INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS I
Conceptos Básicos
� Rango (R): Es el conjunto de valores que un instrumento puede medir dentro del espectro de la variable (dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida, de recepción o de transmisión del instrumento.
Ejemplo:
R=(10 →→→→ 250) psi
http://www.slideshare.net/javiergarciar/4-presin
� SPAN, Alcance o Tendido (Sp): Es la amplitud o magnitud del rango del instrumento, o es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento.Sp = |250 – 10|psi = 240 psi
� Rangoabilidad (Rg): Es la relación (cociente) entre la máxima y mínima medida que se puede dar en el instrumentoRg = 25/1 ó Rg = 25:1
Conceptos Básicos
� Valor mínimo de la variable de proceso (LRV): Valor mínimo de la variable de medida que un dispositivo está ajustado para medir. (10 psi)
� Valor máximo de la variable de proceso (URV): Valor máximo de la variable de medida que un dispositivo está ajustado para medir. (250 psi)
Conceptos Básicos
Conceptos Básicos
� Supresión de cero (Transmisores): Es la cantidad con que el valor cero de la variable de proceso (LRV) supera positivamente el valor inferior del rango del instrumento.
L H
LRV
URV
Patm
Patm
Viene dado comúnmente en porcentaje
del SPAN
R|calibrado = (0 – 200)’’ H2O
Conceptos Básicos
� Elevación de cero (Transmisores): Es la cantidad con que el valor cero de la variable de proceso (LRV) supera negativamente el valor inferior del rango del instrumento
L H
LRV
URV
Patm
Patm
Viene dado comúnmente en porcentaje
del SPAN
100’’H2O
R|calibrado = (150 – 200)’’ H2O
� Ejemplo:Se sabe que en un proceso donde se controla presión, se tiene un rango de la variable de proceso de R(140 → 260)”H2O. Determine si algunos de los siguientes transmisores de presión se puede usar, si a la salida del mismo deben haber 4ma cuando la presión esté dada por LRV.
PT1: R(0 → 554)”H2O, eleva 10% y suprime 50%PT2: R(0 → 300)”H2O, eleva 30% y suprime 20%
Conceptos Básicos
Conceptos Básicos- Debe cumplirse que Sp(PT)>Sp(VP)
- Cuando PT1 o PT2 reciban 140”H2O, su salida serámayor a 4ma, por lo que se debe suprimir el cero del instrumento en 140”H2O.PT1: Sp(PT1) =|554 – 0|”H2O = 554”H2OSp(PT1)>Sp(VP) = 120”H2O OKPT1 suprime 50% es decir Suprime= = 227”H2O
Como máx capacidad supresión > supresión deseada
FUNCIONA PT1
100
50*554
PT2: Sp(PT2) =|300 – 0|”H2O = 300”H2OSp(PT2)>Sp(VP) = 120”H2O OKPT2 suprime 20% es decir Suprime= = 60”H2O
Como máx capacidad supresión < supresión deseada
NO FUNCIONA PT2
Se escoge el transmisor PT1Se escoge el transmisor PT1
Conceptos Básicos
100
20*300
Conceptos Básicos
� SPAN AJUSTABLE (SDJ): Es otra forma de suministrar información sobre la capacidad de manejo de la variable asignada al transmisor.
Ejemplo: Un transmisor de presión con SDJ (25 → 150)”H2O, ¿Puede usarse para medir una presión de (0 → 100)”H2O?
Significado de SDJ:
SDJ|min = 25”H2O ⇒ Rmin (0 → 25)”H2OSDJ|máx = 150”H2O ⇒ Rmin (0 → 150)”H2O
Si puede usarse el transmisor
Es por definición, la diferencia existente entre el valor dado por el instrumento (valor leído, VL) y el valor que se considera como verdadero (Vv) dado por un instrumento patrón.
Error de medición
Causas de estas
diferencias
Calidad del Diseño del instrumento
Condiciones del ambiente
Desgaste de partes del instrumento
Instalación inapropiada
Falta de calibración
Error de medición
� Características estáticas del instrumento: Son aquellas consideradas cuando el instrumento es usado para medir señales NO cíclicas.- Errores estáticos- Desvíos: Cero o multiplicación- Zona muerta- Histéresis- Respecto escala del instrumento: Apreciación,
error de escala, precisión
Error de medición
� Error estático (ee): Diferencia entre el valor leído y el valor verdadero
Patrón
Manómetro
Maleta de calibración
ee = VL - Vv En porcentaje %100*Vv
Vv - V ee L=
Error de medición
� Clase o exactitud instrumental: Definición dada por la ISA para identificar la calidad instrumental, donde se considera el máximo error estático cometido por el instrumento a lo largo de su rango.
