02 sensores y medidores
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SENSORES
En este capítulo se analizarála mayoría de instrumentos utilizados en la medición de diversas variables de operación, identificando su rango de aplicación, ventajas y desventajas, facilitando de esta manera la selección de cualquier elemento primario de medición
SENSORES Y MEDIDORES INDUSTRIALES
VARIABLE MEDIDA
DISTURBIOS
VARIABLE CONTROLADA
VARIABLE MANIPULADA
SALIDA DE CONTROLADOR
DETECTOR DE ERROR O
COMPARADORSET POINT O VALOR DE REFERENCIA
CABLE, TELEFONO O RF
RTU
ALARMAS
REGISTRADOR
INDICADOR
CONTROLADOR
PC (SCADA)
ELEMENTO FINAL DE CONTROL (EFC)
PROCESO
SENSOR O ELEMENTO PRIMARIO
TRANSMISOR O ELEMENTO
SECUNDARIO
DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN LAZO DE CONTROL
DEFINICIONES DE INSTRUMENTACION
La terminología en instrumentación y control se ha estandarizado, de acuerdo a las recomendaciones de la SAMA (SCIENTIFIC APPARATUS MAKERS ASSOCIATION).
RANGO o CAMPO DE MEDIDA (RANGE)
Conjunto de valores de la variable medida comprendidos dentro de los límites superior e inferior (valores máximo y mínimo) de la capacidad medida o transmisión de un instrumento. Se expresa indicando los 2 valores extremos. Ej: 20 –100 GPM, -35 a 120°C, 0 a 3m.
VALOR MINIMO (ZERO)
Es el valor mínimo de medición de un instrumento.
Ej: 20 GPM;, -35 °C, 0m
ALCANCE (SPAN)
Es la diferencia aritmética entre valores superior e inferior de medida del instrumento.
Ej: 60 GPM, 155 °C, 3m
RANGEABILIDAD (TURNDOWN O RANGEABILITY)
Es el cociente entre el valor máximo entre el valor mínimo de un instrumento. Sirve para determinar si el instrumento va a poder ser usado para amplias variaciones de la variable medida. Ej: 80/20 = 4.
RANGEABILIDAD
10-25 l/m (2.5:1)
30-75 l/m (2.5:1)PLATA
10-75 l/m (7.5:1)
EXACTITUD
Es la cualidad de un instrumento de medida por la ual este tiende a dar lecturas próximas al valor verdadero (valor teórico) de la magnitud medida.
PRECISION (ACURACY)
Es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento (intervalo en el cual es aceptable que se sitúe el valor medida). Define los limites de los errores obtenidos cuando el instrumento trabaja bajo condiciones normales durante un periodo de tiempo determinado. La precisión se expresa de las siguientes maneras:
% del Alcance: por ejemplo, para un valor medido de 300 psi, una precisión de 1% y span de ± 500, el valor real estará comprendido entre 295 y 305 psi.
Directamente, en unidades de la variable medida. Ejemplo: precisión de ± 2 scfm.
% del valor medido: ± 0.5 % de 800°C = ± 4°C
% del valor máximo (% de URL)
% de la longitud de la escala
REPETIBILIDAD (REPETIBILITY)
Es la capacidad de reproducir la señal de salida o indicacio del instrumento al medir repetidamente valores identicos de la variable en las mismas condiciones de operación y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo.
Se considera su valor máximo (repetibilidad máxima) y se expresa el % del Alcance. La repetibilidad no incluye la histéresis.
REPETIBILIDAD
49.851.3
47.6
0PRUEBA 2PRUEBA 1 PRUEBA 3
PARA GRADUAR UN MANOMETRO
± (51.3-49.8)2 + (47.6-49.8)2
2
REPETIBILIDAD =
100
MANOMETRO
50
La repetibilidad esta dada por
Σ(Xi - X)2N
HISTÉRESIS (HYSTERESIS)
Es la diferencia máxima observada en los valore indicados por el instrumento para el mismo valor, cuando la variable recorreo toda la escala en los 2 sentidos (ascendente y descendente).
Se expresa en % del alcance.
