CURSO INSTRUMENTACION

Instrumentación Industrial para Técnicos de Plantas de Proceso de Petróleo y Gas.

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2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

50

F1

100

F2

150

200

250

F3

Hon e ywe l

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INTRODUCCION Desde hace unos años los sistemas de instrumentación sólo se consideraban un medio para mantener en operación un determinado proceso. Estos sistemas de instrumentación se vieron obligados a evolucionar tecnológicamente debido principalmente a: 1. Regulaciones Ambientales 2. Mantener y mejorar la calidad del producto 3. Mejorar la supervisión de los procesos www.secca.com.ve

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Tópicos de Presentación 1

2

Medición de Variables de Procesos Fundamentos de Medición Medición de Presión Medición de Temperatura Medición de Flujo Medición de Nivel Normas de Representación de Instrumentos

3

Válvulas de control

4

Teoría de Control

5

FieldBus www.secca.com.ve

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Tópicos de Presentación 1

Medición de Variables de Procesos Fundamentos de Medición Medición de Presión Medición de Temperatura Medición de Flujo Medición de Nivel

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FUNDAMENTOS DE MEDICION ‰ Procesos ‰ Tipos de Variables ‰ Elementos primarios ‰ Transmisores ‰ Controladores ‰ Elemento final de Control ‰ Tipos y Unidades de Medición ‰ Clasificación de los Instrumentos

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•Procesos

Válvula Automática

Controlador

Flujo de Entrada Flujo de Salida

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•Variables de Control ¾ Controlada ¾ Manipulada ¾ De Perturbación

Nivel deseado Controlador

Válvula Automática

Tanque de agua

Nivel Real

Flotador

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TERMINOS RELACIONADOS CON LA SEÑAL DE CAMPO Y MEDIDA

Variable medida Es una cantidad física o condición que está siendo medida. Ejemplo: Temperatura, Flujo, presión, Nivel, etc. Señal Medida Es una variable eléctrica o neumática. Ejemplo: En un termopar la señal medida es una fuerza electromotriz, la cual es el análogo eléctrico de la temperatura. Rango de un Instrumento (Campo de Medida) Es el conjunto de valores de la variable medida comprendidos dentro de los limites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión de un instrumento. www.secca.com.ve

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Amplitud (Span) Es la diferencia algebraica entre los valores o limites superiores e inferiores del rango de un instrumento. Precisión: Es la conformidad de un valor indicado con respecto a un valor real bajo condiciones de referencia. Puede expresarse en varias formas: 4Como un tanto % del Span. Ej ± 0,1 % del span 4 En unidades de la variable medida Ej ± 1°F 4 Como un tanto % de la lectura actual

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Sensibilidad: Es la señal mínima a la cual el instrumento responde. Puede expresarse como: 4 Tanto por ciento de la amplitud. Ej 100°C a 300°C ±0,05%.

Rangoabilidad: Es el cociente entre el valor máximo del rango y el valor mínimo. En el ejemplo anterior es 300/100=3

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Señal Analógica Es una señal que está limitada por un nivel superior y uno inferior pudiendo tomar cualquier (infinitos valores) entre dichos niveles.

Señal Digital Es una señal que solo puede tomar un número finito de valores. La mas usada es la señal binaria (0 o 1).

Modems Modulador-Demodulador. Este instrumento permite que los sistemas digitales se comuniquen a través de medios telefónicos www.secca.com.ve

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TERMINOS RELACIONADOS CON LA SEÑAL DE CAMPO Y MEDIDA

Rangos Típicos

Rango

0

+100

20

+100

-25

0

+100

-100

0

-100

-20

Valor Mínimo

Valor Máximo

Amplitud o Span

0 a 100

0

+100

100

20 a 100

20

+100

80

-25 a 100

-25

+100

125

-100 a 0

-100

0

100

-100 a -20

-100

-20

80

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ELEMENTOS PRIMARIOS

MECANICOS •Tubo de Bourdon tipo C • Tubo de Bourdon Helicoidal • Tubo de Bourdon espiral • Flotadores

ELECTRICOS • Termopares • Termoresistencias • Celdas capacitivas • Piezoeléctricos

Definición: Es la parte de la unidad de medición que está en contacto con el proceso y convierte la energía de la variable en una señal adecuada para su medición www.secca.com.ve

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TIPOS DE TUBOS BOURDON Funcionan bajo el principio mecánico de que un tubo enrollado, cerrado por un extremo tiende a enderezarse cuando por el otro extremo del tubo se le aplica un gas o liquido bajo presión

A.- Tipo C

B.- Tipo Espiral

C.- Tipo Helicoidal www.secca.com.ve

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ELEMENTOS PRIMARIOS ELECTRICOS Esquema de Termopares

Junta de Medición

+ Termopar

Junta de Referencia

La “junta de medición” o “junta Caliente” es el extremo que se coloca en el medio cuya temperatura se quiere medir . La “junta de referencia” o “Junta fría” es el extremo del termopar que se conecta a los terminales del instrumento de medición. Materiales: Hierro-Constantán

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Esquema de Termoresistencias (RTD) Tapa

Entrada para Conexión del el conduit cabezal

Rosca para montaje (Tipico 1/2” NPT)

Longitud sensible (Tipico 1”)

Rt = Ro(1+αT)

Termopozo

Alambres del elemento sensor Aislante de ceramica

El principio de operación de los detectores de temperatura tipo resistencia (RTD) está basado en el hecho de que la resistencia eléctrica de los metales varía directamente con la temperatura. Materiales utilizados son: plata, Tungsteno, Cobre y Oro. www.secca.com.ve

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Esquema de Celdas Capacitivas

En este caso, el elemento sensor es un diafragma que está en contacto con la presión del proceso.

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Esquema de Sensores Piezoresistivos Presión

Amplificador

Los elementos piezoeléctricos son materiales cristalinos que, al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica, tales como cuarzo y titanato de bario.

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TRANSMISORES Neumáticos y Electrónicos

Los transmisores son sistemas de transmisión remota para enviar mediciones de presión o de diferencial de presión, sobre distancias relativamente largas y pueden ser neumáticos (a) o electrónicos (b). www.secca.com.ve

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Transmisores Electrónicos Inteligentes

Estos transmisores poseen incorporados microprocesadores para mejorar la precisión y capacidad de comunicación. El resultado es que se obtiene los siguientes resultados: Applications for the Model 3051 Transmitter Accuracy

+/- 0.075% of span o Amplitud

Rangeability

100:1

Output 4-20 mA dc with HART Protocol www.secca.com.ve

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Cálculo de Variables Entrada / Salida en Transmisores 4-20 mA ¾ De variable medida a señal medida:

mA = 4mA +

(16mA) (Variable − L INF . RANGO ) (Span )

¾ De señal medida a variable medida:

Variable = LINF .RANGO +

(Span ) (mA − 4mA) (16mA)

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Ejercicios de Conversión Entrada / Salida en Tx:

1. Se tiene un transmisor electrónico de presión con rango de salida 4-20 mA y está calibrado para una entrada de 0-750 psi, si la variable de proceso está actualmente en 524 psi, ¿cual deberá ser la salida del Tx?. 2. Se tiene un transmisor electrónico de temperatura con rango de salida 4-20 mA y está calibrado para una entrada de 50500 ºF, si la salida del Tx está actualmente en 10,26 mA, ¿cual es la valor de la temperatura medida?.

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CONTROLADORES

Los controladores son los que reciben la información del transmisor, la comparan con un valor preestablecido, llamado comúnmente set point y envía una señal de corrección en función de la desviación al elemento final de control. www.secca.com.ve

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ELEMENTO FINAL DE CONTROL

Setpoint

+ -

Controlador

Elemento Final

PROCESO

Transmisor

Es la parte de los medios de control que modifica directamente la variable manipulada. 4Válvulas de control 4 Bombas dosificadoras accionadas por actuadores neumáticos o electrónicos 4 Actuadores de velocidad variable que gobiernan la velocidad de bombas centrifugas, ventiladores, compresores, etc.

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TIPOS DE MEDICION Medición Directa

Medición Indirecta

La medición directa: consiste en comparar una magnitud desconocida con otra de la misma naturaleza establecida como patrón. La medición indirecta (Inferencial): es aquella en la que se establece, generalmente, una relación proporcional entre la variable que es medida (real) y otra inferida. www.secca.com.ve

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UNIDADES DE MEDICION

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CLASIFICACION DE LOS INSTRUMENTOS INSTRUMENTOS DE MEDICION Y CONTROL Según la variable: Presión, Flujo, Nivel, Temperatura, Velocidad, Humedad y PH Según la Energía: Mecánicos, Neumáticos, Electrónicos, Hidráulicos y combinaciones.

