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Instrumentación Industrial
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
Industrial
Universidad Central de Venezuela
Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 1Curso Instrumentación Industrial
DISTRIBUCIÓN
MÁQUINA OINSTALACIÓN
ACCIONADORES
DETECCIÓN
TRATAMIENTO
MANDO
DE
POTENCIA
DIÁLOGO HUMANO-MÁQUINA
Esquemade unautomatismo
Esquema General de un Automatismo
2
Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
Industrial
Universidad Central de Venezuela
Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 2Curso Instrumentación Industrial
Definiciones Básicas en Instrumentación
Instrumento: dispositivo para medir y controlar
Instrumentación: colección de instrumentos
Sensor o Elemento Primario: mide variable básica
Transmisor: acondicionador de señales
Transductor: convertidor de señales
Controlador: regula o controla variable de proceso
Actuador (EFC): actúa sobre la variable manipulada
Indicador/Registrador: muestran/almacenaninformación de señales
3
Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
Industrial
Universidad Central de Venezuela
Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 3Curso Instrumentación Industrial
Aplicación a un sistema industrial
Variable controladao medida
PLANTA o PROCESO
Perturbaciones
Variable manipulada
EFC
Transductor de Señal
CONTROLADOR Transmisor
Sensor
Registrador Alarmas
Set Point
4
Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
Industrial
Universidad Central de Venezuela
Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 4Curso Instrumentación Industrial
Sensores: Clasificación (1)
1- Según el principio físico en que se basan Hidrostáticos
Sónicos
Inductivos
Fotovoltaicos
Termomagnéticos
Piezoeléctricos
Deformación elástica
Hidrodinámicos
Resistivos
Capacitivos
Electromagnéticos
Termoeléctricos
Iónico/Radioactivos
Otros
2- Según su salida
• Mecánicos
(3-15 psi)
• Eléctricos
(4-20 mA))
5
Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
Industrial
Universidad Central de Venezuela
Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 5Curso Instrumentación Industrial
Sensores: Clasificación (2)
3- Según la variable que miden
Analítico
Humedad
CorrienteEléctrica
Velocidad
Flujo
Temperatura
Presión
Nivel
SENSOR
6
Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
Industrial
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 6Curso Instrumentación Industrial
Sensores: Clasificación (3)
4- Según su función
INSTRUMENTOS
Ciegos
Indicadores
Registradores
Elementos primarios
Transmisores
Transductores
Receptores
Controladores
Elementos Finales de Control
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
Industrial
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 7Curso Instrumentación Industrial
Instrumentación: definiciones detalladas
Campo de Campo de medidamedidao o RangoRango (Range)
Conjunto de valoresentre mín. y máx. de la variable medida
AlcanceAlcance (Span) Diferencia algebraicaentre valor superior e
inferior del campo
ErrorError (Error)Diferencia entre valor leído por instrumento
y valor real
Error absoluto = Valor leído – Valor vedadero
Error relativo =Error absoluto
Valor vedadero
8
Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
Industrial
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 8Curso Instrumentación Industrial
Instrumentación: definiciones detalladas
ExactitudExactitud(Accuracy)(Accuracy)
Límites de los errorescometidos cuado el
instrumento se emplea en condiciones normales.
- % del alcance
- en unidades de la variable medida
- % de la lectura
- % de máx. de campo de medida
Se expresa en términos de “inexactitud”
PrecisiPrecisióónn Cualidad de un instrumento para dar
lecturas muy próximas.
Un instrumento puede tener pobreexactitud pero gran precisión
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
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Industrial
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 9Curso Instrumentación Industrial
Instrumentación: definiciones detalladas
Ejemplos:
1) % de alcanceLectura: 80 gpm; Alcance: 110 gpm; Exactitud: 0.5% Valor real: …………………………………………..
2) % de lecturaLectura: 30 kPa; Exactitud: 0.5%
Valor real: …………………………………………..
CALC
Ejemplo: medidor de flujo. Mide de 10 a 120 gpm
Rango: …………………………
Alcance: ………………………
10
Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
Industrial
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 10Curso Instrumentación Industrial
Instrumentación: definiciones detalladas
ZonaZona muertamuerta(Dead Zone)
Campo de valores queno hace variar
indicación de salida
SensibilidadSensibilidad(Sensitivity)
Relación incrementode lectura /
incremento de variable
RepetibilidadRepetibilidad(Repetibility)
Capacidad de reproducción de salida del instrumento al
medir valores idénticos de la variable recorriendo todo el campo en el mismo sentido
ReproductibilidadReproductibilidad(Reproductibility)
Capacidad de reproducción de salida del instrumento al
medir valores idénticos de la variable recorriendo todo el campo en ambos sentidos
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 11Curso Instrumentación Industrial
Instrumentación: definiciones detalladas
Ejemplo:
Instrumento con:
Alcance: 300 ºC; Zona Muerta: ±0.1%
Zona Muerta: ……………………………………….
