martes, 22 de mayo de 2007

Ingeniería Básica

Ingeniería Básica
En esta etapa del proyecto se presentan las especificaciones que van a caracterizar la solución propuesta mas efectiva, incluyéndose entonces el diagrama de flujo que describe el proceso, los materiales utilizados, los servicios disponibles en la localización, las normas que va a regir su implementación, entre otros aspectos fundamentales que van a permitir al proceso de calentamiento de combustible en los intercambiadores de calor que alimentan a las calderas de una planta termoeléctrica.


Diagrama de Flujo de Procesos (DFP)

El diagrama de flujo que permite observar un esquema del proceso de calentamiento de combustible, sus condiciones de operación normal y su control básico que sirve de guía para la elaboración de un DTI:








Diagrama de Flujo de Proceso

Diagrama de Tuberías e Instrumentación (DTI)

En el Diagrama de Tuberías e Instrumentación en donde se muestran los lazos de control y detalles del intercambiador de calor, de la válvula del flujo de vapor y las tuberías que conectan el intercambiador con la caldera:












Índice Preliminar De Instrumento

La siguiente tabla presenta las características general de los instrumentos que forman parte del Diagrama de Tuberías e Instrumentación.




Criterios de Diseño




Contenido:

Proceso que se basa en la supervisión y control de la temperatura en la salida de un intercambiador de calor para una central termoeléctrica.

General:

El proceso de combustión del Fuel-Oil en las calderas de una central termoeléctrica es de vital importancia para la producción de energía dentro de este tipo de plantas. La variable a controlar en este proceso es la temperatura del combustible, la cual debe ser lo suficientemente alta para no desperdiciar energía durante el calentamiento del Fuel-Oil en la caldera. Debido a la inconsistencia de la temperatura de entrada del combustible es necesario aplicar una acción de control que asegure un valor de referencia en la entrada de la caldera.

La solución propuesta se refiere específicamente al proceso de calentamiento del combustible justo antes de ser introducido en las calderas para su combustión, está consiste en un sistema que permite controlar, registrar y además permite indicar con una alarma cuando la temperatura del combustible de entrada ha superado el valor de validación predefinido. Para lograr el control de la temperatura del Fuel-Oil es necesaria la implementación de tecnologías que permita lograr dicho fin. La instrumentación industrial nos permite lograr estos objetivos al colocarle al proceso de precalentamiento de combustible una serie de instrumentos que permitan visualizar, indicar y controlar las variables inmersas en el proceso. Estos instrumentos son transmisores de temperaturas, indicadores y registradores, interruptores de nivel bajo, alarmas y válvulas (de tipo industrial).

Códigos, estándares y Normas:

Las normas COVENIN que rigen el proyecto son:

  • Norma Obligatoria CODIGO ELECTRICO NACIONAL. (6TA. REVISION). 200;1999;CT-11.
  • Conductores, alambres y cables para uso electrico. vocabulario. (1RA.REVISIÓN) ;553;2000;CT-11.
  • Equipos MODEM para transmisión de datos. definiciones.;3197;1995;CT-11.
  • La norma ISA S5.1 define cuatro elementos gráficos - instrumentos discretos, controles/indicadores compartidos, funciones computacionales, y controladores lógicos programables y los agrupa en tres categorias por ubicación (ubicación primaria, ubicación auxiliar y montado en campo).
  • Normas nema de protección.
  • Normas IEEE (conjunto de normas).
  • Normas ISA-S20-1981, norma que define los estándares para la elaboración de las hojas de procesos de medición y de instrumentos de control, de instrumentos primarios y de control.
  • El Código Eléctrico Nacional (Fondonorma 200:2004) establece que los materiales a prueba de explosión deben ser certificados por la autoridad competente.