Eléctricos,

Según la función: Indicadores, Registradores, Transmisores, controladores y convertidores.

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MEDICION DE PRESION ‰ Definición ‰ Tipos de Presión ‰ Instrumentos de Medición de Presión ‰ Patrones de Calibración ‰ Tipos de Errores de Medición ‰ Reguladores de Presión ‰ Interruptores de Presión ‰ Válvulas de Seguridad

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Tipos de Presión

P = AF

Términos para expresar la medición de presión: Presión Absoluta, Presión Manométrica, Presión de Vacío y Presión Hidrostática Presión A Presión Presión

Diferencial

Manométrica

Presión Atmosférica

Presión Absoluta

Presión B

Presión Negativa (Vacío)

Cero Absoluto

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Unidades

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Instrumentos de Medición de Presión Indicadores

Los Indicadores locales tienen la caracteristica de poder conectarse directamente al proceso. www.secca.com.ve

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Instrumentos de Medición de Presión Tipos de Manómetros

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Registradores

Se utilizan para grabar sobre una grafica la información del comportamiento de la presión durante un tiempo determinado. www.secca.com.ve

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Patrones de Calibración

(a)

(b)

(c)

Son equipos para calibrar instrumentos que midan presiones manométricas positivas, negativas y diferenciales. www.secca.com.ve

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Errores de los Instrumentos (A)

(B)

100%

L Inst. Bien

Error de

E C Calibrado T U 50% R A

Cero

0

(C)

100%

50%

100 %

INTERVALO DE MEDIDA

Error de 100%

L E C T U R A 0% 0

VARIABLE REAL

(D)

100%

Error de 100% Angularidad

Mult. L E C T U R A

L E C T U R A

0% 0

VARIABLE REAL

100%

0

100% VARIABLE REAL

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Corrección de Errores en Manómetros

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Reguladores de Presión

El regulador de presión es un instrumento auto-operado, es decir, que no necesita energía externa para trabajar. Características: Material de construcción, temperatura de operación, Capacidad de flujo y Máxima presión de Trabajo. www.secca.com.ve

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Interruptores de Presión

Los interruptores son Instrumentos utilizados para la proteccion de equipos Industriales. www.secca.com.ve

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Válvulas de seguridad (a) Operada por Resorte 4

(b) Operada por Piloto

4

4 Abren a 100% ante cualquier exceso de Se calibran en talleres por lo que amerite su desmontaje presión

4

Es resistente a altas temperaturas

4

Son de capacidad fija de desalojo

Abren proporcionalmente al exceso de presión

4 Requieren solo la calibración del piloto, por lo que no se necesita desmontarla completamente. 4 No son resistentes a altas temperaturas 4 Su capacidad de desalojo puede variarse.

Es un dispositivo utilizado para proteger los recipientes que trabajan bajo presión y se ajustan por encima del valor de operación normal. www.secca.com.ve

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MEDICION DE TEMPERATURA ‰

Escalas de Temperatura

‰ Instrumentos de Medición ‰ Termopar ‰ Termopozos ‰ Comparacion entre Sensores

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ESCALAS DE TEMPERATURA Celcius, Fahrenheit, Kelvin, Rankin

-273,16

0

100

°C

0

273,16

373,16

°K

-459,69

32

212

°F

0

491,69

673,69

°R

Cero Absoluto

Punto de

Punto de

Congelación de

ebullición del

agua a P. atm.

agua a P. atm.

Equivalencias: °C = 5/9 (°F-32) °F = 9/5(°C) + 32 www.secca.com.ve

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INSTRUMENTOS DE MEDICION DE TEMPERATURA Termómetros De Vidrio

Bimetálicos

Sistemas llenos

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TERMOPARES

Los rangos mostrados se refiere al recomendado para la cual existe una relación aproximadamente lineal entre la temperatura y la fem generada. www.secca.com.ve

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Comparación entre Sensores

TERMOPAR V O L T A J E

V E N T A J A S

TEMPERATURA

R E S I S T E N C I A

RTD

TEMPERATURA

4SIMPLE

4 MAS ESTABLE

4 ROBUSTA

4 MAS EXACTA

4ECONOMICA

4MAS LINEAL

R E S I S T E N C I A

TERMISTOR

TEMPERATURA

4SEÑAL DE SALIDA ALTA

4RANGOS AMPLIOS www.secca.com.ve

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Comparación entre Sensores

TERMOPAR

D E S V E N T A J A S

V O L T A J E TEMPERATURA

4NO LINEAL 4 BAJO VOLTAJE 4MENOS ESTABLE 4MENOS SENSIBLE

RTD

R E S I S T E N C I A

TEMPERATURA

4 COSTOSA 4 LENTA 4POCA VARIACION EN LA RESISTENCIA 4 AUTOCALENTAMIENTO

R E S I S T E N C I A

TERMISTOR

TEMPERATURA

4NO LINEAL 4 TEMP. LIMITADA DE 100 A 400 CENT. 4 AUTOCALENTAMIENTO www.secca.com.ve

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TERMOPOZOS

La utilización de un termopozo, a pesar que introduce retardos en la medición, es recomendable para proteger el elemento sensor de la corrosión, erosión y altas presiones. www.secca.com.ve

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MEDICION DE FLUJO ‰ Tipos de Flujo ‰ Unidades de Medición ‰ Factores que afectan el Flujo ‰ Instrumentos de Medición de Flujo ‰

Por Presión Diferencial

‰ Venturi ‰ Tobera ‰ Pitot ‰ Por Desplazamiento Positivo ‰ De Turbina ‰ Por Ultrasonido ‰ De Flujo Variable ‰ Por Efecto Coriolis www.secca.com.ve

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Tipos de Flujo Flujo Laminar

Flujo Laminar

Flujo

Uniforme

No Uniforme

Turbulento

La medición de flujo es uno de los aspectos más importantes en el control de procesos y es una de las variables más medidas. Es el flujo que regularmente se quiere tener, ya que con él se reduce el error en la medición de caudales. www.secca.com.ve

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Unidades de Medición Liquidos Galones por minuto (G.P.M.) Litros/seg Barriles/dia

Gases

Vapores

Ft3/Hora, Ft3/dia

Libras/hora

M 3/dia, M 3/hora

Ton/hora, Ton/dia

cm 3/min

Kilo/hora

Unidad

Equivalencia

1 pie 3 /min

7,4805 G.P.M.

1 G.P.M.

3,75 L.P.M.

1 Barril/H

42 G.P.H.

1 Kg/H

2,205 Lb/H

3

35,28 pie /dia

1 m /dia

3

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Factores que afectan el Flujo ‹ La Velocidad Se aplica al flujo de fluido en tuberías y se refiere a la velocidad promedio del fluido, ya que varía de acuerdo a cada sección transversal de tubería.

‹La fricción del fluido en contacto con la tubería La fricción de la tubería reduce la velocidad del fluido, por lo tanto, se considera un factor negativo. Debido a esta fricción, la velocidad del fluido es menor cerca de la pared que en el centro de la tubería.

‹La Viscosidad La viscosidad es una medida cuantitativa de la tendencia del flujo a resistir la deformación. Los fluidos que fluyen libremente tienen viscosidades bajas; los fluidos que parecen resistir a fluir libremente tienen viscosidades altas. www.secca.com.ve

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Factores que afectan el Flujo (Continuación) ‹La densidad (Gravedad Específica) La densidad de una sustancia se define como su peso por unidad de volumen. La densidad de los gases y vapores es mayormente afectada por los cambios de presión y temperatura. La gravedad especifica (SG) de un fluido es la relación de su densidad con respecto a una densidad patrón. El patrón para liquido es el agua (ρ = 1 gr/cm3 a 4°C y 1 atm). El patrón para gases es el aire (ρ = 1.29 gr/lt a 0°C y 1 atm)

‹ La Presión y Temperatura El método más comun de medición de flujo, el método de diferencial de presión, asume que tanto la presión y temperatura del fluido son constantes. En algunas aplicaciones esta suposición es valida, en otras es necesario hacer compensaciones. www.secca.com.ve

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Instrumentos de Medición de Flujo Medidores Diferenciales z Económico z Sencillo z De fácil Instalación z Bajo costo de mantenimiento z Sirve para líquidos y gases zQ=K

H, Líquidos

z Q = C´

Pd.Peabs, AGA-3

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Elementos Primarios para Medidores Diferenciales Placa Orificio

