Principios de Instrumentación - Señales de Instrumentación y Transmisores

James Robles
Departamento de Instrumentación
Huertas College
Principios de Instrumentación
Señales de Instrumentación y Transmisores

James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
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

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

푅푎푛푔표 푑푒 퐼푛푠푡푟푢푚푒푛푡푎푐푖ó푛 푅푎푛푔표 푑푒 푃푟표푐푒푠표 = 푅푎푛푔표 푑푒 퐼푛푠푡푟푢푚푒푛푡푎푐푖ó푛 −푆푒ñ푎푙 푑푒 퐼푛푠푡푟푢푚푒푛푡푎푐푖ó푛 푅푎푛푔표 푑푒 푃푟표푐푒푠표 −푉푎푟푖푎푏푙푒 푑푒 푃푟표푐푒푠표
푅.퐼. 푅.푃. = 푅.퐼.−푆.퐼. 푅.푃.−푉.푃.

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: 푅푎푛푔표 푑푒 퐼푛푠푡푟푢푚푒푛푡푎푐푖ó푛 푅푎푛푔표 푑푒 푃푟표푐푒푠표 = 푅푎푛푔표 푑푒 퐼푛푠푡푟푢푚푒푛푡푎푐푖ó푛 −푆푒ñ푎푙 푑푒 퐼푛푠푡푟푢푚푒푛푡푎푐푖ó푛 푅푎푛푔표 푑푒 푃푟표푐푒푠표 −푉푎푟푖푎푏푙푒 푑푒 푃푟표푐푒푠표
Este proceso se conoce como Interpolación

20 −4100 −0= 20 −푥 100 −50
Ejemplo: El Rango de Proceso es de 0 –100 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)
16100= 20 −푥 50
1610050=20 −푥
8=20 −푥
20 −푥=8
푥=20 − 8
푥=12 푚퐴

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 0 – 100 psi
0 psi 25 psi 50 psi 75 psi 100psi
4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA
Rango de Proceso (Input)
Rango de Instrumentación (Output)

Ejemplo 2: Si el rango de Proceso es un nivel de un tanque de 0 – 40 ft
0 ft 10 ft 20 ft 30 ft 40 ft
4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA

Ejemplo 3: Si el rango de Proceso es un flujo de 0 – 900 gal/min.
0 gpm 225 gpm 450 gpm 675 gpm 900 gpm
4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA

Ejemplo 4: Si el rango de Proceso es una temperatura de 50° F - 250 ° F
50° F 100° F 150° F 200° F 250° F
4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA

Ejemplo 5: Si el rango de Proceso es un pH de 2 – 12
2 pH 4.5 pH 7 pH 9.5 pH 12 pH
4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA

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 61.43 psi con un rango de proceso de 0 – 100 psi?
0 psi 25 psi 50 psi 75 psi 100 psi
4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA
61.43 psi
? mA

0 psi 25 psi 50 psi 75 psi 100 psi
4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA
61.43 psi
? mA
20 −4100 −0= 20 −푥 100 −ퟔퟏ.ퟒퟑ
16100= 20 −푥 38.57
1610038.57=20 −푥
6.17=20 −푥
20 −푥=6.17
푥=20 − 6.17
푥=13.83 푚퐴
13.83 mA
Ejemplo 6:

Ejemplo 6:
+
24 Vdc
-
+
Variable de Proceso (Presión) = 61.43 psi
PT-1
Señal de Instrumentación
Transmisor de Presión (0 – 100 psi)
Receptor
Remoto
13.83 mA
+
-
13.83 mA
-

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

0 ft 10 ft 20 ft 30 ft 40 ft
4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA
? mA
20 −440 −0= 20 −푥 40 −ퟐퟔ.ퟐퟖ
1640= 20 −푥 13.72
164013.72=20 −푥
5.49=20 −푥
20 −푥=5.49
푥=20 −5.49
푥=14.51 푚퐴
14.51 mA
Ejemplo 7:
26.28 ft

Ejemplo 7:
24 Vdc
-
+
LT-1
Transmisor (0 – 40 ft)
Receptor
Remoto
14.51 mA
40 ft
+
-
14.51 mA
+
-
Variable de Proceso = 26.28 ft

