Practica Laboratorio InstrumentaciÃ³n.doc

Manual de Prcticas de Laboratorio

Centro de Enseanza Tcnica Industrial

Organismo Pblico Descentralizado Federal

Reforma Integral de la Educacin Superior

Ingeniera MecatrnicaInstrumentacin IndustrialNOMBRE DEL PROFESOR: Jorge E. Solano RodrguezFecha_____________________________________________________________INTRODUCCIN

Estas prcticas tienen como objetivo principal que el alumno tenga los conocimientos prcticos necesarios para la seleccin adecuada de la Instrumentacin en un Proceso Industrial.CONTENIDOPrctica 1Diferentes tipos de InstrumentosPrctica 2Trasmisores de PresinPrctica 3Trasmisores de NivelPrctica 4Trasmisores de Temperatura

Prctica 5Trasmisores de Flujo

Prctica 6Controladores

Prctica 7Elementos finales de Control

Prctica No. 1Nombre del alumno:

Registro

Carrera:Ingeniera Mecatrnica

Materia:Instrumentacin Industrial

Clave:CI-20GrupoSemestre:

Profesor:Jorge E. Solano Rodrguez

Unidad:

No. Prctica:Nombre de la Prctica

Fecha:Diferentes tipos de Instrumentos

RevisinA

1. Objetivo

Conocer los diferentes tipos y diferencias de los instrumentos en los procesos Industriales.2. Material, Equipo y(o) Herramientas enlistados por el profesor:No.CantidadDescripcin

11Instrumento ciego

21Instrumento con Indicador

31Elemento primario

41Transductor o Convertidor

51Controlador

61Elemento final de control

3. Desarrollo de la Prctica.Tipos de instrumentos

Los instrumentos se pueden clasificar segn la funcin que realizan y segn la variable de proceso que evaluarn, por lo tanto, segn la funcin, los instrumentos se agrupan en:

1.- Instrumentos ciegos: Estos son aquellos que no tienen indicacin visible de la variable. Hay que hacer notar que son ciegos los instrumentos de alarma, tales como presostatos y termostatos (interruptores de presin y temperatura respectivamente) que poseen una escala exterior con un ndice de seleccin de la variable, ya que slo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador al cruzar la variable el valor seleccionado. Son tambin instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presin, nivel y temperatura sin indicacin. Trasmisor de Nivel de Ultrasonido.

2.- Instrumentos indicadores: Estos disponen de un ndice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Segn la amplitud de la escala se dividen en indicadores concntricos y excntricos. Existen tambin indicadores digitales que muestran la variable en forma numrica con dgitos. 3.- Instrumentos registradores: Estos registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de grfico rectangular o alargado segn sea la forma del grfico. Los registradores de grfico circular suelen tener el grfico de 1 revolucin en 24 horas mientras que en los de grfico rectangular la velocidad normal del grfico es de unos 20 mm. /hora. 4.- Elementos primarios: Ellos estn en contacto con la variable y utilizan o absorben energa del medio controlado para dar al sistema de medicin una indicacin en respuesta a la variacin de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presin, fuerza, posicin, medida elctrica, etc. Por ejemplo: En la medicin de flujo, una Placa de Orificio:

5.- Transmisores: Estos captan la variable de proceso a travs del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de seal neumtica de margen 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrnica de 4 a 20 mA de corriente continua. La seal neumtica de 3 a 15 psi equivale a 0,206 - 1,033 bar (0,21 - 1,05 Kg. /cm2) por lo cual, tambin se emplea la seal en unidades mtricas 0,2 a 1 bar (0,2 a 1 Kg. /cm2). Asimismo, se emplean seales electrnicas de 1 a 5 mA c.c., de 10 a 50 mA c.c. y de O a 20 mA c.c., la seal normalizada es de 4-20 mA c.c. La seal digital utilizada en algunos transmisores inteligentes es apta directamente para ordenador. El elemento primario puede formar o no parte integral del transmisor; el primer caso lo constituye un transmisor de temperatura de bulbo y capilar y el segundo un transmisor de presin Diferencial. Trasmisor de Presin Diferencial.

6.- Transductores y Convertidores: Los transductores reciben una seal de entrada funcin de una o ms cantidades fsicas y la convierten modificada o no a una seal de salida. Son transductores, un rel, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/I (presin de proceso a intensidad), un convertidor PP/P (presin de proceso a seal neumtica), etc. Los Convertidores son aparatos que reciben una seal de entrada neumtica (3-15 psi) o electrnica (4-20 mA c.c.) procedente de un instrumento y despus de modificarla envan la resultante en forma de seal de salida estndar. Ejemplo: un convertidor P/I (seal de entrada neumtica a seal de salida electrnica, un convertidor I/P (seal de entrada elctrica a seal de salida neumtica). Este ltimo trmino es general y no debe aplicarse a un aparato que convierta una seal de instrumentos. 8.- Controladores: Estos comparan la variable controlada (presin, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una accin correctiva de acuerdo con la desviacin. La variable controlada la pueden recibir directamente, como controladores locales o bien indirectamente en forma de seal neumtica, electrnica o digital procedente de un transmisor.

