Download - Sistemas de Automatizacion
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ESTADO DEL ARTE DE LOS
SISTEMAS DE
AUTOMATIZACIN
Introduccin
Roberto Bacacorzo Cuba
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INTRODUCCIN
La Medicin y Control de Procesos (tambin llamada Instrumentacin Industrial o Automatizacin Industrial) es una rama de la Ingeniera que involucra varias especialidades: - Electrnica - Electricidad - Qumica - Metalurgia
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- Petroqumica
- Industrias Alimentarias
- Neumtica
- Hidrulica
- Mecnica
- Informtica
- Telecomunicaciones
- Otras
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En la Actualidad, la Electrnica y la Informtica estn presentes en casi todas las aplicaciones de Medicin y Control de Procesos.
Sin embargo, todava es grande el nmero de aplicaciones netamente mecnicas, dados los bajos costos de algunos sensores mecnicos de amplia aplicacin, como por ejemplo, los manmetros, los termmetros bimetlicos, etc.
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Mando: Involucra un nmero finito de estados (prendido apagado, abierto cerrado, giro derecho giro izquierdo, etc.)
Regulacin: Se tiene un nmero infinito de estados, comprendidos entre 2 posiciones extremas (abierto cerrado)
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MANDO
Botonera Simbologa
Arranque
Parada
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Selector Simbologa
Servicio Normal
2 POSICIONES 3 POSICIONES
Servicio Normal, Servicio
Pesado, y Hermtico
2 POSICIONES 3 POSICIONES
HAN
D
HAN
D
AUT
O
AUT
O
OFF
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REGULACIN
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MANDO: Automatizacin de Planta (Factory Automation)
REGULACIN: Automatizacin y Control de Procesos
(Process Automation)
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La medicin y control pueden ser:
- Manual
- Mecnico
- Neumtico
- Elctrico
- Electrnico Analgico
- Electrnico digital
AUTOMATIZACIN
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Lazo de Control
En la Medicin y Control existen 2 tipos de lazos de control:
- Abierto (el sistema no se controla slo)
- Cerrado (el sistema se autocontrola)
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An hoy, la mayora de aplicaciones industriales involucran a lazos de control abiertos, para efectos de slo medicin (por ejemplo: manmetros para medir presin).
Para hablar de automatizacin, debemos implementar lazos de control cerrados (que se controlen automticamente) Ejemplo: El control de la presin, incluyendo sensor, Controlador y VCA.
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DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN LAZO DE CONTROL
.
ELEMENTO
FINAL DE
CONTROL (EFC)
RTU
ALARMAS
REGISTRADOR
INDICADOR
CONTROLADOR
PROCESO
SENSOR O
ELEMENTO
PRIMARIO
TRANSMISOR O
ELEMENTO
SECUNDARIO
PC
(SCADA)
VARIABLE
MEDIDA
VARIABLE
MANIPULADA
SALIDA DE
CONTROL
VARIABLE
CONTROLADA
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+
DETECTOR DE
ERROR O
COMPARADOR
CABLE,
TELFONO
o RF
DISTURBIOS
SET POINT
O VALOR DE
REFERENCIA
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EJEMPLO DE DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN LAZO DE CONTROL ABIERTO
.
RTU
ALARMAS
REGISTRADOR
INDICADOR
PROCESO
SENSOR O
ELEMENTO
PRIMARIO
TRANSMISOR O
ELEMENTO
SECUNDARIO
PC
(SCADA)
VARIABLE
MEDIDA
CABLE,
TELFONO
o RF
DISTURBIOS
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SENSOR
Detecta o sensa los cambios en el valor de la variable de proceso.
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TRANSMISOR
Convierte una seal de una magnitud en otra seal estandarizada para llevar el valor de la seal medida a distancia.
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CONTROLADOR
Instrumento que compara la seal de entrada con una referencia y emite una salida de control. Es el cerebro del sistema de control
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ELEMENTO FINAL DE CONTROL
Dispositivo que recibe una seal del controlador y efecta una accin que acta directamente sobre el proceso, modificndolo.
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SCADA Supervisin a distancia
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DEFINICIONES DE INSTRUMENTACIN
La terminologa en instrumentacin y control se ha estandarizado, de acuerdo a las recomendaciones de la sama (scientific apparatus makers association) y ansi/isa-51.1-1979 (r193)
Rango o campo de medida (range)
conjunto de valores de la variable medida comprendidos dentro de los lmites superior e inferior (valores mximo y mnimo) de la capacidad de medida o transmisin de un instrumento. Se expresa indicando los 2 valores extremos. Ej: 20 - 100 GPM, - 35 a 120 C, 0 a 3 m
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VALOR MNIMO (ZERO)
Es el valor mnimo de medicin de un instrumento.
Ej: 20 GPM, - 35 C, 0 m.
ALCANCE (SPAN)
Es la diferencia aritmtica entre los valores superior e inferior de medida del instrumento.
Ej: 60 GPM, 155 C, 3 m
RANGEABILIDAD (TURNDOWN o RANGEABILITY)
Es el cociente entre el valor mximo entre el valor mnimo de un instrumento. Sirve para determinar si el instrumento va a poder ser usado para amplias variaciones de la variable medida. Ej: 80/20 = 4
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EXACTITUD
Es la cualidad de un instrumento de medida por la cual este tiende a dar lecturas prximas al valor verdadero (valor terico) de la magnitud medida.
