presentaci n instrumentaci n1-uc

INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS I

Conceptos Básicos

� Rango (R): Es el conjunto de valores que un instrumento puede medir dentro del espectro de la variable (dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida, de recepción o de transmisión del instrumento.

Ejemplo:

R=(10 →→→→ 250) psi

http://www.slideshare.net/javiergarciar/4-presin

� SPAN, Alcance o Tendido (Sp): Es la amplitud o magnitud del rango del instrumento, o es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento.Sp = |250 – 10|psi = 240 psi

� Rangoabilidad (Rg): Es la relación (cociente) entre la máxima y mínima medida que se puede dar en el instrumentoRg = 25/1 ó Rg = 25:1

Conceptos Básicos

� Valor mínimo de la variable de proceso (LRV): Valor mínimo de la variable de medida que un dispositivo está ajustado para medir. (10 psi)

� Valor máximo de la variable de proceso (URV): Valor máximo de la variable de medida que un dispositivo está ajustado para medir. (250 psi)

Conceptos Básicos

Conceptos Básicos

� Supresión de cero (Transmisores): Es la cantidad con que el valor cero de la variable de proceso (LRV) supera positivamente el valor inferior del rango del instrumento.

L H

LRV

URV

Patm

Patm

Viene dado comúnmente en porcentaje

del SPAN

R|calibrado = (0 – 200)’’ H2O

Conceptos Básicos

� Elevación de cero (Transmisores): Es la cantidad con que el valor cero de la variable de proceso (LRV) supera negativamente el valor inferior del rango del instrumento

L H

LRV

URV

Patm

Patm

Viene dado comúnmente en porcentaje

del SPAN

100’’H2O

R|calibrado = (150 – 200)’’ H2O

� Ejemplo:Se sabe que en un proceso donde se controla presión, se tiene un rango de la variable de proceso de R(140 → 260)”H2O. Determine si algunos de los siguientes transmisores de presión se puede usar, si a la salida del mismo deben haber 4ma cuando la presión esté dada por LRV.

PT1: R(0 → 554)”H2O, eleva 10% y suprime 50%PT2: R(0 → 300)”H2O, eleva 30% y suprime 20%

Conceptos Básicos

Conceptos Básicos- Debe cumplirse que Sp(PT)>Sp(VP)

- Cuando PT1 o PT2 reciban 140”H2O, su salida serámayor a 4ma, por lo que se debe suprimir el cero del instrumento en 140”H2O.PT1: Sp(PT1) =|554 – 0|”H2O = 554”H2OSp(PT1)>Sp(VP) = 120”H2O OKPT1 suprime 50% es decir Suprime= = 227”H2O

Como máx capacidad supresión > supresión deseada

FUNCIONA PT1

100

50*554

PT2: Sp(PT2) =|300 – 0|”H2O = 300”H2OSp(PT2)>Sp(VP) = 120”H2O OKPT2 suprime 20% es decir Suprime= = 60”H2O

Como máx capacidad supresión < supresión deseada

NO FUNCIONA PT2

Se escoge el transmisor PT1Se escoge el transmisor PT1

Conceptos Básicos

100

20*300

Conceptos Básicos

� SPAN AJUSTABLE (SDJ): Es otra forma de suministrar información sobre la capacidad de manejo de la variable asignada al transmisor.

Ejemplo: Un transmisor de presión con SDJ (25 → 150)”H2O, ¿Puede usarse para medir una presión de (0 → 100)”H2O?

Significado de SDJ:

SDJ|min = 25”H2O ⇒ Rmin (0 → 25)”H2OSDJ|máx = 150”H2O ⇒ Rmin (0 → 150)”H2O

Si puede usarse el transmisor

Es por definición, la diferencia existente entre el valor dado por el instrumento (valor leído, VL) y el valor que se considera como verdadero (Vv) dado por un instrumento patrón.

Error de medición

Causas de estas

diferencias

Calidad del Diseño del instrumento

Condiciones del ambiente

Desgaste de partes del instrumento

Instalación inapropiada

Falta de calibración

Error de medición

� Características estáticas del instrumento: Son aquellas consideradas cuando el instrumento es usado para medir señales NO cíclicas.- Errores estáticos- Desvíos: Cero o multiplicación- Zona muerta- Histéresis- Respecto escala del instrumento: Apreciación,

error de escala, precisión

Error de medición

� Error estático (ee): Diferencia entre el valor leído y el valor verdadero

Patrón

Manómetro

Maleta de calibración

ee = VL - Vv En porcentaje %100*Vv

Vv - V ee L=

Error de medición

� Clase o exactitud instrumental: Definición dada por la ISA para identificar la calidad instrumental, donde se considera el máximo error estático cometido por el instrumento a lo largo de su rango.