9.- Elemento final de control: Este recibe la seal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. En el control neumtico, el elemento suele ser una vlvula neumtica o un servomotor neumtico que efectan su carrera completa de 3 a 15 psi (0,2-1 bar). En el control electrnico la vlvula o el servomotor anteriores son accionados a travs de un convertidor de intensidad a presin (I/P) o seal digital a presin que convierte la seal electrnica de 4 a 20 mA c.c. o digital a neumtica 3-15 psi. En el control elctrico el elemento suele ser una vlvula motorizada que efecta su carrera completa o un variador de frecuencia para controlar la velocidad de un motor de corriente alterna. Vlvula de Control Neumtica

4. Conclusiones y Preguntas.1.- Que seal de salida estndar manejan los trasmisores Electrnicos2.- Porque se utilizan los trasmisores ciegos3.- Cuando se requiere un Convertidor o un Transductor

4.- Que es un I/P

5.- Rango de seal neumtica estndar de una vlvula de controlPractica No. 2Nombre del alumno:

Registro





Unidad:

No. Prctica:2Nombre de la Prctica

Fecha:Medicin de Presin

Revisin1

5. ObjetivoEl alumno conocer los diferentes mtodos para la medicin de la presin y seleccionar el trasmisor ms adecuado para cada aplicacin

6. Material, Equipo y(o) Herramientas enlistados por el profesor:No.CantidadDescripcin

11Manmetro

21Trasmisor de Presin con Celda Capacitiva

31Trasmisor de Presin Piezoelctrico

4

7. Desarrollo de la PrcticaManmetro: Funcionan bajo el siguiente principio mecnico: un tubo enrollado, cerrado por un extremo, tiende a enderezarse cuando por el otro extremo del tubo se le aplica un gas o lquido bajo presin. Cuando el enrollado "Coil" se diserta correctamente y el material utilizado tambin es el correcto, la deformacin que sufre el tubo, debido a la presin aplicada, es altamente repetitiva, pudiendo el sensor ser calibrado para producir precisiones que en muchos casos alcanzan 0,05% del span. Tal como se muestra en la figura, el movimiento del extremo libre del tubo Bourdon se convierte, por medio de engranajes y eslabones, en un movimiento proporcional de una aguja o una plumilla del indicador.

Materiales de construccin: Los tubos Bourdon pueden fabricarse de varios materiales, entre los cuales se tiene: acero inoxidable 316 y 403, Cobre Berilio, K Monel, Monel y Bronce Fosforado. El material seleccionado determina tanto el rango como la resistencia del tubo a la corrosin. Por ejemplo, un tubo espiral de bronce es adecuado para presiones hasta 300 psig, mientras que uno de acero, puede manejar presiones de hasta 4.000 psig.

Tubo Bourdon tipo C: se utilizan principalmente para indicacin local en medidores de presin, que estn conectados directamente sobre recipientes de proceso y tuberas.

Aplicaciones: los tubos Bourdon se utilizan como instrumentos de medicin directa y como instrumentos de presin en ciertos tipos de controladores, transmisores y registradores.

El tipo de Bourdon utilizado se determina principalmente por el espacio disponible en la caja del instrumento.

Transductores Capacitivos: La figura muestra un sensor de presin que utiliza

Capacitancias en vez de resistencias como elementos del puente de Wheatstone. En este caso, el elemento sensor es un diafragma que est en contacto con la presin del proceso. Cuando la presin aplicada produce una deflexin en el diafragma, la capacitancia del elemento cambia en proporcin a la presin aplicada; ya que la capacitancia es funcin del material dielctrico entre las placas del capacitor y de las distancias entre las placas. Este cambio en la capacitancia

Produce un cambio en la seal de voltaje d.c. del circuito del puente. Esta variacin de voltaje se convierte en una seal estndar de 4-20 mA.Estos transductores pueden censar presiones bajas, se usan frecuentemente en transmisores de presin manomtrica as como diferencial y en aplicaciones de medicin de presin, flujo y nivel.Ventajas Muy buenos para medir presiones bajas.

Construccin rgida.

No es afectado por vibracin.

Desventajas Sensibles a la temperatura.

Se requiere electrnica adicional para producir una seal de salida

Estndar.

Requiere fuente de poder externa. Transductores piezoelctricos: La piezoelectricidad se define como la produccin de un potencial elctrico debido a la presin sobre ciertas sustancias cristalinas como el cuarzo, titanato de bario, etc. En un sensor piezoelctrico la presin aplicada sobre varios cristales produce una deformacin elstica. Un semiconductor piezoresistivo se puede describir como un elemento que produce un cambio en la resistencia, causado por un esfuerzo aplicado sobre un diafragma. De esta manera, resistencias de estado slido se pueden utilizar como instrumentos de presin, del mismo modo que los alambres de un Strain Gage, pero con varias ventajas. La alta sensibilidad o factor de medida es aproximadamente 100 veces mayor que en los Strain Gages de alambre. Las piezoresistencias estn difundidas en un medio homogneo de silicona cristalino. De esta manera, las resistencias estn integradas al elemento sensor.