PRECISIN (ACCURACY)
Es la tolerancia de medida o de transmisin del instrumento (intervalo en el cual es aceptable que se site el valor medido). Define los lmites de los errores obtenidos cuando el instrumento trabaja bajo condiciones normales durante un perodo de tiempo determinado. La precisin se expresa de las siguientes maneras:
% del Alcance: Por ejemplo, para un valor medido de 300 psi, una precisin de 1% y span de 500, el valor real estar comprendido entre 295 y 305 psi.
Directamente, en unidades de la variable medida. Ejemplo: precisin de 2 scfm
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% del valor medido: 0.5% de 800 C = 4 C
% del valor mximo (% de URL)
% de la longitud de la escala
REPETIBILIDAD (REPETIBILITY)
Es la capacidad de reproducir la seal de salida o indicacin del instrumento al medir repetidamente valores idnticos de la variable en las mismas condiciones de operacin y en el mismo sentido de variacin, recorriendo todo el campo.
Se considera su valor mximo (repetibilidad mxima) y se expresa en % del Alcance. La repetibilidad no incluye la histresis.
La repetibilidad est dada por
(Xi - X)2
N
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HISTRESIS (HYSTERESIS)
Es la diferencia mxima observada en los valores indicados por el instrumento para el mismo valor, cuando la variable recorre toda la escala en los 2 sentidos (ascendente y descendente).
Se expresa en % del alcance.
Por ejemplo, indicador de 0 a 100, para el valor de 40, el indicador marca 39.9 al subir desde 0 y 40.1 al bajar desde 100. La histresis es:
40.1 39.9
x 100 = 0.2 %
100 - 0
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Incidentes ocurridos en
sistemas
Especificaciones
44%
Cambios despus del arranque 20%
Diseo e Implementacin
15%
Operacin y Mantenimiento
15%
Instalacin y Arranque 6%
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ERROR
Es la diferencia algebraica entre el valor medido (ledo o transmitido) y el valor real (terico) de la variable medida.
Si el proceso est en rgimen estable, existe el error esttico.
En condiciones de continuo cambio (dinmicas) el error vara considerablemente debido a que los instrumentos tienen caractersticas comunes a los sistemas fsicos: absorben energa del proceso y esta transferencia requiere de cierto tiempo para ser transmitida. Esto origina retardos en la lectura del aparato. Bajo condiciones cambiantes, se produce el error dinmico, que es la diferencia entre el valor instantneo de la variable y el indicado por el instrumento). El valor de este error depende del tipo de fluido del proceso, de su velocidad, de las caractersticas del elemento primario, de los materiales de proteccin, etc.
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El error medio del instrumento es la media aritmtica de los errores en cada punto de medicin determinados para todos los valores crecientes y decrecientes de la variable medida.
Cuando en una medicin intervienen varios instrumentos (unos a continuacin de otros), el valor final de la medicin estar constituido por los errores inherentes a cada uno de los instrumentos.
Si el lmite del error relativo de cada instrumento es a, b, c, d, etc., el mximo error posible en la medicin ser la suma de los valores anteriores:
Mximo error posible = (a + b + c + d + .......)
Como es improbable que todos los instrumentos tengan al mismo tiempo su error mximo en todas las circunstancias de la medida, se toma como error total de una medicin a la expresin:
a2 + b2 + c2 + d2 + ........
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Ejemplo: Medicin de presin con un sello de diafragma, un transmisor electrnico de 4 20 mA, un elemento receptor y un integrador electrnicos, tenemos los siguientes errores:
Error del diafragma (del sello) : 2%
Error del transmisor electrnico 4 20 mA : 0,1%
Error del receptor electrnico : 0,2%
Error del integrador electrnico : 0,5%
Error total de la medicin = 22 + 0,12 + 0,22 + 0,52 = 2,07%
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BANDA MUERTA (DEAD BAND)
Es la franja de valores de la variable que no hace variar la indicacin o la seal de salida del instrumento (no produce respuesta). Est dada en % del alcance.
Ejemplo: 0.1% de 500 gpm (span) = 0.5 gpm
SENSIBILIDAD (SENSITIVITY)
Es la razn entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona despus de haber alcanzado el estado de reposo.
Ejemplo: Transmisor Neumtico de presin diferencial (DP), de 0 280 WC, la DP pasa de 140 a 150 WC y la seal de salida de 8.9 a 9.35 psig, la sensibilidad es:
(9.35 8.9) /(15 3)
= 1 psi / WC
(150 140)/280
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ESTNDARES
(NORMATIVIDAD)
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Los instrumentos de control deben ser fabricados, probados e instalados de acuerdo a estndares internacionalmente aceptados.
Algunos de ellos son:
- Cdigo Nacional de Electricidad (Utilizacin).
- Cdigo Elctrico de EUA (NFPA 70 / NEC).
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Qu son los estndares?
Contrariamente a lo que se cree, no son recetas que dicen cmo hacer los trabajos.
Antiguamente, la tendencia era indicar paso a paso cada procedimiento.
Actualmente, son recomendaciones para ciertos temas especficos.
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En estas recomendaciones se incluyen criterios que han sido usados en aplicaciones reales y que han dado buenos resultados.
Tambin los estndares desarrollan frmulas para poder realizar clculos necesarios para trabajos o pruebas especficas.
En algunos casos, s indican especficamente los pasos a seguir para la realizacin de pruebas.
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Por qu usar estndares y otros criterios?