� Desvío: Diferencia de la respuesta instrumental a una misma entrada, tomada en un intervalo de tiempo (1 mes, 1 año, etc).
%100*Sp
eemáx±Clase o exactitud =
� Zona Muerta: Es el campo en el cual el instrumento no responde frente a los cambios producidos en la variable.(Viene dada en porcentaje del alcance o Span.
� Histéresis: Es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento para el mismo valor del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos (ascendente y descendente). Se expresa en % del Span
Error de medición
Error de medición
� Apreciación: Mínimo variación que puede ser leído por un instrumento.
� Error de escala:
� Precisión (accuracy): Capacidad de un instrumento por la que tiende a dar lecturas muy próximas unas de otras.
divisiones#lecminlecmáx
Ap−±=
2
Apes ±=
Error de medición
�Precisión: Hay varias formas de expresarlo� Porcentaje del Span o alcance� En las unidades de medida� Porcentaje de la lectura efectuada� Porcentaje del valor máximo del campo de medida� Porcentaje de la longitud de la escala
Los instrumentos de medida estarán diseñados por los fabricantes para que sean precisos, y como periódicamente se descalibran, deben reajustarse para
que sean exactos
INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS I
Nociones generales de fluido y otras sustancias
� Líquido (incompresibles): Se caracteriza por tener un volumen constante si la temperatura y la presión son constantes, tienen una superficie libre que los limita cuando están contenidos en un recipiente, y en general se les considera incompresibles.
Densidad = 1 Densidad > 1 Densidad < 1
Nociones generales de fluido y otras sustancias
� Gases:Se caracterizan por ocupar todo el volumen del recipiente que los contiene, no posee superficie libre limitante, son compresibles.
GAS IDEAL
Gas Real:ExistenVariaciones de masa en cada sector del recipiente
� Líquidos ideales: Adopta instantáneamente la forma del recipiente que lo contiene.Agua destilada a 4ºC y 1 atm de presión.
� Gas ideal:Aquel que adopta la geometría del recipiente que lo contiene con una distribución de masa homogénea. Aire a 0ºC y 1 atm de presión.
Nociones generales de fluido y otras sustancias
� Densidad(ρρρρ): Es la relación existente entre la masa (m) de una sustancia y el volumen que ocupa (Vol).
NOTA: 1kg m = 2,2046 lb mMasa: Cantidad de materia de un cuerpo (escalar)
[g m] ó [kg m] ó [lb m]Peso: fuerza que ejerce la gravedad sobre la masa de un cuerpo.
(vectorial)[dina] ó [Nw] ó [poundal]
Nociones generales de fluido y otras sustancias
=ρ333 pie
mlbó
m
mkgó
cm
mgvolumen
masa
cgs mks inglés
� Peso específico (γγγγ): Es la relación entre el peso (w) y la unidad de volúmen de un cuerpo (Vol)
Siendo:w = m.g
m = ρ.Vol
Nociones generales de fluido y otras sustancias
Volw=γ
γ = ρ.g
=γ333 pie
poundaló
m
Nwó
cm
dina
� Densidad relativa (G, adimensional):Es la relación entre la densidad propia de la sustancia y lo considerado como patrón según su estado.
líquidosOH
sust
2
Gρρ=
Nociones generales de fluido y otras sustancias
gasesaire
sustGρρ=
3cm
mgOH
m
mkg10001 32
==ρ33 m
mkg
cm
mg3aire 293,110x293,1 ==ρ −
� Gravedad específica (Gs, adimensional):Es la relación entre el peso específico de la sustancia considerada y el peso específico de la sustancia de referencia.
líquidosOH
susts
2
Gγγ=
Nociones generales de fluido y otras sustancias
gasesaire
sustsG
γγ=
3cm
fgOH
m
fkg10001 32
==γ 3m
fkgaire 293,1=γ
3cmdina8
OHm
Nw98101081,9 32
=⋅=γ3m
Nwaire 684,12=γ
2s
mmkg81,9fkg1
⋅=
� Viscosidad (µµµµ): Es la propiedad de un fluido de oponerse a las deformaciones tangenciales o fricción existente entre las capas adyacentes del fluido.
dydvabsoluta
τ=µ
Nociones generales de fluido y otras sustancias
VmáxV1
V2
dy
τ = Esfuerzo cortante
Nota: Si la fricción es despreciable se dice que el fluido es ideal
⋅
⋅
⋅222 ft
spoundaló
m
sNwó
cm
sdinaUnidades de µµµµabs
Viscosidad cinemática (µµµµc): Es la relación entre la viscosidad absoluta y la densidad.
