Elementos Primarios de Medición Profesor: Cristhian Ivan Riaño Jaimes 1/10/2022 Diplomado en Automatización Industrial CONTENIDO a) Introducción b) Características de los instrumentos a) Caracterización del funcionamiento c) Simbología y narrativa de proceso a) Nomenclatura b) Interpretación de un P&ID c) Identificación de los tipos de sistemas de Control y narrativa de proceso d) Modelado y simulación a) Tipos de Modelos b) Efectos de la retroalimentación y diagrama de bloques c) Elementos primarios dentro de un Lazo de control regulatorio d) Identificación de variables, señales, perturbaciones, fallos y ruidos 1/10/2022 2 Introducción al Análisis de Sistemas de Control Revisión Histórica: 1. Regulador centrifugo de James Watt. 2. 1922 Minorsky y Elmer Sperry en 1911 Regulación automática. 3. 1932 Nyquist Procedimiento para determinar la estabilidad. 4. 1934 Hanzen introdujo el termino servomecanismo https://www.youtube.com/watch?v=ASIl3HWTT4U https://fjp.at/control/pid/pid-control/ Definiciones Variable controlada ? Variable manipulada ? Perturbaciones? Control Retroalimentado ? Sistema de Control Retroalimentado? Sistemas de control en lazo cerrado? Planta? Proceso? Sistemas? Definición de Planta Una planta es un equipo, o un juego de piezas de una máquina funcionando conjuntamente, cuyo objetivo es realizar una operación determinada. Llamaremos planta a cualquier objeto físico que deba controlarse. Ejemplo: • Horno de calentamiento • Reactor Químico • Motor 1/10/2022 5 Definición de Proceso Proceso es una operación o desarrollo natural, caracterizado por una serie de cambios graduales, progresivamente continuos, que se suceden uno a otro de un modo relativamente fijo, y que tiende a un determinado resultado final; o a una operación voluntaria o artificial progresivamente continua, que consiste en una serie de acciones controladas o movimientos dirigidos sistemáticamente hacia determinado resultado o fin. Se define proceso a cualquier operación que deba controlarse. Ejemplo: • Procesos Químicos • Procesos económicos • Procesos biológicos 1/10/2022 6 Medición de variables físicas. Instrumento de Medición: Dispositivo que tiene como entrada una variable física proveniente de un proceso y como salida un valor numérico. Componentes de instrumento de medición: La operación de un sistema de medición es el resultado de un conjunto de operaciones en serie de las funciones que realiza internamente el instrumento. Instrumentación Industrial: Es la técnica y equipos que se ocupan de Medir, Transmitir y/o Regular de forma automática, aquellas magnitudes físicas y químicas cuyo conocimiento es importante para el funcionamiento de un proceso, en términos de calidad y seguridad 1/10/2022 Medición de variables físicas. Proceso 1/10/2022 Elemento Primario Sensor Transductor Acondicionador de Señal. Elemento de Indicación. Medición de variables físicas. Proceso: Un proceso es una parte de una planta de manufactura, en la cuál, el material o la energía es convertida a otras formas de material o energía. Elemento Sensor: Elemento que mantiene el contacto con el proceso, sensible a los cambios que se quiere medir. Es el elemento que normalmente está en “contacto” con el proceso y genera una salida (señal), la cual depende de la variable a medir. Ej: Termopar, galgas extensiométricas, fotocelda. 1/10/2022 Medición de variables físicas. Transductor: Se encarga de convertir la señal del sensor en otra variable que preserva la información entregada por el sensor. Elemento Acondicionador: Amplifica y depura la señal entregada por el transductor. Toma la salida del sensor y la convierte en una señal adecuada para un posterior procesamiento. Ej: convertidores, amplificadores, filtros, atenuadores. Elemento Procesador: Toma la salida del acondicionador, y la procesa, calcula y la convierte en unidades de ingeniería nuevamente. (Variable). Ej: promediadores, integradores, retenedores, computador, PIC, FPGA. 1/10/2022 Medición de variables físicas. Elemento Presentador: Toma el valor calculado por el elemento procesador y se lo presenta al Observador, en una forma que pueda ser interpretado. Ej. display, monitor, indicador con escala, graficador. Nota: La ingeniería de instrumentación, se encarga del diseño y construcción de cada uno de los bloques que conforman un sistema de medición. 