CONTROL DE PROCESOS
Ing. Andres Morocco Apfata
Terminología de Instrumentos Intervalo, campo, rango de medi me dida da ( Ra Rang nge e)
Conjunto de valores de la variable med medida ida que que está stán comp compre renndid didos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida, de recepción o de transmisión. Se expresa por los valores extremos. Alcanc Al cance, e, margen margen ( Span )
Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento.
Terminología de Instrumentos Intervalo, campo, rango de medi me dida da ( Ra Rang nge e)
Conjunto de valores de la variable med medida ida que que está stán comp compre renndid didos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida, de recepción o de transmisión. Se expresa por los valores extremos. Alcanc Al cance, e, margen margen ( Span )
Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento.
Terminología de Instrumentos Error
Es la diferencia algebraica entre el valor leído y el valor real de la variable medida. Error de cero
Cuando la salida del instrumento se desvía en la misma cantidad, en exceso Recta o en defecto, para todo el rango de entrada. Carac.
100% A R U T C E L
En Exceso
En Defecto 0
VARIABLE
Error de cero
100%
Terminología de Instrumentos Error de Alcance
Cuando la salida del instrumento varía desde cero hasta un máximo en cantidades proporcionales, proporcionales, en exceso o en defecto.
100% A R U T C E L
En Exceso
En Defecto 0
VARIABLE
100%
Error de Alcance
Terminología de Instrumentos Error de Angularidad Angularidad Aparece cuando la salida del instrumento no coincide en algún punto con el rango esperado de salida. Este error puede dar salidas mayores o menores que el valor verdadero según sea el punto considerado. 100% A R U T C E L
En Exceso
En Defecto 0
VARIABLE
100%
Terminología de Instrumentos Error de Histéresis Es la máxima diferencia existente entre dos lecturas de un mismo valor de la variable, efectuándose, una de las lecturas cuando la variable se pasea en la dirección ascendente y la otra cuando lo hace en la dirección descendente. Este error casi siempre es despreciable si es menor que la sensibilidad del instrumento. 100% Ascendente A R U T C E L
Descendente 0
VARIABLE
100%
Terminología de Instrumentos Error Combinado de Cero y Span 100% A R U T C E L
0
VARIABLE
100%
Errores combinados
Terminología de Instrumentos Incertidumbre (Uncertainty)
Los errores que existen necesariamente al realizar la medida de una magnitud, hacen que se tenga una incertidumbre sobre el verdadero valor de la medida. Exactitud ( accuracy )
Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida.
La exactitud se da en términos de inexactitud. Instrumento de 0 - 100 ºC
Valor Real 100º C Valor Medido 99.98º C
Terminología de Instrumentos Precisión (Precision)
Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas muy próximas unas a otras, es decir, es el grado de dispersión de las mismas. Un instrumento puede tener pobre exactitud, pero una gran precisión
Ejemplo:
Un manómetro de 0-10 bar, puede tener un error de cero de 2 bar.
Valor Real = 5 bar
Valores leídos 7.049, 7.05, 7.051, 7.052 Dispersión Máxima = 0.003
Linealidad
La aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada.
Terminología de Instrumentos Linealidad
La aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada.
Terminología de Instrumentos Curva de Calibración
Una de las características más resaltantes de un dispositivo de medición son las curvas características de calibración del dispositivo. Estas permiten obtener una relación directa punto a punto de la señal de salida en función de la entrada y viceversa si es necesario. Las curvas características se obtienen de la respuesta directa del sensor o transductor, por lo cual cada transductor tiene su propia curva de calibración, en algunos casos a la curva de calibración se le llama curva de respuesta en amplitud.
Terminología de Instrumentos Zona Muerta ( Dead Zone )
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 respuesta. BANDA MUERTA ESTADO
ON
BAJANDO
SUBIENDO
OFF
0
VARIABLE
100%
Terminología de Instrumentos Sensibilidad ( Sensitivity )
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 haber alcanzado el estado de reposo. Repetibilidad ( Repeatibility )
Es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del índice o de la señal de salida del instrumento, al medir repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación, se expresa en %.
Terminología de Instrumentos Histéresis ( Hysteresis )
Cuando se toman los datos de calibración de un instrumento, esto se hace con los datos de subida y los datos de bajada en la entrada), al representar gráficamente los datos de la medida del transductor (variable de salida o variable eléctrica), tendremos la representación de dos curvas de salida, una de subida y otra de bajado. Idealmente deberían ser iguales la curva, a la diferencia entre estas dos curvas se define como la histéresis . En la figura se muestra la curva de histéresis de un sistema de medición.