Descripción del Proyecto:

El proyecto se enfoca en el estudio de una posible solución a nivel de instrumentación industrial, es decir, regir este proyecto bajo las normas y códigos necesarios para la implementación del mismo a nivel laboral. Lo que permite la colocación de los dispositivos necesarios que controlan la temperatura del combustible. El sistema de control implementado es un sistema de lazo cerrado simple formado por:
- Un sensor-transmisor de temperatura, el cual permite sensar la temperatura del combustible precalentado en el intercambiador de calor.
- Un registrador de temperatura, que como su nombre lo indica permite mantener un registro de la variable sensada.
- Un interruptor de baja temperatura que permite detectar cuando los valores de temperatura del Fuel-Oil sea menor al valor deseado, y se esa manera cierra el circuito y activa una alarma indicando el desperfecto.
- Una válvula con actuador neumático, la cual controla la cantidad de vapor de agua que permite mantener la temperatura del combustible en el valor deseado.

En el intercambiador de calor se vierten dos sustancias: el Fuel-Oil cuya temperatura representa la variable controlada y el vapor de agua cuyo flujo representa la variable manipulada del proceso. A la salida del intercambiador de calor se obtiene el combustible precalentado que representa el producto de alimentación de las calderas, en este punto se coloca un transmisor de temperatura que permita sensar la temperatura del mismo y enviar por medio de una señal neumática a un registrador, a través del cual se mantendrá un registro de los cambios que ha sufrido la variable controlada. Al mismo tiempo esta señal es transmitida a un Controlador Indicador de Temperatura que tiene la función de controlar la válvula que inyecta el vapor de agua en el intercambiador. Dependiendo del valor de temperatura en el transmisor se procede a manipular la apertura y/o el cierre de la válvula; si el valor de temperatura es el adecuado (se encuentra en un rango mayor o igual al valor de referencia) se procede a cerrar la válvula, si es el caso contrario (el valor de temperatura del combustible es menor) se procede a abrir la válvula y a su vez se activa una señal de alarma, la cual es controlada por un interruptor de nivel bajo de temperatura.

Servicios disponibles:

Para la implementación de cualquier proceso es necesario estar concientes de los servicios que brinda la localización, de tal manera que se pueda asegurar una correcta implementación del proyecto.

  • Energía Eléctrica: Es fundamental para la implementación de la solución, ya que, es la base de alimentación de todos los dispositivos electrónicos utilizados y sin esta, no es posible el control del proceso. En la Planta debe existir una unidad generadora alterna con la finalidad de mantener constante la energía cuando resulten fallas en el tendido eléctrico externo.
  • Agua: El vital líquido no es menos importante que el Fuel-Oil, ya que, esta se calienta hasta convertirse en vapor de agua, de esa manera esta preparado para ser inyectado en el serpentín del intercambiador en donde calienta el combustible por medio de convección. Una vez terminado el proceso de intercambio de calor, es depositado en un tanque en estado líquido para ser nuevamente introducido al intercambiador e iniciar un nuevo ciclo.
  • Desperdicios o desechos: No se presentan durante el proceso, ya que, el combustible es quemado completamente y el agua se mantiene en un ciclo constante sin producir ningún tipo de desperdicios.

Localización y características del sitio de la obra:

En las centrales termoeléctricas el área de intercambiadores de calor se encuentra antes y muy cerca del área de calderas, ya que, si se encuentran muy lejos de las calderas las perdidas en la temperatura del combustible se incrementara proporcionalmente a la distancia que los separan. Esta área debe tener un alto nivel de seguridad cumpliendo con todas las normas pertinentes en el área de centrales termoeléctricas y más aún en esta área donde se encuentra una sustancia que puede ser explosiva. Es por ello, que estas áreas están construidas bajo normas de edificación con respecto a la escala de Richter llevándolo a su máximo nivel de 10.
Es vital mantener un control de la humedad, manteniendo sus niveles dentro de un rango normal, para así evitar cualquier daño en muros y uniones metálicas y el efecto de corrosión en los tubos del proceso.

