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Oscar Rangel, Diego Gutiérrez y Hernán Mancipe; Estudiantes Ingeniería en Control Universidad Distrital FJDC – Facultad Tecnológica

Prácticas de laboratorio en plantas Amatrol (T5552, T5553, T5554) 

Resumen—El presente informe describe cada una de las prácticas hechas y validadas por el docente de la materia de Instrumentación Industrial (Alfredo Chacón), y principalmente hace referencia al principio de funcionamiento o comportamiento a una entrada, características de un sensor y/o actuador de las plantas Amatrol que están ubicadas en el laboratorio de Control de la facultad. Abstract-- This report describes each of the practices made and validated by the teacher of the art of Industrial Instrumentation (Alfredo Chacon) and mainly refers to the principle of operation or behavior to an input, characteristics of a sensor and / or actuator of Amatrol plants are located in the Control Laboratory of the faculty.

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I. INTRODUCCIÓN

ste documento presenta uno o varios sensores o actuadores de las plantas de Amatrol ( T5552 – Sistema para controlar un proceso, T5554 - Sistema para controlar un proceso analítico y T5553 – Sistema para controlar un proceso térmico), que relacionan como variable de referencia la corriente (4-20mA – estándar) vs unidad de salida inherente, posteriormente se describe para mayor entendimiento. Estas plantas no sólo incluyen el funcionamiento de sensores y actuadores a través de un sistema, traen incorporado muchos más elementos con los cuales podría llevarse a cabo un análisis similar, pero por cuestiones de tiempo sólo fue posible entrar a considerar sólo una pequeña parte de ellas, los subsistemas que componen cada uno de los sistemas de control son principalmente: transductores y válvulas de control , controles PID, drivers de comunicación externa (Ethernet), partes de acoplamiento para poderlas controlar a través de un PLC, visualizadores alfanuméricos. . II. PRÁCTICAS DE LABORATORIO A. T5552 – Planta para controlar un proceso Este sistema de control de procesos proporciona un control preciso de un líquido en una amplia variedad de aplicaciones industriales. La T5552 enseña dos de los tipos más comunes de los sistemas de control de procesos: flujo y nivel del líquido. Se ha aprendido a ajustar, instalar, operar y conectar algunos transductores para tener en cuenta una analogía de una aplicación industrial.

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El T5552 incluye componentes de calidad industrial que se montan en un circuito de bucle cerrado para controlar el flujo de agua entre dos tanques o el nivel de líquido en un tanque. Todos los componentes están conectados en el panel de control para permitir la medición de señales y conexión de los dispositivos. A continuación se presentan algunos sensores y actuadores

con su respectivo comportamiento:

funcionamiento

y

gráfica

de

Sensor ultrasonido: Se usa para medir el nivel de líquido de un tanque. Detección de nivel por ultrasonidos. La detección de niveles por ultrasonidos mide la diferencia entre los tiempos de resonancia de una señal de sonido emitida desde un sensor montado en la pared de un tanque y la misma señal recibida de vuelta por el mismo sensor. El sensor, que está ajustado acústicamente respecto a la pared de un contenedor de líquido (tanque o recipiente), genera un corto impulso de ultrasonidos que se mantiene en resonancia localmente respecto a la pared. Las frecuencias de resonancia son distintas dependiendo de que exista o no líquido directamente bajo el sensor (figura 1). El sensor detecta la diferencia de tiempos de resonancia correspondientes a un “vacío” y un “lleno” y activa una señal de salida.

Fig. 1. Señal de salida sensor ultrasonido

Medición de niveles por ultrasonido (tiempo de retorno de la señal). El método de reflexión del sonido se basa en el tiempo de retorno de un pulso de sonido emitido por un sensor. El pulso ultrasónico emitido se refleja en la superficie del producto y el mismo sensor vuelve a detectarlo. El tiempo de retorno de la señal es una medida de la altura de la sección vacía del tanque. Si a esta distancia se le resta la altura total del tanque, se obtiene el nivel del producto. El tiempo de retorno se convierte en una señal de salida analógica. Ventajas: • No hay contacto con el producto. • Adecuado para diversos líquidos y materiales granulados. Desventajas: • El producto no debe producir demasiada espuma en la superficie. • El método no es adecuado a altas presiones ni altas temperaturas.

