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EDGARDO ESPINOZA MALQUI

Instrumentacin

Industrial

Definicin

Sistema

Planta + Proceso = Sistema

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Ejemplos

Planta: Horno

Auto

Reactor Nuclear

Fbrica

...

Proceso: Fsico

Qumico

Mecnico

Elctrico

Biolgico

Econmico

...

Sistema Dinmico

Sistema Entrada(s) Salida(s)

Perturbaciones Internas Externas

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Control Manual

Salida

de Vapor

Entrada

de Vapor

Agua

Caliente

Agua

Fria.

Temp.

Operador

Sensor

Indicador

Control Bueno o Errtico Dificultad de toma de datos Limitacin de nm. de variables

Pero....

Control Automtico

S.V. E.V. A.C.

A.F.

T

Operador

Controlador

Indicador Sensor

Velocidad Nmero de variables Almacenamiento

Ahora..

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Proceso fsico / Planta

Impresin sensorial

(sentidos)

Raciocinio

(cerebro)

Accin

(manos, voz)

Manual

Manual vs. Automtico

Informacin

(sensor)

Anlisis y decisin

(Unidad de Control)

Accin de control

(Actuador)

Automtico

Control Realimentado

Proceso

Perturbaciones

Sensor/ Transductor

Acondicionador /Transmisor

Mando de Potencia

Actuador

Controlador Interfase

de

Entrada

Interfase

de

Salida

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Control Lazo Abierto

Proceso

Perturbaciones

Sensor/ Transductor

Acondicionador /Transmisor

Mando de Potencia

Actuador

Controlador Interfase

de

Entrada

Interfase

de

Salida

Sensores/Transductores

Proceso

Temperatura Presin Caudal Nivel pH Peso ...

Variable:

Sensor/ Transductor

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Tipos de Seales

DISCRETA No lleva informacin

en su valor. Representa dos

estados posibles: Abierto/Cerrado Si/No O/1 Positivo/Negativo Presente/Ausente ...

0: 0-2.5 Voltios 1: 3 - 5 Voltios

ANALOGICA Si lleva informacin

de la variable medida en su valor.

Representa infinitos estados posibles: Temperaturas: 0-100 C

Presin: 1 a 10 psi.

Peso: 50 a 150 Kg.

Apertura: 0-100%

...

Seales Discreta

t

Voltios

0-

5-

Seal Elctrica

Informacin

0 1 0 1 0 1 0 0

0-

1-

7

Seales Analgicas

t

Voltios

0-

5-

Seal Elctrica

Informacin

V: 0.0 2.6 4.0 2.2 4.1 5.8 3.5 3.0 2.2

C: 0 52 80 44 81 116 70 60 44

1-

2-

3-

4-

Ejemplo

Seal

Respuesta

Apagado Apagado

Prendido

8

Ejemplo

Motor

Temp.

Clasificacin de Sensores

Activos: No requieren de

alimentacin externa (Ej. Termocupla)

Pasivos: Requieren de una fuente

de energa externa (Ej. Termoresistencia)

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Caractersticas

Caractersticas dinmicas Velocidad de

respuesta (tiempo entre la medida y la seal de salida)

Estabilidad (medio ambiente)

Caractersticas estticas Rango de entrada

Resolucin

Exactitud

Precisin

Linealidad

Sensibilidad

Ruido

Exactitud y Precisin

Exactitud baja Precisin alta

Exactitud alta Precisin baja

Exactitud alta Precisin alta

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Medicin de Temperatura

Introduccin

La temperatura se mide de manera INDIRECTA, que tiene relacin sobre las propiedades fsicas de los materiales o cambios en los circuitos elctricos.

Unidades:

S.I. Celcius (C) Kelvin(K)

Americano Fahrenheit (F) Ranking (R)

T relativa T absoluta

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Seleccin de Sensores

Rango de Temperatura

Exactitud

Rapidez

Medio medido: corrosivo, etc.

Costo

Medidores de Temperatura

Termmetros de vidrio

Bimetlicos

Sistemas de trmicos de llenado

Termocupla

Resistivos RTD

Termistor

Pirmetro de radiacin

Circuitos integrados

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Termmetros de Vidrio

Caractersticas:

Rango

- Mercurio: - 35 C a 800 C

- Alcohol:-300 C a 600C

Indicadores

Dilatacin

Termmetros Bimetales

Caractersticas:

Rango

+1000F a -300F (> 800F estabilidad y < 300F deflexin rpida)

Indicadores

2 metales con distinto coeficiente de dilatacin

Latn (Cu- Zn), Monel (Cu - Ni), Acero (Fe-C), Fe -Ni

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Sistemas de trmicos de llenado

Caractersticas:

