1. Instrumentación, Conceptos y Definiciones. Generalización: Una gran parte de la instrumentación está relacionada con la medición de las variables de procesos. Esto puede ser para controlar, indicar ó propósitos de conteo. Un entendimiento de los conceptos y términos utilizados es necesario para la comprensión de estos capítulos. Objetivos Generales: El estudiante entenderá los conceptos fundamentales de instrumentación, serán capaces de relacionarse con ellos e identificarlos cuando estos sean utilizados Módulos: 1.1- Introducción. 1.2- Sistema e Instrumentos de Medición 1.3- Otros Conceptos 1.4- Tipos de Errores en la Medición 1.5- Tipos de Transductores 1.6- Control Automático 1.7- Clasificación de los Instrumentos de medición. 1.1.- Introducción. ¿Qué es la Instrumentación? Instrumentación es el conjunto de ciencias y tecnologías mediante las cuales se miden cantidades físicas ó químicas con el objeto de obtener información para su archivo, evaluación ó actuación sobre los Sistemas de Control Automático. 1.2.- ¿Qué es la Medición? Comparar una cantidad con su respectiva unidad con el fin de averiguar cuantas veces la segunda está contenida en la primera. Entre las variables mas medidas en los Procesos tenemos: Presión, Nivel, Temperatura, Flujo, Densidad, variables de análisis químico, etc. Conceptos y Definiciones 1 Sensor: Elemento primario que se encarga de captar la magnitud Física o Química directamente del proceso. Transductor: Un elemento o dispositivo el cual recibe información en una forma de energía y la convierte en una información de la misma forma de energía o en otra forma de energía. Ejemplo: Termopar ( convierte temperatura en voltaje) Cristal piezoeléctrico (presión en voltaje) Tubo Bourdón (presión en movimiento) Transmisor: Un transductor el cual responde a una variable medida por un elemento sensor y convierte esta a una señal de transmisión estándar la que es función solo de la variable medida. Estándares de transmisión: 4 – 20 mA. ------- Eléctrico Más Utilizado 1 – 5 Volts ------- Eléctrico 3 – 15 psig ------ Neumático 20 – 100 kPag -- Neumático 0,2 – 1 kg/cm2 -- Neumático Más Utilizado 1.3.- Otros Conceptos Rango: La región entre los límites dentro de los cuales una cantidad es medida, recibida o transmitida, expresada por rango de valores inferiores y superiores. Ejemplo: Un transmisor de temperatura es calibrado para un rango de 20C a 100C Valores máximo y mínimo del rango: Los valores mas altos y más bajos que son ajustados para las medidas. Valor mínimo (LRV), Valor máximo (URV). Estos son ajustados para cumplir los requerimientos de forma tal que el instrumento sea óptimo con respecto a la exactitud, sensitividad y lectura. Conceptos y Definiciones 2 Rango máximo y mínimo límite: Las cantidades mas altas y más bajas que pueden ser ajustadas para medir. Span: Diferencia algebraica entre los valores máximos y mínimos del rango. Span = URV - LRV Ejemplo: Para un rango de 0 – 1000 psig el Span es 1000 psig. Para un rango de – 20 0C a 120 0C el Span es 140 0C 1.4.- Tipos de error: Error de Cero: El error es del mismo tamaño a través del rango. Error de Span: Error el cual crece o decrece continuamente. Error de angularidad: Error el cual crece en magnitud desde el LRV hasta el medio de la escala y decrece del medio de la escala hasta el URV. Error de banda muerta: El rango a través del cuál una señal de entrada puede variar, en dirección inversa, sin inicial un cambio observable en la señal de salida. Error de histéresis: La propiedad de un elemento de medida para leer un valor como el cambio de variable en una dirección y leer un diferente valor como cambia la variable en dirección opuesta. Causado por una ausencia de elasticidad en el elemento de medida. Resolución: El menor intervalo entre dos valores discretos adyacentes que pueden ser distinguidos uno del otro. Cuando leemos una escala analógica la resolución será 1/5 de la magnitud de los incrementos de la escala. Ejemplo: Un manómetro indica presiones en incrementos de 2 Kpag la resolución es 2 * 1/5 = 0.4 Kpag. 1.5.