Señales de Instrumentación Neumáticas
• 6 – 30 psi • 3 – 15 psi (ISA SP-50) Eléctrica (analógica)
• 0-20mA. • 4-20mA. • 1-5 VDC, 0-10VDC. Eléctrica (Híbrida)
• 4-20mA con señal digital modulada • HART
Calibración de instrumentos de medición La instrumentación de procesos requiere calibración y mantenimiento periódicos para garantizar que las medidas tomadas se ajusten a los valores especificados. Si este proceso se realiza correctamente, se garantiza que la planta funcione de la manera más eficaz y rentable posible.
Que es Calibración La calibración es simplemente la comparación del desempeño de un instrumento con un valor patrón de conocida exactitud.
Patrón Medida materializada, instrumentos de medición, material de referencia o sistema de medición destinado a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o uno o más valores de una magnitud para utilizarse como referencia.
Calibración de instrumentos de medición ¿Porque calibrar? El envejecimiento de los componentes, los cambios de temperatura y estrés mecanico que soportan los equipos deterioran paulatinamente su desempeño. Cuando esto sucede las mediciones pierden confiabilidad, esta realidad no puede ser eludida, pero si detectada por medio del proceso de calibración.
Ventajas de una Calibración Incrementa el rendimiento de la producción. Optimiza los recursos. Garantiza que las mediciones (y probablemente también los productos) resulten compatibles con las efectuadas en cualquier parte del mundo.
Calibración de un Instrumento Operación de contrastar un instrumento con respecto a una referencia o patrón reconocidos .
Ajuste Operación destinada a llevar un instrumento de medición a un estado de funcionamiento adecuado para su utilización.
Calibrador de procesos Marca : Fluke Modelo : 725 El calibrador de procesos multifuncional Fluke 725 es un calibrador de campo. Puede emplear las funciones de medición y generación para comprobar y calibrar prácticamente cualquier parámetro de proceso. El calibrador tiene las siguientes características y funciones: Presenta una pantalla dividida: La parte superior de la pantalla sólo permite medir tensión, corriente y presión. La parte inferior de la pantalla permite medir y servir de fuente de tensión, corriente, presión, temperatura (RTD y termopares), frecuencia , ohmios y presión (utilizando módulos de presión opcionales).
SENSORES DE TEMPERATURA Un sensor de temperatura es un dispositivo capaz de interpretar señales de cambio de temperatura (calor) y transformar esta información en señales eléctricas y enviándola a otro dispositivo para poder ser interpretada. El calor es una forma de energía. Esta energía es responsable de la vibración de los átomos y moléculas que constituyen la materia. La temperatura de un cuerpo es una manifestación de esta energía, y está íntimamente relacionada con la cantidad de calor (energía) que un cuerpo absorbe de otro. Se dispone de dos tipos principales de sensores de temperatura de tipo industrial: los termopares (TC) y los resistores dependientes de la temperatura o RTDs.
UNIDADES DE TEMPERATURA
Conversión de Fahrenheit a Centígrados
Conversión de Centígrados a Fahrenheit:
Interpolación de Señales de Instrumentación
Interpolación es un proceso matemático que nos ayuda a calcular la señal de instrumentación, dados el rango de proceso y la variable de proceso Este proceso consiste en calcular la señal de instrumentación que corresponde proporcionalmente a la variable de proceso rangodeinstrumentacion rangodeproceso
rangodeinstrumentacion señaldeinstrumentacion rangodeproceso var iabledeproceso −
=
−
Ejemplo: El Rango de Proceso es de 0 –100 psi y la variable de proceso (input) está en 61.43 psi. ¿Cuál es la señal de instrumentación (output) en este caso? (Recordar que el rango de instrumentación es de 4 – 20 mA)
Sensores de Temperatura Termocuplas Una termocupla consiste de un par de conductores de diferentes metales o aleaciones (termopar o termoelementos); uno de los extremos, la junta de medición está colocado en el lugar donde se ha de medir la temperatura.
El voltaje que aparece en los extremos de la unión, conocido como voltaje Seebeck aumenta con la temperatura. Este voltaje es diferente para diferentes combinaciones de los metales (y/o aleaciones).
Termocuplas En 1821, Thomas Seebeck realizó el siguiente experimento. Unió por ambos extremos dos conductores de naturaleza diferente y sometió a calentamiento uno de ellos, descubriendo la presencia de un flujo de corriente continua por el circuito termoeléctrico. Este efecto fue posteriormente denominado “Efecto Sebeck”, en honor a su descubridor
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Principales combinaciones de metales y/o aleaciones que se utilizan para construir termopares de uso comercial.
