INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN

En los procesos industriales exigen la fabricación de diversos productos. Para esto se requiere o es necesario controlar, monitorear y mantener constante algunas magnitudes, como son por ejemplo la presión, caudal, nivel temperatura, velocidad, humedad, etc. Los instrumentos son herramientas indispensable que sirven para conseguir y conservar la calidad con que se identifica el producto que se esta manufacturando. Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categorías: los procesos continuos y procesos discontinuo. En estos dos se debe mantener en general las variables(presión, caudal, nivel, temperatura, etc.) en un valor deseado fijo. En un sistema es necesario que se disponga de: Unidad de medida Transmisor Indicador, registrador Una unidad de control Un elemento final de control El propio proceso

TERMINOLOGÍA EMPLEADA EN INSTRUMENTACIÓN

Campo de Medida: el campo de medida(rango) es el 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.

Alcance: el alcance (span) es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. Error: el error de la medida es la desviación que presentan las medidas prácticas de una variable de proceso con relación a las medidas teóricas o ideales, como resultado de las imperfecciones de los aparatos y de las variables parásitas que afectan al proceso. Error= Valor leído en el instrumento- Valor ideal de la variable medida Error Absoluto: Error Absoluto= Valor leído- Valor verdadero El error relativo representa la calidad de la medida y es: Error relativo= Error absoluto/Error verdadero Si el proceso está en condiciones de régimen permanente existe el llamado error estático.

Por ejemplo: el error obtenido al medir un caudal con un diafragma, un transmisor electrónico de 4-20 mA, un receptor y un integrador electrónicos es de: Elementos de lazo Errores Diafragma 2% Transmisor electrónico de 4-20 mA 0,50% Receptor electrónico 0,50% Integrador electrónico 0,50% Error total de la medición

Incertidumbre de la medida 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 las medidas en condiciones aparentemente idénticas. Valores inexactos de los instrumentos patrón Muestra del producto no representativa. Por ejemplo, en la medida de temperatura con un termómetros patrón de vidrio, la masa del bulbo cambia la temperatura de la muestra del proceso cuya temperatura desea medirse.

Exactitud La exactitud es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al valor verdadero de la magnitud de medida.

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. Por lo tanto, los instrumentos de medida estarán diseñados por los fabricantes para que sean precisos, y como peródicamente se descalibran, deben reajustarse para que sean exactos. Zona Muerta: La zona muerta es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que no produce su respuesta. 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 lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo.

Caudalímetro Electromagnético Principio de Funcionamiento La ley inducción de Faraday afirma que al desplazarse un conductor en un campo magnético se genera una tension eléctrica. En el caso del medidor electromagnético, el conductor que se desplaza es el fluido. Dos bobinas de campo, que se encuentran una a cada lado del tubo de medida, generan un camo magnético de magnitud constante. Dos electrodos de medida, ubicados en la cara interna de la pared del tubo y dispuestos de forma que son perpendiculars a las bobinas, detectan la tension eléctrica inducida por el fluido que circula atravesando el campo magnético. El campo magnético se genera mediante una corriente continua pulsante de polaridad alterna. De esta forma se asegura la estabilidad delpunto cero y la insensibilidad de la medida en caso de fluido inhomogeneo, o multifásico,o baja conductividad.

PRINCIPALES VENTAJAS El principio de medida no depende prácticamente de la presión, densidad, temperature, ni de la viscosidad. Se pueden medir incluso líquidos que arrastran material sólido(p.ej., lodos, pulpa de celulosa) Diámetro nominal grnades(DN ) Sin piezas móviles Sin pérdidas de presión Rangeabilidad muy elevada de hasta 1000:1 Alta seguridad en el funcionamiento y excelente reproducibilidad de la medida, buena estabilidad a largo plazo.

Caudalímetros másicos Coriolis Principio de medida Si una masa en movimiento se somete a oscilaciones perpendiculars a su dirección de desplazamiento, aparecen fuerzas de Coriolis que dependen del caudal másico. Un medidor de caudal másico por Coriolis comprende tubos de medida osciladores para conseguir precisamente este efecto. Unos sensors situados en los extremos de entrada y salida registran la variación de fase que se produce en consecuencia en la configuración de oscilación del tubo. El procesador analiza esta información utilizándola para calcular el caudal másico. La frecuencia de oscilación de los propios tubos de medida constituye además una medida directa de la densidad del fluido. Unos sensors registran también la temperature del tubo de medida a fin de compensar las influencias térmicas. Esta señal corresponde a la temperature de proceso, que el equipo proporciona también en forma de una señal de salida.

Principales ventajas Principio de medida universal para líquidos y gases Medida directa simultánea de caudal másico, densidad, temperature y viscosidad(sensors de multiples variables) Principio de medida independiente de las propiedades físicas del fluido. Precisión en la medida muy elevada( generalmente de + 0,1% lect.) No require tramos de entrada/salida.

Caudalímetro de Presión Diferencial De aplicación Universal para líquidos, gases y vapor hasta 400 bar y 1000 ° C Principio de Medida Un elemento primario (placa orificio o tubo Pilot) genera una diferencia de presión en el tubo, constituyendo esta diferencia de presión una medida directa del caudal másico o volumétrico. Dos capilares proporcionan al transmisor la presión diferencial que el transmisor convierte en señal de salida. Las placas de orificio constituyen un estrechamiento circular de la sección transversal del tubo, creándose en consecuencia una diferencia de presión en el tubo. La presión estática disminuye con un aumento de la velocidad de circulación. La diferencia de presión que existe entre dos puntos a ambos lados de la placa orificio constituye una medida del caudal. Los Tubos Pitot comprenden varios orificios de toma de presión para medir la presión diferencial total en el extreme anterior y la presión estática en el extreme posterior. La diferencia de presión correspondiente es proporcional al caudal

Principales Ventajas Medida tradicional normalizada a nivel mundial nivel de aceptación elevado. Apropiado para líquidos, gases y vapors en general. Para condiciones de proceso extremas de hasta 400 bar y 1000°C. Elementos primarios robustos: completamente mecánicos, sin piezas móviles.

