INSTRUMENTACIN BSICA DE PROCESOS INDUSTRIALES Standards Certification Education & Training Publishing Conferences & Exhibits PONENTE: M. EN C. ARMANDO MORALES SNCHEZ 1 16 AL 18 DE MAYO DEL 2007

SNTESIS CURRICULAR M. EN C. ARMANDO MORALES SNCHEZ El M. en C. Armando Morales Snchez curs su licenciatura en Ingeniera en Comunicacio nes y Electrnica (1980) en la ESIME del IPN y su Maestra en Ciencias en Ingeniera d e Cmputo con Especialidad en Sistemas Digitales en el Centro de Investigacin en Co mputacin del IPN. En su ingreso al Instituto Mexicano del Petrleo (IMP) en 1981, c urso la Especializacin de Ingeniera de Proyecto en Instrumentacin y Control. Hasta 1987 permanece en el departamento de ingeniera de control, participando en la ing eniera bsica y de detalle de instrumentacin de 4 plantas industriales. A partir de 1988 y a la fecha, participa como Responsable de la Automatizacin de las Plantas Piloto del IMP, donde se han instrumentado e instalado sistemas de control digit al (SCADA, PLC y SCD) en ms de 18 plantas piloto. Ha impartido cursos sobre instr umentacin y control a PEMEX y a compaas de iniciativa privada. De 1985 a 1988 fue m iembro del comit educativo de la ISA Mxico y durante 19 aos fue profesor del IPN en el rea de Electrnica. Ha dirigido 10 tesis de licenciatura, 2 tesis de maestra y h a publicado 3 artculos internacionales y 8 artculos nacionales. 2#

Entre las distinciones que ha recibido destacan, el reconocimiento al desempeo en el IMP (1990), excelencia como expositor (1991), y en sus estudios de maestra, m encin honorfica, reconocimiento como el alumno ms sobresaliente y candidato a la pr esea Lzaro Crdenas (2000). En el 2001 obtuvo el segundo lugar en el concurso IMP a la mejor tesis de maestra sobre la industria petrolera. En el 2004 curso un Dipl omado en Metrologa y otro en Aplicaciones de Sistemas de Control. Actualmente se encuentra finalizando sus estudios del Doctorado en Ingeniera Elctrica con Especia lidad en Control, en la Seccin de Estudios de Posgrado e Investigacin de la ESIME, IPN, desarrollando un mtodo de sintonizacin para un control de matriz dinmica. 3#

Alcance: Al trmino del curso el participante conocer los conceptos bsicos de la ins trumentacin, variables mas importantes, principales caractersticas y aplicaciones. Perfil: Conocimientos bsicos de electricidad. Dirigido a: Ingenieros o tcnicos in volucrados en servicios, proyectos y mantenimiento dentro de las reas de Instrume ntacin y Control. 4#

TEMARIO 1. Introduccin. - La Instrumentacin como factor de aumento de calidad y eficiencia en la produccin. - Seguridad. - Exactitud y precisin. - Errores de medicin. - Cali bracin. - Hojas de especificacin de instrumentos. 2. Simbologa ISA - Diagramas de t ubera e instrumentacin. - Nomenclatura. - Terminologa. - Diagramas funcionales de i nstrumentacin. - ndice de instrumentos. 5#

3. Medicin de temperatura. - Generalidades. - Unidades. -Termmetros clnicos industr iales, sistemas elementos de resistencia, termistores, termopozos. - Instalacin. - Patrones y tablas. - Aplicaciones. 4. Medicin de presin - Generalidades. - Unida des. - Tipos de sensores. - Tipos de medidores. - Normas. - Instalacin. - Aplicac iones. llenos, termopares, 6#

5. Medicin de nivel. - Tanques atmosfricos. - Recipientes a presin. - Tipos de sens ores. - Aplicaciones. 6. Medicin de flujo. - Importancia de la medicin de flujo de fluidos. - Unidades. - Diferentes principios para la medicin de flujo. - Aplicac iones. - Instalacin. 7#

7. Mediciones analticas - Cromatografa de gases - Analizador de infrarrojo - Anali zador de oxgeno 8. Equipos auxiliares. - Transmisores. - Indicadores. - Registrad ores. - Convertidores. - Transductores. - Interruptores. - Buses de campo. - Cla sificacin de reas. 8#

9. Elementos finales de control. - Introduccin. - Caractersticas de control. - Tip os de vlvulas de control. - Actuadores. - Posicionadores. - Variadores de velocid ad - Servomotores 10. Introduccin al control automtico. - Introduccin. - Jerarqua de control. - Terminologa de control automtico. - Lazo abierto y lazo cerrado. - Dis turbios. - Parmetros de estabilidad. - Modos de control: dos posiciones, proporci onal, integral y derivativo. - Sintonizacin de controladores. - Teora moderna de c ontrol. 9#

11. Introduccin a sistemas de control digital para supervisin y control de proceso s industriales. - Control unitario SISO - PLC - Sistemas de adquisicin de datos Sistema SCADA - Sistemas de control distribuido. 10#

INSTRUMENTACIN BSICA DE PROCESOS INDUSTRIALES CAPTULO 1 INTRODUCCIN Standards Certification Education & Training Publishing Conferences & Exhibits M. en C. Armando Morales Snchez 16, 17 y 18 de mayo del 2007 11

1. INTRODUCCIN Qu es la instrumentacin? Porqu es importante? Qu relacin guarda con el control de u ceso? Cules son las caractersticas bsicas de un instrumento? En que influye instrumen to? la seleccin correcta de un 12#

Proceso Un proceso es una parte de una planta de manufactura, en la cul, el material o la energa es convertida a otras formas de material o energa. Ejemplos: Cambio en pre sin, temperatura, velocidad, potencial elctrico, etc. Entrada de aire caliente PROCESO Salida de aire fro 13#

Proceso continuo y proceso batch Proceso Continuo El material es introducido y removido del proceso al mismo tiempo y el proceso u na vez iniciado, no para (Reacciones qumicas, destilaciones, separaciones, etc). Proceso Batch El material se agrega a un contenedor; algn proceso se lleva a cabo; el producto es removido y se sigue una secuencia que puede parar o reiniciarse (Bebidas alco holicas, productos alimenticios, etc). 14#

Sistema Conjunto de elementos ordenados que cumplen un objetivo, y uno solo de estos ele mentos no puede cumplir, por si solo, el trabajo de todo el sistema. 15#

Control Accin o conjunto de acciones que buscan conformar una magnitud variable, o conjun to de magnitudes variables, en un patrn determinado. 16#

Esquema general de control Decisin Medicin Accin 17#

Control de procesos La regulacin o manipulacin de variables que influencian en el comportamiento de un proceso de una forma determinada para obtener un producto con una calidad y una cantidad deseadas de una manera eficiente DISTURBIOS VARIABLE CONTROLADA VARIABLES MANIPULADAS PROCESO CONTROLADOR VARIABLE MEDIDA 18#

Razones de control Seguridad Estabilidad Optimizacin Proteccin ambiental 19#

Seguridad Preservar bajo cualquier condicin la integridad del personal y equipo involucrado en la operacin de los procesos. 20#

Estabilidad Asegurar las condiciones de operacin de los procesos, para mantener en forma cont inua la calidad de los productos, dentro de los lmites especificados. 21#

Optimizacin Asegurar el mximo beneficio econmico en la operacin de los procesos. 22#

Proteccin ambiental Reducir a su mnima expresin el impacto ecolgico de los efluentes del proceso, para cumplir con todas las normatividades aplicables. 23#

Tipos de variables y y t Variable Analgica Variable Digital t TIPOS DE VARIABLES DE ACUERDO A SU COMPORTAMIENTO EN EL TIEMPO 24#

Seal analgica 0.985 t t f DC Temperatura Presin Flujo Esfuerzo Dominio del tiempo ECG Presin de sangre Transientes Cromatografa Dominio de la frecuencia Vibracin Voz Sonar 25#

Seal digital on off t 10t Seal On-Off Entrada: Cierre o apertura de un interruptor Salida: Abre o cierra un a vlvula Tren de pulsos Entrada: Lectura de un encoder Salida: Mueve un motor a pasos 26#

Metrologa La metrologa es la ciencia de las medidas, cuyo estudio comprende los patrones, l as magnitudes y los sistemas de unidades. La metrologa estudia la fiabilidad de l a relacin establecida entre cualquier magnitud y su patrn. *La medicin es el proceso por el cual se asignan nmeros o smbolos a atributos de entidades del mundo real d e tal forma que los describa de acuerdo con reglas o patrones claramente definid os" [Fenton y Pfleeger, 1997]. *Fenton, N.E. y Pfleeger, S.L., Software metrics. A rigurous and practical appro ach, PWS Pub, 1997 27#

Magnitud o Cantidad Atributo de un fenmeno, cuerpo o sustancia que puede ser distinguido cualitativam ente y determinado cuantitativamente. Ejemplos de magnitudes: Bsicas: Longitud, m asa, tiempo. Derivadas: Velocidad, calor, rea. Particulares: elctrica de alimento. Concentracin de etanol, un cable, Caloras que resistencia aporta un 28#

Unidades de medida Magnitud Representacin dimensional M L t T Lt-1 Lt-2 ML2t-2 L2 L3 FL2=ML-1t-2 ML-3 FL FL/t =ML-1t-3 FL/M=M2L-2 ML-1t-1 Kg m s K m/s m/s2 Unidades SI Masa Longitud Tiempo Temperatura Velocidad Aceleracin Fuerza Area Volumen Presin D ensidad Energa Potencia Energa interna u Viscosidad Magnitudes fundamentales N(Kg.m/s2) m2 m3 Pa(N/m2) Kg/m3 J (Kg/m/s2) W (Kg/m/s3) J/Kg (N-m/Kg) Kg/m/s Magnitudes derivadas 29#

Rango y Span Rango.- Regin entre los lmites en los cules una cantidad es medida, recibida o tran smitida, expresada al establecer los valores de rango mnimos y mximos. LRV (Valor de rango mnimo).- El valor mnimo de la variable medida que un dispositi vo esta ajustado para medir. URV (valor de rango mximo).- El valor mximo de la variable medida que un dispositi vo esta ajustado para medir. Span.- Diferencia algebraica entre los valores mximo y mnimo. 30#

Rango de las variables medidas RANGOS TPICOS TIPO DE RANGO RANGO VALOR BAJO DEL RANGO 0 oF -0.68 mV. VALOR ALTO DE RANGO 2000 oF + 44.91 mV. SPAN TERMOPAR K VARIABLE MEDIDA SEAL ELCTRICA 0 A 2000 oF -0-68 A 44.91 mV 2000 oF + 5.556 mV. MEDIDOR DE FLUJO TACOMETRO VARIABLE MEDIDA 0 A 10,000 LB/HR 0 LB/HR 10,000 LB/HR 10,000 LB/HR 500 RPM 5 V. VARIABLE MEDIDA SEAL ELCTRICA 0 A 500 RPM 0 A 5 V. 0 RPM 0 V. 500 RPM 5 V. PRESIN DIFERENCIAL VARIABLE MEDIDA 10 A 100 H2O 10 H2O 100 H2O 90 H2O SEAL ELCTRICA 4 A 20 mA. C.D. 4 mA. C.D. 20 mA. C.D. 16 mA. C.D. 31#

Ejemplo de rango de variables medidas Cual ser la seal en mA. que entrega un transmisor de presin que mide 32.3 Kg/cm2 en un rango calibrado de 0-70 Kg/cm2, si el transmisor entrega su seal en un rango d e 4-20 mA. C.D.? 32#

Medicin Algunos de los factores que afectan la medicin son: La exactitud, La precisin, La resolucin, La repetibilidad, La reproducibilidad, La linealidad, La histresis rror La incertidumbre. 33#

