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INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL PARA MEDICIONES EN INGENIERIA MECANICA GENERALIDADES: CARACTERÍSTICAS DE LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

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Fases en la vida de un proyecto

INSTRUMENTACIN INDUSTRIAL PARA MEDICIONES EN INGENIERIA MECANICAGENERALIDADES:CARACTERSTICAS DE LA INSTRUMENTACIN INDUSTRIAL

1GeneralidadesInstrumentacin industrial.Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrial.Anlisis y discusin.

Generalidades P2Instrumentacin industrial.

La tendencia en la industria es implementar sistemas de control automtico para atender a los distintos procesos industriales.

Normalmente, un sistema de control opera en el esquema de lazo cerrado en el que, se mide el valor de una variable (magnitud), se compara con un punto de consigna o valor deseado (set point); y, en funcin de la desviacin o error existente, se toma una accin de correccin. Las acciones de medir, y, realizar la accin de correccin, se cumplen a travs de los recursos de la instrumentacin industrial.

En todo proceso industrial, el uso de instrumentos de medicin y de accin permite:

mantener los parmetros de calidad de los productos generados por el procesosupervisar la operacin del procesorecopilar informacin referente a los volmenes de produccin y cantidad de materia prima consumidadeterminar condiciones inseguras de operacin, otros

Instrumentacin industrialPor qu utilizar instrumentacin en la industria?Instrumentacin industrialPor qu utilizar instrumentacin en la industria?

Los proyectos de instrumentacin de un proceso industrial son complejos, multidisciplinarios, y, sostenidos en el tiempo. El ciclo de vida de un sistema de instrumentacin incluye:

la definicin conceptual del proyecto: ingeniera conceptualel diseo del proyecto: ingeniera bsicala implantacin del proyecto: ingeniera de detalleel arranque y puesta en marchala operacinel mantenimiento del sistemala desincorporacin del sistema

Instrumentacin industrialProyectos de instrumentacin industrialEn la ingeniera conceptual se identifican necesidades, se definen objetivos, se plantean posibles soluciones, se realiza el estudio de factibilidad tcnica y econmica de cada alternativa propuesta, y, se selecciona una de ellas.

En la ingeniera bsica se realizan las especificaciones tcnicas de la instrumentacin a ser utilizada en el proyecto, y, se elaboran los planos de instalaciones e instrumentacin.

En la ingeniera de detalles se genera toda la documentacin necesaria para la instalacin, arranque, y, puesta en operacin del sistema.Instrumentacin industrialProyectos de instrumentacin industrialDe acuerdo a la variable del proceso, pueden existir instrumentos de caudal, nivel, presin, temperatura, densidad y peso especfico, humedad y punto de roco, viscosidad, posicin, velocidad, pH, conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez, etc.

De acuerdo a la funcin del instrumento, estos pueden ser transductores, sensores, receptores, transmisores, indicadores, registradores, convertidores, controladores, elementos de accin final, interruptores de lmite, elementos ciegos (alarmas).

Instrumentacin industrialClases de instrumentosLa Sociedad de Instrumentacin, Sistemas, y, Automatizacin de Norteamrica (ISA), define al transductor como un dispositivo que recibe energa de un sistema, y, suministra energa (ya sea del mismo tipo o de un tipo diferente) a otro sistema de tal manera que, ciertas caractersticas deseadas de la energa de entrada aparecen en la salida.

El trmino transductor es muy amplio y se recomienda utilizar slo para aquellos instrumentos que no quepan en los otros grupos funcionales.

Transductores pasivos: son aquellos que necesitan una fuente de energa (de alimentacin), diferente de la seal de entrada. Ej: fotoresistencias, RTD (Resistance Temperature Detector), etc.

Transductores activos: son aquellos que generan una salida, an sin una fuente de alimentacin diferente de la propia seal de entrada. Ej: termopares, fotoclulas, etc.