Entrada del Fluído

Fluidos Limpios Con sólidos en suspension o vapor

La Placa Orificio consiste en una placa perforada e instalada en la tubería. β = d/D Generalmente se construye de acero inoxidable con un espesor que oscila entre 1/8 y 1/2 pulgada. Otros tipos de materiales tales como Monel, Niquel, Hastelloy se utilizan cuando se necesita prevenir la corrosión. www.secca.com.ve

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Elementos Primarios para Medidores Diferenciales Tipos de Tomas “

H

D

1

“

1

0.3 a 0.8D

L D

Toma de vena contracta

1

“

1

“

H

L

2½D

8D

D

Toma de bridas Toma de tubería

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Cálculo de Placa Orificio Software Orifice

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Requerimientos Mínimos de Tubería Recta para Placas de Orificio

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Instalación de Transmisor en la Placa Orificio de acuerdo al Servicio

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Elementos Primarios para Medidores Diferenciales (Continuación) Tubo Venturi

El tubo venturi se utiliza para medir flujo de líquidos y gases cuando se quiere minimizar la pérdida de presión. El medidor de flujo venturi puede medir hasta un 60% mas de flujo que una placa de orificio pero so costo es de aproximadamente 20 veces más a las de una placa orificio. www.secca.com.ve

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Elementos Primarios para Medidores Diferenciales (Continuación) Cajas de Orificio

Las cajas de orificio son accesorios que permiten introducir o sacar la placa de orificio en la línea del proceso. www.secca.com.ve

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La Tobera

La Tobera puede considerarse como una variación de tubo venturi. Se utiliza cuando la turbulencia es alta Re>50000 www.secca.com.ve

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Tubo Pitot

El tubo mide dos presiones simultáneamente presión de impacto (Pt) y presión estática. www.secca.com.ve

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Registradores de Flujo

Los registradores de presión diferencial son muy utilizados en las operaciones de producción en el proceso de medición de flujo de gas natural. www.secca.com.ve

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Lectura de Datos en Discos Cuadráticos (0-10) de Registradores

PDIF

L2DIF .RangoDIF = 100

Presión Diferencial

PEST

L2EST .RangoEST = 100

Presión Estática

Q = C.LDIF .LEST

Q = C.LDIF . L2EST +

1470 RangoEST

Flujo con compensación de presión atmosférica en el registrador.

Flujo sin compensación de presión atmosférica en el registrador.

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Ejercicios de Lectura de Flujo en Discos Cuadráticos 1.

En un medidor de flujo de gas por placa orificio con disco de raíz cuadrada, que está compensado para la presión atmosférica, y se tiene que la plumilla roja indica 7.6 puntos y la azul 4.2 puntos, si la constante del medidor es 321,258 mpcnd y el resorte de 100 psi, determinar el flujo resultante.

2.

En un medidor de flujo de gas por placa orificio con disco de raíz cuadrada, que no está compensado para la presión atmosférica, y se tiene que la plumilla roja indica 6.8 puntos y la azul 4.9 puntos, si la constante del medidor es 125,457 mpcnd y el resorte de 100 psi, determinar el flujo resultante

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Instrumentos de Medición de Flujo Medidores de Desplazamiento Positivo

Son dispositivos que separan la corriente de flujo en segmentos volumétricos individuales. Un volumen conocido de fluido se aísla mecánicamente en el elemento del medidor y es transportado desde la entrada de éste hasta su salida, llenando y vaciando alternadamente la cámara del medidor. www.secca.com.ve

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Instrumentos de Medición de Flujo Volumétricos Medidores de Turbina

El medidor de turbina trabaja aprovechando la velocidad del fluido para hacer girar un rotor. El fluido transfiere energía cinética al rotor haciéndolo dar vueltas a una velocidad angular determinada. www.secca.com.ve

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Medidores de Flujo de Área Variable Dt P2

Df

Tubo

Orificio Anular Flotador

P1

El rotámetro varía el área de la restricción para mantener una caída de presión constante. www.secca.com.ve

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Instrumentos de Medición de Flujo Medidores Ultrasónicos Tiempo de Viaje

V=

1 ⎛L ⎞ ⎜ t −C ⎟ Cosφ ⎝ 0⎠

Tipo Doppler

V=

L∆f 2Cosφ

T= tiempo de viaje C0= Velocidad del sonido en el fluido( En agua 1481 m/s a 20°C) L= Distancia entre transmisor y receptor φ = Angulo entre dirección de flujo y la dirección de la onda de sonido www.secca.com.ve

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Instrumentos de Medición de Flujo Medidores de Coriolis

4Mide el flujo de masas directamente 4 Las variaciones de temperatura y presión no afecta la medición de la masa. 4 Posee alta precisión 4 Tiene elevada velocidad de respuesta www.secca.com.ve

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Principio de Operación para medir Densidad

La relación entre la masa y la frecuencia natural determina la densidad de fluido. Para ello se considera el efecto masa resorte. A mayor masa menos frecuencia de oscilación y a menor masa mayor frecuencia de oscilación.

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Principio de Operación para medir Densidad

La densidad del proceso puede ser derivada de la frecuencia natural de oscilación del sensor y esta es tomada de la bobina de carga del lado izquierdo. Como es mas fácil medir tiempo que cantidad de ciclos el equipo contabiliza la cantidad de tiempo o período del tubo. La densidad es directamente proporcional al período del tubo. www.secca.com.ve

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Principio de Operación para medir Densidad

Cada sensor transmisor es calibrado usando la densidad del aire y agua.

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Cálculo de Medidor de flujo Másico Software MMI 3.0

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Medidor de Vórtices o Torbellinos

También llamados tipo Vortex, esta basado en la medición de la frecuencia de oscilación de los vórtices que se crean detrás de un obstáculo colocado en la corriente de un fluido.

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Uniformización del flujo

Tubos de guía soldados tangencialmente

Aletas de Guía.

Instalación de tubo de guía. www.secca.com.ve

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MEDICION DE NIVEL ‰Instrumentos de Medición de Nivel z Por Flotación z Por Presión Hidrostática z Por Presión Diferencial z Por Ultrasonido z Por Radar ‰ Sistemas de Protección de Nivel

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INSTRUMENTOS DE MEDICION DE NIVEL MEDICION DIRECTA

La medición de nivel puede definirse como la determinación de la posición de una interfase que existe entre dos medios. www.secca.com.ve

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MEDICION DIRECTA (Continuación) Por Flotación Mínimo Nivel Escala Máximo Nivel

(a)

(b) www.secca.com.ve

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INSTRUMENTOS DE MEDICION DE NIVEL MEDICION INDIRECTA (Inferencial) Por Presión Hidrostática

Por Presión Diferencial

P H

Pe

H

P

=

h =

PE P PE

× h

Pe

Atmósfera H || L

P = Presión PE = Peso Específico h = altura

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INSTRUMENTOS DE MEDICION DE NIVEL MEDICION INDIRECTA (Continuación) Presión Manométrica Presión Diferencial

Montaje con Brida

Cortesía Fisher-Rosemonut www.secca.com.ve

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MEDICION INDIRECTA (Inferencial) EJEMPLO TANQUES ABIERTOS Supresión de cero

20

x

mA Y H

LT

L

4 0”

SEA

90”

540” WC

X = 500 Pulgadas Y= 100 Pulgadas SG= 0.9 h= Máximo cabezal de presión en pulgadas de agua I=Cabezal de presión producido por i www.secca.com.ve

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MEDICION INDIRECTA (Inferencial) EJEMPLO TANQUES CERRADO Elevación de cero

20

z

x Y H

LT

mA 4

L -610”

SEA

X = 500 Pulgadas Y= 50 Pulgadas z= 600 Pulgadas

-110”

0” WC

h= Máximo cabezal de presión en pulgadas de agua I=Cabezal de presión producido por I

SG1= 1.0

S= Cabezal de presión producido por z

SG2=1.1

Rango= i-s hasta h+I-S www.secca.com.ve

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MEDICION INDIRECTA (Inferencial) EJEMPLO TANQUES CERRADO Elevación de cero

20

z

x Y H

LT

mA 4

L

” WC SEA

X = 25 Pies Y= 5 Pies z= 33 Pies SG1= 0.65

Determinar el Rango. Resolver por los participantes en clase

SG2=1.1 www.secca.com.ve

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MEDICION INDIRECTA (Inferencial) Por Ultrasonido LECTURA CONTADOR TRANSMISOR OSCILADOR

BLOQUEADOR

Transductor Superficie de Reflexión

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MEDICION INDIRECTA (Inferencial) Por Radar UNIDAD DE UNIDAD ELECTRONICA

INDICACION

DE MICROONDAS

ANTENA TIPO PARABOLICA

Sensor de Temperatura

RADARES CON ANTENA TIPO CORNETA

La señal reflectada por la superficie del líquido en el recipiente tiene una frecuencia diferente a la de la señal transmitida. www.secca.com.ve