Exactitud de la medicin **La exactitud de la medicin es la concordancia entre un valor obtenido experimen talmente y el valor de referencia. Es funcin de la repetibilidad y de la calibrac in del instrumento. La precisin es el grado de concordancia entre una serie de det erminaciones obtenidas de repetir la medicin y se expresa como la desviacin estndar relativa o el coeficiente de variacin.Es funcin de la repetibilidad y la reproduc ibilidad. La resolucin de un instrumento es el mnimo valor confiable que puede ser medido en un instrumento. 34#

Exactitud de la medicin 100% 100 90 80 VALORES DE ENTRADA 70 60 50 40 30 20 10 0% 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 35# VALOR DESEADO SPAN RANGO DE EXACTITUD SALIDA MEDIDA

5 % span

Repetibilidad y Reproducibilidad La repetibilidad es la precisin de resultados de medicin expresado como la concord ancia entre determinaciones o mediciones independientes realizada bajo las misma s condiciones (operador, tiempo, aparato, lugar, mtodo, etc). Reproducibilidad de la medicin es la precisin de resultados de medicin expresado como la concordancia entre determinaciones independientes realizadas bajo diferentes condiciones (ope rador, tiempo, aparato, lugar, mtodo, etc). 36#

Repetibilidad y Reproducibilidad 100% 100 90 80 VALORES DE ENTRADA 70 60 50 40 30 20 10 0% 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 37# VALOR DESEADO SPAN EL INSTRUMENTO CON QUE SE REALIZA LA MEDICIN ES UN INSTRUMENTO PRECISO, MAS NO EX ACTO SALIDA MEDIDA

Linealidad Se define como la cercania con la cual una curva se aproxima a una lnea recta. La linealidad es usuamente medida como una no linealidad y expresada como linealid ad. Hoy en da algunos instrumentos tienen un ajuste de linealidad S A L I D A LINEAL CURVA CARACTERSTICA LINEALIDAD LINEALIDAD (ENTRADA/SALIDA) FLUJO 38#

Histresis Es la medida de la diferencia en respuesta de un dispositivo o sistema al increm entar la seal de entrada de un valor mnimo a un valor mximo y, con respecto a cuand o se decrementa de un mximo a un mnimo sobre el mismo rango. S A L I D A LINEAL HI E ST RE SI S FLUJO 39#

Error Diferencia algebrica entre los valores indicados y los valores verdaderos de la v ariable medida. Existen diferentes tipos de errores: Error de span Error de cero Error de linealizacin 40#

Error de cero Un instrumento tiene un error de cero cuando todas las indicaciones del instrume nto son consistentemente altos o consistentemente bajos a travs del rango complet o del instrumento cuando es comparado con la salida deseada. 100% % DE SALIDA VALOR VERDADERO ERRORES DE CERO 0 % DE ENTRADA 41# 100%

Error de Span En el error de span, la desviacin del valor ideal vara en diferentes puntos a lo l argo del rango del instrumento. Normalmente se incrementa, cuando la seal de entr ada se incrementa. 100% ERRORES DE SPAN % DE SALIDA VALOR VERDADERO 0 100% % DE ENTRADA 42#

Errores de Span y de Cero combinados 100% COMBINACIN DE ERRORES DE SPAN Y CERO % DE SALIDA VALOR VERDADERO 0 % DE ENTRADA 100% 43#

Error de linealidad Es cuando el resultado de la salida no presenta una lnea recta con respecto al va lor de entrada. El error de no linealidad puede ser corregido durante la calibra cin si el instrumento tiene un ajuste de no linealidad. Generalmente se recomiend a tomar 5 puntos. 100% % DE SALIDA LINEAL ERRORES CAUSADOS POR LA NO LINEALIDAD 0 100% % DE ENTRADA 44#

Especificacin de caractersticas de un instrumento Un instrumento de medicin es un dispositivo empleado para efectuar mediciones por si solo o como integrante de otro equipo o sistema. Las caractersticas metrolgica s de un instrumento estn definidas en funcin de los factores que afectan su medicin , como ejemplo: Exactitud : 0.2% de span calibrado. Aqu se incluye efectos combin ados de lo siguiente: Repetibilidad : 0.05% de span calibrado Linealidad : 0.1% de span calibrado Histresis : 0.05% de span calibrado 45#

Ciencias exactas. Respuesta a cuestiones planteadas por la ciencia. Investigacin cientfica. Manufactura. Control de calidad. Inspeccin y vigilancia. Tcnica. Forma p arte del ciclo de mejora continua del sistema de administracin de la calidad. Es un pilar que soporta la calidad. 46#

Con la finalidad de evaluar su eficiencia. Poder comparar mediciones con patrone s de referencia. Poderse comparar con otros laboratorios. Interpretar resultados de la ciencia, la ingeniera, el comercio, la industria. Tener un criterio objeti vo para adquisicin de equipo. Seleccionar el equipo adecuado para un proceso de m edicin especfico. Comprender reglamentaciones oficiales. 47#

Anteriormente: error y anlisis de errores. El error es el resultado de una medida menos el valor verdadero del mensurando. Actualmente: Incertidumbre. La incerti dumbre refleja la imposibilidad de conocer el valor del mensurando y corresponde a la duda del resultado de la medicin, an cuando sean eliminados los errores dete ctados. 48#

Incertidumbre de la Medicin Parmetro asociado al resultado de una medicin que caracteriza la dispersin de los v alores, que podran razonablemente ser atribudos al mensurando. 49#

Qu nos da a conocer la Incertidumbre? Caracteriza la calidad del resultado de una medicin. Refleja la imposibilidad de co nocer exactamente el valor del mensurando. Corresponde a la duda del resultado de medicin. Corresponde a la duda una vez eliminados o corregidos los errores detect ados. 50#

Fuentes de Incertidumbre Principio de medida. Mtodo de medida. Procedimiento de medida. Correcciones por e rrores detectados. Correcciones por cantidades de influencia. Valores inexactos de patrones. Muestra no representativa del mensurando. Aparatos de medicin. Mtodo de medicin. Variables no controladas (temperatura, humedad, presin atmosfrica, corr ientes de aire, variacin de energa elctrica, variacin de flujo de agua, etc). 51#

Normativa de estimacin de Incertidumbre NMX-EC-17025-IMNC-2000 5.4.6.2. Los laboratorios de ensayo y calibracin debern ten er y aplicar procedimientos para estimar la incertidumbre de medicin, el laborato rio debe al menos intentar identificar todos los componentes de la incertidumbre y hacer una estimacin razonable basada en el conocimiento del desempeo del mtodo y del alcance de la medicin y deber hacer uso, por ejemplo, de la experiencia previ a y de la validacin de los datos. 5.4.6.3. Cuando se est estimando la incertidumbr e de medicin deben ser tomados en cuenta, todos los componentes de incertidumbre que sean de importancia para la situacin dada; usando mtodos apropiados de anlisis. 52#

Calibracin La calibracin de un instrumento es el conjunto de operaciones que establece, bajo condiciones especificas, la relacin entre valores indicados por un instrumento d e medicin o sistema de medicin o los valores representados por una medida material izada y los valores correspondientes de la magnitud, realizada por los patrones. En forma simple se define como la comparacin de las indicaciones de un instrumen to contra un patrn, sin efectuar ningn ajuste. CALIBRACIN APROPIADA MEDICIN EXACTA BUEN CONTROL DEL PROCESO SEGURIDAD Y COSTOS BAJOS 53#

Diagrama de bloques de la calibracin MEDICIN DE ENTRADA PATRN (NORMALIZADA) PROCESO O ENTRADA SIMULADA INSTRUMENTO BAJO PRUEBA MEDICIN DE SALIDA (NORMALIZADA) FUENTE DE ENERGA 54#

Programas de calibracin de instrumentos PROGRAMA ANUAL DE CALIBRACIN DE EQUIPOS DE MEDICIN 2003 CLAVE INVENTARIO NOMBRE DEL EQUIPO MARCA MODELO NO. SERIE VIDA TIL DEMANDANTE RAN GO DE MEDICIN PRECISIN COMPAA QUE PERIODO DE DA EL SERVICIO SERVICIO S/N S/N S/N S/N S/N 20092 134138 Transductor de vaco RTD PT100 Fondo RTD PT100 Domo RTD PT100 Bao Probeta graduada Bscula electrnica Indicador de temperatura Baratron Jupiiter JAX1 Jupiter JAX Jupiter JAX2 Pyrex Mettler Eurotherm 622A TAE-5 619741 PT100 9550 PT100 15 0H12004 9537 3062 CB12624 PM30-K L21759 81 55 0931-001-007-9 10 aos 10 aos 10 aos 10 aos 10 aos 10 aos 10 aos 0 a 10 Torr +-0.25% E.T.I13 -40 a 420oC +-1.0 oC -40 a 420oC +-1.0 oC -40 a 420o C +-1.0 oC 0-250 ml. +-1.4 ml 0-30 Kg. +-1.0 g 0-40 oC 0.015 oC IMP IMP IMP IMP IMP IMP IMP 6 meses* 1 ao 1 ao 1 ao 1 ao 1 ao 1 ao 55#

Patrones de calibracin PATRN (de medicin) Medida materializada, instrumento de medicin, material de refere ncia o sistema de medicin destinado a definir, realizar, conservar o reproducir u na unidad o ms valores de una magnitud para utilizarse como referencia. PATRN NACI ONAL (de medicin) Patrn reconocido por una decisin nacional en un pas, que sirve de base para asignar valores a otros patrones de la magnitud concerniente. 56#

Patrones de calibracin PATRN (de medicin).- Medida materializada, instrumento de medicin, material de refe rencia o sistema de medicin destinado a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o ms valores de una magnitud para utilizarse como referencia. PATRN NA CIONAL (de medicin).- Patrn reconocido por una decisin nacional en un pas, que sirve de base para asignar valores a otros patrones de la magnitud concerniente. PATRN SECUNDARIO.- Patrn cuyo valor es establecido por comparacin con un patrn primario de la misma magnitud. PATRN DE TRABAJO.- Patrn que es usado rutinariamente para ca librar o controlar las medidas materializadas, instrumentos de medicin o los mate riales de referencia. 57#

Trazabilidad de la medicin Propiedad del resultado de una medicin o del valor de un patrn por la cual pueda s er relacionado a referencias determinadas generalmente patrones nacionales o int ernacionales por medio de una cadena ininterumpida de comparaciones teniendo tod as las incertidumbres determinadas. BIPM Patrn Nacional o Primario Patrn de Referencia Patrn de Trabajo Consumidor, industria, comercio Definicin de la Unidad de Medida Laboratorio Nacional Laboratorios de Calibracin A creditados Instrumento de Medicin o equipo calibrado 58#

Ejemplo de trazabilidad de la medicin 59#

Patrones de trabajo PATRONES MANMETROS COLUMNAS H2O HG PUENTE DE WHEATSONE POTENCIOMTRICOS BALANZA DE PESOS MUERTOS 60#

Calibradores neumticos 61#

Balanza de pesos muertos 62#

Calibrador de flujo 63#

Calibrador de presin FLUKE 702 DOCUMENTING PROCESS CALIBRATOR 11/18/93 07:44:08 MEASURE SOURCE OFF 20.451 mA 0 AUTO RANGE 15 30 mA SCALE ENG UNITS SAVE MORE CHOICES MEAS SOURCE V Hz mA SETUP V ~ 9 6 3 . MA RTD TC RTO CLEAR (ZERO) 7 4 1 +/V RTD 8 5 2 0 MA RANGE ENTER V SOURCE 30V MAX MEAS 300V MAX 64#

Medicin Industrial Medicin Local Medicin Remota 65#

Medicin Local MEDICIN LOCAL MANMETROS MIRILLAS DE NIVEL MIRILLAS DE FLUJO TERMOMETROS 66#

Medicin Remota MEDICIN REMOTA TRANSMISORES NEUMTICOS TRANSMISORES ELCTRICOS TRANSMISORES DIGITALES 67#

Instrumentacin La instrumentacin es una especialidad referente a los instrumentos de medicin, pri ncipalmente a los utilizados industrialmente, y forma parte primordial dentro de un sistema enfocado al control de un proceso industrial, por lo que generalment e un instrumentista es un especialista en instrumentacin y control. Un buen conoc imiento de la especialidad redunda en una buena especificacin y seleccin de la ins trumentacin ptima en un proceso industrial lo cual contribuir como un factor de aum ento de calidad y eficiencia en la produccin. 68#

