTEGRAL SOLO Y TAMPOCOPRESENTA CORRIMIENTO.

•LA ESTABILIDAD DEL SISTEMA SEDEMERITA.

•PUEDE GENERAR LA SATURACIONDEL ELEMENTO FINAL.

t

1Rampa unitaria

e(t)

t

Modo PDu(t)Modo PT

D

CONTROL PD



656#

E(s) U(s)K (1+T s)D

CARACTERISTICAS DEL CONTROL PD•ESTE CONTROL, ES CAPAZ DE SEGUIR CAMBIOSRAPIDOS EN LA VARIABLE DE PROCESO YCOMPENSAR RETRASOS EN TIEMPO.

•DEGRADA SU ACCION EN PROCESOS RUIDOSOS.

•CONSERVA EL CORRIMIENTO DEL MODOPROPORCIONAL, PERO MEJORA SU RESPUESTA.

G S



657#

•EN GENERAL AUMENTA LA ESTABILIDAD DELCIRCUITO.

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

CONTROL PID



658#

CARACTERISTICAS DEL CONTROL PID

•ESTA COMBINACION DE MODOS ES EL CONTROLCONVENCIONAL MAS COMPLEJO.•MEJORA EL COMPORTAMIENTO, DE LOS CONTROLES DEDOS MODOS.•COMPENSA LOS RETRASOS EN TIEMPO, DEBIDOS

PRINCIPALMENTE A LA INSTRUMENTACION Y NO ALPROCESO, POR LA PRESENCIA DEL MODO DERIVATIVO.•DEBIDO AL MODO INTEGRAL, ESTE CONTROL NOPRESENTA CORRIMIENTO PERO PUEDE SATURAR AL

ELEMENTO FINAL



659#

ELEMENTO FINAL.•TIENDE A ESTABILIZAR AL SISTEMA.•EL PRINCIPAL PROBLEMA ES SU SINTONIZACIÓN.•EL 12% DE LOS CONTROLADORES SON PID, USADOSPRINCIPALMENTE EN CIRCUITOS DE TEMPERATURA, pH Y

ANALISIS.



660#

Modos básicos de operación de uncontrolador

• Modo Manual/Automático: Determina quien establece la salida delcontrol: 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 delcontrolador (Ganancia proporcional, tiempo de integral ytiempo de derivativa)

¿Cómo Sintonizo?



662#

Existen técnicas analíticas, pero también existen técnicasempíricas como Ziegler-Nichols

Ziegler-Nichols

Procedimiento:

1. Colocar el Controlador en modo Auto con unaganancia proporcional pequeña, y las gananciasintegral y derivativa en cero.

2. Aumentar la ganancia proporcional hasta obligar a laplanta a tener una oscilación sostenida.



663#

Oscilación sostenida

R e s p u e s t a d e l c o n t r o l p r o p o r c io n a l c o n K c u

0 0 0 3

0 . 0 0 4

0 . 0 0 5

0 . 0 0 6

0 . 0 0 7

0 . 0 0 8

0 . 0 0 9

F l u

j o

h i d r ó g e n o

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



664#

0

0 . 0 0 1

0 . 0 0 2

0 . 0 0 3

1 5 1 5 .1 1 5 .2 1 5 .3 1 5 .4 1 5 .5 1 5 .6 1 5 .7 1 5 .8 1 5 .9 1 6T iemp o (m in )

Ziegler-Nichols

Medir el periodo de la oscilación y determinar con que gananciaproporcional se obtiene esta oscilación, emplear las siguientescorrelaciones:

------------------ K cu /2P

Tiempo de

Derivación.

Tiempo de

Integración

Ganancia

Proporcional

Tipo de Controlador



665#

T u /8T

u /2 K

cu /1.7 PID

---------T u /1.2 K

cu /2.2PI

cu

Respuesta obtenida

Detalle Flujo Alimentación

0.00426

0.00427

0.00428

0.00429

u j o

h i d r ó g e n o

( g r / s )

S.P. Flujo alimentación

Flujo alimentación



666#

0.00424

0.00425

0 10 20 30 40 50Tiempo (min)

F l

MÉTODO DE LAS OSCILACIONESAMORTIGUADAS DE ZIEGLER-NICHOLS

Incrementando la ganancia hasta encontrar una respuesta de uncuarto de decaímiento (la oscilación tiene 1/4 de la oscilación anterior).

t0

X

Tu

a b



667#

TuRazón de decaimiento = b/a =1/4

Controlador Ganancia Tiempo de integral Tiempo de derivada

P K c = 0.5 K cu - -

PI K c = 0.45 K cu T i = T u /1.2 -

PID K c = 0.75 K cu T i = T u /1.6 T D = T u /10

MÉTODO DE LA CURVA DE REACCIÓN DECOHEN-COON

Trabajar en forma manual o lazo abierto para determinar la relaciónde 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.