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Aplicación para Tk’s de Techo Fijo y Flotante

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Sistemas de Protección de Nivel Interruptores de Nivel Por Flotación

Ventajas: Fácil Instalación, No requiere Calibración, Adecuado a altas temp.(530°C) y presiones hasta 5000 Psig, No lo afecta la turbulencia y espuma en la superficie. www.secca.com.ve

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Sistemas de Protección de Nivel (Continuación) Interruptores de Nivel Por Desalojador

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Especificación de Instrumento de Nivel Determinar las especificaciones del siguiente transmisor Rosemount:

¾ 3051L3AB2JD21AAE5M5T1

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Tópicos de Presentación 1

Medición de Variables de Procesos Fundamentos de Medición Medición de Presión Medición de Temperatura Medición de Flujo Medición de Nivel

2

Normas de Representación de Instrumentos

3

Válvulas de control

4

Teoría de Control

5

FieldBus www.secca.com.ve

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NORMAS DE REPRESENTACION DE INSTRUMENTOS ‰SIMBOLOS E IDENTIFICACION DE INSTRUMENTOS

NORMA ISA S5.1 ‰SIMBOLOS E IDENTIFICACION DE INSTRUMENTOS

NORMA ISA S5.3

‰Interpretación de PID´S

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ISA •La Sociedad de Instrumentación de los Estados Unidos (ISA: Instrument Society of America). •Es una de las organizaciones mas importantes que han dedicado esfuerzo en la normalización del campo de Instrumentación. •Ella tiene por objeto establecer sistemas de designación (código y símbolos) de aplicación a las industrias químicas, petroquímica, aire acondicionado, etc. www.secca.com.ve

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SIMBOLOS E IDENTIFICACION DE INSTRUMENTOSNORMA ISA S5.1

Señales de Transmisión (*) AS Alimentación de Aire ES Alimentación Eléctrica GS Alimentación de gas HS Alimentación de nitrógeno SS Alimentación de vapor WS Alimentación de agua ** Se aplica también a cualquier señal que emplee gas como medio de transmisión. Si el gas es diferente al aire se debe identificar. *** Los fenómenos Electromagnéticos incluyen calor, ondas de radio, radiación nuclear y luz.

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SIMBOLOS E IDENTIFICACION DE INSTRUMENTOSNORMA ISA S5.1

Nomenclatura LETRAS

Primera Letra Variable

Letra Sucesiva Función

C D L P

Conductividad Densidad Nivel Presión o Vacío

T V

Temperatura Viscosidad

Control Diferencial ------------Punto de Prueba Transmisión Válvula www.secca.com.ve

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T

R

Primera letra

C

Letras Subsiguientes

Identificación de la Función del Instrum.

2

A

# Lazo

Sufijo

Identificación del Lazo

IDENTIFICACION DEL INSTRUMENTO 4 Identificación común para todos los instrumentos del mismo lazo 4 El numero de Identificación del instrumento (Tag) puede incluir información codificada para designar el área de la planta 4 Cada Instrumento puede ser representado en diagramas por medio de un símbolo. www.secca.com.ve

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FT PT

LT

TT

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4La identificación de la función de un instrumento debe ser hecha utilizando las letras de la tabla. 4La identificación de la función de un instrumento debe hacerse de acuerdo a su función y no de su construcción. Ej Un registrador de diferencial de presión utilizado para medir flujo FR 4 La primera letra de la identificación debe seleccionarse de acuerdo a la variable medida y no de la manipulada. Ejemplo una válvula de control que varía el flujo de acuerdo a la señal de control suministrada por un controlador de Nivel es un LV no un FV. www.secca.com.ve

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1. Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente en un proyecto. Ej N modulo de Elasticidad y como sucesiva osciloscopio. 2. Letra sin clasificar X. Se emplea en designaciones no indicadas que se utilicen solo una vez o un numero limitado de veces. Ej XR-3 3. Cualquier primera letra si se utiliza con las letras de modificación D (Diferencial), Q (Integración) cambia su significado para representar una nueva variable medida. Ejemplo TDI y TI miden dos variables distintas. 4. La letra A para análisis es conveniente definir el tipo de análisis 5. El empleo de la letra U es opcional en lugar de combinación de primeras letras. Ejemplo FQI www.secca.com.ve

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6. El empleo de los términos de modificaciones alto, bajo, medio o intermedio y muestreo es preferible pero opcional. 7. El termino seguridad debe aplicarse solo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra condiciones de emergencia. Ejemplo Válvula autorreguladora de presión para alivio PCV pero si es para condiciones de emergencia PSV. 8.

La función pasiva Glass se aplica a instrumentos que proporcionan visión directa.

9.

El termino indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso.

10. Una luz piloto que es parte de un lazo de control debe designarse por una primera letra seguida de la letra sucesiva L Ejemplo KL Luz que indica un período de tiempo www.secca.com.ve

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11. El empleo de U como multifunción en lugar de combinación de letras es opcional 12. Las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirá al lado del símbolo cuando sea conveniente. LY 13. Los términos alto, bajo deben corresponder a valores de la variable medida no a los de la señal. Ejemplo Alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor de nivel de acción inversa debe designarse LAH aun cuando la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor. 14. Los términos alto y bajo cuando se aplican a válvulas se definen como: Alto: Indica posición de apertura Bajo: Denota posición cerrada. www.secca.com.ve

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SIMBOLOS E IDENTIFICACION DE INSTRUMENTOS NORMA ISA S5.1

Señales de Ubicación Símbolo

Instrumento instalado Localmente (en el campo) En el panel principal

Detrás del panel principal En el panel auxiliar En el campo para dos variables Controlador logico programable (PLC) Sistema de control distribuido

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4Los símbolos pueden ser dibujados en cualquier dirección siempre y cuando sean nítidos y legibles. 4De la misma forma, las líneas de señales pueden ser dibujadas en un diagrama entrando o saliendo de la parte apropiada del símbolo con cualquier ángulo. 4Flechas de dirección de señales pueden ser añadidas para aclarar la dirección del flujo. 4La alimentación neumática, eléctrica o de otro tipo, no tiene que ser mostrada a menos que sea esencial para comprender la operación del instrumento o lazo. 4En general una sola línea de señal es suficiente para representar la interconexión entre dos instrumentos en un diagrama de flujo, aún cuando ellos puedan estar conectados físicamente por más de una línea. www.secca.com.ve

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SIMBOLOS E IDENTIFICACION DE INSTRUMENTOS NORMA ISA S5.1

Elementos Primarios Presión

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SIMBOLOS E IDENTIFICACION DE INSTRUMENTOS NORMA ISA S5.1

Elementos Primarios Flujo

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SIMBOLOS E IDENTIFICACION DE INSTRUMENTOS NORMA ISA S5.1

Elementos Primarios Nivel

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SIMBOLOS E IDENTIFICACION DE INSTRUMENTOS NORMA ISA S5.1

Elementos Primarios Temperatura

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SIMBOLOS E IDENTIFICACION DE INSTRUMENTOSNORMA ISA S5.1

Elementos Primarios Cuerpos de Válvulas

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SIMBOLOS E IDENTIFICACION DE INSTRUMENTOSNORMA ISA S5.1

Elementos Primarios Actuadores

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SIMBOLOS E IDENTIFICACION DE INSTRUMENTOS NORMA ISA S5.1

Elementos Primarios Instrumentos Autorregulados

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SIMBOLOS E IDENTIFICACION DE INSTRUMENTOSNORMA ISA S5.3 Sistemas de control Distribuido, Sistemas lógicos y Computarizados ¾ Enlace del Sistema ¾ Sistema de Control distribuido

Accesible al operador ¾ Dispositivo de Interfase

Auxiliar al operador ¾ Dispositivo No accesible

al operador ¾ Simbología Computador

Indicador/Controlador/Regist. Accesible al Operador www.secca.com.ve

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NORMAS DE REPRESENTACION DE INSTRUMENTOS Interpretación de PID´s PAH PAL dp/dt

PIC

PY

FIC

101

101

102

PDA PT

FT

101

102

E/H

PAH: Alarma alta presión PAL: Alarma baja Presión dp/dt: Tasa de Cambio PDA: Desviación del set-Point

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NORMAS DE REPRESENTACION DE INSTRUMENTOS Interpretación de PID´s

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NORMAS DE REPRESENTACION DE INSTRUMENTOS Interpretación de PID´s

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Separador de crudo Salida Seguridad Salida Gas Producción

SG-01

Diseñar: 1. Control de Nivel 2. Control de Presión

Entrada

3. Medición de Flujo de producción gas y crudo

Crudo Valvula de Control

4. Protecciones de Seguridad 5. Variables requeridas Operaciones

para

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Topicos de Presentación SERVICIOS SECCA, C.A.

