UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE TULA -TEPEJI

ORGANISMO PUBLICO DESCENTRALIZADODE GOBIERNO DEL ESTADO DE HIDALGO

UTT-910731-I31

RESPETO A LA CULTURA, EDUCACIÓN PARA EL FUTURO

Día

22

Mes

01

Año

2008Nombre del Curso

Instrumentación Industrial Clave: I I 01

Centro de TrabajoCementos la Cruz Azul

DepartamentoOperación

Capacitación:Personal

Total de Horas20 Horas

Objetivo

Que el participante conozca los fundamentos y principios básicos de la instrumentación y el conocimiento de los métodos de medición, los elementos finales de control y su relación con los procesos industriales de la magnitud Presión, Temperatura, flujo, hasta llegar a la Instrumentación Virtual. De alguna manera se trata de cubrir algunos aspectos que son de gran importancia de manera practica en el desarrollo de las actividades laborales, con la aplicación de métodos y sistemas de medición y control que permitan incrementar la productividad y el desarrollo de las empresas.

Alcance

El estudiante comprenderá la importancia de conocer la aplicación de la instrumentación que mide y controla la magnitud Presión y Temperatura, así como los dispositivos y los equipos de prueba, manejo, operación y ajuste de instrumentos de medición y control de las variables de los procesos industriales. Considerando de suma importancia el enfoque de este tema en relación con las actividades de producción y fabricación de productos para su comercialización, se hace un enfoque conceptual y práctico para que el estudiante identifique los dispositivos e instrumentos en forma integral.

Instructor

1

MC. Sergio Martínez Sánchez

Índice

Pagina

Objetivo............................................................................................................... 1Alcance................................................................................................................ 1

Introducción …………………………………………………………………... 3

Variable PresiónDefinición de Presión.......................................................................................... 5Definiciones……………….................................................................................. 8

Variable TemperaturaDefinición……………………............................................................................ 9Clasificación de Termopares………………........................................................ 11

Variable FlujoDefinición………………………………………………………………………. 12Ecuación de la continuidad……………………………………………………... 13

Válvulas de control………………………………………………………

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Simbología……………………………………………………………………

19

Bilbliografía……………………………………………………………………

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1. Introducción

La automatización y las operaciones de procesos continuos amplían el alcance y el uso de instrumentos tanto en forma individual como en sistema de instrumentos para el control automático y la medición de las variables existentes en las instalaciones de fabricación de proceso.

El mayor alcance y la gran cantidad de aplicaciones de los instrumentos han hecho que las empresas que construyen, operan dan mantenimiento y calibran esos instrumentos se conviertan en una parte importante de la economía nacional. Este desarrollo ha destacado la necesidad de capacitar personal a nivel técnico para la aplicación, operación, mantenimiento y calibración de instrumentos o sistemas de instrumentos. Este personal satisfará la necesidad ya urgente de ayudar a todos los ingenieros que trabajan en el área de producción en la industria.

El desarrollo de instrumentación también ha creado la necesidad de efectuar un estudio específico de las mediciones y el control mediante instrumentos y sistemas de instrumentos. Este manual constituye un esfuerzo para satisfacer esa necesidad. Su propósito es servir a técnicos y personal operativo como manual de referencia para la instrumentación de control automático.

El manual que se presenta analiza los requisitos industriales y los problemas que pueden surgir seleccionando los instrumentos que cubran los requisitos específicos y describiendo los ti pos de instrumentos. Haciendo en énfasis en el instrumento y sus accesorios esenciales así como su relación con el sistema que se requiere para su medición o control.

Se presentan los instrumentos y los sistemas de instrumentos necesarios para mediciones estáticas o dinámicas. Así mismo, se analizan y se estudian combinaciones mecánicas hidráulicas, eléctricas, electrónicas, electromecánicas, elctro-electrónicas y otras que son esenciales para desempeñar las funciones de medición o control.

El presente manual abarca una gran cantidad de datos que se pueden utilizar en el ámbito industrial, para todas aquellas personas que tengan relación directa o indirecta en los procesos industriales y tener un mejor manejo y control en el desarrollo de sus funciones.

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Aplicaciones y objetivos de la Instrumentación:

La aplicación de la Instrumentación Industrial como sistemas de medición contempla:

Supervisión de operación de procesos industriales; mediante el monitoreo y la transmisión de datos del proceso.

