09 repaso ii mec 388 instrumentacion revjs1

Pontificia Universidad Catlica del Peru Facultad de Ciencias e Ingenieria

CURSO INSTRUMENTACION

MEC388

8.-REPASO

Julio F. Sotomayor Chalco Celular: 993573293

E-mail: [email protected]

III.- PROGRAMA ANALITICO DEL CURSO

5.- MEDICIN DE TEMPERATURA

Conceptos bsicos para la medicin de temperatura.

Tipos de instrumentos de medicin de temperatura. Termocuplas / Termmetros bimetlicos / Resistencia variable (RTD) / Termistores / Otras tecnologas existentes.

6.- MEDICIN DE OTRAS VARIABLES DE PROCESO

Conceptos bsicos para la medicin de otras variables de proceso.

Tipos de instrumentos para medicin de otras variables. Peso / Humedad / Densidad / Otras variables de inters. Instrumentacin Analtica,

7.- OTROS SENSORES Y ELEMENTOS FINALES DE CONTROL.

Sensores de desplazamiento y posicin

Instrumentacin Hidrulica.

Instrumentacin Neumtica.

Vlvulas de control. Tipos. Dimensionamiento.

8.- CONCEPTOS FINALES

Recomendaciones para la instalacin adecuada de los instrumentos industriales

Criterios para la seleccin adecuada de los instrumentos industriales.

Conceptos de Seguridad aplicable a la instrumentacin de procesos.



CONCEPTOS BASICOS



I.- MEDICION DE PESO

Definicion de Peso

1. Fuerza con que la Tierra atrae a un cuerpo, por accin de la gravedad. "el peso se mide en gramos; los cuerpos caen en el vaco a causa del peso"

2. Medida de esta propiedad de los cuerpos. "calcular el peso de un cuerpo; cinco kilos de peso"

El peso de un determinado cuerpo se calcula a partir de la

multiplicacin entre la masa y la aceleracin de la gravedad.

F = W = mg La unidad en la que se expres el resultado son unidades de

fuerza, la que determin el sistema internacional de unidades es el

newton, comnmente abreviada con la letra N.

Dentro del sistema tcnico se utiliza la unidad llamada kilogramo/

fuerza, que suele ser abreviada como Kgf.

CONCEPTOS BASICOS




Las celdas de carga o sensores de peso son aquellos dispositivos electrnicos desarrollados con la finalidad es la de detectar los cambios

elctricos provocados por una variante en la intensidad de un peso

aplicado sobre la bscula o balanza, informacin que a su vez transmite

hacia un indicador de peso o controlador de peso.

La celda de carga o sensor de peso es un componente esencial al igual

que el indicador de peso, para el funcionamiento de cualquier bscula o

balanza electrnica.

En ingles se denominan:

Load Cells

Load transducers o

Load Sensors

Existen diferentes tipos siendo el mas comun las del tipo Strain Gage.

Ventajas:

Son de construccion compacta.

No tienen partes moviles

De alta precision

De amplio rango de medicion que puede ser usada para cargas

estaticas y dinamicas.

Desventajas

Su montaje es dificil

Su calibracion es tediosa.

CELDAS DE CARGA - APLICACIONES




Level Measurement

Density Measurement

Flow Rate Measurement

Interface Measurement

5

TIPOS DE INSTRUMENTOS DE MEDICION DE PESO

Celdas de Carga




Tipos de Celdas de carga: Celdas de carga de inflexin (Bending Beam)

Fabricadas en acero al carbono o inoxidable, utilizadas en grupos de cuatro en plataformas de 1 m x1 m, tanques con capacidades de 1000 kg hasta 10,000 kgs. Utilizadas para basculas de piso, basculas de tolva, etc.

Celdas de carga por presin lateral (Shear Beam). Son usualmente utilizadas en tolvas entre

pequeas y medianas o en el llenado de sistemas de ensaque.

TIPOS DE INSTRUMENTOS DE MEDICION DE PESO

Celdas de carga




Consideraciones para seleccion: Capacidad Tipo basico y modo de operacion Numero de celdas de carga Metodo de montaje Costo

Desempeo y nivel de precision relacionado con los requerimientos de los sistemas

Nivel de sellado y materiales de construccion Requerimiento s de aprobacion (metrologico,

seguridad, ambiental)

TIPOS DE CELDAS DE CARGA




De galgas extensiometricas (Strain Gauge Load Cells)

Hidraulicas (Hydraulic Load Cells) Neumaticas (Pneumatic Load Cells) Inductivas (Inductive and Reluctance-

Based Load Cells) Magnetoelasticas (Magnetoelastic Load

Cells) Piezoelectricas (Piezoelectric Load Cells) De fibra optica (Fibre-optic Load Cells) Resonantes (Resonant Wire Load Cells)

Fuente: Sensores de presin utilizados en las plataformas de fuerza aplicadas al estudio de la posturografa. Bruno Bellini

CONCEPTOS BASICOS



I.- MEDICION DE HUMEDAD

La humedad es la cantidad de vapor de agua presente en un gas o el agua que es absorbida por un liquido o slido.

La masa de vapor de agua contenida en un volumen dado de gas (g/m3) se denomina humedad absoluta.

Normalmente se mide la denominada humedad relativa que es la relacin entre la presin parcial de vapor de agua presente y la necesaria para que hubiera saturacin a una temperatura dada, expresada en tanto por ciento.

La mayora de los aislantes elctricos presentan un descenso de su resistencia al aumentar la humedad. Si se puede medir esta variacin de la resistencia tenemos un higrmetro resistivo.

La relacin resistencia humedad es marcadamente no lineal.