Muestras de Transmisores de Nivel:
Rosemount
Endress + Hauser
Magnetrol
Siemens

0 gpm 225 gpm 450 gpm 675 gpm 900 gpm
4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA
? mA
20 −4900 −0= 20 −푥 900 −ퟑퟒퟕ
16900= 20 −푥 553
16900553=20 −푥
9.95=20 −푥
20 −푥=9.95
푥=20 − 9.95
푥=10.05 푚퐴
10.05 mA
Ejemplo 8:
347 gpm

Ejemplo 8:
24 Vdc
-
+
Variable de Proceso (Flujo) = 347 gpm
FT-1
Transmisor de Flujo (0 – 900 gpm)
Receptor
Remoto
10.05 mA
+
-
10.05 mA
+
-

Muestras de Transmisores de Flujo:
Rosemount
Endress + Hauser
Sierra
ABB

50 °F 100 °F 150 °F 200 °F 250 °F
4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA
? mA
20 −4250 −50= 20 −푥 250 −ퟏퟖퟒ.ퟔ
16200= 20 −푥 65.4
1620065.4=20 −푥
5.23=20 −푥
20 −푥=5.23
푥=20 − 5.23
푥=14.77 푚퐴
14.77 mA
Ejemplo 9:
184.6 °F

Ejemplo 9:
24 Vdc
-
+
Variable de Proceso (Temperatura) = 184.6 °F
TT-1
Transmisor de Temperatura (50 – 250 °F)
Receptor
Remoto
14.77 mA
+
-
+
-
14.77 mA

Muestras de Transmisores de Temperatura:
Rosemount
Endress + Hauser
ABB
Yokogawa

2 pH 4.5 pH 7pH 9.5 pH 12 pH
4 mA 8 mA 12 mA 16 mA 20 mA
? mA
20 −412 −2= 20 −푥 12 −ퟏퟎ.ퟑ
1610= 20 −푥 1.7
16101.7=20 −푥
2.72=20 −푥
20 −푥=2.72
푥=20 − 2.72
푥=17.28 푚퐴
17.28 mA
Ejemplo 10:
10.3 pH

Ejemplo 10:
24 Vdc
-
+
Variable de Proceso (pH) = 10.3 pH
pHT-1
Transmisor de pH (2 – 12 pH)
Receptor
Remoto
17.28 mA
+
-
17.28 mA
+
-

Muestras de Transmisores Analíticos:
Rosemount
Yokogawa
Endress+Hauser
ABB

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

Accuracy (Exactitud):
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:
퐴푐푐푢푟푎푐푦 (퐹.푆.)= 푉푎푙표푟 푅푒푎푙 −푉푎푙표푟 푀푒푑푖푑표 푉푎푙표푟 푅푒푎푙 · 100%

퐴푐푐푢푟푎푐푦 (퐹.푆.)= 푉푎푙표푟 푅푒푎푙 −푉푎푙표푟 푀푒푑푖푑표 푉푎푙표푟 푅푒푎푙 x 100%
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?
퐴푐푐푢푟푎푐푦 (퐹.푆.)= 32 −32.332 · 100%
퐴푐푐푢푟푎푐푦 (퐹.푆.)= .332 ·100%
퐴푐푐푢푟푎푐푦 (퐹.푆.)= .0094·100%
퐴푐푐푢푟푎푐푦 (퐹.푆.)= .94%

퐴푐푐푢푟푎푐푦= 푉푎푙표푟 푅푒푎푙 −푉푎푙표푟 푀푒푑푖푑표 푉푎푙표푟 푅푒푎푙 x 100%
Ejemplo 2: Un manómetro está conectado a un Dead Weight Tester que indica 1000 psi. El manómetro lee 993 psi. Cual es el accuracy?
퐴푐푐푢푟푎푐푦= 1000 − 9931000 x 100%
퐴푐푐푢푟푎푐푦= 71000 ·100%
퐴푐푐푢푟푎푐푦= .007·100%
퐴푐푐푢푟푎푐푦퐹.푆.=.7%

Ejemplo 3: Un metro de flujo está conectado a un standard de 500 gpm. El flujómetro lee 498 gpm. Cual es el accuracy?
퐴푐푐푢푟푎푐푦 (퐹.푆.)= 500 − 498500 x 100%
퐴푐푐푢푟푎푐푦 (퐹.푆.)= 2500 ·100%
퐴푐푐푢푟푎푐푦 (퐹.푆.)= .004·100%

