TRABAJO PRÁCTICO Nº 3 Instrumentación de los sistemas de control

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1 TRABAJO PRÁCTICO Nº 3 Instrumentación de los sistemas de control OBJETIVOS. Conocer las características generales de los instrumentos e interpretar información de catálogos. Aprender una metodología general para seleccionar y eventualmente dimensionar instrumentos y válvulas. Entender el significado y consecuencias de la característica de flujo de una válvula. Incorporar una metodología para la determinación de las acciones de válvulas y controladores. PROBLEMA 3.1 Se dispone de un transmisor de presión manométrica 614G de ABB (se adjunta catalogo 614G_1SG.pdf), codificado 614G-S , que se empleará para medir presión en un proceso industrial. Se calibró el instrumento para medir presiones entre 5000 y kpa. (a) Cuál es el límite mínimo del alcance? (b) Cuánto vale rango, el cero y el span de medición? (c) Cuánto vale el máximo error de medición en este caso? (d) Cuál es el valor máximo de presión admisible sin daños irreversibles para el instrumento? (e) Cuál es la señal de salida del instrumento? (f) Cuánto vale la señal de salida cuando la presión es de kpa? Acote el error. (g) Calcule la ganancia del transmisor. (h) Escriba la función de transferencia del instrumento. PROBLEMA 3.2 Se tienen dos transmisores de presión diferencial de las siguientes características: Marca EMC-28 FIX-32 Alcance máximo kpa kpa Salida 4-20 ma 1-5 V Exactitud 0.4 % del Span 0.4% R Tiempo de respuesta al escalón 1 s para alcanzar el 80 % del cambio máximo. 2 s para alcanzar el 95 % del cambio máximo. Página 1/10

2 (a) Cuál es más sensible? (b) Cuál es más exacto? (c) Cuál es más rápido? PROBLEMA 3.3 Se necesita medir e indicar la temperatura del agua de un tanque cuya magnitud se estima que variará entre 20 y 160 C. Se usará una termoresistencia Pt-100 construido según normas DIN que asegura una exactitud de 0.1 % del span. Se va a emplear un indicador/transmisor Omega DP1610.pdf para indicación local y transmitir la señal a un panel de control. A partir de la información técnica indique: (a) Tipos de señales de entrada y de salida del elemento primario. (b) Tipos de señales de entrada y de salida del indicador/transmisor. (c) Rango de calibración del transmisor. (d) El valor de las salidas del sensor y del transmisor cuando la temperatura es de 120 C. (e) Cota del error en la medición del valor anterior (f) Función de transferencia del sistema medidor-transmisor. En el anexo E se adjunta la tabla de Resistencia versus temperatura, Tp3_e.pdf, extraída del Apéndice E del libro: Kerlin T.,Shepard R (1982). Industrial Temperature Measurement, Instrum. Soc. of America, Research Triagle Park, U.S.A, pag (Problema resuelto en el sitio Web de Control de procesos). PROBLEMA 3.4 Una placa de orificio acusa diferencia de presión de 120 mm columna de agua cuando circula 600 m 3 /hora de un líquido. El transmisor de presión diferencial es electrónico (linealidad ± 0.1 % Span) con salida 4-20 ma y está ajustado con un rango mm c.a. (a) Calcule el máximo caudal que se podrá medir con este dispositivo. (b) Compute la ganancia del sistema de medición (placa de orificio más transmisor) para cualquier caudal. (c) Indique la ganancia del transmisor (en % y ma). (d) Cuál será la salida en ma cuando circula 400 m3/h? Qué porcentaje del span representa? (e) Cuál será el caudal que circula cuando la salida del transmisor es 12 ma? Qué % del span representa? TRANSMISOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL PLACA DE ORIFICIO TOMAS DE PRESIÓN Página 2/10

