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Control porRampa
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Parte 1 Seguridad en Combustión
Controles y SensoresEstándar de SeguridadNFPA 86
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Sistema de Control de Combustión
Un Sistema de Control es un grupode componentes electrónicos, eléctricos y mecánicos diseñadospara seguir un conjunto de reglaspara monitorear y guiar la operaciónde los equipos.
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Funciones Comunes de un Sistema de Control de Combustión
Verificar que siempre existan lascondiciones apropiadas y mantener los equipos en una condición de operaciónseguraControlar la secuencia de encendido, purga, ignición, funcionamiento y apagado
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Causas de Explosión
1. Escape de combustible durante el apagado
2. Re-encendido después de pérdida de llama, sin hacer purga
3. Intentos de encendido repetidos sin hacer purga
4. Control pobre de proporciones5. Sistema inestable; oscilación del aire o
combustible(cont.)
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Causas de Explosión
7. Ausencia de aire, causada porpresión excesiva de la mezcla
8. Apagado, causado por excesoconsiderable de aire
9. Interlock de seguridad defectuoso o con bypass
10.Falla mecánica11.Error humano
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Agencias de EstandarizaciónEscrita NFPA, FM, CSA, UL,
CEN - European Committee for Std., TUV, AGA
Autoridades FM, IRI (GE-GAP), CSA, con Government (Labor/Health), Building Jurisdicción Inspector, Local Fire Marshal,
Insurance Inspector, Property Owner
Pruebas & UL, CSA, FM, ETL, Advantica, Aprobación Gastec, DVGW
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Límites de Seguridad
Interruptor que monitorea cualquierparámetro físico requerido para que la operación sea segura y confiable.– Presiones de combustible (baja presión de
gas, alta presión de gas)– Bajo aire de combustión– Contacto para encendido del motor del
ventilador de aire– Alta temperatura– Ventiladores para circulación de aire y gases
de salida
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Interlocks de Secuencia
Switch que se debe cerrar antes de que pueda continuar una secuencia– Ventiladores Auxiliares encendidos
para purga– Dampers abiertos para purga– Posición de puerta para purga o
encendido– Encendido forzado de bajo fuego
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NFPA 86 Estándares - Límites
1. Debe estar aprobado y catalogadopara servicio en combustión
2. Debe ser conectado en serie paracontrolar directamente la válvulashut-off.
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Límites de Seguridad TípicosNEUTROVIVO
BAJO AIRE DE COMBUSTIÓN
SENSOR LÍMITE SUPERIOR
L1 L2
LÍMITECR1
CR2
BAJA PRESIÓN DE GAS
ALTA PRESIÓN DE GAS
CR2MS CR1
RELÉS INTERPUESTOS
A LOS CIRCUITOS DE LA VÁLVULA SHUT-OFF DE
SEGURIDAD
CONTACTO DE ENCENDIDO DEL
MOTOR DE AIRE DE COMBUSTIÓN
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NFPA 86 Estándares - PurgaPurga temporizada requerida antes de cada encendidoEl dispositivo de temporizado debeestar listado
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NFPA 86 Estándares - Ignición
Máximo 15 segundos
Quemadores que requieran arranqueen bajo fuego, deben tener interlock para probar la posición de la válvulade control.
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NFPA 86 Estándares - Válvulas
Dos Válvulas de Seguridad Shutoff (SSOV) en serie – AMBAS Piloto y PrincipalIndicadores de posición visual local paraquemadores mayores a 150,000 Btu/hr (44kW)Para quemadores mayores a 400,000 Btu/hr (117kW) al menos 1 válvula debe ser con prueba de cierre y entrelazada con la purga. Prueba de cierre significa: Switch de prueba de cerrado o sistema de prueba de válvulas
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NFPA 86 Estándares – Válvulas p.2
Recursos permantentes y listos paraprueba de fugas, hecho al menosuna vez al año. Una sóla válvula de seguridadshutoff aprobada para sistemas de quemadores de tubo radianteresistentes a explosiones.
