clase 02 presión

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CONTROL Y AUTOMATIZACIÓNINDUSTRIAL

“MEDICIÓN DE PRESIÓN”

Ing. Armando Sarco [email protected]

Instrumentos Analógicos.

• Ventajas

a) Bajo Costo.b) En algunos casos no requieren de energía de alimentación.c) No requieren gran sofisticación.d) Presentan con facilidad las variaciones cualitativas de los

parámetros para visualizar rápidamente si el valor aumenta o

disminuye.e) Es sencillo adaptarlos a diferentes tipos de escalas no lineales.



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Instrumentos Analógicos.

• Desventajas a) Tienen poca resolución, típicamente no proporcionan más de 3

cifras.b) El error de paralaje limita la exactitud a

±

0.5% a plena escalaen el mejor de los casos.

c) Las lecturas se presentan a errores graves cuando elinstrumento tiene varias escalas.

d) La rapidez de lectura es baja, típicamente 1 lectura/ segundo.e) No pueden emplearse como parte de un sistema de

procesamiento de datos de tipo digital.

Instrumentos Digitales.

• Ventajas a).Tienen alta resolución alcanzando en algunos casos mas de 9 cifras

en lecturas de frecuencia y una exactitud de + 0.002% enmediciones de voltajes.

b). No están sujetos al error de paralelaje.c). Pueden eliminar la posibilidad de errores por confusión de escalas.

d). Tienen una rapidez de lectura que puede superar las 1000 lecturaspor segundo.e). Puede entregar información digital para procesamiento inmediato

en computadora.• Desventajas a). El costo es elevado.b). Son complejos en su construcción.c). Las escalas no lineales son difíciles de introducir.



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Hoy en día:

Pasado:

Configuración de equipos en campo

¿Como configuro los equipos de campo hoy en día?

Buses y Protocolos de Comunicación

Los buses de datos que permiten la integración de equipos digitales de campo,reciben la denominación genérica de buses de campo .Un bus de campo es un sistema de transmisión de información (datos) quesimplifica enormemente la instalación y operación de máquinas yequipamientos industriales utilizados en procesos de producción. El objetivo deun bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementosde campo y el equipo de control a través del tradicional lazo de corriente de 4-

20mA. Típicamente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadassobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs,transductores, actuadores y sensores.Los buses de campo con mayor presencia en el área de control yautomatización de procesos son:

• HART• Profibus PA• Fieldbus Foundation



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Protocolo HARTEl protocolo HART (High way-Addressable-Remote-Transducer)agrupa la información digital sobre la señal analógica típica de 4-20mA DC. La señal digital usa dos frecuencias individuales de 1200y 2200 Hz, que representan los dígitos 0 y 1 y que forman una ondasenoidal que se superpone al lazo de corriente de 4-20mA.Como la señal promedio de un onda senoidal es cero, no se añade

ninguna componente DC a la señal analógica de 4-20 mA.

El protocolo HART habilita la comunicación digital bidireccional coninstrumentos inteligentes sin perturbar la señal analógica de 4-20mA. HART permite la transmisión tanto de la señal analógica de 4-20 mA y la señal de comunicación digital simultáneamente sobre lamisma instalación eléctrica. La información de la variable primariade control es conducida por la señal de 4-20 mA (si se desea),mientras las medidas adicionales, parámetros de proceso,configuración del dispositivo, calibración, y la información dediagnóstico es al mismo tiempo accesible a través del protocoloHART sobre los mismos cables.

Señal de transmisión del protocolos Hart



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PRESIÓNEs la fuerza que actúa sobre una superficie. Cuando sobre unasuperficie plana de área A se aplica una fuerza normal F demanera uniforme, la presión P viene dada por:

En el sistema internacional de medidas (SI) la presión estanormalizada como P (pascal)



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Unidades de presión

Tipos de presión



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Tipos de presiónPresión absoluta: Es la presión que se mide con relación al cero absoluto de

presión.Presión barométrica: Es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida

mediante un barómetro, a nivel del mar esta presión es próxima a 14,7 psia.Presión (normal, relativa, manométrica, gauge): Se llama presión manométrica

a la diferencia entre la presión absoluta o real y la presión atmosférica. Se aplicatan solo en aquellos casos en los que la presión es superior a la presiónatmosférica.