3 PROBLEMA 3.5 Es necesario medir el nivel de agua (temperatura 20 C) en un tanque abierto a la atmósfera para lo cual se utiliza un transmisor diferencial de presión de rango ajustable, electrónico, señal de salida 4 a 20 ma, dinámica despreciable. (a) Las tomas de alta y baja se ubican a 0.5 y 3.0 m medidas desde el fondo del tanque. Cuál es el rango y span del elemento primario? Cuánto vale el cero? (b) Qué señal indicará el transmisor cuando el nivel sea 1 m? (c) Escriba la función de transferencia del sistema de medición-transmisión. (d) El dispositivo es lineal? (e) Esquematice con un diagrama en bloques el sistema integrado por los elementos primario y secundario. (f) Realice la gráfica de las señales entrada-salida de los dispositivos. h 2 h 1 H L PROBLEMA 3.6 Dimensione una válvula de control globo de doble asiento, trim V-Port, característica de flujo igual porcentaje, marca Masoneilan, Serie (se adjunta catálogo CH2500.pdf), que se instalará en una línea de 14 pulgadas de diámetro. La presión aguas arriba es de 28 (psi) y aguas abajo de 20 (psi). El caudal normal máximo es de 1600 (gpm). El fluido es agua a temperatura ambiente. PROBLEMA 3.7 En la figura se ve un sistema de control de nivel correspondiente al circuito de agua de enfriamiento de una torre humidificadora y se desea dimensionar la válvula de control que será globo balanceada (asiento doble) guiada en los dos extremos, marca Taylor, tipo 'TA'. El agua tiene una temperatura que puede oscilar entre 15 y 20 C y circula por una cañería de 12 pulgadas que descarga a la atmósfera. La diferencia de altura entre el nivel de líquido en el tanque y la descarga puede ser despreciada. La característica de operación de la bomba centrífuga dada por el fabricante es: F (gpm) P (psi) Página 3/10

4 Los caudales que normalmente circulan, según el Encargado de la División Procesos de Enfriamiento, están entre 600 y 1900 (gpm). La pérdida de carga de la línea (cañería, accesorios y filtro) se estima con buena precisión con la fórmula P L = F 2 calculada usando el factor de Fanning para escurrimiento en cañerías y un equivalente para el filtro. La pérdida de carga se expresa en (psi) y el caudal en (gpm). LT LIC La tabla de los coeficientes de flujo de la válvula proporcionados por el fabricante es la mostrada a continuación: Diámetro (Pulg.) Carrera (pulg) Apertura de la válvula en % (a) Indicar el diámetro de la válvula. (b) Graficar P L y P de la bomba en función del caudal. Indique el P v para los caudales normales. (c) En qué ámbito estará la apertura de la válvula normalmente? (d) Cuál es el caudal máximo que circulará por la válvula y P v para ese caudal? (e) Calcular el valor del parámetro de la instalación. (f) Graficar caudal en función de la apertura. Varía apreciablemente la ganancia de la válvula en el rango de trabajo normal? Página 4/10

5 (g) Graficar la relación entre caudal y caudal máximo como función de la apertura para las dos situaciones siguientes: 1. Para la válvula instalada y, 2. Cuando la pérdida de carga en la bomba es constante y la pérdida de carga en la línea es despreciable. (h) Hay deformación de la característica inherente de flujo? (Problema resuelto en el sitio Web de Control de procesos). PROBLEMA 3.8 Se está analizando si la característica de flujo de la válvula de la figura se modifica cuando se la instala en una línea con una fuerza impulsora total de 16 Psi. La válvula tiene una característica de flujo inherente lineal y su coeficiente de flujo vale 100 para apertura máxima.el fluido que circula por la misma es agua. (a) Represente en un gráfico F/Fmáx en función de la apertura para: (a 1 ) Pérdida de carga en la línea nula (a 2 ) Pérdida de carga en la línea pl ( psi ) F 2 ( gpm ). (b) Calcule el valor de en los casos a 1 y a 2. F LT LIC LV PROBLEMA 3.9 F LT LIC LV Se ha instalado un sistema de control de nivel de agua a temperatura ambiente como el de la figura. La fuerza impulsora disponible total es de 30 psi. Los caudales normales de agua varían entre 80 y 400 gpm. La pérdida de carga en la línea es 16 psi cuando el caudal es de 400 gpm. El flujo es subcrítico y la temperatura es la ambiente. Se dispone de tres válvulas cuyas características se describen en la tabla. Cv máx Característica inherente Rangeabilidad 220 lineal 50:1 230 igual porcentaje 20:1 240 lineal 100:1 Página 5/10