Transductores digitales: son aquellos que generan salidas discretas en el tiempo, tpicamente seales digitales binarias. Ej: contadores de eventos, discos codificadores, etc. Instrumentacin industrialClases de instrumentos: transductoresUn elemento primario o sensor es aquel que responde cuantitativamente a una medida. Por ejemplo, un resorte responde a una fuerza segn su elongacin.

Un buen sensor debe perturbar lo menos posible la variable medida, de modo de no introducir errores en la medicin. Ej: conexin del ampermetro en un circuito elctrico.

Sensores intrusivos: son aquellos que necesitan estar en contacto fsico directo con el cuerpo o material sobre el cual se desea realizar alguna medicin. Ej: termopar

Sensores invasivos: son aquellos que no slo necesitan estar en contacto fsico directo con el cuerpo o material sobre cual se desea realizar alguna medicin, si no que adems pueden modificar significativamente (si son mal dimensionados) la dinmica del proceso. Ej: un flotador para medir nivel

Sensores no intrusivos: son aquellos que no necesitan estar en contacto directo con el cuerpo o material sobre el cual se desea realizar alguna medicin. Ej: medidores de nivel en base a ultrasonido.Instrumentacin industrialClases de instrumentos: sensoresReceptor es el nombre genrico de los instrumentos que reciben las seales provenientes de los transmisores.

Se consideran receptores a los registradores, a los controladores, y, a los indicadores, siempre que estn acoplados a un transmisor.Instrumentacin industrialClases de instrumentos: receptoresLos transmisores son instrumentos que captan la variable medida a travs de un sensor, y, la convierten en una seal estndar para su transmisin, la cual es slo funcin de la variable medida.

El uso de transmisores permite centralizar la gestin de la informacin de las variables medidas, para efectos de control o de garantizar la seguridad del personal.

Generalmente, las seales de los sensores no tienen la potencia suficiente para ser transmitidas a largas distancias, por lo que los transmisores incluyen etapas de amplificacin y transmisin.

Para la transmisin analgica de variables de proceso, existen dos estndares: 3 a 15 psi (pound force per square inch) para seales neumticas, y, 4 a 20 mA para seales elctricas.

Para la transmisin digital de variables de proceso, se utilizan dos protocolos: Fieldbus Foundation (ISA S50), y, Profibus.

Instrumentacin industrialClases de instrumentos: transmisoresLos indicadores son instrumentos utilizados para mostrar visualmente el valor presente de una cantidad medida.

Los indicadores pueden ser analgicos y digitales

Instrumentacin industrialClases de instrumentos: indicadores

Los registradores son instrumentos que registran con un trazo continuo o discreto el valor de una variable en funcin de otra, tpicamente el tiempo.

Los registradores pueden ser analgicos y digitales

Instrumentacin industrialClases de instrumentos: registradores

Los convertidores son instrumentos que se utilizan para cambiar de una seal estndar a otro.

Existen dos tipos de convertidores:

los convertidores P/I, que convierten una seal de entrada neumtica (3 a 15 psi) a una seal elctrica (4 a 20 mA), y,los convertidores I/P, que convierten la seal elctrica en una seal neumtica.Instrumentacin industrialClases de instrumentos: convertidores

Los controladores son dispositivos que regulan la variable controlada (presin, nivel, temperatura, etc.), comparndola con un valor predeterminado o punto de consigna, y, ajustando la salida de acuerdo a la diferencia o resultado de la comparacin, a fin de ejercer una accin correctiva de acuerdo con la desviacin.

Los controladores no slo se utilizan para esquemas de control regulatorio, sino tambin para realizar estrategias de control secuencial, caso en el cual reciben el nombre de controladores de lgica programable (PLC).Instrumentacin industrialClases de instrumentos: controladores

Los elementos de accin final son los instrumentos que reciben la seal del controlador (seal de control) y que actan sobre el proceso tecnolgico.

Los elementos de accin final pueden ser neumticos, elctricos, hidrulicos, etc.

Ej: vlvulas para control de flujo, tiristores para control de corriente elctrica, motores de paso paracontrol de posicin.

