Introducción a la medición de presión industrial Sesion 1

12/08/2012

1

INTRODUCCIÓN A LA MEDICIÓN DEPRESIÓN, NIVEL

1

OBJETIVOS GENERALES DEL CURSO

• Implementar los principios de medición de presióny nivel para aplicaciones de control y de balancede masa.

• Calcular los efectos de las propiedades de losfluidos que se relacionan con las mediciones depresión y nivel.

• Identificar los tipos de transductores usados en lamedición de presión y nivel y explicar suinstalación y operación

• Aplicar los principios de operación de varios tiposde dispositivos de medición presión y nivel.

2

OBJETIVOS GENERALES DEL CURSO

• Seleccionar instrumentos apropiados para medirpresión y nivel de acuerdo a los requerimientos de laaplicación.

• Integrar requerimientos de seguridad, instalación,mantenimiento y calibración cuando se selecciona yespecifican varios tipos de instrumentos de presión,nivel.

• Especificar detalles de instalación y calcularrequerimientos de calibración para instrumentos depresión, nivel y densidad

• Especificar y usar transmisores inteligentes enaplicaciones de nivel y presión.

3

INTRODUCCIÓN A LA MEDICIÓN DEPRESIÓN, NIVEL

Sesión 1: Principios de medición

4

12/08/2012

2

Objetivos de la sesión 1

• Discutir la importancia de medir para aspectoscomo control y balances de materia/energía ydefinir varios términos usados en aplicaciones demedición de presión.

• Listar los principios de medición de presión yacondicionamientos de señal para varios tipos detransmisores de presión

• Discutir los principios de calibración para untransmisor de presión y determinar si eldesempeño esta dentro de la tolerancia deexactitud establecido por el fabricante

5

Sesión 1: principios de medición

• Principios hidráulicos y la ley de pascal

• Unidades de medición de presión y escalas depresión

• Principios manométricos

• Introducción a los instrumentos de calibración y prueba

• Estándares de calibración

• Tipos de error y ajustes de calibración

6

Introducción a la medición de presión y nivel

• “Si usted puede medir aquello de lo que habla y loexpresa con un número, conocerá algo del objeto encuestión. Pero si no lo puede medir, su conocimiento espobre e insatisfactorio. La medición es la base de todoconocimiento” Lord Kelvin

• Si no lo puede medir, no lo puede controlar.

Si no conocemos la temperatura nosabemos si debemos subir o bajar elcalor

7

Introducción a la medición de presión y nivel

• Medir es el requisito inicial para cualquier sistema de control.• Bache• Continuo• Feedback/Feedforward• Control avanzado

• Valores de medición inferidos son derivados de otras mediciones(flujo-presión, presión–nivel)

• La mayoría/todas mediciones son de hecho inferidas• La mayoría de dispositivos usan los “efectos” creados por el

parámetro que deseamos medir como medio para definir unaindicación del valor de parámetro.

Un termómetro no mide temperatura. La expansióntérmica del fluido confinado causa un cambio devolumen proporcional a la temperatura del ambiente

8

12/08/2012

3

Introducción a la medición de presión

• La medición de presión es tal vez la mas fundamental ycomún de todas las mediciones.

• Muchas otras variables de proceso pueden serderivadas de las mediciones de presión y presióndiferencial:• Flujo usado PD (platinas de orificio, venturi)• Nivel (Presión de cabeza hidrostática)• Temperatura (Incremento de presión en un sistema debulbo lleno)

• Densidad (Medición de presión para un volumen definido)• Peso (Celdas de carga)

9

Ley de Pascal

La presión es directamente proporcional a la fuerzae inversamente proporcional al área sobre la cual lafuerza es aplicada.

