Automatización Instrumentacion Industrial
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1
EDGARDO ESPINOZA MALQUI
Instrumentacin
Industrial
Definicin
Sistema
Planta + Proceso = Sistema
-
2
Ejemplos
Planta: Horno
Auto
Reactor Nuclear
Fbrica
...
Proceso: Fsico
Qumico
Mecnico
Elctrico
Biolgico
Econmico
...
Sistema Dinmico
Sistema Entrada(s) Salida(s)
Perturbaciones Internas Externas
-
3
Control Manual
Salida
de Vapor
Entrada
de Vapor
Agua
Caliente
Agua
Fria.
Temp.
Operador
Sensor
Indicador
Control Bueno o Errtico Dificultad de toma de datos Limitacin de nm. de variables
Pero....
Control Automtico
S.V. E.V. A.C.
A.F.
T
Operador
Controlador
Indicador Sensor
Velocidad Nmero de variables Almacenamiento
Ahora..
-
4
Proceso fsico / Planta
Impresin sensorial
(sentidos)
Raciocinio
(cerebro)
Accin
(manos, voz)
Manual
Manual vs. Automtico
Informacin
(sensor)
Anlisis y decisin
(Unidad de Control)
Accin de control
(Actuador)
Automtico
Control Realimentado
Proceso
Perturbaciones
Sensor/ Transductor
Acondicionador /Transmisor
Mando de Potencia
Actuador
Controlador Interfase
de
Entrada
Interfase
de
Salida
-
5
Control Lazo Abierto
Proceso
Perturbaciones
Sensor/ Transductor
Acondicionador /Transmisor
Mando de Potencia
Actuador
Controlador Interfase
de
Entrada
Interfase
de
Salida
Sensores/Transductores
Proceso
Temperatura Presin Caudal Nivel pH Peso ...
Variable:
Sensor/ Transductor
-
6
Tipos de Seales
DISCRETA No lleva informacin
en su valor. Representa dos
estados posibles: Abierto/Cerrado Si/No O/1 Positivo/Negativo Presente/Ausente ...
0: 0-2.5 Voltios 1: 3 - 5 Voltios
ANALOGICA Si lleva informacin
de la variable medida en su valor.
Representa infinitos estados posibles: Temperaturas: 0-100 C
Presin: 1 a 10 psi.
Peso: 50 a 150 Kg.
Apertura: 0-100%
...
Seales Discreta
t
Voltios
0-
5-
Seal Elctrica
Informacin
0 1 0 1 0 1 0 0
0-
1-
-
7
Seales Analgicas
t
Voltios
0-
5-
Seal Elctrica
Informacin
V: 0.0 2.6 4.0 2.2 4.1 5.8 3.5 3.0 2.2
C: 0 52 80 44 81 116 70 60 44
1-
2-
3-
4-
Ejemplo
Seal
Respuesta
Apagado Apagado
Prendido
-
8
Ejemplo
Motor
Temp.
Clasificacin de Sensores
Activos: No requieren de
alimentacin externa (Ej. Termocupla)
Pasivos: Requieren de una fuente
de energa externa (Ej. Termoresistencia)
-
9
Caractersticas
Caractersticas dinmicas Velocidad de
respuesta (tiempo entre la medida y la seal de salida)
Estabilidad (medio ambiente)
Caractersticas estticas Rango de entrada
Resolucin
Exactitud
Precisin
Linealidad
Sensibilidad
Ruido
Exactitud y Precisin
Exactitud baja Precisin alta
Exactitud alta Precisin baja
Exactitud alta Precisin alta
-
10
Medicin de Temperatura
Introduccin
La temperatura se mide de manera INDIRECTA, que tiene relacin sobre las propiedades fsicas de los materiales o cambios en los circuitos elctricos.
Unidades:
S.I. Celcius (C) Kelvin(K)
Americano Fahrenheit (F) Ranking (R)
T relativa T absoluta
-
11
Seleccin de Sensores
Rango de Temperatura
Exactitud
Rapidez
Medio medido: corrosivo, etc.