Porque los estndares han sido redactados por comisiones formadas por profesionales con mucha experiencia en los temas abordados.
Recogen experiencias de profesionales de varias las disciplinas relacionas con cada tema.
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Adoptan cambios en base a
recomendaciones de profesionales
externos (etapa de consultas y
revisiones).
Asimilan experiencias valiosas obtenidas
como resultado de investigacin de
accidentes, fallas y otros problemas.
Aumentan la seguridad.
Promueven la intercambiabilidad de
instrumentos y sistemas (sistemas
abiertos).
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Los instrumentos de control deben ser fabricados, probados e instalados de acuerdo a estndares internacionalmente aceptados.
Algunos de ellos son:
- Cdigo Nacional de Electricidad Utilizacin (1 de Julio de 2006)
- Cdigo Elctrico de EUA (NFPA 70 / NEC 2002)
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Instituciones Normativas
Indecopi (Per)
Ministerio de Energa y Minas (Per)
Ministerio de Trabajo y Promocin del Empleo
ISA (The International Society of Automation)
IEC (Comisin Electrotcnica Internacional)
EN (Normas Europeas)
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IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers)
ANSI (American Naional Standards Institute)
API (The American Petroleum Institute)
ASME (American Society of Mechanical Engineers)
ASTM (American Society for Testing and Materials).
ISO (International Standarization Organization)
OIML (International Organization of Legal Metrology)
Otras (NACE, AGA, CSA, etc.)
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El Cdigo Nacional de
Electricidad Utilizacin
(2006)
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Fue aprobado mediante RM N 037-
2006-MEM/DM (17 de Enero de 2006)
Entr en vigencia el 1 de Julio de 2006.
Reemplaza a
Cdigo Nacional de Electricidad Tomo V
(Utilizacin) del 2 de Junio de 1982, y
Cdigo Nacional de Electricidad Tomo I
(Prescripciones Generales) Captulo 3:
Requisitos mnimos de seguridad contra
accidentes elctricos, de 19 Mayo de
1978
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Es un complemento del Cdigo
Nacional de Electricidad Suministro,
que entr en vigencia el 1 de Julio de
2002.
La RM que aprueba el nuevo Cdigo
Nacional de Electricidad Utilizacin
establece que deber ser revisado en
un perodo no mayor de 4 aos.
Fue prepublicado en la web del MEM y
recibi el aporte y sugerencias de
diversos profesionales.
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Objetivos del Cdigo
El Cdigo Nacional de Electricidad - Utilizacin, tiene como objetivo establecer las reglas preventivas para salvaguardar las condiciones de seguridad de las personas, de la vida animal y vegetal, y de la propiedad, frente a los peligros derivados del uso de la electricidad; as como la preservacin del ambiente y la proteccin del Patrimonio Cultural de la Nacin.
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El Cdigo tambin contempla las
medidas de prevencin contra
choques elctricos e incendios, as
como las medidas apropiadas para
la instalacin, operacin y
mantenimiento de instalaciones
elctricas.
El Cdigo no est destinado a ser
un compendio de proyectos, ni un
manual de instrucciones.
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Cumpliendo con las reglas del
Cdigo, utilizando materiales y
equipos elctricos aprobados o
certificados y efectuando la
instalacin, operacin y
mantenimiento apropiados, con
personal calificado y autorizado, se
lograr una instalacin
esencialmente segura.
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En toda nueva instalacin debe
preverse, tanto el crecimiento de la
demanda como la posibilidad de
efectuar cambios futuros en las
instalaciones en condiciones seguras
de trabajo.
Generalidades (resumen)
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El personal a cargo de la ejecucin de las instalaciones elctricas, debe ser calificado y acreditado. El responsable de la supervisin, fiscalizacin, construccin, operacin o mantenimiento, debe verificar la calidad de la mano de obra.
Los materiales y productos utilizados en las instalaciones elctricas, deben cumplir con las Normas Tcnicas Peruanas, salvo que stas no los contemple, en cuyo caso deben cumplir con las normas internacionales de la Comisin Electrotcnica Internacional (IEC) u otras que sean reconocidas y respondan a exigencias internacionales.
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Est estructurado en:
- Secciones (44 en total)
- Reglas (010-100), subreglas (nmeros) y
acpites
- Tablas
- Diagramas
- Anexos (incluye notas para las reglas y
reglas para instalaciones especiales)
Estructura del CNE Utilizacin
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1. El Cdigo es de cumplimiento obligatorio
por toda persona natural o jurdica,
nacional o extranjera, que realiza trabajos
o actividades en general, que estn
relacionadas con las instalaciones
elctricas de sistemas de utilizacin,
definitivas, de emergencia, as como las de
carcter temporal.
Alcances y obligatoriedades de
uso
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2. El Cdigo es de cumplimiento obligatorio en todos los proyectos y ejecucin de nuevas instalaciones elctricas, modificaciones, renovaciones y ampliaciones, que se efecten a partir de su entrada en vigencia.
.
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3. El Cdigo es de cumplimiento obligatorio en la industria en general, sin distinguir el nivel de potencia de las instalaciones elctricas; complementndose con las Normas emitidas por el Ministerio de Energa y Minas, con las Normas Tcnicas Peruanas y con las Normas emitidas por otras Autoridades competentes en asuntos complementarios a este tema.
.