Especificaciones Particulares:

Los sistemas de unidades a utilizar son los siguientes:

  • El sistema Ingles o Anglosajón
  • El sistema métrico internacional

Clasificación de áreas

Un área clasificada se define como tal, sí existe un potencial riesgo temporal o permanente para la generación de un incendio o explosión, debido a la presencia en el ambiente de materiales combustibles o mezclas de gases, vapores, líquidos, partículas o fibras que puedan causar una ignición. Estos peligros pueden estar presentes durante los procesos normales de fabricación y/o almacenaje, o en caso de ruptura o avería accidental de los contenedores de almacenaje u operación anormal de los equipos.

El área peligrosa debe definirse especificando tres características: Clase ( I, II ó III); División (1 ó 2) y Grupo (A, B, C, D, E, F ó G). La Clase indica la naturaleza genérica del material inflamable:

Clase I: Donde puede haber presencia de gases o vapores inflamables mezclados en el aire en cantidades suficientes para producir mezclas explosivas o combustibles.

Grupo D: Gasolina, propano, butano, metano (gas natural), acetona, amoníaco, entre otros. Este es el grupo más numeroso.

La División señala la probabilidad de que el material peligroso se encuentre en concentraciones inflamables:

División 2: Área que puede ser peligrosa bajo condiciones anormales o accidentales. Por ejemplo por rotura de recipientes, fallas de equipos o paso de material inflamable desde un área División 1. Además la División 2 cubre las áreas en donde los gases inflamables, vapores o los líquidos volátiles se manejan en un sistema cerrado, es decir se confinan dentro de recintos adecuados. También donde las concentraciones peligrosas son prevenidas normalmente por ventilación mecánica. Se considera división 2 puesto que cualquier ruptura en las tuberías que transporta el combustible puede ocasionar una situación de peligro en el área de proceso.

La instalación eléctrica en un área clasificada debe eliminar el riesgo de inflamación o explosión. Existen para ello varias metodologías: previniendo la ignición (seguridad aumentada, seguridad intrínseca, uso de atmósferas inertes) o permitiendo ésta pero conteniéndola (equipos a prueba de explosión).

Los equipos a prueba de explosión no son herméticos, está previsto que los gases ingresen al mismo y se inflamen si existe en el interior de éste una fuente de energía. El equipo debe contener la explosión sin deformarse, y permitiendo la salida de los gases calientes a través de juntas de tolerancias controladas de manera que estos se enfríen por debajo de su punto de ignición antes de alcanzar la atmósfera externa.


Criterios generales de diseño:

  • Criterios de seguridad: Los criterios utilizados en este proyecto se basan en normas y leyes que rigen el uso y manejo de combustible en áreas cerradas donde exista un peligro de explosión; mas aún cuando las tuberías del proceso están en contacto directo con elementos abrasivos (el combustible precalentado), lo que las hace susceptible al proceso de oxidación que puede provocar perdidas en la misma.
  • Conductores: Las instalaciones eléctricas tienen que cumplir con normativas que eviten el riesgo de chispas que sean el punto de ignición de cualquier incendio u explosión. Estos criterios están basados en los siguientes postulados:
    El Código Eléctrico Nacional (Fondonorma 200:2004) establece en su sección 500, los aspectos que deben cumplirse en la instalación de equipos eléctricos en áreas clasificadas. Allí se indica el tipo de canalización, cableado, uso de sellos cortafuego, equipos y otros aspectos relevantes al diseño.
    La Norma Internacional NEMA RN1-1989 y la Norma INDESA de envejecimiento ASTMD-4329 para las instalaciones de las tuberías y tanques de nuestro proceso.
  • Instrumentación electrónica: Los instrumentos electrónicos que forman parte del proyecto deben poseer ciertas características, para que puedan cumplir un desempeño apropiado:
  1. El transmisor de temperatura utilizado es de alto rendimiento, es decir, que soporte las altas temperaturas del proceso de precalentamiento en el intercambiador, adicionalmente se considera un transmisor del tipo neumático, puesto que los valores resultantes de la medida se obtienen en psi.
  2. En cuanto al registrador puede poseer una tasa de muestreo baja, debido a la naturaleza lenta de la variable medida (temperatura).
  3. El interruptor de nivel bajo de temperatura posee una señal de entrada neumática y su conmutación permite la activación de una alarma eléctrica.
  • Instrumentación neumática: El actuador de la válvula que controla la cantidad de vapor de agua que se vierte en los serpentines del intercambiador de calor es del tipo neumático al recibir la señal transmitida por el sensor de temperatura.
  • Canalización: Se refiere al tubo capilar para la medición de temperatura, las canalizaciones de las señales eléctricas transmitidas para su protección.