- Tipos de Transductores Sistemas de palanca y unión. 1.- Amplificación. - Las palancas pueden ser usadas para aumentar o disminuir la fuerza de salida. Primera clase: el punto de giro se encuentra entre fuerza de salida (FO) y la fuerza de entrada (FI). Conceptos y Definiciones 3 FI FO DI DO Balance de Momento FI DI = FO DO Ventaja mecánica (Amplificación) = DI / DO - Las palancas pueden ser usadas para aumentar o disminuir el recorrido de salida. Segunda clase: la fuerza de salida (FO) está entre el punto de giro y la fuerza de entrada(FI ). DI FI FO DO Balance de Fuerzas. 2.3.- Cambio de dirección. Calibración (cero, span, angularidad) Sistemas de palanca y unión típicos. - Nota: Palanca física es la que se ve. Palanca real es la línea recta desde el eje de rotacional punto donde está la unión. Palanca efectiva está 90º a la unión. Conceptos y Definiciones 4 Convertidores de presión a fuerza En instrumentación (y en muchos otros lugares en la industria), existe un grupo de dispositivos a los cuales se les aplica presión de aire o líquido, y el dispositivo (convertidor presión a fuerza) desarrolla una fuerza la cual puede ser usada para realizar trabajo. Casi todos los convertidores de Presión – Fuerza trabajan bajo el principio F=PxA Hay cinco convertidores básicos de presión a fuerza: 1. 2. 3. 4. 5. 1. Tubos Bourdon Diafragmas Fuelles Fuellediafragmas Pistón Tubos Bourdon Tipos: Forma de C, espiral y helicoidales. 0 a 5 psig 0 a 100,000 psig Rango: Principio de Operación: La presión que actúa dentro del tubo resulta en tratar de estirar el tubo. Sección transversal La presión está en función de la longitud del tubo, espesor de las paredes, geometría de la sección transversal y el material (Módulos de elasticidad) Ventajas: - robustez, simplicidad, bajo costo - se pueden hacer de amplia variedad de materiales para diferentes aplicaciones Desventajas: - pequeños movimientos del tubo significan que es necesario el uso de amplificación (ej. Sistemas de palanca unión para producir gran movimiento de la aguja) - no muy sensibles a bajas presiones - susceptibles al atascamiento (tubos pequeños) - susceptibles a vibraciones ej. los usados en sistemas de palanca unión Uso: - principalmente en indicadores de presión. Conceptos y Definiciones 5 Tubos de Espiral y Helicoidal: Tienen el mismo principio de operación, pero debido al enrollado hay mayor recorrido del extremo cerrado por unidad de cambio de presión (son mas sensibles) Ventajas: - mayor recorrido del extremo cerrado, por lo que los sistemas de palanca unión pueden ser no necesarios - mayor recorrido del extremo cerrado, por lo que dan mejor exactitud y sensibilidad para aplicaciones de bajo rango Desventajas: - como los Bourdon Use: - Principalmente en registradores de presión, indicadores de presión Tubos de Espiral y Helicoidal: Tienen el mismo principio de operación, pero debido al enrollado hay mayor recorrido del extremo cerrado por unidad de cambio de presión (son mas sensibles) Ventajas: - mayor recorrido del extremo cerrado, por lo que los sistemas de palanca unión pueden ser no necesarios - mayor recorrido del extremo cerrado, por lo que dan mejor exactitud y sensibilidad para aplicaciones de bajo rango Desventajas: - como los Bourdon Use: - Principalmente en registradores de presión, indicadores de presión Conceptos y Definiciones 6 CROSS SECTION OF PRESSURIZED TUBE NORMAL CROSS SECTION OF TUBE SECTION A-A POINTER (D) 0 A SCALE (E) 100 TIP (C) (CLOSED END) A LINK BOURDON TUBE (B) SOCKET (A) PRESSURE Tubos Bourdon “C” TIP MOVES HERE HELICAL PRESSURE TUBE POINTER PRESSURE SHAFT (DETAIL VIEWOF TYPICAL HELIX) HELIX PRESSURE TIP MOVES HERE Tubos Bourdon Helicoidal El Tubo de Bourdon espiral es similar al Bourdon C con varias vueltas concéntricas, para ganar en amplificación del recorrido. 