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4. El Cdigo comprende las
instalaciones y equipos elctricos
en edificios, estructuras, predios y
en general toda edificacin
destinada a vivienda, comercio,
industria, recreacin o servicios,
que operan o puedan operar en el
rango de baja tensin hasta 1 000
V, y en alta tensin desde ms de
1 000 V hasta 36 000 V.
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5. Para casos de instalaciones elctricas en edificios, estructuras y predios de la naturaleza de los indicados en el Subprrafo anterior, con tensiones superiores a 36 000 V, el Cdigo debe ser complementado con el Cdigo Nacional de Electricidad - Suministro (CNE-Suministro).
6. Dentro de los alcances del Cdigo estn incluidas las estructuras prefabricadas, desmontables o no, y las instalaciones para suministro en tierra a embarcaciones acuticas autopropulsadas.
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7. Las reglas del Cdigo se
complementan con las Normas de la
Direccin General de Electricidad del
Ministerio de Energa y Minas (Normas
DGE), con las Normas Tcnicas
Peruanas y con las emitidas por otras
Autoridades competentes en asuntos
complementarios a este tema, y cuyo
cumplimiento sea necesario para
lograr lo indicado en la Regla 010-000.
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8. Se excluyen del Cdigo:
(a) Aeronaves.
(b) Ferrocarriles elctricos.
(c) Embarcaciones acuticas.
(d) Vehculos en general.
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9. Las instalaciones existentes, incluyendo reemplazos por mantenimiento, que cumplen con los Cdigos previos, no necesitan ser modificadas, excepto cuando sea exigido por la Autoridad competente, por razones de seguridad, con el adecuado sustento tcnico, y bajo responsabilidad del obligado.
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10. La Direccin General de Electricidad
del Ministerio de Energa y Minas
podr autorizar de manera expresa,
previa y con carcter particular, el
uso experimental de formas de
construccin o mtodos de instalacin
no previstos en el Cdigo. El
autorizado presentar informes a la
Direccin General de Electricidad en
las condiciones que se sealen en la
autorizacin, con el fin evaluar su
desarrollo y resultados.
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11. Con respecto a aspectos no incluidos en el Cdigo, el diseo, la construccin, operacin y el mantenimiento de las instalaciones elctricas deben ser efectuados de conformidad con mtodos aprobados y reconocidos, apropiados a las condiciones locales. Estos aspectos deben ser informados con la debida anticipacin a los responsables de la aprobacin, supervisin, construccin o mantenimiento de las instalaciones y de los equipos.
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Autoridad: El Ministerio de Energa y
Minas, a travs de la Direccin
General de
Electricidad, es la autoridad
normativa con competencia
nacional en
todo lo concerniente al Cdigo.
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Instalaciones en Lugares Clase I, Divisin 2
J110-150 Equipos para Instrumentacin de Procesos, Comunicaciones y Control Remoto, Clase I, Divisin 2
Los equipos para instrumentacin de procesos, control remoto, y de comunicaciones deben estar aprobados para el lugar, con excepcin de los transformadores, solenoides, y otros alambrados que no incorporan contactos deslizantes o de accionamiento por resorte o dispositivos de calentamiento por resistencia.
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Instalaciones en reas
Peligrosas
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Refineras de Petrleo, Plantas de gases,
Operaciones de Hidrocarburos
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Qu es un rea peligrosa?
Se define como rea peligrosa a todo lugar en cuya atmsfera hay o puede haber presencia
de elementos combustibles
(gases, vapores, lquidos o slidos)
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Condiciones para Ignicin
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CLASES Y GRUPOS
CLASE I: Grupos A, B, C y D
CLASE II: Grupos E, F, y G
CLASE III
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CLASE I Son aquellos lugares en donde pueden estar
presentes gases explosivos o vapores producidos por lquidos, que mezclados con
el aire pueden arder o explotar
Grupo A: Acetileno
Grupo B: Acrolena (inhibido) Butadieno (1)
xido de etileno, Hidrgeno, Gases manufac-turados con ms de 30% de hidrogeno (por volumen), Oxido de propileno
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Grupo C: Acetaldehido, Alcohol alilo,
n-butiraldehido, Monxido de carbono, Aldehido, Ciclopropano, ter dietlico, Dietilamina, Epiclorihidina, Etileno, Etilenimina, Hidrgeno sulfhdrico, Morfolina, 2-Nitropropano, tetrahidrofurano
hidracina dimetilica asimtrica (hidracina 1-dimetlica)
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Grupo D: cido actico (glacial), Acetona,
Nitrilo acrlico, Amoniaco, Benceno, Butano,
Acetato, Etano, Etanol (alcohol etlico), Acetato etlico, Acrilato etlico, Gasolina, Heptanos, Hexanos, Metano (gas natural), Metanol (alcohol metlico), Octanos, Pentanos, Propano, Estireno, tolueno, Acetato de vinilo, Cloruro de vinilo, Xilenos, etc.
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CLASE II
Son aquellos lugares en donde hay presencia de polvo combustible
Grupo E: Atmsferas con polvos metlicos, incluyendo aluminio, magnesio y sus aleaciones comerciales, y otros metales cuyas partculas presentan caractersticas igualmente peligrosas.
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Grupo F: Atmsferas con polvos de negro humo, polvos de carbn o que contengan ms del 8% del total de material voltil, o atmsferas que contiene estos polvos sensibilizados por otros materiales de manera que presenten un peligro de explosin (otros polvos de carbn: coque, coal, carbn negro, etc.)
