LAZOS TPICOS DE INSTRUMENTACIN Y CONTROL

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LAZOS TÍPICOS DE INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

• Sesión 2
• Juan Manuel Hernández Cid
• E-mail j.hernandez_at_ieee.org

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Contenido de la sesión

• Introducción a la instrumentación industrial
• Definiciones en instrumentación y tipos de
  instrumentos
• Características generales de un sistema de
  medición
• Clases de instrumentos
• Características estáticas de los instrumentos
• Características dinámicas de los instrumentos
• Tutorial ISA on line

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Introducción a la Instrumentación Industrial
Intrumentos de tecnología de punta
4
Proceso industrial
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Instrumentación y control
Sistema unificado Foxboro
Caldera 800 HP
6
Proceso industrial
7
Instrumentación Industrial
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Definiciones en instrumentación

• Instrumentación Una colección de instrumentos o
  su aplicación para el propósito de observar,
  medir o controlar.
• Instrumento Un dispositivo empleado directa o
  indirectamente para medir y/o controlar una
  variable Incluye elementos primarios, elementos
  finales de control, dispositivos de cómputo y
  dispositivos eléctricos como botones pulsadores,
  interruptores y anunciadores.
• Sensor Aquella parte de un lazo o instrumento
  que primeramente sensa el valor de una variable
  de proceso, y que asume un estado o salida
  correspondiente, predeterminado e intelegible.
  Llamado también detector o elemento primario.
• Transductor Un elemento o dispositivo el cual
  recibe información de una cantidad y la convierte
  en una información en la forma de la misma u otra
  cantidad. Provee una salida útil en respuesta a
  un mensurando.

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Estructura general de un instrumento de medición.
Tubo de Bourdon
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Ejemplos
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Punto triple del agua
Triple point of water (TPW) cell. La celda a
610,08 Pa se enfría hasta tener agua, hielo y
vapor presentes y en equilibrio. La temperatura
es 273.16K por definición (0.01C).
http//www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/3pt.html
La escala usual de temperatura es el Celsius,
basada en los puntos de ebullición y congelación
del agua a la presión atmosférica normal.
KC273,16
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Elementos sensores

• El sensor está en contacto directo con el proceso
  o sistema que se mide y toma energía de él.
• Su señal de entrada tiene el valor de la variable
  medida y su señal de salida depende de la
  variable de entrada.
• Para su diseño y aplicación, conviene analizar
  los principios de los principales elementos
  sensores.

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Tipos de sensores

• Por el principio físico
• Resistivo
• Capacitivo
• Inductivo
• Piezoresistivo
• Fotovoltáico
• Electromagnético
• Termomagnético
• Piezoeléctrico

• Por la salida
• Eléctrica
• activos
• pasivos
• Mecánica

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Elementos sensores resistivos.

• Los elementos resistivos pueden ser sensibles a
• la temperatura,
• al flujo de calor,
• a la velocidad del flujo,
• al desplazamiento,
• a la deformación y
• a la composición de gases.

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Sistema de control supervisorio y registro de
temperaturas
16
Sistema de control supervisorio y registro de
temperaturas
96 sensores RTD de 10 ohms
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Sistema de control supervisorio y registro de
temperaturas
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Clases de instrumentos

• Por la función
• Ciegos
• Indicadores
• Registradores
• Elementos primarios
• Transmisores
• Transductores
• Convertidores
• Receptores
• Controladores
• Actuadores

• Por la variable
• Caudal o flujo
• Nivel
• Presión
• Temperatura
• Densidad y peso específico
• pH
• Conductividad
• Peso, fuerza
• Otras variables

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Simbología Norma ISA-S5.1-84
Un diagrama de instrumentación es una descripción
gráfica de un proceso que muestra una vista
general de los instrumentos empleados en un
formato estándar
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Código de identificación o etiqueta de
instrumentos.
TRC-2A
Norma ANSI/ISA S5.1
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Letras de identificación
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Esquema concentrado
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Simbología DTI
24
Ejemplo DTI (PID, Piping and Instrumentation
Diagrams)
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Horno cilíndrico giratorio (CEMENTOS GUADALAJARA)
4.15 m de diámetro y 58 m de largo inclinación
aproximada de 15 grados temperatura aproximada
de 1500 ºC (100 ºC al exterior) girando a 3.1
revoluciones por minuto
26
Ejemplo de instrumentación de un control
automático.
27
Ejercicio
Elaborar los diagramas de instrumentación para el
control de nivel y temperatura
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INSTRUMENTOS YSUS CARACTERÍSTICAS

• ALCANCE
• INTERVALO
• RESOLUCIÓN
• LINEALIDAD
• ESTABILIDAD
• DERIVA
• HISTÉRESIS
• MOVILIDAD
• otras

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Voltímetro digital
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Características estáticas de los instrumentos

• Las características estáticas o de estado estable
  describen las relaciones que pueden ocurrir entre
  la salida y la entrada de un instrumento, cuando
  la entrada permanece en un valor constante o
  cambia lentamente. Algunas de las características
  se cuantifican con precisión por medios
  matemáticos o gráficos otras por medios
  estadísticos

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Características estáticas

• Campo de medida o alcance (range).
• Espectro o conjunto de valores de la señal de
  entrada que están comprendidas dentro de los
  límites superior e inferior de la capacidad del
  instrumento. Se expresa con los dos valores
  extremos.
• Intervalo (span).
• Es la diferencia algebraica entre los valores
  superior e inferior del campo de medida del
  instrumento.