8. Conclusiones y Preguntas.1.- Que consideraciones se requieren para seleccionar un Manmetro.

2.- Como se conecta un transmisor de 2 hilos

3.- Cual es la instalacin tpica de un trasmisor

4.- Que tipo de trasmisor mide la Presin Absoluta.Practica No. 3Nombre del alumno:

Registro





Unidad:


Fecha:Medicin de Nivel

Revisin1

9. ObjetivoEl alumno conocer los diferentes mtodos para la medicin del Nivel y seleccionar el trasmisor ms adecuado para cada aplicacin

10. Material, Equipo y(o) Herramientas enlistados por el profesor:No.CantidadDescripcin

11Transmisor de nivel por presin en el fondo

21Transmisor de nivel por burbujeo

31Transmisor de nivel por ultrasonido

4

11. Desarrollo de la Prctica

En los instrumentos de nivel de tipo hidrosttico, el nivel se mide por medio del peso que ejerce una columna de lquido sobre el sensor de presin. La siguiente relacin define la medicin de presin debido a una columna de lquido, la cual puede ser convertida a altura del nivel sobre una lnea de referencia determinada:

Donde:P: Presin debido a la columna de lquido.Sg: Gravedad especfica del lquido.H: Altura del nivel. El Mtodo de Burbujeo.- Utiliza la variacin de presin hidrosttica causada por la columna de lquido. Dentro del recipiente cuyo nivel se quiere medir, se instala una tubera vertical. El extremo abierto de la tubera se hace coincidir con el punto de nivel cero, tal como se muestra en la figura.

El otro extremo de la tubera se conecta a una fuente de aire regulada y a un medidor de presin. Cuando se va a realizar una medicin de nivel, el aire de alimentacin se ajusta de modo que la presin sea ligeramente superior que la presin ejercida por la columna de lquido. Esto se consigue regulando la presin del aire hasta que se observan burbujas saliendo del extremo de la tubera colocado dentro del recipiente. La presin indicada por el medidor est relacionada con el nivel a travs de la ecuacin anterior. El mtodo de burbujeo es til en aquellas aplicaciones donde los lquidos son corrosivos o tienen slidos suspendidos. Provee indicacin local, es fcil de instalar y econmico. Debe ser utilizado en aplicaciones de lquidos de gravedad especfica constante y donde no se requiera una gran exactitud.Sensores de nivel de tipo ultrasnico

La figura muestra el principio de operacin de un sensor de nivel de tipo ultrasnico no intrusivo para aplicaciones de nivel continuo. En estos sensores, se mide el tiempo empleado por el sonido en su trayecto desde un emisor hasta un receptor. El instrumento tiene un emisor que proporciona breves impulsos snicos. Estos impulsos son reflejados por la superficie del material en el recipiente y llegan de nuevo al emisor, que acta ahora como receptor. El tiempo transcurrido es una medida de la distancia entre el material y el emisor-receptor. Un convertidor electrnico proporciona la medida del nivel. El instrumento puede incluir un sensor de temperatura para compensar los cambios en la temperatura del aire. Ventajas:

Disponibilidad de sensores no intrusivos para evitar problemas de corrosin y contaminacin.

Medicin continua y puntual.

No posee partes mviles. Menor mantenimiento.

Se utiliza para lquidos y slidos, conductivos y no conductivos.

Desventajas:

La medicin puede ser afectada por el movimiento del material en el tanque.

La espuma del lquido puede absorber la seal transmitida.

La presencia de partculas o vapor en el aire puede interferir la seal de los sensores de tipo no intrusivo.12. Conclusiones y Preguntas.

1.- Cual tipo de trasmisor se requiere para medir Nivel en un tanque con polvos o granos

2.- Que tipo de trasmisor se requiere para medir nivel de un lquido en un tanque cerrado y presurizado.

3.- En qu casos es utilizado generalmente el trasmisor de nivel por Burbujeo.

Practica No. 4Nombre del alumno:

Registro





Unidad:


Fecha:Medicin de Temperatura

Revisin1

13. ObjetivoEl alumno conocer los diferentes mtodos para la medicin de Temperatura y seleccionar el trasmisor ms adecuado para cada aplicacin

14. Material, Equipo y(o) Herramientas enlistados por el profesor:

No.CantidadDescripcin

11Sensor tipo Termopar

21Sensor tipo RTD

31Transmisor de Temperatura

4


TermoparesEl termopar es uno de los sensores ms comunes y simples usados para determinar la temperatura de los procesos. Bsicamente, un termopar est constituido por dos metales diferentes tales como alambres de hierro y Constantan. Cuando se aplica calor a la unin de dos metales diferentes, se genera una fuerza electromotriz (Fem.), la cual puede ser medida en el otro extremo de estos dos metales (conductores). Este es el principio en el cual se basa la medicin de temperatura utilizando termopares,

La Junta de Medicin o junta Caliente es el extremo que se coloca en el medio cuya temperatura se quiere medir. La junta de Referencia o junta Fra es el extremo del termopar que se conecta a los terminales del instrumento de medicin.