Grupo G: Atmsferas con harina, almidn, polvos de cereales, granos, madera, plsticos y qumicos.
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CLASE III
Son los lugares en los cuales se manipulan, fabrican o emplean fibras fcilmente inflamables o materiales que produzcan pelusas fcilmente inflamables.
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Las fibras y pelusas fcilmente inflamables comprendern el rayn, algodn (incluyendo las fibras de residuo y el desecho del algodn), camo, sisal, ixtie, yute, estopa, fibra de cacao, balas de algodn de desecho, miraguano, musgo negro de Florida, virutas de relleno y otros materiales de naturaleza similar.
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ZONAS
Zona 0: Es aquel lugar en donde bajo condiciones normales de operacin, siempre hay presencia de atmsferas explosivas o inflamables.
Zona 1: Lugar en donde bajo condiciones normales de operacin, ocasionalmente hay presencia de atmsferas explosivas o inflamables.
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Zona 2: Es aquel lugar en donde bajo condiciones normales de operacin, no hay atmsferas explosivas o inflamables. Estas atmsferas pueden presentarse por fugas, expansin de las atmsferas de los lugares adyacentes clasificados como Divisin 1 o por fallas en la ventilacin forzada.
Divisin 1 = Zona 0 y Zona 1
Divisin 2 = Zona 2
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Ejemplos
Se presentan algunos ejemplos de
clasificacin de reas peligrosas (Clase I,
Divisiones 1 y 2), de acuerdo al estndar
NFPA 497: Recommended Practice for
the Classification of Flammable Liquids,
Gases, or Vapors and of Hazard
(Classified) Locations for Electrical
Installations in Chemical Process Areas.
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Clase I: Divisiones
Divisin 1: Es aquel lugar en
donde bajo condiciones normales de operacin, hay presencia de atmsferas explosivas o inflamables, o
pueden existir con frecuencia concentra-ciones de atmsferas explosivas o inflamables por operaciones de mantenimiento o reparacin o por fugas, o
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Debido a fallas en el equipo o el proceso, se presentan atmsferas explosivas o inflamables, convirtiendo a los instrumentos y equipos con alimentacin elctrica en una fuente de ignicin.
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Divisin 2: Es aquel lugar en donde bajo condiciones normales de operacin, no hay atmsferas explosivas o inflamables, ya que los lquidos, vapores o gases estn normalmente confinados dentro de contenedores o sistemas cerrados . Estas atmsferas pueden presentarse por ruptura accidental de los contenedores, en caso de funcionamiento anormal del equipamiento, expansin de las atmsferas de los lugares adyacentes clasificados como Divisin 1 o por fallas en la ventilacin forzada.
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Clase I: Temperaturas
Cada grupo de gases o vapores tiene una temperatura de ignicin, la cual est especificada en la siguiente tabla. Esta temperatura nunca debe ser alcanzada en proceso o almacenamiento.
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MXIMA TEMPERATURA IDENTIFICACIN
C (EUA)
450 T1 300 T2
280 T2A
260 T2B
230 T2C
215 T2D
200 T3
180 T3A
165 T3B
160 T3C
135 T4
120 T4A
100 T5
85 T6
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Certificaciones Area Peligrosa
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Aprobacin
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El Cdigo Nacional de Electricidad - Utilizacin y NFPA 70 especifican las clases de reas de riesgo y los cuidados a tener en cuenta para las instalaciones elctricas y electrnicas en esas reas.
ISA, NFPA e IEC tienen abundante normatividad para especificar las protecciones necesarias en esas reas.
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IEC: 60079-XX: formas de proteccin de instrumentos y circuitos en reas clasificadas.
NFPA: 70 y estndares asociados (58: GLP, 497: Recomendacin de clasificacin de reas Clase 1; 499: Recomendacin de clasificacin de reas Clase 2, etc.)
ISA: Hay varios estndares, como el ISA-12.02.01-1999 (IEC 60079-11 Mod): Seguridad Intrnseca.
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TCNICAS
DE PROTECCIN
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El Cdigo Nacional de Electricidad - Utilizacin y NFPA 70 especifican las clases de reas de riesgo y los cuidados a tener en cuenta para las instalaciones elctricas y electrnicas en esas reas.
ISA, NFPA e IEC tienen abundante normatividad para especificar las protecciones necesarias en esas reas.
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IEC: 60079-XX: formas de proteccin de instrumentos y circuitos en reas clasificadas.
NFPA: 70 y estndares asociados (58: GLP, 497: Recomendacin de clasificacin de reas Clase 1; 499: Recomendacin de clasificacin de reas Clase 2, etc.)
ISA: Hay varios estndares, como el ISA-12.02.01-1999 (IEC 60079-11 Mod): Seguridad Intrnseca.
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Flameproof d (Zona 1): tipo de proteccin de equipos elctricos, en la cual la caja ser capaz de contener una explosin interna debido a que una mezcla explosiva que ha ingresado al interior de la caja ha entrado en contacto con una fuente de ignicin interna. La explosin no se propagar.
Purged and Pressurized (Zona 1 o Zona 2): El peligro de ignicin se puede reducir o eliminar por una adecuada ventilacin positiva presurizadade una fuente de aire limpio, contando con el sistema con un mecanismo de purga (automtico o manual peridico).
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Intrinsic Safety (Zona 0 o Zona 1): Designado como ia para Zona 0 e ib para Zona 1, el circuito o sistema con seguridad intrnseca no permite la formacin de arcos que puedan producir una ignicin. La instalacin debe estar acompaada de barrera Zener o Galvnica.
