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Universidad San Luis Gonzaga de Ica

Trabajo de instrumentacin industrialIng Jorge Cayampi PerezAlumno: Edgar Inca RamosQuinto Ciclo E-1

.

1. Instrumentacin, Conceptos y Definiciones.

Generalizacin:

Una gran parte de la instrumentacin est relacionada con la medicin de las variables de

procesos. Esto puede ser para controlar, indicar propsitos de conteo. Un

entendimiento de los conceptos y trminos utilizados es necesario para la comprensin de

estos captulos.

1.1.- Introduccin.

Qu es la Instrumentacin?

Instrumentacin es el conjunto de ciencias y tecnologas mediante las cuales se miden

cantidades fsicas qumicas con el objeto de obtener informacin para su archivo,

evaluacin actuacin sobre los Sistemas de Control Automtico.

1.2.- Qu es la Medicin?

Comparar una cantidad con su respectiva unidad con el fin de averiguar cuantas veces la

segunda est contenida en la primera.

Entre las variables mas medidas en los Procesos tenemos: Presin, Nivel, Temperatura,

Flujo, Densidad, variables de anlisis qumico, etc

Sensor: Elemento primario que se encarga de captar la magnitud Fsica o Qumica

directamente del proceso.

Transductor: Un elemento o dispositivo el cual recibe informacin en una forma de

energa y la convierte en una informacin de la misma forma de energa o en otra forma

de energa.

Ejemplo: Termopar ( convierte temperatura en voltaje)

Cristal piezoelctrico (presin en voltaje)

Tubo Bourdn (presin en movimiento)

Transmisor: Un transductor el cual responde a una variable medida por un elemento

sensor y convierte esta a una seal de transmisin estndar la que es funcin solo de la

variable medida.

Estndares de transmisin: 4 20 mA. ------- Elctrico Ms Utilizado

1 5 Volts ------- Elctrico

3 15 psig ------ Neumtico

20 100 kPag -- Neumtico

0,2 1 kg/cm2 -- Neumtico Ms Utilizado

1.3.- Otros Conceptos

Rango: La regin entre los lmites dentro de los cuales una cantidad es medida, recibida

o transmitida, expresada por rango de valores inferiores y superiores.

Ejemplo: Un transmisor de temperatura es calibrado para un rango de 20C a 100C

Valores mximo y mnimo del rango: Los valores mas altos y ms bajos que son

ajustados para las medidas. Valor mnimo (LRV), Valor mximo (URV).

Estos son ajustados para cumplir los requerimientos de forma tal que el

instrumento sea ptimo con respecto a la exactitud, sensitividad y lectura.

Conceptos y Definiciones 2

Sensor: Elemento primario que se encarga de captar la magnitud Fsica o Qumica

directamente del proceso.

Transductor: Un elemento o dispositivo el cual recibe informacin en una forma de

energa y la convierte en una informacin de la misma forma de energa o en otra forma

de energa.

Ejemplo: Termopar ( convierte temperatura en voltaje)

Cristal piezoelctrico (presin en voltaje)

Tubo Bourdn (presin en movimiento)

Transmisor: Un transductor el cual responde a una variable medida por un elemento

sensor y convierte esta a una seal de transmisin estndar la que es funcin solo de la

variable medida.

Estndares de transmisin: 4 20 mA. ------- Elctrico Ms Utilizado

1 5 Volts ------- Elctrico

3 15 psig ------ Neumtico

20 100 kPag -- Neumtico

0,2 1 kg/cm2 -- Neumtico Ms Utilizado

1.3.- Otros Conceptos

Rango: La regin entre los lmites dentro de los cuales una cantidad es medida, recibida

o transmitida, expresada por rango de valores inferiores y superiores.

Ejemplo: Un transmisor de temperatura es calibrado para un rango de 20C a 100C

Valores mximo y mnimo del rango: Los valores mas altos y ms bajos que son

ajustados para las medidas. Valor mnimo (LRV), Valor mximo (URV).

Estos son ajustados para cumplir los requerimientos de forma tal que el

instrumento sea ptimo con respecto a la exactitud, sensitividad y lectura.Conceptos y Definiciones 3

Rango mximo y mnimo lmite: Las cantidades mas altas y ms bajas que pueden ser

ajustadas para medir.