H2O + Gas o Slido

CONCEPTOS BASICOS




Aplicaciones: i) Confort humano (ambientacin): ii) Industria textil, papelera y de pieles iii) iii) Industria maderera: iv) Industria alimenticia: v) Industria farmacolgica: vi) Meteorologa: vii) Industria qumica- biolgica: viii) Conservacin y almacenamiento

TIPOS DE SENSORES DE HUMEDAD

Sensores de humedad por deformacin Sensores de humedad de bulbos hmedo y seco Sensores de humedad por condensacin Sensores de humedad por sales higroscopicas Sensores de humedad electrolticos Sensores de humedad por conductividad Sensores de humedad capacitivos Sensores de humedad infrarrojos Sensores de humedad piezoelctricos Sensores de humedad en el suelo




Fuente: Automatizacion Industrial Sensores de humedad Samir Kouro

CONCEPTOS BASICOS



I.- MEDICION DE DENSIDAD

DENSIDAD

Es la relacin entre la masa y el volumen de un fluido Se expresa como: r = m / v Sus unidades son:

gr / cm3 = gr / ml

kg / lt = 1000 kg / m3

lb / pie3

La densidad de los lquidos a menos que se manejen a presiones muy elevadas no presenta variaciones

significativas

Los valores de densidad para lquidos se encuentran en tablas

La densidad del agua a 20C @ 14.7 psi es 1 gr / cm3 1000 kg / m3

La densidad de los gases depende de la temperatura y presin de operacin

Para los gases ideales se puede calcular utilizando: P r = ---------------

R0 . M . T

R0 = Constante universal de los gases

M = Peso molecular del gas

CONCEPTOS GENERALES



I.- MEDICION DE DENSIDAD

Density measurement The proportion of solid matter in a liquid is

determined with the help of density measurement.

Typical applications in the process industry are the measurement of acid and lye concentrations, the mixture density of abrasive or sticky liquids and the solid matter content of muds and suspensions.

Every industry has its own specific requirements when it comes to measurement technology.

Differential Pressure Radiation based

CONCEPTOS BASICOS

Instrumentacin analtica




La instrumentacin analtica permite obtener informacin de la composicin y naturaleza qumica de la materia basndose en las propiedades fsico qumicas de los elementos a medir. Toma como base el estudio que realiza la Qumica analtica sobre la materia y su composicion. La clasificacin de la instrumentacin analtica se realiza en base a la propiedad que se mide.

La instrumentacin analtica juega un papel importante en la produccin y en la evaluacin de nuevos productos y en la proteccin de los consumidores y del medio ambiente.

Esta instrumentacin proporciona los lmites de deteccin

ms bajos requeridos para asegurar que se disponga de

alimentos, medicinas, agua y aire no contaminados.

La fabricacin de materiales cuya composicin debe

conocerse con precisin, como las sustancias empleadas en

los chips o pastillas de los circuitos integrados, se controla

con instrumentos analticos.

Incluye

Medicion de ph Medicion de conductividad Medicion de contenido de

gases

CONCEPTOS BASICOS



I.- INSTRUMENTACION ANALITICA

Examples of applications

Emission monitoring

Combustion of coal, oil and gas

Combustion of waste

Gasification

Cement plants

Calciner Gas Exit

Wet Kiln Gas Exit

ESP Precipitator (Safety relevant)

Coal bin and coal mill

Process monitoring

Optimization

Control

CONCEPTOS BASICOS




Kyoto protocol

Multinational agreement concerning global emission reductions

Ratified the 11th of December 1997 as an enhancement of UNFCCCs climate convention

Includes six Greenhouse gases (CO2, CH4, HFC, PFC, N2O, SF6)

Emission reduction goal of a 5,2% average for the period of 2008-2012

Post Kyoto period discussed in Copenhagen without decision

The emission reduction projects must be finished 2008

Breakdown into AnnexI and Non Annex I nations

Ratification of the protocol signed by 141 countries in February 2006

Rio - United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC)

Kyoto Protocol (COP 3)

EC-Directive - Emission Trading Decision

National implementation of EC-Directive

Coming into effect of Linking Directive

Recording of first CDM project

Start of Post-Kyoto Emission Trading (COP 10)

Start of EC wide Emission Trading

Coming into effect of Kyoto Protocol

Start international Emission Trading

Post Kyoto Period

Bali Conference Post Kyoto Period

Rio - United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC)

Kyoto Protocol (COP 3)

EC-Directive - Emission Trading Decision

National implementation of EC-Directive

Coming into effect of Linking Directive

Recording of first CDM project

Start of Post-Kyoto Emission Trading (COP 10)

Start of EC wide Emission Trading

Coming into effect of Kyoto Protocol

Start international Emission Trading

Post Kyoto Period

Bali Conference Post Kyoto Period

CONCEPTOS BASICOS




Orsat apparatus

Not easy to use

Fragile construction

Trained and well experienced staff needed

Accuracy depends on the skills of people handling the apparatus

Maintenance intensive

Orsat gas analyzer 1876 First manual multi-component analyzer

Mainly used to measure CO, CO2, and O2 in flue gases

Although largely replaced by instrumental techniques,

the Orsat remains a reliable method of measurement

even today, but it is difficult to handle

A: Water

jacketed

burett

e

B:

Absor

ption

pipette

s (C, D, E)

F:

Leveli

ng bottle

CONCEPTOS BASICOS




Sample

transport

(Pump)

Sample

conditioning

(Cooler)

Analyzer Off-gas

(treatment)

Process, stack,

pipes, tanks, Sampling

(Probe, Filter)

Signal processing and

reading

Control and maintenance of function

Sample Handling System (SHS) Sampling Point

70%

5%

Electronics

25%

Sample

Conditioning

Sensor

Physics

INFORMACION GENERAL MEDICION DE PH







Medicin de ph

INFORMACION GENERAL MEDICION DE PH




Conductividad Termica - Thermal Conductivity

What is the Physical definition ?

Some gases in comparison

)(ty conductivi thermal

oxarea

thickness

time

heat

TTA

L

t

Q

In physics, thermal conductivity, , is the intensive property of a material that indicates its ability to conduct heat.

