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Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica INSTRUMENTACIÓN

“UNIDAD I”

Alumno: Carlos Roberto Garay Esparza Profesor: HECTOR ULISES RODRIGUEZ MARMOLEJO

Aguascalientes, Ags., 3 de septiembre de 2010

UNIDAD I 1.1.-INTRODUCCION Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de las constantes en mediciones idóneas que las que el propio operador podría realizar. En los principios de la era industrial, el operario llevaba a cabo un control manual de variables utilizando solo instrumentos simples, sin embargo la gradual complejidad con que se han ido desarrollando ha su automatización progresiva por medio de los instrumentos de medición y control. Han ido liberando al operario de su función de actuación física directa en la planta y al mismo tiempo, le han permitido una labor única de supervisión y de vigilancia del proceso desde centros de control situados en el propio proceso desde centros de control situados en el propio proceso y bien en salas aisladas separadas. Gracias a los instrumentos ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y de características. Condiciones que el operario le seria imposibles o muy difíciles de conseguir, realizando exclusivamente un control manual. Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categorías; procesos continuos y discontinuos. El sistema de control que permite ese mantenimiento de las variables puede definirse como aquel que compara el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma una acción de corrección de acuerdo con la desviación existente sin que el operario intervenga en absoluto. El control y el propio proceso forman un bucle o lazo que reciben el nombre de bucle de control. Que puede ser abierto o cerrado. En ambos casos se observa que existen elementos definidos como el elemento de medida. Y todas estas se emplean en los procesos industriales.

1.2.-DEFINICIONES Y CONSEPTOS En los instrumentos de control hablamos de un sistema. Es por esto que el significado y entendimiento de la palabra “sistema” nos es fundamental. El término “sistema” proviene del griego, y se refiere a una relación funcional organizada, de una cierta cantidad de componentes. Un sistema existe, porque está desarrollado para lograr un objetivo. Diariamente estamos en contacto con sistemas; sistemas como: el transporte, el educativo, telefónico, etc. Se puede hablar en Biología de sistemas como el circulatorio, o el cuerpo humano, en Física hablamos de sistemas de n cuerpos, de sistemas solares, y podemos en lo general, hablar de sistemas económicos, de negocios, industriales, etc. Podemos definir un sistema, como una combinación de componentes que actúan juntos para lograr una acción determinada, o como una colección de objetos unidos por alguna interdependencia. Un componente u objeto es una unidad funcional simple de un sistema. Una definición más formal, desde el punto de vista matemático puede ser: un sistema es una colección de parejas ordenadas de funciones del tiempo, que representan entradas y salidas, y representan objetos abstractos. Estas parejas satisfacen la condición de que si una de ellas pertenece al sistema, cualquier parte de ella pertenece al sistema. Esta definición caracteriza a cualquier objeto en abstracto, así como cualquier sistema por sus relaciones entradas-salida, y no por la identidad específicamente física de un proceso dado.” “A partir de estas definiciones podríamos decir que un sistema de control, es un arreglo de componentes físicos relacionados de tal manera que comandan, regulan o dirigen, a sí mismos o a otros sistemas.”

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Definiciones de algunos términos que son necesarios para la instrumentación y que describen a un sistema de control:

Entrada: Entrada es el estímulo o excitación, aplicado a un sistema de control, por una fuente externa, para producir una respuesta del sistema. Salida: Salida es la respuesta obtenida de un sistema de control. Planta: Una planta es una pieza de equipo, tal vez un conjunto de partes de una maquinaria que funcionen juntas, el propósito de la cual es que se desarrolle una función en particular. Es el objeto físico a controlar. -Los sistemas se clasifican básicamente en dos categorías que son: Gasa abierta: Es aquel en el cual la acción de control es independiente de la salida. Gasa cerrada: Es aquel en el cual la acción de control depende de alguna manera de la salida. Sistema de control de lazo abierto: Los sistemas de control en los que la salida no tiene efecto sobre la acción de control. Sistema de control de lazo cerrado: Con frecuencia se llama a si a los sistemas de control retroalimentado. Sistema lineal: Un sistema en el que se aplica el principio de superposición se denomina lineal. Sistema no lineal: Un sistema es no lineal si no se cumple el principio de superposición. Es decir, la relación entre la entrada y salida del sistema es una línea recta. Variable controlada: Es la cantidad o condición que se mide y controla. Variable manipulada: Es la cantidad o condición modificada por el controlador, a fin de afectar a la variable controlada. Variable de desviación: Desviación de la variable controlada del punto de referencia. El regulador digital responde en dependencia de esta variable. Función de transferencia: Relación entre dos conjuntos que asigna a cada elemento del primero un elemento del segundo o ninguno. •

Definiciones y conceptos que son basicos dentro de la instrumentación.