2. Diafragma Conceptos y Definiciones 7 Limitaciones: - bajas presiones - Pequeños movimientos - No lineales Usos: - actuadores de válvulas elementos de entrada en indicadores y registradores sellos( diafragmas, químicos, etc.) La deflexión del diafragma depende de: - diámetro - espesor del metal - forma de las corrugaciones - número de corrugaciones - módulo de elasticidad E 3. Fuelles Rango: 0 a 5" H2O 0 a 2000 psig Principio de Operación: Un fino tubo de pared de metal con las paredes corrugadas se expande con la presión. P do di Movement F = PA A Effective area 1 (de) 2 4 (do + di) where de = 2 A= Ventajas: - mas linear que un simple diafragma - mayor movimiento que un simple diafragma Conceptos y Definiciones 8 - son relativamente pequeños Limitaciones: - bajas presiones - no puede someterse a trabajos duros Aplicaciones: - elementos de entrada de indicadores y registradores - elementos de retroalimentación en transmisores y controladores 4. Fuellediafragma Rango: 0 a 0.2" H2O 0 a 100 psig Principio de Operación: F = PA La presión comprime el muelle resultando un movimiento proporcional del eje. - movimiento sin fricción - gran recorrido - movimientos laterales del eje se permite input pressure movement Ventajas: - movimiento muy linear Limitaciones: - bajas presiones - necesitan un muelle Conceptos y Definiciones 9 Aplicaciones: - elementos de entrada para indicadores y registradores 5. Pistón Rango: 0 a 25 psig 0 a 400,000 psig Principio de Operación: F= PA Spring Opposed Dual Acting P1 P2 movement movement Ventajas: - gran recorrido y velocidad de golpeo(limitado por longitud del cilindro) - mayor potencia Limitaciones: - alta fricción Aplicaciones: - actuadores de válvula Muelles RasóndeMuelle = S.R. = F cambiodefuerza d recorrido d Conceptos y Definiciones Force = F = mg 10 Ejemplo (SI) d = 0.01 m cuando se colocan 25 Kg de masa S.R. = ? m ) 245 N s2 245 N N S.R. = 24500 0.01 m m F = mg = (25 kg)(9.81 Todas las unidades tienen que estar en el mismo sistema de unidades. Detectores de Movimiento. Estos detectores de movimiento son necesarios en instrumentación debido a que los sensores en su funcionamiento en ocasiones los movimientos son muy pequeños y para la transmisión de la señal se hace necesario amplificarla y llevarla a un estándar que los demás componentes del sistema puedan operar con esta señal, ejemplo válvulas, controladores, etc, normalmente convierten Movimiento a Presión. Hay dos tipos básicos de Detectores de Movimiento mas una combinación de estos. 1. Flapper/Tobera 2. Válvulas Piloto 3. Combinación de Baffle/Tobera y Pilotos(Relays) - mas comunes detectores de movimiento - comúnmente llamados relays 1. El mecanismo de Baffle ó flapper/Tobera (Placa/Tobera) Un dispositivo que convierte un pequeño desplazamiento a una presión proporcional Conceptos y Definiciones 11 Ejemplo: Transmisores de presión (Foxboro 13A), celdas sensores de pequeña presión como presiones de 3-15 psig. Componentes: 1. Baffle 2. Tobera 3. Restricción Siempre mas pequeña que la tobera 4. El compartimiento de presión (salida) - entre la tobera y la restricción. Principio de Operación - Con el Baffle alejado de la tobera - el aire escapa por la tobera rápidamente entonces este se escapa todo por la tobera, el resultado es que no hay presión en el compartimento de presión; salida 0 psi. - Con el Baffle pegado a la tobera - muy poco aire de escape, así la presión crece en el compartimento de presión dando una salida 20 psi (esto toma algún tiempo). - Baffle en el recorrido - algún aire sale por la tobera pero es reemplazado por la alimentación, resultando una presión entre 0 y 20 psi Resumen sobre detectores de movimiento Flapper/Tobera Componentes: - Flapper - Tobera - Restricción fija (menor que la tobera) - Compartimento de presión (entre el Flapper y la Tobera) - La solida Características y Problemas: - alta ganancia - efecto ráfaga - acción lenta - aire pasa por la restricción - el aire sale o ventea por la tobera - consumo de aire continuo Válvulas piloto Componentes: - dos restricciones variables (alimentación y escape) - un mecanismo que varía las restricciones - un compartimento de presión Características y Problemas: - mayor fuerza requerida para operarlas Tipos: - con y sin escape - acción directa e inversa Conceptos y Definiciones 12 - simple/doble salida Relay (Flapper/tobera con válvula piloto) Componentes: - piloto - compartimento de presión de la tobera - convertidor presión a fuerza Características: - reduciendo la restricción y la tobera se reduce - el efecto ráfaga - el consumo de aire - el piloto maneja mayor flujo de aire y opera mas rápido 1.6.