El peso es la fuerza generada porla aceleración gravitacional deuna masa:

Fuerza = Masa *G

P=F/A P= Presión

F= FuerzaA= Área

Masas idénticas(peso)

La presión en este punto de contacto ymucho mayor que la presión en estaárea de contacto

10

Ley de Pascal

Si dos presiones son iguales entonces:P1=P2

Tenemos

��

��

��

��

��

�� será la amplificación o reducción de �� basado enla relación de las áreas de sus respectivassuperficies

11

Prensa hidráulica - Ley de Pascal

La presión es igual en el sistema por lo queP1=P2 y sustituyendo F/A por P vemos queaplicando 1 lb. de fuerza F1 tenemos 10 lb. defuerza F2

��

��

Volumendesplazado 1

A1 = 1 in2

F1 = 1 lb A2 = 10 in2

Volumen desplazado 2

Fluido incompresible

El volumen totalpermanececonstante dV1 =dV2

F2 = ?? lb

12

12/08/2012

4

Presión debido a la gravedad

Altura= cabeza

Línea sensora

Línea libre superficial

Presión en la superficie

Gravedad local13


H= Cabeza

Nivel= H+Offsett

Offset

Presión en la superficie

Gravedad local14


La cabeza hidráulica (presión) es la presión creada por la gravedadactuando a la altura del fluido (típicamente agua) por encima del puntode medición .

La densidad del fluido determina la cantidad de presión a una altura defluido. (Una columna de mercurio pesa mas que la misma columna deagua)

La gravedad varía ligeramentede un sitio a otro,dependiendo de la altitud(distancia desde el centro dela tierra) y debe serconsiderada cuando serequieran medicionesprecisas (laboratorios decalibración).

Superficie del agua

Globo a 1 m deprofundidad

Globo a 3 m deprofundidad

15

Relación entre presión y una columna de líquidoUn recipiente de 1 pie cúbico lleno de agua pesa 62,342 lb acondiciones estándar

La fuerza en el fondo del recipiente es 62,342 lb/ 14462,342 lb/ 14462,342 lb/ 14462,342 lb/ 1442222 inininin

62,342

144� 0,433

��

��

0,036 psi por cada pulgada de alto

0,433

12�

Una columna de 1 pie ejerceuna fuerza de 0,433 psi

16

12/08/2012

5

Relación entre presión y una columna de líquido

Si el fluido es diferente al agua, entonces se medirá mas o menospresión.SGSGSGSG oooo gravedadgravedadgravedadgravedad especifica=densidadespecifica=densidadespecifica=densidadespecifica=densidad deldeldeldel fluido/densidadfluido/densidadfluido/densidadfluido/densidad deldeldeldel aguaaguaaguaagua aaaacondicionescondicionescondicionescondiciones estándarestándarestándarestándar (relación de peso entre volúmenes iguales deagua y un fluido “x”)

La gravedad especifica de un fluido esta establecida en relación con elagua (SG=1)

Presión en psi=(altura del fluido en pulgadas)x 0,036 x SGPresión en psi= (altura del fluido en pies) x 0,433 x SG

La presión también puede ser creada mediante energía mecánica quese transforma en presión (bombas, compresores….)

17

Unidades de medición de presión

Sistema de unidadesSistema de unidadesSistema de unidadesSistema de unidades

SI Métrico Inglés

N/m2 (pascal) kg/cm2

dina / cm2

cm H2Omm HgBar

Atmosferas (Atm)Pascal (Pa)

lbf/in2 = psi

in H2Oin Hg

Atmosferas (Atm)

18

Factores de conversión para unidades de presión

• 1 psi = 27.708 in H2O @ 60°F

• 1 psi = 2.036 in Hg @ 32°F

• 1 in H2O @ 60°F = 0,03609 psi

• 1 ft H2O @ 60°F = 0,4331 psi

• 1 in = 25,4 mm

• 1 ft = 12 in = 305 mm

19

Presión absoluta y atmosférica

PsiaPsiaPsiaPsia o o o o PsigPsigPsigPsig ????La presión manométricasiempre es medidarelativa al nivel del mar(14.7 psia)

