MANUAL de Instrumentacion44

SUBCENTRO DE ELECTRICIDAD ELECTRONICA

PROYECTO DE MEJORAMIENTO DEL ENTRENAMIENTO VOCACIONAL EN EL ECUADOR AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

PRESENTACIÓN Este manual ha sido elaborado para los cursos de especialización que desarrolla el SERVICIO ECUATORIANO DE CAPACITACIÓN PROFESIONAL – SECAP, mediante la cooperación técnica tipo proyecto patrocinada por la: AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN – JICA.

El presente es el producto del intercambio tecnológico entre el experto japonés y las contrapartes del área.

El objetivo del autor es que este manual técnico sea manual útil para la comprensión y desarrollo de conocimientos, destrezas y habilidades en forma eficiente.

Si estos objetivos son cumplidos se facilitará al participante un optimo desarrollo de competencias técnico metodológicas, sociales y personales, lo cual lo promocionará al campo profesional con sólidas bases tanto teóricas como prácticas de la especialidad y bases del buen comportamiento social y personal.

Esperamos que las competencias adquiridas en este curso resulte útil a lo largo de su vida profesional y sean el éxito de su carrera.

Elaborado y recopilado por:.JOSE ZAPATA

Aprobado por el comité Académico:

f.

Quito, febrero 2011.

___________________________________________________________________ CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

1. INTRODUCCIÓN. CONCEPTOS BÁSICOS La instrumentación y control, es aquella parte de la ingeniería que es responsable de definir el nivel de automatización de cualquier planta de proceso e instalación industrial, para un buen funcionamiento del proceso, dentro de la seguridad para los equipos y personas. Otro concepto más técnico, diría que la instrumentación y control son aquellos dispositivos que permiten: Capturar variables de los procesos. Analizar las variables de los procesos. Modificar las variables de los procesos. Controlar los procesos. Traducir los procesos a unidades de ingeniería. Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos como pueden ser derivados del petróleo, agua, vapor, gases, ácidos, pasta para producir papel, etc. teniendo todos ellos la necesidad de ser medidos y controlados, así como se deben mantener unas constantes dentro de unos márgenes establecidos. Haciendo un poco de historia, la instrumentación y el control nace de la necesidad de: Optimizar los recursos humanos, materias primas, y productos finales. Producir productos competitivos con un alto rendimiento. Producir productos con características repetitivas. Fomento del Ahorro Energético. Fomento de la Conservación del Medio Ambiente. Para lo anterior, en los inicios de la industria, todas estas operaciones se llevaban de una manera manual utilizando instrumentos sencillos como pueden ser manómetros, termómetros, columnas manométricas, válvulas manuales, etc. Esta forma de medir y controlar un proceso era totalmente manual y localizada en el área de proceso.

Como se puede entender, este tipo de control tiene inconvenientes como son: ♦ Simplicidad de los procesos. Difícil evolución debido al difícil control. ♦ Poca repetibilidad de los productos finales. _____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica Código:

1

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

♦ Pérdidas energéticas. ♦ Necesidad de muchos operadores. Debido a las necesidades de mejora continua, los procesos se han ido desarrollando progresivamente lo que ha exigido que el grado de automatización de las instalaciones haya evolucionado en consecuencia. El siguiente paso fue el centralizar los instrumentos antes mencionados (termómetros, manómetros, etc.) en un panel centralizado. De esta manera el proceso pasó a ser totalmente manual y localizado fuera del área de proceso. Este tipo de control tiene como inconveniente, adicionalmente a los ya comentados antes, el inconveniente de tener que llevar la variable de proceso hasta el panel de control con el peligro que ello conlleva. Pero tiene la ventaja de que el operador ya no tiene que estar localizado en el proceso, ahorrando a su vez las horas/hombre en horas de supervisión y control, así como haciendo más cómoda la situación de los operadores. Un gran avance cualitativo fue la aparición de la instrumentación neumática, que básicamente consistía en instrumentos que traducían las variables de proceso, caudal, presión, etc. en señales neumáticas. Este paso evita que las variables de proceso sean conducidas hasta un panel local. En el propio proceso se convierte la señal de proceso en señal neumática. Para ello se estandarizó como rango para las señales neumáticas de control 3-15 psi. Así por ejemplo, la conversión de una señal de temperatura a señal de control sería de la forma: 0-100º C 3-15 psi De esta manera el proceso sigue siendo totalmente manual y localizado fuera del área de proceso. Los inconvenientes que tiene este tipo de control son: ♦ ♦ ♦ ♦

Consumo elevado de aire comprimido. Limitación de distancia entre el proceso y el panel de control (150 m) Poca repetibilidad de los productos finales. Pérdidas energéticas.

El siguiente avance fue la aparición del primer controlador neumático. El controlador neumático dio una independencia al proceso que antes no existía. La principal misión del controlador era el tomar la variable del proceso, compararla con una referencia establecida y en función de la diferencia, actuar sobre la variable manipulada. Todo ello utilizando señales neumáticas, tanto para las entradas del proceso como para las salidas a elementos finales de control.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica Código:

2

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

De esta manera el proceso pasa a ser automático y localizado fuera del área de proceso. Tiene como ventajas: ♦ Reducción de operadores ♦ Mayor precisión. ♦ Ahorro Energético. ♦ Mejor producto final. Los inconvenientes que tiene este tipo de control son: ♦ Consumo elevado de aire comprimido. ♦ Limitación de distancia entre el proceso y el panel de control (150 m) El último gran paso conceptual ocurrió con la aparición de la instrumentación electrónica, cuya principal diferencia es que desaparece parte del protagonismo del aire comprimido, pasando este a las señales eléctricas. Los transmisores pasan de convertir la señal de proceso a señal eléctrica. Así por ejemplo, la conversión de una señal de temperatura a señal de control sería de la forma: 0-100º C 4-20 mA Se adopta como rango de control los 4-20 mA. De esta manera el proceso sigue siendo automático y localizado fuera del área de proceso. Tiene como ventajas: ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Reducción de operadores Mayor precisión. Ahorro Energético. Mejor producto final. Eliminación de parte del consumo de aire.

Aparecen los primeros paneles electrónicos, sinópticos, registradores de señales, indicadores electrónicos, etc. Por último indicar, que posteriormente aparecieron conceptos como: ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Sistemas de Control. PLC´s SCADAS Buses de campo Etc.

1.- CONCEPTOS Y DEFINICIONES BÁSICAS Automatización: Acción por la cual se ejecuta un proceso de producción sin la intervención del operador de forma permanente. Control Avanzado: Técnicas que se apartan del control convencional PID y que se aplican en procesos muy complejos, no lineales, con retardos Sensor: se define normalmente como el elemento que se encuentra en contacto directo con la magnitud que se va a evaluar. El sensor recibe la magnitud física y se la proporciona al transductor. Transductor: De manera general podemos decir que es un elemento o dispositivo que tiene la misión de traducir o adaptar un tipo de energía en otro más adecuado para el sistema, es decir _____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica Código:

3

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

convierte una magnitud física, no interpretable por el sistema, en otra variable interpretable por dicho sistema. El transductor transforma la señal que entrega el sensor en otra normalmente de tipo eléctrico. El transductor suele incluir al sensor. Captador: es un dispositivo encargado de recoger o captar un tipo de información en el sistema para realimentarla. Podemos decir por lo tanto que es un transductor que se coloca en el lazo de realimentación de un sistema cerrado para recoger información de la salida (no suele ser de tipo eléctrico) y adaptarla para poder se comparada con la señal de referencia. Suele incluir al sensor. En sistemas de lazo abierto o incluso en definiciones de diversos autores, captador y sensor suelen se la misma cosa. Transmisor: se entiende por transmisor la circuitería que transforma la señal que sale del sensor, transductor o captador y la convierte en una señal normalizada. Campo de medida (range) Espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento; viene expresado estableciendo los dos valores extremos. Por ejemplo: el campo de medida del un instrumento de temperatura es de 100 a 300 ° C. Alcance (span) Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. En el ejemplo de temperatura anterior , su valor es de 200° C. Precisión (accuracy) La precisión es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento y define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio. Hay varias formas para expresar la precisión: a) Tanto por ciento del alcance. Ejemplo: en el instrumento de la figura , para una lectura de 150 °C y una precisión de ± 0,5 % el valor real de la temperatura estará comprendido entre 150 ± 0,5 X 200/100 = 150 ± 1, es decir, entre 149 y 151 °C; b) Directamente, en unidades de la variable medida. Ejemplo: Precisión de ± 1°C; c) Tanto por ciento de la lectura efectuada. Ejemplo: Precisión de ± 1 % de 150 °C, es decir ± 1,5 °C; d) Tanto por ciento del valor máximo del campo de medida. Ejemplo: Precisión de ±: 0,5 % de 300 °C = ± 1,5 °C; e) Tanto por ciento de la longitud de la escala. Ejemplo: Si la longitud de la escala del instrumento de la figura es de 150 mm., la precisión de ± 0,5 % representará ± 0,75 mm. en la escala.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica Código:

4

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Espacio muerto o banda 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 el instrumento de la figura 4.3 es de ± 0,1 %, es decir, de 0,1 X 200/100 = ± 0,2 °C. Sensibilidad: 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 rango de la medida. Ejemplo: ± 0,05 porciento de 200 ºC = ± 0,1 ºC (campo 100 - 300 ºC) Salida de tension

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica Código:

5

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Repetitividad: cuando la medida se realiza varias veces, la gráfica magnitud-señal eléctrica no siempre pasa por el mismo lugar. La máxima diferencia será el valor absoluto de la repetitividad.

