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TRABAJO PRÁCTICO Nº 3Instrumentación de los sistemas de control

OBJETIVOS.

Conocer las características generales de los instrumentos e interpretar informaciónde catálogos.

Aprender una metodología general para seleccionar y eventualmente dimensionarinstrumentos y válvulas.

Entender el significado y consecuencias de la característica de flujo de una válvula. Incorporar una metodología para la determinación de las acciones de válvulas y

controladores.

PROBLEMA 3.1Se dispone de un transmisor de presión manométrica 614G de ABB (se adjunta catalogo614G_1SG.pdf), codificado 614G-S2-31-3-1-151-11, que se empleará para medir presión en unproceso industrial. Se calibró el instrumento para medir presiones entre 5000 y 20000 kPa.

(a) ¿Cuál es el límite mínimo del alcance?(b) ¿Cuánto vale rango, el cero y el span de medición?(c) ¿Cuánto vale el máximo error de medición en este caso?(d) ¿Cuál es el valor máximo de presión admisible sin daños

irreversibles para el instrumento?(e) ¿Cuál es la señal de salida del instrumento?(f) ¿Cuánto vale la señal de salida cuando la presión es de

13000 kPa? Acote el error.(g) Calcule la ganancia del transmisor.(h) Escriba la función de transferencia del instrumento.

PROBLEMA 3.2Se tienen dos transmisores de presión diferencial de las siguientes características:

Marca EMC-28 FIX-32Alcance máximo 0 - 200 kPa 0 - 400 kPa

Salida 4 - 20 mA 1-5 VExactitud 0.4 % del Span 0.4% R

Tiempo de respuestaal escalón

1 s para alcanzar el80 % del cambio máximo.

2 s para alcanzarel 95 % del cambio máximo.

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(a) ¿Cuál es más sensible?(b) ¿Cuál es más exacto?(c) ¿Cuál es más rápido?

PROBLEMA 3.3Se necesita medir e indicar la temperatura del agua de un tanque cuya magnitud se estima quevariará entre 20 y 160 °C. Se usará una termoresistencia Pt-100 construido según normas DIN queasegura una exactitud de 0.1 % del span. Se va a emplear un indicador/transmisor OmegaDP1610.pdf para indicación local y transmitir la señal a un panel de control. A partir de lainformación técnica indique:

(a) Tipos de señales de entrada y de salida del elemento primario.(b) Tipos de señales de entrada y de salida del indicador/transmisor.(c) Rango de calibración del transmisor.(d) El valor de las salidas del sensor y del transmisor cuando la temperatura es de 120 °C.(e) Cota del error en la medición del valor anterior(f) Función de transferencia del sistema medidor-transmisor.

En el anexo E se adjunta la tabla de Resistencia versus temperatura, Tp3_e.pdf, extraída delApéndice E del libro: Kerlin T.,Shepard R (1982). Industrial Temperature Measurement, Instrum.Soc. of America, Research Triagle Park, U.S.A, pag. 271. (Problema resuelto en el sitio Web deControl de procesos).

PROBLEMA 3.4Una placa de orificio acusa diferencia de presión de120 mm columna de agua cuando circula 600m3/hora de un líquido. El transmisor de presióndiferencial es electrónico (linealidad ± 0.1 % Span)con salida 4-20 mA y está ajustado con un rango 0-150 mm c.a.

(a) Calcule el máximo caudal que se podrámedir con este dispositivo.

(b) Compute la ganancia del sistema demedición (placa de orificio más transmisor)para cualquier caudal.

(c) Indique la ganancia del transmisor (en % ymA).

(d) ¿Cuál será la salida en mA cuando circula400 m3/h? ¿Qué porcentaje del spanrepresenta?

(e) ¿Cuál será el caudal que circula cuando lasalida del transmisor es 12 mA? ¿Qué % delspan representa?

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PROBLEMA 3.5Es necesario medir el nivel de agua (temperatura 20 °C) en un tanque abierto a la atmósfera para locual se utiliza un transmisor diferencial de presión de rango ajustable, electrónico, señal de salida 4a 20 mA, dinámica despreciable.

(a) Las tomas de alta y baja se ubican a 0.5 y 3.0 m medidas desde el fondo del tanque. ¿Cuál esel rango y span del elemento primario? ¿Cuánto vale el cero?

