Instrumentación industrial mecánica
Índice 1. TEMA: .............................................................................................................................. - 1 -
2. OBJETIVOS: ...................................................................................................................... - 1 -
GENERAL: ............................................................................................................................ - 1 -
ESPECÍFICOS: ....................................................................................................................... - 1 -
3. MARCO TEÓRICO: ............................................................................................................ - 1 -
4. ANTECEDENTES: .............................................................................................................. - 7 -
5. ACTUALIZACIÓN DE DATOS DE LOS EQUIPOS:............................................................... - 11 -
6. DESCRIPCIÓN DE LAZOS ................................................................................................ - 25 -
7. CONCLUSIONES ............................................................................................................. - 28 -
8. RECOMENDACIONES ..................................................................................................... - 29 -
9. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................ - 29 -
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Lista de tablas
Tabla 1: Indicadores locales en P&ID ...................................................................................... - 3 -
Tabla 2: Representación de transmisores en P&ID ................................................................. - 4 -
Tabla 3: Representación de switches en P&ID ........................................................................ - 4 -
Tabla 4: Representación de válvulas en P&ID ......................................................................... - 5 -
Tabla 5: Posicionadores en P&ID ............................................................................................ - 6 -
Tabla 6: Otros equipos utilizados en P&ID .............................................................................. - 7 -
Tabla 7: Transmisor indicador de caudal ............................................................................... - 11 -
Tabla 8: Elemento primario de flujo - Venturi ....................................................................... - 12 -
Tabla 9: Indicador/controlador de posición de válvula ......................................................... - 13 -
Tabla 10: Transmisor de posición .......................................................................................... - 14 -
Tabla 11: Controlador/indicador de flujo. ............................................................................. - 15 -
Tabla 12: Válvula de mariposa accionada por motor ............................................................ - 16 -
Tabla 13: Elemento primario de flujo/Indicador de flujo ...................................................... - 17 -
Tabla 14: Analizador de oxígeno disuelto .............................................................................. - 19 -
Tabla 15: Transmisor de indicación de análisis ...................................................................... - 19 -
Tabla 16: Elemento primario de análisis de oxígeno disuelto. .............................................. - 20 -
Tabla 17: Computador de flujo por radiocontrol................................................................... - 22 -
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Lista de imágenes
Figura 1: Tipos de líneas y sus interperetaciones .................................................................... - 2 -
Figura 2: Representación y simbología de algunos equipos .................................................... - 2 -
Figura 3: Planta de tratamiento de agua. ................................................................................ - 8 -
Figura 4: Característica flujo-recorrido de varios tipos de válvulas. ........................................ - 9 -
Figura 5: Diagrama P&ID del proceso. ................................................................................... - 10 -
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1. TEMA: Ingeniería básica del diagrama P&ID de un sistema de aeración de tanques.
2. OBJETIVOS:
GENERAL:
Desarrollar la ingeniería básica de del diagrama P&ID de un sistema de aeración de
tanques.
ESPECÍFICOS:
Describir la operación de un sistema de aeración de tanques.
Entender la aplicación de este sistema en la industria.
Analizar la funcionalidad de cada lazo de control aplicado al proceso junto a la
viabilidad de los instrumentos que lo conforman.
Identificar cada instrumento del diagrama y emparejarlos con dispositivos
comerciales usados en la industria.
3. MARCO TEÓRICO:
P&ID:
Como su propio nombre indica, un P&ID es un diagrama donde se representan, las líneas, instrumentos, actuadores y equipos del proyecto; en los P&ID se indica los diámetros nominales, rating, nombres de los equipos, materiales, fluidos, se representa parte de la lógica de control…etc.
PLANO DE SIMBOLOGÍA DE UN P&ID En los primeros P&ID se suele representar la simbología y códigos que se utilizarán para representar los equipos.
