INSTRUMENTACIN Y CONTROLES DE PROCESO PARA LA INDUSTRIASEGUNDA EDICIN ESCRITO POR: ALBERIC J. ROBICHAUD COPYRIGHT 1996 TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS SE PROHIBE COPIAR ESTE DOCUMENTOVersin 4A

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TABLA DE CONTENIDOCAPTULO I. FUNDAMENTOS DEL INSTRUMENTO Curva de C o n t r o l d e l F e e d b a c k Control del Proceso El Proceso Concepto de Control Curva de Reaccin Seleccin de la Vlvula y Accin del Controler Terminologa del Instrumento Definiciones Diagrama del Proceso y el Instrumento Diagrama de la Hoja del Circuito C o n c e pt o d e P & I D y d e l a H o j a d e l C i r c u i t o SAMA Smbolos de Encerramiento Simbologa de ISA Smbolos Comunes de ISA y SAMA Terminologa de los Dibujos Diagrama del Proceso y del Instrumento Plano de SAMA Plano de ISA H o j a d e C i r c u i t o L I C-1 0 D i b u j o 1 H o j a d e C i r c u i t o F I C- 2 0 D i b u j o 2 H o j a d e C i r c u i t o F I C- 2 0 D i b u j o 3 H o j a d e C i r c u i t o F I C- 2 0 D i b u j o 4 Diagrama del Cableado

CAPTULO 2

MEDICIN DE LA PRESIN Definiciones Presin Definida Ley de Newton Presin Manomtrica Presin Absoluta Presin Diferencial Manmetros Manmetro de Tubo en U Menisco Manmetro de Pozo Manmetro de Tubo Inclinado Tubo Bourdon Tubo Bourdon C Tubo Bourdon Helix Diafragma Cpsula Fuelles Sifn Sello Purga Amortiguador de Pulsacin Principios de la Boquilla de Chapaleta

Principios de Operacin de un Transmisor de balance de Fuerza Cmo podemos relacionarnos con el trmino presin?

CAPTULO 3

MEDICIN DEL NIVEL Definiciones Tubo Indicador Flotador y Cable Flotador y Cable con Contador Mecnico D e s p l a z a m i e n t o , F l o t ac i n Presin de Carga Presin de Carga Ejemplos Elementos Dp, Informacin General Supresin de Cero Elevacin Trminos de Calibracin y Clave de Dimensin Supresin Ejemplo Tanque Abierto Supresin Ejemplo Brazo Exterior Seco Repetidor Elevacin Ejemplo Brazo Exterior Hmedo Supresin Reversa Procedimiento de Calibracin de la Supresin Reversa Tubera de Burbuja Regulador del Diferencial Prueba de Capacidad Puente Wheatstone AC Prueba de Conductancia Operacin de una Prueba de Conductancia Prueba de Radiacin Medidor de Deformacin, Elemento de Carga Medicin del Nivel Ultrasnico Medicin del Nivel Trmico

CAPTULO 4

MEDICIN DEL FLUIDO Clasificaciones de la Medicin del Fluido Desplazamiento Placa de Orificio Tubo Venturi Boquilla del Fl uido Teorema de Bernoulli Nmero de Reynolds Ley de Cuerpos en Descenso Clculos del Fluido Tabla de I.D. de la Tubera Tabla del Factor de Tamao Problemas de Tamao de la Placa de Orificio Ecuacin del Fluido de Vapor Problemas de Fluido de Gas T u b o P i t ot Annubar Medidor de Tarjeta de Seal Medidor de Codo

Rotmetro Medicin del Fluido de Canal Abierto Vertedero Vertedero de Muesca en V Canaln de Parshall Fluidmetro Magntico Medidor de Turbina Vrtice del Medidor de Derrame Fluidmetro Ultrasnico Medi d o r d e l T i e m p o d e V u e l o Medidor Doppler Fluidmetro de Masa Fluido de Masa Inferencial Fluido de Masa Verdadero

CAPTULO 5

MEDICIN DE LA TEMPERATURA Definiciones Transferencia de Calor Conduccin Radiacin Conveccin F r m u l a s d e C o n v e r s i n d e T e m p e r a t ura Termmetros Termmetros Bimetlicos Termmetros de Resorte de Presin Compensacin Mecnica de Temperatura Termopar Tabla de Conversin de Termopar Tipo J Tabla de Conversin de Termopar Tipo K Tabla de Conversin de Termopar Tipo K Cont. T a b l a d e C o nv e r s i n d e T e r m o p a r T i p o S Tabla de Conversin de Termopar Tipo S Cont. RTD Redes de Circuito RTD Tabla de Conversin RTD

CAPTULO 6

ACTUADORES, VLVULAS, COLOCADORES & I/Ps Discusin sobre Vlvulas La Vlvula Automtica Actuador Actuador, Principio de Operacin Juego del Banco de Trabajo Ajuste del Resorte para un Actuador de Accin en Reversa Colocadores Fisher 3582 Fisher 3582, Alineacin, Calibracin Foxboro, Valvactor Vernier Estilo D Principios de Operacin del Colocador C a l i b r a c i n d e l C o l o c a d o r General Vlvulas Giratorias Fisher 1051 con Colocador 3610J Vlvulas Actuadas del Pistn

Calibracin de 3610J y de 3610JP Otras Vlvulas Actuadas de Pistn Ganchos Portacables y Pin Colocadores PMV La Vlvula Seguridad Fallida I/P Vlvula Operada del Motor Teorema de Bernoulli para Vlvulas Caractersticas del Flujo Lineal Caractersticas de Porcentaje Igual Capacidad de la Vlvula Cv Determinacin de la Cada de Presin a travs de una Vlvula Operacin Normal de la Vlvula Chisporroteo Cavitacin Fluctuabilidad de la Vlvula Caractersticas de Vlvulas Sugeridas y su Uso Factores de Seleccin de las Vlvulas Correcciones de la Viscosidad Problemas de Tamao de la Vlvula

CAPTULO 7

RESPUESTAS DEL CONTROLER Control on/off Banda Proporcional Amort i g u a c i n d e A m p l i t u d Banda Proporcional vs. Ganancia Banda Proporcional Cambiante Banda Proporcional y su Relacin con la Estabilidad Desplazamiento Un Controler Slo Proporcional Mecnico con Desplazamiento Demostracin de Circuito Abierto I n t e g r a l o Re s e t e a d o Derivada Ejemplos de Respuestas PID

CAPTULO 8

SINTONIZACIN DEL CONTROLER Discusin El Concepto de Sintonizacin Buen Control Modos de Control PID PID y Performance del Circuito de Control Ganancia Cambiante y Cmo Afecta la Sintonizacin Cont rolers Ganancia vs. Banda Proporcional Error Clculo de la Salida nica de Ganancia Desplazamiento Agregando Respuesta Integral

Agregando Derivada o Rata El Controler Sintonizacin del Circuito Cerrado Determinar la Ganancia ltima F r m u l a s d e S i n t o n i z a c i n de Zeigler/Nichols Mtodo de Oscilacin Amortiguada Mtodo de Sintonizacin del Circuito Cerrado Mtodos de Sintonizacin de la Curva Abierta Curva de Reaccin del Proceso

CAPTULO 9

CALIBRACIN PRESIN Definiciones Caractersticas del Instrumento Es t t i c o Caractersticas del Instrumento Dinmico Estndares de Calibracin Simulacin del Proceso Tester del Peso Muerto Instrumento de Prueba Manmetros Calibradores Neumticos Principios de Calibracin Ajuste del Cero Ajuste del Tramo Ajuste de la No Lin e a l i d a d Procedimientos de Calibracin Procedimientos Estndares de la Calibracin

Prueba

de

CALIBRACIN TEMPERATURA Discusin sobre la Calibracin de la Temperatura Estndares de Calibracin Simulacin del Proceso El Termopar Tabla del Termopar Tipo J Tabla del Termopar Tipo K Tabla del Termopar Tipo S RTD Tabla de Conversin RTD de 100 ohm Termmetro de Vidrio y Tubo Termmetro de Temperatura Bimetlico Sistemas Llenados Mtodo de Calibracin

CAPTULO 10

PROCEDIMIENTOS DE INSTALACIN D i s p o s i t i v o s S e c undarios Instalaciones del Fluido Lquido Instalacin del Vapor Instalacin del Fluido Gaseoso Distribuidor de Tres Vlvulas Red de Circuitos del Transmisor de Dos Alambres Red de Circuitos del Transmisor, Controler, I/P y de la Vlvula

Red de Circuitos Mec nica del Fluidmetro Magntico LENGETA 11 CONVERSIONES UNITARIAS, TABLAS DE VAPOR LENGETA 12 NDICE GLOSARIO DE TRMINOS 1 GLOSARIO DE TRMINOS 2 BIBLIOGRAFA PIRMIDE DE ADIESTRAMIENTO

Notas :C a l i b r a c i n 1. P S I + 1 4 , 7 = P S I A 2. ( M a s a , L o n g i t u d y T i e m p o ) C u a l i d a d e s f u n d a m e n t a l e s d e l a m e d i c i n f s i c a . 3. Galones por min. es una unidad de medicin para el flujo. 4. D i v i d i r l a d e n s i d a d d e l f l u i d o d e l p r o c e s o e n t r e l a d e n s i d a d d e l a g u a y e l a c e i t e d a u n n m e r o s i n d i m e ns i n l l a m a d o g r a v e d a d e s p e c f i c a . 5. A m e d i d a q u e a u m e n t a l a v e l o c i d a d d e u n f l u i d o a t r a v s d e u n a r e s t r i c c i n , disminuye la presin del fluido. 6. L a d i f e r e n c i a e n t r e l a i n d i c a c i n d e l i n s t r u m e n t o y e l v a l o r r e a l d e l a v a r i a b l e m e d i d a e s u n e r r o r e n e l i n s t r u me n t o d e m e d i c i n . 7. E l c o n t a c t o s e c i e r r a c u a n d o l a t e m p e r a t u r a e x c e d e l o s 4 0 F = T > 4 0 . 8. E l c a b e z a l h i d r o s t t i c o , e l p e s o , l a s p r o p i e d a d e s r a d i o a c t i v a s , l a d e n s i d a d y los detectores son un mtodo deducido de medicin del nivel. 9. El Trans. DP mide el nivel del c a b e z a l h i d r o s t t i c o . 10. E l n i v e l d e l c a b e z a l h i d r o s t t i c o n o p u e d e s e r m e d i d o c o n u n a s o n d a d e resistencia. 11. L o s e l e m e n t o s d e l n i v e l t r m i c o i n f i e r e n e l n i v e l m i d i e n d o l a t e m p e r a t u r a . 12. R T D = D e t e c t o r d e T e m p e r a t u r a d e R e s i s t e n c i a . 13. R a n g o d e T e m p e r a t u r a 1 0 0-200F 3- 1 5 p s i g 150F = 9psig 14. E l t r a n s d u c t o r q u e c o n v i e r t e l a c o r r i e n t e e n v o l t a j e e s u n I / E . 15. E l r a n g o d e v a l o r e s s o b r e l o s c u a l e s p u e d e s e r c a m b i a d a u n a s e a l d e entrada sin que se observen cambios en la salida, es llamado Banda Muerta. 16. No es necesario un p e r o d o d e c a l e n t a m i e n t o a l l l e v a r a c e r o o c a l i b r a r u n fluidmetro magntico. 17. E l r a n g o d e t e m p e r a t u r a d e u n T r a n s . e s 0 - 200F salida 3 -1 5 p s i g 150F=12psig. 18. U n e r r o r d e l i n s t r u m e n t o d e m e d i c i n e s l a d i f e r e n c i a e n t r e e l v a l o r r e a l d e l a variable medida y l o i n d i c a d o p o r e l i n s t r u m e n t o . 19. P a r a a s e g u r a r l a e x a c t i t u d d e u n c o n t r o l e r n e u m t i c o e n t o d o s l o s r a n g o s , s e debe ajustar con precisin la angulosidad. 20. S e u t i l i z a u n t e s t e r d e p e s o m u e r t o p a r a c a l i b r a r u n m a n m e t r o 0 -8 0 0 p s i .