- ¿Qué es el Control Automático? Acción, que sin la ayuda de la mano del Hombre, trata de mantener el valor de una variable del proceso (PV) lo más cercana posible a un valor prefijado o punto de ajuste (SETPOINT). Antes del Control Automático Control Manual del nivel de un Tanque Conceptos y Definiciones 13 Control Automático del Nivel de un tanque Proceso: Es un conjunto de equipos, reactores, tuberías, tanques, columnas, etc en los cuales ocurren cambios químicos o físicos que conllevan a la preparación del producto (no incluye los instrumentos de medición y control). Ejemplos de procesos: Cambios en presión, temperatura, etc. Calentamiento y ventilación, destilación, etc. Variable medida: La condición, propiedad o cantidad la cual es medida. A menudo llamada “ variable de procesos”. Ejemplo de condición: Flujo, temperatura, presión, nivel, velocidad, etc. Ejemplo de propiedad: Viscosidad, dureza, pH, densidad, salinidad, etc. Conceptos y Definiciones 14 Ejemplo de cantidad: masa, longitud, números. Variable manipulada: La propiedad o condición de un proceso que es ajustada para mantener un valor constante de la variable controlada. Ejemplo: El flujo de salida de un recipiente puede ser manipulada para mantener el nivel. Variable controlada: La variable del proceso que está siendo controlada. Ejemplo: La variable manipulada puede ser el flujo de vapor en un intercambiador de calor pero la variable que está siendo controlada es la temperatura del fluido que está siendo calentado. 1.7.- Clasificación de los Instrumentos de medición En dependencia de la energía que manipulan y el principio de funcionamiento los instrumentos pueden clasificarse en: 1. Instrumentos Neumáticos. 2. Instrumentos Electrónicos. Analógicos Digitales. (Los que tenemos en nuestra empresa son los Buses de campo). Neumático: El ejemplo más claro de estos instrumentos es la válvula estándar o lineal. Eléctricos: Son de 4 - 20 MA o también de 0 – 20 MA, pero se adoptó como internacional el primero, ya que la alimentación de estos instrumentos van por el mismo cable que los datos y el 0 representaba apagado para el equipo y esto traía confusión. SMAR es la firma que comercializa instrumentos eléctricos y son los que tenemos en nuestra empresa. LD 290 de 4 – 20 mA instrumentos analógico. LD 301 que es un híbrido entre analógico y digital. (Tecnología HART) que existe en los centros colectores. LD 302 Tecnología digital, la comunicación es a través de 0 y 1 con una velocidad de 31,25 KHz, es decir que transmite 31250 datos en 1 segundo. 0000--- 0 0001--- 1 0010--- 2 0011--- 3 Digitales: Dentro de los estos estudiaremos los Buses de Campo Buses De campo La mayoría de los instrumentos presentan dispositivos que ayudan a la transmisión de la información y a la conversión de un tipo de energía en otra para una mejor presentación, muchos de estos son componentes mecánicos y neumáticos. Para satisfacer los requerimientos técnicos crecientemente complejos y las exigencias económicas, es cada vez más necesaria la conexión entre dispositivos y equipos (automatización, maniobra, etc.). Este intercambio de Conceptos y Definiciones 15 información convierte a los aparatos individuales en sistemas conjuntos con una mayor calidad en la conducción del proceso y el diagnóstico. La irrupción de los microprocesadores en los equipos de campo ha posibilitado su integración a redes de comunicación con importantes ventajas, entre las cuales figuran: • Mayor precisión derivada de la integración digital de las