Indicadores

Transmisores neumticos

Termocupla

I

Efecto Seebeck: f.e.m. ==> f ( T )

V 10mV - 50 mV

Rangos: -200 a 4000 C

Sensibilidad: 10 a 50 V/C

Baja Sensibilidad

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TERMOPAR

Termocupla

Medicin Industrial

INDICADOR CONVERTIDOR

mV Tol. + -

SISTEMA

DE MEDIDA

UNION DE

REFERENCIA

TERMINAL

DE

CABEZAL

Cables de

compensacion

Metal A

Metal B

E (Tm-Tr) Tm Tr

4 20 mA

Indication

C / F

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T

Ta Metal a

Metal b

Cu

Cu

V=V(T)-V(Ta)

V= V(cu,a)(Ta) + V(a,b)(T) +V(b,cu)(Ta)

V= [V(b,cu)(Ta) + V(cu,a)(Ta)] +V(a,b)(T)

V= V(b,a)(Ta) +V(a,b)(T)

V= V(a,b)(T) V(a,b)(Ta)

V(a,b)(T) = V + V(a,b)(Ta)

Tipos de Termocupla

J : Hierro(Fe)-Constantan(Cu+Ni)

K : Cromel (Cr+Ni)-Alumel(Al+Ni)

T : Cu-Constantan Exactitud : 1 - 3%

Respuesta : Lenta (seg.)

Linealidad : No muy buena

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Thermocouple

Type Names of Materials Range Application

B Platinum30% Rhodium (+)

Platinum 6% Rhodium (-)

2500 -3100F

1370-1700C

Fcil de contaminar por lo que se

protege con cermica. Temperatura

alta

C Tungsten 5% Rhenium (+)

Tungsten 26% Rhenium (-)

3000-4200F

1650-2315C Temperatura alta.

E Chromel (+)

Constantan (-)

200-1650F

95-900C

La mas sensible. No sujeta a

corrosin a temperaturas criognicas

J Iron (+)

Constantan (-)

200-1400F

95-760C

Hilo de fierro sujeto a oxidacin a

altas temperaturas.

K Chromel (+)

Alumel (-)

200-2300F

95-1260C Atmsferas oxidantes

N Nicrosil (+)

Nisil (-)

1200-2300F

650-1260C

No se corroe es costoso (reemplaza

al K).

R Platinum 13% Rhodium (+)

Platinum (-)

1600-2640F

870-1450C

Atmsferas oxidantes. Fcil de

contaminar por lo que se protege con

cermica.

S Platinum 10% Rhodium (+)

Platinum (-)

1800-2640F

980-1450C

Estndar de laboratorio. Fcil de

contaminar por lo que se protege con

cermica.

T Copper (+)

Constantan (-)

-330-660F

-200-350C

Temperaturas criognicas.

Atmsferas oxidantes.

TUBO PROTECTOR

METALES

TERMINALES

AISLANTE

UNION DE MEDIDA

Termopozo

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Curvas de Calibracin

-500 0 500 1K 1.5K 2K

80

70

60

50

40

30

20

10

V/C

T (C)

E

T J

K

N

R

S B

Rangos Recomendado: B: 1290 F a 3310 F

E: -285 1830

J: -300 2190

K: -285 2502

N: 32 2370

R: 255 3214

S: 300 3214

T: -275 750

Termoresistencia (RTD)

Principio: R = f(T)

Materiales: Pt (ms usada)

Otros: Ni, Cu

Pediente: + (siempre) Linealidad:

Buena

Formas: Alambre enrollado

Film metlico

Film: Respuesta rpida

Bajo costo

Alta resistencia

Alambre: Masivo

Mas estable en el tiempo

Autocalentamiento Bajo

Valores tpicos 100, 200 ohms

Resistance Temperature Detector

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RTD

Aislante Cu Pt

0,0005 diam.

0.010 espesor

Ag

TRR 10 1

Tipos de RTD Un tipo de RTD son las Pt100 o Pt1000. Estos sensores son fabricados de platino (Pt) y

presentar una resistencia de 100ohms o 1000ohms respectivamente a 0C.

Variaciones de temperatura pequeos Son dispositivos muy lineales Existen:

Pt100 Ni100 Cu10 Pt200 Ni200 Pt500 Pt1000

Pt100 es alimentada con una corriente constante, de manera que la cada de tensin sea proporcional a la resistencia.

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PUENTE WHEATSTONE

ALIMENTADO CON TENSIN

CONEXIN A 3 HILOS CONEXIN A 2 HILOS

Termistor (semiconductor)

PTC son empleados mayormente como proteccin de sobrecalentamiento para transformadores, motores, etc.

NTC son muy econmicos y se emplean por ejemplo en las lavadoras, aire acondicionado y calefaccin para mviles, etc.