FUNDAMENTOS DEL INSTRUMENTOLos circuitos sencillos de control del feedback constan de cuatro componentes mayores: la medicin, el elemento de control final, el controler y el proceso. No e x i s t e u n o r d e n d e p r i o r i d a d e n c u a n t o a c u l p a r t e v i e n e p r i m e r o . S i f a lt a u n a d e las cuatro partes, el circuito es abierto y no es posible el control automtico. U n a M e d i c i n o v a r i a b l e d e l p r o c e s o (P v ) e s l a c o n d i c i n q u e v a a s e r controlada. Existen muchos tipos de mediciones. Generalmente, las variables del proceso usadas por la industria, medidas ms comnmente, son el flujo, el nivel, la temperatura o la presin. Otras mediciones comunes incluyen: Ph, ORP (Potencial de Reduccin de Oxidacin), CD (Monxido de Carbono), posicin del C O 2 ( D i x i d o d e C a r b o n o ) , D O ( O x g e n o D s u e l t o ) , O2 ( O x g e n o ) , c o n d u c t i v i d a d , i opacidad, etc. Los Elementos de Control Final varan o regulan el suministro de energa desde o hacia el proceso. El elemento de control final ms usado es una vlvula a c t u a d a d e l d i a f r a g m a . O t r o s e l e m e n t o s d e c o n t r ol f i n a l s o n l a p r o p u l s i n A C o DC que encienden un motor, que rotan una bomba. Puede usarse un actuador de pistn para estrangular amortiguadores de lucerna o de paleta. La velocidad de un motor hidrulico puede lograrse controlando el ngulo de una placa oscilante.

Los Controlers son el cerebro de un circuito sencillo de control del feedback. Su trabajo es mantener la medicin y reducir la variacin. Los principios discutidos p a r a l o s c o n t r o l e r s p u e d e n s e r a p l i c a d o s a e q u i p o n e u m t i c o, electrnico o digital. Todos los controlers utilizan las mismas respuestas a las variables de control. El Proceso, por ltimo, producir algn tipo de producto. El proceso existe en diferentes combinaciones de capacidad, resistencia y tiempo muerto. La Figura IF- 1 muestra un ejemplo de circuito de control del feedback.

Control del Proceso El verdadero propsito del control es balancear el suministro de energa o material hacia el proceso, contra las demandas del proceso de la salida de ese sistema. Es esencial que todos los componentes relacionados que conforman un circuito de control del feedback sean de la ms alta calidad. Mientras mejor realice su trabajo un dispositivo, mayor ser la capacidad del controler para reducir las variaciones en la variable del proceso. Un circuito de control del feedback mide una entrada y la compara con el punto fijado del controler. Si hay un error entre la medicin y el valor deseado, el controler cambia su salida para llevar la variable medida otra vez al punto fijado. El sistema fsico que va a ser controlado debe ser elctrico, trmico, neumtico, hidrulico o mecnico. Todos estos sistemas operan con las mismas leyes de fsica y dinmica. El comportamiento del proceso caracterizado con respecto al tiempo describe las caractersticas dinmicas del proceso. El comportamiento del proceso que no involucra el tiempo define las caractersticas estticas del p r o c e s o . L a F i g u r a I F- 2 m u e s t r a u n e j e m p l o d e c m o l a i n f o r m a c i n e s p a s a d a alrededor de un circuito cerrado de cont r o l d e l f e e d b a c k .

El Proceso Un controler automtico aplica su salida a un elemento de control final para mantener el control de una variable del proceso. La habilidad para controlar cualquier proceso depende de la eficiencia de la seal de la medicin para responder a los cambios en la salida del controler. A medida que la medicin se acerca al punto fijado, la vlvula se estrangula lentamente reduciendo el cambio e n l a m e d i c i n h a s t a a l c a n z a r e l p u n t o f i j a d o . C u a l q u i e r p r o c e s o pu e d e s e r caracterizado por medio de dos elementos de respuesta. El primero es el tiempo muerto o el tiempo antes de que la medicin comience a responder. Un ejemplo

sera aplicar agua fra a un tubo y a un intercambiador de calor del tubo. Si el agua fra f u e r a d i s m i n u i d a e n 5 % c a d a v e z , t o m a r a u n t i e m p o p a r a q u e l a temperatura fuera percibida por el transmisor de temperatura. Esto creara un retardo o tiempo muerto en la medicin observada. La segunda caracterstica del proceso es la capacidad. La capacid ad representa la energa que debe entrar o salir de un proceso para cambiar la medicin. La capacidad es la medicin de la aptitud del proceso para almacenar volumen lquido, masa, calor, informacin o cualquier forma de energa o materia.

C o n c e p t o d e C on t r o l Para lograr el control, el circuito de control automtico debe estar cerrado. La informacin es pasada continuamente alrededor del circuito desde el transmisor al controler, al elemento de control final, una y otra vez. La salida del controler mueve l a v l v u l a . L a v l v u l a d e b e s e r c a p a z d e a f e c t a r l a m e d i c i n y , a s u v e z , el transmisor debe reportar este cambio de medicin al controler. Si se rompe la va, el circuito es abierto. Cuando el controler es colocado en manual, el control automtico es int e r r u m p i d o y e l c i r c u i t o e s a b i e r t o . L a r e s p u e s t a d e l c o n t r o l e r causado por la medicin no afectar la posicin de la vlvula. Para controlar un proceso, el controler compara la medicin con el punto fijado y hace un ajuste de la salida mientras regresa la variable del proceso otra vez al punto fijado. Dos condiciones limitan el control del controler sobre la medicin. Son p r e c i s i n y r e s p u e s t a . S i l a m e d i c i n e s i n c o r r e c t a o s i e x i s t e u n r e t r a s o e n el proceso, se disminuye la habilidad del controler de man ipular la variable del proceso. Hay otros factores que limitan el trabajo del controler. Una seal de punto fijado imprecisa o la friccin debida al empaque del vstago de la vlvula a u t o m t i c a e v i t a r n q u e e l c o n t r o l e r p r o d u z c a u n a p o s i c i n d e v l v u l a e s pe c f i c a . La friccin se evidencia como una diferencia entre la medicin y el punto fijado. Esta diferencia entre la medicin y el punto fijado causa que el controler flucte. Cuando el controler es forzado a fluctuar es imposible lograr un buen control. U na s o l u c i n a l p r o b l e m a d e f r i c c i n ( f l u c t u a c i n ) s e r a u t i l i z a r u n c o l o c a d o r d e vlvula para superar la histresis. Si la vlvula se mueve con demasiada lentitud, la habilidad para controlar ser d e s p a c i o s a . L a s m e d i c i o n e s r u i d o s a s h a r n q u e e l c i c l o d e la v l v u l a o c a s i o n e desgaste y rotura excesivos. Cuando se encuentra un recalco, el cambio en la salida del controler debe ser en una direccin opuesta al cambio en la medicin. En la Figura IF- 3 se observa un proceso simple que muestra una capacidad y una resistencia simples.

La norma es un proceso con ms de una resistencia y capacidad. Su curva de reaccin es diferente a la mostrada en la Figura IF - 3 . L a a d i c i n d e c o n s t a n t e s de tiempo RC extra agrega r etraso al proceso total. Los procesos tambin exhiben tiempo muerto. El tiempo muerto es el retraso entre dos acciones relacionadas. Si un sensor de temperatura est localizado a cinco pies de un i n t e r c a m b i a d o r d e c a l o r y e l l q u i d o v i a j a a u n a v e l o c i d a d de u n p i e p o r s e g u n d o , el tiempo muerto es igual a cinco segundos. El tiempo muerto puede ser la variable ms difcil de controlar. La Figura IF- 4 muestra un ejemplo de proceso con ms de una resistencia y capacidad.

Curva s de Reaccin L a F i g u r a I F- 5 i l u s t r a e l c o m p o r t a m i e n t o o c u r v a d e r e a c c i n d e c u a t r o p r o c e s o s diferentes (elctrico, presin de carga o nivel, presin y temperatura). Para mostrar este comportamiento, se induce un cambio de paso o recalco en el p r o c e s o . El r e s u l t a d o e s u n a r e s p u e s t a d e a u m e n t o d e l t i e m p o e x p o n e n c i a l . E s t a curva es la misma para los cuatro sistemas. El tiempo que toma cargar a 63,2% de la energa aplicada es llamada constante de un tiempo. La constante de un tiempo es el producto de la resis t e n c i a y l a c a p a c i t a n c i a . D e s p u s d e c i n c o constantes de tiempo completas se obtendr una carga completa.

Seleccin de la Vlvula y Accin del Control L a m a y o r a d e l a s v l v u l a s t i e n e n u n a p o s i c i n d e s e g u r i d a d d e f a l l a . Si u n a vlvula estrangula el agua de enfriamiento, que a su vez manipula la variable del proceso, debe fallar en la posicin abierta cuando se pierde el aire suministrado. Si se utiliza vapor para calentar un producto, esta vlvula debe fallar en la posicin cerrada para evitar que el proceso de sobrecaliente y cree un riesgo en la seguridad. El primer paso en la seleccin de la accin del controler es determinar la posicin de seguridad de falla de la vlvula. Es de hacer notar que si se utiliza un colocador de accin reversa, la seguridad de falla se convierte en un problema. La vlvula se asegurar contra falla con la prdida de presin de suministro; sin embargo, la vlvula fallar en la direccin opuesta si se pierde el a i r e d e l i n s t r u m e n t o ( s e a l d e c o n t r o l 3-1 5 p s i ) . Una vez determinada la seguridad de falla, debe considerarse el efecto que tendra un cambio sobre la medicin y de qu manera debe colocarse la vlvula a s misma para oponerse a ese cambio. Si la vlvula no se opone al cambio en la m e d i c i n , o c u r r i r u n e m b a l a m i e n t o d e l p r o c e s o .

Una vez seleccionada la accin apropiada, la posicin correcta de la vlvula automtica determinar qu tan bien est siendo controlado el proceso. El objetivo del control es proporcionar equilibrio entre el suministro y la demanda. Si va a controlarse el nivel en un tanque, debe hacerse que el flujo que entra y que sale a travs de un esquema de control sea igual. Si existe alguna diferencia e n t r e l a m e d i c i n y e l p u n t o f i j a d o , e l c o n t r o l e r c am b i a r s u s a l i d a p a r a balancear el sistema a un estado estable y restaurar el control.

Existen tres condiciones que ocasionarn perturbacin a la variable del proceso q u e r e q u i e r e d e u n c a m b i o d e p o s i c i n d e l a v l v u l a p a r a r e g r e s a r la m e d i c i n otra vez al punto fijado. Si tiene lugar un cambio en la demanda, el punto fijado o e l s u m i n i s t r o, e l c o n t r o l e r d e b e s e r c a p a z d e m o v e r l a v l v u l a y r e s t a u r a r e l balance.

Terminologa del Instrume n t o En esta seccin se cubre la terminologa referente a los transmisores, controlers, vlvulas y otros dispositivos. Se discuten los Diagramas del Proceso y del Instrumento, los Diagramas de la Hoja de Circuito, y los Smbolos I.S.A. y S.A.M.A. D e f i n i ci o n e s 1. Controler El elemento en un sistema de control que proporciona la accin correctiva. Proceso o Variable Medida La cantidad o condicin que va a ser medida y/o controlada. A veces se hace referencia a ella como Variable d e l P r o c e s o o P v. V a r i a bl e M a n i p u l a d a L a v a r i a b l e q u e e s c o n t r o l a d a a f e c t a n d o e l p r o c e s o o variable medida. Ejemplo: En un circuito de control de temperatura, la temperatura sera la variable medida; el control del vapor para calentar sera la variable manipulada. Transmisor El dispositivo que percibe la variable medida y proporciona una salida proporcionalmente medida al controler, al indicador, al registrador o al sistema de alarma. Punto Fijado E l v a l o r d e s e a d o o p u n t o d e c o n t r o l . e l p u n t o f i j a d o p u e d e s e r g e n e r a d o l o c al m e n t e ( e n e l c o n t r o l e r ) o r e m o t a m e n t e ( e l p u n t o f i j a d o es generado en un punto remoto desde el controler). Auto/Manual La mayora de los controlers tienen una funcin auto/manual. Cuando est en automtico, el controler mantiene su medicin a un punto f i j a d o e s p e c f i c o . E n m a n u a l , l a s a l i d a e s c a m b i a d a a mano, usualmente por un operador. Elemento de Control Final El dispositivo que controla directamente el flujo de energa hacia y desde un proceso. T r a n s d u c t o r U n d i s p o s i t i v o q u e c o n v i e r t e u n a f o r m a de energa en otra. Ejemplo: I/P, P/I, E/I o I/E. Control Una variable controlada es medida y luego comparada con el punto fijado. Si existe un error entre la medicin y el punto fijado, la salida d e l c o n t r o l e r c a m b i a l a p o s i c i n d e u n e l e m e n t o d e c o nt r o l f i n a l ( o v l v u l a ) que a su vez lleva la medicin de nuevo al punto fijado. Feedback La medicin es comparada con un valor deseado. La comparacin de estas dos variables hace posible que el sistema balancee su suministro contra la demanda. Circuito Un arreglo de componentes que completa un sistema y realiza una funcin de control especfica.

