Principios de Instrumentación

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1 James Robles Departamento de Instrumentación Huertas Junior College

2 En esta presentación: Interpolación de señales de instrumentación Exactitud (Accuracy) de señales de instrumentación Precisión (Precision) de señales de instrumentación Histéresis de señales de instrumentación Valor Mínimo - LRV (Lower Range Value) Valor Máximo - URV (Upper Range Value) Ajuste de span (alcance) y ajuste de zero (cero) Acondicionamiento de señales (Signal Conditioning) Especificaciones de Transmisores

3 Interpolación de Señales de Instrumentación: Interpolación es un proceso matemático que nos ayuda a calcular la señal de instrumentación, dados el rango de proceso y la variable de proceso Este proceso consiste en calcular la señal de instrumentación que corresponde proporcionalmente a la variable de proceso

4 Interpolación de Señales de Instrumentación: Rango de Instrumentación Rango de Proceso = Rango de Instrumentación Señal de Instrumentación Rango de Proceso Variable de Proceso R. I. R. P. = R. I. S. I. R. P. V. P.

5 Interpolación de Señales de Instrumentación: El lazo de transmisor produce una señal de instrumentación proporcional a la variable de proceso en relación con el rango de proceso Para calcular la señal de instrumentación (output) del transmisor, se debe conocer el rango de proceso y la variable de proceso Se utiliza la siguiente ecuación para resolver: Rango de Instrumentación Rango de Proceso = Rango de Instrumentación Señal de Instrumentación Rango de Proceso Variable de Proceso Este proceso se conoce como Interpolación

6 Interpolación de Señales de Instrumentación: Ejemplo: El Rango de Proceso es de psi y la variable de proceso (input) está en 50 psi. Cuál es la señal de instrumentación (output) en este caso? (Recordar que el rango de instrumentación es de 4 20 ma) = 20 x = 20 x 50 8 = 20 x 20 x = 8 x = = 20 x x = 12 ma

7 Interpolación de Señales de Instrumentación: El procedimiento de interpolación se puede visualizar como una relación de proporciones entre el rango de proceso y el rango de instrumentación Ejemplo 1: Si el rango de proceso es una presión de psi Rango de Proceso (Input) 0 psi 25 psi 50 psi 75 psi 100psi 4 ma 8 ma 12 ma 16 ma 20 ma Rango de Instrumentación (Output)

8 Interpolación de Señales de Instrumentación: Ejemplo 2: Si el rango de Proceso es un nivel de un tanque de 0 40 ft Rango de Proceso (Input) 0 ft 10 ft 20 ft 30 ft 40 ft 4 ma 8 ma 12 ma 16 ma 20 ma Rango de Instrumentación (Output)

9 Interpolación de Señales de Instrumentación: Ejemplo 3: Si el rango de Proceso es un flujo de gal/min. Rango de Proceso (Input) 0 gpm 225 gpm 450 gpm 675 gpm 900 gpm 4 ma 8 ma 12 ma 16 ma 20 ma Rango de Instrumentación (Output)

10 Interpolación de Señales de Instrumentación: Ejemplo 4: Si el rango de Proceso es una temperatura de 50 F F Rango de Proceso (Input) 50 F 100 F 150 F 200 F 250 F 4 ma 8 ma 12 ma 16 ma 20 ma Rango de Instrumentación (Output)

11 Interpolación de Señales de Instrumentación: Ejemplo 5: Si el rango de Proceso es un ph de 2 12 Rango de Proceso (Input) 2 ph 4.5 ph 7 ph 9.5 ph 12 ph 4 ma 8 ma 12 ma 16 ma 20 ma Rango de Instrumentación (Output)

12 Interpolación de Señales de Instrumentación: En los ejemplos vistos, es fácil convertir la variable de proceso a su equivalente en señal de instrumentación Sin embargo, todos los puntos intermedios tienen su valor de señal de instrumentación equivalente Hay que utilizar la interpolación para lograr conocer la señal exacta. Ejemplo 6: Cuál es la señal de instrumentación para una variable de proceso de psi con un rango de proceso de psi? Rango de Proceso (Input) 0 psi 25 psi 50 psi psi 75 psi 100 psi 4 ma 8 ma 12 ma? ma 16 ma 20 ma Rango de Instrumentación (Output)