Resolución: Es la variación detectable más débil. No-linealidad: Es la distancia mayor entre la curva de funcionamiento del sensor (en dirección ascendente) y la recta del punto inicial al final de funcionamiento.

Histéresis: En ocasiones los caminos que sigue la gráfica (magnitud-señal eléctrica) no tienen el mismo camino en aumento y en la disminución.

Otros terminos Desplazamiento del cero Ocurre cuando la medida cero no coincide con el cero de la escala, lo normal es que sin sensar ninguna variable, se debe leer cero del instrumento. Este problema puede cambiar con el tiempo. De esta forma, por ejemplo, un medidor que tenga un día su aguja en la marca cero, un mes más tarde puede indicar una lectura menor que cero a pesar de que no ha sido utilizado para realizar ninguna medida. Servosistema: es un sistema en lazo cerrado y entrada variable. Servomecanismo: es un servosistema en el que la salida es una posición, velocidad o aceleración. _____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica Código:

6

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Servomotor: motor con control de posición en lazo cerrado.

2.-INSTRUMENTOS DE MEDICION Los instrumentos de medición y control son relativamente complejos y su función puede entenderse si se clasifican de manera adecuada. Dos clasificaciones bastante extendidas pueden ser:  por función del instrumento  por variable de proceso a medir.

2.1 Instrumentos por Función Los instrumentos por tipo de función pueden subdividirse en los siguientes tipos: Elementos Primarios Son aquellos instrumentos que están en contacto con el fluido o variable, utilizando o absorbiendo energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada. Los ejemplos más típicos son las placas de orificio y los elementos de temperatura (termopares o termorresistencias). Cabe indicar que a los instrumentos compactos como manómetros, termómetros, transmisores de presión, etc. ya se supone que el elemento primario está incluido dentro del propio instrumento. Transmisores Son aquellos instrumentos que captan la variable de proceso, generalmente puede ser a través de un elemento primario, y la transmiten a distancia en forma de señal neumática (3-15 psi), electrónica (4-20 mA), pulsos, protocolarizada (hart) o bus de campo (Fieldbus Foundation, Profibus, etc.). Estos instrumentos dan una señal continua de la variable de proceso. Indicadores Locales Son aquellos instrumentos que captan la variable de proceso y la muestran en una escala visible localmente. Los indicadores locales más utilizados son los manómetros (presión), termómetros (temperatura), rotámetros (caudal), etc. Normalmente estos instrumentos no llevan electrónica asociada, aunque también se consideran indicadores locales a los indicadores electrónicos conectados a los transmisores. Estos últimos pueden ser analógicos o digitales. Interruptores Son aquellos instrumentos que captan la variable de proceso, y para un valor establecido actúan sobre un interruptor. Es decir, cambian de estado de reposo a activado cuando el proceso llega a un valor predeterminado. Es un instrumento todo-nada. Los instrumentos mas habituales son los presostatos (presión), termostatos (temperatura), interruptores de nivel, flujostatos (caudal), etc. Convertidores Son aquellos instrumentos que reciben un tipo de señal de un instrumento y la modifican a otro tipo de señal. _____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica Código:

7

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Pueden ser convertidores de señal neumática a electrónica, de mV a mA, de señal continua a tipo contacto, etc. Se usan habitualmente por necesidades de los sistemas de control de homogeneización Elementos finales de control Son aquellos instrumentos que reciben un tipo de señal procedente de un controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. Los más habituales son las válvulas de control, servomotor o variador de frecuencia. Otros tipos de instrumentos cada vez menos utilizados son los registradores y controladores locales.

2.2 Instrumentos por Variable de Proceso 2.2.1 .- Medidas de Presión La medición de presión, junto a la de temperatura y nivel, son las variables de proceso más utilizadas en los procesos industriales. es bueno indicar que las medidas de presión comúnmente utilizadas en la industria son: Presión relativa o manométrIca. Presión absoluta. Presión diferencial.

La presión se define como fuerza ejercida sobre una superficie por unidad de área. En ingeniería, el término presión se restringe generalmente a la fuerza ejercida por un fluido por unidad de área de la superficie que lo encierra. De esta manera, la presión (P) de una fuerza (F) distribuida sobre un área (A), se define como:

Existen muchas razones por las cuales en un determinado proceso se debe medir presión. Entre estas se tienen:    

Calidad del producto, la cual frecuentemente depende de ciertas presiones que se deben mantener en un proceso. Por seguridad, como por ejemplo, en recipientes presurizados donde la presión no debe exceder un valor máximo dado por las especificaciones del diseño. En aplicaciones de medición de nivel. En aplicaciones de medición de flujo.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica Código:

8

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

En el sistema Internacional de Unidades, la unidad de medida de presión es el Pascal (Pa), que se define como la fuerza ejercida por un Newton (N) sobre un área de un metro cuadrado (m2).O sea, Pa = N/m2. Esta es una unidad de presión muy pequeña, pero el kilo pascal (KPa), 1.000 Pa, permite expresar fácilmente los rangos de presión comúnmente más usados en la industria petrolera. Otras de las unidades utilizadas son el Kilogramo por centímetro cuadrado (Kg./cm2); libras por pulgada cuadrada (Psi); bar, y otros.

Instrumentos para medición de la presión a. Instrumentos mecánicos Los instrumentos mecánicos utilizados para medir presión pueden clasificarse en: Columnas de Líquido: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Manómetro de Presión Absoluta. Manómetro de Tubo en U. Manómetro de Pozo. Manómetro de Tubo Inclinado. Manómetro Tipo Campana. Instrumentos Elásticos: Tubos Bourdon. Fuelles. Diafragmas.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica Código:

9

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

b. Instrumentos electromecánicos y electrónicos Los instrumentos electromecánicos y electrónicos utilizados para medir presión pueden clasificarse en: • Medidores de Esfuerzo (Strain Gages) • Transductores de Presión Resistivos • Transductores de Presión Capacitivos • Transductores de Presión Magnéticos • Transductores de Presión Piezoeléctrico Indicadores locales de Presión

Pueden medir la presión de manera directa o indirecta De manera directa: comparándola con la que ejerce un líquido de densidad y altura conocidas (Tubo en U). De manera indirecta: a través de la deformación que experimentan diversos elementos elásticos constituyentes del transductor (Tubo Bourdon, en espiral y en hélice, diafragma, fuelle, etc.) Manómetro de tubo en U: se utiliza para medir presiones cercanas a la atmosférica. Consta de un tubo en forma de U (generalmente contiene mercurio) con una de las ramas abiertas, mientras que en la otra se aplica la presión a medir. Como la presión es distinta en las dos ramas hay un desplazamiento del mercurio, de manera que la presión p a medir es:

p = p a t m + dgh

Los indicadores de presión o manómetros mas utilizados son los basados en el tubo “bourdon”. El tubo bourdon es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la presión en el interior del tubo, este tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora. El metal solo se puede deformar dentro de un rango limitado para evitar la deformación permanente.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

10 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

El material habitualmente utilizado suele ser acero inoxidable o aleaciones especiales tipo hastelloy o monel. Los rangos de utilización son desde 0 bar a cientos de bar. Otra tecnología de medición local de presión, es con la utilización de manómetros de Diafragma. El diafragma consiste en una o varias cápsulas circulares conectadas rígidamente entre sí por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas. Al aplicar presión, el movimiento se aproxima a una relación lineal en un intervalo de medida lo más amplio posible con un mínimo de histéresis y de desviación permanente en el cero del instrumento. Se suelen emplear para pequeñas presiones.