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• No es aplicable en condiciones de vacío. Teniendo en cuenta el principio de funcionamiento, se realizó una práctica donde se mide el nivel de agua en un tanque. Se toma la corriente de salida, estándar, contra el nivel en centímetros, y se obtiene la siguiente tabla y gráfica, en donde se incluye un ajuste de una función lineal, su ecuación de salida y variable de correlación. Y como se puede apreciar a continuación tiene poca histéresis. CORRIENTE VS

TABLA I NIVEL DE UN SENSOR DE ULTRASONIDO

Sensor presión Orden I[mA] 6,6 7,7 8,8 9,9 11 12,1 Orden 12,1 11 9,9 8,7 7,7 6,6

Hidrostátic a Ascendente Nivel[cm] 0 5 10 15 20 24,5 Descendente 24,5 20 15 10 5 0

Fig. 2. Comportamiento lineal de la corriente vs el nivel, salida del sensor de ultrasonido

Sensor de presión hidrostática: El objetivo de este sensor es el mismo del ultrasonido, lo que cambia es su principio de funcionamiento Tiene un método se basa en la medición de la presión hidrostática correspondiente a una columna de líquido de una altura determinada. La presión se calcula mediante la expresión: P=h·ρ ·g Dónde: P = presión; h = altura de la columna de líquido; g = aceleración de gravedad; ρ = densidad relativa;

A partir de la formula se observa que si la densidad efectiva del medio es constante, la única variable es h. Así, la presión es directamente proporcional a la altura h, es decir, al nivel del líquido en el tanque. La presión hidrostática de la columna de líquido se mide directamente con un transmisor de presión. La medición de nivel con transmisor de presión se utiliza preferentemente en tanques abiertos expuestos a la atmósfera, como lo tiene la T5552. En estos casos, la presión medida es igual a la presión de la columna de líquido + la presión atmosférica (presión en la superficie). La presión en la superficie suele ser despreciable porque la mayoría de los sensores de presión disponen de dispositivos que compensan la presión atmosférica. Para estos casos, los transmisores se montan en la parte más baja del tanque. Ventajas: • Montaje sencillo. • Fácil de ajustar. • Precisión razonable. • Amplio uso en aplicaciones de la industria alimentaria, donde se manejan productos con viscosidades cambiantes. Desventajas: • Dependiente de la densidad relativa. El comportamiento de este sensor se expone en la tabla II y fig.3 donde se muestra parámetros similares al sensor de ultrasonido. CORRIENTE VS

TABLA II NIVEL DE UN SENSOR DE PRESIÓN HIDROSTÁTICA

Sensor orden I[mA] 4,1 7,2 10,3 13,4 16,6 19,1 orden 19,1 16,6 13,4 10,3 7,1 3,8

Ultrasonido Ascendente Nivel[cm] 0 5 10 15 20 24,5 Descendente 24,5 20 15 10 5 0

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Fig. 4. Comportamiento de la corriente vs el caudal de salida de la turbina Fig. 3. Comportamiento lineal de la corriente vs el nivel en cm, salida del sensor de presión hidrostática

Turbina: Son medidores que poseen en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre en el rotor, la diferencia de presiones debida al cambio de áreas entre el rotor y el cono posterior ejerce una fuerza igual y opuesta. Debido a ello el rotor está equilibrado hidrodinámicamente, sin la necesidad de utilizar rodamientos axiales. Las turbinas deben instalarse de tal modo que no se vacíe cuando cesa el caudal ya que el choque del agua a alta velocidad contra el medidor vacío lo dañaría seriamente Ventajas: • Fácil instalación y salida lineal con el flujo. • Adecuado para medición de fluidos de líquidos limpios o filtrados. • Buena precisión (10:1) • Precisión elevada, del orden de 0.3 %. •Adecuado para presiones ilimitadas y temperaturas extremas. Desventajas: • Útil solo para líquidos de baja viscosidad. • Requieren equipo secundario de lectura. Los siguientes datos hacen relación al comportamiento del caudal vs la corriente de salida del dispositivo: CORRIENTE VS

TABLA III CAUDAL DE UNA TURBINA

Turbina

I[mA] 4,3 10 16,2 19,2

Caudal[gal/ min] 0,02 0,49 0,99 1,26

Medición de caudal: Supóngase un fluido que circula a través de una tubería. Tal instrumento contiene un orificio principal por donde se mide la presión dinámica, en efecto el fluido figuras Instrumentos de presión diferencial. La fórmula de flujo obtenida con los elementos de presión diferencial se basa en la aplicación del Teorema de Bernoulli a una tubería horizontal. La fórmula simplificada es: Qv = k· H Donde, la que H es la diferencia de alturas de presión del fluido o presión diferencial y k es una constante que depende de los diámetros de la placa y de la tubería, densidad del fluido, rugosidades de la tubería, etc. Ventajas de estos tipos de medición de caudal: • Ideal para medición de gases o líquidos viscosos o corrosivos. Desventajas de estos tipos de medición de caudal: • Rango limitado. • Se requiere de Transmisor adicional. • La densidad del flujo debe ser conocida o medida. Los instrumentos más conocidos de este tipo son la placa orificio y tubo Venturi, que son explicados posteriormente de manera conceptual y aplicada sobre las planta T5552 Tubo de pitot: las El tubo de Pitot puede ser definido como el instrumento para medir velocidades de un flujo mediante la diferencia de presiones estática y dinámica en una línea de corriente usando la ecuación de Bernoulli se obtiene, a partir del principio de funcionamiento:

El tubo de Pitot es sensible a las variaciones en la distribución de velocidades en la sección de la tubería, de aquí que en su empleo sea esencial que el flujo sea laminar, disponiéndole en un tramo recto de la tubería. Ventajas: • Bajo costo y pérdida de presión despreciable.