Hojas de datos de instrumentos Una hoja de datos es una tabla donde se introducen los datos de proceso mnimos ne cesarios para efectuar la especificacin de un instrumento, como pueden ser: tempe ratura normal y mxima de operacin, presin normal y mxima de operacin, material de la tubera, tipo de fludo, dimetro de la tubera, etc. En un proyecto, generalmente estos datos se toman del diagrama de flujo de proceso y del diagrama de tubera e instr umentacin, en el que se indican las condiciones de operacin de los puntos importan tes del proceso y las caractersticas de los recipientes y de las lneas de tubera. 69#

Hojas de datos de instrumentos 70#

Hojas de datos de instrumentos 71#

Hoja de especificacin de instrumentos Una hoja de este tipo especifica las caractersticas generales y especficas del ins trumento para su compra. Para el llenado de esta hoja, es necesario conocer el t ipo de instrumento que se ha seleccionado en base a las condiciones de operacin p lasmadas en las hojas de datos de instrumentos. La hoja de especificacin es un do cumento bsico dentro de la ingeniera de proyecto, ya que fundamenta la compra y si rve de apoyo para las diferentes actividades subsecuentes de un proyecto, como l os tpicos de instalacin, diagramas de alambrado, suministros de energa, etc. 72#

Hojas de especificacin de instrumentos (ISA S20) 73#

Hojas de especificacin de instrumentos (ISA S20) 74#

Hojas de especificacin de instrumentos (ISA S20) 75#

Evolucin de la instrumentacin y control PERODO ANTES DE 1920 MEDICIONES LOCALES 1930 A 1940 PRIMEROS SERVO MECANISMOS 1940 A 1950 1950 A 1960 1960 A 1970 1970 A 1980 1980 A 1990 1990 EN ADELANTE INSTRU MENTA CIN ELEMENTOS FINALES DE CONTROL ACTUADORES NEUMTICOS PRIMEROS SURGE LA DESARROLLO DE SE INTRODUCEN SE SE INSTRUMENTOS CROMATOGRAFA NUE VOS LOS MICRO DESARROLLAN DESARROLLAN ELECTRNICOS DE GASES CONTROLADORES PROCESAD ORES NUEVOS INSTRUMENTOS ELECTRNICOS EN LA INSTRUMENTOS INTELIGENTES MAS CAPACES INSTRUMENTACIN CON MEJOR CON EXACTITUD Y FUNCIONES PRIMERAS SURGEN NUEVOS SE DESA RROLLAN CONFIABILIDAD MTLIPLES CELDAS DE PRINCIPIOS DE NUEVOS TIPOS CON PRECIOS C ON AUTO PRESIN DIF. MEDICIN DE VLVULAS DE REDUCIDOS CALIBRACIN Y CONTROL AUTO DIAGNST ICO DESARROLLO DE LA TEORA DE CONTROL MODERNA PRIMERAS TCNICAS DE SINTONA TRANSMISIN ELCTRICA SE DEFINEN LAS BASES DE CONTROL SUPERVISORIO Y DE CONTROL DIGITAL DIREC TO SE DEFINEN LAS BASES DE CONTROL DISTRIBUIDO SE DESARROLAN LOS PRIMEROS PLCs DI GITALES SE DESARROLLAN LOS PRIMEROS SISTEMAS DE TELEMETRA SE INCREMENTA LA CAPCID AD DE LOS SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO Y DE LOS PLCs SE DESARROLLAN LAS PRIMER AS APLICACIONES DE CONTROL AVANZADO SE INTRODUCEN LOS CONCEPTOS DE INTER OPERABI LIDAD E INTER CONECTIVIDAD SE INTRODUCEN LOS CANALES DE CAMPO SISTEMAS DE CONTROL CONTROL MECNICO PRIMEROS CONTROLES NEUMTICOS PID PRIMEROS CONTROLES LGICOS PROGRAMABLES TRANSMISIN NEUMTICA CONTROL DE DOS POSICIONES INSTRUMENTACIN LOCAL TELE METRIA TRANSMISIN 4-20 mA. SE DESARROLLAN LOS PRIMEROS SISTEMAS DE FIBRA PTICA SE NORMALIZAN LOS PRIMEROS PROTOCOLOS DIGITALES 76#

Cmo seleccionar un medidor?

Fundamentalmente la seleccin se basa en las consideraciones de proceso, a la impo rtancia del dato de medicin en el proceso y al aspecto econmico. De ah la importanc ia de conocer el principio de medicin de los diferentes tipos de medidores y los clculos necesarios de los elementos primarios para obtener el mximo rendimiento co stobeneficio de ellos y as disminuir el error en la medicin. Este curso provee mtod os tcnicos para el diseo, especificacin, clculo y seleccin de medidores, dando una gu para medir variables fsicas de la mejor manera posible. 77#

Tips para seleccionar un medidor 1. Medidor ms familiar.- el ms fcilmente entendible, basado sobre gran cantidad de mediciones y perodos de tiempo. 2. Medidor que se ha utilizado en aplicaciones pr evias similares.simple aproximacin, no necesariamente malo pero no siempre la mej or solucin. Puede ser muy malo si la seleccin es siempre la misma. 3. Considerar t odos los factores que puedan influir en la seleccin.consume en algunos casos dema siadas h-h y es justificada en aplicaciones crticas de flujo. 78#

Ejemplo de caractersticas principales para la seleccin de un medidor de flujo ESTANDARES DE LA COMPAA REQUERIMIENTOS LEGALES FASE DEL FLUIDO PRINCIPAL CONTENIDO DE SOLIDOS FACTORES DE CALIBRACIN TIPO DE FLUIDO: AGUA, AIRE HC, ETC NATURALEZA DEL FLUIDO: CORROSIVO, CONDUCTIVO, ETC TAMAO Y MATERIAL DE TUBERA INDICADOR DE FLU JO OBSTRUCCIN DE FLUJO PRDIDA DE PRESIN TIPO DE SALIDA DE CONTROL TIEMPO ENTRE INSP ECCIN Y MANTENIMIENTO SEGURIDAD COSTO DESVO DE CALIBRACIN PROVEEDORES CONEXIONES PA RA INSTALACIN: BRIDADO, ROSCADO, ETC. LIMITACIONES DE ESPACIO TRAYECTORIA DE TUBE RIA CORRIENTE ARRRIBA COMPONENTES MAS CERCANOS CORRIENTE NIVEL DE VIBRACIN REPETI BILIDAD DE LECTURA VELOCIDAD O TOTALIZACIN TIEMPO DE RESPUESTA FLUJO MXIMO Y MNIMO PRESIN MXIMA Y MNIMA TEMPERATURA MXIMA Y MNIMA DENSIDAD DEL FLUIDO VISCOSIDAD DEL FLU IDO FLUJO PULSANTE? FLUJO LAMINAR? CONDICIONES EXTERNAS: HUMEDAD, CALOR, 79#

INSTRUMENTACIN BSICA DE PROCESOS INDUSTRIALES CAPTULO 2 SIMBOLOGA Standards Certification Education & Training Publishing Conferences & Exhibits M. en C. Armando Morales Snchez 23, 24 y 25 de mayo del 2007 80

Los diagramas de tubera e instrumentacin (DTIs) Los DTIs son diagramas que contienen bsicamente los equipos de proceso, las tuberas , los instrumentos y las estrategias de control del proceso. Un DTI es el elemen to nico ms importante en el dibujo para: Definir y organizar un proyecto Mantener el control sobre un contratista durante la construccin Entender como es controlad a la planta despus de finalizar el proyecto Mantener un registro de lo que fue ac ordado y aprobado formalmente para la construccin Registrar lo que fue construido en la forma como se diseo con los DTIs 81#

Los diagramas de tubera e instrumentacin (DTIs) Los DTIs son conocidos con varios nombres, pero todo mundo sin tomar en cuenta co mo son nombrados conocen su valor. Estos son algunos de los nombres por los cual es son conocidos : DTIs P&IDs (por sus siglas en ingls) Diagramas de tubera e instru mentacin Diagramas de procesos e instrumentacin La mayoria de las firmas utilizan las normas ISA como una base para luego aadir sus propias modificaciones de acuer do a sus necesidades. 82#

Normas ISA aplicables a DTIs No hay norma DTI o acuerdo en la informacin que debe ser incluida o excluida de tal es documentos. Las normas ISA ANSI/ISA-5.1-1984 (R1992) y ISA-5.31983 son las gua s generalmente ms aceptables para desarrollar simbolismo para instrumentacin y sis temas de control en: las industrias qumicas y petroqumica, generacin de energa, pulp a y papel, refinacin, metales, aire acondicionado, etc. y pueden ser utilizadas e n procesos continuos, por lotes y discretos. 83#

Normas ISA aplicables a DTIs ANSI/ISA-S5.1-1984 (R1992), Identificacin y smbolos de instrumentacin. ANSI/ISA-S5 2-1976 (R1992), Diagramas lgicos binarios para operaciones de proceso. ISA-S5.3-1 983, Smbolos grficos para control distribuido, instrumentacin de desplegados compar tidos, sistemas lgicos y computarizados. ANSI/ISA-S5.4-1991, Diagramas de lazo de instrumentacin. ANSI/ISA S5.5-1985, Smbolos grficos para desplegados de proceso. 84#

Otras normas de simbologa ASA Y32.11-1961 Smbolos grficos para diagramas de flujo de proceso en las ind as del petrleo y qumica (ASME). ASA Z32.2.3-1949 Smbolos grficos para accesorios de tubera, vlvulas y tubera (ASME) ANSI Y14.15.a-1971 Seccin 15-11 Interconexin de diagr amas (ASME) IEEE Std 315-1975 (ANSI Y32.2 1975) (CSA Z99 1975) Smbolos grficos par a diagramas elctricos y electrnicos (IEEE) ANSI/IEEE Std 315A-1986 (IEEE) 85#

Diagrama de tubera e instrumentacin (DTI P&I) 86#

SIMBOLOGA 87#

Contenido de la norma ANSI/ISA S5.1-1984 1. 2. 3. 4. 5. 6. Propsito. Alcance. Definiciones. Reglas de identificacin de instrumentos. Tablas. Dibujos. 88#

1. Propsito Establecer un significado normativo de los instrumentos y sistemas de instrument acin utilizados para la medicin y el control, incluyendo smbolos y cdigos de identif icacin. 89#

2. Alcance 1. 2. 3. 4. Generalidades. Aplicacin a industrias. Aplicacin a actividades de trabajo. Aplicac in a diferentes tipos de instrumentacin y a funciones de instrumentos. 5. Extensin de identificaciones funcionales. 6. Extensin de identificaciones de lazos. 90#

Aplicacin a Industrias La norma esta disponible para utilizarse en industria qumica, del petrleo, generac in de potencia, acondicionamiento de aire y cualquier industria de procesos, y se espera que la norma tenga la suficiente flexibilidad para manejar muchas de las necesidades de algunos campos como la astronoma, navegacin y medicina que utiliza n instrumentacin diferente de los instrumentos convencionales de proceso. 91#

Aplicacin a actividades de trabajo La norma esta disponible para utilizarse en cualquier referencia de simbolizacin e identificacin de un instrumento o de alguna funcin de control. Tales referencias pueden ser requeridas para: -Diagramas de diseo y construccin, -Literatura, discu siones y artculos tcnicos, -Diagramas de sistemas de instrumentacin, diagramas de l azos y diagramas lgicos, -Descripciones funcionales, -Diagramas de flujo de: proc esos, mecnicos, de ingeniera, de tubera e instrumentacin (DTI o P&I), -Especificacio nes, ordenes de compra, etc. 92#

Aplicacin a funciones de instrumentos y a clases de instrumentacin Los mtodos de identificacin y simbolismos proporcionados por la norma se aplican a todas las clases de instrumentacin de control y medicin de procesos. La norma no solo puede utilizarse para describir instrumentos digitales y sus funciones, sin o tambin para describir las funciones analgicas de los sistemas, como por ejemplo: control compartido , control distribuido y control basado en computadora. 93#