MEDIDAS DE FLUJO En la mayor parte de las operaciones realizadas en los procesos industrials y elas efectuadas en laboratorio y en plantas piloto es muy importante la medición de líquidos o de gases. Definiciones: Flujo Volumétrico: Representa la variación de volume por unidad de tiempo. Flujo Másico: Representa la variación de masa por unidad de tiempo. Medidores Volumétricos Los Medidores volumétricos determinan el flujo en volumen del fluido, bien sea directamente (desplazamiento), bien indirectamente por deducción (presión diferencial, variable, velocidad, fuerza, tension inducida, torbellino). Instrumentos de presión diferencial La formula según Teorema de Bernoulli es: H: presión diferencial Qv= k*(H)^1/2 K: Constante, depende de los diámetros de la placa y la tubería

Ventajas: Ideal para medición de gases o líquidos viscosos o corrosivos Desventajas: Rango limitado Se require de Transmisor adicional La densidad del flujo debe ser conocida o medida

EFECTO VENTURI Un manómetro de tubo en U nos da Cuenta de la diferencia de presión entre las dos cámaras de la tubería horizontal. Cuando el desnivel es cero, la tubería es horizontal. Se forma entonces, el denominado tubo Venturi, cuya aplicación práctica es la medida de la velocidad del fluido en una tubería.

PLACA ORIFICIO Consiste en una placa perforada instalada en una tubería. Dos Tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la palca, captan esta presión diferencial la cual es proporcional al cuadrado del caudal (usando los principios de Bernoulli y Venturi para relacionar la velocidad con la presión del fluido)

Ventajas de las placas orificios: Costo independiente del tamaño de la tubería Salida repetible, aunque la placa tenga un daño Desventajas: Alta pérdida de presión(40-80%) Mantenimiento constante por incrustaciones en la placa y en las tomas de presión

TUBOS VENTURI El tubo “Venturi” es el elemento primario del instrument de flujo colocado en la línea para medir una presión diferencial relacionada al flujo usando los principios de Bernoulli y Venturi para relacionar la velocidad con la presión del fluido. El tubo Venturi se usa en donde es importante la recuperación de presión, puesto que esta recuperación del cuello Venturi es mucho más elevada que para otros elementos primaries, especialmente en comparación con los de placas de orificio. Otras ventajas del tubo Venturi son su coeficiente excepcionalmente uniforme con flujos viscosos, y el hecho de que no separa ni deposita material en suspensión.

Ventajas: Permite la medición de caudales 60% superiors a los de la placa orificio en las mismas condiciones de servicio y con una pérdida de carga de solo 10 a 20% de la presión diferencial Posee una gran precision Resistentes a la abrasion y pueden usarse con fluidos sucios y en suspension Desventajas: Más grandes, caros y pesados que las placas orificios.

Medidas de Nivel Es una de las variables de proceso más utilizada para el gobierno de las plantas industrials, pero muy especialmente en el control de almacenamiento tanto de las materias primas como de productos acabados. Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y de sólidos que son dos mediciones claramente diferenciadas. Medición de nivel Líquidos Los medidores de nivel de líquidos trabajan midiendo, bien directamente la altura de líquido sobre una línea de referencia, bien la presión hidrostática, bien el desplazamiento producido en un flotador por el propio líquido contenido en el tanque de proceso.

Instrumentos que miden la presión Hidrostática -Medidor manométrico -Medidor de membrane -Medidor de tipo burbujeo -Medidor de presión diferencial de diafragma

Instrumentos Características Eléctricas del Líquido -Medidor Resistivo -Medidor Conductivo -Medidor Ultrasónico -Medidor de Radiación -Medidor de Láser -Medidor de Radar

Medición por cálculo la presión Hidrostática P= h*p*g P= presión h= altura de la columna de líquido g= aceleración de gravedad d= densidad relativa

Ventajas Montaje sencillo Fácil de ajustar Precisión razonable Amplio uso en aplicaciones de la industria alimentaria, donde se manejan productos con viscosidades cambiantes. Desventajas Dependiente de la densidad relative Relativamente costoso para mediciones de presión diferencial

Método de burbujeo Este método se mide la presión hidrostática en un estanque insertando un tubo Delgado en el líquido y aplicando aire comprimido en el tubo que se empuja hacia abajo la columna de líquido del tubo hasta que salgan burbujas de aire al líquido.

VENTAJAS Montaje sencillo Adecuado para sustancias corrosivas DESVENTAJA Requiere líneas de aire y consumo de aire Peligro acumulación del medio en el tubo No es adecuado para uso en recipientes presurizados

MÉTODO DE SUPRESIÓN DE LA ROTACIÓN En este tipo de switch de nivel, un peequeño motor eléctrico sincrono hace girar una pequeña paleta mediante un mecanismo de engranajes redactor. Cuando el producto ofrece Resistencia al movimiento de la paleta, el sistema de transmisión de la rotación montado sobre rodamientos se mueve, activando un microinterruptor que emite una señal de nivel.

VENTAJAS: Para procesossencillo y en casos en que se prevean adherencias del product Bajo costo No require ajuste DESVENTAJAS Sujeto a desgastes No es adecuado para productos demasiados ligeros o demasiados densos