Trabajo Práctico de Problemas 3

TRABAJO PRÁCTICO Nº 3
Instrumentación de los sistemas de control
OBJETIVOS.
Conocer las características generales de los instrumentos e interpretar información
de catálogos.
Aprender una metodología general para seleccionar y eventualmente dimensionar
instrumentos y válvulas.
Entender el significado y consecuencias de la característica de flujo de una válvula.
Incorporar una metodología para la determinación de las acciones de válvulas y
controladores.
PROBLEMA 3.1
Se dispone de un transmisor de presión manométrica 614G de ABB (se adjunta catalogo
614G_1SG.pdf), codificado 614G-S2-31-3-1-151-11, que se empleará para medir presión en un
proceso industrial. Se calibró el instrumento para medir presiones entre 5000 y 20000 kPa.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
¿Cuál es el límite mínimo del alcance?
¿Cuánto vale rango, el cero y el span de medición?
¿Cuánto vale el máximo error de medición en este caso?
¿Cuál es el valor máximo de presión admisible sin daños
irreversibles para el instrumento?
¿Cuál es la señal de salida del instrumento?
¿Cuánto vale la señal de salida cuando la presión es de
13000 kPa? Acote el error.
Calcule la ganancia del transmisor.
Escriba la función de transferencia del instrumento.
PROBLEMA 3.2
Se tienen dos transmisores de presión diferencial de las siguientes características:
Marca
Alcance máximo
Salida
Exactitud
Tiempo de respuesta
al escalón
EMC-28
0 - 200 kPa
4 - 20 mA
0.4 % del Span
1 s para alcanzar el
80 % del cambio máximo.
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FIX-32
0 - 400 kPa
1-5 V
0.4% R
2 s para alcanzar
el 95 % del cambio máximo.
(a) ¿Cuál es más sensible?
(b) ¿Cuál es más exacto?
(c) ¿Cuál es más rápido?
PROBLEMA 3.3
Se necesita medir e indicar la temperatura del agua de un tanque cuya magnitud se estima que
variará entre 20 y 160 °C. Se usará una termoresistencia Pt-100 construido según normas DIN que
asegura una exactitud de
0.1 % del span. Se va a emplear un indicador/transmisor Omega
DP1610.pdf para indicación local y transmitir la señal a un panel de control. A partir de la
información técnica indique:
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Tipos de señales de entrada y de salida del elemento primario.
Tipos de señales de entrada y de salida del indicador/transmisor.
Rango de calibración del transmisor.
El valor de las salidas del sensor y del transmisor cuando la temperatura es de 120 °C.
Cota del error en la medición del valor anterior
Función de transferencia del sistema medidor-transmisor.
En el anexo E se adjunta la tabla de Resistencia versus temperatura, Tp3_e.pdf, extraída del
Apéndice E del libro: Kerlin T.,Shepard R (1982). Industrial Temperature Measurement, Instrum.
Soc. of America, Research Triagle Park, U.S.A, pag. 271. (Problema resuelto en el sitio Web de
Control de procesos).
PROBLEMA 3.4
Una placa de orificio acusa diferencia de presión de
120 mm columna de agua cuando circula 600
m3/hora de un líquido. El transmisor de presión
diferencial es electrónico (linealidad ± 0.1 % Span)
con salida 4-20 mA y está ajustado con un rango 0150 mm c.a.
(a) Calcule el máximo caudal que se podrá
medir con este dispositivo.
(b) Compute la ganancia del sistema de
medición (placa de orificio más transmisor)
para cualquier caudal.
(c) Indique la ganancia del transmisor (en % y
mA).
(d) ¿Cuál será la salida en mA cuando circula
400 m3/h? ¿Qué porcentaje del span
representa?
(e) ¿Cuál será el caudal que circula cuando la
salida del transmisor es 12 mA? ¿Qué % del
span representa?
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PLACA DE
ORIFICIO
TOMAS DE
PRESIÓN
TRANSMISOR
DE PRESIÓN
DIFERENCIAL
PROBLEMA 3.5
Es necesario medir el nivel de agua (temperatura 20 °C) en un tanque abierto a la atmósfera para lo
cual se utiliza un transmisor diferencial de presión de rango ajustable, electrónico, señal de salida 4
a 20 mA, dinámica despreciable.
(a) Las tomas de alta y baja se ubican a 0.5 y 3.0 m medidas desde el fondo del tanque. ¿Cuál es
el rango y span del elemento primario? ¿Cuánto vale el cero?
