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FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL Ing. Edmundo Villa Barrón Agosto 2024 Qué es instrumentación Industrial? En los inicios de la era industrial, la operatoria de los procesos se llevaba a cabo con un control manual de estas variables utilizando sólo instrumentos simples, manómetros, termóme...

FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL Ing. Edmundo Villa Barrón Agosto 2024 Qué es instrumentación Industrial? En los inicios de la era industrial, la operatoria de los procesos se llevaba a cabo con un control manual de estas variables utilizando sólo instrumentos simples, manómetros, termómetros, válvulas manuales, etc., control que era suficiente por la relativa simplicidad de los procesos. 01 Es "la aplicación de la física, la ingeniería y las matemáticas a la medida y el registro de las cantidades físicas o químicas, a la técnica del control automático y dispositivos que ejecutan diversas operaciones matemáticas, sea por sí mismos o como componentes de un sistema". (Rivera Mejía, 2007). 02 Para Kuphaldt (2016), simplemente "es la ciencia del control y medición automatizados".  La instrumentación industrial tiene como objetivos: Desarrollar conocimientos y habilidades Qué objetivos para seleccionar y especificar correctamente las características de los instrumentos utilizados para medir tiene? cualquier variable en un proceso industrial. Seleccionar los diferentes instrumentos de medida y aplicarlos al sistema de monitorización y control de variables físicas de procesos industriales. Si no podemos medir algo, es realmente inútil tratar de controlarlo  Elementos principales en la instrumentación industrial Sensores Controladores Dispositivos de entrada en aplicaciones de instrumentación y control Actuadores Sistemas de control : PLC, DCS, SCADA Generalmente controlados por corriente eléctrica, presión del fluido, presión neumática y, esta energía se convierte en energía o potencia mecánica. Sensores “básicos” o En un proceso controlado, los sensores son los elementos que miden las distintas variables, “comunes” indican los errores, recogen los estados y transmiten esta información al sistema de control de proceso. Los sensores de detección aplicables en la industria, principalmente dependen del tipo de materiales a detectar y del trabajo que vayan a realizar y estos son: * Sensores Inductivos * Sensores Capacitivos * Sensores Ópticos (Fotoeléctricos) * Sensores Ultrasónicos * Sensores Térmicos, etc Sensores Inductivos Los detectores inductivos son generadores de señal que detectan la posición de partes móviles sin contacto, y la transforman en señales eléctricas. La señal eléctrica se genera cuando un objeto metálico se acerca a la superficie activa (gris), y entra en el margen de detección especificado. Sensores Capacitivos Un sensor capacitivo es, básicamente, un condensador en el que puede variar cualquiera de los parámetros que definen su capacidad: área efectiva, distancia entre placas y permitividad del dieléctrico. Si se acerca un objeto al sensor, aumenta la capacidad eléctrica entre la conexión con tierra y la superficie activa. Las principales aplicaciones son: ⚬ Detección de nivel, ⚬ Sensado de humedad, ⚬ Detección de posición Sensores Fotoeléctricos 1.Barreras de luz con emisor y receptor separados (BL emisor/receptor) Sensores Fotoeléctricos 2. Barreras de reflexión, compuestas de emisor y receptor incorporados en una sola caja y de un reflector (retroreflectivos) Sensor Fotoeléctrico difuso reflectivo 3. Detectores de luz de reflexión  Sensores Ultrasónicos Los sensores ultrasónicos funcionan emitiendo y recibiendo ondas de sonido de alta frecuencia. La frecuencia generalmente es de aproximadamente 200 kHz, un valor demasiado alto para ser detectado por el oído humano. Sensores Ultrasónicos 01 Modo opuesto 02 Modo Difuso Apilamiento /Detección de altura Objetos Claros Web Loop Control Inspección de empaque Tipos de sensores utilizados en robótica 1 Sensores de distancia Son utilizados para medir la distancia entre el robot y un objeto, como ultrasonidos, láseres, infrarrojos, entre otros. 2 Sensores de posición Proporcionan información sobre la posición y el movimiento de las partes del robot, como encoders, resolvers, potenciómetros. 3 Sensores de fuerza y torque Permiten medir las fuerzas y los torques aplicados a las partes del robot, utilizados para la manipulación de objetos. 4 Sensores de visión Ofrecen la capacidad al robot de "ver" su entorno, como cámaras, sensores de profundidad, etc. Sensores utilizados en robots móviles Sensores de Sensores de posición Sensores de Sensores de distancia aceleración inclinación Son esenciales para la Proporcionan información Permiten medir la Miden la inclinación del navegación y la detección sobre la posición y la aceleración del robot, útil robot, para la estabilidad de obstáculos. orientación del robot. para la navegación y la en terrenos irregulares. estabilidad. Aplicaciones de los encoders y resolvers en robótica Control de motores Los encoders se utilizan para controlar la velocidad y la posición de los motores en robots. Navegación Los encoders proporcionan información precisa sobre la posición y el movimiento del robot para la navegación autónoma. Robótica industrial Los encoders son fundamentales en la robótica industrial para tareas de precisión, como soldadura, montaje y pintura. Sistemas de control de movimiento Los encoders y resolvers juegan un papel vital en los sistemas de control de movimiento de precisión para aplicaciones como la fabricación y la medicina. Consideraciones al seleccionar sensores para aplicaciones robóticas Precisión 1 La precisión del sensor es esencial para que el robot funcione correctamente. 2 Rango de medición El rango de medición del sensor debe ser adecuado para la aplicación específica. Velocidad de respuesta 3 La velocidad de respuesta del sensor es importante para las aplicaciones en tiempo real. 4 Entorno operativo El sensor debe ser compatible con el entorno operativo, como la temperatura, la humedad, la Coste 5 vibración, etc. El coste del sensor debe ser compatible con el presupuesto del proyecto. 