ρµ=µ abs
c
Nociones generales de fluido y otras sustancias
=2cm
s.Dina1poise1
⋅=µ2absoluta cm
sdina
⋅=2s
cmmg1Dina1
Usualmente se trabaja en centipoise, cp = Poise/100
s
cmó
s
m 22
1 stroke
Usualmente se trabaja en centistoke, cs = stoke/100
Nociones generales de fluido y otras sustancias
Fluido Newtoniano
τ
dv/dy
τ
dv/dy
Fluido No Newtoniano
Ecuación de continuidad
� Líneas de Flujo: Son las trayectorias seguidas por una partícula de volumen (dv) en un fluido móvil
� Flujo de fluido estacionario:� Fluido ideal (viscosidad tiende a cero)� Un fluido se mueve de forma estacionaria, si dos partículas colocadas
en diferentes líneas de flujo están dotadas de igual velocidad
v1
v2
v3
v4
v1= v2= v3= v4
Estacionario si:
Ecuación de continuidad
� Ley de conservación de la masa:La masa no puede ser creada ni destruida sólo se puede transformar.
� Deducción de ecuación de continuidad:
v1
v2
v2A1
L1
L2
Estado 1:Vol1=A1.L1 = A1.v1.∆t
Estado 2:Vol2=A2.L2 = A2.v2.∆t
Por conservación de la masa:ρ1.A1.v1.∆t = ρ2.A2.v2.∆t
A2
Ecuación de continuidad
Deducción de ecuación de continuidad:
v1
v2
v2A1
L1
L2A1.v1 = A2.v2
Si A1>A2 ⇒⇒⇒⇒ v1 < v2
Siendo las densidades constantesρ = ρ1 = ρ2
Q1= Q2Caudal o Flujo volumétrico
A temperatura constante
A2
Ecuación de continuidad
La ecuación de continuidad es valida para fluidos reales
A1
L1
L2
1v
2v
Implicaciones de la ecuación de continuidad:Siendo A1 = πDi
2 / 4 y A2 = πD22 / 4
2
2
1
1
2
D
D
v
v
=
Ecuación de continuidad
Si hay cambio de temperatura:
tm
Qg ⋅ρ=
tm
Qg =ρ⋅
Flujo másico
Nº de Reynolds
�El número de Reynolds (NR), es un número adimensional que relaciona las propiedades físicas del fluido, su velocidad y la geometría del ducto por el que fluye y esta dado por:
absR
vDiN
µ⋅ρ⋅=
cR
vDiN
µ⋅=ó
OSBORNE REYNOLDS (1883)
NR < 2100 Flujo Laminar2100 < NR < 4000 Flujo de transición
NR > 4000 Flujo Turbulento
�Régimen de flujo:
Laminar:
Turbulento:
Vmáx
Nº de Reynolds
Comportamiento del fluido a distintas velocidades
Ecuación de Bernoulli
Establece que la energía total de un fluido ideal (viscosidad cero) es igual a una constante
v 1
v 2
A 1
L 1
L 2
Z1
Z2
Al pasar del estado 1 al 2, se produce un trabajo neto
F 1
F 2
1112222Edo1EdoN LApLApT −=−
11222Edo1EdoN LFLFT −=−
Ecuación de Bernoulli
EpEc)pp(VolT 122Edo1EdoN ∆+∆=−=−
2vm2
1Ec ⋅= )zz(gmEp 21 −⋅⋅=
Siendo Vol1 = Vol2 (líquido)
Sustituyendo ec. 2 y ec. 3 en ec. 1, siendo Vol = m/ρ y dividiendo entre g,
(1)
(2) (3)
zzzg2
vv
g
pp12
22
2121 ∆=−=−+
ρ−
Altura ganada por cambio de presión
Altura ganada por cambio de velocidad
Altura total alcanzada
Ecuación de Bernoulli
Ejemplo: Dado el siguiente tanque, determine la presión de fondo (P2 = Pf)
Patm
h = cteLíquido de densidad ρ
Pf = ?