(b) ¿Qué señal indicará el
transmisor cuando el nivel
sea 1 m?
(c) Escriba la función de
transferencia del sistema de
medición-transmisión.
(d) ¿El dispositivo es lineal?
(e) Esquematice
con
un
diagrama en bloques el
sistema integrado por los
elementos
primario
y
secundario.
(f) Realice la gráfica de las
señales entrada-salida de los
dispositivos.
h2
h1
H
L
PROBLEMA 3.6
Dimensione una válvula de control globo de doble asiento, trim V-Port, característica de flujo igual
porcentaje, marca Masoneilan, Serie 10000 (se adjunta catálogo CH2500.pdf), que se instalará en
una línea de 14 pulgadas de diámetro. La presión aguas arriba es de 28 (psi) y aguas abajo de 20
(psi). El caudal normal máximo es de 1600 (gpm). El fluido es agua a temperatura ambiente.
PROBLEMA 3.7
En la figura se ve un sistema de control de nivel correspondiente al circuito de agua de enfriamiento
de una torre humidificadora y se desea dimensionar la válvula de control que será globo balanceada
(asiento doble) guiada en los dos extremos, marca Taylor, tipo 'TA'.
El agua tiene una temperatura que puede oscilar entre 15 y 20 °C y circula por una cañería de 12
pulgadas que descarga a la atmósfera. La diferencia de altura entre el nivel de líquido en el tanque y
la descarga puede ser despreciada. La característica de operación de la bomba centrífuga dada por el
fabricante es:
F (gpm)
P (psi)
0
27.50
400
27.14
800
26.04
1200
24.22
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1600
21.67
2000
18.39
2300
15.45
Los caudales que normalmente circulan, según el Encargado de la División Procesos de
Enfriamiento, están entre 600 y 1900 (gpm). La pérdida de carga de la línea (cañería, accesorios y
filtro) se estima con buena precisión con la fórmula
PL = 2.5 10-6 F2
calculada usando el factor de Fanning para escurrimiento en cañerías y un equivalente para el filtro.
La pérdida de carga se expresa en (psi) y el caudal en (gpm).
LT
LIC
La tabla de los coeficientes de flujo de la válvula proporcionados por el fabricante es la mostrada a
continuación:
Diámetro Carrera
(Pulg.)
(pulg)
Apertura de la válvula en %
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
6
2
8.67
15.1
25.0
38.2
57.0
84.5
124
178
328
449
8
2
9.36
15.6
25.7
42.1
70.2
121
218
382
577
780
10
3
24.4
37.5
56.4
86.6
137
214
337
522
768
1110
12
3
25.0
55.0
90.0
145
225
342
525
800
1230 1680
(a) Indicar el diámetro de la válvula.
(b) Graficar PL y P de la bomba en función del caudal. Indique el Pv para los caudales
normales.
(c) ¿En qué ámbito estará la apertura de la válvula normalmente?
(d) ¿Cuál es el caudal máximo que circulará por la válvula y Pv para ese caudal?
(e) Calcular el valor del parámetro de la instalación.
(f) Graficar caudal en función de la apertura. ¿Varía apreciablemente la ganancia de la válvula
en el rango de trabajo normal?
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(g) Graficar la relación entre caudal y caudal máximo como función de la apertura para las dos
situaciones siguientes:
1. Para la válvula instalada y,
2. Cuando la pérdida de carga en la bomba es constante y la pérdida de carga en la línea
es despreciable.
(h) ¿Hay deformación de la característica inherente de flujo? (Problema resuelto en el sitio Web
de Control de procesos).
PROBLEMA 3.8
Se está analizando si la característica de flujo de la válvula de la figura se modifica cuando se la instala
en una línea con una fuerza impulsora total de 16 Psi.
La válvula tiene una característica de
flujo inherente lineal y su coeficiente de
flujo vale 100 para apertura máxima.El
fluido que circula por la misma es agua.
F
(a) Represente en un gráfico
F/Fmáx en función de la apertura
para:
(a1) Pérdida de carga en la línea
nula
(a2) Pérdida de carga en la línea
p L (psi) 3 10 4 F 2 (gpm) .
(b) Calcule el valor de
LT
LIC
LV
en los casos a1 y a2.
PROBLEMA 3.9
F
LT
LIC
LV
Cv máx
220
230
240
Se ha instalado un sistema de control de
nivel de agua a temperatura ambiente
como el de la figura. La fuerza impulsora
disponible total es de 30 psi.