(b) ¿Qué señal indicará eltransmisor cuando el nivelsea 1 m?

(c) Escriba la función detransferencia del sistema demedición-transmisión.

(d) ¿El dispositivo es lineal?(e) Esquematice con un

diagrama en bloques elsistema integrado por loselementos primario ysecundario.

(f) Realice la gráfica de lasseñales entrada-salida de losdispositivos.

PROBLEMA 3.6Dimensione una válvula de control globo de doble asiento, trim V-Port, característica de flujo igualporcentaje, marca Masoneilan, Serie 10000 (se adjunta catálogo CH2500.pdf), que se instalará enuna línea de 14 pulgadas de diámetro. La presión aguas arriba es de 28 (psi) y aguas abajo de 20(psi). El caudal normal máximo es de 1600 (gpm). El fluido es agua a temperatura ambiente.

PROBLEMA 3.7En la figura se ve un sistema de control de nivel correspondiente al circuito de agua de enfriamientode una torre humidificadora y se desea dimensionar la válvula de control que será globo balanceada(asiento doble) guiada en los dos extremos, marca Taylor, tipo 'TA'.

El agua tiene una temperatura que puede oscilar entre 15 y 20 °C y circula por una cañería de 12pulgadas que descarga a la atmósfera. La diferencia de altura entre el nivel de líquido en el tanque yla descarga puede ser despreciada. La característica de operación de la bomba centrífuga dada por elfabricante es:

F (gpm) 0 400 800 1200 1600 2000 2300P (psi) 27.50 27.14 26.04 24.22 21.67 18.39 15.45

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Los caudales que normalmente circulan, según el Encargado de la División Procesos deEnfriamiento, están entre 600 y 1900 (gpm). La pérdida de carga de la línea (cañería, accesorios yfiltro) se estima con buena precisión con la fórmula

PL = 2.5 10-6 F2

calculada usando el factor de Fanning para escurrimiento en cañerías y un equivalente para el filtro.La pérdida de carga se expresa en (psi) y el caudal en (gpm).

LIC

LT

La tabla de los coeficientes de flujo de la válvula proporcionados por el fabricante es la mostrada acontinuación:

Diámetro(Pulg.)

Carrera(pulg)

Apertura de la válvula en %

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1006 2 8.67 15.1 25.0 38.2 57.0 84.5 124 178 328 4498 2 9.36 15.6 25.7 42.1 70.2 121 218 382 577 780

10 3 24.4 37.5 56.4 86.6 137 214 337 522 768 111012 3 25.0 55.0 90.0 145 225 342 525 800 1230 1680

(a) Indicar el diámetro de la válvula.(b) Graficar PL y P de la bomba en función del caudal. Indique el Pv para los caudales

normales.(c) ¿En qué ámbito estará la apertura de la válvula normalmente?(d) ¿Cuál es el caudal máximo que circulará por la válvula y Pv para ese caudal?(e) Calcular el valor del parámetro de la instalación.(f) Graficar caudal en función de la apertura. ¿Varía apreciablemente la ganancia de la válvula

en el rango de trabajo normal?

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(g) Graficar la relación entre caudal y caudal máximo como función de la apertura para las dossituaciones siguientes:

1. Para la válvula instalada y,2. Cuando la pérdida de carga en la bomba es constante y la pérdida de carga en la línea

es despreciable.(h) ¿Hay deformación de la característica inherente de flujo? (Problema resuelto en el sitio Web

de Control de procesos).

PROBLEMA 3.8Se está analizando si la característica de flujo de la válvula de la figura se modifica cuando se la instalaen una línea con una fuerza impulsora total de 16 Psi.

La válvula tiene una característica deflujo inherente lineal y su coeficiente deflujo vale 100 para apertura máxima.Elfluido que circula por la misma es agua.

(a) Represente en un gráficoF/Fmáx en función de la aperturapara:

(a1) Pérdida de carga en la líneanula

(a2) Pérdida de carga en la líneap psi F gpmL( ) ( ) 310 4 2 .

LIC

LV

LT

F

(b) Calcule el valor de en los casos a1 y a2.

