Pontificia Universidad Catlica del Peru Facultad de Ciencias e Ingenieria
CURSO INSTRUMENTACION
MEC388
8.-REPASO
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III.- PROGRAMA ANALITICO DEL CURSO
5.- MEDICIN DE TEMPERATURA
Conceptos bsicos para la medicin de temperatura.
Tipos de instrumentos de medicin de temperatura. Termocuplas / Termmetros bimetlicos / Resistencia variable (RTD) / Termistores / Otras tecnologas existentes.
6.- MEDICIN DE OTRAS VARIABLES DE PROCESO
Conceptos bsicos para la medicin de otras variables de proceso.
Tipos de instrumentos para medicin de otras variables. Peso / Humedad / Densidad / Otras variables de inters. Instrumentacin Analtica,
7.- OTROS SENSORES Y ELEMENTOS FINALES DE CONTROL.
Sensores de desplazamiento y posicin
Instrumentacin Hidrulica.
Instrumentacin Neumtica.
Vlvulas de control. Tipos. Dimensionamiento.
8.- CONCEPTOS FINALES
Recomendaciones para la instalacin adecuada de los instrumentos industriales
Criterios para la seleccin adecuada de los instrumentos industriales.
Conceptos de Seguridad aplicable a la instrumentacin de procesos.
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CONCEPTOS BASICOS
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I.- MEDICION DE PESO
Definicion de Peso
1. Fuerza con que la Tierra atrae a un cuerpo, por accin de la gravedad. "el peso se mide en gramos; los cuerpos caen en el vaco a causa del peso"
2. Medida de esta propiedad de los cuerpos. "calcular el peso de un cuerpo; cinco kilos de peso"
El peso de un determinado cuerpo se calcula a partir de la
multiplicacin entre la masa y la aceleracin de la gravedad.
F = W = mg La unidad en la que se expres el resultado son unidades de
fuerza, la que determin el sistema internacional de unidades es el
newton, comnmente abreviada con la letra N.
Dentro del sistema tcnico se utiliza la unidad llamada kilogramo/
fuerza, que suele ser abreviada como Kgf.
CONCEPTOS BASICOS
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I.- MEDICION DE PESO
Las celdas de carga o sensores de peso son aquellos dispositivos electrnicos desarrollados con la finalidad es la de detectar los cambios
elctricos provocados por una variante en la intensidad de un peso
aplicado sobre la bscula o balanza, informacin que a su vez transmite
hacia un indicador de peso o controlador de peso.
La celda de carga o sensor de peso es un componente esencial al igual
que el indicador de peso, para el funcionamiento de cualquier bscula o
balanza electrnica.
En ingles se denominan:
Load Cells
Load transducers o
Load Sensors
Existen diferentes tipos siendo el mas comun las del tipo Strain Gage.
Ventajas:
Son de construccion compacta.
No tienen partes moviles
De alta precision
De amplio rango de medicion que puede ser usada para cargas
estaticas y dinamicas.
Desventajas
Su montaje es dificil
Su calibracion es tediosa.
CELDAS DE CARGA - APLICACIONES
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I.- MEDICION DE PESO
Level Measurement
Density Measurement
Flow Rate Measurement
Interface Measurement
5
TIPOS DE INSTRUMENTOS DE MEDICION DE PESO
Celdas de Carga
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I.- MEDICION DE PESO
Tipos de Celdas de carga: Celdas de carga de inflexin (Bending Beam)
Fabricadas en acero al carbono o inoxidable, utilizadas en grupos de cuatro en plataformas de 1 m x1 m, tanques con capacidades de 1000 kg hasta 10,000 kgs. Utilizadas para basculas de piso, basculas de tolva, etc.
Celdas de carga por presin lateral (Shear Beam). Son usualmente utilizadas en tolvas entre
pequeas y medianas o en el llenado de sistemas de ensaque.
TIPOS DE INSTRUMENTOS DE MEDICION DE PESO
Celdas de carga
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I.- MEDICION DE PESO
Consideraciones para seleccion: Capacidad Tipo basico y modo de operacion Numero de celdas de carga Metodo de montaje Costo
Desempeo y nivel de precision relacionado con los requerimientos de los sistemas
Nivel de sellado y materiales de construccion Requerimiento s de aprobacion (metrologico,
seguridad, ambiental)
TIPOS DE CELDAS DE CARGA
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I.- MEDICION DE PESO
De galgas extensiometricas (Strain Gauge Load Cells)
Hidraulicas (Hydraulic Load Cells) Neumaticas (Pneumatic Load Cells) Inductivas (Inductive and Reluctance-
Based Load Cells) Magnetoelasticas (Magnetoelastic Load
Cells) Piezoelectricas (Piezoelectric Load Cells) De fibra optica (Fibre-optic Load Cells) Resonantes (Resonant Wire Load Cells)
Fuente: Sensores de presin utilizados en las plataformas de fuerza aplicadas al estudio de la posturografa. Bruno Bellini
CONCEPTOS BASICOS
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I.- MEDICION DE HUMEDAD
La humedad es la cantidad de vapor de agua presente en un gas o el agua que es absorbida por un liquido o slido.
La masa de vapor de agua contenida en un volumen dado de gas (g/m3) se denomina humedad absoluta.
Normalmente se mide la denominada humedad relativa que es la relacin entre la presin parcial de vapor de agua presente y la necesaria para que hubiera saturacin a una temperatura dada, expresada en tanto por ciento.
La mayora de los aislantes elctricos presentan un descenso de su resistencia al aumentar la humedad. Si se puede medir esta variacin de la resistencia tenemos un higrmetro resistivo.
La relacin resistencia humedad es marcadamente no lineal.
