UNIVERSIDAD_AUTONOMA_DE_TAMAULIPAS_Prime.pdf - Introducci\u00f3n a la Instrumentaci\u00f3n industrial Autores David Lara Alabazares Manuel Zu\u00f1iga Alan\u00eds

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Unformatted text preview: Introducción a la Instrumentación industrial Autores: David Lara Alabazares Manuel Zuñiga Alanís Gerardo Romero Galván José G. Rivera Martínez Primera Edición UNIVERSIDAD AUTONOMA DE TAMAULIPAS Introducción a la Instrumentación Industrial Introducción a la Instrumentación Industrial David Lara Alabazares Manuel Zuñiga Alanis Gerardo Romero Galván José Guadalupe Rivera Martínez DEDICATORIA “Cuesta mucho educar a un hombre pero cuesta mucho mas no educarlo” Nosotros los Autores Siempre es un privilegio y un placer expresar nuestra gratitud a nuestras esposas e hijos por su amor y apoyo. Rosa, Elia, Irma y Mirna, A Dios, por concedernos la vida. AGRADECIMIENTOS Al C. M.E.S. José Ma. Leal Gutiérrez rector de nuestra alma máter, la Universidad Autónoma de Tamaulipas, por el gran liderazgo con que ha conducido a la Universidad. Al M.E.S. Jaime Alberto Arredondo Lucio, director de nuestra unidad académica, por las facilidades y los espacios brindados en la elaboración de este libro. Al secretario administrativo, Ingeniero Crecencio Alvarez Guevara y a los departamentos de las carreras de Ingeniería en Electrónica, Ingeniería en Sistemas de Producción y Posgrado e Investigación de la Unidad Académica Multidisciplinaria Reynosa Rodhe. A la Dra. Teresa de Jesús Guzmán Acuña, directora PROMEP-UAT por el impulso al personal docente que conlleva a emprender día a día nuevos retos. Al equipo de Innovación Editorial Lagares, por sus aportes para mejorar la presentación de esta obra. Igualmente un agradecimiento especial a todos los maestros, secretarias y estudiantes que día a día luchan por un objetivo común, tener una mejor calidad de vida. ÍNDICE Presentación ........................................................................................................................................13 Capítulo 1 Introducción a la Instrumentación ...................................................................................................15 1.1. Introducción. ..........................................................................................................................15 1.2. Terminología de Sistemas de Control. ....................................................................................19 1.3. Clasificación de Instrumentos.................................................................................................21 1.4. Simbología. .............................................................................................................................22 1.5. Ejemplos. ................................................................................................................................30 Capítulo 2 Técnicas de medición de Temperatura .............................................................................................33 2.1. Introducción. ..........................................................................................................................33 2.2. Medidas de temperatura. ........................................................................................................34 2.3. Elementos Mecánicos. ............................................................................................................35 2.4. Elementos Eléctricos. .............................................................................................................40 Capítulo 3 Medición de presión de gases y líquidos ...........................................................................................47 3.1. Introducción. ..........................................................................................................................47 3.2. Mediciones de presión y vacio de gases. ................................................................................48 3.3. Presión de líquidos en un recipiente. ......................................................................................51 3.4. Tipos de medidores de presión. .............................................................................................53 3.5. Sensores Electrónicos. ............................................................................................................60 Capítulo 4 Medición de Flujo de Fluidos.............................................................................................................63 4.1. Introducción. ..........................................................................................................................63 4.2. Naturaleza de los fluidos. ......................................................................................................64 4.3. Elementos primarios de medición de fluidos..........................................................................65 4.4. Selección del elemento primario. ...........................................................................................75 Capítulo 5 Medición de Nivel. ..............................................................................................................................77 5.1. Introducción. ..........................................................................................................................77 5.2. Principios de hidrostática. ......................................................................................................78 5.3. Instrumentos para la medición del nivel. ................................................................................80 5.4. Principios de funcionamiento de medidores eléctricos ..........................................................87 5.5. Válvulas de purga. ..................................................................................................................88 Capítulo 6 Elemento Final de Control .................................................................................................................89 6.1. Introducción. ..........................................................................................................................89 6.2. Partes de una válvula. .............................................................................................................90 6.3. Tipos de válvulas de control. ..................................................................................................91 6.4. Actuadores para válvulas de control. ......................................................................................97 6.5. Características de una válvula de control. ............................................................................101 6.6. Criterios de