It is defined as the quantity of heat, Q, transmitted in time t through a thickness L, in a direction normal to a surface of area A, due to a temperature difference T, under steady state conditions and when the heat transfer is dependent only on the temperature gradient.

INFORMACION GENERAL MEDICION CONDUCTIVIDAD




Conductividad Termica - Thermal Conductivity

P = U . I = Q & Q ~ total

Gas 1, 1 Gas 2, 2

Sample gas, total

total = c11 + c22

The Wheatstone Bridge

INFORMACION GENERAL




Ionizacin de flama Flame Ionization

A flame ionization detector (FID) is an instument that measures the concentration of organic species in a gas stream. It is frequently used as a detector in gas chromatography. The operation of the FID is based on the detection of ions formed during combustion of organic compounds in a hydrogen flame. The generation of these ions is proportional to the concentration of organic species in the sample gas stream. Hydrocarbons generally have molar response factors that are equal to number of carbon atoms in their molecule, while oxygenates and other species that contain heteroatoms tend to have a lower response factor. Carbon monoxide and carbon dioxide are not detectable by FID

What is a Flame ionization detector?

INFORMACION GENERAL

Advantages Flame ionization detectors are used very

widely in gas chromatography because of a number of advantages.

Cost: Flame ionization detectors are relatively inexpensive to acquire and operate.

Low maintenance requirements: Apart from cleaning or replacing the FID jet, these detectors require no maintenance.

Rugged construction: FIDs are relatively resistant to misuse.

Linearity and detection ranges: FIDs can measure organic substance concentration at very low and very high levels, having a linear response of 10^6.

Disadvantages Flame ionization detectors cannot detect

inorganic substances. In some systems, CO and CO2 can be detected in the FID using a methanizer , which is a bed of Ni catalyst that reduces CO and CO2 to methane, which can be in turn detected by the FID.

Another important disadvantage is that the FID flame oxidizes all compounds that pass through it; all hydrocarbons and oxygenates are oxidized to carbon dioxide and water and other heteroatoms are oxidized according to thermodynamics. For this reason, FIDs tend to be the last in a detector train and also cannot be used for preparatory work




Principio de medicin

Light Source Sample gas Detector

Lambert Beer Law

I = I0 e l c

= A = 1 - e l c

I0 I I0

INFORMACION GENERAL - FOTOMETROS

Un fotmetro es cualquier instrumento usado para medir la intensidad de la luz. Los que se utilizan para

la fotometra, son instrumentos para detectar : Intensidad de luz dispersa. Absorbancia. Fluorescencia.

La ley de Beer-Lambert es una relacin emprica que relaciona la absorcin de luz con las propiedades del material atravesado.

La ley de Beer-Lambert relaciona la intensidad de luz entrante en un medio con la intensidad saliente despus de que en dicho medio se produzca absorcin.




Electro-Magnetic Spectrum

Spectral Regions

Wavenumber (cm-1)

Electron Excitation

Electron Transition

Molecular Vibration

Molecular Rotation

106

105

103 102 104

107

10

1

X-ray Ultraviolet Infrared Microwave

14,285 cm-1

4,000

400

100

Near- Middle- Far-

350 nm

100 nm

MEDIDORES IR MEDIDORES UV





Infrared Absorption

Types of Species which Absorb in IR Any molecular vibration which displaces an electric charge will

absorb infrared radiation

Change in dipole moment

Diatomic molecules with dissimilar atoms

e.g. HCl, CO

Asymmetric vibrations in polyatomic molecules

Functional groups attached to polymers

Types of Non-Absorbing Species in IR

Atomic Species: He, Ne, Ar, Kr

All Atomic Species

Molecular Species: H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2 All homonuclear diatomic species without a permanent

dipole

These molecules cannot be analyzed by IR.


CO, CO2, NO, N2O, NH3, SO2, HCN, COS, CS2, SF6, H2O, .......

CH4, C2H2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8,C4H10, C4H8, C4H6, C5, C6 .......

CH3OH, C2H4OH, Acetone, Propylenoxide, Formaldehyde,

Acetaldehyde, Ethylacetate, .......

HCl, COCl2, EDC, VC, ......

CH3Br, PH3, CH3I, C3F6, SiH4, Freons, .

Examples for Infrared Sensitive Gases




UV Spectroscopy & Absorptions Absorption of ultraviolet and visible radiation:

Chromophores Double/triple bonds

Aromatics Other outer electrons involved

The spectrum of a molecule involving electr. transitions is complex (superposition of rotational and vibrational transitions on the electronic transitions gives a combination of overlapping lines) This appears as a continuous absorption band.

The absorption of UV or visible radiation corresponds to the excitation of outer electrons.


Examples for UltraViolet Sensitive Gases

NO, NH3, NO2,

SO2, H2S, COS, CS2,Cl2, COCl2

Benzene, Xylene, Toluene,

Butadiene, Propadiene,

Aniline, Styrene, Naphtalene, Acrylnitrile some more




Installation methods for gas analysis UV or IR Source

Off-Line

At-Line

In-Situ

(Cross

Stack)

Extractive

In-Situ

Now, lets have a closer look on how gas analyzers are installed in a plant:

For the discontinuous measurement in

laboratories, there is a facility to draw a gas

probe from the process.

The measurement then is called Off-Line - or

At-Line, if the lab is close to the process.

To measure directly in the stack, extraction

probes and analyzers are mounted together

at the measuring point. This is called In-Line

or In-Situ measurement.

Finally there is the extractive measurement.

The sample gas is feeded continuously from

the process line to an analysis system. It

can be installed near to the measurement

point or at a short distance. The gas can be

conditioned before it enters the gas

analyzers.





Why do we use a laser for absorption spectroscopy?