Por ejemplo, indicador de 0 a 100, para el valor de 40, el indicador marca 39.9 al subir desde 0 y 40.1 al bajar desde 100. la Histéresis es :
40.1 - 39.9100 - 0
X 100 = ± 0.02 %
HISTERESIS
100
HISTERESIS=
50.750
49.8
0
ERROR
Es la diferencia algebraica entre el valor medido (leido o transmitido) y el valor real ( teórico) de la variable medida. Si el proceso está en régimen estable, existe el error estático.
En condiciones de continuo cambio (dinámicas) el error varía considerablemente debido a que los instrumentos tienen características comunes a los sistemas físicos: absorben energía del proceso y esta transferencia requiere de cierto tiempo para ser transmitida. Esto origina retardos en la lectura del aparato. Bajo condiciones cambiantes, se produce el error dinámico, que es la diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el indicado por el Instrumento. El valor de este error depende del tipo del fluido del proceso, de su velocidad, de las características del elemento primario, de los materiales de protección, etc.
El error medio del instrumento es la media aritmética de los errores en cada punto de medición determinados para los valores crecientes y decrecientes de la variable medida.
Cuando en una medición intervienen varios instrumentos (unos a continuación de otros), el valor final de la medición estará constituido por los errores inherentes a cada uno de los instrumentos. Si el límite del error relativo de cada instrumento es ± a, ± b, ± c, ±, d, etc., el máximo error posible en la medición será la suma de los valores anteriores:
Máximo error posible = ± ( a + b + c + d ……)
Como es improbable que todos los instrumentos tengan al mismo tiempo su error máximo en todas las circunstaciasde la medida, se toma como error total de una medición a la expresión:
± a2 + b2 + c2 + d2 + ……
Ejemplo: medicion de presion con un sello de diafragma, un transmisor electrónico de 4 – 20 mA, un elemento receptor y un integrador electrónicos, tenemos los siguientes errores:
Error del diafragma (del sello): 2.0%
Error del transmisor electrónico 4 – 20 mA: 0.1%
Error del transmisor electrónico: 0.2%
Error del integrador electrónico: 0.5%
Error total de la medición
= ± 22 + 0.12 + 0.22 + 0.52 = 2.07 %
SENSORES DE PRESIÓN
Presión Manométrica ( Pm )
Presiòn Atmosfèrica
Presión Absoluta (P) ( P) = ( Pb ) + (
Presión Absoluta (P)
Presión Vacuométrica (Pv) Presión
Barométrica ( Pb )
DISPOSITIVOS DE BALANCE DE GRAVEDAD
Miden presiones desconocidas, balanceandolas en contra de la fuerza gravitacional de líquidos. Dentro de los mas usados se encuentran los manometros en “U”, los de tubo inclinado, los de cubeta y los de cubeta de tubo inclinado
P1a – P2a = (ρm - ρ1) g h
Manómetro tubo en "U“
P 2a P 1a
ρ 1
ρm
h
Figura 3.2b.- Manómetro en “U” Simple
P1a , P2a : Presiones absolutas [Pa]
ρm : Densidad del manómetro [Kg/ m3]
ρ1 : Densidad del fluido [Kg/ m3]
g : Gravedad [m/ s2]
h : Altura [m]
Manómetro Inclinado
P2a
P1a
h
θ
L
P1a , P2a : Presiones absolutas [Pa]
ρm : Densidad del manómetro [`Kg/ m3]
ρ1 : Densidad del fluido [Kg/ m3]
g : Gravedad [m/ s2]
h : Altura [m]
θ : Angulo de inclinación
ELEMENTOS DE DEFORMACION ELASTICA
Son dispositivos que alteran su forma cuando están sometidos a deformación elástica
Manómetro de tubo "Bourdón"
Manómetro de Diafragma
En este caso el dispositivo elástico es una membrana metálica ondulada fijada dentro de la caja del manómetro, y la deformación originada por la presión se transmite al indicador por algún mecanismo de palanca o cremallera piñón
Transductores
Estos producen cambios de resistencia, inductancia o capacitancia que permiten lograr una salida electrica representativa de la presion sensada. De este modo se pueden tener manometros de aguja con salidas de 4 a 20 mA por ejemplo, como se muestra en la figura siguiente.