H2O + Gas o Slido
CONCEPTOS BASICOS
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I.- MEDICION DE HUMEDAD
Aplicaciones: i) Confort humano (ambientacin): ii) Industria textil, papelera y de pieles iii) iii) Industria maderera: iv) Industria alimenticia: v) Industria farmacolgica: vi) Meteorologa: vii) Industria qumica- biolgica: viii) Conservacin y almacenamiento
TIPOS DE SENSORES DE HUMEDAD
Sensores de humedad por deformacin Sensores de humedad de bulbos hmedo y seco Sensores de humedad por condensacin Sensores de humedad por sales higroscopicas Sensores de humedad electrolticos Sensores de humedad por conductividad Sensores de humedad capacitivos Sensores de humedad infrarrojos Sensores de humedad piezoelctricos Sensores de humedad en el suelo
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I.- MEDICION DE HUMEDAD
Fuente: Automatizacion Industrial Sensores de humedad Samir Kouro
CONCEPTOS BASICOS
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I.- MEDICION DE DENSIDAD
DENSIDAD
Es la relacin entre la masa y el volumen de un fluido Se expresa como: r = m / v Sus unidades son:
gr / cm3 = gr / ml
kg / lt = 1000 kg / m3
lb / pie3
La densidad de los lquidos a menos que se manejen a presiones muy elevadas no presenta variaciones
significativas
Los valores de densidad para lquidos se encuentran en tablas
La densidad del agua a 20C @ 14.7 psi es 1 gr / cm3 1000 kg / m3
La densidad de los gases depende de la temperatura y presin de operacin
Para los gases ideales se puede calcular utilizando: P r = ---------------
R0 . M . T
R0 = Constante universal de los gases
M = Peso molecular del gas
CONCEPTOS GENERALES
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I.- MEDICION DE DENSIDAD
Density measurement The proportion of solid matter in a liquid is
determined with the help of density measurement.
Typical applications in the process industry are the measurement of acid and lye concentrations, the mixture density of abrasive or sticky liquids and the solid matter content of muds and suspensions.
Every industry has its own specific requirements when it comes to measurement technology.
Differential Pressure Radiation based
CONCEPTOS BASICOS
Instrumentacin analtica
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I.- MEDICION DE PESO
La instrumentacin analtica permite obtener informacin de la composicin y naturaleza qumica de la materia basndose en las propiedades fsico qumicas de los elementos a medir. Toma como base el estudio que realiza la Qumica analtica sobre la materia y su composicion. La clasificacin de la instrumentacin analtica se realiza en base a la propiedad que se mide.
La instrumentacin analtica juega un papel importante en la produccin y en la evaluacin de nuevos productos y en la proteccin de los consumidores y del medio ambiente.
Esta instrumentacin proporciona los lmites de deteccin
ms bajos requeridos para asegurar que se disponga de
alimentos, medicinas, agua y aire no contaminados.
La fabricacin de materiales cuya composicin debe
conocerse con precisin, como las sustancias empleadas en
los chips o pastillas de los circuitos integrados, se controla
con instrumentos analticos.
Incluye
Medicion de ph Medicion de conductividad Medicion de contenido de
gases
CONCEPTOS BASICOS
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
Examples of applications
Emission monitoring
Combustion of coal, oil and gas
Combustion of waste
Gasification
Cement plants
Calciner Gas Exit
Wet Kiln Gas Exit
ESP Precipitator (Safety relevant)
Coal bin and coal mill
Process monitoring
Optimization
Control
CONCEPTOS BASICOS
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
Kyoto protocol
Multinational agreement concerning global emission reductions
Ratified the 11th of December 1997 as an enhancement of UNFCCCs climate convention
Includes six Greenhouse gases (CO2, CH4, HFC, PFC, N2O, SF6)
Emission reduction goal of a 5,2% average for the period of 2008-2012
Post Kyoto period discussed in Copenhagen without decision
The emission reduction projects must be finished 2008
Breakdown into AnnexI and Non Annex I nations
Ratification of the protocol signed by 141 countries in February 2006
Rio - United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC)
Kyoto Protocol (COP 3)
EC-Directive - Emission Trading Decision
National implementation of EC-Directive
Coming into effect of Linking Directive
Recording of first CDM project
Start of Post-Kyoto Emission Trading (COP 10)
Start of EC wide Emission Trading
Coming into effect of Kyoto Protocol
Start international Emission Trading
Post Kyoto Period
Bali Conference Post Kyoto Period
Rio - United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC)
Kyoto Protocol (COP 3)
EC-Directive - Emission Trading Decision
National implementation of EC-Directive
Coming into effect of Linking Directive
Recording of first CDM project
Start of Post-Kyoto Emission Trading (COP 10)
Start of EC wide Emission Trading
Coming into effect of Kyoto Protocol
Start international Emission Trading
Post Kyoto Period
Bali Conference Post Kyoto Period
CONCEPTOS BASICOS
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
Orsat apparatus
Not easy to use
Fragile construction
Trained and well experienced staff needed
Accuracy depends on the skills of people handling the apparatus
Maintenance intensive
Orsat gas analyzer 1876 First manual multi-component analyzer
Mainly used to measure CO, CO2, and O2 in flue gases
Although largely replaced by instrumental techniques,
the Orsat remains a reliable method of measurement
even today, but it is difficult to handle
A: Water
jacketed
burett
e
B:
Absor
ption
pipette
s (C, D, E)
F:
Leveli
ng bottle
CONCEPTOS BASICOS
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
Sample
transport
(Pump)
Sample
conditioning
(Cooler)
Analyzer Off-gas
(treatment)
Process, stack,
pipes, tanks, Sampling
(Probe, Filter)
Signal processing and
reading
Control and maintenance of function
Sample Handling System (SHS) Sampling Point
70%
5%
Electronics
25%
Sample
Conditioning
Sensor
Physics
INFORMACION GENERAL MEDICION DE PH
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
Medicin de ph
INFORMACION GENERAL MEDICION DE PH
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
Medicin de ph
INFORMACION GENERAL MEDICION DE PH
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
Conductividad Termica - Thermal Conductivity
What is the Physical definition ?
Some gases in comparison
)(ty conductivi thermal
oxarea
thickness
time
heat
TTA
L
t
Q
In physics, thermal conductivity, , is the intensive property of a material that indicates its ability to conduct heat.
It is defined as the quantity of heat, Q, transmitted in time t through a thickness L, in a direction normal to a surface of area A, due to a temperature difference T, under steady state conditions and when the heat transfer is dependent only on the temperature gradient.
