INSTRUMENTACION IMPRIMIR

Conceptos y Definiciones 1

1. Instrumentación, Conceptos y Definiciones.

Generalización:

Una gran parte de la instrumentación está relacionada con la medición de las variables deprocesos. Esto puede ser para controlar, indicar ó propósitos de conteo. Unentendimiento de los conceptos y términos utilizados es necesario para la comprensión deestos capítulos.

Objetivos Generales:

El estudiante entenderá los conceptos fundamentales de instrumentación, serán capacesde relacionarse con ellos e identificarlos cuando estos sean utilizados

Módulos:

1.1- Introducción. 1.2- Sistema e Instrumentos de Medición 1.3- Otros Conceptos 1.4- Tipos de Errores en la Medición 1.5- Tipos de Transductores 1.6- Control Automático 1.7- Clasificación de los Instrumentos de medición.

1.1.- Introducción.

¿Qué es la Instrumentación?

Instrumentación es el conjunto de ciencias y tecnologías mediante las cuales se midencantidades físicas ó químicas con el objeto de obtener información para su archivo,evaluación ó actuación sobre los Sistemas de Control Automático.

1.2.- ¿Qué es la Medición?

Comparar una cantidad con su respectiva unidad con el fin de averiguar cuantas veces lasegunda está contenida en la primera.

Entre las variables mas medidas en los Procesos tenemos: Presión, Nivel, Temperatura,Flujo, Densidad, variables de análisis químico, etc.


Sensor: Elemento primario que se encarga de captar la magnitud Física o Químicadirectamente del proceso.

Transductor: Un elemento o dispositivo el cual recibe información en una forma deenergía y la convierte en una información de la misma forma de energía o en otra formade energía.

Ejemplo: Termopar ( convierte temperatura en voltaje)Cristal piezoeléctrico (presión en voltaje)Tubo Bourdón (presión en movimiento)

Transmisor: Un transductor el cual responde a una variable medida por un elementosensor y convierte esta a una señal de transmisión estándar la que es función solo de lavariable medida.

Estándares de transmisión: 4 – 20 mA. ------- Eléctrico Más Utilizado1 – 5 Volts ------- Eléctrico3 – 15 psig ------ Neumático20 – 100 kPag -- Neumático0,2 – 1 kg/cm2 -- Neumático Más Utilizado

1.3.- Otros Conceptos

Rango: La región entre los límites dentro de los cuales una cantidad es medida, recibidao transmitida, expresada por rango de valores inferiores y superiores.

Ejemplo: Un transmisor de temperatura es calibrado para un rango de 20C a 100CValores máximo y mínimo del rango: Los valores mas altos y más bajos que sonajustados para las medidas. Valor mínimo (LRV), Valor máximo (URV).

Estos son ajustados para cumplir los requerimientos de forma tal que elinstrumento sea óptimo con respecto a la exactitud, sensitividad y lectura.


Rango máximo y mínimo límite: Las cantidades mas altas y más bajas que pueden serajustadas para medir.

Span: Diferencia algebraica entre los valores máximos y mínimos 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 tamaño a través 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 mediode la escala y decrece del medio de la escala hasta el URV.

Error de banda muerta: El rango a través del cuál una señal de entrada puede variar,en dirección inversa, sin inicial un cambio observable en la señal de salida.

Error de histéresis: La propiedad de un elemento de medida para leer un valor comoel cambio de variable en una dirección y leer un diferente valor como cambia lavariable en dirección opuesta. Causado por una ausencia de elasticidad en elelemento de medida.

Resolución: El menor intervalo entre dos valores discretos adyacentes que pueden serdistinguidos uno del otro. Cuando leemos una escala analógica la resolución será 1/5 dela magnitud de los incrementos de la escala.

Ejemplo: Un manómetro indica presiones en incrementos de 2 Kpag la resoluciónes2 * 1/5 = 0.4 Kpag.

1.5.- Tipos de Transductores

Sistemas de palanca y unión.1.- Amplificación.

- Las palancas pueden ser usadas para aumentar o disminuir lafuerza de salida.

Primera clase: el punto de giro se encuentra entre fuerza de salida(FO) y la fuerza de entrada (FI).


D DI O

FI FO

Balance de Momento FI DI = FO DO

Ventaja mecánica (Amplificación) = DI / DO

- Las palancas pueden ser usadas para aumentar o disminuir elrecorrido de salida.

Segunda clase: la fuerza de salida (FO) está entre el punto de giroy la fuerza de entrada(FI ).

D

D

I

OFI FO

Balance de Fuerzas.

2.- Cambio de dirección.3.- Calibración (cero, span, angularidad)

Sistemas de palanca y unión típicos.

Nota:- Palanca física es la que se ve.- Palanca real es la línea recta desde el eje de rotacional punto

donde está la unión.- Palanca efectiva está 90º a la unión.