Span: Diferencia algebraica entre los valores mximos y mnimos del rango.

Span = URV - LRV

Ejemplo: Para un rango de 0 1000 psig el Span es 1000 psig.

Para un rango de 20 0C a 120 0C el Span es 140 0C

1.4.- Tipos de error:

Error de Cero: El error es del mismo tamao a travs del rango.

Error de Span: Error el cual crece o decrece continuamente.

Error de angularidad: Error el cual crece en magnitud desde el LRV hasta el medio

de la escala y decrece del medio de la escala hasta el URV.

Error de banda muerta: El rango a travs del cul una seal de entrada puede variar,

en direccin inversa, sin inicial un cambio observable en la seal de salida.

Error de histresis: La propiedad de un elemento de medida para leer un valor como

el cambio de variable en una direccin y leer un diferente valor como cambia la

variable en direccin opuesta. Causado por una ausencia de elasticidad en el

elemento de medida.

Resolucin: El menor intervalo entre dos valores discretos adyacentes que pueden ser

distinguidos uno del otro. Cuando leemos una escala analgica la resolucin ser 1/5 de

la magnitud de los incrementos de la escala.

Ejemplo: Un manmetro indica presiones en incrementos de 2 Kpag la resolucin

es

2 * 1/5 = 0.4 Kpag.

1.5.- Tipos de Transductores

Sistemas de palanca y unin.

1.- Amplificacin.

- Las palancas pueden ser usadas para aumentar o disminuir la

fuerza de salida.

Primera clase: el punto de giro se encuentra entre fuerza de salida

(FO) y la fuerza de entrada (FI).

Conceptos y Definiciones

Balance de Momento FI DI = FO DO

Ventaja mecnica (Amplificacin) = DI

/ DO

- Las palancas pueden ser usadas para aumentar o disminuir el

recorrido de salida.

Segunda clase: la fuerza de salida (FO) est entre el punto de giro

y la fuerza de entrada(FI ).

2.- Cambio de direccin.

3.- Calibracin (cero, span, angularidad)

Sistemas de palanca y unin tpicos.

Nota:

- Palanca fsica es la que se ve.

- Palanca real es la lnea recta desde el eje de rotacional punto

donde est la unin.

Palanca efectiva est 90 a la unin.

Conceptos y Definiciones Convertidores de presin a fuerza

En instrumentacin (y en muchos otros lugares en la industria), existe un grupo de

dispositivos a los cuales se les aplica presin de aire o lquido, y el dispositivo (convertidor

presin a fuerza) desarrolla una fuerza la cual puede ser usada para realizar trabajo.

Casi todos los convertidores de Presin Fuerza trabajan bajo el principio

F = P x A

Hay cinco convertidores bsicos de presin a fuerza:

1. Tubos Bourdon

2. Diafragmas

3. Fuelles

4. Fuellediafragmas

5. Pistn

1. Tubos Bourdon

Tipos: Forma de C, espiral y helicoidales.

Rango: 0 a 5 psig 0 a 100,000 psig

Principio de Operacin:

La presin que acta dentro del tubo resulta en tratar de estirar el tubo.

La presin est en funcin de la longitud del tubo, espesor de las paredes,

geometra de la seccin transversal y el material (Mdulos de elasticidad)

Ventajas:

- robustez, simplicidad, bajo costo

- se pueden hacer de amplia variedad de materiales para diferentes aplicaciones

Desventajas:

- pequeos movimientos del tubo significan que es necesario el uso de

amplificacin (ej. Sistemas de palanca unin para producir gran movimiento de la

aguja)

- no muy sensibles a bajas presiones

- susceptibles al atascamiento (tubos pequeos)

- susceptibles a vibraciones ej. los usados en sistemas de palanca unin

Uso:

principalmente en indicadores de presin.