Tabla de valores termopar tipo J
Tabla de valores termopar tipo K
Medición practica de temperatura utilizando termocuplas La medición con termocupla presenta la gran dificultad de que cada unión galvánica genera una nueva FEM. Por lo tanto, para poder conocer la FEM generada en la unión J1, necesitamos conocer la FEM de las uniones J2 y J3.
Medición practica de temperatura utilizando termocuplas La medición con termocupla requiere la compensación de la unión de referencia.
Métodos de compensación Unión de referencia a cero grados centígrados
Métodos de compensación Por la Ley de los Metales Intermedios esta segunda conexión es equivalente a la primera.
Ley de los Metales Intermedios: un tercer metal insertado entre dos metales diferentes no tendrá ningún efecto sobre la diferencia de potencial de salida, siempre que las dos uniones formadas por el metal adicional se encuentren a la misma temperatura
CÁPSULAS Usualmente un termopar se instala dentro de una cápsula de material cerámico y ésta a su vez dentro de otra vaina o protector de acero de alto grado que la protege de atmósferas corrosivas o contra impactos u otro tipo de acciones mecánicas del medio. En la figura podemos observar el aspecto de una vaina de acero 316, provista de un conector NPT de ½”
Muchos fabricantes proporcionan un blindaje metálico para el cable, también fabricado con acero 316 helicoidal.
Termopar provisto de vaina o protector cerámico dotados con cajas de conexión.
Código de colores para termopares La identificación del tipo de termopares es posible gracias a un código de colores normalizado para Europa y Estados Unidos. Se muestra el código de colores europeo y el código IEC americano proporcionado por RS Components.
TRANSMISORES DE TEMPERATURA PARA TERMOPARES Los transmisores de temperatura fabricados para termopares, son amplificadores de instrumentación especialmente diseñados para amplificar pequeñas tensiones generadas por diferentes tipos de termopar, dentro de un determinado rango de temperatura. Generalmente son dispositivos “2-wire”, es decir instrumentos del tipo 2-hilos, que como es de esperarse, facilitan enormemente el cableado. La mayoría de los transmisores de temperatura requieren ser calibrados, por lo tanto dispondrán de un par de potenciómetros para el ajuste del cero (zero) y del alcance (span). Para realizar la calibración, es necesario un instrumento conocido como calibrador, que generará tensiones muy pequeñas a partir de un valor digital de temperatura, simulando así la tensión generada por el termopar.
TRANSMISORES DE TEMPERATURA PARA TERMOPARES
Resistance Temperature Detector (RTD) Las RTD´s son sensores de temperatura basados en la variación que experimenta la resistencia de los metales con la temperatura. Siendo esta variación aproximadamente lineal con la temperatura.
Al calentarse un metal habrá una mayor agitación térmica, dispersándose más los electrones y reduciéndose su velocidad media, aumentando la resistencia. A mayor temperatura, mayor agitación, y mayor resistencia.
Resistance Temperature Detector (RTD) Uno de los metales más usado para este tipo de detector es el platino, encontrándose en segundo lugar el níquel. Los valores óhmicos nominales a 0ºC varían tal como se muestra:
Resistance Temperature Detector (RTD) Una RTD consiste de una bobina de alambre delgado de cobre, niquel o platino que se encuentra fija a un soporte adecuado; muchas veces encapsulado bajo una cubierta de vidrio o cerámica. La relación entre resistencia y temperatura viene dada por la relación:
RT = R0[1 + At + Bt2 + C(t – 100)3] La expresión lineal aproximada viene dada por la ecuación:
RT = R0 (1 + α∆T) donde α recibe el nombre de coeficiente de temperatura y tiene un valor para la resistencia de platino α = 0.00385. En el caso de una RTD Pt 100 cuyo valor resistivo es 100 ohms a 0ºC, el coeficiente se modifica a 0.385 ohms/ºC y constituye la pendiente de una línea recta que constituye el modelo matemático del RTD Pt-100.
PT100 TEMPERATURE / RESISTANCE TABLE
Que valor mostraria una Pt-100 cuando esta sensando una temperatura de 75 ºC.
Puente de Medición El método más empleado para medir pequeños cambios de resistencia consiste de dos divisores de tensión en paralelo, uno de los cuales contiene el transductor de temperatura. Si se diseña de forma que en reposo ambos divisores den la misma tensión (Vs = 0 V), sólo hará falta medir la diferencia de tensión entre las salidas para obtener una señal que dependerá de la variable a medir. Esta estructura se conoce como Puente de Wheatstone, la cual, además de esta propiedad fundamental, permite aumentar la sensibilidad del sistema a base de situar diversos sensores en los brazos pertinentes.