Convertidores de presión a fuerza

En instrumentación (y en muchos otros lugares en la industria), existe un grupo dedispositivos a los cuales se les aplica presión de aire o líquido, y el dispositivo (convertidorpresión a fuerza) desarrolla una fuerza la cual puede ser usada para realizar trabajo.

Casi todos los convertidores de Presión – Fuerza trabajan bajo el principio

F = P x A

Hay cinco convertidores básicos de presión a fuerza:

1. Tubos Bourdon2. Diafragmas3. Fuelles4. Fuellediafragmas5. Pistón

1. Tubos Bourdon

Tipos: Forma de C, espiral y helicoidales.

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

Principio de Operación:

La presión que actúa dentro del tubo resulta en tratar de estirar el tubo.

La presión está en función de la longitud del tubo, espesor de las paredes,geometría de la sección transversal y el material (Módulos de elasticidad)

Ventajas:- robustez, simplicidad, bajo costo- se pueden hacer de amplia variedad de materiales para diferentes aplicaciones

Desventajas:- pequeños movimientos del tubo significan que es necesario el uso de

amplificación (ej. Sistemas de palanca unión para producir gran movimiento de laaguja)

- no muy sensibles a bajas presiones- susceptibles al atascamiento (tubos pequeños)- susceptibles a vibraciones ej. los usados en sistemas de palanca unión

Uso:- principalmente en indicadores de presión.

Sección transversal


Tubos de Espiral y Helicoidal:

Tienen el mismo principio de operación, pero debido al enrollado hay mayor recorrido delextremo cerrado por unidad de cambio de presión (son mas sensibles)

Ventajas:- mayor recorrido del extremo cerrado, por lo que los sistemas de palanca uniónpueden 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 presión, indicadores de presión

Tubos de Espiral y Helicoidal:

Tienen el mismo principio de operación, pero debido al enrollado hay mayor recorrido delextremo cerrado por unidad de cambio de presión (son mas sensibles)

Ventajas:- mayor recorrido del extremo cerrado, por lo que los sistemas de palanca uniónpueden 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 presión, indicadores de presión


TIP (C)(CLOSED

END)

SOCKET (A)

PRESSURE

BOURDONTUBE (B)

LINK

POINTER (D) SCALE (E)

AA

0 100

CROSS SECTION OFPRESSURIZED TUBE

NORMAL CROSS SECTION OF TUBESECTION A-A

Tubos Bourdon “C”

HELICAL PRESSURETUBE

PRESSURE

TIPMOVESHERE

POINTER

SHAFT

TIPMOVESHERE

HELIX

PRESSURE

(DETAILVIEWOFTYPICAL HELIX)

Tubos Bourdon Helicoidal

El Tubo de Bourdon espiral es similar al Bourdon C con varias vueltas concéntricas, paraganar en amplificación del recorrido.

2. Diafragma


Limitaciones:- bajas presiones- Pequeños movimientos- No lineales

Usos:- actuadores de válvulas- elementos de entrada en indicadores y registradores- sellos( diafragmas, químicos, etc.)

La deflexión del diafragma depende de:- diámetro- espesor del metal- forma de las corrugaciones- número de corrugaciones- módulo de elasticidad E

3. Fuelles

Rango: 0 a 5" H2O 0 a 2000 psigPrincipio de Operación:

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

Ventajas:- mas linear que un simple diafragma- mayor movimiento que un simple diafragma

2

)d+(d=dwhere

)(d4

1=A

areaEffectiveA

PA=F

ioe

2e

MovementP d do i


input

movement

pressure

- son relativamente pequeños

Limitaciones:- bajas presiones- no puede someterse a trabajos duros

Aplicaciones:- elementos de entrada de indicadores y registradores- elementos de retroalimentación en transmisores y controladores

4. Fuellediafragma

Rango: 0 a 0.2" H2O 0 a 100 psig

Principio de Operación: F = PA

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

- movimiento sin fricción- gran recorrido- movimientos laterales del eje se permite

Ventajas:

- movimiento muy linear

Limitaciones:- bajas presiones- necesitan un muelle


Aplicaciones:- elementos de entrada para indicadores y registradores

5. Pistón

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

Principio de Operación: F= PA

movement

Spring Opposed

movement

Dual Acting

P1

P2

Ventajas:- gran recorrido y velocidad de golpeo(limitado por longitud del cilindro)- mayor potencia

Limitaciones:- alta fricción

Aplicaciones:- actuadores de válvula

Muelles

recorridod

F=S.R.=

erzacambiodefulleRasóndeMue

d Force = F = mg


Ejemplo (SI)

d = 0.01 m cuando se colocan 25 Kg de masa

S.R. = ?

m

N24500

m0.01

N245=S.R.