Extensin de identificacin funcional y de lazo La norma proporciona la identificacin y simbolizacin de las funciones clave de un instrumento, es decir, son funciones generalizadas, as que cuando se requieren de talles adicionales del instrumento, es conveniente recurrir a la hoja de especif icacin del instrumento o algn otro documento para cubrir la especificacin detallada . La norma cubre la identificacin de un instrumento y todos las funciones de cont rol asociadas con un lazo de control. 94#

3. Definiciones Para propsitos de conocimiento de conveniente analizar algunas definiciones: la n orma, es Alarma. Un dispositivo o funcin que seala la existencia de una condicin anormal por medio de un cambio discreto visible o audible, o ambos, con el fin de llamar la atencin. Automatizacin. Es el acto o mtodo de hacer que un proceso funcione sin la necesidad de la intervencin de un operador. Banda Muerta. Rango a travs del cual puede variar la seal de entrada, hacia un dispositivo, sin ste inicie una respuest a. Generalmente se expresa como un porcentaje del rango de operacin. Binario. Trmi no aplicado a una seal que slo tiene dos estados o posiciones discretas (on-off, a lto-bajo, etc). 95#

Definiciones Crculo. Smbolo utilizado para denotar e identificar el propsito o funcin de un instr umento y puede contener un nmero de identificacin (ballon, bubble) Configurable. Tr mino aplicado a un dispositivo o sistema en el que sus caractersticas pueden ser seleccionadas o rearregladas a travs de programacin o algn otro mtodo. Controlador. Un dispositivo que tiene una salida que vara para regular una variable controlada de una manera especfica y puede ser un dispositivo analgico o digital. Un control ador automtico vara su salida automticamente, en respuesta a una entrada directa o indirecta de una variable de proceso medida. 96#

Definiciones Controlador compartido. Un controlador que contiene algoritmos preprogramados qu e son usualmente accesibles, configurables y asignables y permite un nmero de var iables de proceso a ser controladas por un solo dispositivo. Controlador Lgico Pr ogramable (PLC). Un controlador, usualmente con entradas y salidas mltiples, que contiene un programa que se puede alterar. Convertidor. Un dispositivo que recib e informacin en alguna forma de seal y transmite una seal de salida en alguna otra forma. El convertidor tambin se le llama transductor, aunque el trmino transductor no se recomienda utilizarse para conversin de seales. Corrimiento. Cualquier camb io paralelo de la curva de entrada -salida. 97#

Definiciones Digital. Trmino aplicado a una seal o dispositivo que utiliza dgitos binarios para representar valores continuos o estados discretos. Dispositivo de cmputo. Un disp ositivo o funcin que ejecuta uno o ms clculos u operaciones lgicas, o ambas, y trans mite uno o mas seales de salida resultantes. Es tambin llamado relevador de cmputo. Elemento Final de Control. Dispositivo que cambia el valor de la variable manip ulada directamente de un lazo de control. Elemento Primario. Parte de un instrum ento 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 inte grado con otro elemento funcional de un circuito, tambin se le conoce como detect or o sensor. 98#

Definiciones Estacin de Control. Estacin manual de carga que tambin proporciona la transferencia entre los modos de control automtico y manual de un circuito de control. Se cono ce tambin como estacin automtico y manual. Estacin Manual de Carga. Dispositivo que cuenta con una salida ajustable manualmente que se usa para actuar uno o ms dispo sitivos remotos, pero que no puede ser usada para transferir entre los modos de control automtico y manual de un circuito de control. Error. Es la diferencia alg ebraica entre la indicacin actual y el valor verdadero de una magnitud medida. A menudo expresado como un porcentaje del SPAN O del valor a escala total. Los val ores positivos del error denotan la indicacin del instrumento es ms grande que el valor real. 99#

Definiciones Exactitud. Lmites dentro de los cuales puede variar el valor establecido de una p ropiedad del proceso con respecto a su valor. Esta se expresa generalmente en un porcentaje de la escala total. Frecuencia Natural. Frecuencia a la cual el sens or, bajo condiciones de carga resonar con algunas fuentes de frecuencia externa. Funcin. Propsito de o accin realizada por un dispositivo. Histresis. La diferencia e n la seal de medicin para un valor dado de una variable de proceso cuando se alcan za primero desde una carga cero y despus desde la escala total. 100#

Definiciones Identificacin. Secuencia de letras y/o dgitos usados para designar un instrumento individual o un circuito. Instrumento. Dispositivo utilizado para medir y/o cont rolar una variable directa o indirectamente. El trmino incluye elementos primario s, finales, dispositivos de cmputo y dispositivos elctricos como alarmas, interrup tores y botones de paro. Instrumentacin. Es la rama de la ingeniera involucrada co n la aplicacin de los instrumentos a un proceso industrial para medir o controlar alguna variable y es referida a todos los instrumentos para cumplir este propsit o. 101#

Definiciones Interruptor. Dispositivo que conecta, desconecta o transfiere uno o ms circuitos, y que no es designado como controlador, un revelador o una vlvula de control. EI interruptor es un dispositivo que (I mide (I la variable y opera (abre o cierra ) cuando sta alcanza un valor predeterminado. Lazo. Combinacin de dos o mas instru mentos o funciones de control arregladas para el propsito de medir y/o controlar una variable de proceso Linealidad. Se define como la desviacin mxima a partir de una lnea recta que une el valor de la seal de medicin a carga cero con la seal de me dicin a una carga dada. Local. Localizacin de un instrumento que no esta en el tab lero ni atrs del tablero. Los instrumentos locales estn comnmente en la vecindad de un elemento final de control. 102#

Definiciones Longitud de Inmersin. Longitud desde el extremo libre del pozo o bulbo al punto d e inmersin en el medio al cual se est midiendo la temperatura. Luz Piloto. Luz que indica un nmero de control normales de un sistema o dispositivo. Tambin se le con oce como luz monitora. Medicin. Determinacin de la existencia o magnitud de una va riable. Los instrumentos de medicin incluyen todos los dispositivos usados direct a o indirectamente para este propsito. Modos de Control. Mtodo con el cual un cont rolador contrarresta la desviacin de una seal de su punto de ajuste. 103#

Definiciones Montado en Tablero. Trmino aplicado a un instrumento que esta montado en el panel frontal del tablero y que es accesible al operador para su uso normal. Parte po sterior del tablero. Trmino aplicado al rea que se encuentra atrs del tablero y que contiene los instrumentos que no es necesario que se encuentren accesibles al o perador para su uso normal. Proceso. Cualquier operacin o secuencia de operacione s que involucre un cambio de estado, de energa, de composicin, de dimensin de otra propiedad que puede definirse con respecto a un dato. Programa. Secuencia repeti da de acciones que definen el estado de las salidas en relacin a un conjunto de e ntradas. 104#

Definiciones Punto de Ajuste. (Set -Point, SP) magnitud predeterminada de una variable de pro ceso que el controlador trata de mantener. Punto de Prueba. Conexin de proceso en la cual no hay instrumento conectado permanentemente, pero la cual est colocada para usarse temporal o permanentemente para la conexin futura de un instrumento. Rango. Regin entre cuyos lmites una cantidad se mide, recibe o transmite. Rango de Operacin. (SPAN) Diferencia algebraica entre los valores de ms bajo y ms alto rang o. Rango Compensado de Temperatura. Rango de temperaturas sobre el cual el senso r se compensa para mantener el rango de operacin y el balance del cero dentro 105 # de los lmites especificados.

Definiciones Rangeabilidad. La relacin entre los valores de ms alto y ms bajo rango. Relevador. Dispositivo que recibe informacin en la forma de una o ms seales de instrumento, mo difica la informacin o su forma o ambas si se requiere, enva una o ms seales resulta ntes y no es designado como controlador, interruptor o algn otro, el trmino releva dor se aplica especialmente tambin a un interruptor elctrico que es actuado remota mente por una seal elctrica. Reluctancia. Oposicin que presenta una sustancia magnti ca al flujo magntico. Se expresa como la relacin de la diferencia de potencial mag ntico, al flujo correspondiente. 106#

Definiciones Repetibilidad. La capacidad de un instrumento de generar una seal de medicin cuya magnitud permanecer dentro de los lmites establecidos de repetibilidad bajo idntica s condiciones de proceso sucediendo en tiempos diferentes. Resolucin. El cambio ms pequeo en la variable de proceso que produce un cambio detectable en la seal de m edicin expresado en porcentaje de la escala total. Respuesta. Comportamiento de l a salida de un dispositivo como funcin de la entrada, ambos con respecto al tiemp o. Reproducibilidad. La exactitud con que un a medicin y otra condicin puede ser d uplicada a travs de un periodo de tiempo. Ruido. Perturbaciones externas o cualqu ier otra seal que no aporta informacin. 107#

Definiciones Sistema de control distribuido. Un sistema integrado funcionalmente que consiste de subsistemas separados fsicamente y localizados remotamente uno de otro. Sensi tividad. (Sensibilidad) La razn de cambio en la salida causada por un cambio en l a entrada, despus que se ha alcanzado el estado estacionario. Se expresa como la relacin numrica en unidades de medicin de las dos cantidades establecidas. Seal. Inf ormacin que en forma neumtica, elctrica, digital o mecnica, se transmite de un compo nente de un circuito de instrumentacin a otro. Tablero. Una estructura que contie ne un grupo de instrumentos montados en l y al cual se le da una designacin indivi dual. Pueden consistir de una o ms 108#

Definiciones casillas, secciones escritorios o paneles. Es el punto de interfase entre el pro ceso y el operador. Telemetra. La prctica de transmitir y recibir la medicin de una variable para lectura u otros. El trmino se aplica comnmente a sistemas de seal. T ermistor. Resistor elctrico cuya resistencia varia con la temperatura. Tiempo de Respuesta. Intervalo de tiempo requerido para que la seal de "-~ medicin de un det ector alcance un porcentaje especifico de su valor final como resultado de un ca mbio de escaln en la variable de proceso. Tiempo Muerto. Intervalo de tiempo entr e la iniciacin de un cambio en la entrada y el comienzo de la respuesta resultant e. 109#

Definiciones Transmisor. Dispositivo que detecta el valor de una variable de proceso por medi o de un elemento primario (o sensor) y que tiene una salida cuyo valor de estado estacionario varia slo como una funcin predeterminada de la variable de proceso. Elemento primario puede o no ser integral al transmisor. Vlvula de Control. Eleme nto final de control, a travs del cual, un fluido pasa, que ajusta la magnitud de l flujo de dicho mediante cambios en el tamao de su abertura y de acuerdo con la seal que recibe del controlador, y as lograr la accin correctiva necesaria. Variabl e. Cualquier fenmeno que no es de estado necesario sino que involucra condiciones continuamente cambiantes. 110#

Reglas para la identificacin de instrumentos a) Cada instrumento o funcin a ser identificado se le designa un cdigo alfanumrico o nmero de identificacin: TIC-103 IDENTIFICACIN FUNCIONAL NMERO DEL INSTRUMENTO b) El nmero del instrumento puede incluir informacin del cdigo de rea o series especf icas. Normalmente la serie 900 a 99 puede ser utilizada para instrumentos relaci onados con seguridad. c) Cada instrumento puede representarse en un diagrama por un smbolo que puede acompaarse con una identificacin. 111#

Reglas para la identificacin de instrumentos d) La identificacin 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 funcin del instrumento. TIC VARIABLE MEDIDA (Temperatura) FUNCIN (Indicador Controlador) 112#

Identificacin de instrumentos 113#

Combinaciones en la identificacin 114#

Reglas para la identificacin de instrumentos e) La identificacin funcional del instrumento se realiza de acuerdo a la funcin y no a la construccin (por ejemplo, un transmisor de nivel LT en lugar de un transm isor de presin diferencial PDT). f) El nmero de letras utilizado debe ser el mnimo para describir al instrumento. g) Un instrumento multifuncional puede ser simbol izado por ms de un instrumento. 115#