13 Interpolación de Señales de Instrumentación: Ejemplo 6: Rango de Proceso (Input) 0 psi 25 psi 50 psi psi 75 psi 100 psi 4 ma 8 ma 12 ma ma 16 ma 20 ma = 20 x = 20 x = 20 x Rango de Instrumentación (Output) 6.17 = 20 x 20 x = 6.17 x = x = ma

14 Interpolación de Señales de Instrumentación: Ejemplo 6: Transmisor de Presión (0 100 psi) Señal de Instrumentación PT ma 24 Vdc ma + Receptor Remoto Variable de Proceso (Presión) = psi

15 Transmisores de Variables de Proceso: Muestras de Transmisores de Presión: Rosemount Endress + Hauser Foxboro Honeywell

16 Interpolación de Señales de Instrumentación: Ejemplo 7: Rango de Proceso (Input) 0 ft 6.28 ft 10 ft 20 ft 30 ft 40 ft 4 ma 6.51 ma 8 ma 12 ma 16 ma 20 ma = 20 x = 20 x = 20 x Rango de Instrumentación (Output) = 20 x 20 x = x = x = 6.51 ma

17 Interpolación de Señales de Instrumentación: Ejemplo 7: Variable de Proceso = 6.28 ft 40 ft Transmisor (0 40 ft) Señal de Instrumentación LT ma 24 Vdc ma + Receptor Remoto

18 Transmisores de Variables de Proceso: Muestras de Transmisores de Nivel: Rosemount Endress + Hauser Magnetrol Siemens

19 Interpolación de Señales de Instrumentación: Ejemplo 8: Rango de Proceso (Input) 0 gpm 225 gpm 347 gpm 450 gpm 675 gpm 900 gpm 4 ma 8 ma ma 12 ma 16 ma 20 ma = 20 x = 20 x = 20 x Rango de Instrumentación (Output) 9.95 = 20 x 20 x = 9.95 x = x = ma

20 Interpolación de Señales de Instrumentación: Ejemplo 8: Transmisor de Flujo (0 900 gpm) Señal de Instrumentación + FT ma 24 Vdc ma + Receptor Remoto Variable de Proceso (Flujo) = 347 gpm

21 Transmisores de Variables de Proceso: Muestras de Transmisores de Flujo: Rosemount Endress + Hauser Sierra ABB

22 Interpolación de Señales de Instrumentación: Ejemplo 9: Rango de Proceso (Input) 50 F 100 F 150 F F 200 F 250 F 4 ma 8 ma 12 ma ma 16 ma 20 ma = 20 x = 20 x = 20 x Rango de Instrumentación (Output) 5.23= 20 x 20 x = 5.23 x = x = ma

23 Interpolación de Señales de Instrumentación: Ejemplo 9: Transmisor de Temperatura ( F) Señal de Instrumentación TT ma 24 Vdc ma + Receptor Remoto Variable de Proceso (Temperatura) = F

24 Transmisores de Variables de Proceso: Muestras de Transmisores de Temperatura: Rosemount Endress + Hauser ABB Yokogawa

25 Interpolación de Señales de Instrumentación: Ejemplo 10: Rango de Proceso (Input) 2 ph 4.5 ph 7pH 9.5 ph 10.3 ph 12 ph 4 ma 8 ma 12 ma 16 ma ma 20 ma = 20 x = 20 x = 20 x Rango de Instrumentación (Output) 2.72= 20 x 20 x = 2.72 x = x = ma

26 Interpolación de Señales de Instrumentación: Ejemplo 10: Transmisor de ph (2 12 ph) Señal de Instrumentación pht ma 24 Vdc ma + Receptor Remoto Variable de Proceso (ph) = 10.3 ph

27 Transmisores de Variables de Proceso: Muestras de Transmisores Analíticos: Rosemount Yokogawa Endress+Hauser ABB

28 Exactitud (Accuracy) vs. Precisión Exacto y Preciso Preciso, pero no Exacto No Preciso ni Exacto

29 Accuracy (Exactitud): Principios de Instrumentación Accuracy es la medida de la capacidad del instrumento para indicar fielmente el valor real de la señal medida. El valor real es tomado por un instrumento llamado Standard de Laboratorio El Accuracy está dada para toda la escala (F.S. Full Scale) La exactitud puede calcularse de la siguiente forma: Accuracy (F. S. ) = Valor Real Valor Medido Valor Real 100%

