Instrumentación industrial 1

Instrumentación Instrumentación IndustrialIndustrial

DefiniciónDefinición

SistemaSistemaSistemaSistema

Planta + Proceso = Sistema

EjemplosEjemplos

• PlantaPlanta:– Horno– Auto– Reactor

Nuclear– Fábrica– ...

• ProcesoProceso:– Físico– Químico– Mecánico– Eléctrico– Biológico– Económico– ...

Sistema DinámicoSistema Dinámico

SistemaSistemaSistemaSistemaEntrada(s) Salida(s)

Perturbaciones •Internas•Externas

Control ManualControl Manual

Salida

de VaporEntrada

de Vapor

Agua

Caliente

Agua

Fria.

Temp.

Operador

SensorIndicador

•Control Bueno o Errático•Dificultad de toma de datos•Limitación de núm. de variables

Pero....

Control AutomáticoControl Automático

S.V. E.V.A.C.

A.F.

T

Operador

ControladorIndicadorSensor

• Velocidad• Número de variables• Almacenamiento

Ahora..

Proceso físico / Planta

Impresión sensorial

(sentidos)

Raciocinio

(cerebro)

Acción

(manos, voz)

Manual

Manual vs. AutomáticoManual vs. Automático

Información

(sensor)

Análisis y decisión

(Unidad de Control)

Acción de control

(Actuador)

Automático

Control RealimentadoControl Realimentado

ProcesoProceso

Perturbaciones

Sensor/Transductor

Sensor/Transductor

Acondicionador/Transmisor


Mando dePotencia

Mando dePotencia

ActuadorActuador

ControladorControladorControladorControladorInterfase

deEntrada

Interfasede

Salida

Control Lazo AbiertoControl Lazo Abierto

ProcesoProceso

Perturbaciones

Sensor/Transductor

Sensor/Transductor



Mando dePotencia

Mando dePotencia

ActuadorActuador

ControladorControladorControladorControladorInterfase

deEntrada

Interfasede

Salida

Sensores/TransductoresSensores/Transductores

ProcesoProceso

TemperaturaPresiónCaudalNivelpHCp

RadiaciónPeso...

Variable:

Sensor/Sensor/TransductorTransductor

Tipos de SeñalesTipos de Señales

• DISCRETADISCRETA– No lleva información

en su valor.– Representa dos

estados posibles:• Abierto/Cerrado• Si/No• O/1• Positivo/Negativo• Presente/Ausente• ...

– 0: 0-2.5 Voltios– 1: 3 - 5 Voltios

• ANALOGICAANALOGICA– Si lleva información

de la variable medida en su valor.

– Representa “infinitos” estados posibles:

• Temperaturas: 0-100 °C• Presión: 1 a 10 psi.• Peso: 50 a 150 Kg.• Apertura: 0-100%• ...

Señales DiscretaSeñales Discreta

t

Voltios

0-

5-Señal

Eléctrica

InformaciónInformación

0 1 0 1 0 1 0 0

0-

1-

Señales AnalógicasSeñales Analógicas

t

Voltios

0-

5-Señal

Eléctrica

InformaciónInformación

V: 0.0 2.6 4.0 2.2 4.1 5.8 3.5 3.0 2.2

°C: 0 52 80 44 81 116 70 60 44

1-2-

3-

4-

EjemploEjemplo

SeñalRespuesta

Apagado Apagado

Prendido

EjemploEjemplo

Motor

Temp.

Clasificación de SensoresClasificación de Sensores

• Activos:– No requieren de

alimentación externa (Ej. Termocupla)

• Pasivos:– Requieren de una

fuente de energía externa (Ej. Termoresistencia)

CaracterísticasCaracterísticas

• Características dinámicas– Velocidad de

respuesta (tiempo entre la medida y la señal de salida)

– Estabilidad (medio ambiente)

• Características estáticas– Rango de entrada– Resolución – Exactitud – Precisión– Linealidad– Sensibilidad– Ruido

Medición de TemperaturaMedición de Temperatura

TermocuplaTermocupla

I

Efecto Seebeck: f.e.m. ==> f ( T )Efecto Seebeck: f.e.m. ==> f ( T )