INFORMACION GENERAL MEDICION CONDUCTIVIDAD
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
Conductividad Termica - Thermal Conductivity
P = U . I = Q & Q ~ total
Gas 1, 1 Gas 2, 2
Sample gas, total
total = c11 + c22
The Wheatstone Bridge
INFORMACION GENERAL
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
Ionizacin de flama Flame Ionization
A flame ionization detector (FID) is an instument that measures the concentration of organic species in a gas stream. It is frequently used as a detector in gas chromatography. The operation of the FID is based on the detection of ions formed during combustion of organic compounds in a hydrogen flame. The generation of these ions is proportional to the concentration of organic species in the sample gas stream. Hydrocarbons generally have molar response factors that are equal to number of carbon atoms in their molecule, while oxygenates and other species that contain heteroatoms tend to have a lower response factor. Carbon monoxide and carbon dioxide are not detectable by FID
What is a Flame ionization detector?
INFORMACION GENERAL
Advantages Flame ionization detectors are used very
widely in gas chromatography because of a number of advantages.
Cost: Flame ionization detectors are relatively inexpensive to acquire and operate.
Low maintenance requirements: Apart from cleaning or replacing the FID jet, these detectors require no maintenance.
Rugged construction: FIDs are relatively resistant to misuse.
Linearity and detection ranges: FIDs can measure organic substance concentration at very low and very high levels, having a linear response of 10^6.
Disadvantages Flame ionization detectors cannot detect
inorganic substances. In some systems, CO and CO2 can be detected in the FID using a methanizer , which is a bed of Ni catalyst that reduces CO and CO2 to methane, which can be in turn detected by the FID.
Another important disadvantage is that the FID flame oxidizes all compounds that pass through it; all hydrocarbons and oxygenates are oxidized to carbon dioxide and water and other heteroatoms are oxidized according to thermodynamics. For this reason, FIDs tend to be the last in a detector train and also cannot be used for preparatory work
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
Principio de medicin
Light Source Sample gas Detector
Lambert Beer Law
I = I0 e l c
= A = 1 - e l c
I0 I I0
INFORMACION GENERAL - FOTOMETROS
Un fotmetro es cualquier instrumento usado para medir la intensidad de la luz. Los que se utilizan para
la fotometra, son instrumentos para detectar : Intensidad de luz dispersa. Absorbancia. Fluorescencia.
La ley de Beer-Lambert es una relacin emprica que relaciona la absorcin de luz con las propiedades del material atravesado.
La ley de Beer-Lambert relaciona la intensidad de luz entrante en un medio con la intensidad saliente despus de que en dicho medio se produzca absorcin.
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
Electro-Magnetic Spectrum
Spectral Regions
Wavenumber (cm-1)
Electron Excitation
Electron Transition
Molecular Vibration
Molecular Rotation
106
105
103 102 104
107
10
1
X-ray Ultraviolet Infrared Microwave
14,285 cm-1
4,000
400
100
Near- Middle- Far-
350 nm
100 nm
MEDIDORES IR MEDIDORES UV
INFORMACION GENERAL - FOTOMETROS
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
Infrared Absorption
Types of Species which Absorb in IR Any molecular vibration which displaces an electric charge will
absorb infrared radiation
Change in dipole moment
Diatomic molecules with dissimilar atoms
e.g. HCl, CO
Asymmetric vibrations in polyatomic molecules
Functional groups attached to polymers
Types of Non-Absorbing Species in IR
Atomic Species: He, Ne, Ar, Kr
All Atomic Species
Molecular Species: H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2 All homonuclear diatomic species without a permanent
dipole
These molecules cannot be analyzed by IR.
INFORMACION GENERAL - FOTOMETROS
CO, CO2, NO, N2O, NH3, SO2, HCN, COS, CS2, SF6, H2O, .......
CH4, C2H2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8,C4H10, C4H8, C4H6, C5, C6 .......
CH3OH, C2H4OH, Acetone, Propylenoxide, Formaldehyde,
Acetaldehyde, Ethylacetate, .......
HCl, COCl2, EDC, VC, ......
CH3Br, PH3, CH3I, C3F6, SiH4, Freons, .
Examples for Infrared Sensitive Gases
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
UV Spectroscopy & Absorptions Absorption of ultraviolet and visible radiation:
Chromophores Double/triple bonds
Aromatics Other outer electrons involved
The spectrum of a molecule involving electr. transitions is complex (superposition of rotational and vibrational transitions on the electronic transitions gives a combination of overlapping lines) This appears as a continuous absorption band.
The absorption of UV or visible radiation corresponds to the excitation of outer electrons.
INFORMACION GENERAL - FOTOMETROS
Examples for UltraViolet Sensitive Gases
NO, NH3, NO2,
SO2, H2S, COS, CS2,Cl2, COCl2
Benzene, Xylene, Toluene,
Butadiene, Propadiene,
Aniline, Styrene, Naphtalene, Acrylnitrile some more
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
Installation methods for gas analysis UV or IR Source
Off-Line
At-Line
In-Situ
(Cross
Stack)
Extractive
In-Situ
Now, lets have a closer look on how gas analyzers are installed in a plant:
For the discontinuous measurement in
laboratories, there is a facility to draw a gas
probe from the process.
The measurement then is called Off-Line - or
At-Line, if the lab is close to the process.
To measure directly in the stack, extraction
probes and analyzers are mounted together
at the measuring point. This is called In-Line
or In-Situ measurement.
Finally there is the extractive measurement.
The sample gas is feeded continuously from
the process line to an analysis system. It
can be installed near to the measurement
point or at a short distance. The gas can be
conditioned before it enters the gas
analyzers.
INFORMACION GENERAL - FOTOMETROS
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
Why do we use a laser for absorption spectroscopy?
Laser
Normal light
source
Laser
TDL AS
Tunable Diode Absorption
One wavelength
Many wavelengths
L D Spectroscopy Tunable Absorption
DL
The laser emits radiation with a single wavelength
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
Components and Industries where Absorption spectroscopy by laser is used
Chemical &
Petrochemical Power & Steam
Upstream
Oil & Gas
Downstream
Oil & Gas
Food, Beverage
& Pharmaceutical
Metals, Mining,
& Minerals
Some examples:
Process control
O2 - Control in vessel for solvents
O2 - Flare gas monitoring in petrochemical
O2, CO - Post Combustion control in steel furnaces
NH3 - Slip monitoring in DeNOx SCR and SNCR
HCl - Control of efficiency of HCl abatement system in Waste and Power
HF - Control of efficiency of HF abatement system in aluminium smelters
Emission Monitoring
NH3, HCl, HF in waste incinerators
Safety measurement
O2 in chemical plants
O2 in steel plants
CO in cement furnaces
and many others are possible!