Criterios para Selección de Instrumentos

  • Transmisor: El transmisor de temperatura de tener robustez, la cual le permita soportar las condiciones de alta temperatura que debe medir en el intercambiador de calor. Tiene las siguientes características:
  1. Sensor neumático
  2. Instrumento autoalimentado.
  • Registrador: Debe presentar un tiempo de adquisición relativamente bajo, puesto que la variable leída, en este caso la temperatura tiene una tasa de cambio relativamente lenta. Tener en cuenta este aspecto es muy importante, puesto que repercute directamente en presupuesto del sistema instalado.
  • Controlador Indicador: El instrumento seleccionado es de campo, posee las siguientes especificaciones:
  1. Control de temperatura.
  2. Función de control PID.
  3. Tablero indicador.
  • Válvula: La válvula tiene posición de normalmente cerrada, y soporta temperaturas mayores a los 100 ºC, que es la temperatura de ebullición del agua.
  • Cables: Se utiliza cables de alimentación de corriente estándares con un diámetro máximo de conductor de 2,5 mm2.

Especificaciones generales del instrumento

Las características generales de los instrumentos que forman parte del proyecto, se escriben en la siguiente tabla:




Información Adicional de los Instrumentos y Equipos

Transmisor de Temperatura TTF300: Es un aparato de campo apto para la comunicación, dotado de un sistema electrónico controlado por microprocesador. Para la comunicación bidireccional se sobrepone a la señal de salida de 4 mA a 20 mA una señal FSK según el protocolo HART. Las cuatro teclas de control sirven para poder realizar una configuración local. La conexión eléctrica del indicador LCD al convertidor de medición se realiza mediante un cable de cinta de 6 polos con conectadores enchufables. El montaje de este transmisor se muestra en siguiente figura:

COMMANDER C310: Es un controlador de lazo simple para montaje en campo, con plena funcionabilidad PID y doble salida Calentamiento/ Enfriamiento. Control PID con Calentamiento/ Enfriamiento 2 entradas Universales+ 4 salidas digitales 2 salidas analógicas (4- 20 mA) + 4 salidas a relé. Capacidad de Rampa/ MesetaCaja NEMA 4X (IP66), aprobación eléctrica FM Clase 1 Div 2Salida de comunicación Opcional RS485/Modbus para SCADA, PLC, y sistemas abiertos. Puede configurarse también a través del software de configuración.


Electroválvula para Vapor de Agua: Es una válvula para vapor y fluidos a altas temperaturas (máximo 180ºC), el rango de la presión diferencial es de 0 a 10 bares. Es de alta fiabilidad y resistente a la corrosión.



Registrador electrónico de temperatura de hasta 4 canales, norma EN 12830: Es de fácil utilización y posee las siguientes características:

  • Visualización permanente y secuencial de las temperaturas de las 4 sondas.
  • Intervalo de registro cada 15 minutos.
  • Almacena en memoria hasta 10 semanas.
  • Gráficas con escala autoajustable de las curvas.
  • Gráficas semanales de Lunes a Domingo ambos incluidos.
  • Pulsando un simple botón saca las gráficas de la última semana completa.Autonomía propia con baterías autorrecargables