1

Medición de Variables de Procesos Fundamentos de Medición Medición de Presión Medición de Temperatura Medición de Flujo Medición de Nivel

2

Normas de Representación de Instrumentos

3

Válvulas de control

4

Teoría de Control

5

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Contenido

4Definición 4Componentes 4Tipos de Válvulas de Control 4Conceptos Técnicos 4Selección y Dimensionamiento

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4Válvula de Control: Es el elemento final de control más común en la industria, y consiste en dispositivo mecánico con un orificio cuya área transversal puede variar según una señal de mando, controlando así el flujo a través del mismo. qi LIC LT

q0 FO

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Componentes

4Cuerpo:

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4Actuador:

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4Trim o Conjunto Tapón (o disco o bola) y Asiento:

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4Vástago, Bonete, Empaques y Sellos:

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Componentes VÁSTAGO

SELLOS BONETE EMPACADURA CUERPO ASIENTO

TAPÓN

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4Accesorios:

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4Posicionador

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4Convertidor corriente / presión (I/P):

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4Posicionadores Inteligentes:

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4Multiplicadores / Boosters:

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ENTRADA DIAFRAGMAS PUERTO DEL VENTEO

TORNILO DE AJUSTE BY-PASS BY-PASS

VENTEO PUERTO DEL SUPPLY SUPPLY

SALIDA

4Interruptores de límite:

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4Válvulas solenoide:

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4Reguladores de presión para Supply:

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Tipos de Válvulas de Control y Actuadores

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4Configuración Según su Acción: 4Falla abierta (aire para cerrar) 4Falla cerrada (aire para abrir) 4Según su Construcción 4Reciprocantes 4Rotativas

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4Válvulas Reciprocantes:

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4Válvula de globo 4Simple asiento 4Doble asiento 4Válvula de jaula 4Válvula de cuerpo dividido 4Válvula de cuerpo angular 4Válvula de tres vías 4Válvula tipo Saunders 4Válvula de aguja www.secca.com.ve

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4Válvulas Rotativas: 4Válvulas de bola 4Válvulas de mariposa 4Convencionales 4De alto desempeño 4Válvulas de tapón excéntrico rotativo

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4Tipos de Actuadores: 4Neumáticos 4De diafragma 4Tipo pistón 4Doble acción 4Eléctricos 4Electro - Hidráulicos

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4Falla abierta (aire para cerrar) :

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ENTRADA DE AIRE

VENTEO VENTEO

ENTRADA DE AIRE

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4Falla cerrada (aire para abrir) :

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ENTRADA DE AIRE

VENTEO VENTEO

ENTRADA DE AIRE

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4Válvula de globo:

Simple Asiento (no balanceada)

Doble Asiento (balanceada) www.secca.com.ve Válvulas de Control

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4Válvula de jaula:

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4Válvula de cuerpo dividido:

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4Válvula de cuerpo angular:

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4Válvula de tres vías:

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4Válvula tipo Saunders:

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4Válvula de aguja:

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4Válvula de bola:

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4Válvula de mariposa (convencional):

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4Válvula de mariposa (alto desempeño):

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4Válvula de tapón excéntrico rotativo (Camflex ®):

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4Actuador de diafragma:

Aire para extender

Aire para contraer www.secca.com.ve

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4Actuador de pistón:

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4De doble acción:

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4Eléctrico:

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4Electro - Hidráulico:

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Conceptos Técnicos

4Característica de Flujo 4Coeficiente de Flujo de la Válvula Cv / Cg 4Perfil de Presiones 4Factor de recuperación de líquidos FL / Cf / C1 4Flujo crítico / Cavitación / Flashing 4Ruido

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4Característica de Flujo Existen tres tipos fundamentales de característica de flujo, los cuales son: 4Lineal 4Apertura rápida 4Igual porcentaje

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4Característica de Flujo

PO I R GU C A EN L TA JE

EA L LI N

PORCENTAJE DE FLUJO %

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A PE R RT A PI U R D A A

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POSICIÓN DE LA VÁLVULA % www.secca.com.ve www.secca.com.ve Válvulas de Control

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4Característica de Flujo:

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APERTURA RAPIDA

LINEAL

IGUAL PORCENTAJE

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4Reglas Empíricas para Seleccionar Características de Válvulas ∆ P de V á lvula

∆ P de V á lvula

S ERV ICIO

m e nor de 2:1

m a yor de 2:1 y m e nor de 5:1

Flujo por orfic io

A pertura rápida

Lineal

Flujo lineal

Lineal

Igual %

Nivel

Lineal

Igual %

Gas a pres ión

Lineal

Igual %

Líquido a pres ión Igual %

Igual %

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Coeficiente de Flujo

4Cv

Se define Cv como la cantidad de galones U.S. por minuto de agua que fluyen a través de una válvula completamente abierta, con una caída de presión de 1 psi en la sección transversal de la misma. Su ecuación básica es:

CV = q

Gf ∆P

q = flujo de líquido, en gpm ∆P = caída de presión en la válvula, en psi G f = gravedad específica del líquido a la temp. que fluye. www.secca.com.ve Válvulas de Control

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4Cv

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Para fluidos compresibles, la ecuación es la siguiente: Q = flujo de gas, scfh T = Temperatura del fluido, en °R

Q GTZ CV = 834C f P1 ( y − 0.148 y 3 )

G = gravedad específica del gas Z = Factor de compresibilidad y=

1.63 ∆P Cf P1

función de compresibilidad www.secca.com.ve Válvulas de Control

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4Cg

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El coeficiente Cg igualmente define la capacidad de flujo de la válvula, pero es aplicada por el fabricante FISHER CONTROLS para el caso de gases o fluidos compresibles. Su ecuación es:

Cg =

Qscfh 520 ⎡ 59.64 ∆P ⎤ P1 ⎢ ⎥ GT ⎣ C1 P1 ⎦ www.secca.com.ve Válvulas de Control

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4Perfil de presiones a través de una restricción

P1 P2 - RECUPERACION ALTA P2 - RECUPERACION BAJA

VENA CONTRACTA

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Factor de Recuperación de Líquidos

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4FL / Cf / Km

Es una expresión adimensional entre 0 y 1 y define la capacidad de la recuperación de presión que puede ocurrir a través de una válvula. 4C1 Igualmente es una expresión adimensional que definen la capacidad de recuperación de presión. Es usada por FISHER CONTROLS para fluidos compresibles. www.secca.com.ve Válvulas de Control

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4Ecuación del Factor de Recuperación de Líquidos Este factor ecuación:

FL =

está

P1 − P2 P1 − PVC

definido

mediante

la

siguiente

P1 = Presión aguas arriba P2 = Presión aguas abajo PVC = Presión en la vena contracta

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Cavitación / Flashing

4Flujo Crítico Condición que se presenta cuando el flujo no es función de la raíz cuadrada de la presión diferencial en la sección de la válvula, sino sólo de la presión de entrada.

4∆ P Crítico Es el valor de la caída de presión a través de la válvula, a partir del cual ocurre el flujo crítico, generándose cambios de fase en el fluido. www.secca.com.ve

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4Flashing o Vaporización Instantánea

P1

PV P2

VENA CONTRACTA

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4Cavitación

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P1

P2 PV

VENA CONTRACTA

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Ruido

4∆ P Crítico en gases

En el caso de gases, cuando la velocidad en la vena contracta alcanza la velocidad sónica, se dice que hay flujo crítico, por lo que depende también de la caída de presión.

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4Ruido en Válvulas de Control.

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El ruido puede definirse como un sonido no deseado, el cual es medido en decibeles (dBA) como unidad de nivel de presión de sonido. La máxima exposición al ruido recomendada es:: DURACIÓN DE LA EX P OS ICIÓN (HRS )

Nive l de Ruido (dBA)

8

90

4

95

2

100

1

105

1/2 1/4 o m enos

110 115 www.secca.com.ve

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4Efecto del Flujo Crítico en el Cálculo de Cv y Cg

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Cuando existe flujo crítico, las ecuaciones para el cálculo de Cv y Cg se modifican para líquidos a:

q CV = Cf

Gf ∆PS

Y para fluidos compresibles::

Q GTZ CV = 834C f P1

Cg =

Qscfh ⎡ 59.64 ∆P ⎤ 520 P1 sen ⎢ ⎥ GT P1 ⎦ rad ⎣ C1 www.secca.com.ve

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4Ejercicio de ∆ P Crítico 1.-Se tiene una válvula de control Camflex II, en la descarga de una bomba de agua. Si la presión de descarga de la bomba es 350 psig, determinar el mínimo valor de P2 antes que exista flujo crítico. La presión crítica del agua es 3198.8 psia y la presión de vapor es 0.9501 psia. Asumir para este tipo de válvula Cf = 0.85.

