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Instrumentación Instrumentación IndustrialIndustrial
DefiniciónDefinición
SistemaSistemaSistemaSistema
Planta + Proceso = Sistema
EjemplosEjemplos
• PlantaPlanta:– Horno– Auto– Reactor
Nuclear– Fábrica– ...
• ProcesoProceso:– Físico– Químico– Mecánico– Eléctrico– Biológico– Económico– ...
Sistema DinámicoSistema Dinámico
SistemaSistemaSistemaSistemaEntrada(s) Salida(s)
Perturbaciones •Internas•Externas
Control ManualControl Manual
Salida
de VaporEntrada
de Vapor
Agua
Caliente
Agua
Fria.
Temp.
Operador
SensorIndicador
•Control Bueno o Errático•Dificultad de toma de datos•Limitación de núm. de variables
Pero....
Control AutomáticoControl Automático
S.V. E.V.A.C.
A.F.
T
Operador
ControladorIndicadorSensor
• Velocidad• Número de variables• Almacenamiento
Ahora..
Proceso físico / Planta
Impresión sensorial
(sentidos)
Raciocinio
(cerebro)
Acción
(manos, voz)
Manual
Manual vs. AutomáticoManual vs. Automático
Información
(sensor)
Análisis y decisión
(Unidad de Control)
Acción de control
(Actuador)
Automático
Control RealimentadoControl Realimentado
ProcesoProceso
Perturbaciones
Sensor/Transductor
Sensor/Transductor
Acondicionador/Transmisor
Acondicionador/Transmisor
Mando dePotencia
Mando dePotencia
ActuadorActuador
ControladorControladorControladorControladorInterfase
deEntrada
Interfasede
Salida
Control Lazo AbiertoControl Lazo Abierto
ProcesoProceso
Perturbaciones
Sensor/Transductor
Sensor/Transductor
Acondicionador/Transmisor
Acondicionador/Transmisor
Mando dePotencia
Mando dePotencia
ActuadorActuador
ControladorControladorControladorControladorInterfase
deEntrada
Interfasede
Salida
Sensores/TransductoresSensores/Transductores
ProcesoProceso
TemperaturaPresiónCaudalNivelpHCp
RadiaciónPeso...
Variable:
Sensor/Sensor/TransductorTransductor
Tipos de SeñalesTipos de Señales
• DISCRETADISCRETA– No lleva información
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
• ANALOGICAANALOGICA– Si lleva información
de la variable medida en su valor.
– Representa “infinitos” estados posibles:
• Temperaturas: 0-100 °C• Presión: 1 a 10 psi.• Peso: 50 a 150 Kg.• Apertura: 0-100%• ...
Señales DiscretaSeñales Discreta
t
Voltios
0-
5-Señal
Eléctrica
InformaciónInformación
0 1 0 1 0 1 0 0
0-
1-
Señales AnalógicasSeñales Analógicas
t
Voltios
0-
5-Señal
Eléctrica
InformaciónInformación
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-
EjemploEjemplo
SeñalRespuesta
Apagado Apagado
Prendido
EjemploEjemplo
Motor
Temp.
Clasificación de SensoresClasificación de Sensores
• Activos:– No requieren de
alimentación externa (Ej. Termocupla)
• Pasivos:– Requieren de una
fuente de energía externa (Ej. Termoresistencia)
CaracterísticasCaracterísticas
• Características dinámicas– Velocidad de
respuesta (tiempo entre la medida y la señal de salida)
– Estabilidad (medio ambiente)
• Características estáticas– Rango de entrada– Resolución – Exactitud – Precisión– Linealidad– Sensibilidad– Ruido
Medición de TemperaturaMedición de Temperatura
TermocuplaTermocupla
I
Efecto Seebeck: f.e.m. ==> f ( T )Efecto Seebeck: f.e.m. ==> f ( T )
VV 10mV - 50 mV10mV - 50 mV
• Rangos:• -200 a 4000 °C
• Sensibilidad:• 10 a 50 µV/°C
• Baja Sensibilidad
Medición IndustrialMedición Industrial
INDICADOR CONVERTIDOR
mV Tol. +-
SISTEMADE MEDIDA
UNION DE REFERENCIATERMINAL
DE CABEZAL
Cables de compensacion
Metal A
Metal B
E (Tm-Tr)→
Tm Tr
4÷20 mA
Indication °C / °F
TTTaTa
MetalMetal a a
MetalMetal b b
CuCu
CuCu
V=V(T)-V(Ta)V=V(T)-V(Ta)
V= V(cu,a)(Ta) + V(a,b)(T) +V(b,cu)(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,cu)(Ta) + V(cu,a)(Ta)] +V(a,b)(T)
V= V(b,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= V(a,b)(T) – V(a,b)(Ta)
V(a,b)(T) = V + V(a,b)(Ta)V(a,b)(T) = V + V(a,b)(Ta)
Tipos de TermocuplaTipos de Termocupla• J : Fe-Constantan (Fe-C)• K : Cr-Aluml (Cr-Al)• T : Cu-Constantan (Cu-C)• Otros: W, Rh, Pt
• Exactitud : 1 - 3%• Respuesta : Lenta (seg.) Linealidad :
No muy buena
Thermocouple Type Names of Materials Useful Application Range
B Platinum30% Rhodium (+) Platinum 6% Rhodium (-)
2500 -3100F 1370-1700C
C W5Re Tungsten 5% Rhenium (+) W26Re Tungsten 26% Rhenium (-)
3000-4200F 1650-2315C
E Chromel (+) Constantan (-)
200-1650F 95-900C
J Iron (+) Constantan (-)
200-1400F 95-760C
K Chromel (+) Alumel (-)
200-2300F 95-1260C
N Nicrosil (+) Nisil (-)
1200-2300F 650-1260C
R Platinum 13% Rhodium (+) Platinum (-)
1600-2640F 870-1450C
