Principios de Instrumentación - Conceptos Básicos

James Robles Departamento de Instrumentación Huertas College

Principios de Instrumentación Conceptos Básicos de Instrumentación


James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College

En esta presentación:

Definición de Instrumentación ¿Que es una variable física? ¿Que es un instrumento de indicación, medición y transmisión? ¿Que es un recorder? ¿Que es un sistema de control? ¿Que es un elemento final de control?

Definición de Proceso Industrial Parámetros Operacionales de Instrumentación

Rango de Proceso Variable de Proceso Rango de Instrumentación Señal de Instrumentación

¿Cómo funciona un transmisor?



Instrumentación:

Disciplina que se encarga de la medición, indicación, transmisión, registro y control de variables físicas dentro de un proceso industrial; cumpliendo con los parámetros operacionales del proceso y con las regulaciones vigentes.



Variable Física:

Una variable física es una manifestación palpable de condiciones naturales de la materia. Ejemplos de estas variables son: presión, nivel, flujo y temperatura.



Medición de Variables Físicas:

Acción por la cual se le asigna un valor numérico (cuantificar) y una unidad de ingeniería a una variable física relacionada con la naturaleza de esa variable. Esta acción se logra a través de instrumentos que tienen una indicación visual numérico y una unidad de ingeniería.

Ejemplo 1: La presión en la tubería es de 100 psi.

Variable Física Unidad de Ingeniería Valor Numérico




Ejemplo 2: El nivel del tanque es de 12 Ft. Ejemplo 3: El flujo de gas es de 175 SCFM.






Ejemplo 4: La temperatura es de 100 °F. Ejemplo 5: La conductividad de la solución es de 25 µS.





Indicador de Variables Físicas:

Dispositivo capaz de convertir una variable física a una señal visible, mayormente numérica acompañada de su unidad de ingeniería para ser observada. Ejemplos de Indicadores de variables físicas son: Manómetros (Pressure Gauge), Termómetros, Rotámetros, Mirillas de Cristal, etc.



Indicador de Variables Físicas:

Pressure Gauge

(Manómetro)

Termómetro Mirilla de Nivel Rotámetro

(Metro de Flujo)



Transmisor de Variables Físicas:

Dispositivo capaz de convertir una variable física a una señal electrónica, neumática o digital de instrumentación para ser utilizada por un equipo o sistema medición, registro o control. También conocido como transductor.




La señal más utilizada es la señal electrónica de 4–20 mA.

La señal neumática de 3–15 psi. Las señales digitales (Foundation Fieldbus,

MODBUS y Profibus) utilizan en su mayor parte una señal digital compuesta de una palabra de 16 bits llamado (word). Esta palabra puede

ir desde 0 hasta 65,536 (216)




Transmisor de Presión

Entrada de Proceso

Señal de Instrumentación

4 – 20 mA

Rosemount 3051

Differential Pressure

Transmitter

Indicador Local




Transmisor de Nivel Ultrasónico

Sensor de Proceso


4 – 20 mA Endress-Hauser

Micropilot M FMR240

Indicador Local

http://www.google.com.pr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=6C1LdriXt2mtpM&tbnid=i7tZaOonpX6ciM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.endress.com/eh/productDBs/homeDBs/en/home.nsf/contentview/~level-measurement-radar-micropilot-m-fmr240&ei=-8OqUcy6NIK08QT01oHQCA&bvm=bv.47244034,d.eWU&psig=AFQjCNEdRXL-ns6fS6Z4XkuCNiEE6KN_sQ&ust=1370232138234100




Transmisor de Flujo Electromagnético

Sensor de Proceso


4 – 20 mA Yokogawa

AFX Flowmeter

Indicador Local

http://www.google.com.pr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=XlczYjuJbtI5bM&tbnid=mXDVRVBrqW-0MM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.directindustry.com/prod/yokogawa-europe/electromagnetic-flow-meters-emf-19033-910791.html&ei=nMWqUYHED4Le8wSn_YHgDA&psig=AFQjCNH3V2hxWahQc3pDztQIuueXjcdQZQ&ust=1370232567257038




Transmisor de Temperatura

Sensor de Proceso


4 – 20 mA

ABB TTF300

Indicador Local



Registrador de Variables Físicas (Recorder):

Dispositivo capaz de convertir una señal de instrumentación a una data para almacenarse permanentemente con respecto a un momento en el tiempo definido. También puede ser una aplicación (conocido como colección de data histórico) dentro de un sistema de control para lograr el mismo propósito.