Single Components:
NH3
HCl
HF
O2
H2O
CO
CO2
NO
NO2
N2O
H2S
HCN
CH4
C2H2
C3H6
C3HI
CH2O
EtO
VCM
DCM
Dual Components:
NH3+H2O (TV cert.)
HCl+H2O
HF+H2O
CO+CO2
O2+Temp
HCl+CH4
CO+CH4
CO+H2O (+Temp)
others on request.
INFORMACION GENERAL - FOTOMETROS
INFORMACION GENERAL
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
Behavior of Gases in a Magnetic Field
Diamagnetic
Paramagnetic
N
S
N
S
N
S
Oxygen O2
Nitrogenmonoxide NO
Nitrogendioxide NO2
Carbondioxide CO2
Carbonmonoxide CO
Nitrogen N2
Methane CH4
Hydrogen H2
Sulfurdioxide SO2
Argon Ar
Propane C3H8
The magnetic susceptibility is the ability of a material to respond to an external magnetic force. If the magnetic susceptibility is positive, the magnetic field in the material is strengthened by the induced external magnetization and in an inhomogenious field the material will be drawn into the direction of higher fieldstrength. Alternatively, if is negative, the induced magnetic field in the material is weakened by the induced magnetization and the material will be pushed out of the area of highest field strength.
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
APPLICATIONS
Waste industry
O2 in fluegas waste
Cement Industry
O2 in fluegas cement
O2 in lime kiln gas
process metallurgy: extraction of the ore
O2 in gas from roasting (SO2 dependency)
Applications - Thermomagnetic
O2 in fluegas, 1-3 MR, substitute gas curve
O2 in fluegas - waste, 1-2 MR, substitute gas curve
O2 in fluegas - cement, 1-3 MR, substitute gas curve
O2 in lime kiln gas, 1-2 MR, substitute gas curve
O2 in gas from roasting, 1-2 MR, substitute gas curve
O2 in N2, 1-3 MR
The high CO2/SO2 dependency is considered in calibration
INFORMACION GENERAL
N
S
N
S
Permanent Magnet
Ring Resistor
( heated )
INFORMACION GENERAL - MEDICION O2
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
ZO23 - Tracing Oxygen
Field of application:
Trace oxygen measurement in pure gases
Typical measuring ranges 01/10/100/1000 ppm
Even with small amounts of combustible components
La base para la determinancion de la concentracion de oxigeno en los
gases es la Ecuacion de Nernst. La ecuacin de Nernst se utiliza para calcular el potencial de
reduccin de un electrodo fuera de las condiciones estndar (concentracin 1 M, presin de 1 atm, temperatura de 298 K 25 C. Se llama as en honor al cientfico alemn Walther Nernst, que fue quien la formul en 1889.
ZO23 Sensor - Principal Setup Reference gas
Ambient Air,
20,6 Vol.%
Sample
inlet
ppm O 2
Outer electrode
ZrO 2
( Solid electrolyte )
Inner Electrode
Heater
U
Sample
outlet
ppm O 2
Operating temperature
? 650 C
Reference gas
Ambient Air,
20,6 Vol.%
Sample
inlet
ppm O 2
Outer electrode
ZrO 2
( Solid electrolyte )
Inner Electrode
Heater
U
Sample
outlet
ppm O 2
Operating temperature
? C
The analyzer is not suitable for: Installation in hazardous areas
Measurement of explosive or flammable gases Purging of housing with nitrogen
Operation under pressure or fluctuating pressure Measurement with changing flow
Reference gas: Ambient air (20,6 Vol%)
Measurement possible up to 20,6 Vol% ! (max. Measuring range 0 250 000 ppm) No Housing Purge with N2 possible No flammable gas mixtures measurable
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I.- INSTRUMENTACION ANALITICA
ZrO2 - Typical Applications And Components
Emission monitoring of stack gases (CO, SO2, NO,) from power plants
Monitoring of landfill gas (CH4, CO2)
gas production / purity measurement (CO2, CO, N2O, CH4)
Process control in cement plants (CO, CO2 NO, SO2)
Burner optimization (CO)
Chemical industry (C2H2, C2H4, C3H6,..) Ethylene production
Topgas measurement in the blast furnace (iron&steel industry) (CO2, CO)
Emission monitoring of automotive exhaust gas in engine development (CO,CO2,N2O)
ZrO2 - Market Air Separators
The largest air separator in the world (1991)The largest air separator in the world (1991)
0 10 ppmArgon pre destillation product
0 10 ppmArgon destillation product
0 10 ppmNitrogen before Compressor 1+2
0 10 ppmLiquid Nitrogen to Tank
0 10 ppmLiquid Argon to Tank
Measuring RangeMeasuring Point
0 10 ppmArgon pre destillation product
0 10 ppmArgon destillation product
0 10 ppmNitrogen before Compressor 1+2
0 10 ppmLiquid Nitrogen to Tank
0 10 ppmLiquid Argon to Tank
Measuring RangeMeasuring Point
Possible Measuring Points Air Separators - O2 - Traces
INFORMACION GENERAL - MEDICION O2
CONCEPTOS BASICOS
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I.- OTROS SENSORES Y ELEMENTOS FINALES DE CONTROL.
Los Sensores de desplazamiento y posicin miden el desplazamiento o rotacin de un objeto. Pueden ser:
Rotacional Rectilneo
Aplicaciones: Robtica y control numrico Antenas y telescopios Industrial del acero y papel Anlisis de vibraciones
CONCEPTOS BASICOS
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I.- SENSORES DE DESPLAZAMIENTO Y POSICION
Dentro de los sensores de desplazamiento y posicin
podemos mencionar:
1. Servo potencimetros
2. Inductores diferenciales y transformadores
3. Desplazamiento micromtrico laserico
4. Codificadores (Encoder, Decoder)
5. Sensores sincros
6. Sensores resolvers
7. Sistemas grueso-fino (codificadores y sincros)
8. Strain gage (celula de tension y celda de carga)
Interruptor
Seal de
salida
para
control.