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Desventajas: • Miden la velocidad en el punto y las mediciones volumétricas son poco precisas. La máxima exactitud se consigue efectuando varias medidas en puntos determinados y promediando las raíces cuadradas de las velocidades medidas. • Baja precisión. • No trabaja bien a velocidades bajas del flujo ni a velocidades muy altas. Tubo de Venturi: El tubo "Venturi" es el elemento primario del instrumento de flujo colocado en la línea para medir una presión diferencial relacionada al flujo usando los principios de Bernoulli y Venturi para relacionar la velocidad con la presión del fluido. El tubo "Venturi" se usa en donde es importante la recuperación de presión, puesto que esta recuperación del cuello Venturi es mucho más elevada que para otros elementos primarios, especialmente en comparación con los de placas de orificio. Ventajas: • Permite la medición de caudales 60% superiores a los de la placa orificio en las mismas condiciones de servicio y con una pérdida de carga de sólo 10 a 20% de la presión diferencial • Posee una gran precisión. • Resistentes a la abrasión y pueden usarse con fluidos sucios y en suspensión. Desventajas: • Más grandes, caros y pesados que las placas orificios. Tubo con placas de orificio: Consiste en una placa perforada instalada en una tubería. Dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la placa, captan esta presión diferencial la cual es proporcional al cuadrado del caudal (usando los principios de Bernoulli y Venturi para relacionar la velocidad con la presión del fluido). La disposición de las tomas puede verse en la fig. 4

Fig. 5. Disposición de tomas para medir el caudal en un tubo Venturi

• Tomas en la brida: Es bastante utilizada porque su instalación es cómoda ya que las tomas están taladradas en las bridas que soportan la placa y situadas a 1’’ de distancia de la misma. • Tomas en la vena contraída: Se caracteriza en que la toma posterior está situada en un punto donde la vena alcanza su diámetro más pequeño, lo cual depende de la razón de diámetros y se presenta aproximadamente a ½’’ de la tubería. La toma anterior se sitúa a 1’ de la tubería. • Tomas en la cámara anular: Aquí las tomas están situadas inmediatamente antes y después del diafragma y requieren el empleo de una cámara anular especial. • Tomas en la tubería: Las tomas anterior y posterior están situadas a 2½ y 8’, respectivamente. Se emplea cuando se desea aumentar el intervalo de medida de un medidor de caudal dado. La situación de las tomas está en un lugar menos sensible a la medida. La exacta localización de las tomas de presión antes de la placa carece relativamente de importancia, ya que la presión en esa sección es bastante constante. De ½’ antes de la placa en adelante hasta la placa, la presión aumenta gradualmente en apreciable magnitud; debajo de este valor la diferencia de presiones es despreciable. Pero si en la toma de alta presión la localización no es de mayor importancia, si lo es en la de baja presión, ya que existe una región muy inestable después de la vena contracta (zona de estrangulación de la vena del líquido) que deberá ser evitada; y es esta la razón por la que se recomienda para tuberías menores de 2 pulgadas las tomas de placa.

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El orificio de la placa puede ser concéntrico, excéntrico o segmental, con un pequeño orificio de purga para los pequeños arrastres sólidos o gaseosos (fig. 6).

Fig. 6. Diferentes orificios de la placa

Ventajas de las placas orificios: • Costo independiente del tamaño de la tubería. • Salida repetible, aunque la placa tenga un daño Principales desventajas: • Alta perdida de presión (40-80%) • Mantenimiento constante por incrustaciones en la placa y en las tomas de presión.

B.

T5554 – Planta para controlar un proceso analítico

El sistema analítico de procesos tiene el control a través de las variables comunes de nivel, caudal, temperatura y pH. Incluye una estación de trabajo de mesa con una parte superior compuesta de un panel de control, interfaz de PLC, medida y bombas inyectoras, un reactor continuo de tanque agitado transmisor de pH y su sonda, los tanques de reactivos, una red de tuberías de bypass, es importante describir uno de sus componentes principales en el siguiente ítem: Inyector y bombas dosificadoras: La bomba dosificadora inyecta ácido a la base del reactor para neutralizar el nivel de pH deseado, puede ser operado de forma manual o con un controlador PID. La bomba de inyección se utiliza para mantener un nivel constante de ácido o base en el depósito del reactor. La bomba compensa los cambios en el flujo para mantener un valor de pH constante en la línea de entrada al tanque del reactor. Ambas bombas son ampliamente utilizadas en la industria. Las prácticas realizadas en esta planta son las siguientes: Ph-ímetro- rotámetro: trabajos que no han sido publicados, incluso si ellos han sido presentados C.