Yokogawa 10000 Recorder

Papel de Grafico

Plumillas

Leyenda


4 – 20 mA Lectura Local

http://www.keiou.com.tw/reliability-english.html




Delta V Data Historian Screen



Controlador:

Dispositivo que se dedica a controlar una variable física. El controlador recibe una señal correspondiente a la variable física (input) de un transmisor y la compara con el valor deseado por el operador. El controlador contiene algoritmos y estrategias encaminadas a mantener la variable física en el valor deseado. Para lograr esto, genera una señal de corrección de la variable (output).



Controlador Discreto:

Controlador que se utiliza para mantener una variable física en un valor deseado. El controlador discreto puede manejar un solo lazo de control (un input y un output) y no cuenta con conexiones para enviar las señales a otros equipos, ni capacidad para mantener un registro de las señales. Estas capacidades se logran conectando manualmente las señales a registradores u otros equipos.



Sistema de Control Distribuído (DCS):

Sistema de control capaz de manejar múltiples lazos de control. Contiene un procesador centralizado, tarjetas de inputs, tarjetas de outputs y recorders integrados. Un DCS es capaz de distribuir sus datos a diferentes áreas como estaciones de operación, estaciones de ingeniería y estaciones de mantenimiento.



Sistema de Control Distribuído (DCS):

Foxboro T2550 DCS

http://www.google.com.pr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=cxnGQHqjAvvMAM&tbnid=79_YTN7FXCG0dM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.automationworld.com/operations/standalone-or-networked-dcs&ei=eC2cUdKcMsHB4AO_yoGgBg&bvm=bv.46751780,d.dmg&psig=AFQjCNE5BA6QV83mAHaAm3996Eeoubc4Bw&ust=1369276122033794



Sistema de Control:

A-B Micrologix 1200 PLC

http://www.google.com.pr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=bmCzNKDC9j-KqM&tbnid=H9oPT9QCgzxGqM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.accio-solutions.com/familiaplcab.php&ei=FM2qUZvCAYai9QSm3YGoCA&bvm=bv.47244034,d.eWU&psig=AFQjCNFjCNORPhm_gW3lIxFGSQtin-5w4g&ust=1370234243031698



Elemento Final de Control:

Dispositivo o equipo capaz de modificar la variable física hacia el valor deseado. Esto lo hace recibiendo la señal de corrección del controlador. Ejemplos son: Válvulas de Control, Variadores de Velocidad de Motores o Dampers de Posición.




Fisher GX

Control Valve

http://www.google.com.pr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=1-3aYo6FFNaW3M&tbnid=np7zr-sk7qtpvM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.petro-online.com/news/analytical-instrumentation/11/emerson_process_management/emerson_enhances_fisher_gx_control_valve_for_wider_range_of_applications/21996/&ei=PC-cUezWJ7Gq4AOTwYHgDQ&psig=AFQjCNFtKjxTIV_OFD5xKTWgFDo07Y_JnQ&ust=1369276567062917




Variable Frequency Drive (VFD)

And 3 Pumps

http://www.google.com.pr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=a2jGleMzCXVGuM&tbnid=dQLx2-_TG2FxaM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.mypumppro.com/products/domestic-water-boosting-packages/vfd/&ei=NzGcUcuhKdHd4AOFtIDoBg&psig=AFQjCNG1iXpcP0ucl668mDFiRwwkHN24Ag&ust=1369276737472286




Damper Control Drive

http://www.google.com.pr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=wE_K9lfcoID85M&tbnid=muNQYa4FO49eCM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.sglsystems.com/l2-2/dampers/&ei=QjOcUZryIpLb4AORxoGwCQ&bvm=bv.46751780,d.dmg&psig=AFQjCNGLbzqy3cQccmDLVI2ky3YFC_odAQ&ust=1369277589789863



Proceso Industrial:

Un proceso industrial es la conversión de materia prima a productos, bienes o servicios para la utilización de la sociedad.

Industrias que utilizan estos procesos son: Industrias Químicas Industrias de Petróleo y Gases Industrias de Alimentos y Bebidas Industrias Farmacéuticas



Lazo de Control:

Arreglo de dispositivos (instrumentos)

conectados para lograr el control de una

variable física. Consiste de un transmisor

para llevar la variable al sistema, un

controlador o sistema de control para

computar y generar una señal de control y

un elemento final de control para modificar

físicamente a la variable.