Manométrica (+)Manométrica (+)Manométrica (+)Manométrica (+)

Manométrica (Manométrica (Manométrica (Manométrica (----))))

0,0 psig =14,7 psia

a 68°F

0 psia Vacío perfecto Cero absoluto de presión

Presión atmosféricaal nivel del mar

Vacío (incremento)Presión manométrica negativaPresión absoluta positiva

Presión manométrica positivaPresión absoluta positiva

Nota : la presión atmosférica no esconstante, este valor se ha asignado para eluso en cálculos

PsiaPsiaPsiaPsia ==== PsigPsigPsigPsig ++++ PatmPatmPatmPatm ((((14141414....7777))))

20

12/08/2012

6

Manómetros

• Uno de los primeros dispositivos de medición de presión exactos

• Instrumentos útiles para medir presión• Esta basados en la relación entre la presión y una columna de líquido.

• Tipos de manómetros a discutir:• Tubo en U, pozo y el inclinado

P= hm * 0,036 * SGP= hm * 0,036 * SGP= hm * 0,036 * SGP= hm * 0,036 * SGDonde Donde Donde Donde • Presión (P) en Presión (P) en Presión (P) en Presión (P) en lbslbslbslbs/in/in/in/in2222

• hm es la columna de liquido medida (in)hm es la columna de liquido medida (in)hm es la columna de liquido medida (in)hm es la columna de liquido medida (in)• SG es la gravedad especifica del fluido (=1 para el agua)SG es la gravedad especifica del fluido (=1 para el agua)SG es la gravedad especifica del fluido (=1 para el agua)SG es la gravedad especifica del fluido (=1 para el agua)• 0,036 es la relación peso/área para el agua (0,036 es la relación peso/área para el agua (0,036 es la relación peso/área para el agua (0,036 es la relación peso/área para el agua (lbslbslbslbs/in/in/in/in2222)/in)/in)/in)/in

Columna de fluidoAltura medida (hm)

21

Efecto menisco

Agua Mercurio

AireAire Es el resultado de losefectos de la accióncapilar, la viscosidad yla tensión superficial

Se puede subir o bajarla escala del fondopara ajustar el cero

El efecto es repetible paraun tubo y fluidodeterminado. EntreEntreEntreEntre másmásmásmásgrandegrandegrandegrande elelelel diámetrodiámetrodiámetrodiámetro deldeldeldeltubotubotubotubo elelelel efectoefectoefectoefecto meniscomeniscomeniscomenisco esesesesmenormenormenormenor.... (mínimo(mínimo(mínimo(mínimo 3333////8888”””” ))))

22

Manómetros de tubo en U

En equilibrio P1>Patm

PatmPatm PatmP1

Si P1 es muygrande, el fluidosaldrá por laboquilla abierta ala atmósfera, locual puede serpeligroso su elfluido es mercurio

P1 = hm*0,036*SGP1 = 4*0,036*SGP1 = 0,144 Psig

P = ∆ Altura in

23

Manómetros tipo pozo

VenteoDebido a la gran diferencia deáreas transversales, un pequeñocambio en el nivel del reservorioresulta en un gran cambio de nivelen la columna de vidrio

Tubo devidrio

La presión aplicada en el pozocausa una elevación del liquido enel tubo de vidrio

Líquido

Pozo

Conexión aproceso (o venteopara vacío)

Escalaajustable

VacíoPresión = h x SG x 0,036

Al usar un fluido de alta densidad(como el mercurio) se puedenefectuar mediciones de presiónmucho mas grandes sin requeriruna columna muy grande

LosLosLosLos instrumentosinstrumentosinstrumentosinstrumentos neumáticosneumáticosneumáticosneumáticos usanusanusanusan señalseñalseñalseñal dededede 3333 –––– 15151515psigpsigpsigpsig ::::1111 psigpsigpsigpsig ==== 27272727,,,,7777 inininin dededede aguaaguaaguaagua yyyy 15151515 psigpsigpsigpsig ==== 34343434,,,,5555 ftftftft