TRANSDUCTORES DE PRESION
(Convertidores transmisores)
Proceso
S
T
TRANSDUCTOREFC
C
DE 2 HILOS DE CONEXION
Rango de control
mA
Io=4 – 20 mAP 24 Vdc
0% 100%
-0 PSI 30 PSI 4 mA 20 mAIo =
DE 3 HILOS DE CONEXION
+
ALIM
-
OUT
+
P 8 Vdc
OUT
+-
IN C+
DE 4 HILOS DE CONEXION
+
ALIM
-
+
OUT
-
12 VdcP
I, V, f
blanco
ENABLE
+
OUT+
-
OUT
P R
blanco
R es necesario cuando el instrumento tiene su salida en colector abierto “OPEN COLECTOR”
TRANSDUCTOR DE PRESION
TRANSDUCTOR CON INDICADOR
¿cómo calibrar un instrumento de presión?
Calibración Directa
Generador Patrón
Medidor de PruebaRango
de pesasCertificado Mas preciso
Mas pesado
Unidad de medición y calibración de la presión deArmfield
Calibración Indirecta
Calibración por comparación
Medidor de PruebaMedidor Patrón
Certificado Menor precisión
Fácil transporteGenerador
SELECCIÓN DE TRANSDUCTORES DE PRESION
Hay tres consideraciones primordiales para seleccionar un transductor de presión, los requerimientos de presion del sistema, la temperatura del proceso y la compatibilidad del transductor con el fluido de proceso.
Los requerimientos de presión se relacionan con el hecho de que la presión máxima de trabajo debe ser inferior al limite superior del rango del transductor. Un dato practico seria el considerar el rango del mismo igual al 125 % de la presión normal de trabajo.
SELLO QUÍMICO
Manómetro o transmisor de presión
Glicerina (cualquier proceso) Temp.: Silicona
Diafragma (material de acuerdo al fluido que se va a manejar
Fluido corrosivo o abrasivo
CAPILAR
Capilar
Manómetro o transmisor de
presión
Temperatura d
sello
D = tamaño del capilar disminuye 100ºF/ 1 pie
SENSORES DE TEMPERATURA
Vidrio: -Mercurio - 35 hasta + 280ºC-Pentano - 200 hasta + 20ºC-Alcohol - 110 hasta + 50ºC-Tolueno - 70 hasta + 100ºC
Muy estables
Fragiles (no se utilizan en control de procesos)
No tienen capacidad de registro
No forman parte de un lazo de control cerrado
DIAFRAGMA CON BULBO
Bulbo de Bronce con Capilar y Sensor
Puede formar parte de un lazo de control cerrado
Diafragma
Rango:
Max: 280 ºC
Min: -40ºC
T
BIMETALICOS
Este sensor se construye por medio de dos cintas unidas de metales diferentes, debido a la diferencia en los coeficientes de expansión térmica de los dos metales, el calentamiento de toda la cinta origina la mayor expanción longitudinal; de como las cintas están soldadas a lo largo de toda su extensión, toda la cinta se doblará en la dirección del metal expandiendose menos. La extensión del doblamiento es proporcional al cambio de temperatura.
Varia desde -20 °C – 500°C)
Para trabajo continuo (425°C)
Puede formar parte de un lazo de control cerradoRápida respuesta e indicación exacta de la temperatura.Estructura maciza y fuerte para trabajar en condiciones difíciles.Fácil lectura.Simple y conveniente calibraciónLa exactitud de medición no es afectada por los cambios de ambiente en su cubierta.El visor de medición puede instalarse a distancia del punto sensado.Se puede aplicar en ambientes corrosivos y de alta presión.Precisión de ± 1 %
TERMISTORES
Los Termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado y presentando una curva característica lineal cuando la temperatura es constante.
Los termistores encuentran su principal aplicación en la compensación de temperatura, como temporizadores y como elementos sensibles en vacuómetros.