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Selección y Dimensionamiento de Válvulas de Control

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4Consideraciones de Diseño. 4Dimensionamiento de la Válvula. 4Dimensionamiento del Actuador. 4Manejo de Software de los Fabricantes.

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Consideraciones de Diseño

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4Criterios para el Cálculo.

1.-El dimensionamiento de una válvula de control es el procedimiento mediante el cual se calcula el coeficiente de flujo de la válvula Cv o Cg.

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4Criterios para el Cálculo. 2.-Condiciones de operación mínima, normal y máxima: P ORCENTAJE DE AP ERTURA (%)

CONDICIONES DE P ROCES O

15

M ÍNIM A S

50-60

NORM A LE S

85

M Á XIM A S

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4Criterios para el Cálculo.

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3.-Cuando sólo se dispone de las condiciones normales de operación, se suele estimar como flujo máximo dos veces el flujo requerido, es decir:

qmax diseño = 2qrequerido 4.-Preferiblemente se debe conocer si hay posibilidad futura de incremento de las condiciones de flujo, a fin de evaluar la instalación de trim reducido.

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Dimensionamiento de la Válvula

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1. Tipo de válvula y acción: El primer paso es determinar el tipo de cuerpo de la válvula y el tipo de falla (abierta o cerrada).

2. Dirección de flujo y rating de presión: En función del proceso se determina si la válvula es flujo para abrir o para cerrar. También se determina el rango de presiones que manejará. www.secca.com.ve Válvulas de Control

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3. Característica de flujo:

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Se debe determinar previamente el tipo de característica de flujo si es apertura rápida, lineal o igual porcentaje.

4. Coeficiente de flujo: Se procede a calcular el Coeficiente de Flujo Cv o Cg, según las ecuaciones ya descritas

5. Tamaño de la válvula: Se debe buscar en los catálogos del fabricante el modelo que se adapte a las condiciones de diseño.

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Tabla de capacidades de una válvula:

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Dimensionamiento del Actuador

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4 Ejercicios de dimensionamiento

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Problema 1 En la salida de agua de un equipo deshidratador se va a instalar una válvula para controlar el nivel de interfase crudo-agua, la cual descarga a un sistema de aguas efluentes. Se desea dimensionar la válvula requerida, según las condiciones de proceso: M IN

NOR

M AX

1000

5000

20000

P 1 (P S IG)

60

90

125

P 2 (P S IG)

50

75

90

FLUJO (B P D)

Grav. E s pec ífic a del agua = 1 www.secca.com.ve Válvulas de Control

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4 Empleando el software:

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Problema 2 Se requiere calcular una válvula de control presión a la entrada de un múltiple de gas-lift. desea dimensionar la válvula requerida según condiciones de proceso: (Asumir gas ideal) M IN

NOR

M AX

0,9

8

17

P 1 (P S IG)

1300

1450

1500

P 2 (P S IG)

1250

1250

1250

FLUJO (M M P CND)

TE M P (°F)

90 100 Grav. E s pec ífica del gas = 0,62

de Se las

110

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Problema 3

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Una bomba de 12 MBD, transfiere crudo 29 API. Se instalará una válvula de recirculación para mantener constante la presión de descarga. Diseñar la válvula si las condiciones de proceso son las siguientes:

P 1 (P S IG) P 2 (P S IG) TE M P (°F) P v (P S IA ) P c (P S IA ) V is c .(Cp)

NOR 350 80 90 1,21 2265 19,5

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Problema 4

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En la descarga de un sistema de bombeo de agua hacia pozos inyectores, se encuentra instalada una válvula Masoneilan serie 41000 de 6” full trim, igual porcentaje, manejando un flujo de 130 MBD a 120°F. La válvula se diseñó con P1=1200 psig y P2=900 psig. Por obstrucciones en los pozos, P2 se ha incrementado a 1100 psig. Determinar que efecto ocurre sobre la válvula. Utilizar el software de Masoneilan. ¿Que acción recomendaría para corregir este problema?.

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Problema 5

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Se necesita una válvula para operar con gas en las condiciones indicadas abajo. Obtener la dimensión de la válvula para un factor de sobrediseño de 2:

NOR FLUJO (s c fh)

55000

P 1 (P S IG)

110

P 2 (P S IG)

11

TE M P (°C) 40 Grav. E s pec ífic a del gas = 1,54

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Topicos de Presentación SERVICIOS SECCA, C.A.

1

Medición de Variables de Procesos Fundamentos de Medición Medición de Presión Medición de Temperatura Medición de Flujo Medición de Nivel

2

Normas de Representación de Instrumentos

3

Válvulas de control

4

Teoría de Control

5

FieldBus www.secca.com.ve

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Contenido

4Introducción 4Términos Importantes 4Lazos de Control 4Diagramas de Bloques 4Modos de Control 4Estabilidad y Entonación de Lazos 4Controladores

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Introducción

El objetivo del control automático es mantener en determinado valor de operación las variables del proceso.

200°F

VALOR DESEADO = 200°F CRUDO Qi

GAS

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4Razones para el Control de Procesos

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SEGURIDAD

COSTOS CALIDAD

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Términos Importantes

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4Componentes Básicos de Todo Sistema de Control

CRUDO Qi

CRUDO Qo SEÑAL

ELEMENTO FINAL DE CONTROL

TT

SENSOR TRANSMISOR

GAS TC

CONTROLADOR www.secca.com.ve Sistemas de Control

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4Operaciones Básicas en Todo Sistema de Control 4Medición (M): es realizada por el conjunto sensor - transmisor. 4Decisión (D): es realizada por el controlador.

4 Acción (A): Es realizada por el elemento final de control. www.secca.com.ve

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4Variables Involucradas en un Sistema de Control

VARIACION DE Qi =

Qg

PERTURBACIÓN

Qi NIVEL = VARIABLE CONTROLADA

LT

LC

SET-POINT = 2 PIES FLUJO = VARIABLE MANIPULADA

Qo

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4Otros Términos Importantes 4Estado estacionario: estado de reposo del sistema en el que las variables son constantes. 4Transitorio: tiempo que tarda el sistema en alcanzar el estado estacionario luego de una perturbación. 4Constante de tiempo (τ): tiempo en el que el sistema alcanza el 63,2 % del cambio total. 4Tiempo muerto: retardo desde que entra la perturbación a un sistema hasta que es afectada la salida. www.secca.com.ve Sistemas de Control

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4Otros Términos Importantes (cont.) 4Estabilidad: capacidad de un sistema para mantener su salida limitada para una entrada limitada. 4Ganancia (K): variación de la salida de un sistema en función de la variación de la entrada. 4Función de transferencia: ecuación que representa la relación salida / entrada. 4Error: desviación entre el valor medido y el punto de ajuste de la variable controlada. www.secca.com.ve Sistemas de Control

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Lazos de Control

4Lazo Cerrado de Control SALIDA DE VAPOR

INTERCAMBIADOR DE CALOR

ENTRADA DE CRUDO

TY TE

SALIDA DE CRUDO

TT

TC ENTRADA DE VAPOR www.secca.com.ve Sistemas de Control

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4Lazo Abierto de Control

MÚLTIPLE DE INYECCIÓN DE DILUENTE

FI

HACIA EL POZO

ENTRADA DE DILUENTE

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4Control de Dos Posiciones (ON / OFF) SERVICIOS SECCA, C.A .

DESHIDRATADOR

LSH

MECANICO

LSL A.S.

LY

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SERVICIOS SECCA, C.A. 4Controles por Retroalimentación y por Previsión

SISTEMA INTELIGENTE DE CONTROL

CONTROL POR PREVISIÓN SALIDA DE VAPOR TT

FT

TE

FE

ENTRADA DE CRUDO

INTERCAMBIADOR DE CALOR

TY

SALIDA DE CRUDO TE TT CONTROL POR RETROALIMENTACIÓN TC

ENTRADA DE VAPOR www.secca.com.ve Sistemas de Control

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4Control de Relación FLUIDO A

FT FC

FY

ESTACIÓN DE A RELACIÓN FY R = B FC

FY

FT

FLUIDO B

MEZCLADOR www.secca.com.ve

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4Control Selectivo

LT

LC

LS

FC FT

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4Control de Rango Partido AGUA

9 - 15 PSI TY TC TY

3 - 9 PSI TT

VAPOR TE

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SERVICIOS SECCA, C.A. 4Control en Cascada

CRUDO Qi

CRUDO Qo TT

FY

GAS FT

SET-POINT FC

TC www.secca.com.ve Sistemas de Control

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SERVICIOS SECCA, C.A.