Instrumentacin industrialClases de instrumentos: elementos de accin final

Los interruptores de lmite son instrumentos que captan el valor de cierta variable de proceso, y cambian de estado cuando la variable excede cierto valor.

Ej: un flotante en un tanque, el cual causa el cierre de la vlvula de entrada de fluido al tanque.

En ocasiones los interruptores de lmite se pueden utilizar como controladores ON/OFF.

Ej: el termostato de un sistema de aire acondicionado, que se encarga de activar el compresor cuando la temperatura es mayor a cierto valor, y, de apagarlo cuando es inferior a otro lmite.Instrumentacin industrialClases de instrumentos: interruptores de lmite

Los elementos ciegos son instrumentos sin indicacin visible, utilizados generalmente como alarmas.

Los elementos ciegos pueden ser luminosos, audibles, etc.Instrumentacin industrialClases de instrumentos: elementos ciegos

La seleccin y aplicacin adecuada de los instrumentos de medicin y de accin, depende de una gran cantidad de factores como:

conocimiento del procesoconocimiento de los diferentes principios de medicininterpretacin adecuada de las caractersticas dadas por el fabricante de cada instrumentocorrecta instalacin y mantenimiento de los instrumentosotros

Instrumentacin industrialSeleccin de la instrumentacin industrialGeneralidades P2Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrial.

Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialLas caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrial se clasifican en tres grupos:

caractersticas y parmetros relacionados al rangocaractersticas y parmetros estticoscaractersticas y parmetros dinmicosCaractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialEl rango de medicin es el espectro de valores de la variable medida, comprendido entre dos lmites dentro de los cuales, la seal es recibida, transmitida, o, indicada por le instrumento.

El lmite alto del rango de medicin se denomina rango superior (RS), mientras que el lmite bajo del rango de medicin se denomina rango inferior (RI).

El alcance del instrumento de medicin, se define como la diferencia entre el RS y el RI. (Alcance = RS RI)

El rango de medicin puede ser expresado en trminos de la variable medida, en trminos de la variable recibida, o, en trminos de la variable transmitida.

Ej: un transmisor de temperatura puede tener un rango de medicin de -10C a 50C, un rango en la entrada de -10mV a 100mV, y, un rango en la salida de 4 a 20 mA.

Existen instrumentos multirango, que pueden ser utilizados en distintos rangos de medicin. Ej: multmetro.Rango de medicin (range) y alcance (span)Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialCuando el valor cero de la variable medida est por encima del RI, se dice que el instrumento de medicin tiene el rango con el cero elevado, o, que tiene elevacin de cero. El factor de elevacin de cero (FE) se calcula como:FE = |RI| / Alcance

Cuando el valor cero de la variable medida est por debajo del RI, se dice que el instrumento de medicin tiene el rango con el cero suprimido, o, que tiene supresin de cero. El factor de supresin de cero (FS) se calcula como:

FS = |RI| / Alcance

La variabilidad del rango (rangeability) de un instrumento de medicin, se define como la relacin entre el valor mximo que puede medir y el valor mnimo que puede medir. Normalmente, la variabilidad del rango es una caracterstica principalmente asociada a los instrumentos de medicin de caudal y a las vlvulas para control de caudal.Rango de medicin (range) y alcance (span)Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialLas caractersticas estticas de un instrumento de medicin, son aquellas que presenta el instrumento para una variable medida en estado estacionario.

La determinacin de las caractersticas estticas de un instrumento de medicin es una actividad experimental basada en uso de instrumentos patrones de baja tolerancia, o, en el uso de principios fsicos para medir una variable cuyo significado se conoce suficientemente.

Caractersticas estticas de los instrumentos de medicinCaractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialSe denomina exactitud a la conformidad de un valor indicado, transmitido, o, registrado, respecto de un valor ideal o estndar.

Hay tres formas de estimar la exactitud de un instrumento: estimacin basada en el valor ms alejado, estimacin basada en la desviacin promedio, y, estimacin basada en la desviacin estandar.