Interruptor de Control y Alarma de Temperatura K8AB-TH: Combina función de la alarma de temperatura con un sencillo control ON/OFF de la misma, en un reducido formato de tan sólo 22’5 mm., que permite montaje sobre carril DIN o directamente sobre panel. Además, es multi-entrada, válida tanto para Termopares como para Pt100, cubriendo un rango de temperatura de 0 a 1.700ºC. Este relé es de fácil configuración “in situ”. El ajuste del umbral de alarma se realiza mediante interruptores rotativos situados en el frontal, por lo que la consigna de alarma se puede visualizar en cualquier momento. Además, dispone de LEDs indicadores para comprobar su estado con un simple vistazo.

Hojas de Datos de los Instrumentos

En las hojas de datos se muestran información detallada de los instrumentos que forman parte del sistema de automatización del proceso de precalentamiento de combustible en las plantas termoeléctricas. Las especificaciones para las hojas de datos se rigen por la norma ISA-20-1981.



Cálculo y Dimensionamiento de Equipos

Los equipos que forman parte del sistema de automatización que se describe en este proyecto, deben cumplir con ciertas dimensiones para que se adapten al sitio de instalación.

  • Registrador de temperatura: La carcasa del equipo tiene las siguientes medidas: 25cm de largo, 20 cm de alto y 8cm de ancho. Se coloca en el gabinete de protección del controlador de temperatura debajo del mismo a una distancia de 10 cm.
  • Interruptor de Baja Temperatura y Alarma: Tiene un formato de 2,5 cm de ancho, 25 cm de alto y 25cm de ancho. Se coloca en un gabinete de protección abierto para permitir la visualización de los led’s de alarmas. Especificaciones Generales y Dimensionamiento de Equipos, Paneles o Sistema de Control.
  • Controlador de temperatura: El controlador de temperatura que se utiliza en el proyecto tiene un función PID, la sección D (derivativa) permite disminuir el tiempo de respuesta, la sección I representa la acción integrativa, la cual se encarga que el error sea igual a cero y la P es la acción proporcional. Por ser un controlador PID, se rige por la siguiente fórmula: En cuanto a las dimensiones físicas, la caja de protección es de aproximadamente: 20 cm de largo, 15 cm de alto y 5 cm de ancho. Se coloca dentro de un gabinete en el área de proceso, el cual tiene unas medidas de 40cmx60cmx20cm a una distancia de 1 m aproximadamente del transmisor de temperatura.
  • Válvula de vapor: La válvula es de 2’’ y es elaborada con un material que debe superar los 100 ºC de temperatura, puesto que este valor es el punto de ebullición del agua. Debe ser colocada como parte del tubo de conducción del gas, ocupa alrededor de 15cm de la extensión del tubo.
  • Transmisor de temperatura: El instrumento de sensado se encuentra separado del sistema de transmisión. Del montaje del sistema de sensado:


Partes:

  1. Tubo de proceso
  2. Soporte para montaje en tubo
  3. Convertidor de medición.

El tubo debe ser colocado muy cerca de la cabeza del sensor de temperatura, puede tener un diámetro máximo 2,5’’. Este es fijado a través de dos abrazaderas de tubo que de 10 mm.
En cuanto al cableado debe haber una longitud adicional de 100 mm para cables, contada desde el borde inferior de la caja (sin racor) hasta el agujero en la zona de bornes. La longitud total de instalación (sin racor). asciende a unos 200 mm (aislamiento acortado: ~100 mm). El tipo de cable de alimentación utilizado debe tener un conductir de máximo 2,5mm2.


Hoja de Datos de Equipos y Sistema de Control

En este apartado se muestran las hojas de datos de los equipos e instrumentos que forman parte del sistema de control. Dichas hojas se rigen por la norma ISA-20-1981.









Listado de Señales

El cuadro de lista de señales especifica el tipo de señales que forman parte del Diagrama de Tuberías e Instrumentación (DTI), según las especificaciones dada por la norma ISA-S5.1.