Protection n (Zona 2): Subdividida en nA, nC y nR, se aplica a equipos elctricos que bajo condiciones normales de operacin, no son capaces de producir ignicin. Esta tcnica se usa cuando se est seguro que una falla en el sistema no producir ignicin.
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Oil Inmersion o (Zona 1): Los equipos elctricos (o parte de ellos) estn sumergidos en un lquido protector, impidiendo que cualquier atmsfera explosiva entre en contacto con los equipos.
Increased Safety e (Zona 1): Tipo de proteccin aplicada a equipos elctricos que no producen arcos o chispas bajo condiciones normales o anormales de operacin y en donde se toman medidas adicionales para incrementar la seguridad de la instalacin para garantizar que no se sobrepase la temperatura de ignicin o la formacin de arcos o chispas.
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Encapsulation m (Zona 1): las partes que pueden producir una ignicin estn encapsuladas, de manera que ninguna atmsfera explosiva pueda ingresar y estar en contacto con las partes que pueden producir ignicin.
Powder Filling q (Zona 1): Las partes capaces de producir ignicin estn completamente recubiertas de un material (cuarzo o vidrio) que impide el contacto con la atmsfera explosiva.
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Panel Anti-Deflagrante
Ideal para usar en zonas peligrosas
Es de aluminio o hierro forjado
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Seguridad Intrnseca
Limita la energa que llega al instrumento de campo (sensor / transmisor u otro). Puede requerir puesta a tierra (Barrera Zener o repetidor con puesta a tierra). Los repetidores flotantes (sin puesta a tierra) son los ms caros, pero ms seguros (llamados aisladores galvnicos).
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Applications
Flamgard Plus
Flamgard Plus
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FLAMEPROOF o
EXPLOSION PROOF
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Tcnica de proteccin muy usada en Estados Unidos y en el Per.
Uso intensivo de hardware adecuado: tuberas conduit (IMC o pesada), cajas de paso, sellos, conduit flexible, etc.
La carcaza y toda la instalacin debe poder contener una explosin que se produzca ante la presencia de gas, vapor o polvo explosivo en su interior y un fuente de ignicin.
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Para que la carcaza pueda contener la explosin tiene que tener un espesor mnimo.
Toda la instalacin tiene que ser a prueba de explosin.
Es cara por el uso de material de aluminio u otros metales.
Sin embargo, es muy popular entre la gente de montaje y otros.
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Cajas de paso Explosion proof
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INTRINSICALLY SAFE
(IS)
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Circuito con
energa limitada !
No tiene energa
suficiente para
causar una
explosin !
Mnima Corrente de Ignicin
Inflamabilidad
Ex-i
IIA, IIB, IIC
L R
C V
R L Circuito
Intrnsecamente
Seguro
-
Circuito
Intrnsicamente
Seguro
Seguridad Intrnseca: Se refiere a un
Circuito Intrnsicamente Seguro y no
solamente a un dispositivo de campo !
L, C, R, U, I
Ex-i
-
Circuito Intrnsicamente Seguro: 3
Componentes
Dispositivo
Intrnsicamente
Seguro o
Dispositivo
Simple
Dispositivo
Elctrico
Asociado
Cable de
Conexin
1
2
3 Convierte una seal no
intrnsicamente seguro
a una seal
intrnsicamente seguro
Un circuito
intrnsicamente seguro
puede operar en una
atmsfera explosiva
Dispositivo simple:
U < 1,5V
I < 0.1 A
o P < 25mW
Debern ser conocidos
los valores C, L e R
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Puentes Resistivos
Termocupla
LEDs
RTDs
Dispositivos Simples
-
Dispositivo Elctrico Asociado
Debe haber por lo menos
un circuito IS destinado a
rea clasificada
En el dispositivo asociado todos sus circuitos
son IS
EX-i EX-n
No
Ex
-
Dispositivo Elctrico Asociado:
Pueden ser simplemente aisladores de seal o
convertidores de seal
2 tipos: a) dispositivo con otro tipo de proteccin contra
explosin (EN 50 014) b) dispositivo no suficientemente protegido y
no debe ser utilizado em atmsfera explosiva
a b
-
-
+
-
Resistor Fusible
Diodo
Zener Corriente
Lado
Intrnsicamente
Seguro
Lado No
Intrnsicamente
Seguro
Dispositivo Elctrico Asociado:
Circuito Bsico
Resistor para limitar la corrente de corto-circuito
Diodo Zener para limitar la tensin del circuito sin carga
Fusible para proteger al diodo zener contra sobrecarga
-
Dispositivo Intrnsicamente Seguro:
Control de Nivel, Vaco, Presin, Temperatura
Sensores Inductivos, Fotoelctricos, Ultra-Snicos
HMI, Remotas, Dispositivos Profibus PA, FF
-
Categoras de equipamientos I.S.
conforme a probabilidades de falha de
seus componentes
ia: 1 o 2 fallas sin haber ignicin
Aplicable a Zonas 0, 1 y 2
ib: 1 falla sin haber ignicin
Aplicable a Zonas 1 y 2
-
Verificacin de
un circuito I.S.