� Desvío: Diferencia de la respuesta instrumental a una misma entrada, tomada en un intervalo de tiempo (1 mes, 1 año, etc).

%100*Sp

eemáx±Clase o exactitud =

� Zona Muerta: Es el campo en el cual el instrumento no responde frente a los cambios producidos en la variable.(Viene dada en porcentaje del alcance o Span.

� Histéresis: Es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento para el mismo valor del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos (ascendente y descendente). Se expresa en % del Span

Error de medición

Error de medición

� Apreciación: Mínimo variación que puede ser leído por un instrumento.

� Error de escala:

� Precisión (accuracy): Capacidad de un instrumento por la que tiende a dar lecturas muy próximas unas de otras.

divisiones#lecminlecmáx

Ap−±=

2

Apes ±=

Error de medición

�Precisión: Hay varias formas de expresarlo� Porcentaje del Span o alcance� En las unidades de medida� Porcentaje de la lectura efectuada� Porcentaje del valor máximo del campo de medida� Porcentaje de la longitud de la escala

Los instrumentos de medida estarán diseñados por los fabricantes para que sean precisos, y como periódicamente se descalibran, deben reajustarse para

que sean exactos

INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS I

Nociones generales de fluido y otras sustancias

� Líquido (incompresibles): Se caracteriza por tener un volumen constante si la temperatura y la presión son constantes, tienen una superficie libre que los limita cuando están contenidos en un recipiente, y en general se les considera incompresibles.

Densidad = 1 Densidad > 1 Densidad < 1

Nociones generales de fluido y otras sustancias

� Gases:Se caracterizan por ocupar todo el volumen del recipiente que los contiene, no posee superficie libre limitante, son compresibles.

GAS IDEAL

Gas Real:ExistenVariaciones de masa en cada sector del recipiente

� Líquidos ideales: Adopta instantáneamente la forma del recipiente que lo contiene.Agua destilada a 4ºC y 1 atm de presión.

� Gas ideal:Aquel que adopta la geometría del recipiente que lo contiene con una distribución de masa homogénea. Aire a 0ºC y 1 atm de presión.

Nociones generales de fluido y otras sustancias

� Densidad(ρρρρ): Es la relación existente entre la masa (m) de una sustancia y el volumen que ocupa (Vol).

NOTA: 1kg m = 2,2046 lb mMasa: Cantidad de materia de un cuerpo (escalar)

[g m] ó [kg m] ó [lb m]Peso: fuerza que ejerce la gravedad sobre la masa de un cuerpo.

(vectorial)[dina] ó [Nw] ó [poundal]

Nociones generales de fluido y otras sustancias

=ρ333 pie

mlbó

m

mkgó

cm

mgvolumen

masa

cgs mks inglés

� Peso específico (γγγγ): Es la relación entre el peso (w) y la unidad de volúmen de un cuerpo (Vol)

Siendo:w = m.g

m = ρ.Vol

Nociones generales de fluido y otras sustancias

Volw=γ

γ = ρ.g

=γ333 pie

poundaló

m

Nwó

cm

dina

� Densidad relativa (G, adimensional):Es la relación entre la densidad propia de la sustancia y lo considerado como patrón según su estado.

líquidosOH

sust

2

Gρρ=

Nociones generales de fluido y otras sustancias

gasesaire

sustGρρ=

3cm

mgOH

m

mkg10001 32

==ρ33 m

mkg

cm

mg3aire 293,110x293,1 ==ρ −

� Gravedad específica (Gs, adimensional):Es la relación entre el peso específico de la sustancia considerada y el peso específico de la sustancia de referencia.

líquidosOH

susts

2

Gγγ=

Nociones generales de fluido y otras sustancias

gasesaire

sustsG

γγ=

3cm

fgOH

m

fkg10001 32

==γ 3m

fkgaire 293,1=γ

3cmdina8

OHm

Nw98101081,9 32

=⋅=γ3m

Nwaire 684,12=γ

2s

mmkg81,9fkg1

⋅=

� Viscosidad (µµµµ): Es la propiedad de un fluido de oponerse a las deformaciones tangenciales o fricción existente entre las capas adyacentes del fluido.

dydvabsoluta

τ=µ

Nociones generales de fluido y otras sustancias

VmáxV1

V2

dy

τ = Esfuerzo cortante

Nota: Si la fricción es despreciable se dice que el fluido es ideal

⋅

⋅

⋅222 ft

spoundaló

m

sNwó

cm

sdinaUnidades de µµµµabs

Viscosidad cinemática (µµµµc): Es la relación entre la viscosidad absoluta y la densidad.