Aunque cada plano de simbología de cada proyecto tiene sus peculiaridades en general casi todos siguen las normas establecidas por la ISA. (Ver ISA-5.1). Ejemplos de información que se pueden encontrar en los planos de simbología:
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Figura 1: Tipos de líneas y sus interperetaciones
Figura 2: Representación y simbología de algunos equipos
REPRESENTACIÓN DE INSTRUMENTACIÓN Y EQUIPOS EN P&ID Decíamos al principio del artículo que en estos diagramas entre otras cosas se representará la instrumentación del proyecto.
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A continuación, vamos a ver algunos ejemplos de representación de instrumentos: Indicadores locales en P&ID Los indicadores locales nos permitirán ver los valores medidos en los propios equipos y en las líneas de proceso. Estos instrumentos serán muy útiles para el personal de mantenimiento y producción.
Tabla 1: Indicadores locales en P&ID
Transmisores en P&ID Estos instrumentos enviarán el valor medido a equipos remotos, permitiéndonos controlar y supervisar el proceso. En estos equipos normalmente se puede especificar una indicación local de la medida, por lo que además de enviar la señal, permitirían ver el valor medido de forma local.
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Tabla 2: Representación de transmisores en P&ID
Switches en P&ID Son interruptores que enviarán una señal digital cuando la variable medida llegue a un valor determinado. Los switches pueden disparar por alto o por bajo nivel.
Tabla 3: Representación de switches en P&ID
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Válvulas en P&ID Además de la instrumentación, en los P&ID se representarán las válvulas de control y válvulas manuales. Estos equipos nos permitirán regular el flujo de las líneas de proceso. Vamos a ver a continuación algunos ejemplos de representación:
Tabla 4: Representación de válvulas en P&ID
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Tabla 5: Posicionadores en P&ID
Otros equipos y accesorios en P&ID
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Tabla 6: Otros equipos utilizados en P&ID
4. ANTECEDENTES:
Planta de tratamiento de agua residual:
Las plantas de tratamiento de agua residual se dividen en de acuerdo al tipo de agua
que procesan que pueden ser: de alcantarillado, agua de desperdicio industrial o de
agricultura.
Las etapas de filtrado de este tipo de plantas son:
Separación de aceite-agua.
Clarificador para remover sólidos.
Aeración para la oxigenación del agua que ayuda a la degradación del
nitrógeno y del fósforo entre otros agentes químicos que promueven el
crecimiento de bacterias.
Filtración con carbón.
Electrodiálisis reversa.
El objetivo de las plantas de tratamiento de aguas residuales es el preparar el agua de
forma que sea segura para ser liberada en un ecosistema, los riesgos que presenta el
agua residual al ambiente son los siguientes:
Extinción de la fauna marítima.
Generación de gases nocivos para la fauna terrestre.
Retos de diseño en la planta de tratamiento de datos residuales:
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Dos de los tratamientos de agua más complicados de controlar son el BNR (Biological
Nitrogen Removal) y la cloración. Esto se debe a la cantidad de factores que influyen y
que se deben controlar en este tipo de procesos, lo que dificulta el uso de técnicas de
diseño estándar.
Figura 3: Planta de tratamiento de agua.
En el tratamiento de agua a gran escala uno de los grandes factores que dificultan el
proceso de control es el uso de instrumentos de medición y elementos finales
sobredimensionados, esta es una práctica común que se debe a la gran variación de
flujo de agua entre horas de trabajo diurnas y horas de trabajo secas, por lo que el
equipo se diseña para trabajar adecuadamente en los eventos con mayor caudal de
agua. Este tipo de diseño es susceptible a mal funcionar en las horas de trabajo secas
ya que la velocidad de flujo baja obligando a los instrumentos de medición a trabajar a
bajas escalas, lo que compromete la precisión. Del mismo modo los elementos finales
se alteran, por ejemplo la válvulas trabajan en valores cercanos al punto de cierre lo
que causa atascamientos y además los motores trabajan a velocidades bajas causando
sobrecalentamientos y reducción en la vida útil.