Magnitud: Es todo aquello que siendo capaz de aumentar o disminuir, es susceptible de ser medido. Unidad de medida: Es una magnitud que se escoge arbitrariamente como termino de comparación de las demás magnitudes de la misma especie. Medición: Es el conjunto de operaciones experimentales que tienen como finalidad calcular el valor de una variable.

Exactitud: Es la aproximación con la cual la lectura de un instrumento se acerca al valor real de la variable medida. Precisión: Es una medida de grado de mutua concordancia con el cual las mediciones sucesivas difieren una de otra. Resolución: Es el cambio mas pequeño en el valor medido, al cual responde el instrumento. Tolerancia: Es un campo limitado entre un valor máximo y otro mínimo en el cual se encuentra el valor de un elemento o dispositivo en correcto funcionamiento. Incertidumbre: Es un estimado del error posible en una medición. Se presenta generalmente en términos de la probabilidad de que el valor real se encuentre dentro de un rango de valores establecidos. Error: Es la desviación de la variable medida a partir del valor real. Exactitud y Precisión: Para distinguir entre estos dos se pueden comparar dos multímetros de la misma marca y modelo, con lo que se puede leer la misma precisión, si el valor de una resistencia medida en uno de los multímetros cambia considerablemente, la lectura presenta un error. Por consiguiente la exactitud es diferente en ambos instrumentos.

1.3.-SIMBOLOGIA En instrumentación y control, se emplea un sistema especial de símbolos con el objeto de transmitir de una forma más fácil y específica la información. Esto es indispensable en el diseño, selección, operación y mantenimiento de los sistemas de control. Un sistema de símbolos ha sido estandarizado por la ISA (Sociedad de Instrumentistas de América). La siguiente información es de la norma: ANSI/ISA-S5.1-1984(R 1992). Las necesidades de varios usuarios para sus procesos son diferentes. La norma reconoce estas necesidades, proporcionando métodos de simbolismo alternativos. Se mantienen varios ejemplos agregando la información o simplificando el simbolismo, según se desee. Los símbolos de equipo en el proceso no son parte de esta norma, pero se incluyen para ilustrar aplicaciones de símbolos de la instrumentación. •

APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA. La norma es conveniente para el uso en la química, petróleo, generación de poder, aire acondicionado, refinando metales, y otros numerosos procesos industriales. Ciertos campos, como la astronomía, navegación, y medicina, usan instrumentos muy especializados, diferentes a los instrumentos de procesos industriales convencionales. Se espera que la norma sea flexible, lo bastante para encontrarse muchas de las necesidades de campos especiales. •

APLICACIÓN EN ACTIVIDADES DE TRABAJO. La norma es conveniente para usar siempre cualquier referencia de un instrumento o de una función de sistema de control se requiere para los propósitos de simbolización e identificación. Pueden requerirse tales referencias para los usos siguientes, así como otros: -Bocetos del plan -Ejemplos instrucción -Papeles técnicos, literatura y discusiones

-Diagramas de sistemas de instrumentación, diagramas de vuelta, diagramas lógicos -Descripciones funcionales -Diagramas de flujo: Procesos, Mecánicos, Ingeniería, Sistemas, que Conduce por tuberías (el Proceso) e instrumentación -Dibujos de construcción -Especificaciones, órdenes de compra, manifiestos, y otras listas -Identificación (etiquetando) de instrumentos y funciones de control -Instalación, operación e instrucciones de mantenimiento, dibujos, y archivos Se piensa que la norma proporciona la información suficiente para habilitar a cualquiera de los documentos del proceso de medida y control (quién tiene una cantidad razonable de conocimiento del proceso) para entender los medios de medida y mando del proceso. El conocimiento detallado de un especialista en la instrumentación no es un requisito previo a esta comprensión. •

APLICACIÓN A CLASES DE INTRUMENTACIÓN Y FUNCIÓNES DE INTRUMENTOS. El simbolismo y métodos de identificación proporcionados en esta norma son aplicables a todas las clases de medida del proceso e instrumentación de control. Ellos no sólo son aplicables a la descripción discreta de instrumentos y sus funciones, pero también para describir las funciones análogas de sistemas que son "despliegue compartido," "control compartido", "control distribuido" y "control por computadora". Es común en la práctica para los diagramas de flujo de ingeniería omitir los símbolos de interconexión y los componentes de hardware que son realmente necesarios para un sistema de trabajo, particularmente cuando la simbolización eléctrica interconecta sistemas.