6 Disponibilidad El sensor debe estar disponible y ser fácil de obtener. Tiempo de Respuesta Agrega más texto El tiempo que existe desde que el objeto es sensado hasta cuando la salida ha cambiado de estado Es un factor importante en aplicaciones de alta velocidad Es afectado por la electrónica del sensor y el tipo de salida Termino generalmente usado en Ultrasonido y Fotoeléctricos Discreto vs. Analógico Discreto sensa “Está ó NO Está?” Objeto en cierta posición. Más aplicable a procesos de manufactura. Análogico sensa “Donde esta?” Retroalimentación según posición. Más aplicable a procesos continuos ￭ Control de nivel, posición Señal de salida de los sensores: NPN y PNP NPN PNP En un circuito NPN, la señal de salida está activa a bajo nivel En un circuito PNP, la señal de salida está activa a alto nivel (LOW), es decir, cuando la tensión es baja. Esto significa que (HIGH), es decir, cuando la tensión es alta. Esto significa que el sensor proporciona una señal de salida cuando detecta el sensor proporciona una señal de salida cuando detecta una condición específica. una condición específica. Encoders y resolvers: definición y tipos Encoders Los encoders son dispositivos que convierten el movimiento angular o lineal en señales digitales. Son ampliamente utilizados para controlar la posición y la velocidad de los motores en aplicaciones robóticas. Resolvers Los resolvers son dispositivos que convierten el movimiento angular en señales analógicas. Son generalmente utilizados en aplicaciones con altas velocidades de rotación y precisión. Tipos de encoders Hay varios tipos de encoders, incluyendo los encoders incrementales, los encoders absolutos, los encoders lineales, y los encoders rotativos. Procesos continuos y discontinuos Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categorías: procesos continuos y procesos discontinuos. En general, en ambos tipos deben mantenerse las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado fijo, bien en un valor variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, o bien guardando una relación determinada con otra variable. Proceso Continuo El material es introducido y removido del proceso al mismo tiempo y el proceso una vez iniciado no para (Reacciones químicas, destilaciones, separaciones, etc). Proceso discontinuo El material se agrega a un contenedor; algún proceso se lleva a cabo; el producto es removido y se sigue una secuencia que puede parar o reiniciarse (Bebidas alcohólicas, productos alimenticios, etc). Definiciones en control Terminología empleada que se ha unificado con el fin de que los fabricantes, los usuarios y los organismos o entidades que intervienen directa o indirectamente en el campo de la instrumentación industrial empleen el mismo lenguaje. Las definiciones de los términos empleados se relacionan con las sugerencias hechas por ANSI/ISA-S51.1-1979 (R 1993) aprobadas el 26 de mayo de 1995. Definiciones en control Terminología empleada que se ha unificado con el fin de que los fabricantes, los usuarios y los organismos o entidades que intervienen directa o indirectamente en el campo de la instrumentación industrial empleen el mismo lenguaje. Las definiciones de los términos empleados se relacionan con las sugerencias hechas por ANSI/ISA-S51.1-1979 (R 1993) aprobadas el 26 de mayo de 1995. Definiciones en control CAMPO DE MEDIDA El campo de medida (rango) es el espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida, de recepción o de transmisión del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos.  ALCANCE (SPAN) El span es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. Algunos de los factores que afectan la medición son: ⚬La exactitud ⚬La precisión ⚬La resolución ⚬La repetibilidad ⚬La reproducibilidad ⚬La linealidad ⚬La histéresis ⚬El error ⚬La incertidumbre Definición de error de medida El error de medida en instrumentación industrial se refiere a la diferencia entre el valor real de una magnitud física y el valor que proporciona un instrumento de medición. En otras palabras, es la desviación del valor medido con respecto al valor real. Este error puede ser causado por una variedad de factores, como la precisión del instrumento, las condiciones ambientales o la influencia humana. 1 Incertidumbre Se refiere a la duda o falta de certeza en la medición debido a la influencia de múltiples factores. 2 Presión atmosférica Las variaciones en la presión atmosférica pueden afectar la exactitud de algunos instrumentos, como los manómetros. 3 Temperatura Los cambios de temperatura pueden afectar la precisión de los sensores y la calibración de los instrumentos. 4 Vibraciones Las vibraciones en el entorno pueden afectar la lectura de los instrumentos, especialmente aquellos que son sensibles al movimiento. Error absoluto El error absoluto se define como la diferencia entre el valor medido y el valor real. Es un valor numérico que representa la magnitud del error, sin tener en cuenta la dirección o el signo. Se expresa en las mismas unidades que la magnitud medida. Valor real Valor medido Error absoluto 100 °C 98 °C 2 °C 500 kg 495 kg 5 kg Error relativo El error relativo se define como la relación entre el error absoluto y el valor real de la magnitud medida. Se expresa como un porcentaje o una fracción decimal. El error relativo proporciona una medida de la precisión de la medida en relación con el valor real. El error relativo se puede calcular con la siguiente fórmula: Error relativo = (Error absoluto / Valor real) x 100% Por ejemplo, si el valor real es 100 unidades y el valor medido es 98 unidades, el error absoluto es 2 unidades. El error relativo sería (2/100) x 100% = 2%. preencoded.png Fuentes de error en instrumentación Las fuentes de error en instrumentación industrial pueden clasificarse en dos categorías principales: errores sistemáticos y errores aleatorios. Errores sistemáticos Errores aleatorios Estos errores son constantes y repetibles, y se Estos errores son variables y no predecibles, y pueden producen siempre en la misma dirección. Los errores ocurrir en cualquier dirección. Los errores aleatorios sistemáticos pueden ser causados por factores como: pueden ser causados por factores como: Calibración incorrecta del instrumento Ruido en la señal Efectos ambientales no controlados Fluctuaciones en la fuente de alimentación Componentes defectuosos en el instrumento Interferencias electromagnéticas Métodos para reducir el error de medida Existen varios métodos para reducir el error de medida en instrumentación industrial, entre ellos: 1 Calibración La calibración regular de los instrumentos es crucial para garantizar la precisión. Implica la comparación del instrumento con un estándar de referencia y la ajuste de las lecturas para obtener una mayor exactitud. 