Como inconveniente del termistor es su falta de linealidad. Exigiendo un algoritmo de linealización para obtener mayores resultados
TERMOMETRO BIMETALICO
Rango de Medición: -30 ... +50 Hasta 0 ... 500 °CConexión: Posterior o Inferior Plano, G1/2 AG, Brida, Tubo Magnético,Acero inox., Aleación de CobreMaterial de Carcasa: Aceroinox.Diametro de Carcasa: 63, 80, 100 mm Clase de Precisión: 1,0Opción: Punto Marcador, Indicador de Arrastre
Termómetro Digital DTM
Rango de Medición: -30 ... +50 Hasta 0...400 °CConexión: Posterior e inferior G1/2... G1, 1/2"... 1" NPTMaterial de Carcasa: Acero inox., Poliamida en la parte posteriorDiámetro de Carcasa: 100 mm Clase de Precisión: 0,5Opción: Salida Analógica Hasta 2(4) Contacto,Max. Memoria, RS 232
Termómetros Digitales Manuales TD
Rango de Medición: -200 ... +1300 °CSensor: NiCr-Ni Precisión: ± 0,2 °C v. MWAlimenatción: 9 V BateriaFunción Hold, Min./Max. /Valor medido almacenado °C/°F Almacenaje de valor medido, Salida (1 mV/°C), RS 232
NTC
Coeficiente de Temperatura negativo
R
T
R
PTC
Coeficiente de Temperatura positivo
T
NTC
Medición de Ω en dos hilos
-No lineal
-Frágil
-Requiere de alimentación
R
T
0 – 100 º C
Casi Lineal
-20ºC 150ºC
Se puede predecir Vo
V in
NTC
+
-
VoV in
VoV in
NTC
+
-
Cuanto mas viejo se vuelve mas lineal
Puede formar parte de un lazo de control cerrado
TERMOCUPLAS
Se basa en el efecto SEEBECK
T2B
mV
A
T1
T1≠ T2 temperaturas
A ≠ B metales DC
No requiere alimentación
Genera Voltaje DC
Se auto alimenta
Simple
Barata
Amplia variedad
Amplio rango
No es lineal
Bajo voltaje de salida
No es estable
Termocupla ensamblada UNGROUNDED (no aterrada)No esta expuesta
rosca
Cerámica de aislamiento
Cables de termocupla
Tubo metálico
Material conductor de calor (aire)
Cerámica de conexionado
Cabezal
Cable de extension
Tiempo de respuesta (5 minutos)
GROUNDED
Responde mejor que los anteriores pero se deteriora mas rápido
TIPOS DE TERMOCUPLAS
Estable a temp. CryogénicasAtm. Oxidantes y reductoras-5.28 – 20.80-300 – 750 Cobre (+)
Constantan (-)T
Contaminado fácilmenteAtmósfera Oxidante0 – 15.97932 - 2800Platino 10% Rodio (+)
Platino (-)S
Atmósfera OxidanteContaminado fácilmente0 – 18.63632 - 2900Platino 13% Rodio (+)
Platino (-)R
Uso general. Mejor resistencia a oxidación.-1200 - 2300Nicrosil (+)
Nisil (-)N
Atmósferas Oxidantes-5.51 – 51.05-300 – 2300 Cromel (+)Alumel (-)K
Atmósfera reductora. Hierro se oxida a altas temperaturas-7.52 – 50.05-300 – 1600Acero (+)
Constantan (-)J
El de mayor voltaje / ºC0 – 75.1232 - 1800Cromel (Cr -Ni) (+)Constantan (Cu - Ni) (-)E
No resiste la oxidación-3000 - 4200Tungsteno 5%Renio (+)Tungsteno 26% Renio (-)C
Contaminado fácilmenteRequiere protección
0.007 -13.499100 - 3270Platino 30% Rodio (+)
Platino 6% Rodio (-)B
NOTASmVUsos
AplicacionesRango (ºF)
Nombre de los MaterialesTipos de
Termocupla
0 1000 2000 3000
Temperatura (°C)
Salid
ade
lter
mop
ar (m
v)
E
J
KPlatino-platino
13 % rodioPlatino-platino
10% rodio
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-10
Crom
el-c
onst
anta
n
Hierro-
cons
tantan
Cromel-alumel
Tungsteno 5%renio-tungsteno 26% renio
Platino 6% rodio-platino 30% rodio
Termoposo