zzzg2
vv
g
pp12
22
2121 ∆=−=−+
ρ−
P1 = PatmP2 = PfZ1 = hZ2 = 0v1 = v2 = 0
hg
pp fatm −=+ρ
− pf = patm + ρgh
pfg = ρgh = γh
Ecuación de Bernoulli
Presión manométrica
INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS I
Clasificación de los instrumentos de medición
Según forma de medición
Según energía que utilizan
Manuales (balanza)
Automática (manómetro, tester)
Auto – operados (no necesita fuente externa)
Energizados (requiere fuente externa)
Clases de instrumentos
Función
Ciegos
Elementos primarios
Indicadores
Registradores
Transmisores
Convertidores
Controladores
Elementos finales de control
Variable medida
Presión
Señal
TemperaturaNivelCaudal
Analógicos
Digitales
Otros
DensidadHumedadViscosidadPosiciónpH
Son aquellos que no tienen indicación visible de la variable
Presión(Variable del
proceso)
Instrumentos ciegos
Cambio en el estado de un
contacto eléctrico
Presostato - Presostato- Termostato- Transmisores sin
indicación
Instrumentos indicadores
Los instrumentos indicadores disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el
valor instantáneo de la variable.
Presión(Variable del
proceso)
Lectura del estado de la variable del
proceso)
Concéntrico
Excéntrico
Digital
Los instrumentos indicadores registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado según sea la forma del gráfico.
Temperatura(Variable del
proceso)
Lectura y registro del estado de la
variable del proceso)
Instrumentos registradores
Instrumentos registradores
Tarjetas de adquisición de datos
Tendencias de Rango y TiempoBase de datos histórica
Software
Instrumentos registradores
http://controlloopfoundation.com/distillation-column-process.aspx
Están en contacto con la variable y utilizan o
absorben energía del medio controlado para dar al
sistema de medición una indicación en respuesta a la
variación de la variable controlada.
Caudal (Variable del
proceso)
Cambio de presión
diferencial
Tobera
Elementos primarios de medida
Placa orificio
Elementos primarios de medida
Termopar
Transductores
Se designa así a los sensores que reciben una señal de entrada, función de una o más cantidades físicas y la convierten, modificada o no, a una señal de salida.
Elemento primarioRelé Transmisor Otros
Elementos transmisores
Captan la variable del proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática, electrónica o
digital (Fieldbus, modbus, entre otros).
Presión Diferencial(Variable del proceso)
Señal transmitida(Electrónica)
Elementos transmisores
Operación de transmisores
Exactitud
Exactitud
Exactitud
Elementos transmisores
Instrumentos controladores
Comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con
la desviación.
Valor deseado Acción
correctiva
Variable controlada
Instrumentos convertidores
Convierten el tipo de una señal de entrada normalizada en otro tipo de señal normalizada
Señal de entrada eléctrica (Tensión
o corriente)
Señal de salida (Neumática)
Convertidor electroneumático
(Convertidor I/P – E/P)
Elementos finales de control
Recibe la señal del controlador y modifica el agente de control, es decir, el estado de la variable manipulada.
Cuerpo
Actuador
Señal proveniente del sistema de
control
Variable manipulada
(Caudal)
Elementos finales de control
TiristoresModutrol
Variable controlada (Caudal)
Transmisor
PLANTA
SALA DE CONTROL Fuente Controlador
Elemento final de control
Entrada
Salida
Variable manipulada
(Caudal)
Ejemplo de un sistema de control
Elemento primario (Placa con orificio)
Convertidor
Según variable medida
Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas, siendo independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de proceso.
En la designación del instrumento se utilizan dos clasificaciones: por función
y por variable medida
INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS I
Normas ISA
Establecen un medio uniforme para designación losinstrumentos y los sistemas de la instrumentación
usados para la medición yControl, incluyendo símbolos y códigos de
identificación
ANSI / ISA-S5.1-1984 R(1992)
ANSI: American National EstándarISA: Instrument Society of America
Normas ISA
� ANSI/ISA-S5.1-1984 (R1992), Identificación y símbolos de instrumentación.
� ANSI/ISA-S5.2-1976 (R1992), Diagramas lógicos binarios para operaciones de proceso.