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Accin Directa Si la variable del proceso aumenta por encima del punto fijado y esto a su vez ocasiona que la salida aumente, es un ejemplo de accin direc t a . Accin Reversa S i l a v a r i a b l e d e l p r o c e s o a u m e n t a p o r e n c i m a d e l punto fijado y esto a su vez ocasiona que la salida disminuya, es un ejemplo de accin reversa. Unidades de Ingeniera Son los nmeros exactos que representarn 4 miliamperios y 20 miliamperios en un indicador. Se asume que un transmisor mide la temperatura del flujo de aire de combustin. El rango d e l a m e d i c i n e s -5 0 g r a d o s F a h r e n h e i t h a s t a + 1 5 0 g r a d o s F a h r e n h e i t . C u a n d o e l t r a n s m i s o r p e r c i b e u n a t e m p e r a t u r a f s i c a d e 5 0 g r a do s Fahrenheit, la salida del transmisor ser de 4 miliamperios y el receptor indica el nmero 50 grados Fahrenheit. Cuando el transmisor percibe una temperatura fsica de +150 grados Fahrenheit, la salida del transmisor ser de 20 miliamperios y el receptor despliega el nmero +150 grados Fahrenheit.

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Especificaciones del Instrumento Dispositivos como transmisores, controlers, registradores, indicadores, elementos de control final o sistemas de alarma pueden ser descrit os en trminos de cmo la salida de un dispositivo responde a un cambio en la entrada. Las especificaciones del instrumento pueden ser descritas utilizando los siguientes trminos: a. Caractersticas Estticas Las caractersticas estticas se r e f i e r e n a l as variables que no cambian. 1. E x a c t i t u d l a h a b i l i d a d d e u n d i s p o s i t i v o p a r a l o g r a r y mantener una variable. Error Esttico la diferencia entre el valor real y la lectura del instrumento. 2. R e p r o d u c i b i l i d a d l a h a b i l i d a d d e u n i n s t r u m e n t o p a r a indicar o registrar valores idnticos cuando las condiciones de medicin sean las mismas. Desviacin un cambio gradual en la salida aunque la seal de entrada siga siendo la misma. 3. S e n s i b i l i d a d e l c a m b i o m s p e q u e o a l c u a l r e s p o n d e un instrumento. Zona Muerta r a n g o d o n d e u n i n s t r u m e n t o n o r e s p o n d e . Caractersticas Dinmicas Las caractersticas dinmicas se refieren a las variables que cambian. 1. Respuesta l a h a b i l i d a d d e u n i n s t r u m e n t o d e s e g u i r l o s cambios. Retraso la inhabilidad de un instrumento de seguir los cambios. Tiempo Muerto el perodo durante el cual un instrumento no responde. 2. F i d e l i d a d r e p r o d u c c i n f i d e d i g n a d e l a v a r i a b l e m e d i d a . Error de Dinmica la diferencia entre el valor +cambiante y la lectura del instrumento.

b.

16.

C o n t r o l d e C i r c u i to A b i e r t o E l c o n t r o l s i n f e e d b a c k e s p r o b a b l e m e n t e l a forma ms simple de control. La salida del controler es fijada manualmente y la variable controlada acta en ese ajuste. Un sistema de control de c i r c u i t o a b i e r t o n o t i e n e m e d i o s p a r a e n v i a r l a i n f o r ma c i n d e v u e l t a a l controler. Un ejemplo pudiera ser un autolavado. El tiempo en que el agua tibia es aplicada, es agregado el jabn o la cera depende de los parmetros introducidos en un temporizador programado. No hay feedback real en lo que se refiere a si el carro est limpio o no. Otros ejemplos de control de circuito abierto pudieran incluir un lavaplatos automtico o una lavadora. La salida del dispositivo acta en funcin de los ajustes programados. Control de Circuito Cerrado El control donde el feedback es evidente. Un ejemplo simple sera un control on/off de un horno a petrleo en una casa. Cuando la temperatura del cuarto baja del punto de confort deseado (punto fijado) el horno se enciende. Cuando la temperatura est por encima de la esperad a , e l h o r n o s e a p a g a . S e i n s t a l a u n a b a n d a m u e r t a e n el controler (termostato) para evitar que el horno tenga ciclos demasiado frecuentes.

17.

Diagrama del Instrumento y del Proceso Los diagramas del instrumento y del proceso muestran la disposicin general de la tubera y la localizacin de los instrumentos alrededor de un proceso. Se han adoptado dos diferentes juegos de smbolos que muestran las disposiciones del instrumento. Un juego es proporcionado por la Scientific Apparatus Makers Association (S.A.M.A.) y el otro por la Instrument Society of America (I.S.A.). Las tablas siguientes describirn los smbolos y las letras de identificacin utilizados con ms frecuencia.

Diagrama de la Hoja del Circuito El Diagrama de la Hoja del Circuito debe contener informacin necesitada tanto por los tcnicos del instrumento, ingeniera y construccin. Esta informacin incluye identificacin, descripcin, nmeros de cable, nmeros de caja de empalme, nmeros de terminacin, localizacin y cualesquiera fuentes de energa.

P.&I.D. y Concepto de la Hoja del Circuito Una analoga que describe el propsito de los diagramas del proceso y del instrumento y los diagramas de la hoja del circuito pudiera ser ms clara si usted s e i m a g i n a v i a j a n d o d e s d e B a n g o r , M a i n e h a s t a Fl a t v i l l e , I l l i n o i s . L a p r i m e r a tarea es utilizar el mapa de los Estados Unidos (analoga Diagrama del Proceso y del Instrumento) para localizar Illinois. El mapa de los Estados Unidos muestra cmo estn conectados los estados unos a otros as como la loc a l i z a c i n d e l a s p r i n c i p a l e s v a s t e r r e s t r e s . Ahora podemos viajar desde Bangor, Maine, conectndonos con las vas terrestres principales para llegar al estado de Illinois. Un diagrama P. & I.D. no d a i n f o r m a c i n e s p e c f i c a a c e r c a d e u n p r o c e s o ; s i n e m b a rg o , m u e s t r a l a s conexiones relativas de la tubera y cmo estn conectados los dispositivos para dar una visin general. Esta visin general es importante cuando se resuelven problemas en un proceso. El diagrama del proceso y del instrumento ayuda a ver la c a u s a y e l e f e c t o q u e t i e n e n l a s d i f e r e n t e s v a r i a b l e s u n a s s o b r e o t r a s d e s d e un punto de vista general del proceso. Cuando se viaja alrededor del pas utilizando el mapa de los Estados Unidos, en algn momento se revisar el mapa para ver qu va terrest re importante sera la ms rpida para llegar a Illinois. Cuando esto ha sido decidido, tomar el mapa de Illinois. El mapa de Illinois se utilizar para trazar la va ms rpida para llegar a Flatville, Illinois. Si la ciudad es lo suficientemente grande, debera haber un inserto de la ciudad que incluya las calles principales. (Analoga Diagrama de la Hoja del Circuito). Si se necesita mayor informacin acerca de un circuito de control especfico d e b e m o s a c e r c a r n o s . E l D i a g r a m a d e l a H o j a d e l C o n t r o l d eb e i n c l u i r l a s i g u i e n t e informacin: identificacin y descripcin de los dispositivos, nmeros del modelo, nmeros de cable, punto de terminacin, localizacin y cualesquiera fuente de e n e r g a . T a m b i n s e r a b u e n o t e n e r l o s d a t o s d e c a l i b r a c i n ; s i n e m b a r go , e s t a informacin usualmente es colocada en un documento separado.

Las siguientes seis pginas muestran los smbolos I.S.A. y S.A.M.A.:

F I G U R A I F -6

F I G U R A I F- 7

F I G U R A I F- 8

PRIMERA LETRA (4)Variable de Inicio o del Proceso A B C D E ANLISIS QUEMADOR/ COMBUSTIN ELECCIN DEL USUARIO ELECCIN DEL USUSARIO VOLTAJE PROPORCIN (FRACCIN) DEL Modificador

LETRAS SUBSIGUIENTES (3)Lectura o Funcin Pasiva ALARMA ELECCIN DEL USUARIO Funcin de Salida Modificador

ELECCIN DEL USUARIO CONTROL

ELECCIN DEL USUARIO

DIFERENCIAL SENSOR O ELEMENTO PRIMARIO

F G H I J K L

FLUJO ELECCIN USUARIO MANUAL CORRIENTE ENERGA TIEMPO/ HORARIO DEL

VIDRIO O DISPOSITIVO DE VISIN ALTO INDICAR EXPLORAR ESTACIN DE CONTROL RATA O CAMBIO DE TIEMPO MOMENTANEO LUZ BAJO MEDIO O INTERMEDIO ELECCIN DEL USUARIO

NIVEL ELECCIN M USUARIO ELECCIN N USUARIO ELECCIN O USUARIO P Q R S T U V

DEL DEL

ELECCIN DEL USUARIO ORIFACE PUNTO O CONEXIN DE PRUEBA INTEGRAR TOTALIZAR O REGISTRAR SEGURIDAD

ELECCIN DEL USUARIO

PRESIN/VISIN CANTIDAD RADIACIN VELOCIDAD TEMPERATURA MULTIVARIABLE VIBRACIN ANLISIS MECNICO

INTERRUPTOR TRANSMITIR MULTIFUNCIN M U L T I F U N C I N VLVULA, A M O R T I G U A DOR O LUCERNA BIEN NO CLASIFICADO MULTIFUNCIN

W PESO X Y NO CLASIFICADO EVENTO, ESTADO O PRESENCIA POSICIN, DIMENSIN EJE DE LAS X EJE DE LAS Y

Z

EJE DE LAS Z

NO CLASIFICADO RELAI, CALCULAR O CONVERTIR PROPULSOR,ACTUADOR OE LEMENTODE CONTROL FINAL

NO CLASIFICADO

F I G U R A I F- 9

F I G U R A I F- 10

Terminologa del Dibujo L a F i g u r a I F -1 1 , m o s t r a d a e n l a p g i n a s i g u i e n t e , e s u n d i b u j o q u e d e s c r i b e u n control de tambor de vapor de dos elementos para una cald era. El dibujo a la izquierda es la terminologa I.S.A. y el de la derecha es S.A.M.A. Los neumnicos colocados es las diferentes figuras geomtricas significan algo. Estos smbolos nos dicen para qu estn diseados los diferentes dispositivos. LT LC FT FY XY LK f(x) -K K A T T r a n s m isor de Nivel Controler del Nivel Transmisor de Flujo Cmputo del Flujo raz cuadrada Cmputo del Eje X Sumar Estacin de Control del Nivel Funcin no Lineal Proporcional Reversa Accin Reversa Banda Proporcional o Ganancia Generador de Seal Anloga Estacin de Transferencia

F I G U R A I F- 11

L a F i g u r a I F -1 2 e s u n e j e m p l o d e D i a g r a m a d e l P r o c e s o y d e l I n s t r u m e n t o q u e muestra el feedback, la cascada feedforward y control de la relacin.