B

ym



668#

t0

R

td

MÉTODO DE LA CURVA DE REACCIÓN DECOHEN-COON

Controlador Ganancia Tiempo de integral Tiempo de derivada

P K c = ⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ +

τ

τ

31

1 d

d

t

t K

- -

PI K c = ⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ +

τ

τ

129.0

1 d

d

t

t K τ

τ

/ 209

/ 330

d

d

d i

t

t t t

+

+=

-

PID K c = ⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ +

τ

τ

43

41 d

d

t

t K τ

τ

/ 813

/ 632

d

d

d i

t

t t t

+

+=

τ / 211

4

d

d D

t t t

+=



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 elestudio de la Mecánica Dinámica y es unamanera conveniente de representar sistemas de

ecuaciones diferenciales de orden "n"(acopladas o no acopladas), de tal forma quesean expresadas como ecuaciones de vectores-matrices, permitiendo ser manipulados,transformados y estudiados mediante



671#

transformados y estudiados medianteprocedimientos sencillos de álgebra lineal, conlo que permitió mejorar el desempeño de los

Modelos Matemáticos y manejar modelos MIMO(Entradas Múltiples-Salidas Múltiples).

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)



672#

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)



Sistemas para pequeñas instalaciones decontrol

1. Control directo por PC

• La creciente capacidad de las PC's posibilita la decisión de manejar directamente laslabores de control y la actuación sobre los elementos finales, mediante las interfasesadecuadas.

• El soporte físico se constituye por un PC con un software de adquisición de datos ycontrol SCADA (Supervisory Control and Data Adquisition) y una adecuada interfasepara 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 controlcontinuos sobre los que haya de ejecutarse un algoritmo, pero, en su caso, podríaincluso ejecutarse éste, un número limitado, en la propia PC.

• Su desventaja radica en la frágil confiabilidad del sistema al depender sólo delprocesador 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 lasl b d t l l PC l t l i t d it i ió



674#

labores de control y la PC a las tareas exclusivamente de monitorización, como sedescribe en los puntos siguientes.


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 pequeñasaplicaciones, no integrales, en las que el número de señales es suficientementereducido como para no justificar sistemas más complejos.

• La visualización de las variables medidas y los parámetros de control se puederealizar mediante una pequeña pantalla o visor localizada sobre el propiocontrolador, frecuentemente instalado en campo. La mayoría de las plantasquímicas o afines exige un número de señales superior a las que justificarían la

selección de un sistema de las características mencionadas por lo que suempleo no resulta demasiado frecuente en esos casos, salvo aplicacionesaisladas



675#

aisladas.


INTERFASES DELOPERADOR



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 paracontrol de procesos secuenciales en tiempo real y en ambiente tipoindustrial, aunque ahora también pueden ejercer eficientemente controlregulado.



678#

Sistema de PLC básico

INTERRUPTORDE LIMITE

MODULOSDEENTRADA

BOTONPULSADOR

CPU

24 VCD

VÁLVULASOLENOIDE

120 VCA

CONTROL DELRELEVADOR

LUZ DELPANEL

MODULOSDESALIDA

INTERRUPTORDE NIVEL



679#

ALIMENTACIÓNDEL

SISTEMA

El PLC

• Para procesos discretos, el PLC no tiene competencia y su uso esuniversal.

• Puede manejar fácilmente señales continuas (analógicas) y algoritmosde control.

• Se programan, mediante una PC o un programador portátil.



680#

Campos de aplicación

Aunque el PLC por excelencia ha sidocreado para el control de procesossecuenciales, hoy en día el PLC puedeademás controlar lazos regulados,además de permitir el manejo de señalesdigitales como Ethernet, Device Net, ETC.

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

• Control de cualquier máquina que implique una ovarias 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.