2 Mantenimiento preventivo Un mantenimiento preventivo regular ayuda a detectar y corregir posibles problemas antes de que afecten la precisión de los instrumentos. Esto puede incluir la limpieza, lubricación y verificación de las piezas del instrumento. 3 Selección adecuada del instrumento Es fundamental seleccionar el instrumento adecuado para la aplicación específica, teniendo en cuenta la precisión requerida, el rango de medición y las condiciones ambientales. Reducción de ruido y interferencias 4 El ruido y las interferencias pueden afectar la precisión de las mediciones. Se pueden implementar medidas para reducir estas influencias, como el uso de blindajes, filtros y técnicas de procesamiento de señales. Aplicaciones prácticas del análisis de error El análisis de error es crucial en diversas aplicaciones prácticas de la instrumentación industrial, por ejemplo: Control de procesos El análisis de error ayuda a determinar la precisión de los valores medidos, permitiendo el control efectivo de los procesos y la optimización del rendimiento. Diagnóstico de fallas El análisis de patrones de error puede ayudar a identificar la fuente de fallas en los instrumentos o procesos, permitiendo una rápida resolución de problemas. Control de calidad El análisis de error es fundamental para garantizar la calidad de los productos y servicios, asegurando que las especificaciones se cumplan dentro de los límites de tolerancia aceptables. Investigación y desarrollo El análisis de error ayuda a validar los resultados experimentales y mejorar la precisión de los estudios científicos e ingenieriles.  INCERTIDUMBRE DE LA MEDIDA Cuando se realiza una operación de calibración, se compara el instrumento a calibrar con un aparato patrón para averiguar si el error se encuentra dentro de los límites dados por el fabricante del instrumento. Entre las fuentes de incertidumbre se encuentran: Influencia de las condiciones ambientales. Lecturas diferentes de instrumentos analógicos realizadas por los operadores. Variaciones en las observaciones repetidas de la medida en condiciones aparentemente idénticas.  EXACTITUD Hay varias formas para expresar la exactitud: Tanto por ciento de la lectura efectuada.. Tanto por ciento del valor máximo del campo de medida. La exactitud es la cualidad de un instrumento de Tanto por ciento de la longitud de la escala. medida por la que tiende a dar lecturas próximas al valor verdadero de la magnitud medida. En otras palabras, es el grado de conformidad de un Tanto por ciento del alcance, campo de medida (rango). valor indicado a un valor estándar aceptado o valor ideal, considerando este valor ideal como si fuera el verdadero. Directamente, en unidades de la variable medida.  PRECISIÓN Un instrumento puede tener una pobre exactitud, pero una gran precisión. La precisión es la cualidad de un instrumento por la que tiende a dar lecturas muy próximas unas a otras, es decir, es el grado de dispersión de las mismas. ZONA MUERTA La zona muerta es el rango de valores través de los cuales una variación de la entrada no produce ningún cambio sensible en la salida. Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida.  SENSIBILIDAD La sensibilidad es la razón entre el incremento de la señal de salida o de la lectura y el incremento de la variable que la origina, después de Por ejemplo: haberse alcanzado el estado de En un transmisor electrónico de 0-10 bar, la presión pasa de 5 a reposo. 5,5 bar y la señal de salida de 11,9 a 12,3 mA c.c., la sensibilidad es el cociente: Señales involucradas Ejemplo: Cual será la señal en mA, que entrega un transmisor de temperatura en un sistema de que mide 60 °C, en un rango calibrado de 20 – 80 °C, si el transmisor entrega su señal en un rango de 4-20mA ? control  REPETIBILIDAD Es la capacidad de reproducción del índice o de la señal de salida del instrumento, al La repetibilidad es medir repetidamente valores idénticos de la sinónimo de precisión. A mayor repetibilidad, es variable en las mismas condiciones de decir, a un menor valor servicio y en el mismo sentido de variación, numérico mayor recorriendo todo el campo. repetibilidad.  HISTÉRESIS Se expresa La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice del instrumento o la señal de salida para el en tanto mismo valor cualquiera, del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente. por ciento del Por ejemplo: si en un termómetro de 0-100%, para el valor de la variable de 40 °C, la aguja marca 39,9 °C al subir la temperatura alcance de desde 0 °C e indica 40,1 °C al bajar la temperatura desde 100 °C la medida. El valor de la histéresis es de: EJEMPLOS GENERALES DE CARACTERISTICAS DE INSTRUMENTOS Termómetro bimetálico Intervalo de medida = 0-100 °C Alcance (span) = 100 Exactitud = ± 0,5% Repetibilidad = ± 0,1% Histéresis = ± 0,2% Incertidumbre = ± 0,13% Transmisor de caudal Intervalo de medida = 0-2,5 hasta 0-1000 mbar (0-1 hasta 0-400“ c.d.a.) digital multivariable por Alcance de la presión diferencial = 2,5 a 1000 mbar / 1 a 400” c.d.a. presión diferencial con Alcance de la presión absoluta = 0,35 a 52 bar / 5 a 750 psia compensación de presión Alcance de la presión relativa = 4,1 a 200 bar / 60 a 3.000 psig y temperatura Exactitud de la presión diferencial = ± 0,1% del alcance Exactitud de la presión absoluta = ± 0,1% del alcance Exactitud de la temperatura = ± 1 °C ± 0,025% del alcance Limites de temperatura ambiente = -40 °C a 85 °C (-40 °F a 185 °F) Alimentación = 85 a 260 V c.a. Señal de salida = 20 mA c.c. o protocolo HART Señales: Analógicas (4-20mA) Fieldbus Digitales Instrumentos Arquitectura de control tradicional Clases de instrumentos Instrumentos ciegos, son aquellos que no tienen indicación visible de la variable. Hay que hacer notar que por ejemplo los instrumentos de alarma también son ciegos, tales como presostatos y termostatos (interruptores de presión y temperatura respectivamente) que poseen una escala exterior con un índice de selección de la variable, ya que solo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador al cruzar la variable física por el valor seleccionado (setpoint). Son también instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presión nivel y temperatura sin ninguna indicación. Medidor de Medidor de flujo Presostato temperatura  Los instrumentos indicadores disponen de la capacidad de despliegue y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable física medida. Según la amplitud (o valor) de la escala se dividen en indicadores concéntricos y excéntricos. Existen también indicadores digitales que muestran la variable en forma alfanumérica con dígitos.  