-
VERIFICACIN
2 TIPOS BSICOS DE CIRCUITO:
Circuito con un nico dispositivo
asociado (Zonas 0, 1 y 2)
Circuito com ms de un dispositivo
asociado (Zonas 1 y 2)
-
Mxima tensin de circuito abierto (Uo)
Mxima corriente de corto-circuito (Io)
Mxima potencia con carga (Po)
Indutancia y capacitancia mxima de carga (Lo,Co) a ser conectada
Mxima tensin (Ui)
Mxima corriente (Ii)
Mxima potencia (Pi)
Indutancia y capacitancia vistas desde los terminales de entrada (Li,Ci)
VERIFICACIN PARMETROS
DE IDENTIDAD
-
VERIFICACIN Circuito con un nico dispositivo
asociado
-
+ EEx-i
PARMETROS DE IDENTIDAD
Lc + Cc
Parmetros Elctricos
Dispositivo Cables Dispositivo
Asociado Intrnsicamente Seguro
Uo < Ui Io < Ii
Po < Pi
Lo > Lc + Li
Co > Cc + Ci
-
VERIFICACIN Circuito con un nico dispositivo
asociado
Ui = 29,7V
Ii = 103mA
Pi = 700mW
Ci+Cc = 0,09F
Li+Lc = 3,6mH
Uo= 25,2V
Io=93mA
Po= 587mW
Co=0,14F
Lo=4,18mH
-
VERIFICACIN Circuito con ms de un dispositivo
asociado (Aplicado en Zonas 1 y 2)
Dispositivo asociado con caractersticas
lineales de tensin y corriente:
EN 60079-14 Anexo A
U Uo
Ik I
Dispositivo asociado con caractersticas
NO lineares de tensin y corriente:
EN 60079-14 parte 12.2.5.2
U Uo UD
Io Ik I
Vamos a ver
PTB-report ThEx-10
-
VERIFICACIN Circuito con ms de un dispositivo
asociado lineal (Aplicado en Zonas 1 y 2)
-
+ EEx-i
-
+
Io1
Uo1
Io2
Uo2
Valores a ser considerados:
Uo = Mayor valor Uo individual
Io = Suma de las Io individuales
Conexin Paralela
-
Tipos de
Dispositivos
Asociados
-
Tipos de dispositivo asociado
BARRERAS ZENER
BARRERAS DE
AISLAMIENTO GALVNICO
-
BARRERAS DE
AISLAMIENTO GALVNICO
Contactos secos y sensores
Transmisores
Posicionadores
Transmisores Smart
Convertidores I/P
Termocuplas y RTDs
Strain gauges
Potencimetros
LEDs
Vlvulas Solenoides
Alarmas
Aisladores para:
-
Mayor MTBF debido a la complejidad electrnica
Mayor costo aparente comparado con la Barrera Zener
Por ser repetidores de seal, adicionan error al valor medido
BARRERAS DE
AISLAMIENTO GALVNICO
-
No necesitan conexin a tierra -> Reducin de
costos de implementacin y mantenimeinto
Permiten una conversin de seales: mV -> 420mA
420mA -> 010V Freq. -> 420mA
Otros
Permite la digitalizacin de las seales de campo y su conexin en redes de
comunicacin industrial tales como Modbus, Profibus, ControNet, Foundation Fieldbus, etc.
BARRERAS DE
AISLAMIENTO GALVNICO
-
Especificacin 1) Verifique cual tipo de Aislador o Conversor es el necesario. Ej.:
Entrada o Salida Digital ? Entrada o Salida Analgica ? Seal HART ? Conversor de Temperatura a Corriente ? Conversor de Frecuencia a Corriente ?
2) Verique la tensin disponble para la alimentacin de la barrera (en caso ella misma sea activa).
3) Confirme los parmetros de identidad de la barrera y del dispositivo intrnsicamente seguro de acuerdo con la classificacin de rea.
4) Analice la probabilidad de falla (ia / ib) de los dispositivos. Si el dispositivo intrnsicamente seguro sea EEx ia, la barrera debe ser del mismo tipo.
BARRERAS DE
AISLAMIENTO GALVNICO
-
SE
GU
RA
N
A I
NT
RN
SE
CA
Especificacin
-
TCNICAS DE CABLEADO E
INSTALACIN
Evitar la transferencia de niveles peligrosos de energa en un rea clasificada
El cableado I.S. debe estar separado del no I.S. por lo menos 50mm
El cableado I.S. y el no I.S. no debem estar dentro de la misma bandeja, canaleta o conduit, a no ser que:
Estn separados por una distancia>= 50 mm en bandeja aterrada
El cable I.S. tenga malla aterrada
Estn separados por pared metlica aterrada
Cableado I.S. debe estar separado del no-I.S. por barreras fsicas
-
La integridad del Circuito I.S. deber ser mantenida
evitando interferencias de campos magnticos, a travs de cables con malla o matenindolos a una distancia
adecuada
Los conductores I.S. Y los no I.S. no debern ser
utilizados con el mismo cable
El circuito I.S. deber estar protegido contra la intrusin
de energa de otras fuentes elctricas (EMC)
Utilizar solamente cable aislado (aislamiento > 500 V.a.c.)
TCNICAS DE CABLEADO E
INSTALACIN
-
Cables mltiples que contengan ms de un circuito I.S.:
- Mnima seccin de 0,2 mm
- 500 V aplicados entre todos los shields y todos los hilos del conductor
mltiple (aislamiento)
- 1000 V aplicados entre una mitad y la otra mitad de los hilos del conductor
mltiple (aislamiento)
TCNICAS DE CABLEADO E
INSTALACIN
-
Distancia de 50mm de separacin
debe ser respetada !