Tubos de Espiral y Helicoidal:

Tienen el mismo principio de operacin, pero debido al enrollado hay mayor recorrido del

extremo cerrado por unidad de cambio de presin (son mas sensibles)

Ventajas:

- mayor recorrido del extremo cerrado, por lo que los sistemas de palanca unin

pueden ser no necesarios

- mayor recorrido del extremo cerrado, por lo que dan mejor exactitud y

sensibilidad para aplicaciones de bajo rango

Desventajas:

- como los Bourdon

Use:

- Principalmente en registradores de presin, indicadores de presin

Tubos de Espiral y Helicoidal:

Tienen el mismo principio de operacin, pero debido al enrollado hay mayor recorrido del

extremo cerrado por unidad de cambio de presin (son mas sensibles)

Ventajas:

- mayor recorrido del extremo cerrado, por lo que los sistemas de palanca unin

pueden ser no necesarios

- mayor recorrido del extremo cerrado, por lo que dan mejor exactitud y

sensibilidad para aplicaciones de bajo rango

Desventajas:

- como los Bourdon

Use:

Principalmente en registradores de presin, indicadores de presin

PRESSURE

El Tubo de Bourdon espiral es similar al Bourdon C con varias vueltas concntricas, para

ganar en amplificacin del recorrido.

2. Diafragma

Limitaciones:

- bajas presiones

- Pequeos movimientos

- No lineales

Usos:

- actuadores de vlvulas

- elementos de entrada en indicadores y registradores

- sellos( diafragmas, qumicos, etc.)

La deflexin del diafragma depende de:

- dimetro

- espesor del metal

- forma de las corrugaciones

- nmero de corrugaciones

- mdulo de elasticidad E

3. Fuelles

Rango: 0 a 5" H2O 0 a 2000 psig

Principio de Operacin:

Un fino tubo de pared de metal con las paredes corrugadas se expande con la

presin.

- son relativamente pequeos

Limitaciones:

- bajas presiones

- no puede someterse a trabajos duros

Aplicaciones:

- elementos de entrada de indicadores y registradores

- elementos de retroalimentacin en transmisores y controladores

4. Fuellediafragma

Rango: 0 a 0.2" H2O 0 a 100 psig

Principio de Operacin: F = PA

La presin comprime el muelle resultando un movimiento proporcional del eje.

- movimiento sin friccin

- gran recorrido

- movimientos laterales del eje se permite

Ventajas:

- movimiento muy linear

Limitaciones:

- bajas presiones

- necesitan un muelleAplicaciones:

- elementos de entrada para indicadores y registradores

5. Pistn

Rango: 0 a 25 psig 0 a 400,000 psig

Principio de Operacin: F= PA

Ventajas:

- gran recorrido y velocidad de golpeo(limitado por longitud del cilindro)

- mayor potencia

Limitaciones:

- alta friccin

Aplicaciones:

actuadores de vlvula

Detectores de Movimiento.

Estos detectores de movimiento son necesarios en instrumentacin debido a que los

sensores en su funcionamiento en ocasiones los movimientos son muy pequeos y para

la transmisin de la seal se hace necesario amplificarla y llevarla a un estndar que los

dems componentes del sistema puedan operar con esta seal, ejemplo vlvulas,

controladores, etc, normalmente convierten Movimiento a Presin.

Hay dos tipos bsicos de Detectores de Movimiento mas una combinacin de estos.

1. Flapper/Tobera

2. Vlvulas Piloto

3. Combinacin de Baffle/Tobera y Pilotos(Relays)

- mas comunes detectores de movimiento

- comnmente llamados relays

1. El mecanismo de Baffle flapper/Tobera (Placa/Tobera)

Un dispositivo que convierte un pequeo desplazamiento a una presin proporcionalEjemplo: Transmisores de presin (Foxboro 13A), celdas sensores de pequea presin

como presiones de 3-15 psig.

Componentes:

1. Baffle

2. Tobera

3. Restriccin Siempre mas pequea que la tobera

4. El compartimiento de presin (salida)

- entre la tobera y la restriccin.

Principio de Operacin

- Con el Baffle alejado de la tobera

- el aire escapa por la tobera rpidamente entonces este se escapa todo por la

tobera, el resultado es que no hay presin en el compartimento de presin;

salida 0 psi.

- Con el Baffle pegado a la tobera

- muy poco aire de escape, as la presin crece en el compartimento de

presin dando una salida 20 psi (esto toma algn tiempo).