Los sensores captan el valor de la variable de proceso y envían una señal de salida predeterminada. El sensor puede formar parte de otro instrumento (por ejemplo, un transmisor) o bien puede estar separado. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica, etc. Los transductores reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida, es decir, convierten la energía de entrada de una forma a energía de salida en otra forma. Son transductores, un relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/I (presión de proceso a señal neumática).  Sensores pasivos No necesitan de energía adicional y genera una señal eléctrica en respuesta a un estímulo externo. Termopares, sensores piezoeléctricos Sensores activos Requieren un fuente de energía externa (señal de excitación). Pirómetros, RTDs Los transmisores adquieren la variable de proceso a través de un componente primario y la transmiten a distancia en forma de señal, ya sea neumática con un rango de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrónica de 4 a 20 mA en corriente continua o formato digital. Por otro lado, los convertidores son dispositivos que toman una señal de entrada, ya sea neumática (3-15 psi) o electrónica (4-20 mA c.c.), proveniente de un instrumento, la modifican y la emiten como una señal de salida estandarizada. Un ejemplo común es un convertidor P/I o I/P. La variable controlada la pueden recibir directamente como controladores locales o bien indirectamente en forma de señal neumática, electrónica o digital procedente de un transmisor. Los controladores comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación. Controlador de temperatura Controlador (PLC o DCS) Ruido en los En instrumentación el procesamiento o tratamiento de una señal debe estar basado en métodos atinados, pues su naturaleza y su sistemas de relación con el ruido determinan el proceso apropiado del sistema de medición. medida Tipos de ruido: todo circuito eléctrico y electrónico es influenciado por acoplamientos capacitivos e inductivos provenientes de cables de alimentación o por radiación electromagnética: red de alimentación eléctrica, pulsos de altas frecuencias, celulares Ruidos Transmitidos Ruidos intrínsecos o inherentes IMPORTANTE: Las señales analógicas transmitidas a través de cualquier medio son interferidas en mayor o menor grado por señales extrañas, además de distorsionarse, en cuyo caso es muy difícil, si no imposible, recuperar la información original. Las señales digitales pueden, por el contrario, regenerarse mediante técnicas de conformado, detección y corrección de error,etc. Efectos del ruido y la interferencia En los cables pueden presentarse ruidos, razón por la cual estos deben ser cuidadosamente escogidos. En una instalación industrial, la fuente y la carga por lo general se encuentran a 100m de distancia y los ruidos o voltajes de interferencia pueden presentarse. Por esta razón, en el sistema de medida de temperatura de una termocupla, puede ser mejor convertir los milivoltios de la fem de la temocupla en una señal de corriente precedente a la transmisión, más bien que transmitir la fem directamente.  Efectos del ruido y la interferencia Asumiendo que el acoplamiento entre circuitos puede ser representado por las capacitancias e inductancias entre conductores, esto puede ser analizado por teoría de circuitos. Existen 3 tipos básicos de acoplamiento: ⚬ Acoplamiento capacitivo ⚬ Acoplamiento inductivo o magnético ⚬ Acoplamiento electromagnético La tensión ruido puede simplificarse de la siguiente forma: Efectos del ruido y la interferencia Cable de instrumentación MEDIDORES DE VARIABLES ELÉCTRICAS Ing. Edmundo Villa Barrón Agosto 2024 Resumen de magnitudes eléctricas e instrumentos de medición Instrumentos analógicos Estos instrumentos mostraban la medición con un puntero en una escala graduada. A pesar de haber surgido hace muchos años atrás, aún se utilizan. Error más común: error de paralelaje Principio de funcionamiento del galvanómetro Instrumentos digitales Un voltímetro digital puede ser considerado como un conversor analógico/digital. El "fondo de escala" en un medidor digital de variables eléctricas se refiere al valor máximo que el medidor puede mostrar en su pantalla. Es el punto más alto o extremo que el indicador puede alcanzar dentro de su rango de medición.  La mayoría de los multímetros proporciona valores promedio o también valores RMS, siempre y cuando la señal sea puramente sinusoidal. Estos multímetros no deben usarse para medir señales no sinusoidales. Las señales periódicas variables en el tiempo no sinusoidales deben medirse con multímetros TRUE RMS, pero con un límite especificado por el llamado factor de cresta (FC). Voltímetro analógico Consiste en una resistencia en serie a un galvanómetro. El valor de la resistencia las características eléctricas del galvanómetro, determinarán la tensión máxima soportada por el instrumento. Voltímetro construido con un galvanómetro  Los voltímetros comerciales tienen distintas escalas de medida, se seleccionan simplemente accionando una llave giratoria. Ejemplo: Determine las resistencias del voltímetro sabiendo que la corriente de fondo de escala es IFE=1mA, su resistencia interna Ri=10Ω, las tensiones deseadas (a seleccionar) son: 200mV, 2V, 20V 200V Observe que las resistencias obtenidas son bastante altas comparadas a la resistencia interna del galvanómetro. La suma de Rcalc y Ri resultan en la resistencia de entrada del voltímetro Voltímetro digital La construcción de este considera solamente la adición de un conversor analógico/digital y un display de visualización. Básicamente lo que se busca en un voltímetro es precisión y no así altas velocidades de lectura. Voltímetro vectorial Este tipo de voltímetro realiza una medida de la amplitud y de la fase de la tensión. El principio de funcionamiento del voltímetro vectorial se basa en la