Característica de las válvulas en zonas de trabajo cercanas al punto de cierre:
Controlar válvulas mariposa en posiciones cerca del punto de cierre es bastante
problemático.
La característica inherente de la válvula cercana al punto de cierre es casi lineal, lo que
hace que la ganancia del lazo de realimentación se aleje de 0,5 (amortiguamiento de
cuarto de amplitud) que en consecuencia hace que el sistema sea inestable.
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Figura 4: Característica flujo-recorrido de varios tipos de válvulas.
Segundamente los actuadores eléctricos comercialmente disponibles sufren de un
exceso de histéresis (muchas veces por encima del 10%) debido a la fricción del
mecanismo, sobrecalentamiento del motor y desgaste de engranes.
Todo esto combinado generado una respuesta indeseada en el actuador y aunque
existen varias soluciones comerciales, están tienden a ser costosas y difíciles de
conseguir.
Funcionamiento del sistema de remoción biológica de nitrógeno:
El sistema comienza con turbinas de aire que alimentan una tubería principal, esta
pasa a alimentar tuberías se secundarias, en las cuales existen sensores y reguladores
tanto de presión como de caudal, estas tuberías pasan a alimentar a cada tanque de
aeración que posea la planta, dentro de estos tanques se mide el porcentaje de
oxígeno disuelto en el agua con el objetivo que este sea el óptimo para que el agua
pase a la siguiente área de filtrado. Se debe tener en cuenta que cada tanque tendrá
un porcentaje de oxígeno diferente por lo que necesitará un flujo distinto. También
hay que recordar que la oxigenación dentro de cada tanque necesita ser distribuida,
por lo que generalmente se utiliza más de un difusor dependiendo de la geometría del
tanque.
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Figura 5: Diagrama P&ID del proceso.
Se reconoce claramente los tanques de aeración que tienen difusores de aire en el
fondo, cada uno de ellos es suministrado por una tubería secundaria con sus
respectivos controladores y actuadores, a su vez estas están conectadas a la tubería
principal que es suministrada por la turbina de aire, que no aparece en el diagrama.
Se reconocen 3 lazos principales en el diagrama, los que se detallaran más adelante en
el informe:
Lazo de control de la válvula principal basado en el análisis de la concentración total
de oxígeno en los 3 tanques.
Lazo de control de flujo para cada línea de alimentación de tanque.
Un lazo de realimentación que mide el flujo máximo de las tuberías secundarias
para regular el flujo primario.
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5. ACTUALIZACIÓN DE DATOS DE LOS EQUIPOS:
DISPOSITIVO Transmisor indicador de caudal
MARCA: Mettler Toledo
PROYECTO: 1
LAZO: 3461A
ÁREA: XXX
PLANO: 1
ESPECIFICACIONES:
Tabla 7: Transmisor indicador de caudal
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DISPOSITIVO Elemento primario de flujo - Venturi
MARCA: Dwyer
PROYECTO: 1
LAZO: 3461A
ÁREA: 101
PLANO: 1
ESPECIFICACIONES:
Tabla 8: Elemento primario de flujo - Venturi
Instrumentación industrial mecánica
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DISPOSITIVO Indicador/controlador de posición de válvula
MARCA: Sico UK
PROYECTO: 1
LAZO: 3461A
ÁREA: 101
PLANO: 1
ESPECIFICACIONES:
111 Tabla 9: Indicador/controlador de posición de válvula
Instrumentación industrial mecánica
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DISPOSITIVO Transmisor de posición.
MARCA: Fisher
PROYECTO: 1
LAZO: 3461A
ÁREA: 101
PLANO: 1
ESPECIFICACIONES:
Tabla 10: Transmisor de posición
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DISPOSITIVO Controlador/indicador de flujo.
MARCA: Dwyer
PROYECTO: 1
LAZO: 3461A
ÁREA: 101
PLANO: 1
ESPECIFICACIONES:
Tabla 11: Controlador/indicador de flujo.