F I G U R A I F- 1 2

L a F i g u r a I F -1 3 e s e l e q u i v a l e n t e S . A . M . A . d e l a F i g u r a I F - 1 2

F I G U R A I F- 1 3

L a F i g u r a I F -14 es equivalente I.S.A. de la Figura I F- 1 2

F I G U R A I F- 1 4

F I G U R A I F - 15 E s e l d i a g r a m a d e l a h o j a d e l c i r c u i t o d e l c i r c u i t o d e l c o n t r o l d e l nivel usando control SPEC 200 Foxboro

FIGU R A I F - 16. E s e l d i a g r a m a d e l a h o j a d e l c i r c u i t o d e l c i r c u i t o d e c o n t r o l d e l f l u j o- 1 u s a n d o c o n t r o l E S P E C 2 0 0 F o x b o r o

F I G U R A I F - 17. E s e l d i a g r a m a d e l a h o j a d e l c i r c u i t o d e l c i r c u i t o d e c o n t r o l d e f l u j o- 2 us a n d o c o n t r o l E S P E C 2 0 0 F o x b o r o

F I G U R A I F - 18. E s e l d i a g r a m a d e l a h o j a d e l c i r c u i t o d e l c i r c u i t o d e c o n t r o l d e f l u j o- 3 u s a n d o c o n t r o l E S P E C 2 0 0 F o x b o r o

Figura IF - 1 9 e s e l d i a g r a m a d e l c a b l e a d o d e l a F i g u r a I F -1 2

Notas:Revisin del Circuito 1. 2. Un Componente tpico del circuito de control de un proceso tiene un sensor, un controler y un dispositivo de control final. Un rombo en un diagrama de instrumentacin engloba la informacin acerca del punto fijado. Los puntos centrales de conexin para las lneas de seal son llamados cajas de empalme. En un diagrama de circuito neumtico, los nmeros de tubo y de haz son c o n e c t a d o s d i r e c t a m e n t e a l a l n e a de s e a l c o n u n a f l e c h a c u r v a d a . En un diagrama de circuito electrnico, las conexiones de la caja de empalme son cuadrados. En un diagrama de instrumentacin, la ID del circuito es la misma para todos los instrumentos en un circuito. Las lneas de conexin del proceso estn indicadas en un diagrama de instrumentacin (lneas finas). Los alambres de extensin del termopar tienen las mismas propiedades termoelctricas que el termopar con los que son usados (en todas las instalaciones. S e u t i l i z a u n t r a n s d u c t or m V / I p a r a c o n v e r t i r l a s a l i d a d e s d e u n t e r m o p a r hasta la seal estndar de un instrumento de 4 a 20 mA. Tiene que tener una compensacin de empalme fro. Los termopares constantan de hierro son designados con la letra J. Un proceso es e x o t r m i c o s si el c alor es producido por una reaccin. Un proceso es e n d o t r m i c o s i s e r e q u i e r e u n a e n t r a d a d e c a l o r p a r a p r o d u c i r una reaccin. Una ventaja importante de un circuito sencillo/controler digital StandAlone es la flexibilidad de la configuracin. U n c o n t r o l e r el e c t r n i c o a n l o g o n o p u e d e s e r c o n f i g u r a d o d i r i g i e n d o l o s bloques de funcin instalados en fbrica a travs de un teclado.

3. 4. 5. 6. 7. 8.

9.

10. 11. 12. 13. 14.

MEDICIN DE LA PRESINDEFINICIONES 1. Calibrador Un instrumento diseado para causada por un lquido, gas, slido o vaco. medir la presin fsica

2.

Presin L a p r e s i n e s d e f i n i d a c o m o l a f u e r z a p o r r e a d e u n i d a d . l a presin tambin puede ser definida como presin de carga. Presin Manomtrica La presin manomtrica no toma en consideracin la presin atmos f r i c a a u n c u a n d o e x i s t i m o s b a j o u n a c a r g a d e p r e s i n d e aire a 14,696 PSIA. La presin manomtrica es relacionada con la presin atmosfrica, por lo tanto, 0 PSIG es igual a la presin atmosfrica. P r e s i n A b s o l u t a C u a n d o s e i n c l u y e e l e f e c t o d e l a p r es i n a t m o s f r i c a en la medicin, es llamada libras por pulgada cuadrada absoluta o PSIA. 14,696 PSIA = presin atmosfrica. La referencia cero para la presin absoluta es un vaco perfecto. Presin Diferencial La diferencia de presin entre dos puntos. Peso = m a s a x a c e l e r a c i n d e b i d a a l a g r a v e d a d . Fuerza = masa x aceleracin (Ley de Newton) Masa = L a c a n t i d a d d e m a t e r i a q u e c o n t i e n e u n c u e r p o Newton = K g x m / s e g 2 Pascal = N e w t o n / m e t r o 2 1 ( u n o ) p a ( P a s c a l ) = 0 , 0 0 1 4 5 p s i 1 A t m s f e r a = 29,92 Hg. a 0 g r a d o s C , 3 3 , 5 2 p i e s d e H O a 6 8 g r a d o s 2 F. 1 B a r = 14,504 psi 29,53 Hg. a 0 grados C, 33,52 pies de H O a 68 2 grados F. Aceleracin debida a la Gravedad = 32,17 pies/seg 9,806 m/seg . M a n m e t r o Un tipo de indicador utilizado para medir presi o n e s b a j a s . Menisco La superficie curvada que aparece en la parte superior de una columna de lquido. El menisco es ledo en su centro. Tubo Bourdon Un elemento de presin en C, helicoidal o con forma de espiral utilizado para convertir la presin a movimiento mecnico. Pulgadas de Agua Una medicin que hace referencia a la presin como en relacin con la altura del agua en una columna. Es denotada como W . C . o H2 O.2 2

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Pulgadas de Mercurio Una medicin que hace referencia a la presin c o m o e n r e l ac i n c o n l a a l t u r a d e l m e r c u r i o e n u n a c o l u m n a . E s d e n o t a d a como pulgadas Hg. La Gravedad Especfica del Mercurio Es 13,596 veces ms pesado que el agua.

19.

La presin es definida como una fuerza dividida entre el rea sobre la cual es ejercida. La fuerz a es relacionada con el peso y es medida en libras o Newtons. El rea puede ser expresada en pulgadas cuadradas, pies cuadrados o metros cuadrados. La presin puede ser la medicin ms confusa debido a que existen muchas maneras de expresarla. Las unidades utilizadas para expresar la presin son: pulgadas de agua, pies de agua, milmetros de agua, pulgadas de mercurio, milmetros de mercurio, libras por pulgada cuadrada, bar, milibar, gramos por centmetro cuadrado, kilogramos por centmetro cuadrado, Pascal, Kilopascal, Megapascal, torr o atmsferas.

Ley de Newton

Fuerza = Masa x aceleracin

La aceleracin debida a la gravedad tiene una varianza de 0,1% alrededor del mundo, debido en gran medida al hecho de que el ecuador est ms alejado del centro de la tierra que los polos. Debido a que hay ms masa desde el centro de la tierra hasta el ecuador, el efecto de la gravedad es mayor. Si la aceleracin debida a la gravedad no es una constante, la respuesta derivada de la frmula para el peso (peso = masa x aceleracin debida a la gravedad) dar una respuesta ligeramente diferente debido a la localizacin en la tierra donde ha sido dejado caer el objeto. System International est tratando de estandarizar la medicin de la presin en Unidades Pascal. Esto r educir el nmero de unidades de presin que ahora se usan. Pueden expresarse dos frmulas concernientes a la aceleracin debida a la gravedad para incluir el sistema Ingls o el sistema Mtrico. En el sistema Ingls un objeto caer en un vaco a una rata de 32,17 pies ms y ms rpido cada segundo cerca de la superficie de la tierra. Al final del primer segundo un objeto habr cado 32,17 pies. Al trmino del segundo nmero dos el objeto habr cado 64,34 pies. Al final del tercer segundo el objeto habr cado 96,51 pies, y as sucesivamente. Debido a que no vivimos en el vaco, la atmsfera tiene un efecto en los objetos que caen. Durante los primeros diez segundos, un objeto descendente acelera a 32,17 pie/seg/seg hasta que la atmsfera empieza a oponer r e s i s t e n c i a a e s e o b j e t o d e s c e n d e n t e . M i e n t r a s m s r p i d o c a e e l objeto mayor es la resistencia. Cuando el objeto viaja a aproximadamente 120 mph, se alcanza la velocidad terminal. La velocidad terminal es el punto en e l q u e l a f u e r z a d e l o b j e t o d e s c en d e n t e e s i g u a l a l a r e s i s t e n c i a a e s a c a d a . Cuando se alcanza la velocidad terminal, el objeto no aumenta la velocidad. En el sistema Ingls: En el sistema Mtrico: Aceleracin debida a la gravedad = 32,17 pies/seg2

A c e l e r a c i n d e b i d a a l a g r a v e d a d = 9, 8 m e t r o s / s e g

2

Pascal = Newton/M Newton = fuerza de 1 Kg acelerando a un metro por segundo por segundo. O N = K g x M / s e g2

2

La presin atmosfrica es causada por el peso de la atmsfera de la tierra y es i g u a l a 1 4 , 6 9 6 P S I A , a l n i v e l d e l m a r , a = g r a do s C 3 2 g r a d o s F . L a p r e s i n manomtrica PSI es presin medida sin tomar en consideracin la presin atmosfrica. 0 psig es realmente la presin atmosfrica o la presin ejercida por la atmsfera al nivel del mar a 32 grados F. Si el trmino PSI es usado por s mismo, se asume que es presin manomtrica. Otra manera de expresar la presin es utilizar la escala de presin absoluta. Esta escala utiliza un vaco perfecto como su punto cero o de referencia, de m a n e r a q u e 1 4 , 6 9 6 P S I A e s r e a l m e n t e l a p r e s i n at m o s f r i c a , q u e e s t a m b i n 0 PSIG. Un vaco es cualquier presin menor que la presin atmosfrica. Cero PSIA es un vaco perfecto. PSID o Libra por Di f e r e n c i a l d e P ulgada C u a d r a d a e s s i m p l e m e n t e l a d i e f e r e n c i a de presin entre dos puntos. La unidad comn utilizada para exoresar la presin diferencial es PSID. Un Pascal es 0,000145 psi, un Kpa (kilopascal) es 0,145 psi y un Mpa (megapascal) es 145 psi. El Pascal utiliza el Newton como medicin estndar de fuerza. Debido a que el Newton es independiente de la fuerza de gravedad, se convierte en un estndar en cualquier parte del Universo. Cambiar la magnitud del Pascal se completa slo agregando el sufijo kilo, mega a Pascal. La Figura P - 1 m u e s t r a l a r e l a c i n e n t r e l a p r e s i n a b s o l u t a y l a p r e s i n m a n o m t r i c a.

Manmetros Existen muchos mtodos y mecanismos utilizados para medir la presin. El dispositivo ms simple y ms antiguo utilizado para medir la presin es el manmetro. Hay tres diseos bsicos de manmetro; el Manmetro de T bo en u U, el manmetro de Pozo y el Manmetro de Tubo Inclinado. Todos son utilizados para medir presiones bajas. Estos dispositivos son populares y econmicos, sensibles, precisos y requieren de muy poco mantenimiento. La F i g u r a P - 2 muestra un ejemplo de manmetro de tubo en U.

Descripcin del Manmetro de Tubo en U 1. 2. El manmetro tiene forma de U. Como referencia, el brazo izquierdo ser etiquetado A y el lado derecho ser denominado como lado B. Si se aplica presin al brazo A, el brazo A baja; mientras que el B sube. La presin aplicada al manmetro se convierte elevacin entre los meniscos de las dos columnas. en la diferencia en

3. 4.

5.

El manmetro de tubo en U puede medir la presin en cualquiera de los brazos, as como medir e l vaco. La presin puede ser medida en pulgadas de agua o pulgadas de mercurio. La presin diferencial tambin puede medirse utilizando un manmetro.

6.

Un menisco es la forma del lquido donde toca el recipiente tanto para agua como para mercurio. El menisco es medido en su centro. La Figura P- 3 m u e s t r a e l m e n i s c o t a n t o p a r a a g u a c o m o p a r a m e r c u r i o .

