³INSTRUMENTACION ³INSTRUMENTAC ION INTELIGENTE´
PROFESOR: DAVID SUSPERREGUY T.
Instrumentación Instrumentación Industrial
Es el grupo de elemen mentos que sirven para med medir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en éste.
La instrumentación es lo que ha permitido el gran avance tecnológico de la ciencia actual en casos tales como: los viajes espaciales, la automatización de los procesos industriales y muchos otros de los aspectos de nuestro mundo moderno; ya que la automatización es solo posible a través de elementos que puedan sensar lo que sucede en el ambiente, para luego tomar una acción de control pre-programada que actué sobre el sistema y obtener el resultado previsto.
Instrumentación Instrumentación Industrial
Es el grupo de elemen mentos que sirven para med medir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en éste.
La instrumentación es lo que ha permitido el gran avance tecnológico de la ciencia actual en casos tales como: los viajes espaciales, la automatización de los procesos industriales y muchos otros de los aspectos de nuestro mundo moderno; ya que la automatización es solo posible a través de elementos que puedan sensar lo que sucede en el ambiente, para luego tomar una acción de control pre-programada que actué sobre el sistema y obtener el resultado previsto.
Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los los dive divers rsos os prod produc ucto toss obte obteni nido dos. s. Los Los proc proces esos os son son muy muy variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, la industria cerámica, las centrales generadoras de ener energí gía, a, la si side deru rurg rgia ia,, los los trat tratam amie ient ntos os térmi térmico cos, s, la indu indust stri ria a papelera, la industria textil, etc. En todo todoss esto estoss proc proces esos os es abso absolu luta tame ment nte e nece necesa sari rio o controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el PH, la condu onducctiv tividad idad,, la veloc elocid ida ad, la hume humed dad, ad, el punt punto o de rocí rocío o, etcétera. Los instrume rumen ntos de med medición ión y con control rol permi ermitten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas que las que el propio operador podría realizar. realizar.
Definiciones
Los instrumentos de control empleados en las industrias de proc roceso tal tales como quí químic mica, petroquí química, alimen mentic ticia, metalúrgica, textil, papel, etc., tienen su propia terminología; los térm términ inos os empl emplea ead dos defin efine en las las cara caract cte eríst rístic icas as prop propia iass de medida y de control y las estáticas y dinámicas de los diversos instrumentos utilizados: Indicadore Indicadores, s, registradore registradores, s, controlador controladores, es, transmisore transmisoress y válvulas válvulas de control. La terminología empleada se ha unificado con el fin de que los fabricantes, los usuarios y los organismos o entidades que intervienen directa o indirectamente en el campo de la inst instru rume ment ntac ació ión n indu indust stri rial al empl emplee een n el mism mismo o leng lengua uaje. je. Las Las definiciones de los términos se relacionan con las sugerencias hechas por ANSI/ISA-S51.1-1979 ( R1993) aprobadas el 26 de mayo de 1995.
Campo de medida (range):
Es el espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida, de recepción o de transmisión del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos. Ejemplo: un manómetro de intervalo de medida 0 ± 10 bar, un transmisor de presión electrónico de 0 ± 25 bar con señal de salida 4-20 mA c.c. o un instrumento de temperatura de 100-300 ºC.
Alcance (span)
Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. Ejemplo: Error
El error de la medida es la desviación que representan las medidas practicas de una variable de proceso con relación a las medidas teóricas o ideales, como resultado de las imperfecciones de los aparatos y de las variables parasitas que afectan al proceso. Es decir: Error= Valor leído instrumento ± Valor ideal de la variable medida Error Absoluto= Valor leído ± Valor verdadero. Error Relativo= Error absoluto/ Error verdadero.
Exactitud ( accuracy)
Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al valor verdadero de la magnitud medida. Hay varias formas de expresar la exactitud: a) Tanto por ciento del alcance, campo de medida (range). b) Directamente, en unidades de la variable de medida. c) Tanto por ciento de la lectura efectuada. d) Tanto por ciento del valor máximo del campo de medida. e) Tanto por ciento de la longitud de escala. La exactitud varia en cada punto del campo de medida si bien , el fabricante la especifica , en todo el margen del instrumento, indicando a veces su valor en algunas zonas de la escala.
Precisión
(precision)
Es la cualidad de un instrumento por la que tiende a dar lecturas muy próximas unas a otras, es decir, es el grado de dispersión de las mismas. Un instrumento puede tener una pobre exactitud, pero una gran precisión.
Zona
muerta (dead zone o dead band)
Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que no produce su respuesta. Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo: en un transmisor de temperatura con un campo de medida de 100 ± 300 ºC es de ± 0,1 %, es decir, de 0,1 X 200/100 = ± 0,2° C. Sensibilidad (sensitivity)
Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Si la sensibilidad del instrumento de temperatura de la figura 1.3 es de ± 0,05 % su valor será de 0,05 X 200= ± 0,1° C. Hay que señalar que no debe confundirse la sensibilidad con el término de zona muerta; son definiciones básicamente distintas que antes era fácil confundir cuando la definición inicial de la sensibilidad era «valor mínimo en que se ha de modificar la variable para apreciar un cambio medible en el índice o en la pluma de registro del instrumento».