Instrumento Discreto Display Compartido, Control Compartido Función de computadora Control Lógico Programable

Un globo o circulo simboliza a un instrumento aislado o instrumento discreto, pare el caso donde el circulo esta dentro de un cuadrado, simboliza un instrumento que comparte un display o un control. Los hexágonos se usan para designar funciones de computadora. Para terminar el los controles lógicos programables PLC's se simbolizan con un rombo dentro de un cuadrado.

• Descripción de cómo los círculos indican la posición de los instrumentos Los símbolos también indican la posición en que están montados los instrumentos. Los símbolos con o sin líneas nos indican esta información. Las líneas son variadas como son: una sola línea, doble línea o líneas punteadas.

Las líneas punteadas indican que el instrumento esta mondado en la parte posterior del panel el cual no es accesible al operador.

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Numero de identificación de los instrumentos o números TAG

Cada instrumento o función para ser designada esta diseñada por un código alfanumérico o etiquetas con números. La parte de identificación del lazo del número de etiqueta generalmente es común a todos los instrumentos o funciones del lazo. Un sufijo o prefijo puede ser agregado para completar la identificación.

El número de lazo del instrumento puede incluir información codificada, tal como la designación del área de la planta que lo designe. Esto también es posible para series específicas de números para designar funciones especiales. Cada instrumento puede ser representado en diagramas por un símbolo. El símbolo puede ser acompañado por un número de etiqueta. •

Nomenclatura de Instrumentos

La siguiente tabla muestra las diferentes letras que se utilizan para clasificar los diferentes tipos de instrumentos.

1. Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente en un proyecto se han previsto letras libres. Estas letras pueden tener un significado como primera letra y otro como letra sucesiva. Por ejemplo, la letra N puede representar como primera letra el modelo de elasticidad y como sucesiva un osciloscopio. 2. La letra sin clasificar X, puede emplearse en las designaciones no indicadas que se utilizan solo una vez o un numero limitado de veces. Se recomienda que su significado figura en el exterior del circulo de identificación del instrumento. Ejemplo XR-3 Registrador de Vibración. 3. Cualquier letra primera se utiliza con las letras de modificación D (diferencial), F (relación) o Q (interpretación) o cualquier combinación de las mismas cambia su significado para representar una nueva variable medida. Por ejemplo, los instrumentos TDI y TI miden dos variables distintas, la temperatura diferencial y la temperatura, respectivamente. 4. La letra A para análisis, abarca todos los análisis no indicados en la tabla anterior que no están cubiertos por una letra libre. Es conveniente definir el tipo de análisis al lado del símbolo en el diagrama de proceso.

5. El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinación de primera letra, es opcional. 6. El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o intermedio y exploración, es preferible pero opcional. 7. El termino seguridad, debe aplicarse solo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o el personal). Por este motivo, una válvula autorreguladora de presión que regula la presión de salida de un sistema mediante el alivio o escape de fluido al exterior, debe se PCV, pero si esta misma válvula se emplea contra condiciones de emergencia, se designa PSV. La designación PSV se aplica a todas las válvulas proyectadas para proteger contra condiciones de emergencia de presión sin tener en cuenta las características de la válvula y la forma de trabajo la colocan en la categoría de válvula de seguridad, válvula de alivio o válvula de seguridad de alivio. 8. La letra de función pasiva vidrio, se aplica a los instrumentos que proporciona una visión directa no calibrada del proceso. 9. La letra indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso, No se aplica a la escala de ajuste manual de la variable si no hay indicación de ésta. 10. Una luz piloto que es parte de un bucle de control debe designarse por una primera letra seguida de la letra sucesiva I. Por ejemplo, una luz piloto que indica un periodo de tiempo terminado se designara KI. Sin embargo, si se desea identificar una luz piloto fuera del bucle de control, la luz piloto puede designarse en la misma forma o bien alternativamente por una letra única I. Por ejemplo, una luz piloto de marcha de un motor eléctrico puede identificarse. EL, suponiendo que la variable medida adecuada es la tensión, o bien XL. Suponiendo que la luz es excitada por los contactos eléctricos auxiliares del arrancador del motor, o bien simplemente L. 11. El empleo de la letra U como multifunción en lugar de una combinación de otras letras es opcional. 12. Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirán en el exterior del símbolo del instrumento cuando sea conveniente hacerlo así. 13. Los términos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a valores de la variable medida, no a los de la señal a menos que se indique de otro modo. Por ejemplo, una alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor de nivel de acción inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor bajo. 14. Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre apertura, se definen como sigue: Alto: indica que la válvula esta, o se aproxima a la posición de apertura completa. Bajo: Denota que se acerca o esta en la posición completamente cerrada.