Laser

Normal light

source

Laser

TDL AS

Tunable Diode Absorption

One wavelength

Many wavelengths

L D Spectroscopy Tunable Absorption

DL

The laser emits radiation with a single wavelength





Components and Industries where Absorption spectroscopy by laser is used

Chemical &

Petrochemical Power & Steam

Upstream

Oil & Gas

Downstream

Oil & Gas

Food, Beverage

& Pharmaceutical

Metals, Mining,

& Minerals

Some examples:

Process control

O2 - Control in vessel for solvents

O2 - Flare gas monitoring in petrochemical

O2, CO - Post Combustion control in steel furnaces

NH3 - Slip monitoring in DeNOx SCR and SNCR

HCl - Control of efficiency of HCl abatement system in Waste and Power

HF - Control of efficiency of HF abatement system in aluminium smelters

Emission Monitoring

NH3, HCl, HF in waste incinerators

Safety measurement

O2 in chemical plants

O2 in steel plants

CO in cement furnaces

and many others are possible!

Single Components:

NH3

HCl

HF

O2

H2O

CO

CO2

NO

NO2

N2O

H2S

HCN

CH4

C2H2

C3H6

C3HI

CH2O

EtO

VCM

DCM

Dual Components:

NH3+H2O (TV cert.)

HCl+H2O

HF+H2O

CO+CO2

O2+Temp

HCl+CH4

CO+CH4

CO+H2O (+Temp)

others on request.


INFORMACION GENERAL




Behavior of Gases in a Magnetic Field

Diamagnetic

Paramagnetic

N

S

N

S

N

S

Oxygen O2

Nitrogenmonoxide NO

Nitrogendioxide NO2

Carbondioxide CO2

Carbonmonoxide CO

Nitrogen N2

Methane CH4

Hydrogen H2

Sulfurdioxide SO2

Argon Ar

Propane C3H8

The magnetic susceptibility is the ability of a material to respond to an external magnetic force. If the magnetic susceptibility is positive, the magnetic field in the material is strengthened by the induced external magnetization and in an inhomogenious field the material will be drawn into the direction of higher fieldstrength. Alternatively, if is negative, the induced magnetic field in the material is weakened by the induced magnetization and the material will be pushed out of the area of highest field strength.




APPLICATIONS

Waste industry

O2 in fluegas waste

Cement Industry

O2 in fluegas cement

O2 in lime kiln gas

process metallurgy: extraction of the ore

O2 in gas from roasting (SO2 dependency)

Applications - Thermomagnetic

O2 in fluegas, 1-3 MR, substitute gas curve

O2 in fluegas - waste, 1-2 MR, substitute gas curve

O2 in fluegas - cement, 1-3 MR, substitute gas curve

O2 in lime kiln gas, 1-2 MR, substitute gas curve

O2 in gas from roasting, 1-2 MR, substitute gas curve

O2 in N2, 1-3 MR

The high CO2/SO2 dependency is considered in calibration

INFORMACION GENERAL

N

S

N

S

Permanent Magnet

Ring Resistor

( heated )

INFORMACION GENERAL - MEDICION O2




ZO23 - Tracing Oxygen

Field of application:

Trace oxygen measurement in pure gases

Typical measuring ranges 01/10/100/1000 ppm

Even with small amounts of combustible components

La base para la determinancion de la concentracion de oxigeno en los

gases es la Ecuacion de Nernst. La ecuacin de Nernst se utiliza para calcular el potencial de

reduccin de un electrodo fuera de las condiciones estndar (concentracin 1 M, presin de 1 atm, temperatura de 298 K 25 C. Se llama as en honor al cientfico alemn Walther Nernst, que fue quien la formul en 1889.

ZO23 Sensor - Principal Setup Reference gas

Ambient Air,

20,6 Vol.%

Sample

inlet

ppm O 2

Outer electrode

ZrO 2

( Solid electrolyte )

Inner Electrode

Heater

U

Sample

outlet

ppm O 2

Operating temperature

? 650 C

Reference gas

Ambient Air,

20,6 Vol.%

Sample

inlet

ppm O 2

Outer electrode

ZrO 2

( Solid electrolyte )

Inner Electrode

Heater

U

Sample

outlet

ppm O 2

Operating temperature

? C

The analyzer is not suitable for: Installation in hazardous areas

Measurement of explosive or flammable gases Purging of housing with nitrogen

Operation under pressure or fluctuating pressure Measurement with changing flow

Reference gas: Ambient air (20,6 Vol%)

Measurement possible up to 20,6 Vol% ! (max. Measuring range 0 250 000 ppm) No Housing Purge with N2 possible No flammable gas mixtures measurable




ZrO2 - Typical Applications And Components

Emission monitoring of stack gases (CO, SO2, NO,) from power plants

Monitoring of landfill gas (CH4, CO2)

gas production / purity measurement (CO2, CO, N2O, CH4)

Process control in cement plants (CO, CO2 NO, SO2)

Burner optimization (CO)

Chemical industry (C2H2, C2H4, C3H6,..) Ethylene production

Topgas measurement in the blast furnace (iron&steel industry) (CO2, CO)

Emission monitoring of automotive exhaust gas in engine development (CO,CO2,N2O)

ZrO2 - Market Air Separators

The largest air separator in the world (1991)The largest air separator in the world (1991)

0 10 ppmArgon pre destillation product

0 10 ppmArgon destillation product

0 10 ppmNitrogen before Compressor 1+2

0 10 ppmLiquid Nitrogen to Tank

0 10 ppmLiquid Argon to Tank

Measuring RangeMeasuring Point

0 10 ppmArgon pre destillation product

0 10 ppmArgon destillation product

0 10 ppmNitrogen before Compressor 1+2

0 10 ppmLiquid Nitrogen to Tank

0 10 ppmLiquid Argon to Tank

Measuring RangeMeasuring Point

Possible Measuring Points Air Separators - O2 - Traces

INFORMACION GENERAL - MEDICION O2

CONCEPTOS BASICOS



I.- OTROS SENSORES Y ELEMENTOS FINALES DE CONTROL.