Repetibilidad
( repeatibility)
La repetibilidad es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del índice o de la señal de salida del instrumento, al medir repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo. La repetibilidad es sinónimo de precisión. A mayor repetibilidad, es decir, a un menor valor numérico ( por ejemplo, si en un instrumento es 0,05% y en otro es 0,005%, este segundo tendrá mas repetibilidad), los valores de la indicación o señal de salida estarán mas concentrados, es decir, habrá menos dispersión y una mayor precisión. Se considera en general su valor máximo (repetibilidad máxima) y se expresa en tanto por ciento del alcance; un valor representativo es el de 0,1.
Histéresis ( hysteresís)
La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento o la señal de salida para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo, si en termómetro de 0-100ºC para el valor de la variable de 40ºC,la aguja marca 39,9 ºC al subir la temperatura desde 0ºC, e indica 40,1 ºC al bajar la temperatura desde 100 ºC.
Clases de instrumentos
Los instrumentos de medición y de control son relativamente complejos y su función puede comprenderse bien si están incluidos dentro de una clasificación adecuada. Como es lógico, pueden existir varias formas para clasificar los instrumentos, cada una de ellas con sus propias ventajas y limitaciones. Se considerarán dos clasificaciones básicas: La función del instrumento. La variable del proceso.
Instrumentos ciegos
Son aquellos que no tienen indicación visible de la variable. Hay que hacer notar que son ciegos los instrumentos de alarma, tales como: Presostatos Termostatos
Son también instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presión, nivel y temperatura sin indicación.
Instrumentos registradores
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. Los registradores de gráfico circular suelen tener el gráfico de 1 revolución en 24 horas mientras que en los de gráfico rectangular la velocidad normal del gráfico es de unos 20 mm/hora.
Sensores
Están en contacto con la variable de proceso 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. El efecto producido por un sensor puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica, etc. También se denomina como detector o elemento primario.
Los
transmisores
Captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática de margen 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrónica de 4 a 20 mA de corriente continua o como señal digital ( Foundation Fieldbus).
Transductores
Reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida. Son transductores, un relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/I (presión de proceso a intensidad), un convertidor PP/P (presión de proceso a señal neumática), etc. Convertidores
Son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3-15 psi) o electrónica (4-20 mA c.c.) procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar. Ejemplo: un convertidor P/I (señal de entrada neumática a señal de salida electrónica, un convertidor I/P (señal de entrada eléctrica a señal de salida neumática). Conviene señalar que a veces se confunde convertidor. con transductor. Este ultimo termino es general y no debe aplicarse a un aparato que convierta una señal de instrumentos.
Receptores
Reciben las señales procedentes de los transmisores y
las indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada a los valores ya indicados 3-15 psi en señal neumática, o 4-20 mA c.c., en señal electrónica, que actúan sobre el elemento final de control.
Controladores
Comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación. La variable controlada la pueden recibir directamente, como controladores locales o bien indirectamente en forma de señal neumática, electrónica o digital procedente de un transmisor.
Elemento final de control
Recibe la señal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. En el control neumático, el elemento suele ser una válvula neumática o un servomotor neumático que efectúan su carrera completa de 3 a 15 psi (0,2-1 bar). En el control electrónico la válvula o el servomotor anteriores son accionados a través de un convertidor de intensidad a presión (I/P) o señal digital a presión que convierte la señal electrónica de 4 a 20 mA c.c. o digital a neumática 3-15 psi. En el control eléctrico el elemento suele ser una válvula motorizada que efectúa su carrera completa accionada por un servomotor eléctrico.
Variables de proceso Presión Nivel Caudal Temperatura PH Conductividad Densidad O2 Co
Presión
La principal función de un Transmisor de Presión es sensar la presión del proceso, convertirla en una señal de salida, y transmitirla al sistema de control para ser usada en la medición y/o control de la variable de proceso requerida. Es la fuerza ejercida sobre una superficie. Las medidas de presión expresan numéricamente el efecto que ejerce una fuerza sobre un área definida, de acuerdo a la siguiente expresión: Presión:
Presión = Fuerza / Área
Presión
Atmosférica
La presión atmosférica no es otra cosa que la presión ejercida por el aire de nuestra atmósfera, debida a su propio peso. Al nivel del mar, una columna de aire de 1 cm2 de sección y cuya altura es la de la atmósfera, pesa 1.03 kg. Así, la presión es 1.03 Kg /cm2 Presión
Manométrica
Es la presión que se mide con respecto a la presión atmosférica local. Pueden ser Positivas (mayores que la atmosférica), Negativas (menores que la atmosférica) o Cero (si es igual que la atmósfera local)
Presión
Absoluta
Es la presión de un fluido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. Se adoptó el término de presión absoluta debido a que la presión atmosférica varía con la altitud, y el término absoluto unifica criterios para diferentes altitudes. La presión absoluta es la presión atmosférica más la presión manométrica, y es siempre positiva Presión
Absoluta= Presión Atmosférica + Presión Manométrica
Vacio
Cualquier condición donde la presión sea inferior a la presión atmosférica se denomina vacío o vacío parcial. Un vacío perfecto es la ausencia de presión, o sea, cero kg/cm2 absolutos o cero milímetros de mercurio absolutos. Como el vacío es una presión inferior a la atmosférica, puede medirse en las mismas unidades.