La estimacin basada en el valor ms lejano, expresa a la exactitud como:

|Vm ms alejado Vr |En dnde:Vm ms lejado, es el valor medido ms alejado del valor realVr, es el valor real

c) Basada en la desviacin estndar.En este caso se calcula la desviacin estndar del error de todas las mediciones tomadas, para lo cual seasume que el error sigue una curva de distribucin normal. La frmula utilizada para calcular la desviacinestndar es la siguiente:

Caractersticas estticas de los instrumentos de medicin: Exactitud (accuracy).Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialLa estimacin basada en la desviacin promedio, expresa a la exactitud como:

dEn donde:d, es la desviacin promedio, di, es la diferencia entre el valor medido en la i-sima medicin y el valor realN, es el nmero de mediciones

Caractersticas estticas de los instrumentos de medicin: Exactitud (accuracy).

Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialLa estimacin basada en la desviacin estndar, expresa a la exactitud como:

( + k.)En donde:, es el error promedio, es la desviacin estndar del error de todas las mediciones tomadas (para lo cual se asume que el error sigue una curva de distribucin normal).

xi, es la diferencia entre el error de la medicin i-sima (ei) y el error promedio de las mediciones (eprom): xi = (ei - eprom)

k, es un valor entre 1 y 3. (k=1 para el 68 % de la muestra, k=2 para el 95%, y, k = 3 para el 99,7%).

Caractersticas estticas de los instrumentos de medicin: Exactitud (accuracy).

Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialLa precisin o repetibilidad de un instrumento de medicin, es la capacidad de ste para indicar valores idnticos, bajo el mismo valor de la variable medida, y, en las mismas condiciones de servicio (mismo sentido de variacin).

A diferencia de la exactitud, la precisin indica la dispersin (entre si) de los valores medidos, ms no la diferencia entre los valores medidos y los valores reales.

Caractersticas estticas de los instrumentos de medicin: precisin o repetibilidad (repeatability).Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialCaractersticas estticas de los instrumentos de medicin: exactitud vs precisin

Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialCaractersticas estticas de los instrumentos de medicin: banda muerta (dead band).La banda muerta de un instrumento de medicin es el rango de valores, dentro del cual puede variar la variable medida sin que se produzcan variaciones a la salida del instrumento.

La banda muerta, se mide durante el cambio de direccin de la variacin de la seal medida.

La banda muerta tiene su origen en fricciones mecnicas, inercias elctricas, y, otras manifestaciones que impliquen almacenamiento o intercambio de energa.

Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialCaractersticas estticas de los instrumentos de medicin: histresisLa histresis de un instrumento de medicin, es la diferencia mxima entre los valores indicados, para un mismo valor de la seal medida, cuando se recorre la escala en ambos sentidos y en ciclos consecutivos.

Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialCaractersticas estticas de los instrumentos de medicin: resolucinLa resolucin de un instrumento de medicin, es el mnimo intervalo entre dos valores adyacentes que pueden ser distinguidos el uno del otro.

Ej: la regla milimetrada que se muestra, tiene una resolucin igual a 0.5 mm.

Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialCaractersticas estticas de los instrumentos de medicin: linealidadLa linealidad de un instrumento de medicin es la proximidad con que la curva de respuesta (salida vs. entrada) se asemeja a una lnea recta.

Habitualmente, la linealidad se expresa en trminos de no linealidad, por cuanto, para determinarla se mide la mxima desviacin de la curva promedio de calibracin con respecto a una lnea recta, la cual es trazada de acuerdo a tres mtodos diferentes: linealidad independiente, linealidad terminal, y, linealidad basada en cero.

Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialCaractersticas estticas de los instrumentos de medicin: linealidadPor el mtodo de la linealidad independiente, la lnea recta utilizada para determinar la linealidad, es trazada de forma tal de minimizar la distancia promedio con respecto a la curva de calibracin.

En la linealidad terminal, la lnea recta se traza entre los dos puntos extremos de la curva de calibracin. La linealidad se calcula entonces como la mxima desviacin de la curva de calibracin con dicha lnea recta.