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Esquema de la tubería
VENTILADORAIRE DE
COMBUSTIÓN
SWITCHPRESIÓN DE
AIRE
CONTROLFLUJO DE
AIRE
VENTEO A ÁREA SEGURA
TRAMO GOTEO
SHUT-OFFMANUAL
FILTRO
SUMINISTRO DE GAS
VÁLVULASSEGURIDADSHUT-OFF
REGULADOR
QUEMADOR
PRUEBA
FUGA
SWITCHBAJA PRESIÓN
DE GAS
CONTROL FLUJOGAS
SWITCHALTA PRESIÓN
DE GAS
VÁLVULAS PILOTOREGULADOR PILOTO AJUSTE FLUJO
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Funciones de Seguridad de la Combustión:
Verificación de componentes y arranqueseguroPurga (algunos modelos) Ignición (bloqueo con falla de llama)Prueba de llamaEncendido válvulas de combustible principalesApagado en falla de llamaCerrar válvulas de combustible cuando no hay alimentación
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Estándares – Seguridades en la combustión 150,000 BTU/hr y menos
los métodos de detección típica incluyen:Elementos bimetálicosCapilares y de BulboTermocuplas
El tiempo de reacción puede estar en el rango de minutos
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NFPA 86 Estándares –Seguridades en la Combustión
La mayoría usan seguridades electrónicasaprobadas y catalogadas para la combustiónTiempo de respuesta a la falla de llama: < 4 segundosChequeo de arranque seguroEnclavado con el circuito de seguridadLos métodos de detección incluyen– Infrarrojo– Flame rod (rectificación, ionización)– Ultravioleta
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Sistema de seguridad típico para combustión
8
4
S2LLAMA AMP
V 5
A
S1
3
21
6
7
G
MICRO
AIRE COMB
DE LOS LÍMITES
120VAC
VERI-FLAME
IGNITER
TRANSFORMADOR IGNICIÓN
PILOTO
NEUTRO
ARRANCADOR VENTILADOR
VENT
VÁLVULA PRINCIPAL
AGUAS ARRIBA
VÁLVULA PRINCIPAL
AGUAS ABAJO
FLAMEROD
QUEMADOR
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Métodos de Detección de Combustión
Rectificación por ionización (flame rods)UltravioletaInfrarrojoOtros métodos no son confiables– Térmico/ temperatura– Fotosensible / luz visible– Conductividad
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Flame Rod
CONEXIÓN DEL CABLE
AISLANTE CERÁMICO
ELECTRODO
ACOPLE ROSCADO
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TIERRA LLAMA
ELECTRODO DE IGNICIÓN
BOQUILLA PARARETENCIÓN DE LLAMA
ELECTRODO DE LLAMA
Flujo deCorriente
Llama Encendida
Corriente PromedioDC
Corr. AC
Llama Apagada
Tierra
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Flame Rod
A. Cubrimiento de Llama Insuficiente C. CorrectoB. No hay superficie de tierra en la llama
Ubicación del Flame Rod
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Flame RodPropiedad Sensada: Ionización en la llama
Aplicación: Llamas de gas
Ubicación: 2/3 por encima de la llama
Ventajas: Bajo costo, simple
Limitaciones: Suciedad, interferencias
CONDUIT FLEXIBLECÁRTER
DETECTOR DEESTADO SÓLIDO
Detector Infrarrojo
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BUSHING
MIRAO LENTE AMPLIFICADOR
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Detector InfrarrojoPropiedad Sensada: Radiación IR
Aplicación: Llamas combustible gaseoso o líquido
Ubicación: No debe visualizar el refractario
Ventajas: Ampliación óptica
Limitaciones: Vibración
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Escáner UVCONEXIÓN ELÉCTRICA
MIRA O LENTE AMPLIFICADOR
AIRE ENFRIAMIENTO
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VisualizaciónESCÁNER UV
ENTRADA DE GAS
AIRE COMBUSTIÓN
PILOTO-SUFICIENTE PARA ENCENDER LA
PRINCIPAL
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OBTURADORLENTE
TUBO
ELECTRÓNICA
SI se bloquea obturador Y no hay señal = Tubo OK
SI se bloquea obturador Y hay señal = Falla en Tubo
CÁRTER
Auto-Chequeo Escáner UV
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Detector UltravioletaPropiedad Sensada: Radiación UV
Aplicación: Llamas combustible gaseoso o líquido