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 19.98 ft. Cual es el accuracy?
퐴푐푐푢푟푎푐푦 (퐹.푆.)= 20 −19.9820 x 100%
퐴푐푐푢푟푎푐푦 (퐹.푆.)= .0220 ·100%
퐴푐푐푢푟푎푐푦 (퐹.푆.)= .001·100%

푒푟푟표푟=푉푎푙표푟 푅푒푎푙± 퐴푐푐푢푟푎푐푦 퐹.푆.100 ·푅푎푛푔표 푑푒 푃푟표푐푒푠표
Ejemplo 5: Si un transmisor de flujo de 0-350 gpm tiene un accuracy de 1% F.S.; ¿Cuál sería el error para un flujo de 245 gpm?
푒푟푟표푟=245± 1100 ·350
푒푟푟표푟=245 푔푝푚±3.5 gpm
푒푟푟표푟=241.5 gpm −248.5 gpm

푒푟푟표푟=푉푎푙표푟 푅푒푎푙± 퐴푐푐푢푟푎푐푦 퐹.푆.100 ·푅푎푛푔표 푑푒 푃푟표푐푒푠표
Ejemplo 6: Si un manómetro de presión de 0-600 psi tiene un accuracy de 0.25% F.S.; ¿Cuál sería el error para una presión de 214 psi?
푒푟푟표푟=214± 0.25100 ·600
푒푟푟표푟=214 푝푠푖±1.5 푝푠푖
푒푟푟표푟=212.5 −215.5 psi

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%.
0%
100%
50%
25%
75%
0%
100%
50%
25%
75%

Grado de Accuracy
Lower 25%
Middle 50%
Upper 25%
4A
0.1
0.1
0.1
3A
0.25
0.25
0.25
2A
0.5
0.5
0.5
1A
1
1
1
A
2
1
2
B
3
2
3
C
4
3
4
D
5
5
5
El accuracy se puede clasificar en diferentes grados según muestra la tabla ASME B40.1 (Accuracy Grade para Pressure Gauges)
Full Scale
L.S. / M.S. / U.S.
Tabla de accuracy para Pressure Gauges

Accuracy class 2½": ± 2/1/2% of span (ASME B40.100 Grade A) 4": ± 1% of span (ASME B40.100 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)

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

Laboratory Standards
Millivolt Standard
Dead Weight Tester
pH Buffer Solutions
Dry Block Cell Standard
Flow Standard

Precisión:
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.

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:
Medida Real (psi)
Medida de Instrumento (psi)
Histéresis
Señal en Incremento
Señal en Decremento

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 0 – 200 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

LRV y URV de un Instrumento:

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.

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

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.
Tiempo
Señal + Ruido
Señal - Ruido

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.
Tiempo
Señal Inestable
Señal Atenuada
2 Damping 1.00 s

Curva No-Lineal: Si el transmisor genera una señal no- lineal, como es el ejemplo de diferencia de presión para medir flujo, se utiliza la función de ‘square root extractor’ para normalizar la señal.
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
mA
dP
Differential Pressure vs mA

Especificaciones de Transmisores:
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
Especificaciones de Funcionales:

Especificaciones Fisicas:
Rango de Proceso (Ejemplo: 0 – 100 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)
Especificaciones de Transmisores:

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
Especificaciones de Transmisores
Forma ISA 20P 1001 Rev 0

Interruptores de Variables Físicas:
Algunos sistemas de control utilizan un valor lógico para llevar a cabo sus operaciones
Estos sistemas de control necesitan una señal que nos señala si una condición está o no está hecha
Al decir valor lógico, nos referimos a un 1 ó 0 lógico
Esto se logra al cerrar o abrir un interruptor que está conectado a un sensor
Un interruptor de varible física puede hacer este trabajo sin indicarnos el valor de la variable, sino cerrando un contacto para dejarnos saber si la condición está hecha
Existen interruptores para todas las variables existentes

Interruptores de Variables Físicas:
Ejemplos de Interruptores de Variables Físicas:
Estos interruptores actúan cuando la variable física alcanza el valor calibrado
Push Button
Level Switch
Pedal Switch
Limit Switch

http://instrumentacionhuertas.wordpress.com
¿Preguntas, dudas, comentarios?

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