mediciones. • Mayor y mejor disponibilidad de información de los dispositivos. • Diagnóstico remoto de componentes. Los buses de datos que permiten la integración de equipos digitales de campo, reciben la denominación genérica de buses de campo. Un bus de campo es un sistema de transmisión de información (datos) que simplifica enormemente la instalación y operación de máquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de producción. El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a través del tradicional lazo de corriente de 420mA. Típicamente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs, transductores, actuadores y sensores. Varios grupos han intentado generar e imponer una norma que permita la integración de equipos de distintos proveedores. Sin embargo hasta la fecha no existe un bus de campo universal. Los buses de campo con mayor presencia en el área de control y automatización de procesos son: •HART • Fieldbus Foundation HART El protocolo HART (High way-Addressable-Remote-Transducer) fue desarrollado inicialmente por Rosemount Inc. y agrupa la información digital sobre la señal analógica típica de 4 a 20 mA DC. La señal digital usa dos frecuencias individuales de 1200 y 2200 Hz, que representan los dígitos 0 y 1 y que forman una onda senoidal que se superpone al lazo de corriente de 4-20 mA. Como la señal promedio de un onda señoidal es cero, no se añade ninguna componente DC a la señal analógica de 4-20 mA. El protocolo HART habilita la comunicación digital bidireccional con instrumentos inteligentes sin perturbar la señal analógica de 4-20 mA. HART permite la transmisión tanto de la señal analógica de 4-20 mA y la señal de Conceptos y Definiciones 16 comunicación digital simultáneamente sobre la misma instalación eléctrica. La información de la variable primaria de control es conducida por la señal de 4-20 mA (si se desea), mientras las medidas adicionales, parámetros de proceso, configuración del dispositivo, calibración, y la información de diagnóstico es al mismo tiempo accesible a través del protocolo HART sobre los mismos cables. Características: • Permite soportar hasta 256 variables • Los transmisores pueden conectarse entre sí a través de un bus y conectarse con 15 aparatos (PLC, PCs, etc.) • Entrega una alternativa económica de comunicación digital. • Implica un ahorro considerable en materiales eléctricos en las instalaciones. FOUNDATION FIELDBUS Foundation Fieldbus (FF) es un protocolo para redes industriales, específicamente para aplicaciones de control distribuido. Puede comunicar grandes volúmenes de información, ideal para aplicaciones con varios lazos complejos de control de procesos y automatización, orientado sobre todo a la interconexión de dispositivos en industrias de proceso continuo. Su desarrollo ha sido apoyado por importantes fabricantes de instrumentación (Fisher-Rosemount, Foxboro, etc.) Actualmente están definidas dos versiones: H1 (31.25Kbps) interconecta equipos de campo, como sensores, actuadores y I/O. En el mercado ocupa un nicho similar al de Profibus PA: mientras que PA está mucho más extendido en Europa, H1 tiene su origen y su área de mayor distribución en América y Asia. Conceptos y Definiciones 17 HSE (100Mbps/1Gbps) provee integración de controladores de alta velocidad (como PLCs), redes H1, servidores de datos, y estaciones de trabajo. Foundation Fieldbus se diferencia de cualquier otro protocolo de comunicaciones, porque en vez de estar pensado simplemente como un medio de transmisión de datos, está diseñado para resolver aplicaciones de control de procesos. Características • Apropiado para su uso en zonas de seguridad intrínseca (IS) • Dispositivos de campo alimentados a través del bus • Topología en bus o en árbol • Permite comunicación multi-master • Transmisión de datos distribuida • Modelo de bloques estandarizado para una interfaz uniforme a los dispositivos • Opciones de extensión flexibles basadas en la descripción de los dispositivos Conceptos y Definiciones 18