Presión diferencial: Es el valor de la diferencia entre dos presiones cualesquiera.Es un valor muy usado para el cálculo de caudales mediante placas orificio otubos Venturi. En el campo se la asimila a la presión manométrica, ya que estaúltima es una presión diferencial referida a la atmósfera.

Vacío: El vacío es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente

y la presión absoluta.PSIA: Siglas de "pounds per square inch absolute" - libras por pulgada cuadrada

absoluta. Una atmósfera es igual a 14,696 psia. psia = psig + psia.PSIG: Siglas de "pounds per square inch gauge" - libras por pulgada cuadrada

manométrica. La presión manométrica siempre ignora la primera atmósferaabsoluta (14,696 psia).

Presión absoluta y relativa en un sensorCuando estemos en campo y queramos identificar un sensorde presión absoluta de uno de presión relativa, podemoshacerlo de la siguiente manera.



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Clasificación de los sensores de presión

Manómetro de tubo

• Un manómetro de tubo básico consiste de un recipiente lleno de unfluido y un tubo vertical.

• Cuando detecta vacio el limite de columna es sellado.• La diferencia de altura de las dos columnas indica la presión de vacio.

• Los manómetros inclinados son utilizados para aumentar laresolución, un pequeño cambio en la presión de vacio genera unmovimiento considerable de liquido.

• Son simples y baratos.



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El tubo Bourdon

El tubo Bourdon

El material empleadonormalmente es deacero inoxidable,

aleación de cobre oaleaciones especialescomo hastelloy,inconel, monel, etc



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Espiral y hélice• Espiral

Se forma enrollando el tubo de Bourdon en la forma espiral,alrededor de un eje común.

• HéliceSe forma enrollando mas de un espiral, formando una hélice

Estas configuraciones aumentan la resolución del instrumento, loshace ideales para registradores.

Espiral y hélice



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Diafragma• Consiste en una o varias capsulas circulares conectados

rígidamente entre si por soldadura.• La presión deforma cada capsula y la suma de los pequeños

desplazamientos, es amplificada por un juego de palancas• El movimiento se aproxima a una relación lineal en un intervalo de

medida con un mínimo de histéresis y de desviación del cero.• El diafragma es normalmente aleación de níquel o inconel.• Se utiliza para pequeñas presiones.

• Requieren poco espacio.

Fuelle• Es fabricado de una sola pieza axialmente.• Utiliza un muelle como contraparte.• Puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.• Se caracteriza por su larga duración (Soportan millones de ciclos de

flexión).

• El material usado para el fuelle es usualmente bronce fosforoso, latón oacero inoxidable.• El muelle es tratado térmicamente para mantener fija su constante, de

fuerza pro unidad de compresión.• Se emplean para pequeñas presiones.

• Son exactos y precisos.



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Observaciones• Los transductores de presión mecánicos sirven principalmente deindicadores de presión in situ ,

• Cuando se pretende utilizar en lazo de control, se necesita transmitir suseñal.

• Se puede utilizar transmisor neumático y electrónicos de señalesestandarizadas (3-15 psi, 1-5V, 0-10V, 4-20mA).

• Las limitaciones de los dispositivos mecánicos lleva al uso detransductores electrónicos de mayor costo.

Sensores de presión electromecánicos

• Utilizan un elemento mecánico elástico .• Se combinan con un transductor eléctrico, que genera la señal

eléctrica.• El elemento mecánico consiste en un tubo de Bourdon, espiral, hélice,

diafragma, fuelle o una combinación de estos.• Un juego de palancas convierte la presión en una fuerza o en un

desplazamiento mecánico.



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Sensores de presión Piezoeléctricos• En general sus rangos se encuentran entre 5000 y 10000 psir• Entre sus ventajas esta su estructura robusta, pequeño tamaño, gran

velocidad y su auto generación de señal

• Entre sus desventajas tenemos su sensibilidad a la temperatura y lanecesidad de cableado y amplificación especial, además requieren deuna instalación cuidadosa.