ρµ=µ abs

c

Nociones generales de fluido y otras sustancias

=2cm

s.Dina1poise1

⋅=µ2absoluta cm

sdina

⋅=2s

cmmg1Dina1

Usualmente se trabaja en centipoise, cp = Poise/100

s

cmó

s

m 22

1 stroke

Usualmente se trabaja en centistoke, cs = stoke/100

Nociones generales de fluido y otras sustancias

Fluido Newtoniano

τ

dv/dy

τ

dv/dy

Fluido No Newtoniano

Ecuación de continuidad

� Líneas de Flujo: Son las trayectorias seguidas por una partícula de volumen (dv) en un fluido móvil

� Flujo de fluido estacionario:� Fluido ideal (viscosidad tiende a cero)� Un fluido se mueve de forma estacionaria, si dos partículas colocadas

en diferentes líneas de flujo están dotadas de igual velocidad

v1

v2

v3

v4

v1= v2= v3= v4

Estacionario si:

Ecuación de continuidad

� Ley de conservación de la masa:La masa no puede ser creada ni destruida sólo se puede transformar.

� Deducción de ecuación de continuidad:

v1

v2

v2A1

L1

L2

Estado 1:Vol1=A1.L1 = A1.v1.∆t

Estado 2:Vol2=A2.L2 = A2.v2.∆t

Por conservación de la masa:ρ1.A1.v1.∆t = ρ2.A2.v2.∆t

A2

Ecuación de continuidad

Deducción de ecuación de continuidad:

v1

v2

v2A1

L1

L2A1.v1 = A2.v2

Si A1>A2 ⇒⇒⇒⇒ v1 < v2

Siendo las densidades constantesρ = ρ1 = ρ2

Q1= Q2Caudal o Flujo volumétrico

A temperatura constante

A2

Ecuación de continuidad

La ecuación de continuidad es valida para fluidos reales

A1

L1

L2

1v

2v

Implicaciones de la ecuación de continuidad:Siendo A1 = πDi

2 / 4 y A2 = πD22 / 4

2

2

1

1

2

D

D

v

v

=

Ecuación de continuidad

Si hay cambio de temperatura:

tm

Qg ⋅ρ=

tm

Qg =ρ⋅

Flujo másico

Nº de Reynolds

�El número de Reynolds (NR), es un número adimensional que relaciona las propiedades físicas del fluido, su velocidad y la geometría del ducto por el que fluye y esta dado por:

absR

vDiN

µ⋅ρ⋅=

cR

vDiN

µ⋅=ó

OSBORNE REYNOLDS (1883)

NR < 2100 Flujo Laminar2100 < NR < 4000 Flujo de transición

NR > 4000 Flujo Turbulento

�Régimen de flujo:

Laminar:

Turbulento:

Vmáx

Nº de Reynolds

Comportamiento del fluido a distintas velocidades

Ecuación de Bernoulli

Establece que la energía total de un fluido ideal (viscosidad cero) es igual a una constante

v 1

v 2

A 1

L 1

L 2

Z1

Z2

Al pasar del estado 1 al 2, se produce un trabajo neto

F 1

F 2

1112222Edo1EdoN LApLApT −=−

11222Edo1EdoN LFLFT −=−

Ecuación de Bernoulli

EpEc)pp(VolT 122Edo1EdoN ∆+∆=−=−

2vm2

1Ec ⋅= )zz(gmEp 21 −⋅⋅=

Siendo Vol1 = Vol2 (líquido)

Sustituyendo ec. 2 y ec. 3 en ec. 1, siendo Vol = m/ρ y dividiendo entre g,

(1)

(2) (3)

zzzg2

vv

g

pp12

22

2121 ∆=−=−+

ρ−

Altura ganada por cambio de presión

Altura ganada por cambio de velocidad

Altura total alcanzada

Ecuación de Bernoulli

Ejemplo: Dado el siguiente tanque, determine la presión de fondo (P2 = Pf)

Patm

h = cteLíquido de densidad ρ

Pf = ?