Por último, otra forma de medición local es la basada en el principio del fuelle. El principio es parecido al diafragma compuesto, pero basado en una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable. Tienen como ventaja su gran duración y se suelen emplear para pequeñas presiones.

Interruptores de Presión Los interruptores de presión o presostatos, utilizan las mismas tecnologías que los manómetros, con la diferencia que se les incluye un contacto eléctrico calibrado a un valor de presión, de tal manera que dicho contacto cambia de estado cuando el valor de la presión llega a dicho valor. Transmisores de Presión Este tipo de instrumentos de presión convierten la deformación producida por la presión en señales eléctricas. Una diferencia respecto a los anteriores es la necesidad de incluir una fuente de alimentación eléctrica, mientras que tienen como ventaja las excelentes características dinámicas, es decir, el menor cambio producido por deformación debida a la presión, es suficiente para obtener una señal perfectamente detectable por el sensor. A continuación relatamos brevemente algunas de las tecnologías más habituales para los transmisores de presión y presión diferencial. Transmisores de Presión Capacitivos

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

11 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Son instrumentos que se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión. La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. De este modo se tienen dos condensadores, uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad variable. Tienen un tamaño reducido, son robustos y adecuados para medidas estáticas y dinámicas. La precisión es del orden de 0,2-0,5%

(bastante buena). Transmisores de Presión Resistivos. Son instrumentos que se consisten en un elemento elástico (tubo bourdon o cápsula), que varía la resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión. Son instrumentos sencillos y la señal de salida es potente, por lo que no requiere de amplificación. Son insensibles a pequeñas variaciones, sensibles a vibraciones y tienen peor estabilidad que otras tecnologías. La precisión es del orden de 1-2% (bastante baja).

Transmisores de Presión Piezoeléctricos Los elementos piezoeléctricos son materiales cristalinos que, al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. Son elementos ligeros, de pequeño tamaño y construcción robusta. Son sensibles a los cambios de temperatura y requieren de amplificadores de señal. La estabilidad en el tiempo es bastante pobre.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

12 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Transmisores de Presión Piezoresistivos o “Strain Gage” Están basados en la variación de longitud y diámetro, y por lo tanto de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una presión. El hilo o galga forma parte de un puente de Wheatstone, que cuando está sin tensión tiene una resistencia eléctrica determinada. Cualquier variación de presión que mueva el diafragma del transductor cambia la resistencia de la galga y desequilibra el puente.

En general el valor de la resistencia cumple la expresión: R=Ro(1+x) X=Kε ε= σ/E E=módulo de Young Ro: Resistencia sin ningún esfuerzo aplicado. K: Factor de sensibilidad de la galga (aproximadamente 2)

ε: deformación unitaria longitudinal (medida adimensional de la deformación) Para medir la variación de la resistencia eléctrica de las galgas se utiliza el puente de Wheatstone.

Las galgas pueden ser una, dos o todas las resistencias del puente. Cuando Us es cero el puente está en equilibrio. La variación de una de las resistencias produce un desequilibrio. Cuando el puente está en equilibrio, se cumple que R1.R3=R2.R4 Las galgas pueden ser cementadas y sin cementar. Las cementadas están formadas por varios bucles de hilo muy fino pegado a una base cerámica, papel o plástico. En las galgas sin cementar los hilos descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

13 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Transmisores de Presión de Equilibrio de Fuerzas En estos transmisores el elemento mecánico de medición (tubo bourdon, espiral, fuelle,etc.) ejerce una fuerza sobre una barra rígida del transmisor. Para cada valor de presión, la barra adopta una posición determinada excitándose un transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia, un transformador diferencial o un detector fotoeléctrico. Un circuito oscilador asociado con cualquiera de estos detectores alimenta una unidad magnética y la fuerza generada reposiciona la barra de equilibrio de fuerzas. Se caracterizan por tener un movimiento muy pequeño de la barra de equilibrio, poseen realimentación, buena elasticidad y alto nivel de señal de salida. Son sensibles a las vibraciones, por lo que su estabilidad es pobre. Su precisión es del orden de 0,5-1%.

2.2.2 .- Medidas de Temperatura Al igual que las medidas de presión , la medida de temperatura en una de las variables de proceso más utilizadas en los procesos industriales. No es este el curso en el que se deba explicar físicamente en que consiste la temperatura. pero si es bueno indicar que las medidas de temperatura para su transmisión remota se producen como consecuencia de una serie de fenómenos que a continuación enumeramos:   

Efecto “Seebeck” (Generación de una f.e.m. por el efecto de variación de la tra. entre un bimetal o termopar). Efecto “Peltier” (efecto contrario al Seebeck, al generar una corriente en un bimetal, se desprende calor). Efecto “Thomson” (diferencia de densidad de electrones en diferentes puntos de un hilo a distinta temperatura).

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

14 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Así como se utilizan diversos fenómenos, tales como:     

Variaciones en volumen o estado de cuerpos (termómetros de mercurio, gases, etc.). Variación de la resistencia de un conductor (termorresistencias). Variación de la resistencia de un semiconductor (termistores). F.e.m. creada en la unión de dos bimetales (termopares). Intensidad de radiación (pirómetros ópticos).

Al igual que casi todas las variables de proceso, las limitaciones de las diferentes tecnologías de medición dependen de la precisión requerida, velocidad de respuesta, condiciones del proceso, etc. A diferencia de otras mediciones, cabe mencionar que las medidas de temperatura, en general, tienen una inercia bastante mas elevada que otras variables de proceso como la presión o caudal (casi instantáneas). Otro factor importante a tener en cuenta en las medidas de temperatura es la necesidad de instalar un elemento de protección entre el sensor y el proceso, llamado termopozo, vaina o “thermowell”. Dicho elemento debe diseñarse y coordinarse de acuerdo a las especificaciones mecánicas del proyecto. Indicadores locales de Temperatura (termómetros). Los indicadores de temperatura mas utilizados en la industria son los termómetros “bimetálicos”. Los termómetros bimetálicos se basan en el diferente coeficiente de dilatación existente entre dos metales diferentes y unidos. La unión mecánica de una aguja al bimetal, hace que por efecto de cambio de temperatura se desplace. La precisión suele ser del 1% y su campo de actuación es entre –200 y 500 ºC.

Elementos Primarios de Temperatura. Existen dos tipos de elementos primarios que son los termopares y las termoresistencias. En ambos casos, la adición de un convertidor basado en microprocesador, hace que las señales se conviertan a una forma mas estandarizada (4-20 mA, hart, etc.). Termopares El termopar se basa en el efecto descubierto por Seebeck, de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a distinta temperatura.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

15 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Por el efecto Seebeck y una serie de leyes fundamentales, se ha llegado a la conclusión de que en el circuito correspondiente se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia.

Los valores de esta f.e.m. están perfectamente tabulados en tablas de conversión. Existen diferentes tipos de termopares, siendo su diferencia en el tipo de bimetales utilizados y por lo tanto en las f.e.m. generadas en función de las temperaturas. Se adjunta una tabla de termopares según la denominación, materiales y rangos de actuación. Cada uno de los anteriores tiene características particulares tales como rango, linealidad, sensibilidad, etc.

Leyes termoeléctricas A continuación se describen varios fenómenos que se conocen como leyes de termopares, las cuales son útiles para comprender los circuitos de los termopares:

1.- Ley de Metales Intermedios: la incorporación de un metal homogéneo al circuito de un termopar no cambia la Fem. desarrollada. 2.-Ley de Temperaturas Interiores: cuando las juntas de dos metales homogéneos diferentes, se mantienen a diferentes temperaturas, no es afectada por los gradientes de temperatura a lo largo de los conductores. _____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

16 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

3.- Ley de Metales Interiores: en un circuito formado por dos metales homogéneos diferentes, que tienen las dos juntas a diferentes temperaturas, la Fem. desarrollada no es afectada cuando un tercer metal homogéneo se agrega al circuito, siempre y cuando las temperaturas de sus dos juntas sea la misma.

Figura (a) Ley de los metales intermedios, (b) Ley de temperaturas interiores y (c) Ley de metales interiores Conversión de voltaje a temperatura La figura muestra la relación entre el voltaje de salida versus temperatura para los termopares más comunes.