TIPOS
Sensores de Proximidad
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SENSORES DE DESPLAZAMIENTO Y POSICION
Sealan la distancia entre el punto de referencia (punto terminal) y otros
objetos.
Pueden ser de contacto o sin contacto. De contacto.
Simples micro-interruptores colocados en sectores en
donde haya riesgo de chocar.
Pueden utilizarse como finales
de carreras o para marcar
posiciones dadas.
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Sin contacto.
Pueden ser:
Fibra optica
Laser
Ultrasonido
CONCEPTOS GENERALES
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I.- INSTRUMENTACION HIDRAULICA
Hidrulica: Es una rama de la fisica y la ingenieria que se encarga
del estudio de las propiedades mecnicas de los fluidos. Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa (fuerza) y empuje de la misma.
Aplicaciones Hidrulicas. Maquinaria de gran potencia (excavadoras,
perforadoras de tneles) Produccin industrial automatizada.
Potencia hidrulica. Cuando se dispone de un determinado caudal Q de un
lquido a una presin P, se dice que el mismo posee un determinado poder hidrulico (o energa hidrulica). Esto quiere significar que el mismo posee una capacidad latente de producir trabajo mecnico si se le hace evolucionar en un mecanismo adecuado.
Componentes bsicos de un sistema hidrulico Independientemente del uso a que se destina un sistema hidrulico, se pueden distinguir cuatro componentes bsicos:
Bomba Actuador Elementos de control de la potencia generada Tuberas, accesorios y flido.
CONCEPTOS GENERALES
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I.- INSTRUMENTACION HIDRAULICA
Componentes bsicos de un sistema hidrulico Las "bombas" reciben energa mecnica y la convierten en energa hidrulica que se
manifiesta como presin y caudal. Los "actuadores" reciben energa hidrulica y la convierten en energa mecnica .
Esto se puede realizar de dos formas: Desplazando linealmente un eje mediante un mecanismo cilindro-pistn Rotando un eje a travs de un motor hidrulico.
Los "elementos de control de potencia" son unidades destinadas a controlar la potencia en juego, para suministrar la fuerza aplicada a la velocidad que corresponda y en el sentido deseado. Genricamente se denominan "vlvulas".
Podemos clasificar las vlvulas en: Vlvulas controladoras de presin: se utilizan para adecuar la presin a la
fuerza o cupla ejercida por el sistema. Vlvulas reguladoras de caudal: se usan para gobernar la velocidad de los
actuadores. Vlvulas direccionales: permiten controlar la direccin del flido para obtener
movimientos del actuador en el sentido adecuado. Las "tuberas" son los rganos de unin para poder materializar los circuitos. Se denominan "accesorios" los elementos adicionales que se pueden encontrar en los
sistemas hidrulicos cumpliendo una funcin especfica que permite que el sistema alcance su finalidad.
"Flido" es el medio encargado de transmitir la energa y lubricar el sistema. Un sistema hidrulico puede ser definido como un sistema de transmisin de
potencia en el cual un lquido incompresible es utilizado como medio transmisor de esa potencia.
El propsito primario de un sistema hidrulico es transportar energa de un lugar a otro. a) Para transmitir energa mecnica a distancia. b) Como fuente de energa auxiliar en los sistemas de control, pues todo
sistema de control necesita energa para actuar (elctrica, mecnica o hidrulica).
Vlvula distribuidora de cuatro vas y dos posiciones
Bomba hidrulica de tipo lobular
CONCEPTOS GENERALES
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I.- INSTRUMENTACION HIDRAULICA
Ventajas de los sistemas hidrulicos con respecto de los elctricos a) Menor tamao y peso de los componentes para
igual potencia b) Se pueden generar mayores fuerzas y cuplas c) Son sistemas con mayor velocidad de respuesta d) Tienen mayor flexibilidad para generar movimientos.
Desventajas de los sistemas hidrulicos con respecto de los elctricos a) Transmiten energa a distancias ms cortas b) Presentan mayor dificultad para evitar prdidas de
flidos c) Son sistemas ms sucios d) Requieren un mantenimiento ms delicado e) No se adaptan a zonas con peligro de incendios salvo
que se usen lquidos antiinflamables.
CONCEPTOS GENERALES
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I.- INSTRUMENTACION NEUMATICA
Neumatica: Es la tecnologa que emplea el aire
comprimido como modo de transmisin de la energia necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos.
El aire es un material elstico y, por tanto, al aplicarle una fuerza se comprime, mantiene esta compresin y devuelve la energa acumulada cuando se le permite expandirse, segn dicta la ley de gases ideales.
Aplicaciones Neumticas La neumtica se encarga del estudio de las
propiedades y aplicaciones de los gases comprimidos .
Etimolgicamente esta palabra deriva de la griega pneuma , que significa .
Aunque las aplicaciones de los fluidos (gases y lquidos) no son nuevas, lo que s es relativamente reciente es su empleo en circuitos cerrados en forma de sistemas de control y actuacin.
CONCEPTOS GENERALES
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I.- INSTRUMENTACION NEUMATICA
Aplicaciones Neumticas (continuacion) Un problema de automatizacin y control puede
resolverse empleando mecanismos, circuitos elctricos y electrnicos, circuitos neumohidrulicos o bien una combinacin de todo ello.
Los circuitos neumticos e suelen utilizar en aplicaciones que requieren movimientos lineales y grandes fuerzas.
Como: Produccin industrial automatizada. Se emplean
circuitos neumaticos o hidrulicos. Accionamientos de robot. Para producir el
movimiento de las articulaciones de un robot industrial y de las atracciones de feria, se emplean principalmente sistemas neumticos.
Mquinas y herramientas de aire comprimido. Como el martillo neumtico o mquinas para pintar a pistola, son ejemplos del uso de la neumtica.
CONCEPTOS GENERALES
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I.- VALVULAS DE CONTROL
Vlvulas En la ejecucin automtica de los procesos
industriales las vlvulas desempean un papel muy importante en el lazo de control: regulan el caudal de fluido, lo que permite mantener la variable de control en el valor deseado.