zzzg2

vv

g

pp12

22

2121 ∆=−=−+

ρ−

P1 = PatmP2 = PfZ1 = hZ2 = 0v1 = v2 = 0

hg

pp fatm −=+ρ

− pf = patm + ρgh

pfg = ρgh = γh

Ecuación de Bernoulli

Presión manométrica

INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS I

Clasificación de los instrumentos de medición

Según forma de medición

Según energía que utilizan

Manuales (balanza)

Automática (manómetro, tester)

Auto – operados (no necesita fuente externa)

Energizados (requiere fuente externa)

Clases de instrumentos

Función

Ciegos

Elementos primarios

Indicadores

Registradores

Transmisores

Convertidores

Controladores

Elementos finales de control

Variable medida

Presión

Señal

TemperaturaNivelCaudal

Analógicos

Digitales

Otros

DensidadHumedadViscosidadPosiciónpH

Son aquellos que no tienen indicación visible de la variable

Presión(Variable del

proceso)

Instrumentos ciegos

Cambio en el estado de un

contacto eléctrico

Presostato - Presostato- Termostato- Transmisores sin

indicación

Instrumentos indicadores

Los instrumentos indicadores disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el

valor instantáneo de la variable.

Presión(Variable del

proceso)

Lectura del estado de la variable del

proceso)

Concéntrico

Excéntrico

Digital

Los instrumentos indicadores registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado según sea la forma del gráfico.

Temperatura(Variable del

proceso)

Lectura y registro del estado de la

variable del proceso)

Instrumentos registradores

Instrumentos registradores

Tarjetas de adquisición de datos

Tendencias de Rango y TiempoBase de datos histórica

Software

Instrumentos registradores

http://controlloopfoundation.com/distillation-column-process.aspx

Están en contacto con la variable y utilizan o

absorben energía del medio controlado para dar al

sistema de medición una indicación en respuesta a la

variación de la variable controlada.

Caudal (Variable del

proceso)

Cambio de presión

diferencial

Tobera

Elementos primarios de medida

Placa orificio

Elementos primarios de medida

Termopar

Transductores

Se designa así a los sensores que reciben una señal de entrada, función de una o más cantidades físicas y la convierten, modificada o no, a una señal de salida.

Elemento primarioRelé Transmisor Otros

Elementos transmisores

Captan la variable del proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática, electrónica o

digital (Fieldbus, modbus, entre otros).

Presión Diferencial(Variable del proceso)

Señal transmitida(Electrónica)

Elementos transmisores

Operación de transmisores

Exactitud

Exactitud

Exactitud

Elementos transmisores

Instrumentos controladores

Comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con

la desviación.

Valor deseado Acción

correctiva

Variable controlada

Instrumentos convertidores

Convierten el tipo de una señal de entrada normalizada en otro tipo de señal normalizada

Señal de entrada eléctrica (Tensión

o corriente)

Señal de salida (Neumática)

Convertidor electroneumático

(Convertidor I/P – E/P)

Elementos finales de control

Recibe la señal del controlador y modifica el agente de control, es decir, el estado de la variable manipulada.

Cuerpo

Actuador

Señal proveniente del sistema de

control

Variable manipulada

(Caudal)

Elementos finales de control

TiristoresModutrol

Variable controlada (Caudal)

Transmisor

PLANTA

SALA DE CONTROL Fuente Controlador

Elemento final de control

Entrada

Salida

Variable manipulada

(Caudal)

Ejemplo de un sistema de control

Elemento primario (Placa con orificio)

Convertidor

Según variable medida

Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas, siendo independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de proceso.

En la designación del instrumento se utilizan dos clasificaciones: por función

y por variable medida

INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS I

Normas ISA

Establecen un medio uniforme para designación losinstrumentos y los sistemas de la instrumentación

usados para la medición yControl, incluyendo símbolos y códigos de

identificación

ANSI / ISA-S5.1-1984 R(1992)

ANSI: American National EstándarISA: Instrument Society of America

Normas ISA

� ANSI/ISA-S5.1-1984 (R1992), Identificación y símbolos de instrumentación.

� ANSI/ISA-S5.2-1976 (R1992), Diagramas lógicos binarios para operaciones de proceso.

� ISA-S5.3-1983, Símbolos gráficos para control distribuido, instrumentación de desplegados compartidos, sistemas lógicos y computarizados.

� ANSI/ISA-S5.4-1991, Diagramas de lazo de instrumentación.

� ANSI/ISA S5.5-1985, Símbolos gráficos para desplegados de proceso.