Su función es separar el proceso del instrumento de medición
Ej: termocupla
tubería
termoupla
rosca
termoposo
Mayor protección del instrumento
No detiene el proceso
Termopozos para Termómetros de varilla TSH
Conexión: G 1/2...G 1, Soldado 18 m...28 mmMaterial: Acero inox.max. Presión: 25 bar
Termocuplas Atornillables TTE
Rango de Medición: -200 ... +600 °CConexión: G1/2, M10x1Material del Tubo Inmerso: Aceroinox.Sensor: FeCu-Ni, NiCR-Ni, Clase 2Cable: Tejido en Acero
Termocuplas Revestidas TTM
Rango de Medición: -200 ... +1150 °CTubo Inmerso: Acero inox., Funda, D= 0,5...6,0 mmSensor: FeCu-Ni, NiCr-Ni, Clase 2Conexión: Cable de Silicona, Conector liso Forma MAAccesorios: Conexiones
DETECTORES DE TEMPERATURA RESISTIVOS (RTD)
Detector de temperatura por resistencia
Sensor resistivo
Mide la temperatura en un área perpendicular relativamente pequeña
Ω = f(T)
Su respuesta es bastante lineal
Es mas estable que la termocupla
Es caro
Se auto calienta
α
R
T
Requiere fuente de alimentación
Se mantiene estable
Mas preciso
Se puede fabricar con Platino : -200 a 650 ºC Cobre : -100 a 260 ºC Níquel : -100 a 205 ºC
Película de platino : -50 a 550 ºC
RTD
Pasta o silicona
Soporta la vibración
Termómetros de Resistencia Atornillables TWE
Rango de Medición: -20 ... +150 Hasta .-60... +600 °CConexión: G1/4, G3/4, M10x1, M12x1Material de Tubo Inmerso: Acero inox.Sensor: Pt 100, 2,3 o 4-Cables, Clase BCable: Tejido en Acero,Silicona, CabezaForm MA
INFRAROJOS
Se utilizan para procesos y mantenimiento.
La temperatura se mide por los efectos que produce (dilatación, resistencia, deformación, milivoltajes, luz, etc.)
Tipo de termómetro de radiación
Cuando se confunde el color del filamento es porque se llega a la temperatura deseada.
Filamento
SENSORES DE NIVEL
Para control de proceso
Nos interesa la repetibilidad
Queda en un segundo plano la precision (1 - 2%)
Para control de Inventario
Nos interesa la presicion
±25mm control de inventario
± 3mm transferencia de custodia
TIPOS
Wincha
Regla
Vaso visor
Referencial (medicion)
Medicion Discreta Hidrostatico
Vibracion
Boya
Medicion continua Electrodos
Presion manometrica
Presion diferencial
Capacitivo
Burbujeo
Magnetico
Ultrasonido
Radar (onda quiada, onda no guiada)
Peso
Flotador
Transferencia de custodio Radar para trans. De custodio
HTG
PHTG
SERVO
VASO VISOR
Sirve para calibrar medidores de nivel, es preciso , utiliza el artificio STILLING WELL y el STILLIN PIPE
Indicador de Nivel en Bypass
cristal normal
OPERADOR POR FLOTADOR
PRINCIPIO
Estos instrumentos miden continuamente el nivel de liquido por medio de un flotador conectado a un indicador de nivel mecánico.
BENECIFIOS
•Medida simple y directa de variaciones de nivel
•No es necesaria energía para indicación.
PROBLEMAS
•Medida de merma
•Inmersión de flotador
•Peso de cinta
•Desvío de cinta por medio de viento
•Ubicación del montaje de la cabeza de medida
•Friccion
•Uso de techo flotante como un flotador
•Instalacion en tanques de servicio
•Partes moviles
PRINCIPIO HIDROSTATICO
El sistema tradicional hidrostático usa uno o mas sensoresde presión montados en un lugar especifico en la pared del tanque o en el tanque para determinar la masa del producto.