- Baffle en el recorrido

- algn aire sale por la tobera pero es reemplazado por la alimentacin,

resultando una presin entre 0 y 20 psi

Resumen sobre detectores de movimiento

Flapper/Tobera

Componentes: - Flapper

- Tobera

- Restriccin fija (menor que la tobera)

- Compartimento de presin (entre el Flapper y la Tobera)

- La solida

Caractersticas y Problemas:

- alta ganancia

- efecto rfaga

- accin lenta - aire pasa por la restriccin

- el aire sale o ventea por la tobera

- consumo de aire continuo

Vlvulas piloto

Componentes: - dos restricciones variables (alimentacin y escape)

- un mecanismo que vara las restricciones

- un compartimento de presin

Caractersticas y Problemas:

- mayor fuerza requerida para operarlas

Tipos: - con y sin escape

accin directa e inversa - simple/doble salida

Relay (Flapper/tobera con vlvula piloto)

Componentes: - piloto

- compartimento de presin de la tobera

- convertidor presin a fuerza

Caractersticas:

- reduciendo la restriccin y la tobera se reduce

- el efecto rfaga

- el consumo de aire

- el piloto maneja mayor flujo de aire y opera mas rpido

1.6.- Qu es el Control Automtico?

Accin, que sin la ayuda de la mano del Hombre, trata de mantener el valor de una

variable del proceso (PV) lo ms cercana posible a un valor prefijado o punto de ajuste

(SETPOINT).

Antes del Control Automtico

Control Manual del nivel de un Tanque

Proceso: Es un conjunto de equipos, reactores, tuberas, tanques, columnas, etc en los

cuales ocurren cambios qumicos o fsicos que conllevan a la preparacin del producto

(no incluye los instrumentos de medicin y control).

Ejemplos de procesos: Cambios en presin, temperatura, etc. Calentamiento y

ventilacin, destilacin, etc.

Variable medida: La condicin, propiedad o cantidad la cual es medida. A menudo

llamada variable de procesos.

Ejemplo de condicin: Flujo, temperatura, presin, nivel, velocidad, etc.

Ejemplo de propiedad: Viscosidad, dureza, pH, densidad, salinidad, etc.Ejemplo de cantidad: masa, longitud, nmeros.

Variable manipulada: La propiedad o condicin de un proceso que es ajustada para

mantener un valor constante de la variable controlada.

Ejemplo: El flujo de salida de un recipiente puede ser manipulada para mantener el nivel.

Variable controlada: La variable del proceso que est siendo controlada.

Ejemplo: La variable manipulada puede ser el flujo de vapor en un intercambiador de calor

pero la variable que est siendo controlada es la temperatura del fluido que est siendo

calentado.

1.7.- Clasificacin de los Instrumentos de medicin

En dependencia de la energa que manipulan y el principio de funcionamiento los

instrumentos pueden clasificarse en:

1. Instrumentos Neumticos.

2. Instrumentos Electrnicos.

Analgicos

Digitales. (Los que tenemos en nuestra empresa son los Buses de campo).

Neumtico: El ejemplo ms claro de estos instrumentos es la vlvula estndar o lineal.Elctricos: Son de 4 - 20 MA o tambin de 0 20 MA, pero se adopt como internacional

el primero, ya que la alimentacin de estos instrumentos van por el mismo cable que los

datos y el 0 representaba apagado para el equipo y esto traa confusin.

SMAR es la firma que comercializa instrumentos elctricos y son los que tenemos en

nuestra empresa.

LD 290 de 4 20 mA instrumentos analgico.

LD 301 que es un hbrido entre analgico y digital. (Tecnologa HART) que existe en los

centros colectores.

LD 302 Tecnologa digital, la comunicacin es a travs de 0 y 1 con una velocidad de

31,25 KHz, es decir que transmite 31250 datos en 1 segundo.

0000--- 0

0001--- 1

0010--- 2

0011--- 3Digitales: Dentro de los estos estudiaremos los Buses de Campo

Buses De campo

La mayora de los instrumentos presentan dispositivos que ayudan a la transmisin de la

informacin y a la conversin de un tipo de energa en otra para una mejor presentacin,

muchos de estos son componentes mecnicos y neumticos.

Para satisfacer los requerimientos tcnicos crecientemente complejos y las

exigencias econmicas, es cada vez ms necesaria la conexin entre

dispositivos y equipos (automatizacin, maniobra, etc.). Este intercambio deinformacin convierte a los aparatos individuales en sistemas conjuntos con

una mayor calidad en la conduccin del proceso y el diagnstico.