Los caudales normales de agua varían
entre 80 y 400 gpm. La pérdida de carga
en la línea es 16 psi cuando el caudal es
de 400 gpm. El flujo es subcrítico y la
temperatura es la ambiente. Se dispone
de tres válvulas cuyas características se
describen en la tabla.
Característica inherente Rangeabilidad
lineal
50:1
igual porcentaje
20:1
lineal
100:1
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(a) Graficar pérdida de carga en la línea y presión total disponible en función del caudal
(b) Graficar el caudal que circula por la válvula en función de la apertura para los tres casos
(c) ¿Cuál válvula elige? Justifique.
PROBLEMA 3.10
Una válvula de control V-PORT SLEEVELINE está instalada en una línea donde la distribución de
presiones que absorbe la línea y la bomba, en función del caudal se muestran en la figura.
Los caudales normales máximos y mínimos son 7 y 2 galones por minuto respectivamente. El flujo
es turbulento. El fabricante suministró la siguiente información cuando vendió la válvula.
Cv máx
0.53
3.5
13.2
52.8
211.2
844
D (plg)
0.1
0.25
0.5
1
2
4
La característica inherente de flujo de la válvula es la mostrada en la gráfica
siguiente.
(a) Dimensione la válvula.
(b) Encuentre el valor de .
(c) ¿En qué rangos de apertura trabaja la válvula?
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PROBLEMA 3.11
Un fluido de proceso se calienta en un tanque aprovechando vapor de escape de turbinas. En la
unidad se implementó un lazo de control de temperatura como se ve en la figura.
Corriente
de Proceso
Vapor de
Escape
TV
205
TIC
205
TIT
205
Si la temperatura a la salida del tanque calefactor nunca debe superar los 65 C, indique la acción de la
válvula de control ante falla y la acción del controlador.
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PROBLEMA 3.12
Un sistema de control como el de la figura deberá mantener el nivel de agua en un tanque de
suministro según el diagrama P&I de la figura. Tiene una válvula con característica igual porcentaje
instalada. El transmisor tiene dinámica despreciable y es lineal.
F
LT
LIC
(a) Especifique la acción de la válvula ante fallas.
(b) Indique acción del controlador.
(c) Analice como actúa el lazo de control cuando aumenta abruptamente el caudal de
alimentación.
PROBLEMA 3.13
En un reactor tanque agitado continuo de 600 galones
de capacidad (constante) se produce una reacción de
primer orden en fase homogénea (constante específica
de velocidad de 1.20 min-1) en forma isotérmica. Se
instaló un lazo de control de composición del reactivo
en el seno de la masa reaccionante empleando un sensor
lineal.
El Ingeniero de Procesos informa que el caudal
alimentado se encuentra (en condiciones de estado
estacionario) entre 150 y 300 galones por minuto. La
válvula de control es globo con un coeficiente de flujo
máximo de 135.
AC
AT
En esta válvula, cambiando el obturador, se puede obtener distintas característica de flujo. (ver
gráfica del fabricante).
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el Ingeniero de planta proporcionó los siguientes datos:
F - Caudal
(gpm)
150
300
p línea
(psi)
32.7
32.8
P impulsión
bomba (psi)
40.6
40.4
(a) Calcular el coeficiente α de la instalación.
(b) Tabular para cada característica de flujo, el rango de apertura en el que trabajaría para los
caudales normales de trabajo. ¿Todas se pueden usar en esta aplicación?
(c) Tabular la ganancia en los valores extremos de apertura de trabajo, para los tipos que pueden
ser usados en las condiciones de trabajo.
(d) Elegir la acción del controlador.
(e) Desarrollar el diagrama en bloques del sistema de control. Ubicar las perturbaciones.
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CONCEPTOS INTRODUCIDOS EN EL TEMA 3
Rango (Range), span, cero de un instrumento. Sobre alcance.
Exactitud, Repetibilidad, linealidad, histéresis y banda muerta. Tiempo de
respuesta.
Señales estandarizadas.
Dimensionamiento de válvulas. Cuerpo, actuador.
Característica inherente de Flujo. Característica instalada de Flujo.
Acción ante falla de válvulas. Normal Cerrada (SAC, Fail Close). Normal
abierta (SAA, Fail Open).
Controlador ON OFF. Controlador PID. Acción de controladores.
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