30 Accuracy (Exactitud): Ejemplo 1: Un termómetro está en un baño de agua de hielo que un standard de temperatura indica 32.0 F. El termómetro lee 32.3 F. Cual es el accuracy? Valor Real Valor Medido Accuracy (F. S. ) = Valor Real Accuracy (F. S. ) = 100% 32 Accuracy (F. S. ) = % Accuracy (F. S. ) = % x 100% Accuracy (F. S. ) =.94%

31 Accuracy (Exactitud): Ejemplo 2: Un manómetro está conectado a un Dead Weight Tester que indica 1000 psi. El manómetro lee 993 psi. Cual es el accuracy? Accuracy = Accuracy = Accuracy = Valor Real Valor Medido Valor Real x 100% % Accuracy = % x 100% Accuracy F. S. =.7%

32 Accuracy (Exactitud): Ejemplo 3: Un metro de flujo está conectado a un standard de 500 gpm. El flujómetro lee 498 gpm. Cual es el accuracy? Accuracy (F. S. ) = Accuracy (F. S. ) = Accuracy (F. S. ) = Valor Real Valor Medido Valor Real x 100% % Accuracy (F. S. ) = % x 100% Accuracy (F. S. ) =.4%

33 Accuracy (Exactitud): Ejemplo 4: Un metro de nivel está conectado a un tanque con 20 ft según medido con una cinta. El metro según de nivel lee ft. Cual es el accuracy? Valor Real Valor Medido Accuracy (F. S. ) = Valor Real Accuracy (F. S. ) = x 100% 20 Accuracy (F. S. ) = % Accuracy (F. S. ) = % x 100% Accuracy (F. S. ) =.1%

34 Accuracy (Exactitud): Ejemplo 5: Si un transmisor de flujo de gpm tiene un accuracy de 1% F.S.; Cuál sería el error para un flujo de 245 gpm? error = Valor Real ± error = 245 ± Accuracy F. S. 100 Rango de Proceso error = 245 gpm ± 3.5 gpm error = gpm gpm

35 Accuracy (Exactitud): Ejemplo 6: Si un manómetro de presión de psi tiene un accuracy de 0.25% F.S.; Cuál sería el error para una presión de 214 psi? error = Valor Real ± error = 214 ± Accuracy F. S. 100 Rango de Proceso error = 214 psi ± 1.5 psi error = psi

36 Accuracy (Exactitud): Si el accuracy no tiene variaciones a lo largo del rango del instrumento tiene un accuracy Full Scale o F.S. Si tiene variaciones a lo largo del rango, entonces se divide la escala en tres partes: Lower 25%, Middle 50% y Upper 25%. 50% 25% 75% 50% 25% 75% 0% 100% 0% 100%

37 Accuracy (Exactitud): Grado de Accuracy Lower 25% Middle 50% Upper 25% 4A A A A A B C D Tabla de accuracy para Pressure Gauges Full Scale L.S. / M.S. / U.S. El accuracy se puede clasificar en diferentes grados según muestra la tabla ASME B40.1 (Accuracy Grade para Pressure Gauges)

38 Accuracy (Exactitud): Accuracy class 2½": ± 2/1/2% of span (ASME B Grade A) 4": ± 1% of span (ASME B Grade 1A) En este ejemplo vemos el ofrecimiento del manufacturero en dos tamaños de manómetros. El de 2 ½ tiene accuracy de 2/1/2 (Grade A) y el de 4 tiene accuracy de 1% F.S. (Grade 1A)

39 Accuracy (Exactitud): Principios de Instrumentación El Standard de Laboratorio es un equipo con una exactitud y precisión insuperable debido a su construcción y principio de operación La organización NIST (National Institute for Standards and Technology) se encarga de establecer y resguardar los estándares para poder calibrar cualquier instrumento de cualquier variable Existe un protocolo para rastrear las calibraciones desde su equipo de laboratorio hasta un estándar NIST. A este protocolo se le llama NIST Traceability

40 Accuracy (Exactitud): Laboratory Standards Millivolt Standard Dead Weight Tester ph Buffer Solutions Dry Block Cell Standard Flow Standard

41 Precisión: Principios de Instrumentación Precisión es la medida de la estabilidad del instrumento y su capacidad de dar lugar a la misma medición una y otra vez para la misma señal de entrada. Se puede medir con respecto a la diferencia promedio entre medidas tomadas.