PTC : coeficiente positivo de temperatura. NTC : coeficiente negativo de temperatura.

20

Termistor (semiconductor)

Pirmetro infrarrojos Todos los cuerpos emiten ondas electromagnticas o

radiacin dependiendo de la temperatura a la que se encuentran

La energa radiada y su longitud de onda estn de acuerdo a la temperatura

Basan su funcionamiento en la emisividad de los cuerpos (0.95)

Se puede medir la temperatura del cuerpo sin contacto con l

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Emisibilidad de materiales Material Emisividad Material Emisividad

Aluminio* 0,03-0,30 Plomo* 0,50

Asbesto 0,95 Piedra caliza 0,98

Asfalto 0,95 Aceite 0,97

Basalto 0,70 Pintura 0,93

Latn* 0,50 Papel 0,95

Ladrillo 0,90 Plstico** 0,95

Carbono 0,85 Caucho 0,95

Cermica 0,95 Arena 0,90

Concreto 0,95 Piel 0,98

Cobre** 0,95 Nieve 0,90

Polvo 0,94 Acero** 0,80

Alimento Congelado 0,96 Textiles 0,94

Hielo 0,98 Agua 0,95-0,99

Hierro* 0,70 Madera*** 0,94

* oxidado ** opaco ***natural

Detector de metal Caliente

Aplicacin

22

Aplicacin

Medicin de Presin

23

Medicin de Presin

Presin absoluta: mide respecto al cero absoluto de presin (A y A'). Presin atmosfrica: es la presin ejercida por la atmsfera terrestre. Presin relativa: es la diferencia entre la presin absoluta y la atmosfrica

(B, B y B) Presin diferencial: es la diferencia entre dos presiones, (C y C). Vaco: es la diferencia de presiones entre la presin atmosfrica existente

y la presin absoluta, es decir, es la presin medida por debajo de la atmosfrica (D, D' y D").

Dispositivos de balance por gravedad

Manmetro en U

Medicin de la presin en una cmara de refrigeracin Manmetro en tubo inclinado y cubeta

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Elementos de deformacin elstica

Tipos de tubo de Bourdon (indicadores)

GALGAS EXTENSIOMETRICAS (celda de carga)

Para realizar mediciones con galgas es necesario el empleo del puente de Wheatstone.

Segn la cantidad de galgas a emplearse, se utilizar una, dos o cuatro ramas del puente.

Determinar la relacin Um/Ue para cada tipo de conexin del puente.

25

GALGAS EXTENSIOMETRICAS (celda de carga)

Hay galgas para medir tensiones en diferentes direcciones y para medir torsin.

La galga deber ser seleccionada segn el material al que se le va a pegar (cambio de temperatura).

El voltaje pequeo que se tiene a la salida del puente (seleccionar un buen amplificador y buena performance).

Buena proteccin de la galga contra la humedad.

tipos

utilizacin

Sensores de Presin

26

Ejemplos

Ejemplos

27

Ejemplos

Medicin de Nivel

28

a. y b. Basados en flotador.

c. De presin diferencial.

d. De burbujeo y medicin de presin diferencial.

Medicin de Nivel

Sensores de Nivel

Directos

Flotador

Desplazamiento

Sonda

Indirectos

Presin Hidrosttica

Balanza

Elctricos

Conductivo

Vibracin

Ultrasonido

Micro- Ondas

Radiactivo

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Flotador

Acoplamiento: mecnico.

Magntico.

Mantenimiento frecuente

Desplazamiento

Fuerza de empuje

Rango limitado

Interruptores/ salida continua.

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Sonda

Pluma baja y sube constantemente

Slidos y lquidos

Presin Hidrosttica

Necesidad de vaciar tanques para instalacin y calibracin.

Diferencia de presiones en tanque cerrado.

Columna de compensacin hmeda.

h 3

h 4

h2

L H

100 %

0 %

31

Presin Hidrosttica

Mtodo Hidrosttico

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Balanza

Celdas de Carga.

Distribucin uniforme en los apoyos

Conductivo

Deteccin

Control

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Vibradores

Deteccin

Lquidos: frecuencia

Slidos: amplitud

Ultrasonido

Tiempo de trnsito.

Velocidad del sonido = 343 m/s

Angulo de emisin.

No para temperaturas o presiones altas.

Interfieren a Vapores, espuma excesiva, turbulencia o polvo

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Radar

Frecuencia: GHz Velocidad de la luz. Inmune a:

presin temperatura vapores turbulencia agitacin

Caro

Radiactivo

Rayos gamma.

Fuera del depsito

Medios Peligrosos.

Atenuacin depende de depende de densidad del medio.

Caro.

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Presin diferencial

Ejemplos

flujo