Ubicación: Primer tercio de la llama
Ventajas: Ampliación ópticaAlto nivel de señal
Limitaciones: Vida del tubo, Frágil, No es seguro a fallos, Ve la chispa
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Controladores Programables / PLC
No pueden ser usados para seguridad en combustión a menos que esté catalogadoPuede ser usado en conjunto con dispositivos de seguridad aprobados paramonitoreoNo debe interferir con o prevenir la operación de los interlocks de seguridadNo debe controlar directamente lasválvulas de seguridad shut-off
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Part 2 Sistemas de Control de Temperatura
Controladores y Sensores
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Controlador de temperatura
• Controles Digitales Microprocesados
• Tipo de entrada universal
• Salida SSR - Relé -4 a 20 mA- 0 a 10V
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Niveles de programaciónExisten 7 niveles de programación:
User: Nivel en el que se hallan las variables de manejo cotidiano.Control: Nivel de puesta a punto del PID y funciones especiales.Out: Nivel de configuración de alarmas, tipo de operación del control.Input: Nivel de configuración de las entradas.SPC: Parámetros de comunicación y funciones multivariable del PID.Prog: Nivel de programación de rampasHide: Ocultar o habilitar parámetros de uso restringido
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Códigos de Error
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Diagrama de Conexión
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Definiciones
Sistema de Control: Mantiene unapropiedad física en un valor deseadoVariable de proceso (PV): Propiedadfísica como temperatura, presión, velocidad, nivelSet Point (SP): Valor deseadoError: Diferencia entre SP y PV
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Definiciones
Acción Directa: (Enfriamiento) La salida actúa en la misma direcciónque tiene PV. A medida que PV aumenta la salida aumentaAcción Inversa: (Calentamiento) La salida está en dirección opuesta a PV. A medida que PV aumenta la salida disminuye
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Control de Lazo Abierto
Definición: Controla el valor de salida sin conocer el valor del procesoUso: Donde la variación de temperaturano es crítica– Hornos microondas, calentamiento
temporizado– Calentamiento de barras de soldadura– Evaporación de agua
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Control de Lazo Abierto
QuemadorVálvulaMariposa
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Control de Lazo Cerrado
Definición: Controla el valor de la salida basado en el conocimientoreal del valor de procesoUso: Cuando la temperatura debeser mantenida
– Tratamiento térmico– Secado/curado
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Control de Lazo Cerrado
TERMOCUPLA
Controlador
OUT IN
Set Point
Quemador
Actuador
VálvulaMariposa
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Tipos de Salida de Control
ON-OFF o HIGH-LOWPROPORCIONAL – MODULANTE – TEMPORIZADA
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Control On-Off
Definición: La salida estácompletamente encendida o apagadadependiendo de la temperaturaUso: Con aplicaciones que no son críticas, amplias variaciones de temperatura o procesos muy lentos
– Calentamiento de agua– Calentamiento de hogares– Quemadores de tubo
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Secuencia On-OffCalent. On
Calent. Off
Calent. On
Calent. Off
Tiempo
Temperatura
Setpoint
Histéresis
Histéresis
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Salida Proporcional
Definición: La salida varía en algún valor desde completamente apagado a completamente encendidoUso: Cuando las variaciones de temperatura son críticas y deben ser minimizadas– Válvulas mariposa– Ventiladores con velocidad variable o bombas