-
EJEMPLOS DE INSTALACIN SEGURIDAD INTRNSECA
Canaleta
Ex-i
Aisladores
Galvnicos Canaleta No
Ex
-
PURGA Y
PRESURIZACIN
-
OBJETIVO -> EX-p
No permitir el
ingreso de
atmsfera explosiva
-
Mantener
presin positiva
Una baja presin atmosfrica externa (explosiva) no puede ingresar
Presin +
Presin -
-
Funcin de un Sistema de
Presurizacin
Retirar la atmsfera explosiva de
dentro del tablero y no permitir
que penetre nuevamente
-
rea clasificada dentro y fuera del
tablero
Un tablero no puede estar
energizado !
Inicio
PURGA / PRESURIZACIN
-
La atmsfera explosiva interna
(dentro) al tablero deber ser
purgada por lo menos 4 veces
del volumen del tablero
La presin deber ser mantenida
en al menos 0,1 WC (Clase I) y
0,5 WC (Clase II)
Purga
PURGA / PRESURIZACIN
-
El tablero puede ser energizado
La presin interna se mantiene por la presurizacin
En caso la presin caiga debajo de 0,1 WC (Clase I) o 0,5 WC
(Clase II), el tablero deber ser
desenergizado
Final
PURGA / PRESURIZACIN
-
Tipo Z Reduce la clasificacin del tablero
de Divisin 2 a rea no clasificada (segura)
Tipo Y Reduce la clasificacin del tablero
de Divisin 1 a Divisin 2
Tipo X Reduce la clasificacin del tablero
de Divisin 1 a rea no clasificada (segura)
TIPOS DE SISTEMAS
PRESURIZADOS
DE ACUERDO CON NFPA 496
-
TIPOS DE SISTEMAS
PRESURIZADOS
(NFPA 496)
Tablero
rea no
clasificada Divisin
2
Tipo Z
-
TIPOS DE SISTEMAS
PRESURIZADOS
(NFPA 496)
Tablero
Divisin 2 Divisin
1
Tipo Y
-
TIPOS DE SISTEMAS
PRESURIZADOS
(NFPA 496)
Tablero
rea no
clasificada
Divisin
1
Tipo X
-
Tipo X Tipo Z e Y
TIPOS DE SISTEMAS
PRESURIZADOS
-
CALIBRACIONES
-
Qu es calibracin?
Calibrar es la accin de verificar la precisin de un instrumento, realizando pruebas en varios niveles de cada escala y de cada parmetro o variable de medicin, tomando como referencia los valores proporcionados por un instrumento patrn.
-
Por ejemplo, un multmetro tiene
varias escalas. Una de ellas, es de
valores entre 0 y 1000 VDC.
Entonces, se verifica la precisin del
instrumento (para esa escala)
haciendo pruebas en los siguientes
valores: 0, 200, 400, 600, 800 y
1000 VDC.
De las misma forma, procederemos
con el resto de escalas en VDC y en
el resto de parmetros.
-
Las calibraciones se realizan directamente o por comparacin.
En el primer caso, un instrumento patrn genera una seal (indicada en un display local) y este valor se compara con el valor indicado en el instrumento de prueba.
En el segundo caso, se toma una fuente comn (no necesariamente patrn), la cual genera una seal que va tanto al instrumento patrn como al instrumento de prueba, comparndose los valores indicados.
-
Verificacin directa
GENERADOR
PATRN
MEDIDOR DE
PRUEBA
-
Comparacin
MEDIDOR PATRN
MEDIDOR
DE PRUEBA GENERADOR
-
Qu es Instrumento Patrn?
Instrumento Patrn es un equipo que
(entre otras) tiene las siguientes
caractersticas:
Gran precisin
Estabilidad ante cambios de
temperatura y alimentacin
Certificado de calibracin vigente
-
Por qu es importante
calibrar?
Nos permite verificar qu tan
precisas son las mediciones
realizadas con un instrumento.
Determinamos la magnitud del
error en cada nivel de la escala y la
forma de la desviacin (lineal,
angular, alineal) en toda la escala.
-
Un instrumento calibrado nos da la
confianza que las mediciones
efectuadas son correctas, teniendo
en cuenta el margen de error del
instrumento.
Un instrumento calibrado nos evita
problemas en proceso y en
seguridad personal y de planta.
-
Horno de calibracin
-
Calibracin de flujmetros
-
Detectores de Gases
-
Consideraciones Finales
Tener en cuenta cableado y otros
medios de comunicacin
EMC
Salidas: relays, SSR, SCR, analgicas
(voltaje o corriente), etc.
Comunicacin: Protocolos
Software
-
CONCLUSIONES
Al realizar un trabajo de ingeniera
y/o instalacin de instrumentos,
equipos o sistemas de medicin y
control, es recomendable tener en
cuenta lo especificado en:
-
Normas y estndares
Procedimientos
Recomendaciones del fabricante
Recomendaciones de entidades y
Asociaciones que realizan estudios
sobre temas especficos.
Recomendaciones de empresas que
realizan ensayos independientes.
-
Las buenas prcticas en Ingeniera
de Medicin y Control, usando
estndares, normas y criterios
aceptados, harn que:
- Las instalaciones sean ms seguras
- Se ahorre dinero y tiempo
- Puedan documentarse fcilmente
los trabajos realizados