Los Sensores de desplazamiento y posicin miden el desplazamiento o rotacin de un objeto. Pueden ser:

Rotacional Rectilneo

Aplicaciones: Robtica y control numrico Antenas y telescopios Industrial del acero y papel Anlisis de vibraciones

CONCEPTOS BASICOS



I.- SENSORES DE DESPLAZAMIENTO Y POSICION

Dentro de los sensores de desplazamiento y posicin

podemos mencionar:

1. Servo potencimetros

2. Inductores diferenciales y transformadores

3. Desplazamiento micromtrico laserico

4. Codificadores (Encoder, Decoder)

5. Sensores sincros

6. Sensores resolvers

7. Sistemas grueso-fino (codificadores y sincros)

8. Strain gage (celula de tension y celda de carga)

Interruptor

Seal de

salida

para

control.

TIPOS

Sensores de Proximidad



SENSORES DE DESPLAZAMIENTO Y POSICION

Sealan la distancia entre el punto de referencia (punto terminal) y otros

objetos.

Pueden ser de contacto o sin contacto. De contacto.

Simples micro-interruptores colocados en sectores en

donde haya riesgo de chocar.

Pueden utilizarse como finales

de carreras o para marcar

posiciones dadas.

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Sin contacto.

Pueden ser:

Fibra optica

Laser

Ultrasonido

CONCEPTOS GENERALES



I.- INSTRUMENTACION HIDRAULICA

Hidrulica: Es una rama de la fisica y la ingenieria que se encarga

del estudio de las propiedades mecnicas de los fluidos. Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa (fuerza) y empuje de la misma.

Aplicaciones Hidrulicas. Maquinaria de gran potencia (excavadoras,

perforadoras de tneles) Produccin industrial automatizada.

Potencia hidrulica. Cuando se dispone de un determinado caudal Q de un

lquido a una presin P, se dice que el mismo posee un determinado poder hidrulico (o energa hidrulica). Esto quiere significar que el mismo posee una capacidad latente de producir trabajo mecnico si se le hace evolucionar en un mecanismo adecuado.

Componentes bsicos de un sistema hidrulico Independientemente del uso a que se destina un sistema hidrulico, se pueden distinguir cuatro componentes bsicos:

Bomba Actuador Elementos de control de la potencia generada Tuberas, accesorios y flido.

CONCEPTOS GENERALES




Componentes bsicos de un sistema hidrulico Las "bombas" reciben energa mecnica y la convierten en energa hidrulica que se

manifiesta como presin y caudal. Los "actuadores" reciben energa hidrulica y la convierten en energa mecnica .

Esto se puede realizar de dos formas: Desplazando linealmente un eje mediante un mecanismo cilindro-pistn Rotando un eje a travs de un motor hidrulico.

Los "elementos de control de potencia" son unidades destinadas a controlar la potencia en juego, para suministrar la fuerza aplicada a la velocidad que corresponda y en el sentido deseado. Genricamente se denominan "vlvulas".

Podemos clasificar las vlvulas en: Vlvulas controladoras de presin: se utilizan para adecuar la presin a la

fuerza o cupla ejercida por el sistema. Vlvulas reguladoras de caudal: se usan para gobernar la velocidad de los

actuadores. Vlvulas direccionales: permiten controlar la direccin del flido para obtener

movimientos del actuador en el sentido adecuado. Las "tuberas" son los rganos de unin para poder materializar los circuitos. Se denominan "accesorios" los elementos adicionales que se pueden encontrar en los

sistemas hidrulicos cumpliendo una funcin especfica que permite que el sistema alcance su finalidad.

"Flido" es el medio encargado de transmitir la energa y lubricar el sistema. Un sistema hidrulico puede ser definido como un sistema de transmisin de

potencia en el cual un lquido incompresible es utilizado como medio transmisor de esa potencia.

El propsito primario de un sistema hidrulico es transportar energa de un lugar a otro. a) Para transmitir energa mecnica a distancia. b) Como fuente de energa auxiliar en los sistemas de control, pues todo

sistema de control necesita energa para actuar (elctrica, mecnica o hidrulica).

Vlvula distribuidora de cuatro vas y dos posiciones

Bomba hidrulica de tipo lobular

CONCEPTOS GENERALES




Ventajas de los sistemas hidrulicos con respecto de los elctricos a) Menor tamao y peso de los componentes para

igual potencia b) Se pueden generar mayores fuerzas y cuplas c) Son sistemas con mayor velocidad de respuesta d) Tienen mayor flexibilidad para generar movimientos.

Desventajas de los sistemas hidrulicos con respecto de los elctricos a) Transmiten energa a distancias ms cortas b) Presentan mayor dificultad para evitar prdidas de

flidos c) Son sistemas ms sucios d) Requieren un mantenimiento ms delicado e) No se adaptan a zonas con peligro de incendios salvo

que se usen lquidos antiinflamables.

CONCEPTOS GENERALES



I.- INSTRUMENTACION NEUMATICA

Neumatica: Es la tecnologa que emplea el aire

comprimido como modo de transmisin de la energia necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos.

El aire es un material elstico y, por tanto, al aplicarle una fuerza se comprime, mantiene esta compresin y devuelve la energa acumulada cuando se le permite expandirse, segn dicta la ley de gases ideales.

Aplicaciones Neumticas La neumtica se encarga del estudio de las

propiedades y aplicaciones de los gases comprimidos .

Etimolgicamente esta palabra deriva de la griega pneuma , que significa .

Aunque las aplicaciones de los fluidos (gases y lquidos) no son nuevas, lo que s es relativamente reciente es su empleo en circuitos cerrados en forma de sistemas de control y actuacin.

CONCEPTOS GENERALES



I.- INSTRUMENTACION NEUMATICA

Aplicaciones Neumticas (continuacion) Un problema de automatizacin y control puede

resolverse empleando mecanismos, circuitos elctricos y electrnicos, circuitos neumohidrulicos o bien una combinacin de todo ello.