Los conductores de un termopar forman un circuito elctrico, por el cual fluye la corriente como resultado de la Fem. Generada. Esta Fem. Es proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos juntas. La corriente fluir en el circuito siempre y cuando T1 sea distinto de T2.

Termmetros de resistencia (RTD)El principio de operacin de los detectores de temperatura tipo resistencia (RTD), est basado en el hecho de que la resistencia elctrica de los metales vara directamente con la temperatura. La magnitud de este cambio frente a 1 C de cambio en la temperatura, se conoce como el coeficiente de resistencia de temperatura (a). Para la mayora de los metales puros, este coeficiente es constante dentro de un rango de temperatura.El cambio en la resistencia es una funcin del coeficiente de resistencia del material y puede ser expresado por la ecuacin: Donde:

Rt = Resistencia en Ohms a la temperatura TRo = Resistencia en Ohms a la temperatura de referencia

= Coeficiente de resistencia del material

RTD y Termopar

Trasmisor de Temperatura

16. Conclusiones y Preguntas.

1.- Cual sensor tiene mayor precisin el Termopar o el RTD2.- Que salida manda un trasmisor de Temperatura y qu tipo de sensor puedo conectarle.

3.- Si tengo un sensor de temperatura tipo RTD PT100 instalado en un proceso y mido su resistencia y me da 157.25 Ohms. A que temperatura esta el proceso?

4.- Que termopar se utiliza para medir la temperatura en un horno a 1500 C


Registro





Unidad:


Fecha:Medicin de Flujo

Revisin1

17. ObjetivoEl alumno conocer los diferentes mtodos para la medicin de Flujo y seleccionar el trasmisor ms adecuado para cada aplicacin



11Placa de Orificio

21Trasmisor de Presin Diferencial

31Transmisor de Flujo tipo Electromagntico

41Trasmisor de Flujo tipo Vortex

51Trasmisor de flujo tipo Coriolis


Medicin de flujo

La medicin de flujo es uno de los aspectos ms importantes en el control de procesos; de hecho, bien puede ser la variable ms comnmente medida. Existen muchos mtodos confiables y precisos para medir flujo. Algunos son aplicables solamente a lquidos, otros solamente a gases y vapores; y otros a ambos. El fluido puede ser limpio o sucio, seco o hmedo, erosivo o corrosivo. Las condiciones del proceso tales como presin, temperatura, densidad, viscosidad, etc., pueden variar.

Todos estos factores afectan la medicin y deben ser tomados en cuenta en el momento de seleccionar un medidor de flujo. Es necesario por lo tanto, conocer el principio de operacin y caractersticas de funcionamiento de los diferentes medidores de flujo disponibles. Sin tal conocimiento, es difcil seleccionar el medidor ms apropiado para una determinada aplicacin.Medidores de flujo diferenciales

Los medidores de flujo de tipo diferenciales son los ms comnmente utilizados. Entre ellos pueden mencionarse: la placa de orificio, el tubo Venturi, el tubo Pitot, la tobera y el medidor de impacto (Target). Estos miden el flujo de un fluido indirectamente, creando y midiendo una presin diferencial por medio de una obstruccin al flujo. El principio de operacin se basa en medir la cada de presin que se produce a travs de una restriccin que se coloca en la lnea de un fluido en movimiento, esta cada de presin es proporcional al flujo. La proporcionalidad es una relacin de raz cuadrada, en la cual el flujo es proporcional a la raz cuadrada del diferencial de presin.

Esta relacin hace que la medicin de flujos menores del 30% del flujo mximo, no sea prctica debido a la prdida de precisin.

Los medidores de flujo de tipo diferencial generalmente estn constituidos por dos componentes: el elemento primario y el elemento secundario. El elemento primario es el dispositivo que se coloca en la tubera para obstruir el flujo y generar una cada de presin. El elemento secundario mide la cada de presin y proporciona una indicacin o seal de transmisin a un sistema de indicacin o control. El elemento primario se calcula y se selecciona de acuerdo al fluido y las caractersticas del proceso. Se han desarrollado ecuaciones que toman en cuenta casi todos los factores que afectan la medicin de flujo a travs de una restriccin. La ecuacin bsica a partir de

La cual fueron desarrolladas estas ecuaciones, es la ecuacin de Bernoulli.