Puente de Medición La forma tradicional de medir la variación de resistencia de la sonda, es incorporando esta a un puente de Wheastone, dispuestos en montaje denominados de 2, 3 y 4 hilos. Existen tres tipos de termoresistencias, de acuerdo a su construcción y cableado: - de dos hilos - de tres hilos - de cuatro hilos
Se excita el puente con un voltaje, y el voltaje que pasa por el puente es proporcional a la resistencia de la RTD.
Calcular el valor de la tensión de salida del puente correspondiente a una temperatura de 100 grados centígrados en la termorresistencia.
Medición a 2 hilos Esta técnica de medición trae consigo el gran inconveniente de que los cables presentan una resistencia propia por metro lineal, que para grandes longitudes constituye un error notable en la medición.
Se tiene un PT100 que mide 137,5 ohms en los extremos de sus cables de conexión. Se sabe que cada cable tiene 5 ohms de resistencia. Calcular a que temperatura aproximada se encuentra el PT100.
Medición a 3 hilos Para compensar este error, se introdujo el puente compensado de 3 hilos. Este tipo elimina el efecto introducido por la resistencia de los cables siempre y cuando la resistencia de los cables sean iguales, el efecto de sus impedancias se anulará mutuamente por encontrarse en ramas opuestas del puente, en tanto que el cable de “sensado” no generará caidas de tensión significativas, pues la corriente que circula por el es muy poco significativa.
En la practica estas resistencias son prácticamente iguales, pues los cables usados están en una misma manguera, son de iguales características y tienen la misma longitud.
Medición a 4 hilos Otra manera de medir los elementos del tipo Pt-100 es usar un circuito de 4 hilos con el metodo de voltaje y corriente. Aquí el detector se excita por una fuente constante de corriente y se mide el voltaje que pasa por el detector con un amplificador de gran impedancia de entrada. Si la fuente de corriente es perfecta y la impedancia de entrada del medidor de voltaje infinita, no se introduce ningún error por la resistencia de los cables incluso si estas resistencias no son iguales.
Cableado interno Pt100
UTILIZACION DE LOS SISTEMAS DE 3 Y 4 HILOS
Los sistemas de 3 hilos se han utilizado de manera general para todas las aplicaciones, pudiéndose considerar el sistema más estándar que existe para medir Pt-100, reservándose el sistema de 4 hilos para aplicaciones de muy alta precisión o sistemas de laboratorio. En caso de transmisores montados en la cabeza del sensor, se puede usar siempre el sistema de tres hilos pues la longitud y la resistencia de los cables de interconexión entre el elemento sensor y el transmisor es idéntica por lo que no introducimos ningún error debido a la resistencia de los mismos. En caso de instrumentos que se monten separados del sensor, y en los que se necesite muy alta precisión es aconsejable usar sistemas a 4 hilos o sistemas a tres hilos inteligentes.
Termopozos (Thermowells ) Un “thermowell” o pozo térmico, constituye un sistema de montaje o protección para sensores de temperatura de tipo RTD, termopar o termistor, de alguna atmósfera
corrosiva o perjudicial y los materiales más comunes son en acero inoxidable 304 y 316 y tubos de inconel 600, se pueden fabricar rectos, cónicos, escalonados con conexión a proceso ó bridados. Los termopozos correctos reducirán la posibilidad de daño al instrumento de temperatura que puede causarse por la presión, corrosión, velocidad del fluido, flujo abrasivo, etc. Además este instrumento nos permite retirar el sensor para reemplazo o mantenimiento sin cerrar o detener el proceso
TRANSMISORES
Son elementos de instrumentación, cuya entrada es directamente una termocupla o una RTD y su salida es una señal estandarizada (1-10V, 1-5V, 0-20mA, 4-20mA) o un protocolo de comunicación industrial.
Andrés Morocco A.
TRANSMISORES DE TEMPERATURA PARA RTD
TERMISTORES �� ��������� �� �� ������������� ��� ����� �� ����� �� �� ����������� ��������� �� ������� �� �� �����������. ������� ��� ������ �� ������������ ��� � ���.
1. Mezcla de óxidos en polvo comprimidos 2 y 3. Electrodos de contacto 4 y 5. Terminales de conexión 6. Cápsula o recubrimiento epóxico
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