VV 10mV - 50 mV10mV - 50 mV

• Rangos:• -200 a 4000 °C

• Sensibilidad:• 10 a 50 µV/°C

• Baja Sensibilidad

Medición IndustrialMedición Industrial

INDICADOR CONVERTIDOR

mV Tol. +-

SISTEMADE MEDIDA

UNION DE REFERENCIATERMINAL

DE CABEZAL

Cables de compensacion

Metal A

Metal B

E (Tm-Tr)→

Tm Tr

4÷20 mA

Indication °C / °F

TTTaTa

MetalMetal a a

MetalMetal b b

CuCu

CuCu

V=V(T)-V(Ta)V=V(T)-V(Ta)

V= V(cu,a)(Ta) + V(a,b)(T) +V(b,cu)(Ta)V= V(cu,a)(Ta) + V(a,b)(T) +V(b,cu)(Ta)

V= [V(b,cu)(Ta) + V(cu,a)(Ta)] +V(a,b)(T)V= [V(b,cu)(Ta) + V(cu,a)(Ta)] +V(a,b)(T)

V= V(b,a)(Ta) +V(a,b)(T)V= V(b,a)(Ta) +V(a,b)(T)

V= V(a,b)(T) – V(a,b)(Ta)V= V(a,b)(T) – V(a,b)(Ta)

V(a,b)(T) = V + V(a,b)(Ta)V(a,b)(T) = V + V(a,b)(Ta)

Tipos de TermocuplaTipos de Termocupla• J : Fe-Constantan (Fe-C)• K : Cr-Aluml (Cr-Al)• T : Cu-Constantan (Cu-C)• Otros: W, Rh, Pt

• Exactitud : 1 - 3%• Respuesta : Lenta (seg.) Linealidad :

No muy buena

Thermocouple Type Names of Materials Useful Application Range

B Platinum30% Rhodium (+) Platinum 6% Rhodium (-)

2500 -3100F 1370-1700C

C W5Re Tungsten 5% Rhenium (+) W26Re Tungsten 26% Rhenium (-)

3000-4200F 1650-2315C

E Chromel (+) Constantan (-)

200-1650F 95-900C

J Iron (+) Constantan (-)

200-1400F 95-760C

K Chromel (+) Alumel (-)

200-2300F 95-1260C

N Nicrosil (+) Nisil (-)

1200-2300F 650-1260C

R Platinum 13% Rhodium (+) Platinum (-)

1600-2640F 870-1450C

S Platinum 10% Rhodium (+) Platinum (-)

1800-2640F 980-1450C

T Copper (+) Constantan (-)

-330-660F -200-350C

TUBO PROTECTOR

METALES

TERMINALES

AISLANTE

UNION DE MEDIDA

TermopozoTermopozo

Curvas de CalibraciónCurvas de Calibración

-500 0 500 1K 1.5K 2K

80

70

60

50

40

30

20

10

µV/°C

T (°C)

E

TJ

K

N

R

S B

• Rangos Rangos RecomendadoRecomendado::

• B: 1290 °F a 3310 °F• E: -285 1830• J: -300 2190• K: -285 2502• N: 32 2370• R: 255 3214• S: 300 3214• T: -275 750

• Rangos Rangos RecomendadoRecomendado::

• B: 1290 °F a 3310 °F• E: -285 1830• J: -300 2190• K: -285 2502• N: 32 2370• R: 255 3214• S: 300 3214• T: -275 750

Termoresistencia (RTD)Termoresistencia (RTD)

• Principio:– R = f(T)

• Materiales:– Pt (más usada)– W (T altas)– Otros: Ni, Cu

• Pediente: + (siempre)• Linealidad:

– Buena • Formas:

– Alambre enrollado– Film metálico

• Principio:– R = f(T)

• Materiales:– Pt (más usada)– W (T altas)– Otros: Ni, Cu

• Pediente: + (siempre)• Linealidad:

– Buena • Formas:

– Alambre enrollado– Film metálico

• Film:– Respuesta rápida– Bajo costo– Alta resistencia

• Alambre:– Masivo– Mas estable en el

tiempo• Autocalentamiento

– Bajo• Valores típicos

– 100, 200 ohms

• Film:– Respuesta rápida– Bajo costo– Alta resistencia

• Alambre:– Masivo– Mas estable en el

tiempo• Autocalentamiento

– Bajo• Valores típicos

– 100, 200 ohms

RTDRTD

AislanteCu Pt

0,0005” diam.