El Manmetro de Pozo La apariencia de este manmetro es muy similar al de tubo en U, con un brazo r e e m p l a z a d o p o r u n p o z o c o n u n r e a d e s u p e r f i c i e m u c h o m s g r a n d e q u e e l rea dentro del tubo de vidrio. La forma del pozo no tiene incidencia en la operacin; sin embargo, el pozo debe tener suficiente fluido para llenar totalmente el tubo si la presin es lo suficientemente alta para llenar el tubo. Si el pozo es veinticinco veces el rea de la superficie interior del tubo y la presin fuerza el lquido del pozo hacia abajo una pulgada, el fluido en el tubo subir 25 p u l g a d a s . L a F i g u r a P- 4 m u e s t r a u n m a n m e t r o d e p o z o .

Manmetro de Tubo Inclinado El manmetro de tubo inclinado tiene un tubo que est inclinado para crear ms movimiento horizontal que movimiento vertical. Recuerde, la presin aplicada est relacionada con el cambio vertical entre meniscos. Cambios ligeros en la presin causarn una pequea desviacin vertical que a su vez causa una gran desviacin horizontal. Un manmetro de tubo inclinado es utilizado para calibrar lecturas de presin baja con gran precisin. Un manmetro de tubo inclinado de a l t a calidad tiene un nivel de burbuja, un ajuste de nivel y espejo. Mientras se mira el menisco del fluido, alinear la imagen reflejada del menisco y ver la escala. La medicin de la presin ser precisa debido a la iluminacin del ngulo d e p a r a l a j e . L a F i g ura P - 5 m u e s t r a u n m a n m e t r o d e t u b o i n c l i n a d o .

Tubo Bourdon Un tubo Bourdon es un pedazo de tubera redondo y aplanado. Se le anexa una conexin roscada en un extremo mientras que el otro extremo ser sellado. C ua n d o s e a p l i c a p r e s i n a l t u b o , s t e t r a t a d e e n d e r e z a r s e e n p r o p o r c i n a l a cantidad de presin aplicada. El movimiento real del extremo sellado es de slo 7 grados. El tubo Bourdon en forma de C mover el puntero en la cara frontal del indicador aproximadamente 270 grados. El extremo sellado es anexado a una palanca con engranaje que mueve un husillo que a su vez rota un puntero. Los buenos manmetros pueden manejar una sobrepresin de 35% sin daarse. Un indicador exhibir una cierta cantidad de histresis y desviacin, y esta informacin ser incluida con la declaracin de precisin del fabricante. Los indicadores fuera del anaquel (porttiles) deben tener una precisin del 1%, mientras que los indicadores de prueba de buena calidad deben tener una precisin desde % hasta %. El comps de precisin ayuda a reducir el efecto d e c u l a t e o e n e l m e c a n i s m o . L a F i g u r a P- 6 m u e s t r a l a c o n s t r u c c i n d e u n t u b o Bourdon en forma de C.

FIGURA P - 6

L e c t u r a s N o m i n a l e s d e l M a n m e tro Cuando se lee un indicador, la presin nominal del proceso se lee en la parte superior del tercio medio de la escala o aproximadamente dos tercios de la e s c a l a m e d i d a . L a F i g u r a P-7 m u e s t r a d n d e d e b e e s t a r e l p u n t e r o a l l e e r l a presin nominal.

Tubos Bourdon Helicoidal y Espiral

Tubo Bourdon Espiral Las tasaciones de presin para la tubera estn directamente relacionadas con el calibre o grosor de los materiales utilizados. Debido a que el dimetro del tubo Bourdon espiral se agranda para cada vuelta sucesiva, son hechos de material de calibre ms ligero. Es ms fcil doblar en espiral tubera de pared delgada y es por esta razn que el manmetro espiral tpico leer presiones slo hasta 2 0 0 p s i . L a F i gu r a P - 8 muestra un ejemplo de un tubo Bourdon espiral.

Tubo Bourdon Helicoidal L a hlice e s t h e c h a d e m a t e r i a l e s d e c a l i b r e m s p e s a d o s . E s m s f c i l d o b l a r tubera de calibre pesado hasta formar una hlice debido a que cada vuelta tiene el mismo calibre. Pueden leerse presiones tan altas como 80.000 psi. El espacio tambin puede determinar qu calibre va a utilizarse. Los espirales son utilizados en aplicaciones donde el caso es superficial y el rea de superfi c i e e s grande, mientras que la hlice es utilizada con un caso profundo donde el rea de superficie es pequea. Sin importar la forma, el tubo debe regresar a su forma original despus de que la presin es aplicada. Los materiales ms comunes utilizados en la fabricacin de tubos Bourdon son bronce fosforado o acero inoxidable. Tanto el tubo espiral como el helicoidal proporcionan un movimiento d e p a l a n c a d e a p r o x i m a d a m e n t e 4 5 g r a d o s e n e l e x t r e m o s e l l a d o . L a F i g u r a P-9 muestra un tubo Bourdon helicoidal.

Diafragmas, Cpsulas y Fuelles

El Diafragma Un diafragma es una lmina de metal o plstico enrollada en redondo, sellada en su circunferencia. Est colocada en una caja que tiene una entrada de presin y algn tipo de anexo mecnico conectado al centro del diafragma. Cuando se aplica la presin, se flexiona lejos de la fuente de presin y el movimiento es transferido al mecanismo. La Figura P- 10 muestra un diafragma.

Cpsula Una cpsula est construida utilizando dos o ms diafragmas juntados en su circunferencia de manera que la presin aplicada cree una desviacin total d i r e c t a m e n t e p r o p o r c i o n a l a l n m e r o d e d i a f r a g m a s e n l a c p s u l a . L a F i g u r a P -1 1 muestra una cpsula de diafragma. La cpsula de diafragma es llenada usualmente con aceite de silicio.

Fuelles Un fuelle es un elemento expandible conformado con una serie de pliegues o repliegues. Cuando se aplica presi n interna al fuelle, se expande. A veces se utilizan fuelles en lugar de un tubo Bourdon. Los metales ms comunes utilizados en la construccin de fuelles son el latn y el acero inoxidable. Un fuelle desarrolla muchas veces el poder de un tubo Bourdon, es piral o hlice, con forma de C. La combinacin resorte fuelle crea una relacin lineal entre la presin y el movimiento. Utilizar un fuelle con un resorte tiene numerosas ventajas. La tensin inicial del resorte se convierte en el ajuste de cero y el nm e r o d e v u e l t a s a c t i v a s s e c o n v i e r t e e n e l t r a m o . U n r e s o r t e d e c a l i d a d o f r e c e r e s t a b i l i d a d a l a r g o p l a z o . L a F i g u r a P - 12 muestra un ensamble de fuelle.

Sifn Un sifn rabo de cochino es utilizado cuando un indicador o transmisor va a ser aislado de altas temperaturas. Esto se hace para evitar dao al tubo Bourdon o al sensor del transmisor. Por ejemplo, cuando se mide la presin del vapor, d e b e e v i t a r s e q u e e l v a p o r c a l i e n t e e n t r e e n e l t u b o B o u r d o n p a r a e v i t a r d a o al elemento sensible. El sifn es un circuito sencillo, con vlvula en un extremo y un indicador en el otro. El vapor entra inicialmente en el rabo de cochino, se condensa otra vez a lquido y, al hacer esto, aisla trmicamente del calor un i n d i c a d o r . E s e n c i a l m e n t e u n s i f n e s u n a t r a m p a . L a F i g u r a P- 1 3 m u e s t r a u n ejemplo de sifn o rabo de cochino.

Sellos y Purgas Si un instrumento mide fluidos viscosos, voltiles, corrosivos o extremadamente calientes o fros, se hace necesario el uso de un sello o purga de presin.

Sello D e b e n u t i l i z a r s e sellos l q u i d o s c o n f l u i d o s c o r r o s i v o s . U n s e l l o p r o p o r c i o n a u n a manera para evitar que los fluidos del proceso entren en el instrumento de medicin. Un sello trabaja sobre el principio de acoplar presiones de proceso a travs de una accin hidrulica. Los lquidos no son comprimibles. La presin es ejercida en el diafragma sensible creando una fuerza. Esta presin es acoplada a l d i s p o s i t i v o d e m e d i c i n , l o q u e a i s l a d e l p r oc e s o e s e d i s p o s i t i v o s e n s i b l e . L a Figura P- 14 muestra un ejemplo de un sello de presin.

Purga Las p u r g a s lquidas son utilizadas en lquidos viscosos, calientes, voltiles, c o r r o s i v o s o e n l q u i d o s q u e c o n t i e n e n s l i do s e n s u s p e n s i n . L a s r a t a s d e l a g u a de purga deben ser lo suficientemente pequeas de manera que no haya contaminacin del producto. Una rata de purga tpica es 1 g.p.h. o menos. La Figura P- 15 muestra un ejemplo de dos tipos de purgas. D e b e u t i l i z a r s e un r e g u l a d o r d i f e r e n c i a l c o n u n a p u r g a . E s i m p o r t a n t e q u e e l f l u j o de agua de purga no afecte la precisin de las mediciones. Un regulador diferencial mantendr constante la rata de purga sin importar los cambios en la p r e s i n d e l p r o c e s o . E n l a F i g u r a L- 17 s e m u e s t r a u n d i b u j o m e c n i c o d e u n regulador diferencial. El ejemplo en esta pgina es una aplicacin de nivel, el regulador aun trabaja principalmente de la misma manera.

Amortiguador de Pulsacin U n a m o r t i g u a d o r de p r e c i s i n e s u t i l i z a d o c o n l q u i d o s o g a s e s b a j o p r e s i n que estn sometidos a fluctuaciones excesivas, pulsaciones o rpidos cambios de presin. Este dispositivo proporciona una lectura filtrada o promedio al i n d i c a d o r r e s t r i n g i e n d o l a a m p l i t u d d e l a c am b i a n t e p r e s i n d e l p r o c e s o m i e n t r a s prolonga la vida del indicador o del dispositivo de medicin. En la Figura P- 16 se muestran dos tipos diferentes de amortiguadores de pulsacin.

T r a n s m i s o r N e u m t i c o d e Ba l a n c e d e F u e r z a

Principios de Chapaleta/Boquilla Un transmisor de balance de fuerza percibe la presin y convierte esta presin a una seal proporcional de 3/15 psi o de 4 - 20 miliamperios. Esta seal transmisible es enviada sobre una distancia de gener almente no ms de 600 pies para dispositivos neumticos o de 1.500 pies para dispositivos electrnicos. Ser importante estudiar los circuitos neumticos ya que los dispositivos operados a aire no se estn extendiendo. Los fundamentos bsicos de detencin neumtica en colocadores, I/Ps, controlers neumticos, o para la mayor parte, todos los dispositivos neumticos que perciben y transmiten. El principio bsico de operacin de cualquier dispositivo neumtico de medicin de balance de fuerza es seguro par a comprender la boquilla/chapaleta, el ensamble del relai y el feedback negativo. La operacin del ensamble chapaleta/boquilla es de suprema importancia para comprender los circuitos neumticos. La Figura P -1 7 muestra el esquema de un ensamble chapaleta/boquilla con un relai neumtico. Estos componentes conforman los rudimentos bsicos de los dispositivos neumticos.

Explicacin: chapaleta/boquilla, relai O b s e r v a r l a F i g u r a P-1 7 d u r a n t e e s t a d i s c u s i n . S e a p l i c a n v e i n t e l i b r a s ( v e i n t e #) de aire limpio, seco, libre de agua, libre de aceite (punto de condensacin 65 grados) desde una fuente de aire de instrumento (compresor) a travs de una restriccin (reduce el volumen de aire) a la boquilla. La presin de suministro escogida es cinco libras (cinco #) mayor de lo necesario. La salida del transmisor e s d e 3-15 psi. El suministro es 15+5 o veinte psig. Parece haber opiniones diferentes acerca de los requerimientos de aire del instrumento. Podemos pasar mucho tiempo buscando problemas de aire que no slo reducen nuestra eficiencia como trabajadores sino que tambin vuelve inoperables algunos instrumentos. Escasamente se gasta un veinte por ciento de un milsimo de dlar de inversin en equipo de automatizacin y dispositivos r e l a c i o n a d o s . S i u s t e d t i e n e pr o b l e m a s d e c a l i d a d d e l a i r e d e l i n s t r u m e n t o , arrglelos y tendr una mejor performance del instrumento a largo plazo.