determinación de la amplitud Vm del ángulo de fase Φ entre la tensión medida v y la tensión de referencia V1, la cual es proporcional a la corriente. Amperímetro Es un instrumento cuya función consiste en medir corriente eléctrica, como principal característica una baja impedancia de entrada. Este instrumento de medición se instala en serie con el circuito a medir, si el amperímetro se instala en paralelo con la fuente, el mismo recibirá una corriente muy alta, quemando el fusible de protección o dañando el instrumento. Amperímetro en serie  Amperímetro analógico Consiste en una resistencia en paralelo con un galvanómetro, el valor de dicha resistencia y las características eléctricas del galvanómetro, tales como la resistencia interna y la corriente de fondo de escala, determinarán la corriente máxima soportada por el instrumento. Amperímetro construido con un galvanómetro Ejemplo: En la figura las resistencias que determinan las escalas se asocian en serie en un brazo paralelo. De manera que el cálculo de las resistencias debe ser determinado por medio de la resolución de un sistema lineal de ecuaciones. Determine las resistencias sabiendo que la corriente IFE=1mA su resistencia interna Ri=10Ω. Las escalas de las corrientes deseadas son 2Amp y 20Amp Amperímetro digital Tal como se indicó cuando vino el voltímetro, solamente se añade un conversor analógico/digital y una pantalla LCD para visualizar el dato de medición. Amperímetro digital tipo alicate Medición de resistencia eléctrica Ohmímetro Instrumento analógico o digital cuya función es medir la resistencia de un determinado elemento. Importante: El instrumento no debe ser utilizado en componentes energizados. La batería interna debe ser la única fuente en el sistema de medición Esquema simplificado de ohmímetro analógico Megohmetro Tiene una construcción distinta al instrumento visto anteriormente, para que sea posible medir en casos en los que ocurre una variación abrupta de resistencia y consecuentemente de corriente (si la tensión nominal se mantiene fija). Megohmetro en circuito abierto Esquema eléctrico megohmetro Megohmetro midiendo una analógico resistencia muy baja Un megohmetro genera una tensión continua (DC) de alta tensión y la aplica entre los conductores o componentes que se están probando. La tensión aplicada suele ser mucho más alta que las tensiones normales de funcionamiento de los equipos, lo que permite detectar posibles fugas de corriente a través del aislamiento. La corriente resultante que fluye a través del aislamiento se mide y se utiliza para calcular la resistencia de aislamiento. Puente de Wheatstone Es una de las configuraciones más conocidas para el balanceo de voltajes. El principio de funcionamiento de este circuito es que, cuando la 𝑅𝑎 𝑅1 relación de resistencias = es obtenida, la tensión en los puntos a 𝑅𝑏 𝑅2 y b será la misma. En consecuencia 𝑉𝐴 − 𝑉𝐵 = 0 y el circuito estará balanceado. Puente de Wheatstone DIAGRAMAS PFD y P&ID Ing. Edmundo Villa Barrón Agosto 2024 Código de identificación de los instrumentos  PFD (Diagrama de flujo de procesos) Es un documento especializado que muestra de manera gráfica los elementos claves de una facilidad. Es la representación fundamental de un proceso en el que materias primas se convierten en productos terminados, sin entrar en demasiados detalles de cómo ocurre esa conversión. Define la capacidad de un sistema, listando condiciones mínimas, normales y máximas, se incluyen rangos de flujo, presión, temperatura y posiblemente algún otro parámetro definido para ese proceso. Están asociados directamente a balances de materia y balances de energía No hay un estándar generalmente aceptado para colaborar en el diseño de un PFD. P&ID (Diagrama de Tuberías e Instrumentación) Son diagramas que contienen básicamente los equipos de proceso, las tuberías, los instrumentos y las estrategias de control del proceso. Es el elemento único mas importante en el dibujo para: ▪ Definir y organizar un proyecto ▪ Mantener el control sobre un contratista durante la construcción ▪ Mantener un registro de lo que fue acordado y aprobado formalmente para la construcción La 4ta edición de The Automation, Systems and Instrumentation Dictionary define un P&ID describiendo su función: “muestra la interconexión de los equipos de proceso y la instrumentación utilizada para controlar el proceso”. A pesar de que un P&ID es el “documento general” utilizado para definir el proceso, el primer documento desarrollado en el diseño de un proceso nuevo generalmente es el PFD (Diagrama de flujo de procesos). Estándares ISA aplicables a P&ID ANSI/ISA-S5.1-1984 (R1992), Identificación y símbolos de instrumentación. ANSI/ISA-S5.2-1976 (R1992), Diagramas lógicos binarios para operaciones de proceso. ANSI/ISA-S5.3-1983 (R1992), Símbolos gráficos para el 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 Contenido del estándar ANSI/ISA S5.1 PROPÓSITO Establecer un significado normativo de los instrumentos y sistemas de instrumentación utilizados para la medición y el control, incluyendo símbolos y códigos de identificación. El estándar está disponible para utilizarse en cualquier referencia de simbolización e identificación del instrumento o de alguna función de control. Tales referencias pueden ser requeridas para: Diagramas de diseño y construcción Diagramas de sistemas de instrumentación, diagramas de lazos y diagramas lógicos Descripciones funcionales Especificaciones, ordenes de compra, etc DEFINICIONES Para propósitos de conocimiento del estándar, es conveniente analizar algunas definiciones: Instrumento. Dispositivo para medición, indicación o control. Control de procesos. Todo “primer nivel” de control, consiste de tres partes: *Sensado *Comparación *Corrección El control de “primer nivel” es el sistema de control necesario para una operación normal de la planta o proceso. ISA-5.1 utiliza el término Basic Process Control System (BPCS) Alarma. Un dispositivo o función que señala la existencia de una condición anormal por medio de un cambio discreto visible o audible, o ambos, con el fin de llamar la atención. Automatización. Es el acto o método de hacer que un proceso funcione sin la necesidad de la intervención de un operador Binario. Termino aplicado a una señal que solo tiene Dos estados o posiciones discretas (ON-OFF, alto-bajo) Circulo. Símbolo utilizado para denotar e