La Refrigeración se basa en enfriar el fluido del proceso a través de un intercambiador de calor, un líquido refrigerante fluye a través de él y proporciona un rango de temperatura más amplio que el enfriamiento por aire. Ofrece tres tipos de sensores de temperatura: un termopar, un termistor y un RTD. Señal de salida: 4-20mA. Después de una breve descripción de la planta se presenta la práctica realizadas en ella, que es la medición de temperatura del tanque de proceso usando un termistor: Termistor: Mucho más económicos que las RTD, aunque no son lineales son mucho más sensibles, compuestos de una mezcla sintetizada de óxidos metálicos, el termistor es esencialmente un semiconductor que se comporta como una "resistencia térmica". Se pueden encontrar en el mercado con la denominación NTC (Negative Temperature Coeficient) habiendo casos especiales de coeficiente positivo cuando su resistencia aumenta con la temperatura y se los denomina PTC (Positive Temperature Coeficient). En algunos casos, la resistencia de un termistor a la temperatura ambiente puede disminuir en hasta 6% por cada 1ºC de aumento de temperatura. Esta elevada sensibilidad a variaciones de temperatura hace que el termistor resulte muy adecuado para mediciones precisas de temperatura, utilizándoselo ampliamente para aplicaciones de control y compensación en el rango de 150ºC a 450ºC. Los termistores sirven para la medición o detección de temperatura tanto en gases, como en líquidos o sólidos. A causa de su muy pequeño tamaño, se los encuentra normalmente montados en sondas o alojamientos especiales que pueden ser específicamente diseñados para posicionarlos y protegerlos adecuadamente cualquiera sea el medio donde tengan que trabajar. Se los puede adosar fácilmente o montar con tornillos, ir roscados en superficies o cementados. Los alojamientos pueden ser de acero inoxidable, aluminio, plástico, bronce u otros materiales. Las configuraciones constructivas del termistor de uso más común son los glóbulos, las sondas y los discos. NTC (Negative Termal Coefficient): Típicamente tienen una resistencia entre 50Ω y 1MΩ a 25ºC y una sensibilidad del 4%/ºC a 25ºC. El efecto de Coeficiente Negativo con la Temperatura puede resultar de un cambio externo de la temperatura ambiente o un calentamiento interno debido al efecto Joule de una corriente que fluye a través del termistor. La curva del termistor se puede linealizar con una resistencia montada en paralelo con la NTC

T5553 – Planta para controlar un proceso térmico

Proporciona un control preciso de líquidos en una amplia variedad de aplicaciones industriales. El Sistema enseña uno de los tipos más comunes de los sistemas de control de procesos: el control de la temperatura. La T5553 incluye una estación de trabajo con componentes de calidad industrial, que están montados en dos circuitos de flujo de agua, un bucle de proceso y un bucle de calefacción.

TABLA IV CORRIENTE VS TEMPERATURA DE UN TERMISTOR

I[mA] 4,78 4,8 4,81 4,82

T[ºC] 22,5 27 29 31

6

4,825 4,83 4,84 4,85 4,88 4,93 4,97 5 5,02

32 35 36 39 40 41 42 43 44

Fig. 1. Gráfica de la corriente vs la temperatura de un termistor

CONCLUSIONES Poner el reconocimiento a los patrocinadores como una ‘nota al pie’ en la primer página del Trabajo. REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]

G. Eason, B. Noble, and I.N. Sneddon, “On certain integrals of LipschitzHankel type involving products of Bessel functions,” Phil. Trans. Roy. Soc. London, vol. A247, pp. 529-551, April 1955. J. Clerk Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, 3rd ed., vol. 2. Oxford: Clarendon, 1892, pp.68-73. I.S. Jacobs and C.P. Bean, “Fine particles, thin films and exchange anisotropy,” in Magnetism, vol. III, G.T. Rado and H. Suhl, Eds. New York: Academic, 1963, pp. 271-350. K. Elissa, “Title of paper if known,” no puplicado. R. Nicole, “Title of paper with only first word capitalized,” J. Name Stand. Abbrev., en impresión. www.amatrol.com, 12 de Julio de 2014. Instrumentación y control, Iván Velasquez, 12 Julio 2014.