• Son usados para medir presiones dinámicas de explosiones,pulsaciones, presiones de motores, cohetes, compresores, etc.

Medición de altas presiones• Industrialmente presiones mayores a 1000 psig son consideradas altas.• El diseño de diafragma tipo botón detecta presiones de hasta 10000

psig y pueden operar hasta temperaturas de 4300 ºC debido a sudiseño auto refrigerante. Opera en balance de fuerzas entre la presióndel proceso y la presión de la señal de salida

• El tubo de Bourdon helicoidal es otro diseño, que puede incluir hasta 20vueltas y es capaz de medir presiones de hasta 10000psig, esfabricado en acero inoxidable, su error es 1% del campo de medida,posee una gran protección de sobre rango, es conveniente parapresiones fluctuantes pero debe de ser protegido en la conexiónmediante un sello químico de rango análogo, se puede acoplar undetector óptico a este diseño.



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Medición de altas presiones• Los calibradores de preso muerto son utilizados para estostransductores, a presiones mayores a 40000 psig, la precisión es0.015%, para uso industrial la exactitud es 0.1%.

• Los sensores basados en strain gauges detectan presiones hasta100000 psig con una precisión de 0.1% del rango de medida o 0.25%de la salida a fondo de escala, por cada 1000ºF a 6 mese de usogenera un error de 0.25%.

• Otros sensores electrónicos (capacitivos, potenciométricos, inductivos,reluctancia) miden presiones de hasta 10000 psig, pero el strain gaugetiene el mayor campo de medida.

Mediciónes muy altas de presión• Un sensor basado en el modulo de Bulk consiste en un cilindro hueco

cerrado en un extremo y sobresaliente en el otro, cuando es expuesto ala presión en el proceso el cilindro se contrae y genera el movimientodel extremo opuesto expuesto y este movimiento se convierte en unalectura de presión.

• La histéresis y sensibilidad a la temperatura es similar a la de lossensores con elementos elásticos.• Su respuesta es rápida.

• Es seguro.• Su rango es hasta 200000 psig.• Su error es 1% a 2% del rango de medida.



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Medición muy altas de presión• Otros diseños implican variación de resistencia de materiales como lamanganita, oro-cromo o platino; estos son envueltos en un núcleo, al sesometidos a altas presiones.

• En la manganita la variación es positiva y lineal.

• Soporta presiones de hasta 400000 psig.• Su precisión es de 0.1% a 0.5% del rango de medida.• Son de naturaleza delicada.• Vulnerables a presiones pulsantes y efectos viscosos.• A altas presiones algunos sólidos se licuan, este cambio de estados se

suele utilizar como indicador de alta presión.

• Por ejemplo el bismuto se licua entre 365000 y 375000 psigcontrayéndose su volumen, el mercurio tiene un comportamientosimilar.

Vacuometro

Mecánicos• Utilizan deformaciones de tubos o diafragmas expuestos a una

diferencia de presión para realizar la medida.• Un lado del elemento es expuesto a vacio y el otro a la presión

desconocida.• La diferencia de presión entre los dos lados causa una deflexiónangular que puede ser detectada por medios ópticos.

• La resolución puede ser 1/100000

• Tiene una buena precisión• Su precio es alto.También tenemos vacuometros térmicos y de ionización.



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Criterio de selección• Los transductores de presión generalmente generan señales entre

100mV a 250mV, cuando se utilizan como transmisores, la señalse amplifica a 4-20mA

• La armazón del sensor se debe seleccionar de acuerdo aconsideraciones eléctricas y características corrosivas delambiente.

• Se debe considerar la presencia de líquidos y gases corrosivos, enel exterior del transductor tanto como en el elemento sensor.

• Se debe seleccionar materiales resistentes, proteccionesadecuadas o sellos químicos.

Criterio de selección

• Si la medida de presión se realiza en un ambiente agresivo sepuede colocar al transductor dentro de una carcasa a prueba deexplosiones o usar un transductor a prueba de explosionesintrínsecamente.

• El aspecto mas importante a considerar es el rango, se debe deconsiderar un compromiso entre la exactitud del instrumento y suprotección contra sobrepresión.