Medidor de Flujo de Tipo Electromagntico: El medidor de flujo magntico, figura representa uno de los medidores de flujo ms flexibles y aplicables. Proporciona una medicin sin obstruir el flujo, es prcticamente insensible a las propiedades del fluido, y es capaz de medir los fluidos ms erosivos.

Se instala igual que un segmento convencional de tubera, y la cada de presin que produce no es mayor que la producida por un tramo recto de tubera de longitud equivalente. Los medidores de flujo magnticos son por lo tanto muy adecuados para medir qumicos, lodos, slidos en suspensin y otros fluidos extremadamente difciles de medir. Su principio de medicin proporciona una medicin de flujo con una seal inherentemente lineal al flujo volumtrico independientemente de la temperatura, presin, densidad, viscosidad o direccin del fluido. La nica limitacin que tienen es que el fluido debe ser elctricamente conductor y no magntico. El principio de operacin de un medidor de flujo magntico est basado en la Ley de Faraday que establece que cuando un conductor se mueve a travs de un campo magntico, se produce un voltaje inducido, cuya magnitud es directamente proporcional a la velocidad del conductor, a la longitud del mismo y al campo magntico. Cuando las bobinas electromagnticas que rodean al tubo se energizan, generan un campo magntico dentro de l. El fluido del proceso que pasa a travs del campo magntico funciona como un conductor en movimiento induciendo un voltaje en el fluido. Los electrodos colocados en el interior de la tubera establecen una conexin elctrica con el fluido del proceso, captando el voltaje que sta presenta. V es la velocidad de un fluido conductor en una tubera no-conductora, el cual fluye a travs de un rea de campo magntico B, y con electrodos espaciados una distancia D. La velocidad del fluido conductor, los electrodos y el campo magntico se encuentran Formando ngulos rectos uno al otro. Bajo estas condiciones la Ley de Faraday puede escribirse como:

Donde:

E: Fuerza electromotriz (Fem.) resultante, voltios

K: Constante de proporcionalidad

D: Distancia entre electrodos

V: Velocidad del fluido

Medidor de flujo tipo torbellino (Vortex): Bsicamente este tipo de medidor esta

Constituido por un objeto en forma de barra que se coloca dentro de la tubera para obstruir el flujo, figura, lo que hace que se produzcan torbellinos o remolinos aguas abajo de la obstruccin.

Figura Medidor de flujo tipo torbellino (Vortex)

La zona de remolinos es donde el fluido se mueve a mayor velocidad si se compara con el resto de la corriente del fluido que la rodea. Debido a esto, se trata de una zona de baja presin. Los remolinos generados aguas abajo del objeto que produce la obstruccin, crean una zona de baja presin en la corriente del fluido. La frecuencia de estos remolinos (vrtices), es directamente proporcional a la velocidad del fluido. Cerca del cuerpo que produce la obstruccin, se colocan sensores sensibles a las fluctuaciones de presin que miden esta frecuencia; la cual es independiente de las propiedades del fluido; teniendo como nica limitacin un valor mnimo del nmero de Reynolds. La tasa de flujo se determina a partir de esta medicin.

Diferentes tipos de sensores han sido utilizados para detectar la frecuencia de los remolinos, entre stos se incluyen: transductores piezoelctricos, transductores magnticos, transductores snicos y fibra ptica. Un diseo mejorado utiliza sensores de tipo capacitivo, los cuales son inmunes a las vibraciones y son compatibles con la mayora de los fluidos. Los medidores de

Flujo de tipo torbellino pueden ser utilizados para medir flujo de lquidos, gases o vapores, requieren tramos rectos de tubera similares a los requeridos por una placa de orificio con una relacin igual a 0,70.Medidor de flujo tipo Coriolis:Un objeto que se mueve en un sistema de coordenadas que rota con una velocidad angular, experimentar una fuerza de Coriolis proporcional a la masa, a la velocidad del objeto y a la velocidad angular del sistema. Esta fuerza es perpendicular a la velocidad del objeto y a la velocidad angular del sistema de coordenadas.

En la nueva generacin de los medidores de Coriolis, comercialmente disponibles, el fluido a la entrada del medidor se divide entre dos tubos en forma de U, los cuales tienen un dimetro menor que el de la tubera del proceso. El flujo sigue la trayectoria curva de los tubos, y converge a la salida del medidor. Estos tubos se hacen vibrar a su frecuencia natural por medio de un mecanismo magntico. Si en vez de hacerlos rotar continuamente los tubos vibran, la magnitud y direccin de la velocidad angular es alternada. Esto crea una fuerza Coriolis alterna. Si los tubos en forma de U son suficientemente elsticos, las fuerzas de Coriolis inducidas por la masa del fluido producen una pequea deformacin elstica. A partir de ella se mide y calcula el flujo de masa.

La figura muestra la configuracin de un medidor tipo Coriolis; debido a que la masa no cambia, el medidor es lineal y no tiene que ser ajustado para variaciones en las propiedades del lquido. Tambin elimina la necesidad de compensar por variaciones en la presin y temperatura.