S Platinum 10% Rhodium (+) Platinum (-)
1800-2640F 980-1450C
T Copper (+) Constantan (-)
-330-660F -200-350C
TUBO PROTECTOR
METALES
TERMINALES
AISLANTE
UNION DE MEDIDA
TermopozoTermopozo
Curvas de CalibraciónCurvas de Calibración
-500 0 500 1K 1.5K 2K
80
70
60
50
40
30
20
10
µV/°C
T (°C)
E
TJ
K
N
R
S B
• Rangos Rangos RecomendadoRecomendado::
• 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
• Rangos Rangos RecomendadoRecomendado::
• 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)Termoresistencia (RTD)
• Principio:– R = f(T)
• Materiales:– Pt (más usada)– W (T altas)– Otros: Ni, Cu
• Pediente: + (siempre)• Linealidad:
– Buena • Formas:
– Alambre enrollado– Film metálico
• Principio:– R = f(T)
• Materiales:– Pt (más usada)– W (T altas)– Otros: Ni, Cu
• Pediente: + (siempre)• Linealidad:
– Buena • Formas:
– Alambre enrollado– Film metálico
• Film:– Respuesta rápida– Bajo costo– Alta resistencia
• Alambre:– Masivo– Mas estable en el
tiempo• Autocalentamiento
– Bajo• Valores típicos
– 100, 200 ohms
• Film:– Respuesta rápida– Bajo costo– Alta resistencia
• Alambre:– Masivo– Mas estable en el
tiempo• Autocalentamiento
– Bajo• Valores típicos
– 100, 200 ohms
RTDRTD
AislanteCu Pt
0,0005” diam.
0.010” espesor
Ag
PIROMETROS INFRAROJOSPIROMETROS INFRAROJOS
• Todos los cuerpos emiten ondas electromagnéticas o radiación dependiendo de la temperatura a la que se encuentran
• La energía radiada y su longitud de onda están de acuerdo a la temperatura
• Por lo que se puede medir la temperatura del cuerpo sin contacto con él
• Basan su funcionamiento en la emisividad de los cuerpos
RADIACIÓN DE INFRARROJOS Todo cuerpo sobre el cero absoluto de temperatura (-273°C), irradia una energía con una longitud de onda que se encuentra en el infrarrojo (0,76 – 1.000 µ), del espectro electromagnético. El espectro visible es de 0,4 µ para la luz ultravioleta hasta alrededor de 0,75 µ, para la luz roja. Para los propósitos prácticos de medición de temperatura el espectro infrarrojo se extiende de 0,75 µ a 20 µ.
EMISIVIDAD DE LOS MATERIALESEMISIVIDAD DE LOS 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
Latón* 0,50 Papel 0,95
Ladrillo 0,90 Plástico** 0,95
Carbono 0,85 Caucho 0,95
Cerámica 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
APLICACIONESAPLICACIONES
Detector de metal Detector de metal CalienteCaliente
Medición de PresiónMedición de Presión
Fuerza
Celdas de cargaCeldas de carga
R = ρ l/A
“Strain Gauges”–Tensión mecánica --> R = f(F)
CapacitivoCapacitivo
C = ε A/d
Capacidad ----- f(P)
PiezoeléctricoPiezoeléctrico
V = kP
Cristales ----- f(P)
Sensores de PresiónSensores de Presión
EjemplosEjemplos
Presión manométrica y absoluta
EjemplosEjemplos
Presión en proceso
Presión diferencial
EjemplosEjemplos
Level
Medición de NivelMedición de Nivel
Sensores de NivelSensores de Nivel
• Directos• Mirilla• Flotador• Desplazamient
o• Sonda
• Indirectos– Presión
Hidrostática– Balanza– Eléctricos
• Conductivo• Capacitivo• Vibración• Ultrasonido• Micro- Ondas• Radiactivo
FlotadorFlotador
• Acoplamiento:– mecánico.– Magnético.
• Mantenimiento frecuente
DesplazamientoDesplazamiento
• Fuerza de empuje• Rango limitado• Interruptores/
salida continua.
SondaSonda
• Pluma baja y sube constantemente
• Sólidos y líquidos
Presión HidrostáticaPresión Hidrostática
• Necesidad de vaciar tanques para instalación y calibración.
• Supresión o elevación de cero.
• Diferencia de presiones en tanque cerrado.
• Columna de compensación húmeda.
h 3
h 4
h2
L H
100 %
0 %
Presión HidrostáticaPresión Hidrostática
h 3
h2
100 %
0 %
h 4
L H
h 3
h 1
h2
100 %
0 %
h 4
L H
MEDICION DE NIVEL
METODO HIDROSTÁTICO
BalanzaBalanza
• Celdas de Carga.• Distribución
uniforme en los apoyos
ConductivoConductivo
• Detección• Control
VibradoresVibradores
• Detección• Líquidos: frecuencia• Sólidos: amplitud
CapacitivoCapacitivo
• Constante dieléctrica
• Líquidos conductores y no conductores
UltrasonidoUltrasonido
• Tiempo de tránsito.• Velocidad del sonido = 343
m/s• Angulo de emisión.• No para temperaturas o
presiones altas.• Vapores, espuma excesiva,
turbulencia o polvo interfieren
RadarRadar• Frecuencia: GHz• Velocidad de la luz.• Inmune a:• presión• temperatura• vapores• turbulencia• agitación• Caro
RadiactivoRadiactivo
• Rayos gamma.• Fuera del depósito• Medios Peligrosos.• Atenuación depende
de depende de densidad del medio.
• Caro.
Presión diferencial
EjemplosEjemplos
Flow
flow measurement with orifice plate or pitot tube