6 (a) Graficar pérdida de carga en la línea y presión total disponible en función del caudal (b) Graficar el caudal que circula por la válvula en función de la apertura para los tres casos (c) Cuál válvula elige? Justifique. PROBLEMA 3.10 Una válvula de control V-PORT SLEEVELINE está instalada en una línea donde la distribución de presiones que absorbe la línea y la bomba, en función del caudal se muestran en la figura. Los caudales normales máximos y mínimos son 7 y 2 galones por minuto respectivamente. El flujo es turbulento. El fabricante suministró la siguiente información cuando vendió la válvula. Cv máx D (plg) La característica inherente de flujo de la válvula es la mostrada en la gráfica siguiente. (a) Dimensione la válvula. (b) Encuentre el valor de. (c) En qué rangos de apertura trabaja la válvula? Página 6/10

7 PROBLEMA 3.11 Un fluido de proceso se calienta en un tanque aprovechando vapor de escape de turbinas. En la unidad se implementó un lazo de control de temperatura como se ve en la figura. Corriente de Proceso Vapor de Escape TV 205 TIC 205 TIT 205 Si la temperatura a la salida del tanque calefactor nunca debe superar los 65 C, indique la acción de la válvula de control ante falla y la acción del controlador. Página 7/10

8 PROBLEMA 3.12 Un sistema de control como el de la figura deberá mantener el nivel de agua en un tanque de suministro según el diagrama P&I de la figura. Tiene una válvula con característica igual porcentaje instalada. El transmisor tiene dinámica despreciable y es lineal. F LT LIC (a) Especifique la acción de la válvula ante fallas. (b) Indique acción del controlador. (c) Analice como actúa el lazo de control cuando aumenta abruptamente el caudal de alimentación. PROBLEMA 3.13 En un reactor tanque agitado continuo de 600 galones de capacidad (constante) se produce una reacción de primer orden en fase homogénea (constante específica de velocidad de 1.20 min -1 ) en forma isotérmica. Se instaló un lazo de control de composición del reactivo en el seno de la masa reaccionante empleando un sensor lineal. El Ingeniero de Procesos informa que el caudal alimentado se encuentra (en condiciones de estado estacionario) entre 150 y 300 galones por minuto. La válvula de control es globo con un coeficiente de flujo máximo de 135. En esta válvula, cambiando el obturador, se puede obtener distintas característica de flujo. (ver gráfica del fabricante). AC AT Página 8/10

9 el Ingeniero de planta proporcionó los siguientes datos: F - Caudal (gpm) P impulsión bomba (psi) p línea (psi) (a) Calcular el coeficiente α de la instalación. (b) Tabular para cada característica de flujo, el rango de apertura en el que trabajaría para los caudales normales de trabajo. Todas se pueden usar en esta aplicación? (c) Tabular la ganancia en los valores extremos de apertura de trabajo, para los tipos que pueden ser usados en las condiciones de trabajo. (d) Elegir la acción del controlador. (e) Desarrollar el diagrama en bloques del sistema de control. Ubicar las perturbaciones. Página 9/10

10 CONCEPTOS INTRODUCIDOS EN EL TEMA 3 Rango (Range), span, cero de un instrumento. Sobre alcance. Exactitud, Repetibilidad, linealidad, histéresis y banda muerta. Tiempo de respuesta. Señales estandarizadas. Dimensionamiento de válvulas. Cuerpo, actuador. Característica inherente de Flujo. Característica instalada de Flujo. Acción ante falla de válvulas. Normal Cerrada (SAC, Fail Close). Normal abierta (SAA, Fail Open). Controlador ON OFF. Controlador PID. Acción de controladores. Página 10/10

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