Este medidor es til especialmente para lquidos cuya viscosidad vara con la velocidad. La exactitud tpica de estos medidores est entre un +0,20% a +0,40% del valor mximo del flujo de diseo.

Generalmente se emplean con fluidos lquidos, aunque tambin puede utilizarse con gases secos y vapor sobrecalentado. La limitacin principal del uso de estos medidores est en su alto costo, el cual independientemente de sus bondades (gran precisin), puede hacer su adquisicin no atractiva.


1.- Calcular una placa de orificio para los siguientes datos:- Fluido: Agua

- Flujo Mximo: 350 G.P.M.

- Dimetro nominal de tubera: 4 Ced. 40

- Presin: 80 PSI.

- Temperatura 70 F

- Mxima Presin Diferencial: 100 H2O.

- Tomas de medicin de presin: En las bridas.

2.- Para qu tipo de fluido se utiliza el medidor de flujo Magntico.3.- Que consideraciones hay que tomar para la instalacin de una Placa de Orificio.

4.- Que tipos de fluidos puede medir un trasmisor tipo Vortex

5.- Cual es la mayor desventaja de un medidor de flujo tipo Coriolis

6.- Que tipo de medidor se utiliza para medir flujo msico.


Registro





Unidad:


Fecha:Controladores

Revisin1

21. ObjetivoEl alumno conocer el funcionamiento de un controlador y el efecto de sus ajustes de Control



11Controlador

21Estacin de trabajo para la variable flujo

23. Desarrollo de la Prctica.

Control Proporcional.

Ya se menciono que el controlador proporcional entrega una salida que vara en forma proporcional al error (SP-PV). Para poner en marcha un controlador proporcional se deben fijar los siguientes parmetros: la temperatura deseada SP, por ej. SP = 200 C

la banda proporcional Pb, por ej. Pb = 10 %.

el tiempo de ciclo tc, por ej. tc = 4 seg.

Por supuesto no hace falta definir el tiempo de ciclo si se va a usar una vlvula motorizada como mecanismo de control.

La banda proporcional Pb se programa en el controlador como un porcentaje del SP. Corresponde a una banda de temperatura situada por debajo del SP a lo largo de la cual, la potencia de salida variar proporcionalmente al error (SP-PV), disminuyendo cuanto ms cercana sea la temperatura al SP. Internamente el controlador realizar el clculo del porcentaje de salida "Out" mediante la siguiente frmula:

Out = [100% * E / banda]Banda = Pb*SP/100%

E = (SP - PV)

El parntesis [ ] se usa para indicar saturacin, es decir que si al evaluar el interior, resulta mayor de 100%, se deja en 100% y si resulta 0 o negativo, se deja en 0%.

Para los valores del ejemplo SP=200C y Pb=10%, la potencia determinada

Por el control variar a lo largo 20C abajo del SP.Banda = Pb*SP/100% = 10% * 200 C / 100% = 20C

Es decir que la banda a lo largo de la cual variar gradualmente la potencia ser: 180C...200C.

Por ejemplo si la temperatura del horno es igual o menor de 180C, la salida de control (potencia) ser 100%. Cuando la temperatura est en la mitad de la banda, es decir en 190C la salida ser 50%:Out%= [100% * E / banda] = 100%*(200-190)/20 = 50%Al llegar la temperatura a 200 C la salida ser 0%:Out%= [100%*(200-200)/20] = 0%En el siguiente grfico de temperatura vs. Tiempo se observa el comportamiento tpico de un control proporcional.

Control Proporcional Integral PI.

El control proporcional presenta el problema que la temperatura jams se estabilizar justo en el valor del SP. En la prctica se estaciona siempre en un punto dentro de la banda proporcional, produciendo as el "error estacionario".Una forma de eliminar el error estacionario podra ser aumentando, mediante algn ajuste manual, un 25% la salida del control de modo que se estacione en 200C. Algunos controles antiguos permitan este ajuste y era llamado "Manual reset" o "Ajuste manual", el problema con este ajuste es que ser efectivo mientras el horno est con las mismas caractersticas que cuando se realiz. Por ejemplo, si por alguna razn las prdidas del horno disminuyen a 20%, la temperatura subir por arriba de 200C creando un error por arriba del SP. La forma efectiva de solucionar el problema del error estacionario es agregando al control proporcional el termino "Integral" llamado tambin a veces "automatic reset" o "reset action", nosotros lo llamaremos "accin integral".

El control ser el mismo proporcional, pero a la salida se le suma la accin integral, que la corrige tomando en cuenta la magnitud del error y el tiempo que este ha permanecido. Para ello se le programa al control una constante I, que es formalmente "la cantidad de veces que aumenta la accin proporcional por segundo". La salida se corrige en una cantidad equivalente a la integral del error multiplicada por I.

Control Proporcional Derivativo PD.