Es el elemento que responde para producir cambios sobre la variable que se esta controlando. La vlvula acta como una resistencia en la lnea disipando la energa entregada por la bomba al fluido. La vlvula genera una cada de presin variable.
Partes: Cuerpo: asiento, obturador, rosca o brida. Vstago (aguja que se desplaza sobre un
indicador) Servomotor (neumticos, elctricos, electro
neumticos, hidrulicos)
Fuente: D. Castellanos
CONCEPTOS GENERALES
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I.- VALVULAS DE CONTROL
Clasificacin de las vlvulas Las vlvulas de control se pueden clasificar bajo varios criterios, entre los mas comunes se encuentran las clasificaciones segn:
El tipo de fluido a manejar El numero de vias El tipo de obturador El actuador
Segn el tipo de fluido Liquidos: se considera un fluido incompresible y como
caracteristica se tiene que su densidad esta relacionada con la temperatura. Los liquidos ocupan un volumen definido .
Gases: son fluidos compresibles. Una masa de gas no tiene un volumen definido, sino que se expande hasta ocupar todas las partes del recipiente que la contenga.
Vapor: es un fluido compresible pero se diferencia de los gases por los rangos de temperatura y presion tipicos que maneja, ademas se tienen dos fases (condensacion) por lo que se deben
Fuente: D. Castellanos
CONCEPTOS GENERALES
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I.- VALVULAS DE CONTROL
Clasificacin de las vlvulas - Segn el nmero de vas Dos vias Tres vias Cuatro vias
Las valvulas de tres vias pueden utilizarse para mezclar fluidos (valvulas mezcladoras) o para derivar de un flujo de entrada dos de salida (valvulas diversoras).
Fuente: D. Castellanos
CONCEPTOS GENERALES
Clasificacin de las vlvulas - Segn el obturador
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I.- VALVULAS DE CONTROL
Vlvulas Vstago deslizante o Globo Utiliza un obturador de movimiento lineal con diferentes formas de solido de revolucin. Se utiliza para regulacin y no permite un cierre total. Formas constructivas: Simple asiento : ptimos cuando queremos alto nivel de
estanqueidad. Doble asiento : Permiten trabajar con fluidos a alta presin, con un
actuador standard. Ventajas: Disponibles en todos los ratings. Amplia seleccin de materiales constructivos. Posibilidad de diversas caractersticas de caudal. Partes internas aptas para el tipo de estanqueidad requerida. Desventajas: Considerables prdidas de carga a grandes caudales. Precios ms elevados que las vlvulas de mariposa en servicios de
baja presin y temperatura.
Fuente: D. Castellanos
CONCEPTOS GENERALES
Clasificacin de las vlvulas - Segn el obturador
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I.- VALVULAS DE CONTROL
Vlvulas de Vstago deslizante o Globo (continuacin)
Fuente: Fiuba 2014
CONCEPTOS GENERALES
Clasificacin de las vlvulas - Segn el obturador
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I.- VALVULAS DE CONTROL
Vlvulas de eje rotatorio
Fuente: Fiuba 2014
CONCEPTOS GENERALES
Clasificacin de las vlvulas - Segn el Actuador
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I.- VALVULAS DE CONTROL
Manual: Posee una palanca que debe ser accionada por un operario,
por lo que no sirve para realizar ningun tipo de control. Se utiliza para cierre manual de linea durante paros de
procesos.
Automticas: Hidrulicas/Neumticos: Diafragma o Pistn / Elctricas: Servomotor o solenoide Son los actuadores mas empleados a nivel industrial por su
simplicidad, la velocidad de respuesta y la capacidad de esfuerzo.
Fuente: D. Castellanos / CBA 2000
CONCEPTOS GENERALES
Dimensionamiento de vlvulas
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I.- VALVULAS DE CONTROL
Ecuaciones de Flujo Para el servicio de liquidos: la expresion mas utilizada se debe al fabricante Masoneilan (1944) aunque otros fabricantes utilizan expresiones similares:
Q = Cv . f(x). ( Pv / Gf )1/2 Donde:
Q: flujo volumetrico (gpmUS). Cv: coeficiente de valvula (gpmUS/psi 0.5). Gf: gravedad especifica (adimensional). Pv: caida de presion a traves de la valvula (psi). f(x): fraccion de apertura de la valvula (%)
Fuente: D. Castellanos
A(x) f(x) = --------------- Amax
CONCEPTOS GENERALES
Dimensionamiento - Seleccin de vlvulas
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I.- VALVULAS DE CONTROL
Datos primarios: Necesarios para el clculo de la seccin de paso de la vlvula:
Propiedades de fluido. Presin antes de la vlvula Cada de presin en la vlvula. Teora del fluido: afecta al material de la vlvula. Caudal del fluido.
Datos secundarios: Nivel de estanqueidad Caracterstica de caudal: relacin estructural a presin
constante, entre el caudal que atraviesa la vlvula y su apertura .
Fuente: D. Castellanos
CONCEPTOS GENERALES
Dimensionamiento
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I.- VALVULAS DE CONTROL
Kv , coeficiente de caudal o de dimensionamiento de la vlvula. Se define como caudal de agua en metros cbicos por hora a 15 C que pasa a travs de la vlvula para una apertura dada cuando la presin diferencial es de un bar.
Cuando est totalmente abierta: Kvs. Su valor mnimo es Kvo. Rangeability Kvs/ Kvo , relacin de caudales que la vlvula puede controlar sin perder sus caractersticas. Para una isoporcentual suele ser de 50 a 1.
Cv , es el nmero de galones USA por minuto de agua a 60 F que pasa a travs de una vlvula totalmente abierta cuando la presin diferencia es de 1 psi. El Cv es un parametro inherente a la valvula, que define su tamano por lo que es independiente del flujo, la presion y demas variables asociadas al flujo.
Kvs = 0.86 Cv Dan una idea de la capacidad de la vlvula Otros factores: Cavitacin , Ruidos
Fuente: D. Castellanos
CONCEPTOS GENERALES
Elementos accesorios a las vlvulas:
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I.- VALVULAS DE CONTROL
Posicionador : Compara la seal del controlador con la
apertura real de la vlvula (carrera del vstago), si no coinciden transmite una seal elctrica o neumtica al actuador.