Notas para la identificacin de instrumentos 1. Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidame nte en un proyecto se han previsto letras libres. Estas letras pueden tener un s ignificado como primera letra y otro como letra sucesiva. Por ejemplo, la letra N puede representar como primera letra el modelo de elasticidad y como sucesiva un osciloscopio. 2.La letra sin clasificar X, puede emplearse en las designacion es no indicadas que se utilizan solo una vez o un numero limitado de veces. Se r ecomienda que su significado figura en el exterior del circulo de identificacin d el instrumento. Ejemplo XR-3 Registrador de Vibracin. 116#

Notas para la identificacin de instrumentos 3. Cualquier letra primera se utiliza con las letras de modificacin D (diferencia l), F (relacin) o Q (interpretacin) o cualquier combinacin de las mismas cambia su significado para representar una nueva variable medida. Por ejemplo, los instrum entos TDI y TI miden dos variables distintas, la temperatura diferencial y la te mperatura, respectivamente. 4.La letra A para anlisis, abarca todos los anlisis no indicados en la tabla anterior que no estn cubiertos por una letra libre. Es con veniente definir el tipo de anlisis al lado del smbolo en el diagrama de proceso. 117#

Notas para la identificacin de instrumentos 5.El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinacin de primer a letra, es opcional. 6.El empleo de los trminos de modificaciones alto, medio, b ajo, medio o intermedio y exploracin, es opcional. 7.El termino seguridad, debe a plicarse solo a elementos primarios y a elementos finales de control que proteja n contra condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o el personal). La designacin PSV se aplica a todas las vlvulas proyectadas para proteger contra con diciones de emergencia de presin sin tener en cuenta las caractersticas de la vlvul a y la forma de trabajo la colocan en la categora de vlvula de seguridad, vlvula de alivio o vlvula de seguridad de alivio. 118#

Notas para la identificacin de instrumentos 8.La letra de funcin pasiva vidrio, se aplica a los instrumentos que proporciona una visin directa no calibrada del proceso. 9.La letra indicacin se refiere a la l ectura de una medida real de proceso, No se aplica a la escala de ajuste manual de la variable si no hay indicacin de sta. 10.Una luz piloto que es parte de un bu cle de control debe designarse por una primera letra seguida de la letra sucesiv a I. 11.El empleo de la letra U como multifuncin en lugar de una combinacin de otr as letras es opcional. 119#

Notas para la identificacin de instrumentos 12.Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se de finirn en el exterior del smbolo del instrumento cuando sea conveniente hacerlo as. 13.Los trminos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a valores de l a variable medida, no a los de la seal a menos que se indique de otro modo. Por e jemplo, una alarma de nivel alto derivada de una seal de un transmisor de nivel d e accin inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando l a seal cae a un valor bajo. 120#

Notas para la identificacin de instrumentos 14.Los trminos alto y bajo, cuando se aplican a vlvulas, o a otros dispositivos de cierre apertura, se definen como sigue: Alto: indica que la vlvula esta, o se ap roxima a la posicin de apertura completa. Bajo: Denota que se acerca o esta en la posicin completamente cerrada. 121#

Ejercicio 1 Efectuar la identificacin instrumentos: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) LIC PY FV F QI WT TE AIC SR TAHH LSL funcional de los siguientes 122#

Ejercicio 2 Indicar los cdigos instrumentos: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) alfanumricos de los siguientes Registrador de temperatura Convertidor electroneumtico de presin Interruptor por b ajo nivel de flujo Totalizador de flujo Indicador de velocidad Termopozo de temp eratura Controlador de presin Vlvula de control de anlisis Alarma por muy alta pres in Relevador de presin 123#

Tips para numeracin de instrumentos Utilizar un nmero bsico si el proyecto es pequeo y no hay nmeros de rea, unidad o pl nta: Nmero bsico FT-2 o FT-02 o FT-002 Si el proyecto tiene pocas reas, unidades o plantas (9 o menos), utilizar el primer dgito del nmero de la planta como el tag: FT-102 (1 = nmero de rea, unidad, o planta) Si el proyecto es divido en reas, unida des o plantas: FT-102 FT-1102 FT-111002 124#

Tips para numeracin de instrumentos Algunos proyectos utilizan una secuencia numrica para cada variable de proceso: F IC-001, FIC-002, FIC-003, etc. LIC-001, LIC-002, LIC-003, etc. PIC-001, PIC-002, etc. Algunos proyectos predeterminan bloques de nmeros: Para indicadores, PI-100 a 300 o TI-301 a 400 Para dispositivos de seguridad, PSV-900 a 999 125#

Tips para numeracin de instrumentos Algunos proyectos utilizan una secuencia numrica recta: FT-1, FIC-1, FV-1 LT-2, L IC-2, LV-2 FT-3, FR-3 La mayora de los proyectos utilizan los sufijos A y B si do s instrumentos en el mismo lazo tienen identificaciones idnticas: PV-006A, PV-006 B 126#

Smbolos generales de instrumentos LOCALIZACIN PRIMARIA *** NORMALMENTE ACCESIBLE AL OPERADOR 1 INSTRUMENTOS DISCRET OS 2 MONTADO EN CAMPO LOCALIZACIN AUXILIAR *** NORMALMENTE ACCESIBLE AL OPERADOR 3 4 MONITOREO COMPARTIDO CONTROL COMPARTIDO 5 6 7 FUNCIN DE COMPUTO 8 9 10 CONTROL LGICO PROGRAMABLE 11 12 127#

Smbolos de instrumentos SUMINISTROS SA Suministro de aire SE Suministro elctrico SG Suministro de gas SH Suministro hidrulico SN Suministro de nitrgeno SS Suministro de vapor SW Suministr o de agua LI 2702 SA LOCALIZACIN PP En lnea de proceso LO En campo, local PNB En tablero principal de c ontrol BPNB Parte posterior del tablero PNBL En tablero de control local 128#

Bloques de funciones de instrumentos 129#

Simbologa de lneas en los diagramas (1) SUMINISTRO A PROCESO * O CONEXIN A PROCESO (2) SEAL NO DEFINIDA (3) SEAL NEUMTIC A ** (4) SEAL ELCTRICA (5) SEAL HIDRALICA (6) TUBO CAPILAR (7) SEAL SNICA O ELECTROMA NTICA (GUADA)*** (8) SEAL SNICA O ELECTROMAGNTICA (NO GUADA)*** (9) LNEA DE SISTEMA ERNO (LNEA DE DATOS O DE SOFTWARE) (10) LINEA MECNICA SMBOLOS BINARIOS OPCIONALES (11) SEAL NEUMTICA BINARIA (12) SEAL BINARIA ELCTRICA 130#

Simbologa de vlvulas 131#

Accin del actuador a falla de energa ABRE A FALLA CIERRA A FALLA CIERRA A FALLA A VA A-C ABRE A FALLA VAS A-C Y D-B SE BLOQUEA A FALLA (LA POSICIN NO CAMBIA) POSICIN INDETERMINADA A FALLA 132#

Ejemplos de simbologa de elementos primarios de flujo 133#

Ejemplos de relevadores de cmputo 134#

Diagrama esquemtico 135#

Diagrama esquemtico 136#

Diagramas de lazo y el ndice de instrumentos Aunque los DTIs son muy importantes, no contienen toda la informacin necesaria. Lo s documentos bsicos que complementan la informacin del DTI son: - Diagramas funcio nales de instrumentacin o diagramas de lazo. - Indice de instrumentos. 137#

Diagrama funcional de instrumentacin o de lazo Es un diagrama que muestra todos los dispositivos en un lazo especfico utilizando la simbologa que identifica las interconexiones, e incluye nmero e identificacin d e conexiones, tipo de cables y tamaos, tipos de seal, etc. La mayora de la gente co nsidera que el diagrama funcional de instrumentacin es el documento ms importante para un instrumentista. Siempre que se requiera la localizacin de fallas, el diag rama funcional de instrumentacin es un documento muy valioso, ya que contiene suf iciente informacin para combrobar o verificar averas en ese lazo, ya que no slo con tiene el diagrama de cableado, sino que muestra todos los dispositivos conectado s a ese lazo. 138#

Diagrama funcional de instrumentacin o de lazo Tipos Neumtico Electrnico Despelgados compartidos Usos Diseo Construccin archa Operacin Mantenimiento Modificaciones 139#

Ejemplos de diagramas funcionales de instrumentacin rea de proceso en campo JB 30 FE 301 FT 301 + 1 PR-1 2 3 Shield Bend Back & Tape Cable 50-1-2 FV 301 CTB 2 FY 301 OS Shield Bend Back & Tape + 6 7 PR-2 14 15 PR15 A8 A9 UJA 12 13 rea de cableado Cable 4A Gabinete Consola Setpoint JB 40 11 CTB 1 Cable-3B A8 PR-14 A9 51 XJA Cable 50-1-1 J100 FIC 301 J110 AS 20 PSIG 140#

Indice de instrumentos El ndice de Instrumentos es todos los instrumentos que proporcionando los datos p ara marcha, el mantenimiento y las una lista alfanumrica de se muestran en el DTI , la instalacin, la puesta en modificaciones. Los datos incluidos en el ndice de instrumentos vara y depende de la complejidad d e la instrumentacin de las plantas. Bsicamente el ndice de instrumentos debe inclui r el tag, la descripcin, la localizacin fsica, la referencia cruzada con otros docu mentos asociados o dibujos. El ndice de instrumentos es una herramienta muy til pa ra proyectos futuros si es actualizada. 141#

Indice de instrumentos tpico 142#

Indice de instrumentos tpico Tag # Desc. DTI # Ultima Calib. Calib. por Fecha Cal. Rango Peligros esperada de Calib. Aug 02 Aug 02 Aug 02 Nov 02 0-75 H2O 10H2O 5H2O 0-125 H2O 0-100% -H2S H2S H2 S LI-50 VS. 50 H2s 103 103 103 103 Aug 01 AWS Aug 01 AWS Aug 01 AWS May 02 DAL LAL-50 VS. 50 H2S Alarma en nivel bajo LSLLVS. 50 H2S Switch 50 en nivel bajo LT -100 VS. 100 - K.O. Drum LI-100 VS. 100 - K.O. Drum 103 May 02 DAL Nov 02 LT-201 VS. 201 Columna de destilacin 205 Nov 02 BJP Feb 03 0-164 H2O 0-100% N2 Blanket LIC-201 VS. 201 Columna de destilacin 205 Nov 02 BJP Feb 03 143#

INSTRUMENTACIN BSICA DE PROCESOS INDUSTRIALES CAPTULO 3 MEDICIN DE TEMPERATURA Standards Certification Education & Training Publishing Conferences & Exhibits M. en C. Armando Morales Snchez 16, 17 y 18 de mayo del 2007 144

El Lazo de control PERTURBACIONES d(t) VARIABLE MANIPULADA ELEMENTO FINAL DE CONTROL PROCESO ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICION VARIABLE CONTROLADA c(t) CONVERTIDOR O TRANSDUCTOR e(t)=R(t)-c(t) CONTROLADOR TRANSMISOR m(t) R(t) PUNTO DE AJUSTE 145#

Elemento primario de medicin El elemento primario de medicin, detector o sensor es un instrumento, que puede f ormar parte de un lazo de control, que primero detecta o sensa el valor de la va riable de proceso y que asume un estado o salida legible, correspondiente y pred eterminado. Contempla generalmente dos partes: un sensor o elemento primario de medicin que mide la variable controlada c(t), a la que se llamar ms adelante como v ariable de proceso PV, y la transforma a un tipo diferente de energa. 146#

Elemento primario de medicin Las seales elctricas estndar manejadas son: mA.C.D., 0-5 V.C.D. y 0-10 V.C.D. As por ejemplo, desea medir una temperatura de 0-700oC, la seal mA. corresponder a 0oC. y la seal de 20 corresponder a 700oC. 4-20 si se de 4 mA. La razn bsica de la seal estndar es utilizar solamente un solo tipo de controlador u niversal que se aplique a cualquier variable de proceso (temperatura, flujo, niv el, presin, peso, densidad, conductividad, etc.). En algunos casos, el elemento p rimario de medicin y el transmisor vienen en un solo instrumento, como es el caso de los transmisores de presin. 147#