selección. ..........................................................................................................108 Capítulo 7 Fundamentos de Control Automático .............................................................................................109 7.1. Introducción. ........................................................................................................................109 7.2. Control Todo/Nada. ..............................................................................................................110 7.3. Control Flotante. ...................................................................................................................111 7.4. Control modulante. ...............................................................................................................111 7.5. Control proporcional. ...........................................................................................................112 7.6. Control proporcional + derivativa. .......................................................................................115 7.7. Control integral. ....................................................................................................................116 7.8. Control proporcional más integral ........................................................................................118 7.9. Control proporcional + integral + derivativo (PID) ............................................................119 Capítulo 8 Instrumentación virtual ...................................................................................................................121 8.1. Introducción .........................................................................................................................121 8.2. Programación Gráfica y Labview .........................................................................................121 8.3. Instrumentos Virtuales ..........................................................................................................122 8.4. Sistema de adquisición de datos ...........................................................................................124 8.5 Práctica: Adquisición y envío de datos. .................................................................................125 Bibliografía ........................................................................................................................................135 PRESENTACIÓN Este libro introduce al lector al estudio de los instrumentos de medición y control utilizados en procesos industriales. La instrumentación está estrechamente relacionada con la ingeniería y la teoría de control aplicado a procesos industriales, en los cuales, la calidad del producto terminado es un requerimiento que cada vez ha tomado suma importancia para la competitividad. Por ende, el uso de sistemas automatizados día a día gana terreno en la industria. Por lo tanto, esta obra, estructurada en ocho capítulos, se aborda la teoría de operación de los dispositivos análogos y electrónicos utilizados para medir las principales variables físicas de los procesos industriales, tales como la temperatura, la presión, el nivel, el caudal, entre otras. Además, se presenta un breve estudio del elemento final de control, así como los fundamentos del control automático. En el primer capítulo se define la instrumentación industrial y se da una clasificación de los principales instrumentos. Se presenta la simbología estándar usada para identificar instrumentos en un proceso, así como la nomenclatura. En los capítulos del dos a cinco se estudian los instrumentos utilizados y los métodos para medir las variables físicas temperatura, presión, caudal y nivel respectivamente. En el capítulo seis trata del elemento final de control, donde el más utilizado es la válvula de control; se presentan las partes de una válvula y sus actuadores, y se da una clasificación de las mismas. Se estudia en forma breve las características principales que deben tomarse en cuenta cuando se diseña un sistema de control. El capítulo siete da las definiciones y conceptos de control automático y las acciones de control. Por último en el capítulo ocho presenta el uso de la programación gráfica y la instrumentación virtual aplicada a procesos industriales. Este libro pretende ser un apoyo didáctico en la enseñanza de la instrumentación industrial ya que cada uno de los capítulos está estructurado de tal forma que el lector pueda analizar en forma clara los conceptos de instrumentación y control que se dan a lo largo del texto. 13 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN David Lara Alabazares, Manuel Zúñiga Alanís, Gerardo Romero Galván y José G. Rivera Martínez 1.1. INTRODUCCIÓN. La instrumentación desde su época más antigua vino a desplazar poco a poco, y dependiendo de su desarrollo, a la mano del hombre; mediante el uso de instrumentos podemos medir (conocer), controlar (comparar) y corregir (actuar) cualquier variable de un proceso. Se entiende por variable a todo componente de un proceso sujeto a cambios físicos y químicos en su naturaleza. Las ventajas más sobresalientes del control automático son: a) b) c) d) Eliminación del error humano. Velocidad de operación. Exactitud. Automatización. El control automático de procesos depende de la instrumentación en razón de que para poder controlar una variable, es necesario primero determinar su valor, lo cual implica el uso de instrumentos de medición, debido a ello es necesario conocer los diferentes métodos para lograr dicho objetivo. Las principales variables físicas controladas en cualquier proceso industrial son: • • • • Presión. Flujo. Nivel. Temperatura. El elemento que mide estas variables se conoce como elemento primario de medición y transforma la energía del medio para brindar una señal proporcional a la variable. En la mayoría de los casos es necesario transmitir esta información desde el proceso hasta algún lugar determinado tal como un tablero de control. Para ello es necesario emplear dispositivos que logren transmitir la información de alguna manera práctica, tal como una señal neumática (presión) a través de una tubería, o tal como una señal eléctrica (corriente) a través de conductores eléctricos. Esta señal medida nos debe servir para controlar este valor a uno deseado, para ello se realiza una comparación entre el valor medido y el valor deseado. Entonces, en base a la diferencia de estos valores se calcula la ley de control. El dispositivo que realiza esta función es denominado controlador. Por último, es necesaria la utilización de un elemento que transforme la señal generada por el controlador en una acción que gobierne el valor de entrada al proceso, logrando con esto cambiar el valor de la variable y llevarla al valor deseado. El dispositivo que realiza éste trabajo se llama elemento final de control. 