La irrupcin de los microprocesadores en los equipos de campo ha posibilitado

su integracin a redes de comunicacin con importantes ventajas, entre las

cuales figuran:

Mayor precisin derivada de la integracin digital de las mediciones.

Mayor y mejor disponibilidad de informacin de los dispositivos.

Diagnstico remoto de componentes.

Los buses de datos que permiten la integracin de equipos digitales de campo,

reciben la denominacin genrica de buses de campo.

Un bus de campo es un sistema de transmisin de informacin (datos) que

simplifica enormemente la instalacin y operacin de mquinas y

equipamientos industriales utilizados en procesos de produccin. El objetivo de

un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos

de campo y el equipo de control a travs del tradicional lazo de corriente de 4-

20mA. Tpicamente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas

sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs,

transductores, actuadores y sensores.

Varios grupos han intentado generar e imponer una norma que permita la

integracin de equipos de distintos proveedores. Sin embargo hasta la fecha

no existe un bus de campo universal.

Los buses de campo con mayor presencia en el rea de control y

automatizacin de procesos son:

HART

Fieldbus Foundation

HART

El protocolo HART (High way-Addressable-Remote-Transducer) fue

desarrollado inicialmente por Rosemount Inc. y agrupa la informacin digital

sobre la seal analgica tpica de 4 a 20 mA DC. La seal digital usa dos

frecuencias individuales de 1200 y 2200 Hz, que representan los dgitos 0 y 1 y

que forman una onda senoidal que se superpone al lazo de corriente de 4-20

mA.

Como la seal promedio de un onda seoidal es cero, no se aade ninguna

componente DC a la seal analgica de 4-20 mA.

El protocolo HART habilita la comunicacin digital bidireccional con

instrumentos inteligentes sin perturbar la seal analgica de 4-20 mA. HART

permite la transmisin tanto de la seal analgica de 4-20 mA y la seal decomunicacin digital simultneamente sobre la misma instalacin elctrica. La

informacin de la variable primaria de control es conducida por

la seal de 4-20 mA (si se desea), mientras las medidas adicionales,

parmetros de proceso, configuracin del dispositivo, calibracin, y la

informacin de diagnstico es al mismo tiempo accesible a travs del protocolo

HART sobre los mismos cables.

Caractersticas:

Permite soportar hasta 256 variables

Los transmisores pueden conectarse entre s a travs de un

bus y conectarse con 15 aparatos (PLC, PCs, etc.)

Entrega una alternativa econmica de comunicacin digital.

Implica un ahorro considerable en materiales elctricos en las

instalaciones.

FOUNDATION FIELDBUS

Foundation Fieldbus (FF) es un protocolo para redes industriales,

especficamente para aplicaciones de control distribuido. Puede comunicar

grandes volmenes de informacin, ideal para aplicaciones con varios lazos

complejos de control de procesos y automatizacin, orientado sobre todo a la

interconexin de dispositivos en industrias de proceso continuo.

Su desarrollo ha sido apoyado por importantes fabricantes de instrumentacin

(Fisher-Rosemount, Foxboro, etc.)

Actualmente estn definidas dos versiones:

H1 (31.25Kbps) interconecta equipos de campo, como sensores, actuadores y

I/O.

En el mercado ocupa un nicho similar al de Profibus PA: mientras que PA est

mucho ms extendido en Europa, H1 tiene su origen y su rea de mayor

distribucin en Amrica y Asia.HSE (100Mbps/1Gbps) provee integracin de controladores de alta velocidad

(como PLCs), redes H1, servidores de datos, y estaciones de trabajo.

Foundation Fieldbus se diferencia de cualquier otro protocolo de

comunicaciones, porque en vez de estar pensado simplemente como un medio

de transmisin de datos, est diseado para resolver aplicaciones de control de

procesos.

Caractersticas

Apropiado para su uso en zonas de seguridad intrnseca (IS)

Dispositivos de campo alimentados a travs del bus

Topologa en bus o en rbol

Permite comunicacin multi-master

Transmisin de datos distribuida

Modelo de bloques estandarizado para una interfaz uniforme a

los dispositivos

Opciones de extensin flexibles basadas en la descripcin de

los dispositivos