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Alcance Vs. Intervalo
ALCANCE NOMINAL (range) Intervalo de la escala
obtenida por una posición dada de los controles
de un instrumento de medición
INTERVALO (span) Módulo de la diferencia entre
los dos límites de un alcance nominal
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Características estáticas

• Sensibilidad.
• Es la razón de cambio de la señal de salida
  (incremento) respecto a la señal de entrada
  (incremento) que lo ocasiona, después de haberse
  alcanzado el estado de reposo.
• Linealidad.
• No linealidad

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Sensibilidad Vs. Movilidad
Sensibilidad Cambio en la respuesta de un
instrumento de medición dividido por el
correspondiente cambio del estímulo. (Umbral
de) movilidad La variación más grande en la señal
de entrada que no provoca una variación
detectable de la respuesta de un instrumento de
medición, siendo la variación de la señal de
entrada lenta y monótona.
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Características estáticas

• Saturación.
• Es el área en la cual el instrumento ha
  sobrepasado su capacidad máxima de operación.
• Histéresis.
• Para un valor determinado de entrada, la señal de
  salida del instrumento puede ser diferente cuando
  se le aproxima al punto desde direcciones
  opuestas.

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Histéresis

• Propiedad de un instrumento donde la respuesta a
  una señal de entrada depende de la secuencia de
  las señales de entrada (o los valores de las
  magnitudes de influencia) precedentes.

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Características estáticas

• Resolución.
• Es el mayor cambio en la entrada que puede
  ocurrir sin cambio correspondiente en la salida.

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Resolución

• Resolución (de un dispositivo indicador)
• La diferencia más pequeña entre las indicaciones
  de un dispositivo indicador, que puede ser
  distinguido significativamente.

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Características estáticas

• Efectos ambientales.
• Condiciones ambientales "estándar" tales como 25
  ?C de temperatura ambiente, 1000 mb de presión
  atmosférica, 80 de humedad relativa, etc.
• Zona muerta.
• Es el área de valores de la señal de entrada que
  no hace variar la señal de salida del
  instrumento, que no produce respuesta.

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Características estáticas

• Desgaste y envejecimiento.
• Bandas de error.
• La no linealidad, la histéresis y la resolución
  son tan reducidos que el fabricante define el
  desempeño en términos de bandas de error
  indicando que para cualquier valor de la señal de
  entrada, la señal de salida estará dentro de un
  valor ?h del valor de la línea recta ideal.

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Características estáticas

• Repetibilidad.
• Es la capacidad de producir la misma señal de
  salida con la misma señal de entrada en las
  mismas condiciones de servicio y en el mismo
  sentido de variación, recorriendo todo el campo
  de medida.

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Repetibilidad

• (DEL RESULTADO DE MEDICIONES)
• Proximidad de concordancia entre los resultados
  de mediciones sucesivas del mismo mensurando
  realizadas bajo las mismas condiciones de
  medición.

• (DE UN INSTRUMENTO DE MEDICIÓN)
• Aptitud de un instrumento de medición para
  proporcionar indicaciones próximas entre sí para
  aplicaciones repetidas del mismo mensurando bajo
  las mismas condiciones de medición.

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Características estáticas

• Exactitud (accuracy).
• Indica la desviación de la lectura o señal de
  salida respecto a una señal de entrada conocida.
  Se cuantifica en términos de error, o sea, se
  expresa como la razón de la máxima desviación de
  un valor indicado por el instrumento con respecto
  al valor ideal.
• Precisión.
• Indica su capacidad para reproducir cierta
  lectura con una exactitud dada.

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Exactitud(accuracy)

• EXACTITUD DE MEDICIÓN. Proximidad de concordancia
  entre el resultado de una medición y un valor
  verdadero del mensurado.
• EXACTITUD DE UN INSTRUMENTO DE MEDICIÓN. Aptitud
  de un instrumento de medición para dar respuestas
  próximas al valor verdadero.
• CLASE DE EXACTITUD. Clase de instrumentos que
  satisfacen ciertos requisitos metrológicos
  destinados a mantener los errores dentro de
  límites especificados.

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(No Transcript)
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Características dinámicas de los instrumentos

• La diferencia entre comportamiento estático y
  comportamiento dinámico es que este último
  siempre depende del tiempo.
• Sistemas de primer orden.
• Sistemas de segundo orden.

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Tiempo de Respuesta

• Intervalo de tiempo comprendido entre el instante
  en que una señal de entrada sufre un cambio
  brusco específico y el momento en que la señal de
  salida alcanza, dentro de los límites
  especificados, su valor final en régimen estable
  y sostenido.

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Sistema físico dinamómetro
De acuerdo con la ley de Hooke, FK será
directamente proporcional al desplazamiento y o
sea
Sistema de orden cero
Función de transferencia
Diagrama de bloques
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Sistema de primer orden
Sin cambiar las líneas generales del dispositivo,
ahora las guías lubricadas que no presentaban
fricción, manifiestan fricción viscosa
Función de transferencia
Diagrama de bloques
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Sistema de segundo orden
Con una masa M en la punta libre del resorte, y
reajustada la escala de manera que lea 0 cuando
sólo actúa la fuerza de la gravedad, de la 2a
Ley de Newton
Función de transferencia
Diagrama de bloques
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Características dinámicas

• Velocidad de respuesta
• Constante de tiempo
• Amortiguamiento
• Respuesta en frecuencia
• Frecuencias de corte
• Desfasamiento ("phase shift")
• Frecuencia de resonancia

52
Overview of Measurement and Devices

• Curso ISA