Los circuitos neumticos e suelen utilizar en aplicaciones que requieren movimientos lineales y grandes fuerzas.

Como: Produccin industrial automatizada. Se emplean

circuitos neumaticos o hidrulicos. Accionamientos de robot. Para producir el

movimiento de las articulaciones de un robot industrial y de las atracciones de feria, se emplean principalmente sistemas neumticos.

Mquinas y herramientas de aire comprimido. Como el martillo neumtico o mquinas para pintar a pistola, son ejemplos del uso de la neumtica.

CONCEPTOS GENERALES



I.- VALVULAS DE CONTROL

Vlvulas En la ejecucin automtica de los procesos

industriales las vlvulas desempean un papel muy importante en el lazo de control: regulan el caudal de fluido, lo que permite mantener la variable de control en el valor deseado.

Es el elemento que responde para producir cambios sobre la variable que se esta controlando. La vlvula acta como una resistencia en la lnea disipando la energa entregada por la bomba al fluido. La vlvula genera una cada de presin variable.

Partes: Cuerpo: asiento, obturador, rosca o brida. Vstago (aguja que se desplaza sobre un

indicador) Servomotor (neumticos, elctricos, electro

neumticos, hidrulicos)

Fuente: D. Castellanos

CONCEPTOS GENERALES




Clasificacin de las vlvulas Las vlvulas de control se pueden clasificar bajo varios criterios, entre los mas comunes se encuentran las clasificaciones segn:

El tipo de fluido a manejar El numero de vias El tipo de obturador El actuador

Segn el tipo de fluido Liquidos: se considera un fluido incompresible y como

caracteristica se tiene que su densidad esta relacionada con la temperatura. Los liquidos ocupan un volumen definido .

Gases: son fluidos compresibles. Una masa de gas no tiene un volumen definido, sino que se expande hasta ocupar todas las partes del recipiente que la contenga.

Vapor: es un fluido compresible pero se diferencia de los gases por los rangos de temperatura y presion tipicos que maneja, ademas se tienen dos fases (condensacion) por lo que se deben


CONCEPTOS GENERALES




Clasificacin de las vlvulas - Segn el nmero de vas Dos vias Tres vias Cuatro vias

Las valvulas de tres vias pueden utilizarse para mezclar fluidos (valvulas mezcladoras) o para derivar de un flujo de entrada dos de salida (valvulas diversoras).


CONCEPTOS GENERALES

Clasificacin de las vlvulas - Segn el obturador




Vlvulas Vstago deslizante o Globo Utiliza un obturador de movimiento lineal con diferentes formas de solido de revolucin. Se utiliza para regulacin y no permite un cierre total. Formas constructivas: Simple asiento : ptimos cuando queremos alto nivel de

estanqueidad. Doble asiento : Permiten trabajar con fluidos a alta presin, con un

actuador standard. Ventajas: Disponibles en todos los ratings. Amplia seleccin de materiales constructivos. Posibilidad de diversas caractersticas de caudal. Partes internas aptas para el tipo de estanqueidad requerida. Desventajas: Considerables prdidas de carga a grandes caudales. Precios ms elevados que las vlvulas de mariposa en servicios de

baja presin y temperatura.


CONCEPTOS GENERALES





Vlvulas de Vstago deslizante o Globo (continuacin)

Fuente: Fiuba 2014

CONCEPTOS GENERALES





Vlvulas de eje rotatorio

Fuente: Fiuba 2014

CONCEPTOS GENERALES

Clasificacin de las vlvulas - Segn el Actuador




Manual: Posee una palanca que debe ser accionada por un operario,

por lo que no sirve para realizar ningun tipo de control. Se utiliza para cierre manual de linea durante paros de

procesos.

Automticas: Hidrulicas/Neumticos: Diafragma o Pistn / Elctricas: Servomotor o solenoide Son los actuadores mas empleados a nivel industrial por su

simplicidad, la velocidad de respuesta y la capacidad de esfuerzo.

Fuente: D. Castellanos / CBA 2000

CONCEPTOS GENERALES

Dimensionamiento de vlvulas




Ecuaciones de Flujo Para el servicio de liquidos: la expresion mas utilizada se debe al fabricante Masoneilan (1944) aunque otros fabricantes utilizan expresiones similares:

Q = Cv . f(x). ( Pv / Gf )1/2 Donde:

Q: flujo volumetrico (gpmUS). Cv: coeficiente de valvula (gpmUS/psi 0.5). Gf: gravedad especifica (adimensional). Pv: caida de presion a traves de la valvula (psi). f(x): fraccion de apertura de la valvula (%)


A(x) f(x) = --------------- Amax

CONCEPTOS GENERALES

Dimensionamiento - Seleccin de vlvulas




Datos primarios: Necesarios para el clculo de la seccin de paso de la vlvula:

Propiedades de fluido. Presin antes de la vlvula Cada de presin en la vlvula. Teora del fluido: afecta al material de la vlvula. Caudal del fluido.

Datos secundarios: Nivel de estanqueidad Caracterstica de caudal: relacin estructural a presin

constante, entre el caudal que atraviesa la vlvula y su apertura .


CONCEPTOS GENERALES

Dimensionamiento




Kv , coeficiente de caudal o de dimensionamiento de la vlvula. Se define como caudal de agua en metros cbicos por hora a 15 C que pasa a travs de la vlvula para una apertura dada cuando la presin diferencial es de un bar.

Cuando est totalmente abierta: Kvs. Su valor mnimo es Kvo. Rangeability Kvs/ Kvo , relacin de caudales que la vlvula puede controlar sin perder sus caractersticas. Para una isoporcentual suele ser de 50 a 1.

Cv , es el nmero de galones USA por minuto de agua a 60 F que pasa a travs de una vlvula totalmente abierta cuando la presin diferencia es de 1 psi. El Cv es un parametro inherente a la valvula, que define su tamano por lo que es independiente del flujo, la presion y demas variables asociadas al flujo.