Un control PD es uno proporcional al que se le agrega la capacidad de considerar tambin la velocidad de la temperatura en el tiempo. De esta forma se puede "adelantar" la accin de control del mando de salida para obtener as una temperatura ms estable.

Si la temperatura est por debajo del SP, pero subiendo muy rpidamente y se va a pasar de largo el SP, entonces el control se adelanta y disminuye la potencia de los calefactores.

Al revs si la temperatura es mayor que el SP, la salida debera ser 0% pero si el control estima que la temperatura baja muy rpido y se va pasar para abajo del SP, entonces le coloca algo de potencia a la salida para ir frenando el descenso brusco.

La accin derivativa es llamada a veces "rate action" por algunos fabricantes de controles porque considera la "razn de cambio" de la temperatura.

Agregamos ahora un nuevo parmetro llamado constante derivativa D, medido en segundos.

Internamente el controlador realizar ahora el clculo:

Out = [100% * (E - D * Vel) / (banda)]Banda = Pb*SP/100%

Donde "Vel" es la velocidad de la temperatura medida por el controlador, en C/seg Para este ejemplo fijamos D = 5 seg. Y como antes SP=200 C y Pb=10%.

Supongamos que en un momento dado, la temperatura del horno es de 185C y est subiendo a una velocidad Vel= 2 C/Seg. En un control proporcional la salida debera ser de 75%. Out = [100% *E / banda] = 100%*15C/20C = 75%

Pero en este caso el control PD toma en cuenta la velocidad de ascenso de la temperatura y la multiplica por la constante derivativa D y obtiene: Out = [100% * (E - D * Vel) / (banda)]= [100% * (15C - 5 Seg * 2 C/Seg.) / banda ]

= [100% * (5C) / 20C] = 25%

Entonces a pesar que la temperatura actual es 185 C, la salida es 25% en vez de 75%, al considerar la velocidad de ascenso de la temperatura. La accin derivativa ocurre tambin fuera de la banda proporcional, en la tabla se puede ver que para esta misma velocidad de ascenso de 2 C/seg, la salida deja de ser 100% a partir de 170C.

Out = [ 100% * ( E - D * Vel) / banda ]

= [ 100% * ( (200-170)C - 5 Seg * 2 C/Seg.) / 20C] = [100% * (30C-10C) / 20C] = [100% * (20C) / 20C] = 100%

De la misma forma si la temperatura est sobre 200 C pero descendiendo rpidamente, (velocidad negativa) por ejemplo -1C/seg, entonces el control activar antes y con mayor potencia la salida intentando que no baje de 200 C.

El control PD permite obtener una temperatura muy estable, sin oscilaciones y sin necesidad de sacrificar la respuesta ante perturbaciones aumentando la banda proporcional.


1. Qu efecto produce en un controlador al aumentar la ganancia.2.- Que efecto produce en un controlador al disminuir la ganancia.

3.- Cual es la funcin principal de la Accin Integral.

4.- Para que se requiere la accin derivativa.

5.- Que funcin realiza el selector Auto / Manual en un controlador


Registro

Carrera:Ingeniera Meca trnica




Unidad:


Fecha:Elementos Finales de Control

Revisin1

25. ObjetivoEl alumno conocer y seleccionara el Elemento Final de Control de acuerdo a la aplicacin seleccionando el tamao de la vlvula de Control o del Variador de Frecuencia.26. Material, Equipo y(o) Herramientas enlistados por el profesor:


11Vlvula de Control

21Variador de Frecuencia para motor de corriente alterna

31Motor de HP trifsico a 220 VCA.

27. Desarrollo de la Prctica.

Vlvulas de Control

En principio, qu es una vlvula de control?, la respuesta general debera ser toda aquella vlvula que controla el paso de un fluido. A que nos referimos como control?, usualmente se hace referencia a la regulacin, o modulacin, del paso de un fluido por la vlvula, implicando que sta est abierta en cierto porcentaje diferente a 0% o 100% de la carrera. La vlvula regula, o modula, su apertura para influir en el paso del fluido.Tambin se ha denominado como vlvulas de control on-off a aquellas vlvulas automatizadas que regulan el paso del fluido en forma discreta. Es decir, la vlvula se abre completamente para permitir el paso de un fluido (sin importar su caudal ni presin), o se cierra completamente para cortar el paso. Principio de funcionamiento:

Toda vlvula produce un diferencial de presin. Desde muchos puntos de vista, las vlvulas pueden ser consideradas el antnimo de una bomba. Las bombas levantan presin mientras las vlvulas reducen presin siempre (aunque sea en una medida mnima). La ecuacin para calcular el tamao de una vlvula de control para lquidos, es la siguiente:

Donde:Q = Es el caudal medido en gpm (galones por minuto),

Cv = Es la capacidad inherente de la vlvula, o coeficiente de la vlvula.

P = Es la diferencia de presin entre la entrada y salida de la vlvula medida en PSI.S = Es la gravedad especfica del fluido (a dimensional).