4Control Multivariable FLUIDO A

FT

VARIABLES MANIPULADAS

FT

FLUIDO B VARIABLES CONTROLADAS FT

AT

MEZCLADOR www.secca.com.ve Sistemas de Control

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4Acciones del Controlador en un Lazo de Control SERVICIOS SECCA, C.A. SEÑAL:

ACCIÓN DIRECTA

SALIDA:

PC PY PT FA

LT LC

DESHIDRATADOR MECANICO LY

SEÑAL: SALIDA:

FC

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4Acciones del Controlador en un Lazo de Control (Cont.) SERVICIOS SECCA, C.A. PY

ACCIÓN INVERSA

PC

SEÑAL: SALIDA:

FA PT

SEÑAL: SALIDA:

TY

FC

TT

TC

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Diagramas de Bloques

SERVICIOS SECCA, C.A.

4Definición

El diagrama de bloques es una representación esquemática de las funciones de transferencia de todos los elementos que interactúan en un sistema. Consta de flechas, bloques, puntos de sumatoria y de bifurcación. BLOQUE

DERIVACIÓN

SUMATORIA

E (s)

R (s) + _

M (s) Gc (s)

C (s)

M (s) FLECHAS www.secca.com.ve Sistemas de Control

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4Reglas Álgebra de Diagramas de Bloques SERVICIOS SECCA,del C.A.

1.- Y=A-B-C B

B _

A

Y

+

=

+ _

_

A

Y

+ _

C

C

2.- Y=G1G2A A

G1

G2

Y

=

A G1 G2

Y

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4Reglas Álgebra de Diagramas de Bloques (cont.) SERVICIOS SECCA,del C.A.

3.- Y=G(A-B) A A

Y

G

+ _

= B

B

Y

+ _

G

G

4.- Y=(G1+G2)A A

G1

G2 G1

Y

+ +

=

A

G1

Y

+ +

G2

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4Reglas Álgebra de Diagramas de Bloques (cont.) SERVICIOS SECCA,del C.A.

5.- Y=G1A+G2B A

B

Y

+ _

G1

G2

6.- Y=AG1/(1+G2G1) Y

A + _

G1

=

A

G1 1 + G1G2

Y

G2

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4Principio SERVICIOS SECCA, C.A. de Superposición

La respuesta total del sistema se obtiene mediante la sumatoria algebraica de la respuesta generada por cada una de las entradas, es decir, en la figura, “Y” se puede definir como el efecto sólo de A (con B=0) menos el efecto sólo de B (con A=0). A

B

G1

+ _

Y

G2

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4Ejemplo de Diagramas de Bloques SERVICIOS SECCA, C.A .

A partir del siguiente diagrama de bloques, determinar las funciones de transferencia que relacionan a Y con X1 y a Y con X2: X1(s)

+

G1

Y1 _

G3

Y3

Y ( s) =? X 1 ( s)

G2 + +

X2(s)

G4

+

Y2

Y(s)

Y (s) =? X 2 ( s)

_

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4Ejercicio SERVICIOS SECCA, C.A.de Simplificación de Diagramas de Bloques

Reducir el siguiente diagrama de bloques y hallar la función de transferencia:

H2

_

+

+

G1

+

+

_

R

C G2

G3

H1

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SERVICIOS SECCA, C.A.

Modos de Control

En los sistemas de control por retroalimentación, los modos de control corresponden a una de las siguientes acciones o sus combinaciones: 4Acción Proporcional 4Acción Integral 4Acción Derivativa

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4Modo Proporcional Puro (P)

SERVICIOS SECCA, C.A.

La ecuación que describe su funcionamiento es la siguiente: m(t ) = m ± K C [r (t ) − c(t )]

ó

m(t ) = m ± K C e(t )

donde : m(t) = salida del controlador, psig o mA r(t) = punto de control, psig o mA c(t) = variable controlada, psig o mA (salida de transmisor) psi mA ó K C = ganancia del controlador, psi mA m = valor base BIAS, 9 psig ó 12 mA www.secca.com.ve Sistemas de Control

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4Modo Proporcional Puro (P) (cont.)

SERVICIOS SECCA, C.A.

En las gráficas se ilustra el efecto de la acción proporcional en la salida m(t) del controlador: c(t) mA

c(t) 1 mA

mA Pto. de control

1 mA

Pto. de control

t

t

ACCION DIRECTA

ACCION INVERSA

m(t)

m(t)

mA 14 13 12

mA Kc=2 12 Kc=1 BIAS t

BIAS

11

Kc=1

10

Kc=2

t

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4Modo Proporcional Puro (P) (cont.)

SERVICIOS SECCA, C.A.

En las gráficas se ilustra el efecto de la acción proporcional en la variable controlada c(t): l(t)

PERTURBACIÓN

t c(t) mA

VARIABLE CONTROLADA 1,6 1,4

Pto. de control

Kc1>Kc2

Kc2

1,2 1 0,8 0,6

Kc1

0,4 0,2 0

t 0

5

10

15

20

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4Modo Proporcional Puro (P) (cont.)

SERVICIOS SECCA, C.A.

En algunos controladores se emplea el término “Banda Proporcional” (PB) en lugar de ganancia: Punto de Control

Salida del

PB=25 % PB = 50 %

15 psig

Controlador 12

20

10 = PB

0%

0 =20 B P

mA

% 16

9

12

6

8

3

100 PB = KC

4 0

25 50 75 100 Porcentaje de la Variable Controlada www.secca.com.ve Sistemas de Control

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4Modo Proporcional + Integral (PI)

SERVICIOS SECCA, C.A.

La ecuación que describe su funcionamiento es la siguiente: m(t ) = m ± K C [r (t ) − c(t )] ± ó m(t ) = m ± K C e(t ) ±

KC

τi

KC

τi

∫ [r (t ) − c(t )]dt

∫ e(t )dt

donde :

τ i = tiempo de integración o reset,

minutos repetición www.secca.com.ve Sistemas de Control

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4Modo Proporcional + Integral (PI) (cont.)

SERVICIOS SECCA, C.A.

En la gráfica se ilustra el efecto de la acción “PI” en la salida m(t) del controlador: c(t) mA

1 mA

Pto. de control t

ACCION DIRECTA m(t) mA Kc Kc 12

Respuesta del control proporcional

τi BIAS t

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4Modo Proporcional + Integral (PI) (cont.)

SERVICIOS SECCA, C.A.

En algunos controladores se emplea el término rapidez del reajuste en lugar de reajuste, lo expresan en repeticiones por minuto o rpm y se define como:

τ = R i

1

τi

repeticiones minuto

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4Modo Proporcional + Integral + Derivativo (PID)

SERVICIOS SECCA, C.A.

La ecuación que describe su funcionamiento es la siguiente:

KC

de(t ) m(t ) = m ± K C e(t ) ± e(t )dt ± K Cτ D ∫ τi dt donde : τ D = rapidez de derivación en minutos

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4Modo Proporcional + Integral + Derivativo (PID) (cont.) SERVICIOS SECCA, C.A.

PERTURBACIÓN l(t)

t c(t) VARIABLE CONTROLADA

Pto. de control

t e(t)

t a tb FUNCIÓN ERROR

0

t a tb

t www.secca.com.ve Sistemas de Control

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4Modo Proporcional + Derivativo (PD)

SERVICIOS SECCA, C.A.

La ecuación que describe su funcionamiento es la siguiente:

d m(t ) = m ± K C [r (t ) − c(t )] ± K Cτ D [r (t ) − c(t )] dt ó de(t ) m(t ) = m ± K C e(t ) ± K Cτ D dt

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4Ejercicios de Modos de Control

SERVICIOS SECCA, C.A.

1.-En la figura, PT tiene una escala de 0-100 psig, el controlador PIC es proporcional, cuyo BIAS es la mitad de la escala y el punto de ajuste es 10 psig. Definir acción y ganancia de PIC para que cuando P=30 psig, la válvula esté completamente abierta. PIC PT

PY

FO

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4Ejercicios de Modos de Control (cont.)

SERVICIOS SECCA, C.A.

2.-En la figura, las condiciones de estado estacionario son qi=qo=150 gpm y h=6 pies y m(t)=9 psig. Si se emplea un controlador proporcional con Kc=1, calcular la desviación si el flujo de entrada se aumenta a 170 gpm, y la válvula requiere 10 psig para que pase éste.