Filtro manoreductor de aire: Es un regulador de presin con filtro incorporado. Se utiliza para alimentar al posicionador o convertidor neumtico.
Transmisor de posicin: Emite una seal de salida proporcional al recorrido de la vlvula. Puede ser neumtico o elctrico.
Convertidor electroneumtico I/ P . Convierte la seal elctrica en neumtica.
Interruptor final de carrera: Es utilizado para indicar elctricamente la posicin de la vlvula, as como para operar sobre otros elementos como las vlvulas de solenoide.
Fuente: D. Castellanos
INSTRUMENTACION EN LAZOS DE CONTROL
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I.- CONCEPTOS FINALES
CONCEPTOS FINALES
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I.- RECOMENDACIONES DE INSTALACION
INSTALATION REQUIREMENTS All instruments shall be installed so that they are
Accessible Capable of removal Replacement and repair In-line instruments shall be mounted and secured in place under the mechanical subcontract.
Remainder of the installation shall be completed in accordance with the installation detail(s) specified for each instrument in the instrument index provided by suppliers. Assure that instruments must be correctly calibrated before installation.
P&IDs,
UBICACIN Y
CONEXIN DE
INSTRUMENTOS
CONCEPTOS GENERALES GRADOS DE PROTECCION
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I.- RECOMENDACIONES DE INSTALACION
IEC 60529: Degrees of protection provided by enclosures (IP Code)
NEMA (National Electrical Manufacturers Association). Este es un conjunto de estndares creado, como su nombre lo indica, por la Asociacin Nacional de Fabricantes Elctricos (E.U.), y comprende NEMA 1, 2, 3, 3R, 3S, 4, 4X y 5 al 13.
CONCEPTOS GENERALES GRADOS DE PROTECCION
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I.- RECOMENDACIONES DE INSTALACION
CONCEPTOS GENERALES
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I.- RECOMENDACIONES DE INSTALACION
Instalaciones en reas clasificadas Un area clasificada es un un area donde hay peligro de incendio o explosion
por dispersion en el aire de material de facil ignicion:
Tipo de Material
Segn el Tipo de Material o Producto
Clase I Clase II Clase III
Grado de Riesgo o Peligro Segn el Grado de Riesgo o Peligro en
Divisin 1 Divisin 2
Tipo de Atmosfera
Segn el Tipo de Atmosfera las reas se tiene:
Grupo A
Grupo B
Grupo C
Grupo D
Grupo E
Grupo F
Grupo G
CONCEPTOS GENERALES
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I.- RECOMENDACIONES DE INSTALACION
Criterios para la instalacin de instrumentos Etapas que se siguen en la instalacin: Identificar el sitio de ubicacin del instrumento de acuerdo a
los planos. Verificar que el soporte este correctamente instalado. Verificar que el instrumento funciona y esta calibrado de
acuerdo a lo especificado en el data sheet del instrumento. Montar el instrumento sobre el soporte de acuerdo a lo
especificado en la norma ISA y siguiendo las indicaciones del fabricante.
Realizar el conexionado al circuito de control.
CONCEPTOS GENERALES
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I.- RECOMENDACIONES DE INSTALACION
PROBLEMAS DE MEDICIN: EL RUIDO ELCTRICO Entendemos por ruido elctrico a toda fluctuacin aleatoria o indeseada de una
magnitud elctrica que tienda a enmascarar la seal de inters. Se caracterizan por ser de naturaleza no determinista e inevitables en sistemas electrnicos, los cuales deben garantizar valores elevados de la relacin seal/ruido.
Los tipos de ruido pueden deberse a efectos de la temperatura, campos elctricos intensos (avalancha), comportamiento del semiconductor, desfase entre tensin- corriente entre otros.
FUENTES DE RUIDO Lneas elctricas, motores, transformadores, generadores, soldadura por arco,
lmparas fluorescentes entre otros. Pueden catalogarse en ruido debido a interferencia electromagntico (EMI), de radiofrecuencias (RFI), electrostticas (ESI), por descargas atmosfricas, transitorios o sobretensiones en lneas 220 o 380 Vca entre otros. Las fuentes comunes de ruido en la mayora de seales de instrumentacin analgica son:
Acoplamiento capacitivo El acoplamiento inductivo Ruido de lazos de tierra Impedancia de acoplamiento (o de acoplamiento de conductancia)
Fuente: Interferencias en seales de instrumentacin industrial - Tecnoficio
CONCEPTOS GENERALES RUIDO ELECTRICO
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I.- RECOMENDACIONES DE INSTALACION
PROTECCIONES Y AISLACIONES PARA RUIDO ELECTRICO Maneras de reducir el acoplamiento capacitivo en seales de instrumentacin Hay cuatro formas de reducir el ruido inducido por
acoplamiento capacitivo. Estas son: El blindaje de los cables de seal de instrumentos con material de baja resistencia Alejamiento de la fuente del ruido. Esto se hace generalmente asegurndose que los cables de alimentacin y los cables de seal del instrumento no pasen por el mismo conducto o bandeja de cables La reduccin de la amplitud de la tensin de ruido (y posiblemente la frecuencia) Torsin de los cables de seal del instrumento
Acoplamiento inductivo en instrumentacin analgica y cmo reducirla El mtodo ms prctico para reducir el acoplamiento inductivo
y asegurar una inmunidad a los campos magnticos de los cables de seal del instrumento es torcer un par de cables en lugar de permitir que se encuentren a lo largo de lneas rectas paralelas. Esto reduce en gran medida los efectos de la induccin electromagntica.