Control de procesos; mediante la evaluación de variables por medio de las cuales se efectúan acciones correctivas de las desviaciones ocurridas en el transcurso del proceso.

Análisis experimental; en la verificación y pruebas de laboratorio de procesos industriales.

Fines y objetivos de los sistemas de medición y control:

Finalmente en la aplicación de la instrumentación industrial como sistema de medición contempla:

Optimización Supervisión Control Seguridad Conservación del medio ambiente

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Conceptos de Presión Cuando alguien se refiere a una medición de presión, generalmente está dentro de las siguientes definiciones:

Presión absoluta: Presión que se mide a partir de la presión cero de un vacío absoluto.

Presión atmosférica (barométrica): Presión que ejerce la atmósfera que rodea la tierra sobre todos los objetos que se hallan en contacto con ella.

Presión relativa (manométrica): Presión mayor a la presión atmosférica, es la presión medida con referencia a la presión atmosférica, conocida también como presión relativa o presión positiva.

Vacío: Presión menor a la presión atmosférica, medida por debajo de la presión atmosférica. Cuando el vacío se mide con respecto a la presión atmosférica se le conoce como presión negativa, el vacío también puede medirse con respecto al “cero absoluto” como una presión absoluta menor a la presión atmosférica.

Presión diferencial: Es la presión que mide la diferencia entre dos presiones diferentes.

En cuanto a instrumentos de medición de presión, estos se pueden diferenciar de acuerdo al siguiente criterio:

Manómetro: Es el nombre genérico de los instrumentos que miden presión. Generalmente se usa para designar a los instrumentos que miden presión arriba de la presión atmosférica.

Vacuómetro: Es el instrumento que mide presión por debajo de la presión atmosférica , ya sea presión negativa o presión absoluta.

Barómetro: Es un instrumento que mide presión atmosférica o barométrica.

Manovacuómetro: Son los instrumentos que pueden medir presión negativa (vacío) y presión positiva (relativa o manométrica).

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Instrumentos sensores de medición de temperatura

Termopar: El termopar se basa en el efecto descubierto por Seebeck en 1821, de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría) se mantienen a distinta temperatura. Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thomson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas.

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TUBO PROTECTOR PARA TERMOPAR Y RTD

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TIPO DE TERMOCOPL

E

SÍMBOLO ANSI

COLOR DE FORRO DEL TERMOCOP

LE

RANGO DE TEMPERAT

URAºC

RANGO DE TEMPERAT

URAºF

COLOR DE

CABLE DE

EXTENSIÓN

COBRECONSTANTAN

OT

AZUL(+)ROJO(-) -200 A 350 -328 A 662 AZUL

HIERRO CONSTANTAN

OJ

BLANCO(+)ROJO(-) 0 A 750 32 A 1382 NEGRO

CROMOALUMINIO K

AMARILLO(+)

ROJO(-)-200 A 1250 -328 A 2282 AMARILLO

PLATINORODIO

R NEGRO(+)ROJO(-)

0 A 1450 32 A 2642 VERDE

PLATINO-RODIO

PLATINOS

NEGRO (+)ROJO(-) 0 A 1450 32 A 2642 VERDE

RTD PT-100

-180 A 80025.81 A

379.32 Ω0ºC= 100Ω

Tabla de Valores de termopares

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Flujo

1 Fundamento teórico

Flujo es la cantidad de fluido que pasa a través de la sección por unidad de tiempo. Por ejemplo, en cierta tubería puede haber un régimen de flujo de 100 galones de agua por minuto. Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100 galones de agua. Si se considera el numero de galones que van a pasar a partir de cierto momento, después de dos minutos 200 galones, etc. Si el régimen de flujo se mantiene con el mismo valor, después de cierto tiempo habrá pasado un numero total de galones igual al régimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido; por ejemplo, después de 15 minutos habrán pasado 100 x 15 = 1.500 galones.

Al contrario dividiendo el número total de galones entre el tiempo, se obtiene el régimen de flujo. En el ejemplo anterior 1.500/15 = 100 gal/min.