42 Medida de Instrumento (psi) Principios de Instrumentación Histéresis de señales de instrumentación: Se trata del comportamiento de la señal producida en su incremento vs. el comportamiento de la señal producida en su descenso: Histéresis Señal en Incremento Medida Real (psi) Señal en Decremento

43 LRV y URV de un Instrumento: LRV (Lower Range Value) Valor que se asigna al instrumento como valor mínimo de la escala. URV (Upper Range Value) - Valor que se asigna al instrumento como valor máximo de la escala. Ejemplo: Si el rango de proceso es de psi y se desea que el transmisor este configurado para ese rango, entonces el transmisor se configura de la siguiente manera: Lower Range Value = 0 psi Upper Range Value = 200 psi

44 LRV y URV de un Instrumento:

45 LRV y URV de un Instrumento:

46 Ajuste de Cero y Span de un Transmisor: Son los ajustes que el técnico manipula para ejecutar la calibración de los instrumentos. Existen dos ajustes básicos para este propósito: Ajuste de Cero Es el ajuste que se utiliza para que el output del transmisor sea 4 ma, cuando el transmisor tiene el 0% de la variable del proceso aplicado. Ajuste de Span Es el ajuste que se utiliza para que el output del transmisor sea 20 ma, cuando el transmisor tiene el 100% de la variable del proceso aplicado.

47 Acondicionamiento de señales: Se puede acondicionar estas las señales de instrumentación para mejorar su comunicación. Existen varias técnicas utilizadas para este propósito: Filtros Eliminar ruidos y señales no deseadas Amplificación Aumentar la amplitud de la señal Aislación Eliminar efecto en el resto del circuito Atenuación Disminuir la amplitud de la señal Linealización Convertir la señal en una lineal Curva No Lineal - Ejemplo: Extraer raíz cuadrada a una señal de flujo

48 Señal de Instrumentación Principios de Instrumentación Acondicionamiento de señales: Filtros: Al estar en un ambiente industrial con muchas señales y conductores con potencia eléctrica, se induce voltaje en el conductor de la señal de instrumentación. Para resolver este asunto se pueden instalar filtros para eliminar este ruido. Señal + Ruido Señal - Ruido Tiempo

49 Señal de Instrumentación Principios de Instrumentación Acondicionamiento de señales: Atenuación (Damping): Si la variable tiene variaciones muy rápidas, el transmisor puede atenuar este efecto. En los transmisores existe el ajuste de atenuación (Damping), que promedia las variaciones y suaviza la señal. Señal Inestable Señal Atenuada 2 Damping 1.00 s Tiempo

50 ma Principios de Instrumentación Acondicionamiento de señales: Curva No-Lineal: Si el transmisor genera una señal nolineal, como es el ejemplo de diferencia de presión para medir flujo, se utiliza la función de square root extractor para normalizar la señal Differential Pressure vs ma dp

51 Especificaciones de Transmisores: Especificaciones de Funcionales: Accuracy (Exactitud) Precision (Repeatability) Estabilidad Efecto de Temperatura Ambiente Efecto de Posicion de Montura Rendimiento Dinamico Efecto de Power Supply Compatibilidad Electromagnetica Limites de Sobre-Presion Limites de Temperatura Efecto de Vibracion

52 Especificaciones de Transmisores: Especificaciones Fisicas: Rango de Proceso (Ejemplo: psi) Estilo y tamaño de Conexión (Ejemplo: ½ FNPT) Power Supply (Ejemplo: 24 Vdc) Output (Ejemplo: 4 20 ma) Communicaciones (Ejemplo: HART Protocol) Clasificasion Electrica (Ejemplo: NEMA 7X) Conecciones Electricas (Ejemplo ½ FNPT) Partes en Contacto con el Proceso (Process Wetted Parts Materials) (Ejemplo: S.S. 316) Non-Wetted Parts Materials (Ejemplo: Aluminum)

53 Especificaciones de Transmisores Forma ISA 20P 1001 Rev 0 Se usa para especificar uniformemente los instrumentos de medición o transmisión de Presión Permite comparar varios instrumentos utilizando parámetros genéricos para prevenir competencia desleal entre suplidores de instrumentos Este formulario existe para instrumentos de flujo, temperatura, nivel y todo tipo de variable

54 Preguntas, dudas, comentarios?

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