681#

Ventajas y desventajas del PLC

Ventajas• CONFIABILIDAD. Una vez que un programa se ha

escrito y se han localizado y corregido errores, éstepuede fácilmente transferirse y descargarse a otrosPLC

• FLEXIBILIDAD. Las modificaciones del programapueden hacerse fácilmente, inclusive en campo condiferentes niveles de acceso

• FUNCIONES AVANZADAS. Amplia variedad de

tareas de control, desde una sola acción repetitivahasta 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 yhardware

Desventajas

• Como inconvenientes podríamoshablar, en primer lugar, de quehace falta un programador,

• El costo inicial también puede ser alto.



682#

ESTRUCTURA DE UN PLC

ESTRUCTURA EXTERNAActualmente son tres las estructuras más significativas que existen en elmercado:

•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 todossus elementos, esto es, fuente de alimentación, CPU, memorias,entradas/salidas, etc..

Son los autómatas de gama baja o nanoautómatas los que suelen tener unaestructura compacta. Su potencia de proceso suele ser muy limitadadedicándose 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 queen un bloque compacto están reunidas las CPU, memoria de usuario o deprograma y fuente de alimentación y separadamente las unidades de E/S .

Son los autómatas de gama media los que suelen tener una estructurasemimodular (Americana).



685#

Estructura modular

Su característica principal es la de que existe un módulo para cada uno delos diferentes elementos que componen el autómata como puede ser unafuente de alimentación, CPU, E/S, etc. La sujeción de los mismos se hacepor carril DIN, placa perforada o sobre RACK, en donde va alojado el BUSexterno de unión de los distintos módulos que lo componen.

Son los autómatas de gama alta los que suelen tener una estructuramodular, que permiten una gran flexibilidad en su constitución.



686#

FUENTEDE

PODER

FUENTE

CPU

4 RANURAS

8 RANURAS

FUENTEDE

PODERCPU



687#

DEPODER

CPU

16 RANURAS

MONTAJE MODULAR TIPICO DE LOS PLC´s

FUENTEDE

PODERCPU

16 RANURAS

XX DI DI DI DI DO DO DO AI AI AI AO AO TC TC TC

MONITORA COLOR

TARJETA DE COMUNICACIONESDEL PLC

TECLADOS

IMPRESORA

CABLE DE COMUNICACIONES



688#

ARREGLO TIPICO DE UN SISTEMA BASADO EN UN PLC



689#

SEÑALES DE/A CAMPO

RED DE CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES

MEMORIA

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

- Variables interna

REGISTROS Y UNIDADES E/S

ACOPLADORES E/S

MICROPROCESADOR

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

E/S SERIE

RELOJ

FUENTE DE

ALIMENTACION

EXPANSION E/S BUS EXPANSION

RED INDUSTRIALLAN

- E/S ADICIONALES- E/S ESPECIALES

ESTRUCTURA INTERNA DE UN PLC



690#

- SENSORES- ACTUADORES

- RS-485- RS-232- MODBUS

- UNIDADES DE PROG

LANWAN

SECUENCIA DE OPERACIÓN DE UN PLC

IMAGEN DE LASENTRADAS

ENTRADAS

EJECUCIÓN DEL

PROGRAMA DEUSUARIO

IMAGEN DE LASSALIDAS SALIDAS



691#

WATCHDOG(PERRO GUARDIÁN)

Funciones del PLC

FuncionesAvanzadas

Redes de comunicación

Entradas/

salidasdistribuidas

Buses de

campo



692#

AvanzadasDel PLC

Control deProcesos

continuosSistemas desupervisión

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 requiredfor logic continuity

Se requiere de una trayectoriacontinua para la continuidad lógica



694#

g ycontinua para la continuidad lógica

ARRANQUEDEL MOTOR

Escalón 0

I:1/0

BOTON PULSADORNORMALMENTE CERRADO

PAROO:3/0

ARRANQUEDEL MOTOR

O:3/0

I:1/1

BOTON PULSADORN.A.

ARRANQUE

Formato típico de la lógica de escalera



695#

Diagrama del cableado de entradas

0

H

1

2

3

4

5

6

ARRANQUE PB

PARO PB

MOTOR AUX.

I:1/00

I:1/01

I:1/02

I:1/03

I:1/04

I:1/05

I:1/06

K1

PB1

PB2

SLOT 1



696#120V CA

7

N

NEUTRoHOT

I:1/07

Diagrama del cableado de salidas

ARRANCADOR DE LA BOMBAK10

1

2

3

4

5

H

CA SALIDAMODULO

O:3/0

O:3/1

O:3/2

O:3/3

O:3/4

O:3/5

SLOT 3

H N

120 VCA



697#

6

7

N

O:3/6

O:3/7

SISTEMAS DEADQUISICIÓN DE

DATOS



698#

SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS(SAD)

Sistema de procesamiento de información cuyosresultados son dados en desplegados gráficos, reportes,sumarios, índices, tendencias, balances e involucra elacondicionamiento de señales.