Si la boquilla fuera a ser de carga muerta (restringida positivamente) entonces la presin trasera subira a 20#. Si la cha paleta fuera separada suavemente de la boquilla permitiendo que el aire circule libremente desde la boquilla, la presin trasera caera a algn valor bajo dependiendo de cunto flujo de aire es obstruido por la restriccin. El cambio en la presin trasera es aplicado a travs

De la tubera a un diafragma en el relai neumtico. El diafragma es anexado fsicamente a una vlvula de vstago que se abre permitiendo que algn porcentaje del aire de suministro llegue a la salida. Mientras ms grande sea la presin trasera aplicada al diafragma del relai, ms se abre la vlvula piloto. Notar que mientras la vlvula de vstago se abre, la vlvula del respiradero se cierra. Cuando la fuerza ejercida por la presin de aire en el diafragma es balanceada por el resorte plano, se logra el equilibrio y el vstago deja de moverse. La presin de salida en este punto alcanza un estado estable. Para cada posicin relativa de la chapaleta/boquilla habr una presin trasera definitiva detrs de la boqui lla. Una posicin definida en el diafragma del relai r e s u l t a r e n l a c r e a c i n d e u n a s a l i d a d e f i n i d a e n t r e 3 - 15 psi relativa a la posicin chapaleta/boquilla. No es poco razonable que un transmisor neumtico tenga una precisin de % o mejor. D e l m n i m o al m x i m o , e l m o v i m i e n t o t o t a l e n t r e l a c h a p a l e t a y l a b o q u i l l a e s aproximadamente 0,0006 (6 diezmilsimas) de pulgada que produce un cambio en la presin trasera de de un psi detrs de la boquilla. Este cambio de psi es aplicado al relai neumtico (amplificador neumtico) convirtindolo en un c a m b i o d e 3 -1 5 p s i e n l a s a l i d a d e l t r a n s m i s o r .

Principio de Operacin de un Transmisor Neumtico de Balance de Fuerza Los dispositivos neumticos de balance de fuerza trabajan sobre los principios de relai y de la boquilla de la chapaleta justo como se describi. Mientras se lee el principio de operacin del transmisor del balance de fuerza, mirar la Figura P18 para localizar las partes. Debajo est la secuencia de eventos que explica el principio de operacin de un transmisor de balance de fuerza: 1. La presin es aplicada a la cpsula del diafragma del transmisor como calibre psi, psi absoluto o psi diferencial. Mientras haya una diferencia en la presin entre el lado bajo y el lado alto del transmisor, existe un desbalance de fuerza que mueve la cpsula en una direccin u otra. Se asume que se aplica presin positiva al lado alto del transmisor con respecto a su lado bajo. La presin en el lado alto ocasiona que la barra de balance de fuerza se m u e v a h a c i a la derecha. El diafragma acta como un fulcro y como sello entre el proceso y los trabajos superiores del transmisor. La parte superior de la barra de balance de fuerza se mueve hacia la i z q u i e r d a , h a l a n d o l a c h a p a l e t a m s c e r c a d e l a b o q u i l l a i n c r e m e n t a nd o as la presin trasera. Un aumento en la presin trasera en el diafragma del relai causa que la vlvula de vstago se abra, permitiendo ms presin de salida del relai, aumentando as la salida del transmisor. La misma presin es aplicada al fuelle del feedback que ahora trata de alejar la chapaleta de la boquilla para balancear mecnicamente el dispositivo. El feedback negativo es esencial para la operacin de cualquier dispositivo neumtico o electrnico. Si el cambio en la presin trasera ayuda a la entrada, la salida se saturara o en este caso ira a una salida de 20# y el transmisor no trabajara. En este punto la calibracin inicial del resorte del tornillo de ajuste del cero balancea las fuerzas para producir una salida de 3# sin diferencia a t ra v s d e l l a d o a l t o a l l a d o b a j o d e l t r a n s m i s o r . E l a j u s t e d e l t r a m o s e realiza cambiando la ventaja mecnica entre las fuerzas del feedback y cunto permite esto que cambie la relacin de la boquilla de la chapaleta. S i n i m p o r t a r e l r a n g o d e c a l i b r a c i n d et e r m i n a d o , e l t r a m o d e s a l i d a s e r ajustado a 15#, acomodando lo que ser el rango de calibracin superior.

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Operacin de el Transmisor de Balance de Fuerza

Cmo podemos relacionarnos con el trmino presin? La presin es igual a la fuerza dividida entre el rea sobre la cual es ejercida. O: FUERZA Presin = REA

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El agua pesa 62,43 libras x pie cbico. Un pie cuadrado = 144 pulgadas cuadradas. Una columna de agua que tiene dimensiones de 12 de ancho, 12 de profundidad y 12 de alto pesara 62,43 libras. Si las 62,43 libras de agua son ejercidas sobre las 144 pulgadas cuadradas entonces sobre cada pulgada cuadrada en la parte inferior de u n t a n q u e c u a d r a d o s e h a e j e r c i d o u n a p r e s i n de: 62,43 libras 144 pulg. 2 = 0,4335 psi

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Una columna de agua de 1 de profundidad, 1 de ancho y 12 de alto ejerce una fuerza de 0,4335 psi. Una columna de agua de 1 de profundidad, 1 de ancho y 1 de alto e j e r c e r u n a p r e s i n d e 0 , 4 3 3 5 p s i / 12 = 0,036125 psi. El mercurio es 13,596 veces ms pesado que una carga de agua equivalente. Si 1 pie de agua ejerce 0,4335 psi, entonces 1 pie de mercurio ejercera una presin de: 0,4335 psi x 13,596 = 5,984 psi. S i 1 2 d e H2 O = 0 , 4 3 3 5 e n t o n c e s: 1 psi = 12/o,4335 psi o 2 7 , 6 8 p u l g a d a s o 1 psi = 27,68/13,596 (densidad del mercurio) = 2,036 pulgadas de mercurio Utilizar esta ecuacin para calcular la presin hidrosttica de cualquier columna de agua: P = 0 , 4 3 3 5 p s i x ( G ) x ( h ) = p r e s i n e n psi = gravedad especfica, sin dimensin. = el desplazamiento vertical de una columna en pulgadas.

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P G h

L a F i g u r a P -1 9 m u e s t r a l a r e l a c i n d e u n p i e c b i c o d e a g u a , s u p e s o y c u l e s la presin ejercida por pulgada cuadrada.

Notas:Solucin de Problemas 1. Puede evitarse un circuito de tierra en cables encerrados conectando a tierra la pantalla en un extremo del circuito. Una lectura de baja resistencia de una seal de conductor no atierrada conectada a tierra i ndica un problema en un circuito abierto desde el conductor hasta el envoltorio. Los alambres de seal preferiblemente deberan ser cables encerrados. Un dispositivo utilizado para cambiar una seal anloga en seal digital es a m e n u d o l l a m a d o u n c o n v e r tidor. R a n g o d e e n t r a d a d e u n t r a n s . 4- 20 ma, 50-3 3 0 . S a l i d a 1 3 , 7 m a . S a l i d a 2 2 1 grados F. 3-1 5 p s i t r a n s . e s 5 0 -350 grados. La seal de salida es psi 8,9 a 198F. La banda muerta de un instrumento es el rango a travs del cual puede cambiarse una seal d e e n t r a d a , e n d i r e c c i n r e v e r s a s i n c a m b i o s observables en la salida.

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Medicin por chorro continuo 1. En un abierto aire en inferior sistema de medicin de nivel por chorro continuo, con el extremo de la tubera de purga en la parte inferior del tanque, la presin de la tubera es igual a la presin ejercida por el lquido en la parte del tanque.

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Cuando se usa un sistema de tubera de buzamiento (por chorro continuo) para la medicin del nivel del tanque, la tubera de buzamiento es conectada al lado alt o d e l a c e l d a d P .

Medicin del Nivel 1. La temperatura del producto aumenta en un tanque de almacenamiento. La celda de carga dar una seal precisa que indicar el verdadero volumen de masa en el tanque. Una celda de carga hidrulica no requiere de fuent e de energa. Accin reversa, el aire para cerrar (presin de seal ascendente) ocasiona que el vstago del actuador se mueva hacia arriba, cerrando una vlvula.

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Medicin del Nivel Definiciones 1. Capacitancia Un capacitador tiene una propiedad que lo posibilita almacenar cargas elctricas como un voltaje y regresar esta energa al circuito cuando el voltaje cae. Conductancia La facilidad con la cual un conductor lleva una corriente elctrica. Desplazador Un dispositivo de nivel que trabaja sobre el principio de que un cuerpo sumergido en un lquido ser flotado por una fuerza igual al peso del lquido desplazado. (Principio de Arqumedes) Flotador Un dispositivo indicador de nivel que opera por movimiento de flotacin a medida que cambia el nivel. El movimiento de flotacin conduce luego esta informacin a un puntero o indicador. Infrarrojo Radiacin encima de la luz visible L o s d e t e c t o r e s d e n i ve l temperatura donde otros electromagntica que yace en el espectro por y por debajo de las frecuencias de microondas. infrarrojo son utilizados en aplicaciones de alta mtodos no funcionarn.

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Carga Esttica La presin creada por el peso de un lquido que presiona hacia abajo en la parte inferior de un recipiente en el cual est contenido el l q u i d o . E s t e e s p r o b a b l e m e n t e e l m t o d o m s u s a d o p a r a m e d i r e l nivel. Ultrasnico O n d a s d e s o n i d o d e a l t a f r e c u e n c i a q u e p u e d e n u t i l i z a r s e en aplicaciones de nivel. Elevacin Cuando el punto de referencia cero para un transmisor est por debajo de la referencia de cero de un tanque, debe elevarse el cero del transmisor. Supresin Cuando el punto de referencia cero para un transmisor est por encima de la referencia de cero de un tanque, debe suprimirse el cero del transmisor. Supresin Reversa Este mtodo de calibracin es una alternativa a la Elevacin. Densidad Masa por volumen unitario. Gravedad Especfica Una proporcin sin unidad de la densidad de una sustancia a la densidad del agua a una temperatura estndar. T u b o I n d i c a d o r U n m t o d o d i r e c t o u t i l i z a d o p a r a m e d i r e l n i v e l e n u n tanque.

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Debajo se encuentran enlistados algunos de los mtodos ms comunes utilizados para medir el nivel. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. Tubo indicador Flotador y Cable Desplazamiento (flotabilidad) Carga (presin) Tubera de Burbuja Capacitancia Conductancia Radiacin (nuclenica) Peso Ultrasnico Trmico

Los tanques proporcionan espacios para almacenar o procesar materiales utilizados en nuestras fbricas. El nivel es medido en tanques, recipientes, reservorios, cajones y tambores. Las mediciones exactas son importantes para un inventario de fbrica de los materiales procesados. Las mediciones de nivel de un tanque pueden ser tanto simple como complejas ya que los materiales pueden ser corrosivos, tener tendencia a solidificarse, a vaporizarse, a cambios en la gravedad especfica o contener slidos que pueden crear problemas especiales y mtodos para resolverlos.

Tubo Indicador Un tubo indicador es un mtodo directo de lectura de un nivel local. El trmino local se refiere a un d i s p o s i t i v o l o c a l a l p r o c e s o m i s m o . E s e n c i a l m e n t e u n t u b o indicador es un manmetro de tubo en U que tiene brazos de diferentes tamaos con la misma presin aplicada tanto al lado alto como al lado bajo al mismo t i e m p o . C u a n d o u n m a n m e t r o t i e n e l a m i s m a pr e s i n a p l i c a d a t a n t o a l l a d o a l t o como al lado bajo al mismo tiempo ambos brazos tienen la misma altura. El nivel e n e l t u b o i n d i c a d o r e s e l n i v e l e n e l t a n q u e . L a F i g u r a L-1 m u e s t r a u n e j e m p l o de un tubo indicador sencillo.