En la linealidad basada en cero, la lnea recta es trazada de modo que coincida con la curva de calibracin en el punto inferior de la escala, pero con la inclinacin adecuada para minimizar la mxima desviacin entre la curva de calibracin y dicha lnea recta.

Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialCaractersticas estticas de los instrumentos de medicin: Deriva (drift) y estabilidadLa deriva de un instrumento de medicin, es la mxima variacin experimentada a la salida, durante un perodo de tiempo determinado, cuando la variable medida se mantiene en un valor constante durante ese perodo.

La deriva generalmente se expresa en funcin del span. La deriva tpicamente se manifiesta como un corrimiento constante de la salida en todo el rango de medicin (error de cero), por lo que este error puede ser corregido con recalibracin del instrumento.

La estabilidad de un instrumento de medicin, se refiere a la mxima variacin experimentada por alguna de las caractersticas del instrumento, con respecto a una variable externa que en trminos generales no puede ser controlada.

Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialCaractersticas estticas de los instrumentos de medicin: sensibilidadLa sensibilidad de un instrumento de medicin, es la relacin que existe entre la variacin experimentada por la salida de un instrumento, y, la variacin de la seal medida causante del cambio.

Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialCaractersticas estticas de los instrumentos de medicin: otrasEl error de calibracin del instrumento de medicin, es la inexactitud permitida por el fabricante, que debe darse como especificacin del dispositivo.

La saturacin del instrumento de medicin, es el rea de valores de la variable medida, donde el instrumento ha sobrepasado su capacidad mxima de operacin, por lo que se presenta un comportamiento distinto a la operacin normal, y, por lo tanto, no confiable.

El ruido en el instrumento de medicin esta representado por seales impuras que afectan el funcionamiento del mismo.

La temperatura de servicio del instrumento, representa la zona de temperatura en que el instrumento es confiable.

La vida til de servicio del instrumento, es el tiempo durante el cual se espera que el instrumento funcione de acuerdo con las especificaciones del fabricante.

Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialCaractersticas dinmicas de los instrumentos de medicinLas caractersticas dinmicas de un instrumento de medicin, se refieren al comportamiento de este, cuando la variable medida est cambiando en el tiempo.

Para la determinacin de las caractersticas dinmicas de un instrumento de medicin, tpicamente, se somete al mismo a una entrada tipo escaln, y, se analiza el comportamiento de la salida, en el tiempo.

Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialCaractersticas dinmicas de los instrumentos de medicin

Caractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialCaractersticas dinmicas de los instrumentos de medicinTiempo muerto es el tiempo transcurrido desde el inicio de un estmulo a la entrada del instrumento, hasta que existe un cambio observable a la salida.

Tiempo de respuesta al escaln, es el tiempo transcurrido desde un cambio tipo escaln en la entrada, hasta que la salida alcanza un porcentaje especfico del valor en estado estacionario (90 99%).

Tiempo de establecimiento, es el tiempo transcurrido desde el inicio de un estmulo tipo escaln en la entrada del instrumento, hasta que la seal de salida se inscribe en la banda de establecimiento, conformada por un error de 2% respecto al valor esperado.

Tiempo de elevacin, ante un cambio tipo escaln en la entrada, es le tiempo que la seal de salida tarda en pasar por dos lmites preestablecidos del valor final o de estado estacionarioCaractersticas y parmetros de la instrumentacin industrialCaractersticas dinmicas de los instrumentos de medicinVelocidad de respuesta, es la rapidez a la que el instrumento responde a cambios en la cantidad medida. Usualmente, se determina sometiendo a la entrada a un cambio tipo escaln, y, midiendo el cambio a la salida experimentada durante el tiempo de elevacin, es decir:

Constante de tiempo, es el tiempo que tarda la salida del instrumento en alcanzar el 63% del valor final esperado, ante un cambio tipo escaln en la entrada.

DISCUSIN Y ANLISIS

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