El método pneumo-hidrostático emplea un transductor localizado a un distancia del tanque para medir presiones sobre una conexión neumática para prueba
BENEFICIOS
PNEUMO HIDROSTATICO
Medición de masa
Precisión de nivel de un mm
Partes no móviles
No es necesaria energía en el tanque
Aplicaciones para tanques enterrados y superficiales
Ningún mantenimiento en el tanque
Medición de temperatura incorporada
Medición de fondos
Sencilla instalación
HIDROSTATICA TRADICIONAL
No invasivo
Medición directa de masa
Múltiples mediciones
Partes no móviles
P
h aparente
(a) (b)
P
h
Medidor Manométrico (Cortesía de Fortunecity
ELECTRODOS
vv
Fluido conductivo
No puede ser utilizado en tanques presurizados
VIBRACION
Emite y recibe una frecuencia f
Puede ser utilizado en tanques presurizados
f f
BURBUJEO
Alimentación
Tubo de cobre 1/4" OD
Nivel Máximo
Nivel Minimo
Rotámetro con regulador caudal
Extremo
biselado
a) Tanque abierto
Alreceptor
Medición denivel
DPI
b) Tanque cerrado
TRANSMISOR DE PRESION DIFERENCIAL
Nivel máximo
Nivel mínimo
Gravedad especifica cambiante
Cristalización de fluios por enfriamiento
HSe utiliza para tanques presurizados
A pesar de todo, hay que tener en cuenta que la Densidad del fluido es un factor muy importante a tener en cuenta con este sistema de medida. Por tanto, en los casos en que se producen cambios de Densidad (o Temperatura), estos sistemas pueden introducir errores considerables en las medidas. Para estos casos es conveniente corregir la medida obtenida por el sensor de presión diferencial, con otra medida correspondiente a la medida de Temperatura o directamente de la Densidad.
MAGNETICO
Mejora del vaso visor
Flotador limitado a las variaciones de la gravedad especifica
Indicador
Indicador
Indicador
Indicador
Flotador
de Phoenix)
Indicador
Indicador
Indicador
Indicador
Flotador
Flotador Ferromagnético Cortesía
En tanques presurizados de hasta 25 bar
Altura máxima
ULTRASONICO
Cono de apertura Φ
5º<Φ<13º
Medidor de no contacto (no intrusivo)
Basado en el principio de V= e/t
Mide la primera superficie de contacto
Existencia de aire
Se debe alejar de las paredes del tanque
Rango: 8 – 50 m
Banda muerta
Del 100% existe 2% de señal de retorno
Problemas
Caliente
vapor
Caliente
Espuma
STILLING PIPE
Tuberia de amortiguamiento
Vaso comunicante 0.5 – 0.6 m
RADAR
No intrusivo
Las condiciones que afectan al ultrasonico afectan al radar
Tiene un cono de apertura mucho menor que el ultrasonico
Dependendiendo del tipo de antena aumento mi ganacia receptiva
No usa banda de ultrasonido
Usa microondas de 6 Hz
Menos susceptible a la interferencia
Rango de medicion hasta 150 m
FLOTADOR
Regla graduada
Solo para tanques nuevos
Depende de la flotabilidad de la boya
Indicador visual
SERVO FLOTADOR
TECHO FLOTANTE
LIQUIDO ALMACENADO
Techo flotante
SENSORES DE FLUJO
FLUJO VOLUMETRICO
•Placa orificio
•Venturi
•Tobera
•Tubo pitot
•Annubar
•V-cone
•Rotametro
•Paletas
•Turbina
•Vortex
•Electromagnético
•Ultrasónicos (tiempo de transito, doppler)
Presión diferencial
FLUJO MASICO
•Termico
•Coriolis
Flujometros de presión diferencial
P1
V1
P2
V2
P1>P2 ∆P=P1-P2
V2>V1 fenómeno que se puede ver en las válvulas de control
∆P
0.2 barP1
100 bar
P2
99.8 bar
Tenemos que tener en cuenta el rango de ∆P y la presión manométrica
Placa orificio
D’
d
β
β = d/D0.3 ≤ β ≤ 0.6
D
D’ = f(d, P)Precisión 2%Qv = K ∆P
P1>P2
V1<V2
d= f(P. V. Flujo)
Vista de perfil
45º
Elemento de medición unidireccional
Se coloca entre bridas
φ = 1/8” , 1/4” , etc”
Fd
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