El Controlador Su funcin es fijar la variable controlada c(t) en un valor deseado R(t), conocido como punto de ajuste o set point, mediante la manipulacin de su salida o variable manipulada m(t) a travs de un actuador que interacta directamente en el proceso. E ste controlador en su entrada y salida maneja tambin seales elctricas estndar e incl uyen internamente el comparador o generador de la seal de error. 148#

El Elemento Final de Control Convierte la seal estndar recibida por el controlador en una seal adecuada para int eractuar con el proceso y as modificar o mantener el valor de la variable control ada. Normalmente contempla dos partes: un transductor y un elemento final de con trol. Por ejemplo, si el elemento final utilizado es una vlvula de control, se re quiere un transductor que convierta la seal elctrica de 4-20 mA.C.D. en una seal de aire con una presin de 3-15 PSIG (lb/pulg2). 149#

Medicin de temperatura " La Temperatura es una manifestacin del promedio de energa cintica, ondulatoria y de traslacin de las molculas de una sustancia". Las unidades de temperatura son es tablecidas en cinco escalas arbitrarias: escala Farenheit F, escala Centigrada C, escala Kelvin K, escala Rankine R y escala Reamur R La conversin ms comn es de C a F (F-32)/1.8 F=1.8 C +32 150#

Escalas de temperatura Escala Kelvin Rankine Reamur Centgrada Fahrenheit Cero Absoluto 0K 0R -218.5Re -273. 2C -459.7F Fusin del Hielo 273.2K 491.7R 0Re 0C 32F Evaporacin 373.2K 671.7R 80. 2.0F 151#

Escalas de Temperatura: Ms comunes Fahrenheit El agua se congela a 32F, y hierve a 212F A nivel del mar Celsius (centigrados antes de 1948) El agua se congela a 0C, hierve a 100C A nivel del mar F= (C x 1.8) + 32 C= 5/9 (F -32) 152#

Escalas de Temperature: Absolutas Escala-Kelvin Termodinamica El movimiento molecular se detiene a 0K El agua se congela a 273.15K, hierve a 3 73.15K K=C + 273.15 Las unidades grados tienen el mismo tamao que la escala en Celsius Escala de temperatura Internacional de 1990 Rankine: El paralela a la escala termodinmica pero en unidades grados tiene el mismo tamao que en la escala Fahrenheit R=F + 459.64 153#

Uso de la medicin de temperatura La deteccin, medicin y control de temperatura en procesos industriales es deseada en los siguientes casos: -En operaciones que involucran transferencia de calor, como los intercambiadores de calor, hornos, rehervidores, evaporadores o caldera s. - Control de reacciones qumicas sensibles a la temperatura. - Operacin de equip os, como torres de destilacin, tanques de almacenamiento, torres de enfriamiento, mezcladores, cristalizadores, etc. 154#

Uso de la medicin de temperatura - Monitoreo del funcionamiento de equipo rotatorio, para prevenir calentamiento, como turbinas, compresores, bombas y motores en general. - Control de temperatu ra de productos y lmites de planta. 155#

Medicin inferencial de temperatura Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenmenos que son influidos por la temperatura: a) Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (Termmetros de vidrio y bimetlicos, sistemas termales); b) Variacin de resistencia de un condu ctor (Bulbos de resistencia RTD, termistores); c) Generacin de una f.e.m. creada en la unin de dos metales distintos (termopares); d) Intensidad de la radiacin tot al emitida por el cuerpo (pirmetros de radiacin); e) Otros fenmenos utilizados en l aboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un crist al, etc.) 156#

Termmetros TERMMETROS DE VIDRIO BIMTALICOS CLNICOS INDUSTRIALES 157#

Termmetros de vidrio El termmetro de lquido encerrado son los ms familiares y constan de un depsito de vi drio que contiene, por ejemplo, mercurio y que al calentarse se expande y aument a su volumen en el tubo capilar. Su bulbo, relativamente grande en la parte ms ba ja del termmetro, contiene la mayor cantidad del lquido, el cual se expande cuando se calienta y sube por el tubo capilar en el cual se encuentra grabada una esca la apropiada con marcas. Los lquidos ms usados son alcohol y mercurio. El mercurio no puede usarse debajo de su punto de congelacin de -38.78F (-37.8C) y por arriba de su punto de ebullicin a 357 oC, con la ventaja de ser porttil. 158#

Termmetros de vidrio El alcohol tiene un coeficiente de expansin ms alto que el del mercurio pero esta limitado a mediciones de baja temperatura, hasta -110 oC, debido a que tiende a hervir a temperaturas altas, su punto de ebullicin es a 78 oC. Mercurio...........................................................-35 hasta +28 0 C Mercurio (tubo capilar lleno de gas).................-35 hasta+450 C Pentano.. .........................................................-200 hasta +20 C Alcohol ............................................................-110 hasta +50 C Tolue no.......................................................... -70 hasta +100 C 159#

Termmetro bimetlico Los termmetros bimetlicos se basan en el coeficiente de dilatacin de dos metales di ferentes, tales como latn, monel o acero y una aleacin de ferronquel o Invar lamina dos conjuntamente. La diferencia en la relacin de coeficiente de expansin de cada metal provoca que el elemento bimetlico se doble. Las lminas bimetlicas van unidas y pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hlices. 160#

Termmetro bimetlico Cuando se unen los dos metales y enredados en espiral, la expansin provoca que el lado libre rote. Este es un instrumento relativamente barato, pero es inexacto y lento en relacin a su respuesta. FREE END EXTREMO LIBRE EXTREMO LIBRE FREE END 2 1 3 4 5 6 7 8 9 10 0 Rotating Shaft Eje giratorio HIGH ALTO EXPANSION COEFICIENTE COEFFICIENT DE EXPANSIN LOW BAJO EXPANSION COEFIC IENTE COEFFICIENT DE EXPANSIN Bulb Bulbo Extremo libre Free End Attached conectado al to Pointer Shaft eje del indicador Extremo fijo Fixed End 161# EXTREMO FIJO FIXED END EXTREMO FIJO FIXED END

Termmetro bimetlico Este instrumento contiene pocas partes mviles, slo la aguja indicadora sujeta al e xtremo libre de la espiral o de la hlice y el propio elemento bimetlico. El eje y el elemento estn sostenidos con cojinetes y el conjunto est construido con precisin para evitar rozamientos. La precisin del instrumento es de 1% y su campo de medi da (rango) es de 200 a +500 C. Este instrumento es el indicador local de temperatu ra mas comnmente utilizado. 162#

Sistemas Termales Este es uno de los mtodos ms antiguos utilizados para indicacin local, registro y c ontrol y actualmente su uso se limita a transmisores, sobretodo en lazos neumtico s. Bsicamente es un medidor de presin que consiste de: - Un bulbo sensitivo, inmer so en el medio a medir. - Un tubo capilar conectado del bulbo al dispositivo de lectura para que cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el lquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse moviendo, - Un dispositiv o indicador actuado por presin para efectuar la indicacin de temperatura. 163#

Mecanismo del sistema termal Dispositivo indicador bulbo capilar 164#

Compensacin del sistema termal Uno de los problemas bsicos de este sistema es el error inducido por las variacio nes en la temperatura ambiente, por lo que requiere una compensacin. La compensac in puede ser de dos tipos: En caja por medio de un elemento bimetlico que tiende a anular los efectos de la temperatura ambiente sobre el receptor; y Total por me dio de otro capilar paralelo que este sometido a los mismos efectos y los contra rresta, sobretodo cuando la extensin del capilar es considerable 165#

Compensacin del sistema 166#

Clasificacin del sistema termal De acuerdo a la Asociacin de Fabricantes de Aparatos Elctricos (SAMA) existen cuat ro grupos de acuerdo al fluido de llenado y al rango: - Clase I - Clase II - Cla se III - Clase V Llenado con lquidos (cambios de volumen) Llenado con vapor (camb ios de presin) Llenado con gas (cambios de presin) Llenado con mercurio (cambios d e volumen)

El rango de medicin de estos instrumentos vara entre 40 hasta +500 el tipo de lquido, vapor o gas que se emplee. 167#

C, dependiendo d

Caractersticas CLASIFIC ACION SAMA FLUIDO DE LLENADO COMPEN SACION TEMPERA TURA oC LINEALIDAD D E LA ESCALA VELOCIDAD RESPUESTA SIN TERMOPOZO EFECTO DE LA COLUMNA HIDROSTATICA CAPACIDAD DE SOBRERANG O VENTAJAS LIMITACIONES 1A LIQUIDO NO Comparacin de los CO MPEN SADO sistemas termales TOTAL LINEAL EXCEPTO A BAJA T LINEAL EXCEPTO A BAJA T -90 A 370 6A7s DEBE SER COMPENSADO 150% COSTO MENOR CAPILAR CORTO, -90 A 370 6A7s 150% CAPILARES GRANDES ESCALA LINEAL 1B LIQUIDO EN CAJA -90 A 370 6A7s 150% CAPILARES GRANDES DIFICIL EN T AMBIENTE IIA VAPOR EN CAJA 0 A 350 NO LINEAL 4A5s NECESARIO COMPENSARLO NO COMP. POR T AMB. IIB VAPOR EN CAJA 0 A 350 NO LINEAL 4A5s NECESARIO COMPENSAR NO COMP. POR T AMB. IIC VAPOR NO 0 A 185 NO LINEAL

4A5s NINGUNO NO NO TIENE SOBRECARGA IIIA GAS TOTAL -270 A 160 LINEAL SIN COMP NO USO EN CONTROL NO USO EN CONTROL MANEJO DE HG MANEJO DE HG 168# IIIB GAS TOTAL -270 A 160 PARA CONTROL VA MERCURIO TOTAL -40 A 640 150 % VB MERCURIO EN CAJA -40 A 640

Caractersticas de los sistemas termales VENTAJAS Construccin robusta LIMITACIONES El costo de reemplazo es mas alto que e n la mayora de los sistemas elctricos Requiere seal de transmisin, si esta localizad o a mas de 50 m del sistema No adecuados para temperaturas arriba de 750 oC Principio de operacin simple Costo inicial relativamente bajo El sistema es autocontenido y no necesita alimentacin de energa para su funcionami ento Amplia variedad de grficas de registro disponible La falla del bulbo o del capilar implica el reemplazo total del sistema. La sensitividad y exactitud son comparativamente mas bajos que la mayora de los s ensores elctricos. Varios sistemas se pueden instalar en una sola caja El tamao del sensor es mayor que los sensores elctricos. Voluminoso, tiempo de respuesta lento, capilar sensible (requiere proteccin) 169#

Termopar El termopar es uno de los mtodos ms simples para medir temperatura. En 1821 Seebec k seal que si se unan dos metales distintos por sus extremos y si se someten a temp eraturas diferentes, entre las uniones aparecen fuerzas electromotrices generada s que estn en funcin de la diferencia de temperaturas en la unin y del tipo de meta l utilizado para fabricar la unin. La ecuacin que se cumple es: FEM (mV) = a + bT + cT2 En su forma ms simple, un termopar consiste de dos alambres, cada uno hecho de un metal homogneo diferente o aleacin. Los alambres son unidos en un extremo p ara formar una junta de medicin. Esta junta de medicin es expuesta al medio a ser medido. El otro extremo de los alambres van usualmente a un instrumento de medic in, donde forman una junta de referencia. Cuando las dos juntas estn a diferentes temperaturas, se producir una f.e.m. (fuerza electromotriz). 170#

Termopar Metal A (+) Junta de medicin (junta caliente) Zona de Temperatura T1 Junta de ref erencia (junta fra) Zona de Temperatura T2 FEM = E Metal B (-) T1 T2 171#