En la figura siguiente se muestran las partes de una vlvula de Control.

Variador de Velocidad.Principio de funcionamiento

Los dispositivos variadores de frecuencia operan bajo el principio de que la velocidad sncrona de un motor de corriente alterna (CA) est determinada por la frecuencia de CA suministrada y el nmero de polos en el estator, de acuerdo con la relacin:

Donde

RPM = Revoluciones por minuto

f = frecuencia de suministro CA (Hz)

p = Nmero de polos (a dimensional)

Las cantidades de polos ms frecuentemente utilizadas en motores sncronos o en Motor asncrono son 2, 4, 6 y 8 polos que, siguiendo la ecuacin citada resultaran en 3000 RPM, 1500 RPM, 1000 RPM y 750 RPM respectivamente para motores sincrnicos nicamente. Dependiendo de la ubicacin funciona en 50Hz o 60Hz.

En los motores asncronos las revoluciones por minuto son ligeramente menores por el propio asincronismo que indica su nombre. En estos se produce un desfase mnimo entre la velocidad de rotacin (RPM) del rotor (velocidad "real" o "de salida") comparativamente con la cantidad de RPMs del campo magntico (las cuales si deberan cumplir la ecuacin arriba mencionada tanto en Motores sncronos como en motores asncronos) debido a que slo es atrado por el campo magntico exterior que lo aventaja siempre en velocidad (de lo contrario el motor dejara de girar en los momentos en los que alcanzase al campo magntico)

Ejemplo:

Un motor de 4 polos que est conectado directamente a la red de distribucin elctrica de 60 Hz debera tener una velocidad sncrona de 1800 rpm:

Si este es un motor de induccin, la velocidad de operacin a plena carga estar sobre los 1750 RPM.

Si el motor est conectado a l variador de velocidad que le proporciona 40 Hz, la velocidad sncrona ser de 1200 RPM:

Descripcin del VFD

Un sistema de variador de frecuencia (VFD) consiste generalmente en un motor de CA, un controlador y un interfaz operador.

Relacin par-velocidad para un variador de velocidad

Motor del VFD

El motor usado en un sistema VFD es normalmente un motor de induccin trifsico. Algunos tipos de motores monofsicos pueden ser igualmente usados, pero los motores de tres fases son normalmente preferidos. Varios tipos de motores sncronos ofrecen ventajas en algunas situaciones, pero los motores de induccin son ms apropiados para la mayora de propsitos y son generalmente la eleccin ms econmica. Motores diseados para trabajar a velocidad fija son usados habitualmente, pero la mejora de los diseos de motores estndar aumenta la fiabilidad y consigue mejor rendimiento del VFD. (Variador de frecuencia)

Controlador del VFD

El controlador de dispositivo de variacin de frecuencia est formado por dispositivos de conversin electrnicos de estado slido. El diseo habitual primero convierte la energa de entrada CA en CC usando un puente rectificador. La energa intermedia CC es convertida en una seal quasi-senoidal de CA usando un circuito inversor conmutado. El rectificador es usualmente un puente trifsico de diodos, pero tambin se usan rectificadores controlados. Debido a que la energa es convertida en continua, muchas unidades aceptan entradas tanto monofsicas como trifsicas (actuando como un convertidor de fase, un variador de velocidad).Diagrama de Variador de frecuencia con Modulacin de Ancho de Pulso (PWM).

Tan pronto como aparecieron los interruptores semiconductores fueron introducidos en los VFD, ellos han sido aplicados para los inversores de todos las tensiones que hay disponible. Actualmente, los transistores bipolares de puerta aislada (IGBTs) son usados en la mayora de circuitos inversores.

Las caractersticas del motor CA requieren la variacin proporcional del voltaje cada vez que la frecuencia es variada. Por ejemplo, si un motor est diseado para trabajar a 460 voltios a 60 Hz, el voltaje aplicado debe reducirse a 230 volts cuando la frecuencia es reducida a 30 Hz. As la relacin voltios/hertzios deben ser regulados en un valor constante (460/60 = 7.67 V/Hz en este caso). Para un funcionamiento ptimo, otros ajustes de voltaje son necesarios, pero nominalmente la constante es V/Hz es la regla general. El mtodo ms novedoso y extendido en nuevas aplicaciones es el control de voltaje por PWM.28. Conclusiones y Preguntas.

1.- Calcular el tamao de la Vlvula de control para los siguientes datos:

Fluido: Agua

Flujo Mximo: 380 G.P.M.

Presin de entrada: 95 PSI

Presin de salida 100% abierta: 90 PSI.

2.- Que caractersticas con respecto al flujo tiene una vlvula de control.

3.- Que datos se requieren para seleccionar un Variador de Velocidad.

BIBLIOGRAFIA

Instrumentacin Industrial.

Autor: Antonio Creus Sol

Editorial: MarcomboFSGC-214-7-INS-008 REV. A

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