Se puede observar que no se mantiene una relación lineal entre la temperatura y el voltaje. La conversión de este voltaje a temperatura se explica a continuación. _____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

17 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

El voltaje generado por un termopar no puede medirse directamente, ya que primero debe conectarse un voltímetro al termopar, y los cables del voltímetro crean ellos mismos un nuevo circuito termoeléctrico (termopar). Considere un voltímetro conectado a un termopar cobre-Constantan (Tipo T), como se muestra en la figura . Lo que se quiere es que el voltímetro indique solamente el voltaje V 1 , que es el voltaje de salida de la Junta J 1 ; pero al conectar el voltímetro al termopar, se formaron dos juntas metálicas adicionales J 2 Y J 3 . Debido a que J 3 es una junta cobre-cobre, no se crea una Fem. en esta junta (\/ 3 = 0); pero J2 es una junta cobre-Constantan, la cual desarrolla una Fem. (V 2 ) en oposición a V 1 . La lectura resultante en el voltímetro será la diferencia de temperaturas entre J 1 y J 2 . Por lo tanto, la temperatura de J 1 no puede conseguirse a menos que primero conozcamos la temperatura de J 2 .

Un medio para determinar la temperatura de J es el de colocar la junta J 2 en un baño de hielo como se muestra en la figura

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

18 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

haciendo que su temperatura sea 0°C y estableciendo J como la “Junta de Referencia”. Ahora, la lectura del voltímetro será: Sumando el voltaje de la junta de referencia se ha referido la lectura V a 0°C. El punto de hielo o punto de referencia a 0 °C es utilizado por el National Bureau of Standards (NBS) como el punto de referencia fundamental para sus tablas de termopares. De este modo, se pueden utilizar las tablas NBS y convertir directamente el voltaje V a la temperatura T j1 . Casi en la totalidad de los casos la medición del voltaje generado por un termopar, se realiza a una temperatura T ref diferente a la de la temperatura de referencia de 0 °C. En este caso, al voltaje leído en el voltímetro habrá que sumarle el voltaje que generaría un termopar similar desde la T ref hasta la temperatura de referencia de 0 °C. De este modo se “traslada” la junta de referencia desde T ref hasta T ref = 0 °C, pudiéndose entonces utilizar las tablas NBS de termopares, las cuales como se dijo anteriormente están basadas en T ref = 0 °C Termopozos En la mayoría de las aplicaciones de medición de temperatura no es recomendable exponer el elemento sensor al fluido del proceso. La utilización de un termopozo, a pesar de que introduce retardos en la medición, es recomendable para proteger al elemento sensor de la corrosión, erosión y altas presiones además de permitir su remoción o cambio mientras la planta o el proceso está en operación. El termopozo puede tener varias configuraciones y formas para su montaje, tal como se muestra en la figura . El termopozo puede ser de forma recta, cónica o escalonada. La forma de conexión al proceso puede ser roscada o por medio de bridas. Tipos de termopozos

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

19 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Instalación de termopares Las instalaciones industriales de termopares generalmente están constituidas por el termopar con su termopozo, nivel de extensión, cabeza de conexión, figura siguiente . Se requiere también una longitud de cable de extensión y un instrumento indicador, registrador o controlador con compensación automática de la junta de referencia. Los cables de extensión son generalmente del mismo material de los elementos del termopar, o pueden ser de otros materiales los cuales generen esencialmente el mismo milivoltaje que el termopar.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

20 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

A los efectos de realizar una buena instalación del termopar, se debe tener en cuenta los factores siguientes: Conexión de la junta Descalibración Ruido Medición de temperaturas promedio y diferencias de temperaturas Termorresistencia

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. La magnitud de este cambio frente a 1 °C de cambio en la temperatura, se conoce como el “coeficiente de resistencia de temperatura” (a). Para la mayoría de los metales puros, este coeficiente es constante dentro de un rango de temperatura.

El cambio en la resistencia es una función del coeficiente de resistencia de temperatura y puede ser expresado por la ecuación: Donde: R t : Resistencia en Ohms a la temperatura T. R O : Resistencia en Ohms a la temperatura de referencia (generalmente 0 °C). : Coeficiente de resistencia de temperatura.

Los metales comúnmente utilizados en el diseño de detectores de resistencia son: platino el cual tiene un coeficiente de 0,00392 Ohms/ Ohms °C y se utiliza para medir temperaturas en el rango de -263 °C a + 545 °C, y níquel, el cual tiene un coeficiente de 0,0063 Ohms/ Ohms °C, utilizado para medir temperaturas en el rango de -190 °C a + 310 °C. Otros materiales _____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

21 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

utilizados son: plata, tungsteno, cobre y oro. Las características principales de los elementos utilizados como detectores de resistencia, están listados en la tabla

Tabla Características de los elementos más utilizados como RTD

La construcción industrial del RTD es prácticamente idéntica a la de los termopares, en su apariencia externa generalmente no existe diferencia física. Los RTD se construyen de varios tipos: 

 

En un circuito básico de dos cables se utiliza principalmente el tipo de conexión de dos hilos, con una conexión a cada terminal de la RTD. En este diseño, la resistencia de los cables de conexión, así como también las variaciones de resistencia por cambios en la temperatura ambiente, se incluyen en la medición de la resistencia de la RTD. Este tipo de configuración puede ser utilizado cuando los cables de conexión son cortos, de tal manera que su resistencia total sea despreciable, por ejemplo en transmisores-RTD integrados. El tipo de 3-hilos es el normalizado. Los cables que conectan el RTD al circuito de medición tienen resistencias cuyos efectos ya mencionados, tienden a cancelarse. La configuración de 4-hilos, es decir, dos hilos más lazo de compensación, proporciona mayor exactitud en la medición que las configuraciones anteriores.

De las configuraciones descritas, la más usada es la 3 hilos, ya que proporciona suficiente exactitud para la mayoría de las mediciones industriales. Los detectores de resistencia proporcionan una medición más exacta que la que es posible lograr cuando se utilizan termopares. Por lo tanto, los detectores de resistencia se utilizan en aquellas instalaciones donde se desea una gran exactitud. _____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

22 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Termopares o Termorresistencias En cualquier proyecto surge la eterna pregunta a la hora de especificar los elementos primarios de temperatura, ¿Qué instalamos termopares o termorresistencias?. La respuesta a esta pregunta, habitualmente la contestan las especificaciones del cliente final o unos criterios de diseño de cumplimiento. Medir la temperatura con un termopar, requiere medir además la temperatura de la junta fría, siendo ésta una fuente de posibles errores, además, se suele instalar el cable de extensión de termopares lo que suele dar un error adicional. Estos errores secundarios suelen ser mas importantes que los del propio sensor. La exactitud de una termorresistencia es mejor que la de un termopar, ya que no requiere de una compensación de una junta fría y no requiere de cables de extensión. Otro factor importante es el concepto de la deriva. Los termopares son propensos a tener deriva, desviación permanente de una señal que se produce de forma muy lenta a lo largo de un cierto periodo de tiempo, producidos por la propia naturaleza de construcción. La velocidad de respuesta es similar en ambos casos, siendo el coste del termopar mas barato como equipo, aunque más caro como instalación cuando se requiere cable de compensación. El elemento primario es la punta del iceberg en cuanto al coste conjunto. Se adjunta tabla de comparación.

Termistores Los Termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado, por lo que presentan unas variaciones rápidas y extremadamente grandes para los cambios relativamente pequeños en la temperatura. Los Termistores se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio, titanio y otros metales, y están encapsulados. La relación entre la resistencia del termistor y la temperatura viene dada por la expresión:

Donde: R t : Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta T t R O : Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia T O : Constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

23 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Así como el RTD, el termistor es también una resistencia sensible a la temperatura, mientras que el termopar es el transductor de temperatura más versátil; y el RTD es el más estable, el termistor es el más sensible. Los Termistores generalmente están constituidos de materiales semiconductores. La mayoría de los Termistores tienen un coeficiente de temperatura negativo; esto es, su resistencia disminuye al aumentar la temperatura. La mayoría de los Termistores exhiben grandes coeficientes de temperatura (lo que les permite detectar cambios mínimos en la temperatura), y una respuesta altamente no lineal. La figura muestra la variación del voltaje o la resistencia en función de la temperatura para termopares, RTD y Termistores. En esta figura puede notarse que mientras el termopar y el RTD exhiben una respuesta más o menos lineal, los Termistores producen una respuesta no lineal.