identificar el propósito o función de un instrumento y puede contener un numero de identificación (ballon, bubble) Configurable. Termino aplicado a un dispositivo o sistema en el que sus características pueden ser seleccionadas o re- arregladas a través de programación o algún otro medio Controlador. Un dispositivo que tiene una salida que varia para regular una variable controlada de una manera especifica, y puede ser un dispositivo analógico o digital. Un controlador automático varia su salida automáticamente, en respuesta a una entrada directa o indirecta de una variable de proceso medida. Controlador compartido. Un controlador que contiene algoritmos pre-programados que son usualmente accesibles, configurables, asignables y permite un numero de variables de proceso a ser controladas por un solo dispositivo. Elemento final de control. Dispositivo que cambia el valor de la variable manipulada directamente de un lazo de control Elemento primario. Parte de un instrumento o un lazo que detecta el valor de una variable de proceso, o que asume un estado o salida predeterminada. El elemento primario puede estar separado o integrado con otro elemento funcional de un circuito, también se lo conoce como detector o sensor Señal. Información que en forma neumática, eléctrica, digital o mecánica, se transmite de un componente de un circuito de instrumentación a otro. Punto de ajuste. (set-point SP) magnitud predeterminada de una variable de proceso que el controlador trata de mantener. Montado en el tablero. Termino aplicado a un instrumento que esta montado en el panel frontal del tablero y que es accesible al operador para su uso normal Parte posterior del tablero. Termino aplicado al área que se encuentra atrás del tablero y que contiene los instrumentos que no es necesario que se encuentre accesibles al operador para su uso normal Tablero. Una estructura que contiene un grupo de instrumentos montados en el y al cual se le da una designación individual. Pueden consistir de uno o mas casillas, secciones escritorios o paneles. Es el punto de interface entre el proceso y el operador Válvula de control. Elemento final de control, a través del cual un fluido pasa, que ajusta la magnitud del flujo mediante cambios en el tamaño de su abertura y de acuerdo con la señal que recibe del controlador y así lograr la acción correctiva necesaria. Variable. Cualquier fenómeno que no es de estado necesario si no que involucra condiciones continuamente cambiantes. Lazo de control. El set básico de instrumentación para el control automático está compuesto por tres dispositivos: *El Transmisor: sensa y transmite una variable de proceso *El controlador: compara con lo esperado *Elemento final de control: elemento que corrige o manipula el proceso Estos componentes están interconectados para formar un lazo de control, la interconexión puede ser neumática, electrónica, digital o generalmente una combinación de estas tres. Fuente: Instrumentation and Control Systems Documentation Fuente: Instrumentation and Control Systems Documentation Reglas para la identificación de instrumentos a) Cada instrumento a ser identificado se le designa un código alfanumérico o numero de identificación: b) El numero del instrumento puede incluir información del código de área o series especificas. Normalmente la serie 900 a 99 puede ser utilizada para instrumentos relacionados con seguridad. 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 inicial o medida y una o mas letras subsecuentes identifican la función del instrumento. Reglas para la identificación de instrumentos e) La identificación funcional del instrumento se realiza de acuerdo a la función y no a la construcción (por ejemplo un transmisor de nivel LT en lugar de un transmisor de presión diferencial PDT) f) El numero de letras utilizado debe ser el mínimo para describir el instrumento. g) Un instrumento multifuncional puede ser simbolizado por mas de un instrumento. Notas para la identificación de instrumentos 1. Para cubrir las designaciones no estandarizadas que pueden emplearse repetidamente en un proyecto se han previsto letras libres. Estas letras pueden tener un significado como primera letra y otro como letra sucesiva. 2. La letra sin clasificar X, puede emplearse en las designaciones no indicadas que se utilizan solo una vez o un numero limitado de veces. Se recomienda que su significado figura en el exterior del circulo de identificación de instrumento ejemplo. 3. 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. 4. 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. 5. El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinación de primera letra es opcional. 6. El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o intermedio y exploración es opcional. 7. El termino seguridad, debe aplicarse solo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra condiciones (peligrosas para el equipo o 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 8. La letra de indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso, no se aplica a la escala de ajuste manual de la variable si no hay indicación de esta. 9. 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. Numeración de instrumentos Además de las letras en un TAG, se designa un número secuencial a cada función, todos los dispositivos dentro de esa función llevan el mismo número secuencial, en otras palabras el número de lazo. ISA-5.1 sugiere que la numeración de lazos puede ser paralela o serial. Numeración paralela: una variable de proceso está relacionada con un número para crear un identificador único. Este sistema de numeración puede utilizarse de manera efectiva cuando el número está ligado a un equipo (bomba, filtro, depurador, etc). PIT-101, LT-101, TIT-101, PIT-102, LT-102 … Numeración serial: significa utilizar una secuencia numérica única para cada lazo sin la necesidad de tener en cuenta el modificador de la variable de proceso. PIT-101, LT-102, TIT-103 Entonces no habrá PIT-101 y LIT-101 ya que las variables de presión y nivel tomaron un número distinto. SÍMBOLOS GENERALES DE INSTRUMENTOS Para representar en un P&ID las funciones y señales recibidas u originadas por el sistema de control principal. Se utiliza el siguiente símbolo, un círculo inscrito en un cuadrado. Para controladores locales (PLC), las señales generadas por estos, se representarán con un rombo dentro de un cuadrado Si la señal es generada por un panel eléctrico, se puede representar con un círculo solo. Simbología de líneas en los diagramas Acción del actuador a falla de energía Acción del actuador Los sistemas de control generan alarmas, cuando se dan una serie de condiciones preestablecidas. Estas alarmas aparecerán en la pantalla del operador, indicándole que tiene que realizar alguna medida de corrección. Hay varias formas de representar las alarmas, pero se debe tener en cuenta que no se suelen representar todas alarmas del sistema en los P&ID. Solo se suelen representar las alarmas generadas por algunas variables del proceso (altos o bajos valores). !!  