De acuerdo al tamaño y complejidad del monitoreo deprocesos y sistemas de control existen desde sistemas decontrol simples y sencillos hasta sistemas de control

distribuido grandes (SCD). Su elemento mas importante esla computadora.



699#

DAS Convencional



700#

Y MULTIPLEXORACONDICIONADOR DE SEÑALES

SISTEMA DE

PROCESAMIENTO

DE LA INFORMACION

SISTEMA DE CONTROL

ASOCIADO

(ANALOGICO o DIGITAL)

A D/

SEÑALESANALOGICAS

SEÑALESDIGITALES

SEÑALES HACIA LOS

ELEMENTOS FINALES

DE CONTROL

SEÑALES DEL PROCESO

(DE SENSORES,

TRANSMISORES O

INTERRUPTORES)

DESPLEGADOS GRAFICOS

REPORTES

SUMARIOS

INDICES

TENDENCIAS

BALANCES, ETC.

INFORMACIONPROCESADA



701#

ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA

DE ADQUISICION DE DATOS (SAD)

SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS(Características)

- Cuentan con herramientas de software sofisticado ypoder 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 controladoreslógicos programables (PLCs).

- Su aplicación más común es en pequeños sistemas comoplantas piloto y laboratorios.

- La modularidad y flexibilidad de los sistemas los hacen



702#

- La modularidad y flexibilidad de los sistemas los hacenfácil para reconfigurar para distintas aplicaciones.

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 usadospara control Supervisorio, adquisición de datos, controlautomático o ambos (ANSI/IEEE)”. Normalmente se refierea sistemas de control digital cuyos constituyentes se

encuentran ampliamente dispersos, utilizando en susistema estaciones remotas con comunicaciones en redesde área local o de area extendida.

Un sistema SCADA consiste de una o más estacionesmaestras que recopilan datos transmitidos por loscontroles 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. Otrasaplicaciones incluyen compañías de agua, tratamiento de

agua, transportación, y otros sistemas industriales querequieren adquisición de datos y control remoto.

En todos estos sistemas el SCADA es considerado como

un componente critico de la operación, así que, hay quetomar cuidado de asegurar la confiabilidad de lasestaciones remotas y maestras.



706#

INTERFASESUNIDAD TERMINAL MAESTRA

MODEM

MODEM

RADIO

MODEM MODEM

UNIDAD

TERMINAL

REMOTA No. 1

UNIDAD

TERMINAL

REMOTA No. 2MODEM

MODEM

RADIOADIO



707#

UNIDAD

TERMINAL

REMOTA No. 3

UNIDAD

TERMINAL

REMOTA No. 4



708#

SISTEMA DE CONTROL

DISTRIBUIDO



709#

SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO(SCD)

Es una red de procesadores digitales de información, consistema operativo distribuido y procesamiento en “tiemporeal”, operando bajo los preceptos de la teoría del controlautomático que reúne toda la funcionalidad requerida pararealizar 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 dehardware, generación de reportes y la capacidad de

comunicarse con otros sistemas digitales; presentando unaarquitectura que permite la integración del control de procesoscon la administración de la empresa.



710#

Consolacentral

de control

TRAYECTORIADE DATOS

Controlador basado en

micro

-procesador N


micro

-procesador 1


micro

-procesador 2

SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO(SCD)



711#

Unidad deProcesoN

Unidad deProceso2

Unidad deProceso1

SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDOCaracterísticas

- Integración de control lógico y continuo- Biblioteca de funciones de control continuo y discreto- Configuración de llenado de blancos- Historización de datos, eventos y alarmas

- Autodiagnóstico- Redundancia total- Autoentonamiento- Diferentes tipos de arquitecturas

- Niveles de seguridad y acceso a áreas- Arquitectura abierta- Comunicación TCP/IP- Diferentes niveles de integración