Pirómetros de radiación La mayoría de las mediciones de temperatura se realizan colocando el sensor dentro de un termopozo en contacto con el medio cuya temperatura se quiere medir. Sin embargo, el contacto del sensor con el medio es difícil o impráctico cuando el objeto se está moviendo, el ambiente es corrosivo, abrasivo, está a una temperatura extremadamente alta, o el objeto es muy pequeño, muy largo, o muy frágil, está inaccesible o la medición está siendo realizada al vacío. Bajo estas condiciones es más conveniente utilizar un sensor que no entra en contacto con el objeto o el medio. Estos sensores son los Pirómetros de Radiación. Los pirómetros de radiación permiten medir temperatura sin contacto físico con el medio. Esto es posible debido a que todos los objetos emiten energía radiante, siendo la intensidad de esta radiación proporcional a la temperatura. La medición de temperatura utilizando pirómetros de radiación está basada en la ley que establece que: “entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas, existe una transferencia neta de energía radiante desde el cuerpo más caliente hacia el cuerpo más frío”. Esta ley también establece que la cantidad de energía transferida por unidad de tiempo es proporcional a la cuarta potencia de la diferencia de temperatura entre los dos cuerpos, esta ley se conoce como la Ley de Stefan-Boltzmann y viene dada por la siguiente ecuación:

Donde: K : Constante de Boltzmann : 5,57 x 10-5erg / seg / cm2°K4 T b : Temperatura del cuerpo caliente °K. T a : Temperatura del cuerpo frío °K. _____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

24 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

La radiación es un fenómeno ondulatorio análogo a la luz y ocupa un lugar definido en el espectro. Los pirómetros que responden a todas las longitudes de onda y por lo tanto operan bajo la ecuación de Stefan-Boltzmann, se denominan Pirómetros de Radiación Total. Otra clase de pirómetros que utilizan solamente bandas angostas de longitud de onda en el espectro visible, se conocen con el nombre de Pirómetros Ópticos. Por lo tanto un pirómetro de radiación total es no selectivo, mientras que un pirómetro óptico es selectivo. Otro tipo de pirómetro que es parcialmente selectivo se denomina Pirómetro de Radiación Parcial. Interruptores de Temperatura o Termostatos Las tecnologías son las mismas, con la diferencia que se les incluye un contacto eléctrico calibrado a un valor de temperatura, de tal manera que dicho contacto cambia de estado cuando el valor de la temperatura.

2.2.3 Medición de nivel La medición del nivel puede definirse como la determinación de la posición de una interfase que existe entre dos medios separados por la gravedad, con respecto a una línea de referencia. Tal interfase puede existir entre un líquido y un gas, entre dos líquidos, entre un sólido granulado o sólido fluidizado y un gas, o entre un líquido y su vapor. Es muy importante que el usuario conozca los diferentes medidores disponibles, para que así pueda hacer una selección apropiada. A continuación se describen los principales métodos e instrumentos utilizados en la medición de nivel. Tipos de instrumentos para medir nivel Al igual que otras variables de proceso, el nivel puede ser medido por métodos directos o métodos indirectos. Los métodos e instrumentos utilizados para medición de nivel pueden clasificarse de la siguiente manera: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Métodos visuales. Instrumentos actuados por flotadores. Desplazadores. Instrumentos de nivel de tipo hidrostáticos. Métodos electrónicos. Métodos térmicos. Métodos sónicos. Instrumentos fotoeléctricos. 9. Instrumentos radioactivos.

a. Tubos de vidrio Los medidores o tubos de vidrio pueden ser considerados como manómetros en los cuales el nivel alcanza la misma posición que el nivel dentro del envase. La simplicidad de este instrumento lo hace popular en aquellas aplicaciones donde se requiere una indicación local del nivel. Existen dos tipos de medidores: el tubo transparente y el de reflexión. El transparente se utiliza en servicios donde el material dentro del recipiente tiene color o es viscoso, para detección de interfase o cuando el fluido es corrosivo. En la figura se muestra un medidor de este tipo. _____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

25 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

b. Cintas graduadas Este método para medición de nivel consiste en una cinta graduada con una pesa que tiene una gravedad específica mayor que la del fluido que está siendo medido. La cinta se hace descender en el tanque que contiene el fluido y la superficie mojada de la cinta provee una indicación del nivel del líquido. Su aplicación está limitada a tanques abiertos a la atmósfera. c.- Flotadores Los instrumentos de medición de nivel constituidos por flotadores, operan por el movimiento del flotador. El principio básico de flotación establece que “un cuerpo (flotador), sumergido en un líquido es empujado hacia arriba por una fuerza que es igual al peso del líquido desplazado”, la ecuación utilizada para determinar la fuerza de flotación disponible es: Donde:

F b : Fuerza de flotación. V f : Volumen del flotador. Sg : Gravedad específica del líquido.

El flotador se mueve hacia arriba y hacia abajo con los cambios en el nivel del líquido. Este movimiento del flotador puede ser transformado por diversos medios en una acción de indicación, registro o control. Generalmente son utilizados para medir interfases líquido-gas y líquido-líquido. Comercialmente existe una gran variedad de estos instrumentos utilizados en aplicaciones de nivel de líquido. Los más comunes son los flotadores horizontales y los flotadores verticales. El diseño mostrado en la figura permite que el movimiento del flotador pueda ser usado para operar un interruptor (switch) neumático o eléctrico.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

26 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

• Ventajas: Fácil instalación. Método de medición probado y confiable. No requiere calibración. Adecuado para aplicaciones en altas temperaturas, hasta 530 °C. Adecuado para aplicaciones de altas presiones, hasta 5.000 psig. Turbulencia y espuma en la superficie del líquido no afectan de manera significativa la medición.

• Desventajas: El encostramiento o depósitos de materiales sobre el flotador pueden impedir la operación de algunos flotadores. La exactitud normalmente esta limitada a 1¼”. No son adecuados para aplicaciones de líquidos viscosos. Las partes móviles están sujetas a desgastes requiriendo mantenimiento frecuente.

d.- Desplazadores La operación del desplazador está basada en el principio de Arquímedes, el cual establece que un cuerpo sumergido en un líquido será empujado hacia arriba por una fuerza igual al peso del líquido que él desplaza. Cuando aumenta el nivel del líquido en el recipiente, el desplazador pierde peso (este peso es igual al peso del líquido desplazado). La fórmula utilizada para determinar el alcance (span) de la fuerza de flotación para aplicaciones de nivel de líquido es:

Donde: F b : Alcance (Span) de la Fuerza de Flotación (Ib f o Newton) V : Volumen total del desplazador (pulg3o cm3) L w : Longitud de trabajo del desplazador (pulgadas o mm) L : Longitud total del desplazador (pulgadas o mm) B : Constante (0,036 Ib f /pulg. 09.8x10-3N/cm3) Sg : Gravedad específica del fluido _____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

27 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Los desplazadores se diferencian de los flotadores, debido a que en lugar de flotar sobre la superficie del líquido, están soportados por brazos que les permiten muy poco movimiento vertical a medida que el nivel cambia.

Ventajas: Instalación sencilla. Principio de operación confiable y probado. Calibración ajustable en campo. Permite medición continua. Capacidad para trabajar a altas presiones y temperaturas (5.000 psig/540°C). No lo afectan la turbulencia ni la espuma

Desventajas: Es afectado por depósitos de materiales sobre el desplazador. La exactitud normalmente está limitada a ±1/4”. No es apropiado para líquidos viscosos. Partes móviles sujetas a desgastes. La medición es afectada por los cambios en la gravedad especifica del fluido.

Aplicaciones: Medición de nivel de líquidos de gravedad específica constante. Medición de interfase líquido-líquido. Control de bombas. Interruptores para señal de alarma. La figura muestra algunas aplicaciones de los desplazadores.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

28 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

e.- Instrumentos de nivel de tipo hidrostático En los instrumentos de nivel de tipo hidrostático, el nivel se mide por medio del peso que ejerce una columna de líquido sobre el sensor de presión. La siguiente relación define la medición de presión debido a una columna de líquido, la cual puede ser convertida a altura del nivel sobre una línea de referencia determinada:

Donde: P : Presión debido a la columna de líquido. Sg : Gravedad específica del líquido. H : Altura del nivel.

En este caso se supone que la densidad del líquido es constante, sin embargo, las variaciones en la temperatura pueden afectar considerablemente la densidad del líquido afectando la exactitud de la medición. El método más común para medir nivel con sensores de tipo hidrostático, es utilizando transmisores de diferencial de presión (D/P cell), o transmisores de presión manométrica (gage). En los de diferencial de presión, la presión ejercida por la columna de líquido actúa sobre una celda de diferencial de presión, cuyo movimiento es utilizado para transmitir una señal neumática o electrónica proporcional a la altura del nivel. En la figura se muestran unas celdas de diferencial de presión. Éstos transmisores tienen precisiones que van de +0,2% a +0,25% del alcance (span).