• Desde el punto de vista de la exactitud el rango debe ser el menorposible para minimizar el erros.

• Desde el punto de vista de la protección contra sobrepresión, lasobrepresión puede dañar al instrumento de medición, debido aerrores de operación, mala protección del instrumento o falla dediseño del proceso.



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Criterio de selección• Al requerir un instrumento de medición de presión se debe siempre

indicar el rango de medición y la cantidad de protección porsobrepresión.

• La mayoría de instrumentos tiene protección de sobrepresión entre50% y 200% del rango de medición.

• Cuando los picos de presión son muy altos y su duración pequeñase puede utilizar Snubbers, estos filtran los picos, pero causan unretraso en la respuesta del sensor.

• Si la sobrepresión es muy alta y su duración no es tan corta sepuede utilizar válvulas de alivio conectadas entre el transmisor y el

proceso, pero esto genera un error en la medición cuando laVálvula de alivio se abre.

Tipos de conexión a procesoA) Female thread, 7/16-20 UNF SchraderB) Male thread, 7/16-20 UNF SchraderC) Male thread, 1/4-18 NPTD) PG 7 Cable Connection with 1.5 meter cable (conexión eléctrica)

E) Plug, DIN43650B (conexión eléctrica)




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Criterio de selecciónPor la certificación del producto

- Underwriters Laboratories (UL)- European Conformity (CE)- Factory Mutual (FM)- CSA- International– United States and Canada- FCC– United States- AT mosphères Ex plosives (ATEX atmósferas potencialmente

explosivas)

Selección por el tipo de proceso

Transmisores para requisitos básicos y de bajo costo.



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Selección por el tipo de procesoTransmisores para la industria alimenticia, farmacéutica y biotécnica


Transmisores para la industria papelera.



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Selección por el tipo de procesoTransmisores para la industria minera y propósitos generales.


Transmisores para requisitos High End.



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Mantenimiento• Los medidores de presión requieren mantenimiento y recalibración

periódica.• Es necesario retirar el instrumento, para lo cual se debe tener

cuidado con el fluido porque puede ser dañino.• Un manifold de tres vías puede dar la protección necesaria, una

válvula se utiliza para aislar el proceso, otra válvula se utiliza paraaislar el proceso, otra válvula se utiliza para descarga de fluidosobrante en el instrumento, y una tercera válvula para calibración;el manifold ahorra tiempo, dinero y previene fugas.

Calibración

• La recalibración de un instrumento puede ser en línea o en unlaboratorio.

• La calibración en laboratorio es preferible pero no siempre esposible.

• En laboratorio existen 2 tipos de calibradores: de peso muerto ydispositivos de calibración de campo o laboratorio.• El calibrador de peso muerto, consiste de un pistón primario que

carga el peso muerto, un pistón con un tornillo que permitepresionar el fluido interior y una toma para el instrumento a calibrar.

• Los de peso muerto son mas exactos y sirven para calibrar a losdispositivos de calibración de campo, estos permiten unacalibración mas sencilla



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Calibración• Se coloca un peso equivalente a la presión de calibración, el pistónprimario presiona el sistema, luego se presiona el pistónsecundario hasta que el peso colocado se comience a levantar.

• Actualmente los calibradores de peso muerto son mas exactos ycomplejos, presentan compensación por temperatura y minimizanlos efectos de fricción.

• Los calibradores de peso muerto trabajan desde presiones de 5psig hasta 100000 psig.

• El error es menor al 0.1% del rango de medida.

• Los dispositivos de calibración de campo tienen una fuente de

presión muy precisa, lectura digital y un sensor de presiónresonante de alta precisión.• Su exactitud es 0.05% de la salida a fondo de escala.

Instalación• Los instrumentos de presión deben estar instalados, de ser posible,

en una ubicación fácil de leer.• Se debe de contar con el espacio suficiente para maniobrar

durante una instalación o mantenimiento.

• En ocasiones se debe proteger al elemento sensor de entrar en

contacto con el fluido del proceso, el fluido puede ser nocivo,venenoso, corrosivo, abrasivo, tender a congelar, licuar odescomponerse a temperatura ambiente, o ser mas frío o calienteque el proceso.