Flota d o r y C a b l e Un flotador se mueve sobre la superficie del lquido. El nivel es medido transmitiendo a un puntero el alza y cada del flotador en un tanque a medida que cambia el nivel. El puntero o mecanismo es conectado, por medio de un cable o de cinta p erforada, a un indicador o escala con graduaciones. Este mtodo particular es utilizado en tanques abiertos o ventilados. Las ventajas incluyen la simplicidad de la medicin y que es insensible a los cambios en la densidad. Una desventaja es que estn limi t a d o s a l q u i d o s l i m p i o s y l a turbulencia pudiera ocasionar movimiento errtico del flotador. Si esto se convierte en un problema, pueden instalarse flotadores en un pozo quieto. Hay dos grandes tipos de indicadores de flotador y cable. Uno tiene una pesa y un flotador, con un sistema de cable y polea. Los flotadores son utilizados con tanques abiertos o ventilados. La escala es ubicada fuera del tanque con el nivel 100% indicado en la parte inferior y el nivel 0% en la parte superior de esa e s c a l a . L a F i g u r a L-2 m u e s t r a u n e j e m p l o d e e s t e m t o d o .

El segundo utiliza un sistema de cinta perforada de acero inoxidable y polea. Este sistema proporciona un poco ms de precisin y es fcil leer el nivel en la parte inferior del tanque. El mantenimiento puede ser un problema real si la cinta s e r o m p e . L a F i g u r a L-3 m u e s t r a u n e j e m p l o d e u n s i s t e m a d e f l o t a d o r y c a b l e utilizando una cinta perforada. En la parte inferior del tanque est colocado un indicador mecnico de manera que l as mediciones puedan ser ledas fcilmente.

Desplazamiento (flotabilidad) Un desplazador trabaja basado en los Principios de Arqumedes para la f l o t a b i l i d a d . E l P r i n c i p i o d e A r q u m e d e s e s t a b l e c e q u e u n c u e r p o s u m e rg i d o e n un lquido flotar por una fuerza igual al peso del lquido desplazado. Puede utilizarse un transmisor de flotabilidad para mediciones de nivel, de interface de materiales o de densidad. El nivel es percibido por la fuerza boyante ejercida sobre un desplazador sumergido en un lquido. La fuerza boyante es convertida por un sensor de balance de fuerza o de medidor de deformacin a una seal t r a n s m i s i b l e p r o p o r c i o n a l d e 3- 15 psi o de 4- 2 0 m i l i a m p e r i o s . No debe utilizarse un transmisor de desplazamiento en condiciones turbulentas a menos que se use con un pozo quieto. El balanceo errtico puede ocasionar cambios impredecibles en la medicin o incluso dao fsico al tanque. Los transmisores de desplazamiento trabajan muy bien con recipientes revestidos de vidrio, en aplicaciones de densidad, presiones de proceso fluctuantes y son buenos en servicio a temperatura media. Los lineamientos para el desplazador son: tienen un dimetro constante, son ms pesados que el lquido desplazado y deben ser ms largos que el nivel que va a ser medido. Otros lineamientos especficos incluyen que la fuerza boyante mnima = 1 , 4 7 l i b r a- f u e r z a o 6 , 7 N . L a m a s a m x i m a d e l d e s p l a z a d o r m s s u c a b l e colgador no debe exceder 12 libras o 5,4 Kg o el tramo de fuerza boyante x 6, el q u e s e a m e n o r . L a F i g u r a L- 4 m u e s t r a e l p r i n c i p i o d e f u e r z a b o y a n t e .

La frmula para determinar el tramo de fuerza boyante es: F = V x (Lw/L) x (B) x (S.G.) F V Lw L B S.G. Ejemplo: V = (pi/4 x d ) x L o (pi x r ) x L L = 40 Lw = 30 S.G. = 1 D i m e t r o d e l D e s p l a z a d o r = 3 POR LO TANTO: V = ( 3 , 1 4 / 4 x 32 ) x 40 V = (0,785 x 9) x 40 V = 2 82,6 pulg. cb. F = 282,6 pulg. 3 x (30/40) x (0,036125 lbf/pulg. 3 ) x 1 F = 282,6 pulg.3 2 2

= = = = = =

t r a m o d e f u e r z a b o y a n t e ( l b f . o N ) l i b ra p i e e s u n a fuerza torsional volumen total del desplazador en pulgadas cbicas o centmetros cbicos longitud de trabajo del desplazador en pulgadas o milmetros longitud total del desplazador en pulgadas o milmetros una constante (pes o por volumen unitario de agua) o 3 0,036125 lbf/pulg. gravedad especfica

x 0,75 x 0,036425 lbf/pulg.3

3

F = 211,95 pulg. x 0,036125 lbf 3 pulg. F = 7,6302 lbf

Presin de Carga Hidrosttica E l m t o d o d e c a r g a h i dr o s t t i c a u t i l i z a d o p a r a m e d i r e l n i v e l e s e l m e d i o m s comn para medir el nivel en un recipiente. Muchos tipos de dispositivos de medicin del nivel utilizan la altura del lquido en un tanque para inferir el nivel del lquido en ese mismo tanque. El pri ncipio de la medicin de carga hidrosttica est basado en la frmula: Presin = Fuerza/rea sobre la cual se ejerce la presin Un pie cbico de agua pesa 62,43 libras P = presin en libras por pulgada cuadrada F = 62,43# A = 1 pie cuad. o 144 pulg. cuad. P P 1 psi = 62,43#/144 pulg. = 0,4335 psi ejercidas en la parte inferior de una columna de agua de 12 = 0,4335 psi/ 12 pulg. = 0,036125 lbs/cuad. ejercidas en la parte inferior de una columna de agua de 1 = 2,31 pies W.C. = 27,68 pulgadas W.C.2

L a F i g u r a L- 5 muestra el porqu 12 de H2 O e j e r c e n 0 , 4 3 3 5 p s i g .

Ejemplos: ejemplo: Se monta un manmetro en un tanque de agua 20 pies por debajo del nivel de la superficie. Encontrar la presin de carga ejercida, en p s i g, l u e g o c o n v e r t i r l a a p u l g a d a s d e a g u a . P = 0,4335 psi x (1) x (20 pies) P = 8 , 6 6 p s i O ( 2 7 , 6 8 H2 O por psi) x (8,66 psi) = 240 W.C.

solucin:

ejemplo:

solucin:

Se monta un manmetro 20 pies por debajo del nivel en un tanque de aceite. La gravedad especfic a de aceite es 0,92. Encontrar la presin de carga ejercida, en psig, luego convertirlas a pulgadas de agua. P = 0,4335 psi x (0,92) x (20 pies) P = 7 , 9 7 6 p s i O ( 2 7 , 6 8 H2 O por psi) x (7,976 psi) = 220,8 W.C. Esta afirmacin dice realmente que 240 de aceite a una gravedad especfica de 0,92 ejerce la misma carga que 220,8 de agua.

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ejemplo:

solucin:

Se monta un manmetro en un tanque de salmuera 20 pies por debajo del nivel del lquido. La gravedad especfica de la solucin de salmuera es 1,13. encontrar la carga hidrosttica creada por la solucin de salmuera, luego convertirla a pulgadas de agua. P = 0,4335 psi x (1,13) x (20 pies) P = 9 , 7 9 7 p s i O ( 2 7 , 6 8 H2 O por psi) x (9,797 psi) = 271,2 W.C. E s t a a f i r m a c i n dice realmente que 240 de salmuera a una gravedad especfica de 1,13 ejerce la misma carga que 271,8 de agua.

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ejemplo:

solucin:

La presin en un indicador en una aplicacin de nivel es 15,5 psi y l a g r a v e d a d e s p e c f i c a d e l f l u i d o e s 0 , 8 9 . E n c o n t rar el nivel del tanque, en pies. H = P/0,4335 psi x (S.G.) H = 15,5 psi/0,4335 psi x 0,89 H = 40,22

Medicin del Nivel Utilizando Presin de Carga

Informacin General para las Celdas Dp 1. 2. Se hac e referencia a las mediciones de presin tanto a vaco como a presin atmosfrica. En aplicaciones de presin manomtrica, la medicin es aplicada al lado alto del transmisor mientras que se hace referencia al lado bajo como presin atmosfrica. La salida es una seal lineal proporcional, a la que se hace referencia como atmsfera (psig). Cuando la atmsfera es aplicada a ambos lados de un transmisor de balance de fuerza al mismo tiempo, se establece un punto de referencia de medicin del cero. Los efectos atmosfricos ocasionan fuerzas iguales y opuestas que no tienen efecto alguno sobre la salida del transmisor. Habr una medicin slo cuando la fuerza aplicada al lado alto del transmisor sea elevada por encima de la presin atmosfrica. A h o r a p u e d e a p l i c ar s e u n c a m b i o e n e l p e s o h i d r o s t t i c o a l a m e d i c i n d e l nivel. Cuando el nivel del tanque est a la misma elevacin que el instrumento de medicin, se aplica presin atmosfrica a ambos lados del transmisor y s u s a l i d a e s t a l p u n t o d e r e f e r e n c i a d e l c e r o (3 psi 4 miliamperios). A medida que se eleva el nivel en el tanque, se aplica una fuerza creada por la presin de carga hidrosttica del lquido al lado de medicin (lado alto) del transmisor, resultando en un aumento en la salida del instrumento. L a r es p u e s t a d e l i n s t r u m e n t o c a u s a d a p o r l a p r e s i n d e c a r g a e s u t i l i z a d a para inferir el valor de un nivel. La relacin entre la presin y el nivel es que 2,31 pies de agua o 27,68 pulgadas de agua ejercen 1 psi de presin. S i e l t r a n s m i s o r e s t m i d i e n d o u n a pr e s i n d e 1 p s i e n t o n c e s e l n i v e l d e l tanque es 2,31 pies o 27,68 pulgadas de agua. Cuando la gravedad especfica es diferente de 1, debe ser tomada en consideracin.

3.

4. 5. 6. 7.

8.

9. 10. 11. 12.

Debajo se muestra la correccin para la gravedad especfica. Presin P G H = = = = 0,4335 psi x (G) x ( H ) donde:

presin en psi gravedad especfica, que no tiene dimensin desplazamiento vertical de una columna de agua, en pies

Qu Ocurre Cuando el Transmisor es Montado por Debajo del Punto de Referencia del Cero del Tanque? E s c o m n m o n t a r u n t r a n s m i s o r d e n i v e l e n e l p u n t o d e r e f e r e n c i a d e l c e r o e n u n tanque. Cuando se escoge otra colocacin, debe descartarse la presin de carga ocasionada por el lquido por encima del punto de referencia del cero del transmisor. La presin de carga ocasionada por la presencia de fluido desde el punto cero del transmisor al punto cero del nivel del tanque causar una elevada indicacin en el nivel. Para corregir esto, el cero debe ser suprimido. De all es d e d o n d e o b t i e n e e l n o m b r e e s t a t c n i c a . C o m o s e m u e s t r a e n l a F i g u r a L- 8 , e l transmisor es montado por debajo del punto de referencia del cero en el tanque.

Elevacin Cuando se utiliza una celda d/p para la medicin del nivel de un tanque cerrado, muy a menudo el v a p o r e n l a l n e a q u e c o n e c t a e l l a d o b a j o d e l t r a n s m i s o r a l tanque se condensar en un lquido. Este lquido condensado es llamado brazo hmedo y produce presin de carga hidrosttica en el lado bajo del instrumento, ocasionando que la salida de la celda d/p (transmisor) est por debajo de la referencia cero. Este error debe ser tomado en consideracin y se hace elevando e l c e r o , e s t e p r o c e d i m i e n t o e s l l a m a d o e l e v a c i n d e l c e r o. L a F i g u r a L-9 muestra un ejemplo de elevacin del cero.