RANGO LT=0-20 PIES

qi

LIC LT q0

FO www.secca.com.ve Sistemas de Control

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Estabilidad y Entonación de Lazos

SERVICIOS SECCA, C.A.

Para conocer los control entren en siguientes puntos:

factores que hacen que un sistema inestabilidad, es necesario estudiar

de los

4Función de Transferencia de Lazo Cerrado 4Ecuación Característica 4El plano S 4Criterio de Estabilidad 4Métodos de Entonación de Lazos www.secca.com.ve

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4Función de Transferencia de Lazo Cerrado

SERVICIOS SECCA, C.A.

El diagrama de bloques típico para cualquier sistema de control por retroalimentación es de la manera siguiente: ENTRADA CONTROLADOR SET-POINT r

e

+ _

l

Gl

VÁLVULA DE CONTROL

Gc

p

Gv

u

PROCESO m

+

Gs

+

c SALIDA

b TRANSMISOR b

Ht

c

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4Función de Transferencia de Lazo Cerrado

SERVICIOS SECCA, C.A.

A partir del diagrama de bloques del sistema retroalimentado, se puede escribir las siguientes ecuaciones para cada bloque del diagrama:

Señal de error :

E (s) = R(s) − B(s)

Salida del controlado r : P ( s ) = GC ( s ) E ( s ) Variable manipulada : M(s) = GV (s)P(s) Variable controlada :

C ( s) = GS (s)M (s) + GL ( s) L(s)

Señal del transmiso r :

B ( s ) = H t ( s )C ( s ) www.secca.com.ve Sistemas de Control

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4Función de Transferencia de Lazo Cerrado

SERVICIOS SECCA, C.A.

Eliminando todas las variables intermedias mediante la combinación de las ecuaciones anteriores, se tiene que:

C ( s ) = GS ( s )GV ( s )GC ( s )[− H t ( s )C ( s )] + GL ( s ) L( s ) Y reordenand o la ecuación : C (s) GL ( s ) = L( s ) 1 + H ( s )GS ( s )GV ( s )GC ( s )

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4Ecuación Característica

SERVICIOS SECCA, C.A.

Partiendo de la función de transferencia hallada, la ecuación característica será:

1 + H ( s )GS ( s )GV ( s )GC ( s ) = 0 Es decir, el denominador de la función de transferencia de lazo cerrado igualado a cero es la ecuación característica del sistema y es de quien depende la estabilidad del lazo.

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4El Plano s SERVICIOS SECCA, C.A. Es el plano complejo donde es representada la variable “s” de la transformada de Laplace: s = σ + jω (número complejo) Eje Imaginario

+ jω Plano Izquierdo

Plano Derecho

−σ

+σ

Eje Real

− jω www.secca.com.ve Sistemas de Control

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4Criterio de Estabilidad SERVICIOS SECCA, C.A. Un sistema es estable si las raíces de la ecuación característica se encuentran en el plano izquierdo. PLANO s Eje Imaginario

+ jω Sistema Estable

Sistema Inestable

−σ

+σ

Eje Real

− jω www.secca.com.ve Sistemas de Control

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4Métodos de Entonación de Lazos

SERVICIOS SECCA, C.A.

4Métodos Analíticos 4Técnica del Lugar Geométrico de las Raíces 4Técnicas de Respuesta en Frecuencia (Bode, Nichols) 4Métodos Experimentales 4Método de Lazo Cerrado 4Método de Lazo Abierto 4Método de Ensayo y Error

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4Métodos Experimentales SERVICIOS SECCA, C.A. 4Método de Lazo Cerrado

Método de la Ganancia Última (Ziegler-Nichols). Tiene como objetivo hallar una razón de asentamiento de 1/4 y se basa en encontrar la ganancia última Kcu, a la cual el sistema oscila con un período último Tu. SISTEMA OSCILATORIO c(t)

ASENTAMIENTO DE 1/4

A

c(t)

1 A 4

TU

A = ctte

SP t

t

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Método de la Ganancia Última (Ziegler-Nichols) (Cont).

SERVICIOS SECCA, C.A.

Una vez hallada la ganancia última Kcu, y el período último Tu, se aplican las siguientes ecuaciones para el ajuste de los parámetros del controlador: M odo de Control

Kc

P

Kcu / 2

PI

K c u / 2.2

Tu / 1.2

P ID

K c u / 1.7

Tu / 2

PD

K c u / 1.6

τi

τD

Tu / 8 Tu / 8

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4Métodos Experimentales (Cont.) SERVICIOS SECCA, C.A. 4Métodos de Lazo Abierto

Método de la Curva de Reacción (Ziegler-Nichols). También se obtiene una razón de asentamiento de 1/4 y se basa en encontrar K, t0 y τ mediante la curva de reacción del sistema en lazo abierto ante un escalón. CURVA DE REACCIÓN SALIDA DEL CONTROLADOR c(t)

m(t)

VALOR FINAL

K=

∆m

∆cs ∆m

t0

τ VALOR INICIAL

t1

t

t1

t1 + t0

t1 + t0 + τ

t

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Método de la Curva de Reacción (Ziegler-Nichols) (Cont.)

SERVICIOS SECCA, C.A.

Una vez hallada la ganancia K, t0 y τ, se aplican las siguientes ecuaciones para el ajuste de los parámetros del controlador: M odo de Control P PI P ID

Kc

τ

τi

τD

/ Kt o

0.9 τ / K t o 1.2 τ / K t o

3.33t o 2.0t o

0.5t o

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4Métodos Experimentales (Cont.) SERVICIOS SECCA, C.A. 4Métodos de Lazo Abierto

Método de los Dos Puntos. Muy similar al método anterior, varía en la forma de determinar to y τ, para lo cual hay que determinar los puntos de 28.3% y 63.2% del cambio total. CURVA DE REACCIÓN SALIDA DEL CONTROLADOR c(t)

m(t)

VALOR FINAL

K=

∆m

∆cs ∆m

0.283∆cs

0.632∆cs ∆cs

τ

VALOR INICIAL

t1

t

t1

t2

t

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4Métodos Experimentales (Cont.) SERVICIOS SECCA, C.A. 4Método de Ensayo y Error

Este método requiere que el controlador y el proceso estén trabajando de manera normal en lazo cerrado. Consiste en operar el proceso con bandas anchas en todas las acciones y luego estrecharlas poco a poco hasta obtener la estabilidad deseada.

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4Ejercicios de Entonación de Lazos SERVICIOS SECCA, C.A.

1.-En el sistema de la figura se obtuvo la respuesta indicada con Kc=5 y el efecto integral desconectada. Determinar los parámetros del controlador para obtener una razón de asentamiento de 1/4, sabiendo que el mismo es P+I. SALIDA DEL SISTEMA

PIC c(t) PT

PY

FO

5

10

15

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T (seg)

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4Ejercicios de Entonación de Lazos (cont.)

SERVICIOS SECCA, C.A.

2.-En la figura, con el controlador en lazo abierto, se le aplicó una señal escalón en la salida del controlador, obteniendo la reacción de la gráfica. Determinar los parámetros del controlador si el mismo es P+I, aplicando ambos métodos de lazo abierto. CURVA DE REACCIÓN c(t) mA

qi

16

LIC

VALOR FINAL

LT q0

FO

6 5

10

15

VALOR INICIAL t 20 seg

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SERVICIOS SECCA, C.A.

Controladores

4El Controlador Neumático

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4El Controlador Neumático (cont.) SERVICIOS SECCA, C.A. SISTEMA DE AMPLIFICACIÓN FIJA SISTEMA TOBERA OBTURADOR

SISTEMA DE REFERENCIA

SISTEMA DE MEDICIÓN

SISTEMA DE RETROALIMENTACIÓN

SISTEMA DE AMPLIFICACIÓN AJUSTABLE www.secca.com.ve Sistemas de Control

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SERVICIOS SECCA, C.A.

4El Controlador Electrónico

DISPLAY PRINCIPAL

DISPLAY DE IDENTIFICADOR

RECONOCIMIENTO DE ALARMAS BARRA DE SET-POINT

BOTON DISPLAY CAMBIO MANUAL / AUTOMATICO

BARRA DE PROCESO UP / DOWN

BARRA DE SALIDA

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Topicos de Presentación SERVICIOS SECCA, C.A.

1

Medición de Variables de Procesos Fundamentos de Medición Medición de Presión Medición de Temperatura Medición de Flujo Medición de Nivel

2

Normas de Representación de Instrumentos

3

Válvulas de control

4

Teoría de Control

5

FieldBus www.secca.com.ve

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Instrumentación Industrial para Técnicos de Plantas de Proceso de Petróleo y Gas.

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