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4-20mA vs. % Salida
20
16
12
8
4
0% 50% 100%SALIDA CALENTAMIENTO
MA
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Proporcional en el TiempoDefinición: La salida estácompletamente encendida o completamente apagada, pero la relación de tiempo encendido vs. tiempo apagado varía para simularun control proporcionalUso: Calentamiento eléctrico y quemadores de tubo
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Ejemplo Proporcional en el Tiempo: Salida 75%
ON
OFF
9 SEG. ON 3 OFF
REPETITIVO
12 SEG. TIEMPO DE CICLO
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Ejemplo Proporcional en el Tiempo: Salida 50%
ON
OFF
6 SEG. ON 6 SEG OFF
REPETITIVO
12 SEGUNDOSTIEMPO DE CICLO
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Ejemplo Proporcional en el Tiempo: Salida 25%
ON
OFF
9 SEG. OFF3 ON
REPETITIVO
12 SEGUNDOSTIEMPO DE CICLO
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Cálculo de la Salida
Basado en PV y SPFórmula matemática
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Fórmula de Ziegler-Nichols
m = Salida Controladormo = Salida Controlador Modo ManualKc = Ganancia Proporcionale = Señal de Error del ControladorTi = Tiempo IntegralTd = Tiempo Derivativo
m = mo + Kc e + e dt - Kc TdKc
Ti
dedt
Proporcional Reset Relación
T
o
1.5 IK To
Proporcional:
Reset:
Relación:
Kc =
Ti = 2.5 To
Td = 0.4 To
K = Ganancia Proceso Lazo AbiertoI = Constante Tiempo de Proceso
To = Tiempo Muerto de ProcesoKc = Ganancia Proporcional del ControladorTi = Tiempo IntegralTd = Tiempo Derivativo
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Banda Proporcional - Ganancia
Definición: El rango de temperaturasobre el cual el valor de salida varíade 0% a 100%La ganancia es el Inverso de la Banda Proporcional (100% / BP%)
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Ejemplos de Banda Proporcional
S.P.
100%
80%
60%
40%
20%
0%
100%
80%
60%
40%
20%
0%
BP Amplia BP Angosta
Salida
Salida
S.P.
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Efectos de la Banda Proporcional
REMOVE LOAD BP Angosta
BP Media
BP Amplia
Con
trolle
d V
aria
ble
Time
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Integral - Reset
Definición: Un ajuste automático del valor de salida para corregir unacompensación del set point (causadopor el control proporcional) Nota: El reset manual cambia la banda proporcional (compensa el set point interno)
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REMOVER CARGA
400
390
410
DEMASIADO LARGOBUENO
DEMASIADO CORTO
TIEMPO DE RESET
Efectos de la IntegralLA TEMPERATURA SE ESTABILIZARÍA AQUÍ SIN RESET
TEM
PE
RA
TUR
A
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Derivativo - Relación
Definición: Un ajuste del valor de salidabasado en la relación y dirección del cambio en la variable de proceso paraanticipar y corregir una desviación que de otro modo puede ocurrir.Usado para prevenir exceso en el encendidoUsado para compensar cambios rápidosen la carga
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DEMANDA DE CALOR DECREMENTADA
TIEMPO
TEM
PE
RA
TUR
A
400
370
430DEMASIADO LARGO
BUENO
DEMASIADO CORTO
TIEMPO DERIVATIVO
Efectos Derivativo
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Procedimiento de SintonizaciónManual
Curva reacciónde lazo abierto(modo manual) cambio paso
Pgananc=1.5*T/[K*d]o
BP=d*pend*100%/span
I=2.5*d (minutos)O I=0.4/d (RPM)
D=0.4*d Time
Tem
pera
tura
KTd
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Procedimiento de SintonizaciónManual
Ejemplo:Para un rango de
controlador de 100 a 600°C, Span = 500°C Pend. = 18°C/5m
= 3.6°C/min.d= 7 min. BP%=d*[pend/span]*100%=7m*3.6C/m*100/500C = 5% Reset = 2.5*d2.5*7m=17.5min. or 0.06 RPMRelación= 0.4*d=0.4*7m=2.8min.