Costo
Medidores de Temperatura
Termmetros de vidrio
Bimetlicos
Sistemas de trmicos de llenado
Termocupla
Resistivos RTD
Termistor
Pirmetro de radiacin
Circuitos integrados
-
12
Termmetros de Vidrio
Caractersticas:
Rango
- Mercurio: - 35 C a 800 C
- Alcohol:-300 C a 600C
Indicadores
Dilatacin
Termmetros Bimetales
Caractersticas:
Rango
+1000F a -300F (> 800F estabilidad y < 300F deflexin rpida)
Indicadores
2 metales con distinto coeficiente de dilatacin
Latn (Cu- Zn), Monel (Cu - Ni), Acero (Fe-C), Fe -Ni
-
13
Sistemas de trmicos de llenado
Caractersticas:
Indicadores
Transmisores neumticos
Termocupla
I
Efecto Seebeck: f.e.m. ==> f ( T )
V 10mV - 50 mV
Rangos: -200 a 4000 C
Sensibilidad: 10 a 50 V/C
Baja Sensibilidad
-
14
TERMOPAR
Termocupla
Medicin Industrial
INDICADOR CONVERTIDOR
mV Tol. + -
SISTEMA
DE MEDIDA
UNION DE
REFERENCIA
TERMINAL
DE
CABEZAL
Cables de
compensacion
Metal A
Metal B
E (Tm-Tr) Tm Tr
4 20 mA
Indication
C / F
-
15
T
Ta Metal a
Metal b
Cu
Cu
V=V(T)-V(Ta)
V= V(cu,a)(Ta) + V(a,b)(T) +V(b,cu)(Ta)
V= [V(b,cu)(Ta) + V(cu,a)(Ta)] +V(a,b)(T)
V= V(b,a)(Ta) +V(a,b)(T)
V= V(a,b)(T) V(a,b)(Ta)
V(a,b)(T) = V + V(a,b)(Ta)
Tipos de Termocupla
J : Hierro(Fe)-Constantan(Cu+Ni)
K : Cromel (Cr+Ni)-Alumel(Al+Ni)
T : Cu-Constantan Exactitud : 1 - 3%
Respuesta : Lenta (seg.)
Linealidad : No muy buena
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16
Thermocouple
Type Names of Materials Range Application
B Platinum30% Rhodium (+)
Platinum 6% Rhodium (-)
2500 -3100F
1370-1700C
Fcil de contaminar por lo que se
protege con cermica. Temperatura
alta
C Tungsten 5% Rhenium (+)
Tungsten 26% Rhenium (-)
3000-4200F
1650-2315C Temperatura alta.
E Chromel (+)
Constantan (-)
200-1650F
95-900C
La mas sensible. No sujeta a
corrosin a temperaturas criognicas
J Iron (+)
Constantan (-)
200-1400F
95-760C
Hilo de fierro sujeto a oxidacin a
altas temperaturas.
K Chromel (+)
Alumel (-)
200-2300F
95-1260C Atmsferas oxidantes
N Nicrosil (+)
Nisil (-)
1200-2300F
650-1260C
No se corroe es costoso (reemplaza
al K).
R Platinum 13% Rhodium (+)
Platinum (-)
1600-2640F
870-1450C
Atmsferas oxidantes. Fcil de
contaminar por lo que se protege con
cermica.
S Platinum 10% Rhodium (+)
Platinum (-)
1800-2640F
980-1450C
Estndar de laboratorio. Fcil de
contaminar por lo que se protege con
cermica.
T Copper (+)
Constantan (-)
-330-660F
-200-350C
Temperaturas criognicas.
Atmsferas oxidantes.
TUBO PROTECTOR
METALES
TERMINALES
AISLANTE
UNION DE MEDIDA
Termopozo
-
17
Curvas de Calibracin
-500 0 500 1K 1.5K 2K
80
70
60
50
40
30
20
10
V/C
T (C)
E
T J
K
N
R
S B
Rangos Recomendado: B: 1290 F a 3310 F
E: -285 1830
J: -300 2190
K: -285 2502
N: 32 2370
R: 255 3214
S: 300 3214
T: -275 750
Termoresistencia (RTD)
Principio: R = f(T)
Materiales: Pt (ms usada)
Otros: Ni, Cu
Pediente: + (siempre) Linealidad:
Buena
Formas: Alambre enrollado
Film metlico
Film: Respuesta rpida
Bajo costo
Alta resistencia
Alambre: Masivo
Mas estable en el tiempo
Autocalentamiento Bajo
Valores tpicos 100, 200 ohms
Resistance Temperature Detector
-
18
RTD
Aislante Cu Pt
0,0005 diam.
0.010 espesor
Ag
TRR 10 1
Tipos de RTD Un tipo de RTD son las Pt100 o Pt1000. Estos sensores son fabricados de platino (Pt) y
presentar una resistencia de 100ohms o 1000ohms respectivamente a 0C.
Variaciones de temperatura pequeos Son dispositivos muy lineales Existen:
Pt100 Ni100 Cu10 Pt200 Ni200 Pt500 Pt1000
Pt100 es alimentada con una corriente constante, de manera que la cada de tensin sea proporcional a la resistencia.
-
19
PUENTE WHEATSTONE
ALIMENTADO CON TENSIN
CONEXIN A 3 HILOS CONEXIN A 2 HILOS
Termistor (semiconductor)
PTC son empleados mayormente como proteccin de sobrecalentamiento para transformadores, motores, etc.
NTC son muy econmicos y se emplean por ejemplo en las lavadoras, aire acondicionado y calefaccin para mviles, etc.