N245)s

mkg)(9.81(25=mg=F

2

Todas las unidades tienen que estar en el mismo sistema de unidades.

Detectores de Movimiento.

Estos detectores de movimiento son necesarios en instrumentación debido a que lossensores en su funcionamiento en ocasiones los movimientos son muy pequeños y parala transmisión de la señal se hace necesario amplificarla y llevarla a un estándar que losdemás componentes del sistema puedan operar con esta señal, ejemplo válvulas,controladores, etc, normalmente convierten Movimiento a Presión.

Hay dos tipos básicos de Detectores de Movimiento mas una combinación de estos.

1. Flapper/Tobera2. Válvulas Piloto3. Combinación de Baffle/Tobera y Pilotos(Relays)

- mas comunes detectores de movimiento- comúnmente llamados relays

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

Un dispositivo que convierte un pequeño desplazamiento a una presión proporcional


Ejemplo: Transmisores de presión (Foxboro 13A), celdas sensores de pequeña presióncomo presiones de 3-15 psig.

Componentes:1. Baffle2. Tobera3. Restricción Siempre mas pequeña que la tobera4. El compartimiento de presión (salida)

- entre la tobera y la restricción.Principio de Operación

- Con el Baffle alejado de la tobera- el aire escapa por la tobera rápidamente entonces este se escapa todo por la

tobera, el resultado es que no hay presión en el compartimento de presión;salida 0 psi.

- Con el Baffle pegado a la tobera- muy poco aire de escape, así la presión crece en el compartimento de

presión dando una salida 20 psi (esto toma algún tiempo).- Baffle en el recorrido

- algún aire sale por la tobera pero es reemplazado por la alimentación,resultando una presión entre 0 y 20 psi

Resumen sobre detectores de movimiento

Flapper/Tobera

Componentes: - Flapper- Tobera- Restricción fija (menor que la tobera)- Compartimento de presión (entre el Flapper y la Tobera)- La solida

Características y Problemas:- alta ganancia- efecto ráfaga- acción lenta - aire pasa por la restricción

- el aire sale o ventea por la tobera- consumo de aire continuo

Válvulas piloto

Componentes: - dos restricciones variables (alimentación y escape)- un mecanismo que varía las restricciones- un compartimento de presión

Características y Problemas:- mayor fuerza requerida para operarlas

Tipos: - con y sin escape- acción directa e inversa


- simple/doble salida

Relay (Flapper/tobera con válvula piloto)

Componentes: - piloto- compartimento de presión de la tobera- convertidor presión a fuerza

Características:- reduciendo la restricción y la tobera se reduce

- el efecto ráfaga- el consumo de aire- el piloto maneja mayor flujo de aire y opera mas rápido

1.6.- ¿Qué es el Control Automático?

Acción, que sin la ayuda de la mano del Hombre, trata de mantener el valor de unavariable del proceso (PV) lo más cercana posible a un valor prefijado o punto de ajuste(SETPOINT).

Antes del Control Automático

Control Manual del nivel de un Tanque


Control Automático del Nivel de un tanque

Proceso: Es un conjunto de equipos, reactores, tuberías, tanques, columnas, etc en loscuales ocurren cambios químicos o físicos que conllevan a la preparación del producto(no incluye los instrumentos de medición y control).

Ejemplos de procesos: Cambios en presión, temperatura, etc. Calentamiento yventilación, destilación, etc.Variable medida: La condición, propiedad o cantidad la cual es medida. A menudollamada “ variable de procesos”.

Ejemplo de condición: Flujo, temperatura, presión, nivel, velocidad, etc.Ejemplo de propiedad: Viscosidad, dureza, pH, densidad, salinidad, etc.


Ejemplo de cantidad: masa, longitud, números.

Variable manipulada: La propiedad o condición de un proceso que es ajustada paramantener 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 está siendo controlada.

Ejemplo: La variable manipulada puede ser el flujo de vapor en un intercambiador de calorpero la variable que está siendo controlada es la temperatura del fluido que está siendocalentado.

1.7.- Clasificación de los Instrumentos de medición

En dependencia de la energía que manipulan y el principio de funcionamiento losinstrumentos pueden clasificarse en:

1. Instrumentos Neumáticos.2. Instrumentos Electrónicos.

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

Neumático: El ejemplo más claro de estos instrumentos es la válvula estándar o lineal.

Eléctricos: Son de 4 - 20 MA o también de 0 – 20 MA, pero se adoptó como internacionalel primero, ya que la alimentación de estos instrumentos van por el mismo cable que losdatos y el 0 representaba apagado para el equipo y esto traía confusión.