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DISPOSITIVO Válvula de mariposa accionada por motor
MARCA: Valworx
PROYECTO: 1
LAZO: 3461A
ÁREA: Varias
PLANO: 1
ESPECIFICACIONES:
Tabla 12: Válvula de mariposa accionada por motor
Instrumentación industrial mecánica
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DISPOSITIVO Elemento primario de flujo/Indicador de flujo.
MARCA: Dwyer
PROYECTO: 1
LAZO: 3461A
ÁREA: 102
PLANO: 1
ESPECIFICACIONES:
Tabla 13: Elemento primario de flujo/Indicador de flujo
Instrumentación industrial mecánica
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DISPOSITIVO Analizador de oxígeno disuelto
MARCA: Yokogawa
PROYECTO: 1
LAZO: 3461A
ÁREA: 202
PLANO: 1
ESPECIFICACIONES:
Instrumentación industrial mecánica
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Tabla 14: Analizador de oxígeno disuelto
DISPOSITIVO Transmisor de indicación de análisis
MARCA: Emerson Process
PROYECTO: 1
LAZO: 3461A
ÁREA: 201
PLANO: 1
ESPECIFICACIONES:
Tabla 15: Transmisor de indicación de análisis
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DISPOSITIVO Elemento primario de análisis de oxígeno disuelto.
MARCA: Vernier
PROYECTO: 1
LAZO: 3461A
ÁREA: 201
PLANO: 1
ESPECIFICACIONES:
Tabla 16: Elemento primario de análisis de oxígeno disuelto.
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DISPOSITIVO Computador de flujo por radiocontrol
MARCA: Emerson Process
PROYECTO: 1
LAZO: 3461D
ÁREA: 101
PLANO: 1
ESPECIFICACIONES:
Instrumentación industrial mecánica
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Tabla 17: Computador de flujo por radiocontrol
NOTA: Es importante que el dispositivo posea protocolos de comunicación por radio
control ya que los mismos serán ubicados en las cercanías de los tanques, a grandes
alturas sobre el suelo por lo que la comunicación por cable sería ineficiente.
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DISPOSITIVO Indicador de posición.
MARCA: Sico
PROYECTO: 1
LAZO: 3441
ÁREA: 101,201
PLANO: 1
ESPECIFICACIONES:
Tabla 18: Indicador de posición digital.
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DISPOSITIVO Programador Lógico Controlable PLC-111
MARCA: Siemens
PROYECTO: 1
LAZO: 3441
ÁREA: 101
PLANO: 1
ESPECIFICACIONES:
Tabla 19: PLC 111
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Nota: Como mejora en el diagrama P&ID se implementó un PLC en vez de la combinación de
dispositivos HSS y AIC con el fin de que la lectura de todas las variables sea en tiempo real y no
mediante un switch
6. DESCRIPCIÓN DE LAZOS Lazo 3441: Entrada principal de flujo de aire
Objetivo:
Control de flujo y presión de aire en la válvula principal del sistema para su posterior
distribución a cada una de las ramificaciones hacia los tanques.
Elementos que componen el lazo 3441
• FE-3441
• FIT-3441
• FIC-3441
• ZI-3441
• ZIC-3441
• ZT-3441
• AIC-3441
• FY-3441
• Válvula de mariposa accionada por un motor
Descripción:
El aire entra a través del venturimetro FIT-3441 encargado de enviar los datos de
velocidad y presión del aire al controlador indicador de flujo FIC-3441, el cual además
recibe la los datos del AIC-3441, para conjuntamente ser analizados y así poder
controlar posición del motor que acciona la válvula mariposa, permitiendo que exista
el flujo de aire a través de ella.
Además el FIC-3441 envía el valor calculado de flujo de aire, hacia el computador de
flujo quien analiza y envía dicho valor al ZIC-3461, el cual realiza su respectivo cálculo
y análisis.
Lazo 3461: Análisis de los sensores de O.D. en cada tanque
Objetivo:
Analizar los sensores de oxígeno disuelto de cada tanque para posteriormente enviar
los datos al lazo 3441 (control de la válvula principal).