Time
Tem
pera
tura
KTd
5 min.
18 C7 min.
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Alterno al PID: La Lógica Difusautiliza un conjunto de reglas
Si la temperatura se dirige hacia abajo del set point, y el aumento está a unavelocidad baja– Incrementar la salida rápidamente
Si la temperatura está un poco por debajodel set point, y está aumentando a unavelocidad rápida:– Decrementar la salida rápidamente
Si la temperatura está un poco por encimadel set point, y está cayendo lentamente– Mantener el valor de salida
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AGUA FRÍAIN
TERMOCUPLACONTROL PRINCIPAL
AGUA CALIENTEOUT VELOCIDAD DEL AGUA
Ejemplo tiempo retroceso y tiempomuerto
TiempoMuerto
TiempoRetroceso
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Retroalimentación
AGUA FRÍAIN
TERMOCUPLA CONTROLPRINCIPAL
AGUA CALIENTEOUT VELOCIDAD DEL AGUA
Controlador
PID output
TERMOCUPLA RETROALIMENTACIÓN
Retroaliment.
Verano
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SENSORES DE TEMPERATURA
Termocuplas
Detector de resistencia metálica ( RTD)
Termistor
Sensor de estado sólido ( IC )
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TERMOCUPLAS
Un circuito por donde circula corriente, encontramos evidencia del calentamiento por efecto Joule ( R x i2 ).
Las termocuplas (También conocidas como termopares). En su aspecto básico, consisten de dos alambres de metales distintos. Dichos alambres están soldados en un extremo, y terminan en una ficha especial en el otro (Clavija).
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TERMOCUPLAS
PRINCIPIOS BASICOS:El fenómeno por el cual, la termocupla entrega una fem, térmicamente dependiente, lo conocemos como efecto Seebeck. Este es en realidad, la superposición de otros dos: El efecto Thomson y el efecto Peltier. Efecto Peltier: En la unión de dos metales, aparece una fem. Efecto Thomson: Si en un cuerpo metálico, hay puntos a diferentes temperaturas, entre esos puntos apareceráuna fem. Esta fem no depende de la distancia entre los puntos. Sólo de la diferencia de las temperaturas. En un circuito formado por dos metales, cuyas uniones están a diferentes temperaturas, surgen las distintas fem.
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TERMOCUPLAS
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TERMOCUPLAS
La termocupla produce en el extremo de la clavija, una fem que depende de la diferencia de temperaturas entre la soldadura y la clavija misma. Como el sentido de la tensión es importante, distinguimos a los conductores con los signos positivo y negativo, para no confundirlos.
El siguiente gráfico nos muestra como evoluciona la fem generada por algunas de las termocuplas típicas en función de la temperatura:
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CURVAS DE RELACION ENTRE FEM vs TEMPERATURA:
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CURVAS DE RELACION ENTRE FEM vs TEMPERATURA:
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TERMOCUPLAS
Criterios que pueden ser útiles para definir los tipos de termocupla a utilizar:
rango de temperatura que se desea cubrir resistencia química de la termocuplaresistencia a vibraciones requerimientos de instalación (compatibilidad con equipamiento existente )
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TERMOCUPLAS
El tiempo de respuesta del sensor, es decir, el tiempo requerido para responder a un cambio brusco de la variable que está siendo sensada.
- La precisión del sensor : esto es la capacidad de medir el mismo valor repetidas veces en idénticas condiciones.