Reglas para la identificación de instrumentos

a) Cada instrumento o función a ser identificado se ledesigna un código alfanumérico o número de identificación:TIC-103

b) El número del instrumento puede incluir información delcódigo de área o series específicas. Normalmente la serie900 a 99 puede ser utilizada para instrumentos relacionadoscon seguridad.

TICTIC103103Identificación

funcional Número del instrumento

Reglas para la identificación de instrumentos

c) Cada instrumento puede representarse en un diagrama por un símbolo que puede acompañarse con una identificación.

d) La identificación funcional del instrumento consiste de letras de acuerdo a la tabla, en donde la primer letra designa la variable controlada y una o mas letras subsecuentes identifican la función del instrumento.

TICTIC

VARIABLE MEDIDA(Temperatura)

FUNCIÓN(Indicador Controlador)

Identificación de

instrumentos

Combinaciones típicas de letras

e) La identificación funcional del instrumento se realiza de acuerdo a la función y no a la construcción (por ejemplo, untransmisor de nivel LT en lugar de un transmisor de presióndiferencial PDT).

f) El número de letras utilizado debe ser el mínimo para describir al instrumento, no excediendo de 4 letras.

g) Un instrumento multifuncional puede ser simbolizado por más de un instrumento.

Reglas para la identificación de instrumentos

1. Cualquier letra primera se utiliza con las letras de modificación D (diferencial), F (relación) o Q (interpretación) o cualquier combinación de las mismas cambia su significado para representar una nueva variable medida. Por ejemplo, los instrumentos TDI y TI miden dos variables distintas, la temperatura diferencial y la temperatura, respectivamente.

2.La letra A para análisis, abarca todos los análisis no indicados en la tabla anterior que no están cubiertos por una letra libre. Es conveniente definir el tipo de análisis al lado del símbolo en el diagrama de proceso.

Notas para la identificación de instrumentos

Notas para la identificación de instrumentos

3.El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinación de primera letra, es opcional.

4.El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o intermedio y exploración, es opcional.

5.El termino seguridad, debe aplicarse solo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o el personal). La designación PSV se aplica a todas las válvulas proyectadas para proteger contra condiciones de emergencia de presión sin tener en cuenta las características de la válvula y la forma de trabajo la colocan en la categoría de válvula de seguridad, válvula de alivio o válvula de seguridad de alivio.

Notas para la identificación de instrumentos

6.Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirán en el exterior del símbolo del instrumento cuando sea conveniente hacerlo así.

7.Los términos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a valores de la variable medida, no a los de la señal a menos que se indique de otro modo. Por ejemplo, una alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor de nivel de acción inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor bajo.

Notas para la identificación de instrumentos

8.Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre apertura, se definen como sigue:

Alto: indica que la válvula esta, o se aproxima a la posición de apertura completa.

Bajo: Denota que se acerca o esta en la posición completamente cerrada.

Notas para la identificación de instrumentos

8.Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre apertura, se definen como sigue:

Alto: indica que la válvula esta, o se aproxima a la posición de apertura completa.

Bajo: Denota que se acerca o esta en la posición completamente cerrada.

Normas Isa. Ejemplo

Efectuar la identificación funcional de los siguientesinstrumentos:a) LICb) PYc) FVd) FQIe) WTf) TEg) AICh) SRi) TAHHj) LSL

Normas Isa. Ejemplo

Indicar los códigos alfanuméricos de los siguientes instrumentos:

a) Registrador de temperaturab) Convertidor electroneumático de presiónc) Interruptor por bajo nivel de flujod) Indicador de velocidade) Termopozo de temperaturaf) Controlador de presióng) Válvula de control de análisish) Alarma por muy alta presióni) Relevador de presión

Símbolos generales de instrumentos

Normas Isa. Ejemplo

LOCALIZACIÓNPP En línea de procesoLO En campo, localPNB En tablero principal de controlBPNB Parte posterior del tableroPNBL En tablero de control local

LOCALSUMINISTROSSA Suministro de aireSE Suministro eléctricoSG Suministro de gasSH Suministro hidráulicoSN Suministro de nitrógenoSS Suministro de vaporSW Suministro de agua

Las líneas de los instrumentos indican el tipo de señal (es) que manejan estos como entrada(s) – salida(s)

Líneas de los instrumentos

Normas ISA

Normas ISA

Actuación del actuador ante fallas de energía

Relevadores de Cómputo

Normas Isa. Ejemplo