Elementos de Componen el Lazo 3461
• HSS - 3461
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• ZY – 3461
• ZIC – 3461
Descripción:
Toma los valores de cada uno de los sensores de oxígeno disuelto, que se encuentran
en cada tanque, para después ser analizados en el HSS-3461, para posteriormente
enviar una señal de prendido o apagado al AIC–3461 quien se encarga de mandar la
señal de control a la válvula principal y así permitir el ingreso de aire al sistema.
También se encarga de tomar los datos del ZT, (transmisor de posición) de las válvulas
mariposa accionada mediante un motor de cada tanque, los cuales son analizados en
ZY-3461, para seguidamente ser enviados al ZIC-3461, el cual también recibe la señal
de FY-3441, y conjuntamente son analizadas para así realizar el control individual del
flujo de aire en cada lazo.
Lazo 3461B: Control del flujo de aire al tanque 3201B
Objetivo:
Realizar el control individual de flujo de aire enviado hacia el tanque 3201B mediante
el análisis de oxígeno disuelto en el tanque anteriormente mencionado.
Elementos de Componen el Lazo 3461B
• FE-3461B
• FIT-3461B
• FIC-3461B
• ZIC-3461B
• ZT-3461B
• FY-3461B
• FE/FI-3461B
• Válvula de mariposa accionada por un motor (3461B)
Descripción:
El venturimetro FE-3461B recibe el flujo de aire de uno de los ramales y envía los
valores de presión y velocidad por medio del FIT-3461B, hacia el controlador indicador
de flujo FIC-3461B, quien también recibe datos comparativos del computador de flujo
FY-3461B, para en el ser analizados conjuntamente y poder enviar la señal requerida
por el controlador indicador de posición y para poder controlar el motor que acciona la
válvula de mariposa 3461B para enviar el flujo necesario de aire requerido por el
tanque.
El lazo en mención también transmite la posición del motor que acciona la válvula de
mariposa, hacia el ZT-3461B quien realiza su análisis.
Instrumentación industrial mecánica
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Otra de las funciones de este lazo es dividir el flujo de aire que pasa por la válvula de
mariposa, en dos canales los cuales cuentan con dos Venturi metros conectados a dos
válvulas manuales, con el objetivo de distribuir el aire en todo el tanque para que el
oxígeno cumpla con su función de purificar el agua de forma equilibrada.
Lazos 3461C y 3461D
Estos lazos cuentan con el mismo funcionamiento que el antes mencionado lazo
3461B, en los tanques 3201C y 3201D respectivamente.
Se realiza el control individual de cada tanque, porque cada uno de ellos posee un tipo
distinto de agua, con una concentración propia de impurezas, es por esto que
requieren cantidades distintas de aire para su purificación.
Lazo 3461A: Control del flujo de aire al tanque 3201A
Objetivo:
Realizar el control de flujo de aire enviado hacia el tanque 3201A mediante el análisis
de oxígeno disuelto en el tanque anteriormente mencionado.
Elementos de Componen el Lazo 3461B
• FE-3461A
• FIT-3461A
• FIC-3461A
• ZI-3461A
• ZT-3461A
• FY-3461A
• FE/FI-3461A
• AIC-3461A
• HSS-3461A
• AI-3461A
• AIT-3461A
• AE-3461A
• Válvula de mariposa accionada por un motor (3461B)
Descripción:
El venturimetro FE-3461A recibe el flujo de aire de uno de los ramales y envía los
valores de presión y velocidad por medio del FIT-3461A, hacia el controlador indicador
de flujo FIC-3461A, quien también recibe datos comparativos del controlador de D.O,
para ser analizados conjuntamente y poder enviar la señal requerida por el controlador
indicador de posición y para poder controlar el motor que acciona la válvula de
mariposa 3461B para enviar el flujo necesario de aire requerido por el tanque.
Instrumentación industrial mecánica
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El lazo en mención también transmite la posición del motor que acciona la válvula de
mariposa, hacia el ZT-3461A quien realiza su análisis.