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

29 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Se utilizan diferentes métodos para convertir la señal de presión hidrostática en una señal electrónica proporcional al nivel en el recipiente. En el ejemplo de la figura , se utiliza una celda de capacitancia que detecta los cambios en la presión hidrostática producidos por cambios en el nivel del recipiente.

a. Aplicación de transmisores de nivel Los transmisores de presión manométrica o diferencial, utilizados para medir nivel de líquido, miden la presión hidrostática. Esta presión es igual a la altura del líquido sobre la conexión o toma multiplicada por la gravedad específica del líquido y es independiente del volumen o forma del recipiente. • Aplicación para Tanques Abiertos: En tanques abiertos, un transmisor de presión instalado cerca del fondo del tanque medirá la presión correspondiente a la altura del líquido sobre él. La conexión se hace en el lado de alta presión del transmisor. El lado de baja presión del transmisor se ventea a la atmósfera. Si el transmisor está por debajo del valor inferior del rango del nivel deseado; entonces debe hacerse una supresión de cero.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

30 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Aplicación para Tanques Cerrados: En tanques cerrados, la presión encima del líquido afecta la presión medida en el fondo. La presión en el fondo del tanque es igual a la altura del líquido multiplicada por su gravedad específica, más la presión en el tanque. Para medir el nivel real, la presión del tanque debe restársele a la medición. Esto se hace colocando una toma de presión en el tope del tanque y conectándola al lado de baja presión del transmisor. De este modo, la presión del tanque se aplica igualmente en los lados de alta y baja presión del transmisor. La presión diferencial resultante es proporcional a la altura del líquido multiplicada por la gravedad específica. Cuando el gas que está sobre el líquido en el recipiente, puede condensar a la temperatura y presión de operación, en la tubería de la toma de baja presión el transmisor se llenará lentamente de líquido, produciendo un error en la medición. Para eliminar este error potencial, la tubería se llena con un fluido de referencia. El fluido de referencia producirá una presión sobre el lado de baja presión del transmisor, haciendo necesario realizar una elevación de cero. f.- Otros métodos hidrostáticos Método de Burbujeo utiliza la variación de presión hidrostática causada por la columna de líquido. Dentro del recipiente cuyo nivel se quiere medir, se instala una tubería vertical. El extremo abierto la tubería se hace coincidir con el punto de “nivel cero”, tal como se muestra en la figura

El otro extremo de la tubería se conecta a una fuente de aire regulada y a un medidor de presión. Cuando se va a realizar una medición de nivel, el aire de alimentación se ajusta de modo que lapresión sea ligeramente superior que la presión ejercida por la columna de líquido. Esto se consigue regulando la presión del aire hasta que se observan burbujas saliendo del extremo de la tubería colocado dentro del recipiente. La presión indicada por el medidor está relacionada con el nivel a través de la ecuación El método de burbujeo es útil en aquellas aplicaciones donde los líquidos son corrosivos o tienen sólidos suspendidos. Provee indicación local, es fácil de instalar y económico. Debe ser utilizado en aplicaciones de líquidos de gravedad específica constante y donde no se requiera una gran exactitud. g.- Métodos electrónicos para medir nivel Las técnicas electrónicas para medición de nivel están basadas en los principios de capacitancia, conductividad y resistencia. _____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

31 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Estos principios pueden ser aplicados para medir nivel de líquidos o sólidos. La selección del principio de medición depende del medio a ser medido, de las condiciones de operación, de la configuración del recipiente y del tipo de funcionamiento requerido (control, alarma, indicación). a. Sensores de nivel de tipo capacitivo La base de este método de medición radica en las características físicas de un condensador. La capacitancia de un condensador depende de la separación entre los electrodos o placas "d"; de su superficie "A" y de la constante dieléctrica del material entre las placas "E".

Un sensor de nivel tipo capacitivo sirve para medir el nivel de la mayoría de los líquidos y sólidos. El sensor está constituido por un electrodo o probeta de capacitancia que se introduce en el tanque. El cambio en la capacitancia, producido por un aumento o disminución del nivel en el recipiente, se mide utilizando la probeta de capacitancia, la cual está conectada a un circuito electrónico, que puede ser un interruptor de nivel para control ON-OFF, o un transmisor de nivel para medición de nivel continuo. Si el líquido es no conductor, el capacitor está formado por la probeta de capacitancia (electrodo primario) y la pared del tanque, los cuales conforman las placas del capacitor. El líquido cuyo nivel se quiere medir actúa como el dieléctrico. A medida que el líquido sube entre el espacio de las dos placas, se produce una variación en la capacitancia la cual se monitorea y se utiliza para dar una señal proporcional al nivel. En esta aplicación de líquidos no conductores la probeta de capacitancia debe estar aislada eléctricamente del tanque. Si el líquido es conductor, la probeta de capacitancia o electrodo primario se aísla eléctricamente del tanque y del líquido, generalmente se utiliza una cubierta de teflón sobre el electrodo. En este caso, el líquido actúa como la segunda placa del capacitor y el aislante sobre el electrodo primario actúa como el dieléctrico. Los problemas más comunes que se presentan con este tipo de medidores son: instalación incorrecta, encostramiento de la probeta, pérdida del aislante y falsa señal causada por espuma. La figura muestra los componentes y algunas aplicaciones de los sensores de nivel capacitivo.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

32 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Ventajas y desventajas: las ventajas y desventajas más importantes en la aplicación de sensores de nivel Capacitivos son: Ventajas: Requieren mínimo mantenimiento. Pueden ser utilizados para medición continua o puntual. Valor deseado o Set Point ajustable. Compatible con gran cantidad de líquidos, polvos, sólidos, lodos; materiales conductivos y no conductivos. Resistente a la corrosión con la probeta adecuada. Se ajustan a cualquier tipo de recipiente. Desventajas: Cambios en la constante dieléctrica del material, causan errores en la señal. Normalmente requieren calibración en campo. Depósito de materiales altamente conductores sobre la probeta, pueden afectar la exactitud y la repetibilidad.

2.2.4 Medición de flujo La medición de flujo es uno de los aspectos más importantes en el control de procesos; de hecho, bien puede ser la variable más comúnmente medida. Existen muchos métodos confiables y precisos para medir flujo. Algunos son aplicables solamente a líquidos, otros solamente a gases y vapores; y otros a ambos. El fluido puede ser limpio o “sucio”, seco o húmedo, erosivo o corrosivo. Las condiciones del proceso tales como presión, temperatura, densidad, viscosidad, etc., pueden variar. Todos estos factores afectan la medición y deben ser tomados en cuenta en el momento de seleccionar un medidor de flujo. Es necesario por lo tanto, conocer el principio de operación y características de funcionamiento de los diferentes medidores de flujo disponibles. Sin tal conocimiento, es difícil seleccionar el medidor más apropiado para una determinada aplicación. De acuerdo al principio de operación, los medidores de flujo pueden ser agrupados de la siguiente manera: • Medidores diferenciales (Head Meters). • Medidores de desplazamiento positivo. • Medidores de área variable. • Medidores volumétricos. • Medidores de flujo másico. Factores que afectan el flujo de un fluido a través de una tubería Los factores que mayormente afectan el flujo de un fluido a través de una tubería son: • La velocidad. • La fricción del fluido en contacto con la tubería. • La viscosidad. • La densidad (gravedad específica). • La temperatura. • La presión.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

33 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Un poco de historia •

•

• • • •

Daniel Bernoulli Una restricción en el flujo causa un aumento en la velocidad y una baja de presión del fluido. Michael Faraday Cuando un conductor se mueve en un campo magnético se induce una diferencia de potencial en el conductor. Osborne Reynolds Propone un número adimensional que define el perfil de velocidad de un fluido. Christian Doppler Ondas de sonido pueden servir para determinar velocidad Gaspard Coriolis Oceano y viento se desvían por rotación de la Tierra Theodore von Karman Vórtice

Velocidad del fluido (V) Un fluido en una tubería se puede mover de acuerdo a un patrón de flujo determinado, dependiendo en alto grado, de su velocidad. Estos patrones de flujo se conocen como “laminar” y“turbulento”. El flujo laminar es referido, algunas veces, como un flujo viscoso que se distingue por que las moléculas del fluido siguen trayectorias paralelas cuando el fluido se mueve a través de la tubería, tal como se muestra en la figura . El flujo turbulento, por otra parte, se caracteriza por patrones erráticos debido a que la turbulencia crea remolinos que mueven las moléculas del fluido a lo largo de trayectorias irregulares, tal como se muestra en la figura El término de velocidad, cuando se aplica al flujo de fluido en tuberías se refiere a la velocidad promedio del mismo fluido. Se debe utilizar la velocidad promedio ya que la velocidad del fluido varía a través de la sección transversal de la tubería.