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Precauciones con Termocuplas
– Inversion de polaridad– Extension de cable– Tipos incorrectos– Ruido eléctrico– Fatiga mecánica
• Cortos• Ruptura y pérdida de conexiones• Cable estirado• Descalibración (cambio aleación - química)
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PRECAUCIONES CON TERMOCUPLAS
Los materiales conductores con los que se construyen las termocuplas, tienen ciertos requerimientos para poder utilizarlos con este fin. Deben mantener sus propiedades mecánicas a las temperaturas que se pretende medir. Las partes sometidas a altas temperaturas, sufren en algunos casos procesos de sublimación, recristalización, etc. También existe, y se debe considerar la acción química del medio ambiente, que normalmente es de naturaleza corrosiva.
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PRECAUCIONES CON TERMOCUPLAS
Por ejemplo, el platino funciona bien en medios neutros y oxidantes, pero se desgastarápidamente en medios reductores ( de hidrógeno). En el vacío, sublima (sólido – gaseoso) a 500oC. Normalmente es usado para mediciones desde 300 hasta unos 1600oC
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PRECAUCIONES CON TERMOCUPLAS
El tungsteno, el molibdeno, el renio y sus aleaciones, soportan el vacío, y las atmósferas reductoras (de hidrógeno), pero su vida útil es muy corta en medios oxidantes.
Es muy importante el uso de metales puros y homogéneos (o sea sin concentraciones de impurezas), ya que de no cumplir este requisito, podemos introducir errores del orden de 10 a 25 oC, y mas.
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PRECAUCIONES CON TERMOCUPLAS
Esto último está sumamente ligado a las causas de inexactitudes en las mediciones. El uso de esto elementos puede acarrear procesos de recristalización de los alambres, la evaporación o sublimación de uno de los componentes de la aleación, el intercambio de impurezas con el medio ambiente (envenenamiento), etc.
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PRECAUCIONES CON TERMOCUPLAS
- La calibración del sensor con respecto a la variable física. Si la respuesta del sensor a los cambios de la variable fisica es lineal o no. una calibración mal hecha va a producir mediciones erróneas.- La interdependencia entre los distintos componentes del sistema de adquisición de datos, por ejemplo un sensor muy bueno, con un pobre convertidor A/D no sirve casi nada.
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Termocupla
Ventajas• Simple• Auto-alimentada• Económica• Amplia variedad• Amplio rango
Desventajas• No lineal• Bajo voltaje• Menos estable• Menos sensible
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Detector de resistencia metálica (RTD)El detector de resistencia metálica RTD, es uno de los sensores más precisos de temperatura. Se caracteriza por su excelente estabilidad.La resistencia metálica es de alambres finos o de películas de metales.
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Su resistencia varía en forma directamente proporcional con la temperatura. Son fabricadas de metales como cobre, plata, oro, tungsteno y níquel, no obstante el platino es el material más comúnmente usado. El platino presenta una excelente estabilidad y la más alta resistividad con respecto a los otros metales.
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Tienen un alcance de medición hasta 800 oC.
Son muy estables.Son muy exactas.Más lineal que la termocuplaEstán estandarizadas entre fabricantes.Requieren de alimentación.Tienen baja sensibilidad.
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VARIACION DE RESISTENCIA CON LA TEMPERATURA
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DESVENTAJAS DE LAS RTD DE PLATINO
Debido a su baja resistencia (100 Ω a 0 °C) y sensibilidad (0.4 Ω/°C), los alambres de conexión es uno de los principales problemas, la vía para minimizarlo es usar el esquema de medición con 4 alambres.En el sistema de medición con 4 alambres, dos alambres llevan y traen la corriente proveniente de una fuente de corriente constante y otros dos alambres se emplean para la conexión del instrumento de medición de voltaje, convertidor A/D en un sistema de adquisición de datos por computadora
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DESVENTAJAS
•Presentan autocalentamiento•Son lentas a los cambios •Su alto costo, por lo que
hacer instrumentación con ella es caro
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