PTC : coeficiente positivo de temperatura. NTC : coeficiente negativo de temperatura.
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20
Termistor (semiconductor)
Pirmetro infrarrojos Todos los cuerpos emiten ondas electromagnticas o
radiacin dependiendo de la temperatura a la que se encuentran
La energa radiada y su longitud de onda estn de acuerdo a la temperatura
Basan su funcionamiento en la emisividad de los cuerpos (0.95)
Se puede medir la temperatura del cuerpo sin contacto con l
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21
Emisibilidad de materiales Material Emisividad Material Emisividad
Aluminio* 0,03-0,30 Plomo* 0,50
Asbesto 0,95 Piedra caliza 0,98
Asfalto 0,95 Aceite 0,97
Basalto 0,70 Pintura 0,93
Latn* 0,50 Papel 0,95
Ladrillo 0,90 Plstico** 0,95
Carbono 0,85 Caucho 0,95
Cermica 0,95 Arena 0,90
Concreto 0,95 Piel 0,98
Cobre** 0,95 Nieve 0,90
Polvo 0,94 Acero** 0,80
Alimento Congelado 0,96 Textiles 0,94
Hielo 0,98 Agua 0,95-0,99
Hierro* 0,70 Madera*** 0,94
* oxidado ** opaco ***natural
Detector de metal Caliente
Aplicacin
-
22
Aplicacin
Medicin de Presin
-
23
Medicin de Presin
Presin absoluta: mide respecto al cero absoluto de presin (A y A'). Presin atmosfrica: es la presin ejercida por la atmsfera terrestre. Presin relativa: es la diferencia entre la presin absoluta y la atmosfrica
(B, B y B) Presin diferencial: es la diferencia entre dos presiones, (C y C). Vaco: es la diferencia de presiones entre la presin atmosfrica existente
y la presin absoluta, es decir, es la presin medida por debajo de la atmosfrica (D, D' y D").
Dispositivos de balance por gravedad
Manmetro en U
Medicin de la presin en una cmara de refrigeracin Manmetro en tubo inclinado y cubeta
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24
Elementos de deformacin elstica
Tipos de tubo de Bourdon (indicadores)
GALGAS EXTENSIOMETRICAS (celda de carga)
Para realizar mediciones con galgas es necesario el empleo del puente de Wheatstone.
Segn la cantidad de galgas a emplearse, se utilizar una, dos o cuatro ramas del puente.
Determinar la relacin Um/Ue para cada tipo de conexin del puente.
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25
GALGAS EXTENSIOMETRICAS (celda de carga)
Hay galgas para medir tensiones en diferentes direcciones y para medir torsin.
La galga deber ser seleccionada segn el material al que se le va a pegar (cambio de temperatura).
El voltaje pequeo que se tiene a la salida del puente (seleccionar un buen amplificador y buena performance).
Buena proteccin de la galga contra la humedad.
tipos
utilizacin
Sensores de Presin
-
26
Ejemplos
Ejemplos
-
27
Ejemplos
Medicin de Nivel
-
28
a. y b. Basados en flotador.
c. De presin diferencial.
d. De burbujeo y medicin de presin diferencial.
Medicin de Nivel
Sensores de Nivel
Directos
Flotador
Desplazamiento
Sonda
Indirectos
Presin Hidrosttica
Balanza
Elctricos
Conductivo
Vibracin
Ultrasonido
Micro- Ondas
Radiactivo
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29
Flotador
Acoplamiento: mecnico.
Magntico.
Mantenimiento frecuente
Desplazamiento
Fuerza de empuje
Rango limitado
Interruptores/ salida continua.
-
30
Sonda
Pluma baja y sube constantemente
Slidos y lquidos
Presin Hidrosttica
Necesidad de vaciar tanques para instalacin y calibracin.
Diferencia de presiones en tanque cerrado.
Columna de compensacin hmeda.
h 3
h 4
h2
L H
100 %
0 %
-
31
Presin Hidrosttica
Mtodo Hidrosttico
-
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Balanza
Celdas de Carga.
Distribucin uniforme en los apoyos
Conductivo
Deteccin
Control
-
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Vibradores
Deteccin
Lquidos: frecuencia
Slidos: amplitud
Ultrasonido
Tiempo de trnsito.
Velocidad del sonido = 343 m/s
Angulo de emisin.
No para temperaturas o presiones altas.
Interfieren a Vapores, espuma excesiva, turbulencia o polvo
-
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Radar
Frecuencia: GHz Velocidad de la luz. Inmune a:
presin temperatura vapores turbulencia agitacin
Caro
Radiactivo
Rayos gamma.
Fuera del depsito
Medios Peligrosos.
Atenuacin depende de depende de densidad del medio.
Caro.
-
35
Presin diferencial
Ejemplos
flujo