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, mientras más lisa es la tubería, menor es el efecto de la fricción sobre la velocidad del fluido. La ecuación de Darcy permite calcular la pérdida por fricción en pie de fluido.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

34 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Donde: D : Diámetro de la tubería (pies). L : Longitud de la tubería (pies). V : Velocidad del fluido (pies/seg.). f : Factor de fricción de Fanny. g : Constante de la gravedad (32,17 pies/seg2ó 9,8 m./seg2).

El factor de fricción f es una función del número de Reynolds y de la rugosidad de la tubería. Viscosidad del fluido (µ) Otro factor que afecta la velocidad de un fluido es la viscosidad (µ). La viscosidad es una medida cuantitativa de la tendencia del fluido a resistir la deformación. Los fluidos que fluyen libremente tienen viscosidades bajas; los fluidos que parecen resistir a fluir libremente tienen viscosidades altas. La viscosidad se mide en unidades de centipoise, (cp = grs. / cm. seg.) la cual es referida como una unidad de viscosidad absoluta. Otro tipo de viscosidad llamada viscosidad cinemática se expresa en unidades de centistokes. Se obtiene dividiendo los centipoises por la gravedad específica del fluido. Algunos medidores de flujo se calibran para un valor de la viscosidad del fluido que pasa por el medidor. Si la viscosidad cambia, también lo hace el factor de calibración, afectando la exactitud de la medición. Otros medidores de flujo, como los medidores que utilizan el principio de diferencial, tienen limitaciones de viscosidad. Esto se debe a que por encima de ciertos valores de viscosidad, los factores de flujo que intervienen en la ecuación del medidor, ya no pueden ser considerados constantes. La viscosidad de un líquido depende principalmente de su temperatura y en menor grado de su presión. La viscosidad de los líquidos generalmente disminuye al aumentar la temperatura y la viscosidad de los gases normalmente aumenta al aumentar la temperatura. La presión tiene muy poco efecto sobre la viscosidad de los líquidos. Su efecto sobre la viscosidad de gases solamente es significativo a altas presiones.

Densidad del fluido (Gravedad específica) La densidad de una sustancia se define como su peso por unidad de volumen. La densidad de los líquidos cambia considerablemente con la temperatura, mientras que los cambios por variaciones en la presión son despreciables. La densidad de los gases y vapores es mayormente afectada por los cambios en la presión y la temperatura. Muchas mediciones de flujo se realizan sobre la base de mediciones de volumen, de modo que la densidad del fluido debe ser conocida o medida para determinar la verdadera masa de flujo. La gravedad específica (Sg) de un fluido es la relación de su densidad con respecto a una densidad patrón. El patrón para líquidos es el agua ( = 1 gr./cm3 a 4 °C y 1 atm). El patrón para gases es el aire ( = 1,29 gr./ lt a 0°C y 1 atm). Se ha determinado que los factores de flujo más importantes pueden ser correlacionados juntos en un factor adimensional llamado el Número de Reynolds, el cual describe el flujo para todas lasvelocidades, viscosidades y diámetros de tubería. En general, el Número de Reynolds define la relación de la velocidad del fluido en función de su viscosidad. El número de Reynolds se expresa a través de la siguiente ecuación:

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

35 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Donde: R e : Número de Reynolds D : Diámetro interno de la tubería : Densidad del fluido µ : Viscosidad del fluido

A bajas velocidades o altas viscosidades, R e es bajo y el fluido fluye en forma de suaves capas o láminas, con la velocidad más alta en el centro de la tubería y velocidades bajas cerca de la pared de la tubería donde las fuerzas viscosas lo retienen. Este tipo de flujo es llamado “flujo laminar” y está representado por Números de Reynolds (R e ) menores que 2.000. Una característica significativa del flujo laminar es la forma parabólica de su perfil de velocidad como puede verse en la figura

A altas velocidades o bajas viscosidades el fluido se descompone en turbulentos remolinos con la misma velocidad promedio en toda la tubería. En este “fluido turbulento” el perfil de velocidad tiene una forma mucho más uniforme. El flujo turbulento está representado por Números de Reynolds mayores que 4.000. En la zona de transición con Número de Reynolds entre 2.000 y 4.000 el flujo puede ser laminar o turbulento.

Medidores de flujo diferenciales Los medidores de flujo de tipo diferenciales son los más comúnmente utilizados. Entre ellos pueden mencionarse: la placa de orificio, el tubo Venturi, el tubo Pitot, la tobera y el medidor de impacto (Target). Estos miden el flujo de un fluido indirectamente, creando y midiendo una presión diferencial por medio de una obstrucción al flujo. El principio de operación se basa en medir la caída de presión que se produce a través de una restricción que se coloca en la línea de un fluido en movimiento, esta caída de presión es proporcional al flujo. La proporcionalidad es una relación de raíz cuadrada, en la cual el flujo es proporcional a la raíz cuadrada del diferencial de presión. Esta relación hace que la medición de flujos menores del 30% del flujo máximo, no sea práctica debido a la pérdida de precisión. Los medidores de flujo de tipo diferencial generalmente están constituidos por dos componentes: el elemento primario y el elemento secundario. El elemento primario es el dispositivo que se coloca en la tubería para obstruir el flujo y generar una caída de presión. El elemento secundario mide la caída de presión y proporciona una indicación o señal de transmisión a un sistema de indicación o control.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

36 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

El elemento primario se calcula y se selecciona de acuerdo al fluido y las características del proceso. Se han desarrollado ecuaciones que toman en cuenta casi todos los factores que afectan la medición de flujo a través de una restricción. La ecuación básica a partir de la cual fueron desarrolladas estas ecuaciones, es la ecuación de Bernoulli.

Tomando como referencia la figura ; si P 1 , P c , V 1 , V c son las presiones absolutas y velocidades en la zona antes de la restricción y en la vena contracta respectivamente; y si A y a son el área transversal de la tubería y de la restricción respectivamente; al aplicar la ecuación de Bernoulli entre estos dos puntos, resulta:

Reordenando términos, queda la ecuación

Si se hace a H w : el diferencial de presión efectiva medida en unidades de altura (mm H 2 O, pulgadas H 2 O, etc.), entonces:

y

Como el flujo Q 1 es igual al flujo a través de la restricción, entonces Q 1 = Q c , con lo cual se tiene:

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

37 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Reemplazando en la ecuación el valor de V 1 , entonces:

De la ecuación se despeja a V c , quedando:

Donde: d : Diámetro del orificio D : Diámetro de la tubería

Medidores de flujo de área variable Un rotámetro está constituido por un tubo vertical de área interna variable, a través del cual se mueve el flujo en sentido ascendente, figura Un flotador, bien sea esférico o cónico, que tiene una densidad mayor que la del fluido, crea un pasaje anular entre su máxima circunferencia y el interior del tubo. En un rotámetro clásico el flotador se mueve hacia arriba y hacia abajo dentro del tubo, el cual se encuentra graduado para indicar la tasa de flujo a la posición del flotador. Si el tubo no es transparente (por ejemplo metálico), la posición del flotador puede indicarse eléctrica o neumáticamente. La exactitud de un rotámetro puede variar entre 0,5 y 5% de la tasa de flujo. El rango puede variar desde una fracción de cm./min. hasta 3.000 gpm. Puede medir flujo de líquidos, gases y vapores, y es insensible a las configuraciones de tubería aguas arriba. Los rotámetros se encuentran disponibles en una amplia variedad de estilos. Los materiales del tubo, la forma y materiales del flotador, el tipo de conexiones, las longitudes de escala, la presión y la temperatura a las que puede operar, varían para cubrir un amplio rango de condiciones de servicio.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

38 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

La capacidad de un rotámetro se calcula en base al flujo de aire equivalente para servicios de gas o vapor; y en base al flujo de agua equivalente para servicios de líquido. Los fabricantes proporcionan las tablas de capacidad para varios diámetros de tubos y para diferentes tipos de flotador, basados en flujos de agua y aire a condiciones estándar. El flujo actual del fluido a ser medido con el rotámetro, debe convertirse a gpm de agua equivalente o a scfm de aire equivalente para poder utilizar las tablas de capacidad dadas por el fabricante, y así seleccionar el tamaño correcto del rotámetro. Para hacer esta conversión deben utilizarse las siguientes ecuaciones: Para líquidos

Para gas

Donde: SG : Gravedad específica del gas a condiciones estándar T op : Temperatura absoluta a condiciones de operación, °R P op : Presión absoluta a condiciones de operación, psia : Densidad del fluido a condiciones de operación, gr./cm3 F : Densidad del flotador requerido