Kvs = 0.86 Cv Dan una idea de la capacidad de la vlvula Otros factores: Cavitacin , Ruidos


CONCEPTOS GENERALES

Elementos accesorios a las vlvulas:




Posicionador : Compara la seal del controlador con la

apertura real de la vlvula (carrera del vstago), si no coinciden transmite una seal elctrica o neumtica al actuador.

Filtro manoreductor de aire: Es un regulador de presin con filtro incorporado. Se utiliza para alimentar al posicionador o convertidor neumtico.

Transmisor de posicin: Emite una seal de salida proporcional al recorrido de la vlvula. Puede ser neumtico o elctrico.

Convertidor electroneumtico I/ P . Convierte la seal elctrica en neumtica.

Interruptor final de carrera: Es utilizado para indicar elctricamente la posicin de la vlvula, as como para operar sobre otros elementos como las vlvulas de solenoide.


INSTRUMENTACION EN LAZOS DE CONTROL



I.- CONCEPTOS FINALES

CONCEPTOS FINALES



I.- RECOMENDACIONES DE INSTALACION

INSTALATION REQUIREMENTS All instruments shall be installed so that they are

Accessible Capable of removal Replacement and repair In-line instruments shall be mounted and secured in place under the mechanical subcontract.

Remainder of the installation shall be completed in accordance with the installation detail(s) specified for each instrument in the instrument index provided by suppliers. Assure that instruments must be correctly calibrated before installation.

P&IDs,

UBICACIN Y

CONEXIN DE

INSTRUMENTOS

CONCEPTOS GENERALES GRADOS DE PROTECCION




IEC 60529: Degrees of protection provided by enclosures (IP Code)

NEMA (National Electrical Manufacturers Association). Este es un conjunto de estndares creado, como su nombre lo indica, por la Asociacin Nacional de Fabricantes Elctricos (E.U.), y comprende NEMA 1, 2, 3, 3R, 3S, 4, 4X y 5 al 13.

CONCEPTOS GENERALES GRADOS DE PROTECCION




CONCEPTOS GENERALES




Instalaciones en reas clasificadas Un area clasificada es un un area donde hay peligro de incendio o explosion

por dispersion en el aire de material de facil ignicion:

Tipo de Material

Segn el Tipo de Material o Producto

Clase I Clase II Clase III

Grado de Riesgo o Peligro Segn el Grado de Riesgo o Peligro en

Divisin 1 Divisin 2

Tipo de Atmosfera

Segn el Tipo de Atmosfera las reas se tiene:

Grupo A

Grupo B

Grupo C

Grupo D

Grupo E

Grupo F

Grupo G

CONCEPTOS GENERALES




Criterios para la instalacin de instrumentos Etapas que se siguen en la instalacin: Identificar el sitio de ubicacin del instrumento de acuerdo a

los planos. Verificar que el soporte este correctamente instalado. Verificar que el instrumento funciona y esta calibrado de

acuerdo a lo especificado en el data sheet del instrumento. Montar el instrumento sobre el soporte de acuerdo a lo

especificado en la norma ISA y siguiendo las indicaciones del fabricante.

Realizar el conexionado al circuito de control.

CONCEPTOS GENERALES




PROBLEMAS DE MEDICIN: EL RUIDO ELCTRICO Entendemos por ruido elctrico a toda fluctuacin aleatoria o indeseada de una

magnitud elctrica que tienda a enmascarar la seal de inters. Se caracterizan por ser de naturaleza no determinista e inevitables en sistemas electrnicos, los cuales deben garantizar valores elevados de la relacin seal/ruido.

Los tipos de ruido pueden deberse a efectos de la temperatura, campos elctricos intensos (avalancha), comportamiento del semiconductor, desfase entre tensin- corriente entre otros.

FUENTES DE RUIDO Lneas elctricas, motores, transformadores, generadores, soldadura por arco,

lmparas fluorescentes entre otros. Pueden catalogarse en ruido debido a interferencia electromagntico (EMI), de radiofrecuencias (RFI), electrostticas (ESI), por descargas atmosfricas, transitorios o sobretensiones en lneas 220 o 380 Vca entre otros. Las fuentes comunes de ruido en la mayora de seales de instrumentacin analgica son:

Acoplamiento capacitivo El acoplamiento inductivo Ruido de lazos de tierra Impedancia de acoplamiento (o de acoplamiento de conductancia)

Fuente: Interferencias en seales de instrumentacin industrial - Tecnoficio

CONCEPTOS GENERALES RUIDO ELECTRICO




PROTECCIONES Y AISLACIONES PARA RUIDO ELECTRICO Maneras de reducir el acoplamiento capacitivo en seales de instrumentacin Hay cuatro formas de reducir el ruido inducido por

acoplamiento capacitivo. Estas son: El blindaje de los cables de seal de instrumentos con material de baja resistencia Alejamiento de la fuente del ruido. Esto se hace generalmente asegurndose que los cables de alimentacin y los cables de seal del instrumento no pasen por el mismo conducto o bandeja de cables La reduccin de la amplitud de la tensin de ruido (y posiblemente la frecuencia) Torsin de los cables de seal del instrumento

Acoplamiento inductivo en instrumentacin analgica y cmo reducirla El mtodo ms prctico para reducir el acoplamiento inductivo

y asegurar una inmunidad a los campos magnticos de los cables de seal del instrumento es torcer un par de cables en lugar de permitir que se encuentren a lo largo de lneas rectas paralelas. Esto reduce en gran medida los efectos de la induccin electromagntica.