Efectos en el termopar La fem en la junta caliente es manifestacin del Efecto Perlier, este efecto invol ucra la liberacin o absorcin de calor en la unin cuando fluye corriente a travs de e l y de la direccin del flujo depende si el efecto es de calentamiento o enfriamie nto. En el efecto Thompson se desarrolla una segunda fem, debido al gradiente de temperatura de un conductor sencillo y homogneo. 172#

Leyes de la Termoelectricidad 1. En un circuito formado por un solo metal, la FEM generada es cero, cualquiera que sean las temperaturas. 2. Si se interrumpe un circuito termoelctrico en una de sus uniones intercalndose un nuevo metal, la FEM generada por el circuito no c ambia a condicin de que los extremos del nuevo metal sean mantenidos a la misma t emperatura que haba en el punto de interrupcin y de que la temperatura en la otra unin permanezca invariable. 3. En un circuito formado por dos metales diferentes la FEM generada es diferente de cero, siempre y cuando las temperaturas sean dif erentes en la unin caliente con respecto de la unin fra. 173#

Compensacin por junta fra JUNTA DE MEDICIN T1 ALAMBRE DE HIERRO ALAMBRE DE CONSTANTANO BAO DE HIELO T2 JUNTA DE REFERENCIA Para prevenir errores por efectos de la junta fra, se efecta una compensacin, por m edio de un bao de ALAMBRES hielo o por medio de circuitos DE COBRE compensadores que AL INSTRUMENTO DE MEDICIN suministran una fem constante. Junta de medicin y de referencia (laboratorio) + T1 JUNTA DE MEDICIN TERMOPAR INSTRUMENTO JUNTA DE REFERENCIA Junta de medicin y de referencia (industrial) 174#

Materiales de construccin Tipo de Termopar B Materiales Rango C Linealidad Atmosfera recomendada Caractersti cas Platino 30%, Rodio (+) Platino 6%, Rodio (-) W5Re Tungsteno 5% Rhenium (+) W26Re Tungsteno 26% Rhenium Cromo (+) Constantano (-) Acero (+) Constantano (-) Cromo (+) Alumel (-) Platino 13% Rodio (+) Platino (-) Platino 10% Rodio (+) Platino (-) Cobre (+) Constantano (-) 0 a 1860 Buena debajo de 500 Inerte, ligeramente oxidante Alto costo C 1650 a 2315 Buena Oxidante Alto costo E -195 a 900 Buena Oxidante Alta resolucion mV/oC J -195 a 760 Buena, lineal de 150 a 450 Reductora, no corrosivos El mas economico K -190 a 1370 El mas lineal Oxidante Alta resistencia a la corrosion Pequeo, respuesta rapida R -18 a 1700

Buena Oxidante S -18 a 1760 Buena Oxidante Rango de temperatura T -190 a 400 Buena Oxidante o reductora Temperatura limitada 175#

Materiales de construccin 70 60 F.E.M. MILIVOLTS 50 40 30 20 10 0 2 4 6 8 10 TEMPERATURA 12 14 16 18 E J K R S T B Relacin de temperatura vs F.E.M. del termopar POSITIVO SIMBOLO MATERIAL TP COBRE JP FIERRO EP CROMEL KP CROMEL SP PLATINO10% R H RP PLATINO13% RH BP PLATINO 30% RH NEGATIVO SIMBOLO MATERIAL TN CONSTANTANO JN CONSTANTANO EN CONSTANTANO KN ALUMEL SN PLATINO RN PLATINO BN PLATINO 6% RH TIPO T J E K S R B DENOMINACIN COBRE-CONSTANTANO FIERRO-CONSTANTANO CROMEL-CONSTANTANO CROMEL-ALUMEL PLATINO-Pt 10% RH PLATINO-Pt 13% RH Pt 30% RH-Pt 6% RH Tipos de termopares 176#

Formas de conexin de termopares TERMOPARES T1 + CAJA DE CONEXINES INSTRUMENTO + CABLES DE COBRE CABLES DE EXTENSIN T = T1-T2 T2 + CONEXIONES Medicin diferencial de temperatura con dos termopares TERMOPARES T1 + + + T = (T1+T2)/2 INSTRUMENTO T2 CABLES DE CONEXIONES EXTENSIN CAJA DE CONEXINES Termopares en paralelo 177#

Formas de conexin de termopares INSTRUMENTO HIERRO T1 + HIERRO + JUNTA DE REFERENCIA T3 CABLES DE EXTENSIN CONSTANTANO CONSTANTANO BLOQUE DE CONEXIONES T2 Conexiones correcta del termopar INSTRUMENTO HIERRO T1 + CONSTANTANO + JUNTA DE REFERENCIA T3 CABLES DE EXTENSIN HIERRO CONSTANTANO BLOQUE DE CONEXIONES T2 Conexiones incorrecta del termopar 178#

Cables de extensin de termopares Los cables de extensin deben ser especficos para el tipo de termopar utilizado, au nque para una transmisin a gran distancia puede utilizarse cobre, cuidando la tem peratura y composicin homognea del conductor. 179#

Aspectos a cuidar en los termopares 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Puntos de fusin. Reacciones en varias atmsferas. Salida termoelctrica combinada. Co nductancia elctrica. Estabilidad. Repetibilidad. Costo. Facilidad de manejo y fab ricacin. 180#

Ventajas y desventajas en los termopares Ventajas: Determinacin de la temperatura se realiza prcticamente en un punto La ca pacidad calorfica de un termopar puede ser muy pequea, con lo que la respuesta a l as variaciones de temperatura sera muy rpida. La salida del sensor es una seal elctr ica producida por el mismo termopar y por tanto no es necesario alimentarlo con ninguna corriente exterior Desventajas: Es necesario mantener la unin de referenc ia a una temperatura constante y conocida pues la incertidumbre en la temperatur a de referencia produce una del mismo orden en la medida. 181#

Caractersticas de los termopares VENTAJAS Relativamente baratos Amplia variedad de diseos comerciales disponibles LIMITACIONES Relacin de voltajetemperatura no lineal Sujetos a envejecimiento y co ntaminacin de la junta caliente La salida elctrica es apropiada para accionar dispositivos de indicacin y control Se deben evitar altos gradientes de temperatura Largas distancias de transmisin son posibles Su lectura no es tan directa y se requiere procesamiento en su indicacin Se deben escoger los materiales adecuados para resistir atmsferas oxidantes y reductoras Tamao pequeo y construccin robusta Buena exactitud y velocidad de respuesta Baja exactitud cuando se compara con los RTDs Fcil calibracin y reproducibilidad Los voltajes en los conductores pueden afectar la calibracin Amplio rango desde 0 absolutos hasta 2500 oC Susceptibles a ia induccin de ruidos No tiene partes mviles En sistemas de control digital requieren tarjetas especiales de entrada 182#

Termopozo El termopozo se utiliza como elemento de proteccin del termopar y generalmente vi ene asociado con este. 183#

Termopozo tipo roscado 184#

Termopozo tipo bridado 185#

Termopozo tipo Van Stone 186#

Rangos de P y T de termopozos 5000 4000 ACERO INOXIDABLE TIPOS 304, 316 NIQU E M ON EL L PRESIN, PSI 3000 2000 CO BR BR ON E AC ER OD EB AJ O CE CA RB ON 1000 ALUM INIO HIERRO FUNDIDO 0 80 200 400 600 800 1000 TEMPERATURA, oF 187#

Tipos de termopares con su termopozo Tipo F Cabeza, nipple, tuerca unin nipple y termopozo roscado Tipo A Cabeza y tubo protector Tipo B Cabeza y tubo protector con buje de montaje Tipo G Cabeza, nipple, tuerca unin nipple y termopozo bridado Tipo C Cabeza y tubo protector con brida de montaje Tipo H Cabeza, conector doble rosca y tubo protector cermico Tipo D Cabeza, nipple de extensin y termopozo roscado Tipo I Cabeza, conector tubular y tubo protector cermico Un diseo para cada aplicacin ESPECIFICAR: Tipo E Cabeza, nipple de extensin y termopozo bridado - Calibracin - Materiales - Dimensiones - Otros accesorios 188#

Instalacin del termopozo (A) NORMAL NORMAL ANGLED (B) ANGULADO (C) IN ELBOW (C) EN CODO 189#

Detectores de Temperatura tipo resistencia (RTD) El RTD o bulbo de resistencia es un medidor de la variacin de la resistencia en f uncin de la variacin de la temperatura y solo se debe disponer de un alambre bobin ado de metal puro, que permita tener una resistencia alta. La ecuacin que lo rige , de acuerdo a Siemens en 1871, es: Rt = R0 (1 + aT + bT2 + cT3) donde R0 es la resistencia a la temperatura de referencia en ohms (), Rt es la resistencia a la temperatura en , a es el coeficiente de temperatura del material y b, c son coefi cientes calculados. 190#

Detectores de Temperatura tipo resistencia (RTD) El elemento consiste en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado , bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o cermica. El material que forma el conductor, se caracteriza por el "coef iciente de temperatura de resistencia" este se expresa en un cambio de resistenc ia en ohmios del conductor por grado de temperatura a una temperatura especfica. Para casi todos los materiales, el coeficiente de temperatura es positivo, pero para otros muchos el coeficiente es esencialmente constante en grandes posicione s de su rango til. 191#

Caractersticas de los materiales que forman el conductor de la resistencia Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el instru mento de medida ser muy sensible. Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la r esistencia a una temperatura dada, mayor ser la variacin por grado; mayor sensibil idad. Relacin lineal resistencia-temperatura. Rigidez y ductilidad, lo que permit e realizar los procesos de fabricacin de estirado y arrollamiento del conductor e n las bobinas de la sonda a fin de obtener tamaos pequeos (rapidez de respuesta). 192#

Detectores de Temperatura tipo resistencia (RTD) El metal que presenta una relacin resistencia-temperatura altamente estable es el Platino. Otros metales utilizados es el nquel (poco lineal), tungsteno (temperat uras mayores a 100oC) y cobre (bajo rango). RTD Platino Nquel Tugsteno 193#

Curvas de respuesta de RTD 194#

RTD de Platino Es el material ms adecuado por su precisin y estabilidad, con el inconveniente de su costo. En general el RTD de Pt utilizada en la industria tiene una resistenci a de 100 ohms a 0 C, y por esta razn, y por las ventajosas propiedades fsicas del P t fue elegido este termmetro como patrn para la determinacin de temperaturas entre los puntos fijos desde el punto del O2 (-183 C) hasta el punto de Sb (630 C). Con un termmetro de este tipo convenientemente graduado, se pueden hacer medidas con una exactitud de 0,01 C y cambios de temperatura de 0,001 C pueden medirse fcilment e. 195#

RTD de Platino Los arrollamientos estn protegidos contra desperfectos por tubos de metal y dispu estos de manera que permiten rpido intercambio de calor en el arrollamiento y el el tubo. El RTD de platino opera en un rango de -200 oC a 600 oC. 196#

Construccin del RTD de platino Es un alambre fino embobinado en un ncleo de mica, vidrio u otro material, proteg ido por una cubierta, relleno de xido de magnesio o xido de aluminio 197#

RTD de Niquel Mas barato que el Pt y posee una resistencia ms elevada con una mayor variacin por grado, el inters de este material lo presenta su sensitividad, aunque no es line al, ya que en el intervalo de temperatura de 0 a 100 C, la resistencia de Nquel au menta en un 62% mientras que el Pt solo aumenta en un 38%. Sin embargo los probl emas relativos a su oxidacin u otro tipo de deterioro qumico, limitan su utilizacin e incluso ponen en peligro la reproducibilidad de sus medidas. Otro problema aad ido es la variacin que experimenta su coeficiente de resistencia segn los lotes fa bricados. 198#

RTD de Niquel Los termmetros de resistencia de nquel se usan mucho. Su intervalo de valor de Ro es de 10 a 10000 ohms. 199#

RTD de Cobre El cobre tiene una variacin de resistencia uniforme en el rango de temperatura ce rcano a la ambiente; es estable y barato, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad, ya que hace que las variaciones relativas de resistencia sean men ores que las de cualquier otro metal. Por otra parte sus caractersticas qumicas lo hacen no til por encima de los 180 C. 200#