15 INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL En la figura 1.1 se ilustra un proceso físico de un intercambiador de calor, controlado en forma manual, cuyo propósito es calentar agua. En la figura puede observarse que el operador realiza la función de medir comparar y corregir. Esto puede efectuarse siempre y cuando la temperatura deseada no exceda de la máxima soportable por el ser humano (aproximadamente 55°C) y el tiempo de operación no exceda de las capacidades físicas del operador. Por lo tanto, el control automático y la instrumentación juegan un papel importante en los procesos industriales modernos. Entrada agua fria Salida de vapor Operador (controlador) Comparación (computación) Válvula (corrección) Entrada de vapor Medición a base de tacto Salida agua caliente Figura 1.1. Proceso controlado en forma manual. Los sistemas de control automático forman parte integral de las plantas de procesos para el control de sus múltiples variables. Estos sistemas son tan vitales en las plantas, tal como el sistema nervioso central y sus ramificaciones lo son para el organismo del ser humano para el control de sus funciones. El control automático se ha incorporado en las plantas de procesos para suplir las funciones de un operador, considerando que el controlador automático no se cansa, ni necesita dormir, siempre está al cuidado del trabajo encomendado, sintiendo y midiendo los cambios de las variables y efectuando correcciones en forma continua a fin de mantener las condiciones de operación establecidas; aunque nunca podrá suplir el razonamiento humano cuando se presentan nuevas condiciones. El control automático, por lo tanto, reproduce con ventajas las funciones de un operador y la secuencia de sus operaciones las efectúa con sus elementos a través de un circuito cerrado conocido como circuito cerrado de control automático o simplemente lazo de control. Los elementos que componen un sistema de control de lazo cerrado se muestran en la figura 1.2 y se describen a continuación. Figura 1.2. Sistema de control de lazo cerrado. 16 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN Proceso: Es la parte del sistema en que se realiza una operación o una secuencia de operaciones; son las funciones colectivas desarrolladas en y por el equipo en el cual se controla la variable. Para obtener un resultado en el proceso se realizan cambios físicos, químicos o eléctricos, o una combinación de estos. Las operaciones deseadas se efectúan mediante la regulación de energía. Son ejemplos de procesos tanto calentar un termopar como calentar la carga de un calentador; ambos siguen las mismas leyes de la transmisión de calor. Elemento primario de medición: Es el medio para determinar y medir las variables de un proceso, y corresponde a la porción del sistema de medición que es el primero en utilizar o transformar la energía del medio controlado para producir un efecto de respuesta al cambio de un valor de la variable controlada; este efecto puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, potencial eléctrico o resistencia. Son ejemplos de elementos primarios los termopares, placas de orificios, tubos de bourdon, etc. En resumen, el elemento primario está en contacto directo con la variable y la convierte en otra simplificada. Por ejemplo, un manómetro determina la presión de algún gas mediante el desplazamiento de su elemento primario, el tubo de bourdon, el cual se muestra en la figura 1.3. Figura 1.3. Manómetro basado en tubo de bourdon Medios de medición: Forman en conjunto con los elementos primarios de medición, el dispositivo que indica o registra el valor de la variable y la transmite al controlador. Controlador: Es un dispositivo neumático, hidráulico o electrónico que recibe el valor de la variable, lo compara con el valor deseado (set-point) y actúa para corregir la desviación de la variable, enviando una señal correctiva al elemento final de control. Elemento final de control: Es el dispositivo que regula la cantidad de material o energía que entra al proceso, con el fin de mantener una variable en el valor deseado. Estos elementos son generalmente válvulas de control de diversos tipos, tal como la válvula solenoide que se muestra en la siguiente figura. Figura 1.4. Elemento final de control (válvula solenoide). 17 INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL Se consideran también como elementos finales de control: las compuertas de ductos de aire (ver figura 5), los relevadores eléctricos, los motores de velocidad variable, etc. Figura 1.5. Elemento final de control (compuerta). Resumiendo los conceptos fundamentales sobre el control automático tenemos que, tanto en el sistema de control humano, que tiene como base el cerebro, como en el sistema de control automático aplicado a los procesos industriales, se realizan en circuito cerrado la misma secuencia de operaciones: TABLA 1.1. COMPARACIÓN DEL CONTROL EN UN PROCESO VERSUS EL CUERPO HUMANO. Control Automático Cuerpo Humano Detectar las variables Sentir los impulsos Transmitir la magnitud de la variable Transmitir los impulsos sensoriales Computación en el controlador Computación del sistema nervioso central Transmisión de la señal correctiva al Transmisión de los impulsos motores elemento final de control. correctivos. En el control humano, el ciclo de operaciones puede realizarse en segundos o fracciones de segundo para restablecer las condiciones de equilibrio. En el control de procesos industriales se requiere más tiempo para alcanzar el equilibrio, y este depende tanto de las características y retardos que se presentan en los procesos, así como los retardos en los medios de medición y control. Por lo expuesto anteriormente, las funciones del lazo cerrado de control son: Medir 18 Transmitir Comparar Computar Corregir CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN 1.2. TERMINOLOGÍA DE SISTEMAS DE CONTROL. A continuación en la tabla siguiente se definen los términos más comunes en el control automático de procesos industriales. TABLA 1.2. TERMINOLOGÍA DE SISTEMAS DE CONTROL. Instrumentación Instrumento Monitor Transmisor Controlador Panel Local Sensibilidad Zona muerta Retraso Proceso Sistema Relevador Capacidad Capacitancia Es la aplicación de aparatos de medición o control a un proceso, con el propósito de determinar la identidad y magnitud de cierta variable física o cantidad química, y también con el objeto de controlar esas cantidades bajo limitaciones específicas. Es cualquier dispositivo que realiza una función de medición o control de proceso. Instrumento o sistema de instrumentos usados pa...
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  • Fall '19
  • The Land, Sistema de control, Termómetro, Punto de ebullición, Cero absoluto

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