ComoComoComoComo lalalala SGSGSGSG deldeldeldel mercuriomercuriomercuriomercurio eseseses 13131313,,,,55555555 entoncesentoncesentoncesentonces1111 psigpsigpsigpsig ==== 2222,,,,44444444 inininin dededede mercuriomercuriomercuriomercurio yyyy 15151515 psigpsigpsigpsig ==== 30303030,,,, 662662662662 inininin

Presiónaplicada

“Cero”

24

12/08/2012

7

Manómetros tipo pozo

La escala puede ser movida para arriba opara abajo para corregir la desviación delcero 25

Manómetros inclinados

PresiónPresiónPresiónPresión aplicadaaplicadaaplicadaaplicada ==== [[[[ hhhh xxxx sin(sin(sin(sin(αααα)))) ]x]x]x]x SGSGSGSG xxxx kkkk

Hay varios fluidos disponibles con diferente SG, y esto permite diferentes rangos. Hay queasegurarse que la escala es correcta para el fluido usado o se debe aplicar un factor de corrección.

La nivelación del manómetro inclinado es fundamental.

Es usado para aplicaciones de baja presión (presiones de tiro). Se encoje la escala vertical parauna lectura mas fácil y exacta

Presiónaplicada

Referenciacero

Escala graduada calibradapara leer en unidades depresión

26


Burbuja niveladora27


• Capacidad de medir centésimas de pulgadas de agua.• El manómetro especifica el fluido a ser usado y su SG 28

12/08/2012

8

Selección de manómetros

• Peligros de uso (Hg)• Exactitud

• Situaciones de paralelismo • La evaporación del fluido requiere recalibración del cero• La SG del fluido puede cambiar con la temperatura

• Fluidos de llenado y las relaciones de escala• Tipo U• Tipo pozo• Tipo vs aplicación

• Es una tecnología obsoleta para uso en campo• Vidrio y el mercurio proveen un peligro para la salud

29

Factores a considerar – Fuentes de error

• La densidad del fluido y cambios de densidad• La viscosidad y cambios en ella• Los efectos de la temperatura(Volumen, densidad y viscosidad)

• Efectos gravitacionales• La aceleración de la gravedad esta definida como 980,665 cm/seg2 (a nivel del mar a 45° latitud)

• Valores estándar• La densidad del mercurio es 13,5951 gr/cm3 (a 0°C)• La densidad del agua es 1 gr/cm3 (teórica) o 0,998207 gr/cm3 (a 20°C)

• Los ingenieros hidráulicos usan 62,4 lb/ft3 ( a 53°F) para una cabeza de agua (pie)

30

Introducción a calibración

• Una calibración se realiza para verificar que la(s) salida(s) de undispositivo corresponden a una serie de valores de la cantidad de lacual el dispositivo mide, recibe o transmite.

• La calibración se necesita para obtener información para:• Determinar el punto en el cual las escalas deben ser puestas• Ajustar la salida para llevarla al valor deseado dentro de las toleranciasespecificadas

• Encontrar el error comparando el valor de salida del dispositivo contraun estándar

• Retos al calibrar• Errores aleatorios y sistemáticos• Efectos del medio ambiente• Parámetros de exactitud pueden ser confusos• Error aceptable para la aplicación

• % de la escala total, % de la medición actual, % del URL del instrumento

31

Instrumentos de prueba para calibración de presión

• Probadores de peso muerto

• Galgas de prueba

• Manómetros

• Equipos digitales de prueba

32

12/08/2012

9

Probadores hidráulicos de peso muertoMedidorbajo prueba

El peso y lospistones sonun juegocompatible

PesoReservoriode aceite

Cilindroy pistón

Válvula dedescarga

Bomba

Válvula desucción

Ley depascal

Presión creada por la bomba = fuerzaaplicada por la presión para levantar elpistón, la base y el peso