RTDs 201#

RTDs Metal Platino Nquel Cobre

Costo relativo Alto Medio Bajo Resistencia de Sonda a 0 C, ohmios 25,100, 130 100 10 Precisin C 0,01 0,50 0,10 202#

Intervalo til de temperatura en

C -200 a 950 -150 a 300 -200 a 120

Puente de Wheatstone para medicin La medicin de resistencia en el RTD se realiza con un Puente de Wheatstone: Nos permite determinar el valor de RX desconocida, conocidas R1, R2 y RC Cuando el miliampermetro indica 0 mA. se dice que el puente est equilibrado. La condicin d e equilibrio es: R2 RX = R1 RC 203#

Puente de Wheatstone para medicin Para compensar las longitudes muy grandes. 204#

Calibracin del RTD + + DMM TRANSMISOR TRANSMITTER SUMINISTRO DE ENERGIA LECTURA DE READOUT RESISTOR RESISTENCIA CAJA DE DECADAS DMM (ALTERNATIVA READOUT) (ALTERNATE DE LECTURA) RESISTORES Courtesy of Rosemount, Inc. 205#

Caractersticas de RTDs VENTAJAS Asociado en un sistema puede tener alta exactitud Precio alto LIMITACIONES Pueden medir rangos estrechos de temperatura (5 oC) Algunas configuraciones son voluminosas y frgiles Buena repetibilidad, no afectada por cambios trmicos Tienen problemas de autocalentamiento Respuesta rpida La resistencia de los contactos puede alterar la medicin Sensores de tamao pequeo estn disponibles De vida corta si son sometidos a vibraciones y excesos mecnicos En sistemas de co ntrol digital requieren tarjetas especiales de entrada No requieren compensacin 206#

Termistor Son resistores variables con la temperatura, que estn basados en semiconductores. La principal caracterstica de este tipo de resistencias es que tienen una sensib ilidad del orden de diez veces mayor que las metlicas y aumenta la resistencia al disminuir la temperatura. Los termistores son semiconductores electrnicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado, con variac iones rpidas y extremadamente grandes para cambios relativamente pequeos en la tem peratura. Su fundamento esta en la dependencia de la resistencia de los semicond uctores con la temperatura, debida a la variacin con esta del numero de portadore s reducindose la resistencia, y de ah que presenten coeficiente de temperatura neg ativo y varia con la presencia de impurezas. 207#

Termistor Existe un lmite impuesto por la temperatura de fusin, por lo que se debe evitar el autocalentamiento. En cuanto a la estabilidad del termistor con el tiempo y el medio, esta se logra sometindolos a un envejecimiento artificial. La segunda se c onsigue recubriendo el termistor con vidrio si el medio donde va a trabajar le a fecta. La intercambiabilidad es otro parmetro a considerar, pues slo est garantizad a para modelos especiales. Por ello, al sustituir un termistor en un circuito su ele ser necesario reajustarlo, aunque se trate de una unidad del mismo modelo. P or su alta sensibilidad permiten obtener alta resolucin en la medida de temperatu ra. Dada su alta resistividad, pueden tener masa muy pequea, lo que les confiere una velocidad de respuesta rpida y permite emplear hilos largos para su conexin, a unque stos vayan a estar sometidos a cambios de temperatura, porque ellos tienen mayor resistencia y coeficiente de temperatura. El costo es muy bajo. 208#

Ecuacin del termistor Rt = R0 [(1 / T )(1 / T0 )]

209#

R0. resistencia a la temperatura de referencia T0, en ohms. Rt. la temperatura medida T, en ohms. . Constante por fabricante

resistencia a

Construccin del termistor Los termistores estn encapsulados y se fabrican con xidos de n uel, manganeso, hier ro, cobalto, cobre, magnesio, titanio y otros metales. 210#

Medicin con el termistor La medicin se realiza con microampermetro y con Puente de Wheatstone: Miliampermetro mA Galvanmetro con cero central Termistor Fuente de Alimentacin G Fuente de Alimentacin Termistor Con Miliampermetro Con Galvanmetro 211#

Ventajas del termistor VENTAJAS Alta sensitividad De tamao pe ueo y numerosas configuraciones disponibles Respuesta rpida LIMITACIONES Comportamiento no lineal Poca experiencia en su uso EL intercambio de elementos es problemtico Bueno para rangos estrechos Menos estable ue otros dispositivos elctricos Su estabilidad aumenta con el envejecimiento (el 90% se da en la primera semana) No disponible para rangos amplios EL efecto de los cables y de la temperatura ambiente en el medidor se elimina co n valores de resistencia altos Valores altos de resistencia re uieren lneas de potencia blindadas, filtros o vol tajes de corriente directa Bajo costo 212#

Pirmetro Un pirmetro en un instrumento utilizado para medir, por medios elctricos, elevadas temperaturas por encima del alcance de cual uier otro medidor. Existen dos tipo s bsicos: Los pirmetros de radiacin ue se basan en la ley de Stephan Boltzman y se destinan a medir elevadas temperaturas, arriba de 1600 C. Los pirmetros pticos ue s e basan en la ley de distribucin de la radiacin trmica de Wien y con ellos se han d efinido puntos por encima de 1063 C. 213#

Pirmetro de radiacin Este instrumento no necesita estar en contacto intimo con el objeto caliente, se basa en la ley de Stephan Boltzmann de energa radiante, la cual establece ue la superficie de un cuerpo es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta: W=KT4 W = Energa emitida por un cuerpo T= Temperatura absoluta (K) K= Co nstante de Stephan Boltzmann = 4.92x10 Kcal/m2 Los pirmetros de radiacin para uso industrial, fueron introducidos hacia 1902 y desde entonces se han construido de diversas formas, existiendo dos tipos: espejo concavo y lente . 214#

Pirmetro de radiacin tipo espejo El espejo cncavo es a veces preferido como medio para enfocar por dos razones: 1) la imagen de la fuente se enfoca igualmente bien en el receptor para todas las longitudes de onda, puesto ue el espejo no produce aberracin cromtica, en tanto ue la lente puede dar una imagen neta para una sola longitud de onda. 2) las len tes de vidrio o de slice vtrea absorben completamente una parte considerable de la radiacin de largas longitudes de onda. La radiacin reflejada por el espejo difier e poco en longitud de onda media de la ue en l incide. 215#

Pirmetro de radiacin tipo espejo El instrumento suele ser de "foco fijo" o ajustable en el foco, y el elemento se nsible puede ser un simple termopar o una pila termoelctrica. La fuerza electromo triz se mide con un milivoltmetro o con un potencimetro. 216#

Pirmetro de radiacin tipo lente Este pirmetro est formado por una lente de pyrex, slice o fluoruro de calcio ue co ncentra la radiacin del objeto caliente en una pila termoelctrica formada por vari os RTDs de Pt Pt Rd de pe ueas dimensiones y montados en serie. La radiacin est en focada incidiendo directamente en las uniones caliente de los termopares. La f.e .m. ue proporciona la pila termoelctrica depende de la diferencia de temperatura s entre la unin caliente (radiacin procedente del objeto enfocado) y la unin fro. Es ta ltima coincide con la de la caja del pirmetro, es decir, con la temperatura amb iente. La compensacin de este se lleva a cabo mediante una resistencia de n uel co nectada en paralelo con los bornes de conexin del pirmetro. La compensacin descrita se utiliza para temperaturas ambientales mximas de 120 C. A mayores temperaturas se emplean dispositivos de refrigeracin por aire o por agua ue disminuyen la tem peratura de la caja en unos 10 a 40 C por debajo de la temperatura ambiente. 217#

Pirmetro de radiacin tipo lente 218#

Pirmetro de radiacin tipo lente En la medida de bajas temperaturas la compensacin se efecta utilizando adems una re sistencia termosttica adicional ue mantiene constante la temperatura de la caja en unos 50 C, valor ue es un poco ms alto ue la temperatura ambiente ue pueda e ncontrarse y lo suficientemente bajo como para reducir apreciablemente la difere ncia de temperatura til. El pirmetro puede apuntar al objeto bien directamente, bi en a travs de un tubo de mira abierto (se impide la llegada de radiacin de otras f uentes extraas) o cerrado (medida de temperatura en baos de sales para tratamiento s trmicos, hornos) Los tubos pueden ser metlicos o cermicos. Los primeros son de ac ero inoxidable o aleaciones metlicas resistentes al calor y a la corrosin y se emp lean temperaturas ue no superan generalmente los 1100 C. Permiten una respuesta ms rpida a los cambios de temperatura ue los tubos cermicos. Los tubos cermicos se utilizan hasta 1650 C. 219#

Aplicaciones del pirmetro de radiacin donde un termopar sera envenenado por la atmsfera de horno. para la medida de temper aturas de superficies . para medir temperaturas de objetos ue se muevan . para me dir temperaturas superiores a la amplitud de los pares termoelctricos formados po r metales comunes. donde las condiciones mecnicas, tales como vibraciones o cho ue s acorten la vida de un par termoelctrico caliente. Y, cuando se re uiere gran ve locidad de respuesta a los cambios de temperatura. 220#

Pirmetro ptico Se basan en la ley de distribucin de la radiacin trmica de Wien: m = A / T, donde A = 0.2897 si m viene en cm. La ongitud de onda correspondiente a mximo de potencia irradiada en forma de ra diaciones comprendidas en un interva o infinitamente pequeo de ongitudes de onda es inversamente proporciona a a temperatura de cuerpo negro. En a medicin de temperaturas con estos pirmetros se uti iza una caracterstica de a radiacin trmica : e bri o. E bri o de a radiacin en una banda muy estrecha de ongitudes de onda emitidas por una fuente, cuya temperatura ha de medirse, es confrontado vis ua mente con e bri o, en a misma banda, de una fuente ca ibrada. Cuando a en erga radiante es uminosa, como sucede con as f amas y os meta es fundidos se u ti iza un pirmetro ptico, cuyo principio se basa en a variacin de a resistencia d e una fotoce da a variar a intensidad de a uz a a que esta expuesta. 221#

Estructura de un pirmetro ptico E pirmetro ptico emp eado en a determinacin de a tas temperaturas ta es como as temperaturas de fusin de p atino, de mo ibdeno o de tungsteno, es de tipo de fi amento. 222#

Prob emas comunes en a medicin de temperatura Loca izacin de e emento Ve ocidad de f uido Deterioro de materia E ement ierto o termopozo Conexiones de cab e Fa a de e emento Otros? 223#

Criterios de se eccin de medidores de temperatura Las prioridades de se eccin son: Rango Exactitud Estabi idad Insta acin Costo 224#

Rango de medidores de temperatura

RANGO DE APLICACIN EN oC 225#

Vapor Gas Mercurio Termopares Tipo I Tipo J Tipo K Tipo R y S RTDs Nique Termistores -250 -200 -100 0 100 200 500 1000 2000

P atino

Caractersticas de os medidores de temperatura CARACTERSTICA SISTEMA TERMAL TERMOPARES BULBOS DE RESISTENCIA -250 TERMISTORES Rango mnimo oC recomendab e Rango mximo oC recomendab e Exactitud -180 -250 -100 500 2500 1000 450 0.5% a 2% esca a tota Variab e 0.25% a 2% 0.05 oC 0.05 oC Sensitividad 10-50 mV/oC De 0.0004 a 0.0007 / oC Aprox. 6 s Aprox 5%/oC Tiempo de respuesta 4-7 s, sin termopozo Depende del calibre e instalacin No lineal 3-6 s Salida Lineal, excepto clase II Lineal, excepto con nquel Excelente Excelente Inherente Lineal en rangos cortos Buena Buena Buena Estabilidad Repetibilidad Elemento secundario Excelente Mala Opcional Buena Buena No necesario Suministro de energa Al transmisor

No requerida sensor/transmisor sensor/transmisor 226#

INSTRUMENTACIN BSICA DE PROCESOS INDUSTRIALES CAPTULO 4 M