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 Un transmisor de presión diferencial de la LD301 Código D1 de SMART se va a emplear para medir la pérdida de carga en un precalentador de aire de caldera. Un registro de los valores en un día normal de operación es el mostrado en la figura. (a) Explicar el principio de funcionamiento. (b) El instrumento tiene alcance fijo, seleccionable o ajustable? (c) Ajuste cero y span. Haga el diagrama entrada-salida del instrumento. (d) Indicar cuales son las señales de entrada y cuales las de salida posibles (e) Cuál es la exactitud de referencia? Precisar las condiciones de referencia. Hay información respecto de la influencia de las condiciones ambientales? Presión (mbar) tiempo (min) (f) Indicar si el elemento de medición es lineal. Cuantificar. (g) Qué información sobre la dinámica tiene? (h) Qué fuente de alimentación de energía necesita el instrumento? Página 1/8

2 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 (a) Cuál es más sensible? (b) Cuál es más exacto? (c) Cuál es más rápido? 2 s para alcanzar el80 % del cambio máximo. 3 s para alcanzar el 95 % del cambio máximo. PROBLEMA 3.3 La temperatura de un horno de la industria siderúrgica fluctúa entre 1250 ºC y 1500 ºC según la información histórica disponible. Se ha instalado una termocupla estándar tipo B con protección cerámica doble y el transmisor TD-190C de la empresa Martec para utilizar en un registro continuo, para lo que se dispone de un registrador ABB de la serie C1300. (a) Haga un diagrama en bloques del sistema de medición - transmisión-registro. Indique tipos de variables de entrada y de salida de cada elemento (b) Explique el principio de funcionamiento de la termocupla. Qué par constituye la termocupla tipo B? (c) Indique cual será el rango de medición en el que ajustará el transmisor. (d) Indique si el elemento primario es lineal. Cuantifique la linealidad. (e) El conjunto elemento primario transmisor es lineal? (f) Cuánto es el valor en (%) registrado cuando la temperatura vale 1300 ºC? PROBLEMA 3.4 Una placa de orificio acusa diferencia de presión de 100 mm columna de agua cuando circula 800 m 3 /h de un líquido de densidad 1.05 g/cc. El transmisor de presión diferencial es electrónico (linealidad ± 0.15 % Span) con salida 4-20 ma y está ajustado con un rango mmc.a. Página 2/8

3 (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 en ma). (d) Cuál será la salida en ma cuando circula 900 m 3 /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? (f) El tiempo de respuesta a escalón para un 90 % del total es de 2 segundos. Escriba la función de transferencia cuando está circulando 800 m 3 /h y cuando pasan 1000 m 3 /h. TRANSMISOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL PLACA DE ORIFICIO TOMAS DE PRESIÓN 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 3.5 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 2.5 m desde el fondo? (c) Escriba la función de transferencia del sistema de medición-transmisión. H (d) El dispositivo es lineal? (e) Esquematice con un diagrama en bloques el sistema integrado por los elementos primario y secundario. H L Página 3/8

4 (f) Se utiliza un Trasmisor de presión diferencial industrial de la Serie PX509HL que tiene una Exactitud de referencia: ±0.2% Span (Incluye los efectos de linealidad, histéresis y repetibilidad). Cuál sería el máximo error de medición que se comete PROBLEMA 3.6 Una válvula de control globo, simple asiento, marca Doma, Modelo de cuerpo EZ, debe ser instalada en una línea de 4 pulgadas de diámetro. La presión aguas arriba es de 40 (psi) y aguas abajo de 18 (psi). El caudal normal máximo es de 500 (gpm). El fluido es agua a temperatura ambiente. (a) Dimensionar la válvula de control (b) Cuál es la característica inherente de flujo? PROBLEMA 3.7 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 20 psi. El fluido que circula por la misma es agua. F LT LIC LV La válvula tiene una característica de flujo inherente lineal y su coeficiente de flujo vale 100 para apertura máxima. (a) Elegir la acción de la válvula y del controlador Página 4/8

5 (b) Representar en un gráfico F/Fmáx en función de la apertura considerando pérdida de carga en la línea nula (c) Ídem anterior, pero la pérdida de carga en la línea cambia con el caudal de acuerdo con la ecuación: p L ( psi) F 2 ( gpm). (d) Calcular el valor de en los casos anteriores. (e) Completar la siguiente tabla: Caso Alfa Apertura (%) (b) (c) Ganancia de la válvula (g.p.m./%) PROBLEMA 3.8 En la figura se ve un sistema de control de nivel correspondiente al circuito de agua de refrigeración y se desea dimensionar la válvula de control que será globo balanceada guiada en los dos extremos, marca Fisher. LT LIC 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. Página 5/8

6 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 La ecuación de P L fue calculada usando el factor de Fanning para escurrimiento en cañerías y un equivalente para el intercambiador. La pérdida de carga se expresa en (psi) y el caudal en (gpm). La característica de flujo dada por el fabricante es la mostrada en la gráfica. Cv/Cvmax x - Apertura relativa Los coeficientes de descarga máximos, en función del diámetro son: D (plug) Cv max La característica de operación de la bomba centrífuga dada por el fabricante es: F (gpm) P (psi) (a) Graficar P L y P de la bomba en función del caudal. Indique el P v para los caudales normales. (b) Dimensionar la válvula. (c) En qué ámbito estará la apertura de la válvula normalmente? (d) Cuánto vale el caudal máximo que circulará por la válvula y P v mínimo correspondiente? (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? (g) Graficar la relación entre caudal y caudal máximo como función de la apertura para: 1. Para la válvula instalada y, 2. Elevación de la bomba es constante y la pérdida en la línea es despreciable. Hay deformación de la característica inherente de flujo? Página 6/8

7 PROBLEMA 3.9 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 7/8

8 El Ingeniero de planta proporcionó los siguientes datos: F - Caudal (gpm) p línea (psi) P impulsión bomba (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) El actuador se eligió de modo que la acción de la válvula sea FO (Fail Open). Suponiendo que el actuador es lineal, graficar caudal versus señal de control en (%) (e) Elegir la acción del controlador. (f) Desarrollar el diagrama en bloques del sistema de control. Ubicar las perturbaciones. 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 Closed). Normal abierta (SAA, Fail Open). Controlador ON OFF. Controlador PID. Acción de controladores. Página 8/8