Otra de las funciones de este lazo es dividir el flujo de aire que pasa por la válvula de
mariposa, en dos canales los cuales cuentan con dos Venturi metros conectados a dos
válvulas manuales, con el objetivo de distribuir el aire en todo el tanque para que el
oxígeno cumpla con su función de purificar el agua de forma equilibrada.
Además tiene dos sensores de O.D. AE-3461A distribuidos de tal manera que realicen
un análisis distribuido del tanque, datos que serán analizados por el HSS-3461A quien
envía su respuesta al AIC-3461A para cerrar el ciclo de análisis.
7. CONCLUSIONES:
El proceso descrito en este diagrama P&ID es el de un sistema de control de
tanques de aeración para una planta de tratamiento de aguas residuales, el
comienzo del diagrama se da en una turbina de aire que alimenta una tubería
principal de entrada de aire que a su vez alimenta tuberías secundarias que
van a cada uno de los tanques de la planta, los cuales cabe recalcar que son de
grandes proporciones, el aire se distribuye dentro del tanque a través de
salidas distribuidas en la sección transversal inferior del mismo, esto con el
objetivo de que el aire barra todo el volumen de agua.
Este proceso de aeración tiene como objetivo el eliminar materiales químicos
con repercusiones peligrosas para el medio ambiente antes de que el agua
residual sea descartada en el mar. Estos materiales nocivos son principalmente
el nitrógeno y el fósforo ya que al estar en la naturaleza generan la
proliferación de bacterias nocivas para la fauna y flora del ecosistema.
Es importante recalcar que cada tanque no va a tener el mismo tipo de agua
que los demás, por lo que el sistema de control es independiente para cada
tubería con lo que se consigue una optimización de recursos energéticos, al
mismo tiempo que suministrar la cantidad de oxígeno necesaria para la
purificación del agua.
Este diagrama P&ID se puede realizar con instrumentos comerciales, el sistema
se basa en tubos Venturi para la medición del flujo en cada tubería, válvulas
mariposa accionadas por motor para el control de flujo y medidores del
porcentaje de oxígeno disuelto para el control de cada tanque.
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8. RECOMENDACIONES:
Se recomiendo el uso de un PLC en el lazo de control principal 3461 en vez del
controlador indicador de análisis en acople con el interruptor de seguridad ya
que se está manejando una medición de oxígeno disuelto en varios tanques de
aeración al mismo tiempo y este acople solo permite una medición a la vez,
teniendo que conmutar las entradas para proveer una lectura completa, por lo
que la alta densidad de puertos que brinda un PLC sería una solución viable
para esta situación
9. BIBLIOGRAFÍA:
Hojas de datos de cada equipo:
http://controlsystem-design.com/bnr-oxygen-control/dissolve-oxygen-control-bnr/
http://es.mt.com/dam/mt_ext_files/Editorial/Generic/2/OM-THOR-
M300_FLOW_Editorial-
Generic_1191596317249_files/ba_transmitter_m300flowsp52121400sept08.pdf
http://www.dwyer-inst.com/Product/Flow/Flowmeters/Venturi/SeriesVFLO#specs
https://www.siko-global.com/en-us/products/positionline-position-
indicators/electronic-digital-position-indicators/ap10
http://www.documentation.emersonprocess.com/groups/public/documents/bulletins
/d200357x012.pdf
http://www.dwyer-inst.com/Product/Flow/FlowIndicators-
Controllers/SeriesMPM#specs
http://cdn.valworx.com/downloads/datasheets/valworx/5652.pdf
http://www.yokogawa.com/an/do402g/an-do402g-01en.htm
http://www2.emersonprocess.com/en-
US/brands/rosemountanalytical/Liquid/Instruments/1066/Pages/index.aspx
http://www.vernier.com/files/manuals/do-bta.pdf
http://www.documentation.emersonprocess.com/groups/public/documents/specifica
tion_sheets/d301151x012.pdf
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