1/10/2022 Medición de variables físicas. Algunos de los Factores que afectan la medición son: • • • • • • • • • 1/10/2022 La exactitud La precisión La resolución La Repetitividad La reproductibilidad La linealidad La histéresis El error La Incertidumbre Características de Operación. • • • • Rango: Variables mínimos y máximos de las variable que el instrumento es capaz de medir. Ejemplo: Rango de 100°C a 300°C. LRV (Valor de Rango Mínimo): El valor mínimo de la variable medida que un dispositivo esta ajustado para medir. URV(Valor de Rango Máximo): El valor máximo de la variable medida que un dispositivo esta ajustado para medir. Alcance (span): Diferencia algebraica del rango máximo de medida con el rengo mínimo de medida. Características estáticas. La variable medida no cambia con el tiempo. Error: Es la diferencia algebraica entre el valor medido por el instrumento y el valor real de la variable. Error Span: La desviación del valor ideal varía en diferentes puntos a lo largo del rango del instrumento, Normalmente se incrementa cuando la entrada se incrementa. Error de Cero: Un instrumento tiene un error de cero cuando todas las indicaciones de instrumento son consistentemente altos o bajos a través del rango completo del instrumento cuando es comparado con la salida del instrumento. Exactitud • Es el grado de acercamiento de la lectura o valor medido por el instrumento con respecto al valor de la magnitud real. Exactitud es la cercanía del valor experimental obtenido, con el valor exacto de dicha medida. Repetibilidad. Es la capacidad de reproducción de la lectura de un instrumento al medir sucesivamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones. Sensibilidad y Linealidad Sensibilidad: Variación de la salida por variación de la entrada. Es el mínimo cambio en la entrada capaz de originar un cambio en la salida. Linealidad: Se define como la cercanía con la cual una curva se aproxima a una línea recta. La linealidad es medida como una no linealidad y expresada como linealidad. Zona Muerta Es el rango de valores de la entrada dentro de la cual el instrumento no responde. Histéresis Es la máxima diferencia que se observa en la salida de un instrumento para una misma entrada cuando esta recorre la escala en ambos sentidos. Características Dinámicas. La variable de salida sufre cambios con el tiempo. Constante de Tiempo: Se define como el tiempo que tarda un instrumento en responder al 63,2% de un cambio tipo escalón de la variable medida. Error Dinámico y Tiempo de Respuesta. Error Dinámico: Es la diferencia entre el valor real de la variable que está cambiando y la lectura del instrumento. (Asumiendo que no hay error estático). Tiempo de Respuesta: Es el tiempo transcurrido desde que se produce un cambio en la variable hasta que la lectura o respuesta se estabiliza al nuevo valor. Clasificación de los instrumentos según su función. • • • Instrumentos de medición: • Sensores (elementos primarios). • Transmisores (elementos secundarios). Instrumentos de Actuación: • Elementos finales de control. • Elementos finales de acción de seguridad. Instrumentos de Control y seguridad: • Controladores (P, PI, PID, on/off) • Solver lógicos. Clasificación de los instrumentos según su función. • • • • • • • • • • • Por su función que ocupa en el lazo de control. Indicadores Locales Indicadores remotos Registradores Actuadores Transmisores (elementos secundarios) Elementos primarios Convertidores Receptores Controladores Misceláneos Clasificación de los instrumentos según su función. • Por el tipo de proceso que maneja. • Instrumentos para líquidos. • Sólidos. • Gases. • Pulpas. • Interfaces (líquido-gaseosa). Clasificación de los instrumentos según su función. • Por su principio de funcionamiento (fenomenología). • • • • • • • • • Visual • Densidad • Presión hidrostática • Ultrasonido • Conductividad • Resistividad • Efecto termoeléctrico• (termopar) • Cambio de • resistencia por deformación • Cambio de resistencia por • temperatura Capacidad dieléctrica • Microondas • Radioactividad • Peso • Magnético • Cuántico • Electromagnético • Coriolis • Diferencial de • presión Óptico (IR, UV) Radar Electromecánico Neumático Hidráulico Servo Flotación Desplazador Espectrometría Fotoeléctrico Vórtices Clasificación de los instrumentos según su función. • Por la variable que mide. • • • • • • • • • • Caudal Nivel Presión Temperatura Densidad PH Turbidez Conductividad Frecuencia Color • • • • • • • • • Punto de rocío Viscosidad Velocidad Posición Aceleración Voltaje Corriente Resistencia Impedancia Bibliografía. • • • • • • • • • • • • • • • CÁRDENAS S., Oscar O. Instrumentación Industrial. Mérida, ULA, 1991. CONSEDINE, Douglas M. Process lnstruments and Controls Handbook 3a. De N.Y. McGrawHill, lnc. 1985. CREUS Antonio. Instrumentación Industrial. Barcelona: Marcombo. 1979. DESILVA Clarence W. Control Sensors and Actuators. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall, 1989. ECKMAN, Donald P. Industrial Instruementation. N.Y., John Wiley and Sons, Inc. Elcon instruments. lnc. lntroduction to Intrinsic Safety 4th printing. Iowa: Fisher Controls Intemational, lnc. 1992. Fisher Controls. Control Valve Handbook. 2nd. De. 4th printing lowa Fisher Controls nternational, lnc. 1977. INSTRUMENT SOCIETY OF AMERICA. Standards and Recommended Practices for Instruementation and Control. Reference Guides for Measurement and Control De. 11 th. Volumen one, two, three. U.S.A.: Instrument Society of America. 1991. Manuales de diferentes fabricantes de Instrumentos: OMEGA, FISHER Formando líderes para la construcción de un nuevo país en paz