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Símbolos de Líneas La sismología de líneas representa la información única y critica de los diagramas de instrumentación y tuberías. Las líneas indican la forma en que se interconectan los diferentes instrumentos así como las tuberías dentro de un lazo de control. Las líneas pueden indicar diferentes tipos de señales como son neumáticas, eléctricas, ópticas, señales digitales, ondas de radio etc.

Se sugieren las siguientes abreviaturas para representar el tipo de alimentación (o bien de purga de fluidos):

AS Alimentación de aire. ES Alimentación eléctrica. GS Alimentación de gas.

HS Alimentación hidráulica. NS Alimentación de nitrógeno.

1.3.8.-Símbolos de Válvulas y Actuadotes • VÁLVULAS

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ACTUADORES

SS Alimentación de vapor. WS Alimentación de agua.

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Acción del actuador en caso de fallo de aire (o de potencia)

-Norma ISA ISA-S5.1-84(R 1992). La Sociedad de Instrumentistas de América (ISA por sus siglas en ingles Instruments Society of America) publica normas para símbolos, términos y diagramas que son generalmente reconocidos en la industria. Cada instrumento debe identificarse con un código alfanumérico o numero de tag (tag number) que contenga el número de identificación de lazo. Una identificación representativa es la siguiente: TIC T TIC T IC

103 103 103

Identificación del instrumento Identificación de lazo Número de lazo Identificación funcional Primera letra Letras sucesivas

El número de letras funcionales para un instrumento debe ser mínimo, no excediendo de cuatro. Para ello conviene: Disponer de letras en subgrupos. Por ejemplo un controlador de temperatura con un interruptor de alama puede identificarse con dos círculos uno en TIC-3 y el otro THS-3. En un instrumento que indica y registra la misma variable medida puede omitirse la letra I (indicación).

La numeración de bucles puede ser paralela o serie. La instrumentación paralela inicia una secuencia numérica para cada nueva primera letra (TIC-100, FRC-101, LIC-102, AI-100, etc.). La numeración seria identifica los bucles de instrumentos, de un proyecto o secciones de un proyecto con una secuencia única de números, sin tener en cuenta la primera letra del bucle (TIC-100, FRC101, LIC-102, AI-100, etc.). La secuencia puede empezar con el numero 1 o cualquier otro numero conveniente, tal como 001, 301 o 1201 y puede incorporar información codificada tal como el área de planta; sin embargo, se recomienda simplicidad. Si un bucle dado tiene más de un instrumento con la misma identificación funcional, es preferible añadir un sufijo, ejemplo FV-2A, FV-2B, FV-2C etc. Estos sufijos pueden añadirse siguiendo las siguientes reglas: • Deben emplearse letras mayúsculas En el instrumento tal como un registrador de temperatura multipunto que imprime número para identificación de los puntos, los elementos primarios pueden numerarse TE-25-1, TE-25-2, etc. Las subdivisiones interiores de un bucle pueden designarse por sufijos formados por letras y números. Un instrumento que realiza dos o más funciones puede designarse por todas sus funciones. Por ejemplo, un registrador de caudal FR-2 con una pluma de presión PR-4 puede designarse FR2/PR-4. Un registrador de presión de dos plumas como PR-7/8; y una ventanilla de alarma para la temperatura alta y baja como TAH/L-21. Los accesorios para instrumentos tales como rotámetros de purga, filtros manorreductores y potes de sello que no están representados explícitamente en un diagrama de flujo, pero que necesitan una identificación para otros usos, deben tenerla de acuerdo con su función y deben emplear el mismo numero de bucle que el del instrumento asociado. Alternativamente, los accesorios pueden emplear el mismo número de identificación que el de sus instrumentos asociados, pero con palabras aclaratorias. Por consiguiente una brida para una placa-orificio FE-7 debe designarse como FX-7 o bien como FE-7 BRIDAS. Un rotámetro regulador de purga asociado con un manómetro PI-8 puede identificarse como PI-8 PURGA. Una sonda empleada con un termómetro TI-9 será TW-9, o bien, TI-9 SONDA.

-BIBLIOGRAFIA 1. “Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición”, Helfrick, Albert D., México, Prentice-Hall, 1991. 2. “Instrumentación Industrial”, Antonio Creus Sole, Ed. Morombo 3. http://www.isa.org/