Medidor de Flujo de Tipo Electromagnético: Representa uno de los medidores de flujo más flexibles y aplicables. Proporciona una medición sin obstruir el flujo, es prácticamente insensible a las propiedades del fluido, y es capaz de medir los fluidos más erosivos. Se instala igual que un segmento convencional de tubería, y la caída de presión que produce no es mayor que la producida por un tramo recto de tubería de longitud equivalente. Los medidores de flujo magnéticos son por lo tanto muy adecuados para medir químicos, lodos, sólidos en suspensión y otros fluidos extremadamente difíciles de medir. Su principio de medición proporciona una medición de flujo con una señal inherentemente lineal al flujo volumétrico independientemente de la temperatura, presión, densidad, viscosidad _____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

39 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

o dirección del fluido. La única limitación que tienen es que el fluido debe ser eléctricamente conductor y no magnético. El principio de operación de un medidor de flujo magnético está basado en la Ley de Faraday que establece que cuando un conductor se mueve a través de un campo magnético, se produce un voltaje inducido, cuya magnitud es directamente proporcional a la velocidad del conductor, a la longitud del mismo y al campo magnético. Cuando las bobinas electromagnéticas que rodean al tubo se energizan, generan un campo magnético dentro de él. El fluido del proceso que pasa a través del campo magnético funciona como un conductor en movimiento induciendo un voltaje en el fluido. Los electrodos colocados en el interior de la tubería establecen una conexión eléctrica con el fluido del proceso, captando el voltaje que ésta presenta. V es la velocidad de un fluido conductor en una tubería no-conductora, el cual fluye a través de un área de campo magnético B, y con electrodos espaciados una distancia D. La velocidad del fluido conductor, los electrodos y el campo magnético se encuentran formando ángulos rectos uno al otro. Bajo estas condiciones la Ley de Faraday puede escribirse como:

Donde: E : Fuerza electromotriz (Fem.) resultante, voltios K : Constante de proporcionalidad D : Distancia entre electrodos V : Velocidad del fluido

La velocidad lineal se reemplaza por el flujo volumétrico (Q) para hacerla más útil en aplicaciones de medición de flujo. Q = A. V, donde A es el área transversal de la tubería. Sustituyendo en la ecuación anterior resulta:

Esta ecuación demuestra la relación lineal que existe entre el voltaje inducido y el flujo. La limitación que tienen los medidores de flujo magnético es que el fluido debe ser conductor y nomagnético. La unidad para medir conductividad es el micro siemens por centímetro µS/cm. Los requerimientos mínimos de conductividad pueden diferir de un fabricante a otro pero 2 µS/cm.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

40 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

PROBLEMA 1 Se dispone de un transmisor de presión manométrica 614G de ABB (se adjunta catalogo 614G_1SG.pdf), codificado 614G-S2-31-3-1-151-11, que se empleará para medir presión en un proceso industrial. a) ¿Cuál es el límite mínimo del alcance? b) Se calibró el instrumento para medir presiones entre 10000 y 20000 kPa. ¿Cuánto vale el máximo error de medición? c) ¿Cuál es el valor máximo de presión admisible sin daños irreversibles para el instrumento? d) ¿Cuál es la señal de salida del instrumento? e) ¿Cuánto vale la señal de salida cuando la presión es de 13000 kPa? Acote el error. f) Calcule la ganancia del transmisor. g) Escriba la función de transferencia del instrumento. PROBLEMA 2 Se tienen dos transmisores de presión diferencial de las siguientes características:

a) ¿Cuál es más sensible? b) ¿Cuál es más exacto? c) ¿Cuál es más rápido? PROBLEMA 3 Se necesita medir e indicar la temperatura del agua de un tanque cuya magnitud se estima que variará entre 20 y 160 °C. Se usará una termoresistencia Pt-100 construido según normas DIN que asegura una exactitud de ± 0.1 % del span. Se va a emplear un indicador/transmisor Omega DP1610.pdf para indicación local y transmitir la señal a un panel de control. A partir de la información técnica indique: a) Tipos de señales de entrada y de salida del elemento primario. b) Tipos de señales de entrada y de salida del indicador/transmisor. c) Rango de calibración del transmisor. d) El valor de las salidas del sensor y del transmisor cuando la temperatura es de 120 °C. e) Cota del error en la medición del valor anterior f) Función de transferencia del sistema medidor-transmisor. En el anexo E se adjunta la tabla de Resistencia versus temperatura, Tp3_e.pdf, extraída del Apéndice E del libro: Kerlin T.,Shepard R (1982). Industrial Temperature Measurement, Instrum. Soc. of America, Research Triagle Park, U.S.A, pag. 271. _____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

41 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

PROBLEMA 4

El máximo caudal que circula por una placa de orificio es de 200 m3/h y la diferencia de presión que acusa el transmisor es de 160 mm columna de agua. El transmisor es electrónico con salida 4- 20 mA a) Calcule la ganancia del sistema de medición (placa de orificio más transmisor de presión diferencial) para cualquier caudal. b) Indique la ganancia del transmisor (en % y mA). c) ¿Cuál será la salida en mA cuando circule 100 m3/h. ¿Qué porcentaje del span representa? d) Indique en un gráfico en qué rango trabaja el transmisor. e) ¿Cuál será el caudal que circula cuando la salida del transmisor es 12 mA? ¿Qué % del span representa? PROBLEMA 5

Es necesario medir el nivel de lechada de cal (densidad 1.1 g/cc y temperatura 20 °C) en un tanque abierto a la atmósfera para lo cual se utiliza un sistema de burbujeo como el indicado en la Figura

La cantidad de aire a inyectar es mínima. Características del aire a utilizar: aire seco, no lubricado, filtrado pero se debe asegurar que el caudal sea constante. Esto puede lograrse utilizando un purgímetro que consiste en un rotámetro de área variable que cuenta además con un regulador de presión diferencial integrado que evita una caída de presión en el purgímetro (Ver Figura ).

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

42 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Para transmitir la señal de nivel a distancia, se puede complementar este sistema con un transmisor del tipo PI, Presion/Corriente pudiendo ser de tipo diferencial para compensar la presión atmosférica o del tipo manométrico. La cañería de burbujeo está ubicada a 16 cm de la base del tanque y el nivel máximo que debe medir es de 216 cm. a) ¿Cuál es el rango y span del elemento primario? ¿Cuánto vale el cero? b) Se empleará un transmisor de presión diferencial de rango variable, electrónico, señal de salida 4 a 20 mA. ¿Dónde se deben colocar las tomas de alta y baja presión? c) ¿Qué señal indicará el transmisor cuando el nivel sea 100 cm? d) Si la densidad cambia entre 1.05 y 1.15 g/cc, ¿cuál es el error que se comete en la medición?

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

43 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

44 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

45 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

46 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

47 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

48 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

49 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

BIBLIOGRAFÍA Luyben, W. L. (1990). PROCESS MODELING, SIMULATION AND CONTROL FOR CHEMICAL ENGINEERS. McGraw-Hill. USA. Considine. D. M., Ross, S. D. (1971). MANUAL DE INSTRUMENTACIÓN APLICADA. Editorial Continental, S. A. México. Felder, R. M., Rousseau, R. W. (1991). PRINCIPIOS ELEMENTALES DE LOS PROCESOS QUÍMICOS. Editorial Addison Wesley Iberoamericana. USA. Creus A. (1989). INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL. Editorial Alfa Omega, S. A. México. Pallás A. R. (1987). TRANSDUCTORES Y ACONDICIONADORES DE SEÑAL. Editorial Marcombo Boixareu. España. Doebelin, E. O. (1980). DISEÑO Y APLICACIÓN DE SISTEMAS DE MEDICIÓN. Editorial Diana. México. Micro Motion Power CD (2000). Catálogo y tutor para selección de instrumentos marca FisherRosemount. Rosemount. (1996). COMPREHENSIVE PRODUCT CATALOG. American National Standard. (1992) ANSI/ISA.S5.1-1984 (R1992). INSTRUMENTATION SYMBOLS AND IDENTIFICATION.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

50 Código:

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPÓN

Fecha de elaboración: febrero 2011 Nota: Queda prohibida la reproducción total o parcial sin permiso de la fuente.

_____________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________

CERFIN Subcentro de Electricidad y Electrónica

51 Código:

PARTICIPANTE: ..................................................................

Centro de Formación Industrial del Norte – CERFIN Isaac Albéniz 308 y El Morlán – Sector El Inca Telefax: 2406-575 2815-357 2418-959 e-mail: [email protected] QUITO - ECUADOR