Ecuación de Torricelli

La velocidad con la que sale el líquido es igual:

Donde:

V. Velocidad

g: Aceleración de la gravedad

h: Altura

Esta ecuación se le conoce como la ecuación de torricelli y se puede deducir aplicando Bernoulli entre los puntos 1 y 2 , antes y después del orificio:

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Ecuación de la continuidad

La ecuación de continuidad o conservación de masa es una herramienta muy útil para el análisis de fluidos que fluyen a través de tubos o ductos con diámetro variable. En estos casos, la velocidad del flujo cambia debido a que el área transversal varía de una sección del ducto a otra.

Si se considera un fluido con un flujo a través de un volumen fijo como un tanque con una entrada y una salida, la razón con la cual el fluido entra en el volumen debe ser igual a la razón con la que el fluido sale del volumen para que se cumpla el principio fundamental de conservación de masa

Q = V.A.=VA=VA

2 Mediciones de Caudal

1.- Medidores Volúmetros

La forma más sencilla de calcular los caudales pequeños es la medición directa del tiempo que se tarda en llenar un recipiente de volumen conocido. La corriente se desvía hacia un canal o cañería que descarga en un recipiente adecuado y el tiempo que demora su llenado se mide por medio de un cronómetro. Para los caudales de más de 4 l/s, es adecuado un recipiente de 10 litros de capacidad que se llenará en 2½ segundos. Para caudales mayores, un recipiente de 200 litros puede servir para corrientes de hasta 50 1/s. El tiempo que se tarda en llenarlo se medirá con precisión, especialmente cuando sea de sólo unos pocos segundos. La variación entre diversas mediciones efectuadas sucesivamente dará una indicación de la precisión de los resultados.

Si la corriente se puede desviar hacia una cañería de manera que descargue sometida a presión, el caudal se puede calcular a partir de mediciones del chorro. Si la cañería se puede colocar de manera que la descarga se efectúe verticalmente hacia arriba, la altura que alcanza el chorro por encima del extremo de la tubería se puede medir y el caudal se calcula a partir de una fórmula adecuada tal como se indica en la Figura 19.

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Es asimismo posible efectuar estimaciones

FIGURA 19 - Cálculo de la comente en cañerías a partir de la altura de un chorro vertical (Bos 1976)

a) Napa de agua baja (altura de descarga baja)

del caudal a partir de mediciones de la trayectoria desde tuberías horizontales o en pendiente y desde tuberías parcialmente llenas, pero los resultados son en este caso menos confiables (Scott y Houston 1959).

3 Dispositivos de presión diferencial.

a.- Placa de orificio

Es necesario saber principalmente cual es el procedimiento el cual se debe seguir para poder manejar con habilidad la placa de orificio.

Conocer lo siguiente

Principio de operación Partes que lo integran

Especificaciones técnicas Elementos primarios Requisitos de instalación Cálculo de gasto Manejo de datos Técnicas de mantenimiento.

Generalidades

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El orificio de la placa puede tener diferentes posiciones. La placa se construye de acero inoxidable tipo 316 para garantizar dureza.

Elementos secundarios

Fig. 2.2

Se colocan dos tomas de presión una antes y otra después de la placa de orificio.

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La ubicación de esta toma es muy importante.

Funcionamiento.

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La función de los elementos primarios es generar la presión es generar la presión diferencial. Mientras que la de los elementos secundarios es medir y registrar esta presión diferencial.

Válvulas de control

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Simbología e Interpretación de Planos y Diagramas para Instrumentación Industrial.

Diagramas para el control de Procesos, Diagramas Eléctricos, Diagramas de Instrumentación, Diagramas de Instalación

Diagramas para el control de Procesos:

Existe una forma estándar y un conjunto de símbolos usados para dibujar los procesos de los sistemas de control, estos dibujos son similares a los diagramas esquemáticos de los circuitos eléctricos. En el control de procesos, los dibujos están referidos frecuentemente a dibujos con tubería e instrumentos, aún cuando los símbolos y diagramas pueden ser usados en procesos para los cuales no hay tubería.Es importante reconocer la naturaleza de los símbolos usados en los diagramas de los procesos de control, que a diferencia de los diagramas estandarizados usados en electrónica, en los procesos de control se les denomina “diagramas de los procesos de control” y usan como elemento tubos e instrumentos principalmente, los símbolos usados son estándar.

DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE SIMBOLOGIA TIPICA

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Diagrama de indicación y control de Instrumentación

Los dispositivos y componentes básicos para la implementación de los circuitos eléctricos de control están integrados por elementos que incluyen interruptores, botones de arranque, relevadores, fusibles, contactores, medidores, etc. Cuya aplicación es de una gran variedad para los circuitos de control. Los principales elementos eléctricos se mencionan y se presentan en forma externa.

SIMBOLOGÍA

1. Conexión a proceso o enlace mecánico, o alimentación de instrumentos

2. Señal neumática o señal sin definir en una línea de proceso

3. Señal eléctrica

4. Tubo capilar

5. Señal hidráulica

6. Señal electromagnética o sónica (sin hilo ni tubo)

SIMBOLOGIA GENERAL.

1.-

2.-

3.-

4.-

5.-

6.-

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A continuación se muestran los símbolos mas comunes e importantes para la localización de instrumentos en planos y diagramas generales, es importante mencionar que esta simbología se puede omitir en planos y diagramas de instrumentación, ya que en ellos se especifica claramente la ubicación de los instrumentos.

Resumen Norma ISA-S5.3

El objeto de esta norma es documentar los instrumentos formados por ordenadores, controladores programables, dispositivos y sistemas con microprocesador que disponen de control compartido, visualización compartida y otras características de Interfase. Los símbolos representan la Interfase con los equipos anteriores de la instrumentación de campo, de la instrumentación de la sala de control y de otros tipos de hardware.

El tamaño de los símbolos debe ser conforme a la norma ISA-S5.1-84, a la que complementa.

Símbolos de visualización del control distribuido compartido

CONTROLADOR LÓGICO

PROGRAMABLE

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1.- Accesible normalmente al operador-indicador/controlador/registrador o punto de alarma:

Visualización compartida.

Visualización y control compartidos.

Acceso limitado a la red de comunicaciones.

Interfase del operador en la red de comunicaciones.

2.- Dispositivo de Interfase auxiliar del operador:

Montado en panel; carátula analógica; no está montado normalmente en la consola principal del operador.

Controlador de reserva o estación manual.

El acceso puede estar limitado a la red de comunicaciones.

Interfase del operador vía la red de comunicaciones.

3.- No accesible normalmente al operador.

Controlador ciego compartido.

Visualización compartida instalada en campo.

Cálculo, acondicionamiento de señal en controlador compartido.

Puede estar en la red de comunicaciones.

Normalmente operación ciega y puede ser alterado por la configuración.

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Símbolos del ordenador A utilizar cuando los sistemas incluyen componentes identificados como ordenadores, diferentes de un procesador integral que excita las varias funciones de un sistema de control distribuido. El componente ordenador puede ser integrado en el sistema, vía red de datos, o puede ser un ordenador aislado.

4. - Normalmente accesible al operador-indicador/controlador/registrador o punto de alarma. Utilizado usualmente para indicar la pantalla de vídeo.

5. - Normalmente no accesible al operador.

Interfase entrada/salida.

Cálculo o acondicionamiento de señal dentro de un ordenador.

Puede usarse como controlador ciego o como módulo de cálculo de software.

SIMBOLOGIA APLICADA A UN DIAGRAMA

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Dispositivos para diagramas de instrumentación

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Existen dos tipos de sistemas de medición y control:1.- Sistema de lazo abierto: En este sistema la salida no es retroalimentada y la acción de control es llevada a cabo por una persona.

DISTURBI ELEMENTO DE

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2.- Sistema de lazo cerrado: en este sistema la señal de salida es realimentada a un controlador para que este ejerza una acción de control hacia el elemento final de control para controlar la variable automáticamente.

APLICACIÓN DE LAZO ABIERTO

CONTROLADOR

PROCESO

ELEMENTO FINAL DE CONTROL

PROCESO SENSOR

TRANSDUCTOR

AISLADOR SEÑAL

INDICADORREGISTRAD

OR

CONTROLADORPID O

COMBINADO

SET-POINT

REFERENCIVARIABLE

CONTROLADA

DISTURBIOS

SALIDA

ENTRADA

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APLICACIÓN DE LAZO CERRADODIAGRAMAS TÍPICOS DE INSTALACIÓN

Medidor de presión diferencial Tubo Ventura.

Bibliografía

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1.- Instrumentación Industrial Antonio Creus 5° Edición

2.- Ingeniería de Control AutomáticoNacif

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