FIC FE Medidor de placa orificio (FE), con su transmisor de presión diferencial (FIT). VARIADOR Variador de frecuencia y FIT bomba Todas estas señales con enviadas a un sistema de control, donde se configurará el lazo de control (FIC) Más símbolos  FIC FIT Transmisor indicador de caudal (FIT), este transmisor por presión diferencial FY está conectado a una placa orificio. Válvula de control de flujo (FV) que tiene un posicionador electroneumático (FY) Todas las señales serán enviadas a un sistema de control donde se realiza el FV lazo de control (FIC) Control de nivel en un recipiente Arranque manual de una bomba …… interlock ELEMENTOS FINALES DE CONTROL Ing. Edmundo Villa Barrón Septiembre 2024 preencoded.png Tipos de válvulas preencoded.png Estructura del lazo de control preencoded.png Generalidades 1 Función de la válvula de control En el control automático de los procesos industriales, la válvula de control juega un papel muy importante en el bucle de regulación. Realiza la función de variar el caudal de fluido de control que modifica, a su vez, el valor de la variable medida, comportándose como un orificio de área continuamente variable. 2 Válvula de control neumática La válvula de control neumática consiste en un servomotor accionado por la señal neumática de 3-15 psi (0,2-1 Kg/cm2). El servomotor está conectado directamente a un vástago que posiciona el obturador con relación al asiento. La posición relativa entre el obturador y el asiento permite pasar el fluido desde un caudal nulo (o casi nulo) hasta el caudal máximo, y con una relación entre el caudal y la carrera que viene dada por las curvas características de la válvula. 3 Función de la válvula de control La válvula de control es el único elemento del lazo que actúa sobre el fluido estrangulando su paso, produciendo perdida de presión para poder variar el caudal, en respuesta a la señal de mando procedente del controlador. preencoded.png Transmisor de posición Señal de salida Entrega una señal eléctrica proporcional a la posición del vástago de la válvula. El sensor puede ser potenciométrico o magnético con salida analógica directa o inversa de 4-20 mA para medir el desplazamiento o la rotación. Alarmas Opcionalmente puede sensar límites de posición (finales de carrera) para generar alarmas preencoded.png Posicionador electroneumático Señal de entrada y salida La señal de entrada proveniente del controlador es eléctrica y la salida hacia el actuador neumática. Los EP tienen cerramiento estanco y son aptos para áreas clasificadas. EP inteligentes Hay EP inteligentes para sistemas SIS = Safety Instrumented Systems que por comunicación digital supervisan la válvula y alertan sobre posibles fallas, permitiendo verificar el correcto funcionamiento mediante pruebas de carrera parcial PST = Parcial Stroke Test. preencoded.png Transductor I/P Señal de entrada Costo Recibe la señal eléctrica del controlador y la convierte en una El costo de un I-P es menor que un electro posicionador, pero señal neumática (aire o gas) cuya presión es proporcional a la no permite asegurar la posición requerida de la válvula dado corriente. que no se realimenta la posición del vástago. preencoded.png Válvula globo preencoded.png Válvula en ángulo Adecuada para sustituir a una válvula de globo cuando el fluido circula con sólidos en suspensión o a excesiva velocidad provocada por una alta presión diferencial de trabajo. preencoded.png Válvula de 3 vías Las válvulas de tres vías intervienen típicamente en el control de temperatura de intercambiadores de calor, facilitando un control muy rápido de la temperatura, gracias a que el fluido de calefacción (vapor o fluido térmico) puede derivar, a través de la válvula, sin pasar por el intercambiador. preencoded.png Válvula de mariposa El cuerpo está formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira transversalmente un disco circular. La válvula puede cerrar herméticamente mediante un anillo de goma encastrado en el cuerpo. preencoded.png Válvula de bola - El cuerpo tiene una cavidad interna esférica que alberga un obturador en forma de esfera o de bola (de ahí su nombre). La bola tiene un corte adecuado (usualmente en V) que jala curva característica de la válvula, y gira transversalmente accionada por un servomotor exterior. preencoded.png preencoded.png Obturador y asiento preencoded.png Jaulas En este contexto, las jaulas se refieren a un componente fundamental en las válvulas de control, que desempeñan un papel crucial en la regulación del flujo de fluidos. La jaula, también conocida como trim, es la parte interna de la válvula que alberga el obturador, el elemento que controla el flujo. La forma y el diseño de la jaula determinan el comportamiento del flujo a través de la válvula, influyendo en la eficiencia, la precisión y la estabilidad del proceso. preencoded.png Apertura rápida, lineal e isoporcentual 1 Apertura rápida El caudal aumenta mucho al principio de la carrera llegando rápidamente al máximo. 2 Lineal El caudal es directamente proporcional a la carrera. 