Fuente: Interferencias en seales de instrumentacin industrial - Tecnoficio
CONCEPTOS GENERALES RUIDO ELECTRICO
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I.- RECOMENDACIONES DE INSTALACION
PROTECCIONES Y AISLACIONES PARA RUIDO ELECTRICO Los lazos de tierra y la impedancia de acoplamiento: Un lazo de tierra es un camino indeseable de corriente en un circuito
elctrico. Dos de los mtodos ms eficaces de reducir estos bucles de tierra son:
Conexin a tierra de punto nico El uso de las entradas diferenciales
Fuente: Interferencias en seales de instrumentacin industrial - Tecnoficio
CONCEPTOS GENERALES
SELECCIN DE INSTRUMENTOS
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II.- CRITERIOS DE SELECCIN - REPASO
The selection of an instrument for a specific application is an iterative process. Following points should be considered while their selection:
Identify all operating cases Collecting all relevant process data Environmental conditions The extent to which the measured system will be disturbed Durability Maintainability Consistency of performance
65
Magnitud a medir Caractersticas de salida
Rango
Resolucin
Exactitud
Estabilidad
Ancho de banda
Tiempo de respuesta.
Limites de la magnitud a medir.
Magnitudes medioambientales
Sensibilidad
Tipo: Tensin, corriente.
Forma de sea: Unipolar, flotante, diferencial
Impedancia
Destino
Caractersticas de alimentacin Caractersticas ambientales
Tensin
Corriente
Potencia
Frecuencia
Estabilidad
Temperatura
Humedad
Ruido elctrico
Ruido mecnico
Agentes qumicos
Atmsfera explosiva
Otros factores
Peso
Dimensiones
Vida media
Costo de adquisicin
Disponibilidad
Tiempo de instalacin
Longitud y necesidad de cables.
Tipo y disponibilidad de conectores.
Situacin en caso de fallo
Costo de mantenimiento y calibracin
Costo de reposicin
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II.- CRITERIOS DE SELECCIN - REPASO
CONCEPTOS GENERALES
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III.- CONCEPTOS DE SEGURIDAD
3.1.16 Electrical (E)/ Electronic (E)/Programmable Electronic Systems (PES) (E/E/PES): When used in this context, electrical refers to logic functions
performed by electromechanical techniques, (e.g., Electromechanical relay, motor driven timers, etc.), electronic refers to logic functions performed by electronic techniques, (e.g., solid state logic, solid state relay, etc.), and Programmable Electronic System refers to logic performed by programmable or configurable devices [e.g., Programmable Logic Controller (PLC), Single Loop Digital Controller (SLDC), etc.] . Field devices are not included in E/E/PES.
3.1.32 Logic solver: E/E/PES components or subsystems that execute the
application logic. Electronic and programmable electronics include input/output
modules. 3.1.53 Safety Instrumented Systems (SIS): System composed of sensors, logic solvers, and final control
elements for the purpose of taking the process to a safe state when predetermined conditions are violated (see Figure 1.1).
Other terms commonly used include Emergency Shutdown System (ESD, ESS), Safety Shutdown System (SSD), and Safety Interlock System.
CONCEPTOS GENERALES
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III.- CONCEPTOS DE SEGURIDAD
3.1.53 Safety Instrumented Systems (SIS): SIS, Sistema Instrumentado de Seguridad (SIS, Safety Instrumented System) Es un sistema compuesto por sensores, procesadores lgicos y elementos finales de control que tiene el propsito de implementar las funciones de seguridad necesarias para llevar al proceso a un estado seguro, cuando se han violado condiciones Predeterminadas.
CONCEPTOS GENERALES
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III.- CONCEPTOS DE SEGURIDAD
CONCEPTOS GENERALES
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III.- CONCEPTOS DE SEGURIDAD
El Safety Integrity Level, abreviado SIL, en espaol Nivel de Integridad de Seguridad se define como un nivel relativo de reduccin del riesgo que provee una funcin de seguridad, o bien para especificar el nivel objetivo para la reduccin de riesgo. SIL podra definirse simplemente como una medida de la prestacin requerida para una funcin instrumentada para la seguridad (SIF). Los requisitos para un SIL determinado no son consistentes a lo largo de todos los estndares de seguridad funcional. En los estndares de seguridad europeos se definen 4 SILs, siendo el nivel 4 el ms severo y 1 el ms bajo. El SIL se determina a partir de un nmero de factores cuantitativos en combinacin con factores cualitativos tales como el proceso de desarrollo y la gestin del ciclo de vida de la seguridad.
CONCEPTOS GENERALES
CAPAS DE PROTECCION LOPA - Layers of Protection Analysis
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III.- CONCEPTOS DE SEGURIDAD
Respuesta de Emergencia de la Comunidad
Respuesta de Emergencia de la Planta
Protecciones Fsicas (muros de contencin)
PROCESO
Control Bsico
SIS (ltima capa automtica)
Alarmas Crticas (intervencin manual)
CONCEPTOS GENERALES
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III.- CONCEPTOS DE SEGURIDAD
OSHA & EPA
Process Safety Management
GOOD ENGINEERING PRACTICE
Written Internal Guidelines
Mentor/Engineering Practices
Industry Codes & Standards
Emergency Shutdown Systems, Control, Relief
Systems
SIF included here
Safet Instrumented function
CONCEPTOS GENERALES
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III.- CONCEPTOS DE SEGURIDAD
Safety Instrumented System Standards
ISA 84.01-2003 - Functional Safety: Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector Identical to IEC 61511 with inclusion of grandfather clause To be published October 2003
IEC 61508 - Functional Safety: Safety Related Systems Current version released 1999 Under revision for next release 2005
IEC 61511 - Functional Safety: Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector Published 2003
ASME
NFPA
API ISO
AICHE Books Boiler
Codes
V.- SISTEMA DE EVALUACION DEL CURSO
En este curso se aplicar la modalidad de evaluacin NOTA UNICA.
Esta se obtiene con la siguiente frmula:
Nota Final = (3 Ex1 + 4 Ex2) / 7
Donde: Exi = Nota del Examen i-simo
El profesor incluir en cada examen, hasta un mximo de 6 puntos, el promedio de las calificaciones de trabajos prcticos y tareas acadmicas que se encarguen a los alumnos
durante el semestre acadmico.
NOTAS DESDE EL PARCIAL:
INFORME VISITA A ABB
INFORME DE PRESENTACIONES
INFORME GRUPAL
INFORME INDIVIDUAL
PRESENTACION INDIVIDUAL
SEGN PROMEDIO SIMPLE DE LAS NOTAS ANTERIORES SE PUEDEN OBTENER HASTA MAXIMO 6 PUNTOS EN EL EXAMEN FINAL.
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