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Sellos químicos• También son conocidos como protectores de diafragma.• El instrumento de presión es insertado en el cuerpo superior, el

cual es fabricado en materiales estándares porque generalmentese encuentra en contacto con fluidos como silicona, además estasección puede ser removida junto con el instrumento durante elmantenimiento. El cuerpo inferior es hecho de materialescompatibles al proceso.

• Los diseños fuera de la línea pueden ser removidos por sus doslados, superior e inferior, los modelos en la línea no son fácilmentedesmontables del proceso y requieren que el proceso se detengapara su mantenimiento

Sellos químicos• La suciedad es un problema en estos sellos, pero los sellos

througt-flow eliminan este problema utilizando un cilindro flexiblehecho de plástico especiales o teflón.

• Si las variaciones de presión no generan el movimiento suficienteen el diafragma del sello, se puede utilizar diafragmas ondulados.

• Los sellos volumétricos también ayudan a prevenir la formación desuciedad, y son preferibles para procesos de grandes presiones yalta viscosidad.

• El fluido utilizado es sodio-potasio eutéctico para altastemperaturas, glicerina y agua a temperatura ambiente y alcoholetílico, tolueno o aceite de silicona a bajas temperaturas.



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Sellos químicos• La suciedad es un problema en estos sellos, pero los sellosthrougt-flow eliminan este problema utilizando un cilindro flexiblehecho de plástico especiales o teflón.

• Si las variaciones de presión no generan el movimiento suficienteen el diafragma del sello, se puede utilizar diafragmas ondulados.

• Los sellos volumétricos también ayudan a prevenir la formación desuciedad, y son preferibles para procesos de grandes presiones yalta viscosidad.

• El fluido utilizado es sodio-potasio eutéctico para altastemperaturas, glicerina y agua a temperatura ambiente y alcohol

etílico, tolueno o aceite de silicona a bajas temperaturas.

Sellos químicosEl uso de sellos causa:• Capilares muy grandes incrementan el volumen del flujo de relleno,

incrementando el error por efecto de temperatura.• Diafragmas de diámetros pequeños son muy tiesos e incremental

el error, especialmente a bajas temperaturas

• La viscosidad del flujo de relleno en los capilares puede variarconsiderablemente con la temperatura.• Capilares muy largo generan respuestas lentas.• El calentamiento o enfriamiento de los sellos y capilares introducen

error.• Algunos fluidos se expanden demasiado por la temperatura pos lo

que pueden dañar el diafragma.• Temperaturas muy bajas pueden contraer en exceso el fluido de

relleno y causar inoperatividad del diafragma.



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Sellos químicosPara una instalación satisfactoria se recomienda considerar:

• El rango de temperaturas del proceso y del ambiente.• La elevación de los instrumentos para su recalibración del cero.• La temperatura, presión y daños potenciales durante el

mantenimiento.• Consecuencias de ruptura del diafragma.• El uso de sellos y capilares idénticos en medidores de presión

diferencial.• Verificar la respuesta a máxima temperatura/mínima presión y

mínima temperatura/máxima presión

Consideraciones

• Es recomendable instalar la menor cantidad de medidores depresión y que los instalados sean de gran confiabilidad.

• Dos razones principales para la falta de medidores de presión sonlas vibraciones de la tuberías y la formación de condensado.

• A temperaturas el condensado se puede congelar y causar dañosen el instrumento.• Los elementos mecánicos de los manómetros comunes son muy

sensibles a la condensación y vibraciones.



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Consideraciones• La vida de los manómetros es larga no debido a su carcasa sino a

su relleno de aceite viscoso.• Este aceite amortigua las vibraciones y no deja lugar a la formación

de condensado.• Manómetros modernos incluyen indicadores luminosos y digitales y

presentan compensación de temperatura.• Se clasifican de acuerdo a su precisión (grado 4a a E).• Los tubos capilares no deben exceder los 7.5m.

GRACIAS

Atte. Ing. Armando Sarco [email protected]

clase 02 presión

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