TABLA DE CONVERSION UNIDADES DE PRESION
Ejemplo: 1mmHg = 0.5362 inH20 = 1.3332 mBars.
97mmHg = 97*(0.5362) = 52.0114 inH2O. 97mmHg = 97*(1.332) = 129.3204 mBars.
Principios
de Medición de
Presión.
Todos los sistemas de medición de presión están compuestos por dos partes básicas: un elemento primario, el cual entra en contacto directamente o indirectamente con el medio e interactúa con los cambios de presión; y un elemento secundario, el cual traduce esta interacción en valores apropiados usados para indicación, registro y control de la variable de proceso. Elemento
Primario.
El elemento primario entra en contacto con la presión del medio, directa o indirectamente e interactúa con los cambios de presión.
Elemento
Secundario
El elemento secundario de los sistemas de medición de presión, traduce la interacción del elemento primario con la presión del medio en valores apropiados usados para indicación, registro y control de la variable de proceso. El transmisor de presión es usado cuando la indicación y/o registro de presión es requerida en un lugar no cercano al elemento primario, y sobre todo cuando es obligatorio un rendimiento elevado en la medición.
Existe una serie de consideraciones que deben ser vistas en la selección de un transmisor de presión. Tipo de fluido o gas. Rango de presión del fluido o gas. Temperatura del fluido o gas. Exactitud requerida. Localización. Estas incluyen las Especificaciones funcionales (temperatura, presión, medio ambiente, localización, etc.), Especificaciones de rendimiento, selección del material y todas aquellas características que ayuden a hacer más confiable la medición.
Aplicaciones
Podemos encontrar diferentes aplicaciones para los transmisores de presión en medición de variables de proceso, tales como presiones manométricas, absolutas y diferenciales (PT) aplicadas a niveles (LT), flujo (FT), etc. Sin dejar de lado el tipo de instalación requerida
Medición de
Presión
Los transmisores de presión son utilizados para medir la presión manométrica, Absoluta o de vacío en las líneas de proceso. Además, por diseño, tienen la característica de servir como indicadores locales.
Medición de presión manométrica
Transmisores de Presión
Medición de Nivel Muchas veces los productos líquidos o sus componentes son almacenados antes o después de ser procesados; además varias reacciones de proceso se completan en estanques, por lo que los niveles auxiliares de líquidos se relacionan con unidades de procesos. Si se quiere medir el nivel de un líquido en un estanque, tenemos que pensar cómo lo vamos a hacer y qué podría ser más sencillo, considerando las nuevas tecnologías y equipos disponibles. Muchas veces, los estanques están cerrados de manera que no se puede ver el estado del nivel, entonces, es necesaria la transmisión de una señal de nivel para la indicación, registro, alarma o control. A menudo el líquido o es turbulento o corrosivo, de manera que se debe tener cuidado del equipo que se inserte en él.
Medición Indirecta de Nivel
El nivel de un estanque se puede medir indirectamente con un transmisor de presión diferencial. Este consiste en un diafragma en contacto con el líquido del estanque, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo del estanque. En un estanque esta presión es proporcional a la altura es decir: P
=hg
Donde:
P = presión h = altura del líquido sobre el instrumento = densidad del líquido g = 9,8 m/s2
Variación
de Nivel en un Estanque
H: Altura Estanque.
P:
Presión Hidrostática del Líquido
Nota: El diámetro del estanque no influye en la medición.
Aplicaciones de nivel en estanques abiertos
El transmisor va instalado con la cámara de alta presión (H) a la toma de proceso del estanque, y con el lado de baja presión (L) a la atmósfera. La presión hidrostática del líquido ejerce una fuerza sobre el diafragma del transmisor, lo que constituye una medida directa de nivel. El efecto de la presión atmosférica es cancelado porque esta presión es aplicada en ambas cámaras del transmisor. Como se muestra en la siguiente figura.
Instalación estanque abierto
Transmisor
de presión diferencial instalado en estanque abierto
Aplicación en estanques cerrados
La conexión de la cámara de alta se realiza montando el transmisor en la toma inferior del estanque. Una pierna o línea de compensación se conecta al lado de baja del transmisor y cercana a la parte superior de estanque para anular el valor de la presión interna. Existen dos tipos de instalaciones para la medición de nivel en estanques cerrados: Pierna seca: en esta instalación la línea que va conectada a la cámara de baja presión del transmisor esta vacía. Es muy importante asegurar que esta pierna esté completamente libre de líquido (pierna seca) para evitar errores en la medición. Pierna Húmeda: en esta instalación la línea que va conectada a la cámara de baja presión del transmisor esta llena con un liquido que no afecta mi proceso ( agua, glicerina).Esto se puede apreciar en las siguientes figuras.
Instalación con Pierna Seca (Dry Leg)
Transmisor
de presión diferencial - Instalación con
Pierna Seca
en estanque cerrado