712#

g- Opción de control avanzado

- Costo alto

ELEMENTOS DE UN SISTEMA DECONTROL DISTRIBUIDO

• Interfase hombre-máquina – Teclado

– Pantalla

– Display gráfico

– Display de gráfica de la tendencia – Resumen de alarmas

• Memoria

• Red de comunicación

Como en cualquier sistema basado en computadoras, existe el

hardware y el software. Mucho del hardware del SCD es común atodas las computadoras. El software es el que se explota paradesarrollar algoritmos específicos para aplicaciones particulares. Suselementos básicos de hardware son:



713#

• Controladores basados en microcontrolador

• Tarjetas de E/S

SEÑALES HACIA LOS

ELEMENTOS FINALES

DE CONTROL

SEÑALES DEL PROCESO(DE SENSORES,

TRANSMISORES O

INTERRUPTORES)

SEÑALESDIGITALES

SEÑALESANALOGICAS


DESPLEGADOS GRAFICOSREPORTES

SUMARIOS

INDICES

TENDENCIAS

BALANCES, ETC.

CON ELPROCESO

DE SALIDAINTERFASES

CON ELPROCESO

DE ENTRADAINTERFASES

SEÑALESMULTIPLEXADAS

SEÑALESMULTIPLEXADAS

Y SEÑALESDIGITALES

SEÑALESANALOGICAS

Y

DISPOSITIVOS DEALMACENAMIENTO

MASIVO

INTERFASESCON EL

OPERADOR

INTERFASESMAQUINA-MAQUINA

A/DE OTROS

SISTEMAS

SISTEMA DEADQUISICION

DE DATOS

C-1 C-2 C-3 C-4

C-5 C-6 C-7 C-8

SISTEMA DECOMUNICACIONES

MODULOS DE CONTROL

(SU NUMERO DEPENDE DEL TIPODE SISTEMA DE CONTROL)



714#

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


DESPLEGADOS GRAFICOS

REPORTES

SUMARIOS

INDICES

TENDENCIAS

DISPOSITIVOS DEALMACENAMIENTO

MASIVO

INTERFASESCON EL

OPERADOR

INTERFASESMAQUINA-MAQUINA

A/DE OTROS

SISTEMAS

SISTEMA DEADQUISICION

DE D ATOS

Y SEÑALES DIGITALESSEÑALES ANALOGICAS

DE ENTRADA Y SALIDA


DE ENTRADA Y SALIDA


DE ENTRADA Y SALIDA


DE ENTRADA Y SALIDA


DE ENTRADA Y SALIDA


DE ENTRADA Y SALIDA

CANAL DECOMUNICACIONES

CANAL DECOMUNICACIONES CANAL DE

COMUNICACIONES




SISTEMA DEENLACE O

O DECOMUNICACIONES

MODULODE

CONTROL

Y ENLACECON EL

PROCESO


Y SALIDA

MODULODE

CONTROL

Y ENLACECON EL

PROCESO


Y SALIDA

MODULODE

CONTROL

Y ENLACECON EL

PROCESO


Y SALIDA

MODULODE

CONTROL

Y ENLACECON EL

PROCESO


Y SALIDA

MODULODE

CONTROL

Y ENLACECON EL

PROCESO


Y SALIDA

MODULODE

CONTROL

Y ENLACECON EL

PROCESO


Y SALIDA



715#

PROCESADA TENDENCIAS

BALANCES, ETC.

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

P I S T A

D E

D A T O S

R E D

U N I V

E R S A L D E

C O N T R O L

RED DE CONTROL LOCAL

PC

Workstation

PC

Laser printer

PC

Interfase hombre-MáquinaMódulo deAcceso a

computadora

Módulo deAplicación

Módulo deCálculo

Módulo deHistoria

Módulo deRegistro de

eventos

PC

Otros Módulode Control

Interfase deProcesador

Interfase debaja Velocidad

Interfase de redde alta

Velocidad

Controlador Básico

Controlador Extendido

Controlador deMultifunción

Controlador deprocesoscríticos

Interfase Serialpara PC

Interfase depropósitogeneral

Puerto de lapista de datos

Estación deoperador

C o n e x i o n e s d e l

p r o c e s o

Controlador Avanzado(HPM)

E/S

Remotas

Interfase conUnidades del

proceso C o n e x i o n e s d e l p r o c e s o

ARQUITECTURA LINEAL TIPO BUS DE UNSISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO



716#

críticos



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 UNSCD



721#

GRACIAS POR SU PARTICIPACIONGRACIAS POR SU PARTICIPACION



722#

curso-isa-instrumentacion basica de procesos industriales-editado

Documents