SMAR es la firma que comercializa instrumentos eléctricos y son los que tenemos ennuestra empresa.LD 290 de 4 – 20 mA instrumentos analógico.LD 301 que es un híbrido entre analógico y digital. (Tecnología HART) que existe en loscentros colectores.LD 302 Tecnología digital, la comunicación es a través de 0 y 1 con una velocidad de31,25 KHz, es decir que transmite 31250 datos en 1 segundo.0000--- 00001--- 10010--- 20011--- 3

Digitales: Dentro de los estos estudiaremos los Buses de Campo

Buses De campoLa mayoría de los instrumentos presentan dispositivos que ayudan a la transmisión de lainformación y a la conversión de un tipo de energía en otra para una mejor presentación,muchos de estos son componentes mecánicos y neumáticos.Para satisfacer los requerimientos técnicos crecientemente complejos y lasexigencias económicas, es cada vez más necesaria la conexión entredispositivos y equipos (automatización, maniobra, etc.). Este intercambio de


información convierte a los aparatos individuales en sistemas conjuntos conuna mayor calidad en la conducción del proceso y el diagnóstico.

La irrupción de los microprocesadores en los equipos de campo ha posibilitadosu integración a redes de comunicación con importantes ventajas, entre lascuales figuran:• Mayor precisión derivada de la integración digital de las mediciones.• Mayor y mejor disponibilidad de información de los dispositivos.• Diagnóstico remoto de componentes.

Los buses de datos que permiten la integración de equipos digitales de campo,reciben la denominación genérica de buses de campo.

Un bus de campo es un sistema de transmisión de información (datos) quesimplifica enormemente la instalación y operación de máquinas yequipamientos industriales utilizados en procesos de producción. El objetivo deun bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementosde campo y el equipo de control a través del tradicional lazo de corriente de 4-20mA. Típicamente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadassobre 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 laintegración de equipos de distintos proveedores. Sin embargo hasta la fechano existe un bus de campo universal.Los buses de campo con mayor presencia en el área de control yautomatización de procesos son:

•HART• Fieldbus Foundation

HART

El protocolo HART (High way-Addressable-Remote-Transducer) fuedesarrollado inicialmente por Rosemount Inc. y agrupa la información digitalsobre la señal analógica típica de 4 a 20 mA DC. La señal digital usa dosfrecuencias individuales de 1200 y 2200 Hz, que representan los dígitos 0 y 1 yque forman una onda senoidal que se superpone al lazo de corriente de 4-20mA.Como la señal promedio de un onda señoidal es cero, no se añade ningunacomponente DC a la señal analógica de 4-20 mA.

El protocolo HART habilita la comunicación digital bidireccional coninstrumentos inteligentes sin perturbar la señal analógica de 4-20 mA. HARTpermite la transmisión tanto de la señal analógica de 4-20 mA y la señal de


comunicación digital simultáneamente sobre la misma instalación eléctrica. Lainformación de la variable primaria de control es conducida porla señal de 4-20 mA (si se desea), mientras las medidas adicionales,parámetros de proceso, configuración del dispositivo, calibración, y lainformación de diagnóstico es al mismo tiempo accesible a través del protocoloHART sobre los mismos cables.

Características:• Permite soportar hasta 256 variables• Los transmisores pueden conectarse entre sí a través de unbus y conectarse con 15 aparatos (PLC, PCs, etc.)• Entrega una alternativa económica de comunicación digital.• Implica un ahorro considerable en materiales eléctricos en lasinstalaciones.

FOUNDATION FIELDBUS

Foundation Fieldbus (FF) es un protocolo para redes industriales,específicamente para aplicaciones de control distribuido. Puede comunicargrandes volúmenes de información, ideal para aplicaciones con varios lazoscomplejos de control de procesos y automatización, orientado sobre todo a lainterconexión de dispositivos en industrias de proceso continuo.

Su desarrollo ha sido apoyado por importantes fabricantes de instrumentación(Fisher-Rosemount, Foxboro, etc.)

Actualmente están definidas dos versiones:

H1 (31.25Kbps) interconecta equipos de campo, como sensores, actuadores yI/O.En el mercado ocupa un nicho similar al de Profibus PA: mientras que PA estámucho más extendido en Europa, H1 tiene su origen y su área de mayordistribución en América y Asia.


HSE (100Mbps/1Gbps) provee integración de controladores de alta velocidad(como PLCs), redes H1, servidores de datos, y estaciones de trabajo.

Foundation Fieldbus se diferencia de cualquier otro protocolo decomunicaciones, porque en vez de estar pensado simplemente como un mediode transmisión de datos, está diseñado para resolver aplicaciones de control deprocesos.

Características• Apropiado para su uso en zonas de seguridad intrínseca (IS)• Dispositivos de campo alimentados a través del bus• Topología en bus o en árbol• Permite comunicación multi-master• Transmisión de datos distribuida• Modelo de bloques estandarizado para una interfaz uniforme alos dispositivos• Opciones de extensión flexibles basadas en la descripción delos dispositivos

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