CALC
Ejemplo:
Transmisor con:
Rango: 0 – 10 bar; Señal de salida: 4 – 20 mA
Presión pasa de: 5 5.5 bar;
Señal de salida cambia de: 11.9 12.3 mA
Sensibilidad:
(12.3 – 11.9) / (20 – 4)(5.5 – 5) / (10 – 0)
= ± 0.5
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 12Curso Instrumentación Industrial
Instrumentación: definiciones detalladas
IncertidumbreIncertidumbre(Uncertainty)
Dispersión de los valores medidos
Causas:
Condiciones ambientales Lecturas diferentes por operadores diferentes Inexactitud de instrumentos patrones Calibración defectuosa
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
Industrial
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 13Curso Instrumentación Industrial
Instrumentación: definiciones detalladas
IncertidumbreIncertidumbre (continuación)
CCáálculolculo
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
Industrial
Universidad Central de Venezuela
Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 14Curso Instrumentación Industrial
Instrumentación: definiciones detalladas
HistHistééresisresis(Hysteresis)
Máx. diferencia paramismo valor del
campo de medida al recorrer toda la escala
en ambos sentidos
““RangeabilityRangeability”” Relación señalmáxima/mínima
Dinámica de medida
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
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Industrial
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 15Curso Instrumentación Industrial
Instrumentación: definiciones detalladas
Campo de Campo de medidamedidacon con elevacielevacióónn de cerode cero
Campo: valor cero > valor inferior
Ejemplos:
1)Campo: -50ºC a +220ºC; Campo de medida con elevación de cero: ……………
2) Campo: +30ºC a +400ºC;
Campo de medida con supresión de cero: ………
Campo de Campo de medidamedidacon con supresisupresióónn de cerode cero
Campo: valor cero < valor inferior
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
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Universidad Central de Venezuela
Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 16Curso Instrumentación Industrial
Instrumentación: ejercicio
1) Máx. Sobrepresión que soporta el instrumentoen modo seguro = …………………………………………………….
2) Alcance (Span) del instrumento = ………………………………
3) Exactitud en una medida de 150 bar = ………………………….
º C-25 + 125Temperatura operación
± % (Máx.Rango)< 0.25Exactitud
mAmA
420
Corriente de salida:Cero PresiónMáx. Presión
Ohm1150Manejo de carga
mA<25Consumo
VDC18 – 41Alimentación
% (Máx. Rango)150Sobrepresión en modo seguro
Bar0.1 – 600Rango
UNIDADESDS200CARACTERÍSTICAS
CALC
Ejemplos:
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 17Curso Instrumentación Industrial
Dispositivos básicos:Reóstato o Potenciómetro
Terminales eléctricos
Terminaleseléctricos
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
Industrial
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 18Curso Instrumentación Industrial
Linealidad de los potenciómetros
Dispositivos básicos:Reóstato o Potenciómetro
En un potenciómetro lineal, la resistencia está distribuidauniformemente en su longitud.
Para muchas aplicaciones industriales basta una linealidadde hasta ±10%.
En aplicaciones de medición, se requieren linealidades delorden de ± 0.1%
Ejemplo
Potenciómetro de 500 Ω con linealidad de 0.1%:
Resistencia real se desvía de resistencia medida enno más de ± 0.5 Ω
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
Industrial
Universidad Central de Venezuela
Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 19Curso Instrumentación Industrial
Dispositivos básicos:Reóstato o Potenciómetro
Resis
tencia
0%
100%
Resistencia variable
Aplicaciones:
Posición Nivel Presión
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 20Curso Instrumentación Industrial
Dispositivos básicos:Puente de Wheatstone
Puente balanceado:
VA = VB
IAmperímetro = 0
Entonces:
xR
R
R
R2
3
1=
Si R1 = R2 Rx = R3
Rx es la resistencia de medición (ejemplo: Pt100)
Se mide R3 calibrado en unidades de ingeniería [ºC]
Precisiones: hasta 0.01%
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
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ACTUADORES
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 21Curso Instrumentación Industrial
Dispositivos básicos:Tobera-Obturador [Nozzle-Flapper] (1)
Ps = alimentación (máx. 25 psi) R = restricción (Φ=0.1 mm)
Rv = tobera (Φ= 0.25 – 0.5 mm) X = posición obturador
Se calibra parapresión de salida:
3 psig tobera abierta a xmáx
15 psig tobera cerrada a x = 0
Escape de aire por tobera depende de “x”.