Base

33

Instrumentos de prueba para calibración de presión

Reservoriode aceite Base

BombaNivel

Instrumento enprueba

34

Galgas de prueba

Son de gran tamaño, para tener mejor resoluciónTienen un espejo para corregir el paralelismo

35

Galgas de prueba

Tubo bourdon – espiralMayor movimiento con menores presiones 36

12/08/2012

10

Calibradores de presión digitales

37

Calibrador de procesos digital

Este es un ejemplo de un calibrador multifuncional que permitedescargar procedimientos, listas e instrucciones creados conprogramas o datos subidos para imprimir, archivar o analizar.También cuentas con interfaces HART integradas

• Mide voltios, mA, RTDs, termocuplas, frecuenciay ohmios para probar sensores, transmisores yotros instrumentos.

• Es una fuente para simular voltios, mA,termocuplas, RTDs, frecuencia, ohmios y presiónpara calibrar instrumentos

• Alimenta transmisores durante las pruebasmediante el lazo con medición simultanea demA

• Mide o genera presión usando módulos depresión

38

Arreglo para calibración


Conexión a procesoo entrada simuladaEj fuente de presión

Salida de lamedición

Es necesaria si elinstrumento conviertela entrada a otravariable física

IEP

Entrada de lamedición

Dispositivo demedición preciso paraestablecer la entrada

39

Arreglo para calibración


Estándar de salida

Salida en mA

Comunicador HART

Estándar de entrada(Lectura en Psi)

Simulación del procesoSeñal de entrada

A=>B Psi

40

12/08/2012

11

Jerarquía de estándares

Estándar primario

Estándar secundario

Estándar de transferencia

Producción Producción

0,01%

Lectura sin ajuste0,01%

Lectura ajustada0,1%

1% 0,5%

NIST (National institute ofScience and Technology) enEEUU y la BSA (BritishStandards Association)

Laboratorios decalibración

El que poseen la mayoríade plantas comoestándares

41

Jerarquía de estándares

Instrumentos de prueba – usados por los usuarios finales y verificados por otroinstrumentos que es una jerarquía mas cercana a el estándar primario.

Los instrumentos de prueba que están certificados tienen trazabilidad en sucertificación hasta el estándar primario.

Las certificaciones de calidad como las ISO 9001/2000 requieren trazabilidady registros auditables de la calibración del equipo de prueba y de las pruebasconformes.

Pregunta: Que tan seguido debe ser certificada la calibración de un equipo deprueba

• Por especificaciones del fabricante• Tipo de instrumento• Que tanto se usa y/o abusa• Por requerimientos contractuales• Requerimientos regulatorios (seguridad, médicos….)

42

Clasificación de indicadores por la exactitud

GradoGradoGradoGrado ExactitudExactitudExactitudExactitud DescripciónDescripciónDescripciónDescripción

AAAA ±0,1% FS en cualquier punto

Se usan como estándares de transferencia y paraaplicaciones con requerimientos excepcionales deprecisión y confiabilidad. Laboratorios decalibración y metrología.

AAA ±0,25% FS en cualquier punto

Se usan como instrumentos de prueba en talleresde calibración y mantenimiento.

AA ±0,5% FS en cualquier punto

Se usan frecuentemente en el monitoreo deprocesos industriales. Generalmente vienen con lacarátula de 4 ½”.

A ±1% de un 25 a un 75% de la escala y un ±1½% en el resto de la escala

Se usan se si sabe que la aplicación operara en elpunto de ±1% de exactitud y esta es suficiente parael proceso, pudiendo representar un ahorro decostos

B ±2% de un 25 a un 75% de la escala y un ±3% enel resto de la escala

Se usan en casos en los que se requiera unasolución económica.

43

Documentación de resultados – Cal transmisor

Como es la calibración de los instrumentos de proceso de las plantas?Que documentación se requiere para la trazabilidad de la calibración?