CONCEPTOS GENERALES RUIDO ELECTRICO




PROTECCIONES Y AISLACIONES PARA RUIDO ELECTRICO Los lazos de tierra y la impedancia de acoplamiento: Un lazo de tierra es un camino indeseable de corriente en un circuito

elctrico. Dos de los mtodos ms eficaces de reducir estos bucles de tierra son:

Conexin a tierra de punto nico El uso de las entradas diferenciales


CONCEPTOS GENERALES

SELECCIN DE INSTRUMENTOS



II.- CRITERIOS DE SELECCIN - REPASO

The selection of an instrument for a specific application is an iterative process. Following points should be considered while their selection:

Identify all operating cases Collecting all relevant process data Environmental conditions The extent to which the measured system will be disturbed Durability Maintainability Consistency of performance

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Magnitud a medir Caractersticas de salida

Rango

Resolucin

Exactitud

Estabilidad

Ancho de banda

Tiempo de respuesta.

Limites de la magnitud a medir.

Magnitudes medioambientales

Sensibilidad

Tipo: Tensin, corriente.

Forma de sea: Unipolar, flotante, diferencial

Impedancia

Destino

Caractersticas de alimentacin Caractersticas ambientales

Tensin

Corriente

Potencia

Frecuencia

Estabilidad

Temperatura

Humedad

Ruido elctrico

Ruido mecnico

Agentes qumicos

Atmsfera explosiva

Otros factores

Peso

Dimensiones

Vida media

Costo de adquisicin

Disponibilidad

Tiempo de instalacin

Longitud y necesidad de cables.

Tipo y disponibilidad de conectores.

Situacin en caso de fallo

Costo de mantenimiento y calibracin

Costo de reposicin



II.- CRITERIOS DE SELECCIN - REPASO

CONCEPTOS GENERALES



III.- CONCEPTOS DE SEGURIDAD

3.1.16 Electrical (E)/ Electronic (E)/Programmable Electronic Systems (PES) (E/E/PES): When used in this context, electrical refers to logic functions

performed by electromechanical techniques, (e.g., Electromechanical relay, motor driven timers, etc.), electronic refers to logic functions performed by electronic techniques, (e.g., solid state logic, solid state relay, etc.), and Programmable Electronic System refers to logic performed by programmable or configurable devices [e.g., Programmable Logic Controller (PLC), Single Loop Digital Controller (SLDC), etc.] . Field devices are not included in E/E/PES.

3.1.32 Logic solver: E/E/PES components or subsystems that execute the

application logic. Electronic and programmable electronics include input/output

modules. 3.1.53 Safety Instrumented Systems (SIS): System composed of sensors, logic solvers, and final control

elements for the purpose of taking the process to a safe state when predetermined conditions are violated (see Figure 1.1).

Other terms commonly used include Emergency Shutdown System (ESD, ESS), Safety Shutdown System (SSD), and Safety Interlock System.

CONCEPTOS GENERALES




3.1.53 Safety Instrumented Systems (SIS): SIS, Sistema Instrumentado de Seguridad (SIS, Safety Instrumented System) Es un sistema compuesto por sensores, procesadores lgicos y elementos finales de control que tiene el propsito de implementar las funciones de seguridad necesarias para llevar al proceso a un estado seguro, cuando se han violado condiciones Predeterminadas.

CONCEPTOS GENERALES




CONCEPTOS GENERALES




El Safety Integrity Level, abreviado SIL, en espaol Nivel de Integridad de Seguridad se define como un nivel relativo de reduccin del riesgo que provee una funcin de seguridad, o bien para especificar el nivel objetivo para la reduccin de riesgo. SIL podra definirse simplemente como una medida de la prestacin requerida para una funcin instrumentada para la seguridad (SIF). Los requisitos para un SIL determinado no son consistentes a lo largo de todos los estndares de seguridad funcional. En los estndares de seguridad europeos se definen 4 SILs, siendo el nivel 4 el ms severo y 1 el ms bajo. El SIL se determina a partir de un nmero de factores cuantitativos en combinacin con factores cualitativos tales como el proceso de desarrollo y la gestin del ciclo de vida de la seguridad.

CONCEPTOS GENERALES

CAPAS DE PROTECCION LOPA - Layers of Protection Analysis




Respuesta de Emergencia de la Comunidad

Respuesta de Emergencia de la Planta

Protecciones Fsicas (muros de contencin)

PROCESO

Control Bsico

SIS (ltima capa automtica)

Alarmas Crticas (intervencin manual)

CONCEPTOS GENERALES




OSHA & EPA

Process Safety Management

GOOD ENGINEERING PRACTICE

Written Internal Guidelines

Mentor/Engineering Practices

Industry Codes & Standards

Emergency Shutdown Systems, Control, Relief

Systems

SIF included here

Safet Instrumented function

CONCEPTOS GENERALES




Safety Instrumented System Standards

ISA 84.01-2003 - Functional Safety: Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector Identical to IEC 61511 with inclusion of grandfather clause To be published October 2003

IEC 61508 - Functional Safety: Safety Related Systems Current version released 1999 Under revision for next release 2005

IEC 61511 - Functional Safety: Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector Published 2003

ASME

NFPA

API ISO

AICHE Books Boiler

Codes

V.- SISTEMA DE EVALUACION DEL CURSO

En este curso se aplicar la modalidad de evaluacin NOTA UNICA.

Esta se obtiene con la siguiente frmula:

Nota Final = (3 Ex1 + 4 Ex2) / 7

Donde: Exi = Nota del Examen i-simo

El profesor incluir en cada examen, hasta un mximo de 6 puntos, el promedio de las calificaciones de trabajos prcticos y tareas acadmicas que se encarguen a los alumnos

durante el semestre acadmico.

NOTAS DESDE EL PARCIAL:

INFORME VISITA A ABB

INFORME DE PRESENTACIONES

INFORME GRUPAL

INFORME INDIVIDUAL

PRESENTACION INDIVIDUAL

SEGN PROMEDIO SIMPLE DE LAS NOTAS ANTERIORES SE PUEDEN OBTENER HASTA MAXIMO 6 PUNTOS EN EL EXAMEN FINAL.

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09 repaso ii mec 388 instrumentacion revjs1

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