Lazo de Control (Controlador Discreto):

LT Elemento Final

de Control

Transmisor de Nivel

LCV

Señal de Input

Señal de Output

Controlador

Discreto

A M

M SP O 100%

50%

0%



Lazo de Control (Controlador Discreto):

LT

Elemento Final

de Control

Transmisor de Nivel

Neumático

LCV

Se

ña

l de

Inp

ut (3

-15

psi)

Señal de Output (3-15 psi)

Controlador

Neumático

A M

M SP O 100%

50%

0%



Lazo de Control (DCS):

OUT

I

N

Sistema de Control Distribuido (DCS)

LT

Estación de

Operador

Estación de

Ingeniería

Elemento Final

de Control

Transmisor de Nivel

LCV

Señal de Input

Señal de Output



Parámetros de Medida de Proceso:

Rango de Proceso Variable de Proceso Rango de Instrumentación Señal de Instrumentación Señal de Control



Rango de Proceso:

El rango de proceso son los valores numéricos desde el mínimo hasta el máximo acompañado de su unidad de ingeniería que representan el mínimo hasta el máximo de la variable física permitida en un proceso.

Ejemplo: La presión del proceso varía desde 0 hasta 200 psi. El Rango de Proceso es 0 – 200 psi.



Variable de Proceso:

La variable de proceso es el valor numérico acompañado de su unidad de ingeniería que representan la variable física del proceso.

Ejemplo: La presión es de 100 psi. La variable de Proceso es 100 psi.



Rango de Instrumentación:

El rango de instrumentación es un valor numérico de 4 a 20 mA que representa desde el mínimo hasta el máximo del rango de proceso.

Ejemplo: El rango de proceso es de 0 a 200 psi. El rango de instrumentación es de 4 mA (0 psi) hasta 20 mA (200 psi).



Señal de Instrumentación:

La señal de instrumentación es el valor numérico desde 4 mA a 20 mA que representa la variable de proceso.

Ejemplo: El rango de proceso es de 0 a 200 psi. El rango de instrumentación es de 4 mA a 20 mA. La variable de proceso es de 100 psi. Por lo tanto, la señal de instrumentación es de 12 mA.



Señal de Control:

La señal de control es el valor numérico desde 4 mA a 20 mA que alimenta el elemento final de control.

Ejemplo: La señal de control hacia la válvula de control es de 12 mA, por lo tanto la válvula de control está en un 50 % de su recorrido.



Una Señal de Instrumentación es el valor actual del nivel electrónico o neumático utilizado para representar la variable de proceso de una forma estándar.

Ejemplo:

Rango de Proceso = 0 – 200 psi

Rango de Instrumentación = 4 – 20 mA


24 Vdc

- +

Rango de Proceso = 0 – 200 psi

PT-1

Señal Transmitida

por cablería Transmisor

Receptor

Remoto

4 – 20 mA + - 4.00 mA

+

-




La razón por la cual la señal de Instrumentación no comienza en cero es para poder distinguir entre un cero real y una avería en la cablería o tubería utilizada Si se avería la cablería, la corriente o la presión bajará a cero mA o a cero psi y el técnico podrá diagnosticar el fallo

24 Vdc

- +

0 mA

Proceso

PT-1

Cable Averiado

Transmisor

Receptor

Remoto

+ - 0.00 mA +

-



Lazos de Transmisores Electrónicos:

Transmisor de Presión en Serie con Power Supply de 24 Vdc y Miliamperímetro:

Para extraer una señal a un transmisor, se necesita conectarlo en serie

con un Power Supply de 24 Vdc y a su vez en serie con el receptor o

equipo preparado para aceptar una señal de 4 – 20 mA

Este voltaje produce una señal de instrumentación proporcional a la

variable de proceso en relación con el rango de proceso

OFF

ON

24 Vdc Power Supply

- +




• Presión

•Nivel

• Flujo

• Temperatura

Variable Física

• PT

• LT

• FT

• TT

Transmisor • 0 – 200 psi

• 0 – 30 Ft

• 0 – 500 gpm

• 50 – 550° F

Rango de Proceso

• 4 – 20 mA

• 3 – 15 psi

• Protocolo Digital

Señal de

Instrumentación




Existen varios tipos de señal de instrumentación: Electrónico Análogo: 4 – 20 mA Neumático: 3 – 15 psi Digital: HART, Foundation Fieldbus, MODBUS,

Profibus, etc.



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