44

12/08/2012

12


45


46

Documentación de resultados – Cal interruptor

47

Documentación de resultados – Cal interruptor

48

12/08/2012

13

Errores de calibración y ajustes

• Cero (LRV)• Span (URV-LRV)• Angularidad• Linealidad• Histéresis• Banda muerta• Repetibilidad

LRV = Lower range value, URV = Upper range value

49

Repetibilidad y exactitud

Transmisor 1 Transmisor 2Medición

Promedio Promedio

Repetible PrecisoLos disparos están porvarios lados, aunquealgunos están más cerca elcentro que otros

Todos los disparos danen el mismo lado

50

Repetibilidad y exactitud

La precisión (repetibilidad) es mas importante que la exactitudpara muchas aplicaciones de control.PreguntaPreguntaPreguntaPregunta:::: Que es mas deseable?RespuestaRespuestaRespuestaRespuesta:::: La repetibilidad, por que con ajustes de calibraciónse pueden corregir errores si el instrumento es repetible

Refiriéndonos al ejemplo anterior, con ajustes en la mira sepodría dar siempre en el blanco, en cambio corregir unosdisparos que están mas dispersos y tan en el blanco pocasveces es mas difícil.

Buena exactitud � Buena repetibilidadBuena repetibilidad � No necesariamente es buena exactitud

51

Error de calibración del cero

52

12/08/2012

14

Error de calibración del Span

53

Error de calibración del span y del cero

54

Error de calibración de linealidad

55

Error no lineal

Este es el más difícil de corregir en sistemas mecánicos.

Es usualmente causado por un componente dañado que debe serremplazado

Puede ser corregido por nivelación en sistemas mecánicos yelectromecánicos.

Algunos instrumentos tienen ajustes de linealidad, pero la mayoríarequieren el remplazo de un componente

La mayoría de los transmisores inteligentes permiten la“caracterización” de la señal para minimizar errores no lineales debidoa tolerancias de fabricación siempre y cuando la no linealidad searepetible.

56

12/08/2012

15

Histéresis y banda muerta

HistéresisHistéresisHistéresisHistéresis:::: inhabilidad para reproducir un movimiento con respecto a un cambio en ladirección del movimiento, es decir que se tiene una salida diferente dependiendo si laentrada se incrementa o se decrementa.

BandaBandaBandaBanda muertamuertamuertamuerta:::: rango de valores en los que cualquier variación de la entrada noproduce una variación en la salida.

SensibilidadSensibilidadSensibilidadSensibilidad:::: cambio en la medición requerido antes de que el dispositivo responda aese cambio.

Típicamente no se nota en transmisores, pero un buen ejemplo es un resorte y unactuador de diafragma sin posicionador que no se mueve debido a la fricción hasta quela presión del aire se incrementa lo suficiente para vencer la fricción.

PosiblesPosiblesPosiblesPosibles causascausascausascausas dededede estaestaestaesta claseclaseclaseclase dededede erroreserroreserroreserrores::::HistéresisHistéresisHistéresisHistéresis:::: sensor dañado, conexiones dobladas.BandaBandaBandaBanda muertamuertamuertamuerta:::: componentes dañadosSensibilidadSensibilidadSensibilidadSensibilidad:::: # de bits usados por el procesador digital, fricción, etc.Bandas muertas por software configuradas en el controlador

57

Error de calibración de histéresis

58

Error de calibración de histéresis

59

Error de calibración de banda muerta

60

12/08/2012

16

Banda muerta

Posible offset en la escala total

Hombre Bola

Tiempo

Ubicación

Retardo de tiempo debido atener que arrastrar la bola Posible offset del cero

El hombre anda desdeun punto a otro yluego regresa,arrastrando unacadena y una bola

61

Introducción a la medición de presión industrial Sesion 1

Documents

Transcript of Introducción a la medición de presión industrial Sesion 1