*** Recordar, cuando las calibraciones son realizadas en el taller del instrumento, todas las elevaciones y supresiones son realizadas con la presuncin de que la medicin, o la presin de nivel simulada, es aplicada al lado alto del t r a n s m i s o r m i e n t r a s q u e e l l a d o b a j o e s e l b r a z o d e referencia. El brazo del lado bajo est abierto a la atmsfera durante el procedimiento de calibracin. Dimensin X = Dimensin Y = Dimensin Z = Dimensin fsica en pulgadas entre el nivel mnimo a mximo d e t e r m i n a d o e n e l t a n que. Diferencia en la carga entre el punto de penetracin del tanque y el nivel de tanque mnimo deseado. La altura llena entre la penetracin del tanque y el lado alto del transmisor. Este fluido pudiera ser de una gravedad es p e c f i c a d i f e r e n t e a l a d e l c o n t e n i d o d e l t a n q u e . U n e j e m p l o sera si el contenido del tanque tiene tendencia a solidificarse o a corroer las lneas de conexin. Para eliminar este problema, debe escogerse un lquido con gravedad e s p e c f i c a m s a l t a q u e la d e l c o n t e n i d o d e l t a n q u e p a r a mantener fuera el fluido corrosivo. Un enfoque ms comn sera si se hubiera escogido una purga lquida. Si se escoge cualquiera de los dos mtodos, debe ser calculado en la calibracin. L a g r a v e d a d e s p e c f i c a d e l m a t erial dentro del tanque. La gravedad especfica del fluido encontrado en la tubera que conecta el transmisor al tanque.

GL GS

= =

L a F i g u r a L- 1 0 m u e s t r a d n d e s o n m e d i d a s l a s d i m e n s i o n e s X , Y y Z .

Supresin (recipiente abierto)

Calcular la supresin para los siguientes ejemplos: Ejemplo: Suponer un tanque abierto con: X Y Z = 50 = 2,67 y = 7,33

La gravedad especfica del lquido en el tanque es 1. El mismo fluido est en el brazo de conexin.

Encontrar: Tramo, Supresin y Rango Calibrado. Tramo Supresin Rango Calibrado = = = 50 x (1) = 50 W.C. (2,67)(1) + (7,33)(1) = 10 W.C. 10 W.C. a 60 W.C.

L a F i g u r a L- 1 1 m u e s t r a u n t a n q u e a b i e r t o c o n s u p r e s i n .

S u p r e s i n ( r e c i p i e n t e c e r r a d o c on b r a z o d e r e f e r e n c i a e x t e r i o r s e c o ) Ejemplo: Suponer un tanque cerrado con un brazo exterior seco. X = 50 Y = 10 y Z = 10 La densidad del lquido en el tanque es 1,0 y el fluido de llenado o de sellado tiene una densidad de 1,0. Encontrar: Tramo, S upresin y Rango Calibrado Tramo Supresin Rango Calibrado = = = 50 x (1,0) = 50 W.C. (10) x (1,0) + (10)(1) = 20 W.C. 20 W.C. a 70 W.C.

L a F i g u r a L- 1 2 m u e s t r a u n t a n q u e c e r r a d o c o n s u p r e s i n .

Repetidor Si el brazo exterior seco es afectado por la contaminacin, ocasionando problemas recurrentes en la medicin del nivel, entonces debera haberse usado un repetidor. Un repetidor es un transmisor neumtico de balance de fuerza con u n a p r e s i n d e s u m i n i s t r o q u e us u a l m e n t e e s t a a i r e d e i n s t r u m e n t o t o t a l (100 psi). La calibracin de un repetidor es realizada de manera que cuando se a p l i c a 0- 1 0 0 p s i a l d i a f r a g m a d e l l a d o a l t o d e l o s s e n s o r e s , e l m e c a n i s m o e s l l e v a d o a c e r o y e x t e n d i d o p a r a d a r u n a s e a l d e s a l i d a d e 0 - 100 psi. Un repetidor, por lo tanto, repite el valor de su entrada. El repetidor produce una salida que sera aplicada a la referencia o lado bajo del transmisor de nivel. Este aire es limpio y seco. La complejidad de este sistema de medicin del nivel se ve incrementada con la adicin del repetidor. L a F i g u r a L- 1 3 m u e s t r a u n e j e m p l o d e r e p e t i d o r .

Elevacin ( b r a z o d e r e f e r e n c i a e x t e r i o r h m e d o )

Ejemplo: Suponer un tanque cerrado con un brazo exterior hmedo. X Y d = = = 50 2,67 y 53,57

La gravedad especfica del lquido del tanque es 1,0 as como el brazo exterior hmedo. Encontrar: Tramo, Elevacin y Rango. Tramo Elevacin Rango de Calibracin = = = 50 x (1,0) = 50 W.C. 5 3 , 5 7 ( 1 , 0 ) 2,67 (1,0) = 50,9 W.C. - 5 0 , 9 W . C . a 0 , 9 W . C .

L a F i g u r a L- 1 4 m u e s t r a u n t a n q u e c e r r a d o c o n e l e v a c i n .

Supresin Reversa

Calibracin del Tipo Reversa

Hasta este punto el mtodo prctico era que la medicin es aplicada al lad o alto del transmisor mientras que el lado bajo es de referencia o es evacuado a la atmsfera durante el proceso de calibracin. La supresin reversa es la nica e x c e p c i n a e s t a r e g l a . C o m o p u e d e v e r s e e n l a F i g u r a L-1 5 , l a m e d i c i n e s a p l i c a d a a l l a d o b aj o d e l t r a n s m i s o r m i e n t r a s q u e e l l a d o a l t o e s d e r e f e r e n c i a . La clave para que este mtodo funcione es que el transmisor debe ser capaz de operar en accin reversa. S u p o n e r q u e e l r a n g o c a l i b r a d o e n l a F i g u r a L 1 4 e s 0-3 0 W . C . S i e l n i v e l d e l tanque est bajo, entonces la presin de carga es 30 W.C. ms alta en el lado alto que en el lado bajo. Si el transmisor fuera de accin directa esto causara una salida del transmisor de 20 miliamperios, lo que indica un tanque lleno; esto es falso. Recordar, 20 miliamperios representan una variable de proceso mxima. si el transmisor es ahora ajustado para accin reversa, el escenario antes mencionado producira una salida de 4 miliamperios, indicando una v a r i a b l e d e p r o c e s o m n i m a o q u e e l t a n q u e e s t v a c o , y e s to es verdad. Si el nivel del tanque es alto entonces se aplica una carga hidrosttica de 30 W.C. tanto al lado alto como al lado bajo al mismo tiempo. Si el transmisor fuera de accin directa esto ocasionara una salida del transmisor de 4 miliamperios, lo que indica un tanque vaco. Si el transmisor es ajustado para accin reversa el ejemplo antes mencionado producira una salida de 20 miliamperios, indicando un tanque lleno, y este es el mensaje correcto.

Procedimiento de Calibracin de Supresin Reversa Con el transmisor en el modo accin reversa, usted seguira los siguientes pasos: 1. Aplicar 30 W.C. al lado alto mientras que el lado bajo es evacuado a presin atmosfrica. Ajustar el cero mientras se observa una lectura del medidor de 4 miliamperios o una lectura del manmetro de 3 psi. Evacuar tanto el lado alto como el lado bajo a presin atmosfrica. Ajustar el tramo mientras se observa una lectura de medidor de 20 miliamperios o una indicacin del manmetro de 15 psi. Si el transmisor que usted est utilizando es de la variedad inteligente, siga los siguientes pasos: a. b. c. Programar las unidades de presin que sern utilizadas, a saber, pulgadas de agua, pies de agua. 4 ma 3 0 W . C . e n t e r 20 ma 0 W.C. enter

2.

3.

Mtodo de Tubera de Burbuja para la Medicin del Nivel Otros nmeros para una tubera de burbuja incluyen: purga de aire o tubo de buzamiento. La ventaja de utilizar este mtodo es su conveniencia cuando se m i d e n c o r r o s i v o s o s l i d o s e n s u s p e n s i n . S i l a t u b e r a s e d a a e s e c o n m i c o reemplazarla. Enchufar las lneas de impulsa pudiera representar un problema diferente. El instrumento secundario que indica el nivel puede ser montado en cualquier lugar. El indicador mostrado en la Figura L-16 puede ser reemplazado p o r u n t r a n s m i s o r . L a F i g u r a L- 1 6 m u e s t r a u n a t u b e r a d e b u r b u j a m o n t a d a e n u n tanque de almacenamiento. El principio de operacin es simple. Primero se conecta un suministro de aire limpio y seco a travs de una restriccin a un rotmetro, luego a una tubera de burbuja sumergida a alguna distancia fijada por debajo del nivel del lquido en el tanque. La restriccin reduce el volumen del flujo de aire a una cantidad mnima. C u a l q u i e r v o l u m e n a p r e c i a b l e d e f l u j o d e a i r e c au s a r c a d a s d e p r e s i n a l o largo de toda la tubera de burbuja y reducir la precisin.

S i u s t e d f u e r a a d e s c o n e c t a r e l s u m i n i s t r o d e a i r e e n l a F i g u r a L- 16, el agua en el tanque desplazara el aire en el tubo hasta que alcanzara el mismo nivel que est en el tanque. Si el suministro de aire regulado es reconectado ahora y la presin es aumentada lentamente, el agua en el tubo de burbuja se movera hacia abajo reemplazando el agua con aire en la tubera de burbuja. La presin aumenta lentamente en la tubera de burbuja, debido a la restriccin, hasta que balancee la presin hidrosttica del fluido en la parte inferior de la tubera de burbuja. Cualquier aumento posterior en la presin de aire emite burbujas de aire hacia el tanque. La presin requerida para forzar el aire fuera de la tubera de burbuja es la presin de carga hidrosttica presente creada por el lquido en el tanque. Como consecuencia, esta presin representa el nivel en el tanque. El flujo de aire es verificado por la presencia de burbujas de aire en el tanque u

observando el flujo de aire a travs de un rotmetro. La presin desde el regulador de aire debe ser lo suficientemente grande como para empujar todo el lquido fuera del tubo cuando el tanque est lleno. Esto correspondera al nivel mximo esperado en el tanque. Los cambios en el nivel causan cambios en la presin trasera en el extremo de la tubera de burbuja. En la medida en que el nivel se mueve arriba o abajo en el tanque, cambia la presin de aire requerida para empujar el agua fuera de la tubera de burbuja. A medida que cambia el nivel en el tanque, esto ocasiona que la cantidad real de aire tambin cambie. Si se permite que el flujo de aire cambie de volumen, el resultado es un error en la medicin. Es por esta razn que debe usarse un regulador diferencial. Este a su vez asegura un flujo de aire constante a la tubera de burbuja y la precisin no se convierte en un problema. L a F i g u r a L- 1 7 m u e s t r a e l e s q u e m a d e u n r e g u l a d o r d i f e r e n c i a l .

A veces se utiliza una muesca en V en la parte inferior del tubo de manera que el aire entre en forma de una corriente uniforme de pequeas burbujas en vez de emitir burbujas ms grandes que tiendan a hacer que la medicin rebote o p a r e z c a r u i d o s a. E l n i v e l d e l l q u i d o e s e n t o n c e s d e t e r m i n a d o m i d i e n d o l a presin requerida para forzar el aire hacia el lquido a un punto por debajo de la superficie.

Sondas de Capacitancia L a p r o p i e d a d n i c a d e u n c a p a c i t a d o r e s s u h a b i l i d a d p a ra a l m a c e n a r c a r g a s elctricas como voltaje. La frmula para determinar la capacitancia es la siguiente: C C K A D = = = = = KA/D Capacitancia en microfaradeos La constante dielctrica El rea de las placas Distancia entre las placas

Una manera tpica de medir el nivel utilizando una sonsa de capacitancia es medir la capacitancia entre la sonda y la pared del tanque. Un cambio en la capacitancia ocurre con un cambio en el nivel del lquido. A medida que el nivel s u b e o b a j a , el r e a e f e c t i v a d e l a s p l a c a s d e l c a p a c i t a d o r e n t r e e l t a n q u e y l a sonda de capacitancia cambia, mostrando as un cambio en el nivel indicado. La F i g u r a L- 1 8 m u e s t r a u n e j e m p l o d e s o n d a d e C a p a c i t a n