3 Isoporcentual Cada incremento de la carrera del obturador produce un cambio en el caudal que es proporcional al caudal que fluía antes de la variación. preencoded.png Materiales de las partes internas preencoded.png Patologías más frecuentes: Corrosión y erosión Corrosión Erosión La corrosión es un proceso químico o electroquímico que La erosión se produce cuando partículas, a alta velocidad deteriora un material metálico, generalmente por reacción en el seno del fluido, chocan contra la superficie del con el medio ambiente. En el contexto de las válvulas, la material de la válvula. Estas condiciones se encuentran en corrosión puede afectar al cuerpo, la tapa y el trim si no la vaporización de un líquido (_flashing_), con arena, se han elegido bien los materiales. fangos, etc., y en la cavitación, es decir, la formación continua de burbujas de vapor y su implosión a líquido a la salida de la válvula, en la zona de vena contraída, cuando la tensión de vapor del líquido llega a ser inferior a la presión del vapor saturado. preencoded.png Corrosión En primer lugar la corrosión que puede afectar a cuerpo-tapa-trim si no se han elegido bien los materiales. Es un fenómeno difícil de abordar en algunos casos ya que pequeñas desviaciones en composición, del fluido, temperaturas, velocidad, etc. modifican su agresividad. Durante el proceso de selección de materiales se han de evaluar todos los tipos de corrosión posibles pues en cada proceso o tipo de planta aparecerán unos fenómenos corrosivos más que otros. Para conocer más sobre materiales resistentes a la corrosion ver Tablas 8.10 y 8.11 – Antonio Creus-Instrumentación Industrial preencoded.png Vaporización _(flashing)_ 1 Estado del líquido El líquido, de acuerdo con su presión y su temperatura, puede existir en estado líquido o de vapor. A temperaturas inferiores al punto de ebullición es un líquido y a temperaturas superiores es un vapor. 2 Flash o vaporización El flash o vaporización, aguas abajo de la válvula, es inevitable si la presión de salida se mantiene por debajo de la presión de vapor del líquido. La aparición del flash implica un aumento de volumen en la salida del trim lo que ocasiona mayor velocidad. Los efectos del flash se manifiestan, en general en el semicuerpo de salida, en la tapa y en algunos casos en la tubería, también en el trim cuando tengamos una alta presión diferencia. La agresividad es debida al choque del líquido arrastrado por la fase gaseosa. 3 Nivel de desgaste El nivel de desgaste depende del porcentaje de líquido vaporizado, de la velocidad del fluido, de la presión diferencial, del tamaño y forma de la válvula. Así como la cavitación tiene un ruido hidrodinámico alto, en el flash no ocurre esto, sobre todo cuanto mayor sea el porcentaje de líquido vaporizado. 4 Soluciones Las soluciones frente al flash pasan por una adecuada selección del tipo de válvula; tratar de calcular y limitar la velocidad en el cuerpo; elegir materiales duros en el trim y también en el cuerpo donde se mejora su resistencia con aceros aleado al Cr. Mo tipo WC6, WC9, etc. preencoded.png Cavitación En la estrangulación de la vena del líquido, llamada zona de vena contracta, el fluido alcanza su máxima velocidad y su mínima presión. Si en esta zona, la velocidad es suficiente, la tensión de vapor del líquido llega a ser inferior a la presión del vapor saturado, formando pues burbujas de vapor que colapsan (implosión) si a la salida de la válvula la presión es superior a la presión de saturación del líquido. Este fenómeno de formación continua de burbujas de vapor y su desaparición a la salida de la válvula recibe el nombre de cavitación. preencoded.png preencoded.png Dimensionamiento de la válvula Métodos de dimensionamiento Hay dos métodos para dimensionar las válvulas de regulación y control, el tradicional (desarrollado por Fisher) y el estandarizado (normas ANSI-ISA). Importancia del dimensionamiento La determinación del tamaño correcto de la válvula, sus internos y el actuador, resulta importante para reducir costos y obtener un adecuado funcionamiento en el lazo de control. Error común Seleccionar una válvula en base al diámetro de la cañería donde será instalada es incorrecto. Coeficientes de flujo Ambos métodos son similares y emplean formulas que utilizan coeficientes de flujo Cv para fluidos incompresibles (líquidos) y Cg para compresibles (gases). Estos coeficientes se determinan experimentalmente y definen la capacidad de una válvula, para compararla con otras de otros tipos y diámetros. preencoded.png Dimensionamiento de la válvula coeficientes Cv y Kv Cv "Caudal de agua en galones USA por minuto a la temperatura de 60°F (15,5°C) que pasa a través de la válvula en posición completamente abierta y con una pérdida de carga de una libra por pulgada cuadrada (psi)." Kv "Caudal de agua entre 5°C y 30°C en m3/h que pasa a través de la válvula a una apertura dada y con una pérdida de carga de 1 bar (105 Pa) (1,02 Kg/cm2)." preencoded.png Sobredimensionamiento de la válvula Peligro de sobredimensionamiento Cuando se selecciona una válvula existe el peligro de sobredimensionarla. En efecto, al establecer la capacidad de la válvula un 15% o un 50% superior al caudal máximo, y elegir su tamaño consultando las tablas del fabricante, se escoge la correspondiente al _Kv_ o _Cv_ superior al que resulta del cálculo. Consecuencias del sobredimensionamiento Por ejemplo, el _Kv_ de una válvula de 3" es de 130 y el de una de 4" es de 235. Como consecuencia, la válvula queda sobredimensionada en: 1,80 % Lo que empeora el control, al precisar de una ganancia más pequeña (banda proporcional mayor) y de un tiempo de acción integral más reducido. De este modo la válvula regula el caudal máximo con solo 1/1,80 = 0,55 Es decir aprox. El 60% de la amplitud de la señal de control (3-15psi) Lo que empeora el control, al precisar de una ganancia más pequeña (banda proporcional mayor) y de un tiempo de acción integral más reducido. preencoded.png Para fluidos incompresibles, donde C puede significar Cv o Kv: 𝑄 𝜌 𝐶= 𝑁1 ∆𝑝 Ejemplo: un tanque abierto, lleno de agua, genera una presión hidrostatica de 1 bar, la salida está sin restricción, pero se necesita mantener el nivel del tanque. Calcule la valvula de control a escoger. Caudal: 32 m3/hr 32 1 𝐶𝑣 = 0,865 1 𝐶𝑣 = 37 preencoded.png Para fluidos incompresibles, donde C puede significar Cv o Kv: 𝑄 𝜌 𝐶= 𝑁1 ∆𝑝 Ejemplo: un tanque abierto, lleno de agua, genera una presión hidrostatica de 1 bar, la salida está sin restricción, pero se necesita mantener el nivel del tanque. Calcule la valvula de control a escoger. Caudal: 32 m3/hr 32 1 𝐶𝑣 = 0,865 1 𝐶𝑣 = 37 preencoded.png Para fluidos incompresibles, donde C puede significar Cv o Kv: 𝐶𝑣 = 37 preencoded.png Tipos de acciones de las válvulas de control preencoded.png  Otros elementos finales de control Bombas dosficadoras preencoded.png  Otros elementos finales de control Actuadores de velocidad variable preencoded.png Otros elementos finales de control preencoded.png