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 22Curso Instrumentación Industrial
Dispositivos básicos:Tobera-Obturador [Nozzle-Flapper] (2)
TRANSMISOR DE EQUILIBRIO DE FUERZAS
Presión de proceso
Diafragma Flexible
Tobera
Asiento
de la tobera Presión de salida
Presión de alimentación
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
Instrumentación
Industrial
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 23Curso Instrumentación Industrial
Dispositivos básicos:Tobera-Obturador [Nozzle-Flapper] (3)
20
15
12
9
6
3
[mm]
x
0.05 0.1 0.15
[psi]
Curva no lineal
Se modifica la tobera parasecciones del ordende 0.1 – 0.2 mm.La curva tiene entoncesuna zona lineal más extensa
Distancia Tobera-Obturador
Pre
sió
nd
e s
ali
da
Presión de alimentación PS
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 24Curso Instrumentación Industrial
Dispositivos básicos:Transformador diferencial de variación lineal (LVDT) (1)
Principio:
Desplazamiento de un núcleo móvil (armadura) dentro de una bobina (transformador).
La auto inductancia de la bobina aumenta proporcionalmente a la porción del núcleo dentro de la bobina. Lo mismo el voltaje de salida en el bobinadosecundario.
Características:
Muy confiable Preciso Sencillo Económico
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 25Curso Instrumentación Industrial
Dispositivos básicos:Transformador diferencial de variación lineal (LVDT) (2)
Si el núcleo está perfectamente centrado, los voltajes enambos devanados serán iguales, y por lo tanto su diferencia(voltaje de salida), será cero.
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 26Curso Instrumentación Industrial
Dispositivos básicos:Transformador diferencial de variación lineal (LVDT) (3)
En la práctica, se conectan los dos devanados en serie.
Vsalida ~ ± desplazamiento del núcleo
Vsalida estándar: del orden de 0.5 ± 10 VAC
Núcleo se muevehacia arriba:Vsalida > 0
Núcleo se muevehacia abajo:Vsalida < 0
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 27Curso Instrumentación Industrial
Dispositivos básicos:Transformador diferencial de variación lineal (LVDT) (4)
LVDT: resumen de características
Frecuencia de excitación del primario en el orden de 50 Hz hasta 25 kHz, siendo lo estándar 2.5 kHz.
La frecuencia de excitación se escoge de forma quesea unas 10 veces mayor que la frecuencia más altaque se espera del movimiento del núcleo.
Vienen comercialmente en versiones AC y DC. La versión DC incluye oscilador y circuitería amplificadoray demoduladora.
Su sensitividad es muy alta: del orden de algunosmV por milésima de pulgada.
Se acopla a distintos elementos sensores, tales como fuelles, diafragmas o pistones.
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 28Curso Instrumentación Industrial
Dispositivos básicos:Transformador diferencial de variación lineal (LVDT) (5)
Núcleo móvil
Sec. 1
Sec. 2
Primario
Vástago
Circuiteríadecontrol
Ejemplo: medición de apertura de una válvula
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 29Curso Instrumentación Industrial
TRANSMISORES
o Neumáticos Generan una presión variable entre 3 y 15
psi en el campo del 100% de la medida.
o Electrónicos Generan una señal eléctrica variable de
4 - 20 mA ó 0 -10 VDC.
o Digitales Generan un tren de bits con el valor de la
señal con una resolución de 1/2^n (n = número de bits)
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Definiciones y Conceptos
Normas
Variable NIVEL
Variable PRESIÓN
Variable TEMPERATURA
Variable FLUJO
ACTUADORES
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Elaborado por: Hans García; 2014 . Pág. 30Curso Instrumentación Industrial
TRANSMISIÓN DIGITAL
-Señal electrónicaoriginal.
-Transmisión vulnerable al ruido electromagnético
-Única detección: Línea Rota
Muestreo; Codificación; Digitalización.
Transmisión menos sujeta a ruido EM
Detección de errores
Manejo inteligente de la Información