� ISA-S5.3-1983, Símbolos gráficos para control distribuido, instrumentación de desplegados compartidos, sistemas lógicos y computarizados.
� ANSI/ISA-S5.4-1991, Diagramas de lazo de instrumentación.
� ANSI/ISA S5.5-1985, Símbolos gráficos para desplegados de proceso.
Reglas para la identificación de instrumentos
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.
TICTIC103103Identificación
funcional Número del instrumento
Reglas para la identificación de instrumentos
c) Cada instrumento puede representarse en un diagrama por un símbolo que puede acompañarse con una identificación.
d) La identificación funcional del instrumento consiste de letras de acuerdo a la tabla, en donde la primer letra designa la variable controlada y una o mas letras subsecuentes identifican la función del instrumento.
TICTIC
VARIABLE MEDIDA(Temperatura)
FUNCIÓN(Indicador Controlador)
Identificación de
instrumentos
Combinaciones típicas de letras
e) La identificación funcional del instrumento se realiza de acuerdo a la función y no a la construcción (por ejemplo, untransmisor 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, no excediendo de 4 letras.
g) Un instrumento multifuncional puede ser simbolizado por más de un instrumento.
Reglas para la identificación de instrumentos
1. Cualquier letra primera se utiliza con las letras de modificación D (diferencial), F (relación) o Q (interpretación) o cualquier combinación de las mismas cambia su significado para representar una nueva variable medida. Por ejemplo, los instrumentos TDI y TI miden dos variables distintas, la temperatura diferencial y la temperatura, respectivamente.
2.La letra A para análisis, abarca todos los análisis no indicados en la tabla anterior que no están cubiertos por una letra libre. Es conveniente definir el tipo de análisis al lado del símbolo en el diagrama de proceso.
Notas para la identificación de instrumentos
Notas para la identificación de instrumentos
3.El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinación de primera letra, es opcional.
4.El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o intermedio y exploración, es opcional.
5.El termino seguridad, debe aplicarse solo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o el personal). La designación PSV se aplica a todas las válvulas proyectadas para proteger contra condiciones de emergencia de presión sin tener en cuenta las características de la válvula y la forma de trabajo la colocan en la categoría de válvula de seguridad, válvula de alivio o válvula de seguridad de alivio.
Notas para la identificación de instrumentos
6.Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirán en el exterior del símbolo del instrumento cuando sea conveniente hacerlo así.
7.Los términos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a valores de la variable medida, no a los de la señal a menos que se indique de otro modo. Por ejemplo, una alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor de nivel de acción inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor bajo.
Notas para la identificación de instrumentos
8.Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre apertura, se definen como sigue:
Alto: indica que la válvula esta, o se aproxima a la posición de apertura completa.
Bajo: Denota que se acerca o esta en la posición completamente cerrada.
Notas para la identificación de instrumentos
8.Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre apertura, se definen como sigue:
Alto: indica que la válvula esta, o se aproxima a la posición de apertura completa.
Bajo: Denota que se acerca o esta en la posición completamente cerrada.
Normas Isa. Ejemplo
Efectuar la identificación funcional de los siguientesinstrumentos:a) LICb) PYc) FVd) FQIe) WTf) TEg) AICh) SRi) TAHHj) LSL
Normas Isa. Ejemplo
Indicar los códigos alfanuméricos de los siguientes instrumentos:
a) Registrador de temperaturab) Convertidor electroneumático de presiónc) Interruptor por bajo nivel de flujod) Indicador de velocidade) Termopozo de temperaturaf) Controlador de presióng) Válvula de control de análisish) Alarma por muy alta presióni) Relevador de presión
Símbolos generales de instrumentos
Normas Isa. Ejemplo
LOCALIZACIÓNPP En línea de procesoLO En campo, localPNB En tablero principal de controlBPNB Parte posterior del tableroPNBL En tablero de control local
LOCALSUMINISTROSSA Suministro de aireSE Suministro eléctricoSG Suministro de gasSH Suministro hidráulicoSN Suministro de nitrógenoSS Suministro de vaporSW Suministro de agua
Las líneas de los instrumentos indican el tipo de señal (es) que manejan estos como entrada(s) – salida(s)
Líneas de los instrumentos
Normas ISA
Normas ISA
Actuación del actuador ante fallas de energía
Relevadores de Cómputo
Normas Isa. Ejemplo
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