PROBLEMA 3.9

LT LIC

LV

LT

F

Se ha instalado un sistema de control denivel de agua a temperatura ambientecomo el de la figura. La fuerza impulsoradisponible total es de 30 psi.Los caudales normales de agua varíanentre 80 y 400 gpm. La pérdida de cargaen la línea es 16 psi cuando el caudal esde 400 gpm. El flujo es subcrítico y latemperatura es la ambiente. Se disponede tres válvulas cuyas características sedescriben en la tabla.

Cv máx Característica inherente Rangeabilidad220 lineal 50:1230 igual porcentaje 20:1240 lineal 100:1

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(a) Graficar pérdida de carga en la línea y presión total disponible en función del caudal(b) Graficar el caudal que circula por la válvula en función de la apertura para los tres casos(c) ¿Cuál válvula elige? Justifique.

PROBLEMA 3.10Una válvula de control V-PORT SLEEVELINE está instalada en una línea donde la distribución depresiones que absorbe la línea y la bomba, en función del caudal se muestran en la figura.

Los caudales normales máximos y mínimos son 7 y 2 galones por minuto respectivamente. El flujoes turbulento. El fabricante suministró la siguiente información cuando vendió la válvula.

Cv máx 0.53 3.5 13.2 52.8 211.2 844D (plg) 0.1 0.25 0.5 1 2 4

La característica inherente de flujo de la válvula es la mostrada en la gráfica

siguiente.

(a) Dimensione la válvula.(b) Encuentre el valor de .(c) ¿En qué rangos de apertura trabaja la válvula?

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PROBLEMA 3.11Un fluido de proceso se calienta en un tanque aprovechando vapor de escape de turbinas. En launidad se implementó un lazo de control de temperatura como se ve en la figura.

Si la temperatura a la salida del tanque calefactor nunca debe superar los 65C, indique la acción de laválvula de control ante falla y la acción del controlador.

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PROBLEMA 3.12Un sistema de control como el de la figura deberá mantener el nivel de agua en un tanque desuministro según el diagrama P&I de la figura. Tiene una válvula con característica igual porcentajeinstalada. El transmisor tiene dinámica despreciable y es lineal.

F

LIC

LT

(a) Especifique la acción de la válvula ante fallas.(b) Indique acción del controlador.(c) Analice como actúa el lazo de control cuando aumenta abruptamente el caudal de

alimentación.

PROBLEMA 3.13En un reactor tanque agitado continuo de 600 galonesde capacidad (constante) se produce una reacción deprimer orden en fase homogénea (constante específicade velocidad de 1.20 min-1) en forma isotérmica. Seinstaló un lazo de control de composición del reactivoen el seno de la masa reaccionante empleando un sensorlineal.

El Ingeniero de Procesos informa que el caudalalimentado se encuentra (en condiciones de estadoestacionario) entre 150 y 300 galones por minuto. Laválvula de control es globo con un coeficiente de flujomáximo de 135.

AT

AC

En esta válvula, cambiando el obturador, se puede obtener distintas característica de flujo. (vergráfica del fabricante).

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el Ingeniero de planta proporcionó los siguientes datos:

F - Caudal(gpm)

p línea(psi)

P impulsiónbomba (psi)

150 32.7 40.6300 32.8 40.4

(a) Calcular el coeficiente α de la instalación.(b) Tabular para cada característica de flujo, el rango de apertura en el que trabajaría para los

caudales normales de trabajo. ¿Todas se pueden usar en esta aplicación?(c) Tabular la ganancia en los valores extremos de apertura de trabajo, para los tipos que pueden

ser usados en las condiciones de trabajo.(d) Elegir la acción del controlador.(e) Desarrollar el diagrama en bloques del sistema de control. Ubicar las perturbaciones.

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CONCEPTOS INTRODUCIDOS EN EL TEMA 3

Rango (Range), span, cero de un instrumento. Sobre alcance. Exactitud, Repetibilidad, linealidad, histéresis y banda muerta. Tiempo de

respuesta. Señales estandarizadas. Dimensionamiento de válvulas. Cuerpo, actuador. Característica inherente de Flujo. Característica instalada de Flujo. Acción ante falla de válvulas. Normal Cerrada (SAC, Fail Close). Normal

abierta (SAA, Fail Open). Controlador ON OFF. Controlador PID. Acción de controladores.