0.010” espesor

Ag

PIROMETROS INFRAROJOSPIROMETROS INFRAROJOS

• Todos los cuerpos emiten ondas electromagnéticas o radiación dependiendo de la temperatura a la que se encuentran

• La energía radiada y su longitud de onda están de acuerdo a la temperatura

• Por lo que se puede medir la temperatura del cuerpo sin contacto con él

• Basan su funcionamiento en la emisividad de los cuerpos

RADIACIÓN DE INFRARROJOS Todo cuerpo sobre el cero absoluto de temperatura (-273°C), irradia una energía con una longitud de onda que se encuentra en el infrarrojo (0,76 – 1.000 µ), del espectro electromagnético. El espectro visible es de 0,4 µ para la luz ultravioleta hasta alrededor de 0,75 µ, para la luz roja. Para los propósitos prácticos de medición de temperatura el espectro infrarrojo se extiende de 0,75 µ a 20 µ.

EMISIVIDAD DE LOS MATERIALESEMISIVIDAD DE LOS MATERIALES

Material Emisividad Material Emisividad

Aluminio* 0,03-0,30 Plomo* 0,50

Asbesto 0,95 Piedra caliza 0,98

Asfalto 0,95 Aceite 0,97

Basalto 0,70 Pintura 0,93

Latón* 0,50 Papel 0,95

Ladrillo 0,90 Plástico** 0,95

Carbono 0,85 Caucho 0,95

Cerámica 0,95 Arena 0,90

Concreto 0,95 Piel 0,98

Cobre** 0,95 Nieve 0,90

Polvo 0,94 Acero** 0,80

Alimento Congelado 0,96 Textiles 0,94

Hielo 0,98 Agua 0,95-0,99

Hierro* 0,70 Madera*** 0,94

* oxidado ** opaco ***natural

APLICACIONESAPLICACIONES

Detector de metal Detector de metal CalienteCaliente

Medición de PresiónMedición de Presión

Fuerza

Celdas de cargaCeldas de carga

R = ρ l/A

“Strain Gauges”–Tensión mecánica --> R = f(F)

CapacitivoCapacitivo

C = ε A/d

Capacidad ----- f(P)

PiezoeléctricoPiezoeléctrico

V = kP

Cristales ----- f(P)

Sensores de PresiónSensores de Presión

EjemplosEjemplos

Presión manométrica y absoluta

EjemplosEjemplos

Presión en proceso

Presión diferencial

EjemplosEjemplos

Medición de NivelMedición de Nivel

Sensores de NivelSensores de Nivel

• Directos• Mirilla• Flotador• Desplazamient

o• Sonda

• Indirectos– Presión

Hidrostática– Balanza– Eléctricos

• Conductivo• Capacitivo• Vibración• Ultrasonido• Micro- Ondas• Radiactivo

FlotadorFlotador

• Acoplamiento:– mecánico.– Magnético.

• Mantenimiento frecuente

DesplazamientoDesplazamiento

• Fuerza de empuje• Rango limitado• Interruptores/

salida continua.

SondaSonda

• Pluma baja y sube constantemente

• Sólidos y líquidos

Presión HidrostáticaPresión Hidrostática

• Necesidad de vaciar tanques para instalación y calibración.

• Supresión o elevación de cero.

• Diferencia de presiones en tanque cerrado.

• Columna de compensación húmeda.

h 3

h 4

h2

L H

100 %

0 %

Presión HidrostáticaPresión Hidrostática

h 3

h2

100 %

0 %

h 4

L H

h 3

h 1

h2

100 %

0 %

h 4

L H

MEDICION DE NIVEL

METODO HIDROSTÁTICO

BalanzaBalanza

• Celdas de Carga.• Distribución

uniforme en los apoyos

ConductivoConductivo

• Detección• Control

VibradoresVibradores

• Detección• Líquidos: frecuencia• Sólidos: amplitud

CapacitivoCapacitivo

• Constante dieléctrica

• Líquidos conductores y no conductores

UltrasonidoUltrasonido

• Tiempo de tránsito.• Velocidad del sonido = 343

m/s• Angulo de emisión.• No para temperaturas o

presiones altas.• Vapores, espuma excesiva,

turbulencia o polvo interfieren

RadarRadar• Frecuencia: GHz• Velocidad de la luz.• Inmune a:• presión• temperatura• vapores• turbulencia• agitación• Caro

RadiactivoRadiactivo

• Rayos gamma.• Fuera del depósito• Medios Peligrosos.• Atenuación depende

de depende de densidad del medio.

• Caro.

Presión diferencial

EjemplosEjemplos

flow measurement with orifice plate or pitot tube

Instrumentación industrial 1

Engineering

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