Requisiciones de Materiales de Equipos de Largo Tiempo de Entrega


Visita Tecnica a SIDOR

La empresa Ternium es una de las principales productora de acero y materiales terminados de Latinoamérica, está formada por las siderúrgicas Hylsa de Mexico, Siderar de Argentina y Sidor de Venezuela, esta última fue el objetivo de la visita industrial, por lo que se hace una descripción de la misma que permite conocer sus objetivos, procesos de producción, entre otros aspectos relevantes.


DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA EMPRESA


La siderúrgica Ternium Sidor se ubica en el margen derecho del rio Orinoco en la zona industrial de Matanzas en el estado Bolivar, lo que le permite conectarse con el Océano Atlántico, brindándole una importante conexión para la exportación e importación. Posee diecisiete instalaciones que incluye las áreas de proceso de acero como lo son las acerías y las plantas auxiliares como lo son las de agua, cal, entre otras. La producción de acero líquido anual asciende las 4,1 millones de toneladas, con lo que se producen los productos semi-elaborados como lo son los planchones y palanquillas y los productos terminados, ya sean planos (laminados en caliente, laminados en frio y recubiertos) o largos (barras y alambrón), esta gama de productos le permite satisfacer las necesidades de una gran diversidad de industrias, tales como: la automotriz, de construcción, de fabricación de envases, de agro y de producción de electrodomésticos.


PROCESO E INSTALACIONES DE LA EMPRESA


Patio de recepción:

La fase inicial del proceso siderúrgico empieza en el patio de recepción de mineral de hierro proveniente de la empresa de extracción Ferrominera, y consiste en instalaciones subterráneas en donde se vierte la materia prima que será transportada a través de correas a dos instalaciones posibles. La primera es la planta de pellas o pellets y la otra es el patio de almacenamiento en donde se deposita el mineral hasta el momento en que se necesite.


La planta de pellas:

En esta fase al mineral Fe, se le agregan los aglomerados (cal, dolomita) y agua, para formar el producto semi-terminado de relación 70% de mineral de hierro y 30% de aglomerantes, que se conoce como pellas, estas se pueden definir como aglomerados esféricos de partículas finas de mineral de hierro mezclado con diversos aglomerantes y aditivos (caliza, dolomita, combustibles sólidos, otros), los cuales son consolidados a altas temperaturas, para alimentación de altos hornos y hornos de reducción directa. El proceso se inicia al introducir el mineral de hierro en el molino de tambor giratorio en donde se desarrolla el proceso de molienda húmeda que aplica las reducciones de tamaño del mineral. Debido a la utilización de agua para la molienda, es necesario agregar un proceso de secado, donde se elimina el agua al material, para poder agregarle los aglomerantes correspondientes para que puedan ser introducidos en los discos pelitizadores que le dan la forma esférica a las pellas.





Proceso de la planta de pellas



La planta de reducción directa:

Se desarrolla el proceso de conversión de las pellas en Hierro de Reducción Directa (HRD), este es un producto metálico obtenido de la reducción del mineral de hierro u óxidos de hierro a temperaturas inferiores a la de fusión del mismo. El proceso se inicia cuando las pellas que se encuentran en los dos silos de almacenamiento se descargan en el Reactor en donde se le inyecta el gas natural, que permite reducir la presencia de oxigeno en el material. En Sidor encontramos tres plantas de reducción directa: Midrex I, Midrex II y HyL. La primera, consiste en dos módulos de lecho fijo en donde se produce alrededor de un millón de toneladas de hierro HRD anualmente debido a las modernizaciones tecnológicas en aspectos tales como: mejoras en la alimentación eléctrica, aumento del diámetro de los tubos del reformador a 10 pulgadas e incorporación de un sistema de controladores lógicos programables. Por su parte, HyL está formada por cuatro módulos de techo móvil que aseguran la producción de HRD que alimenta a los hornos de arco eléctrico.
Las actividades del proceso pueden resumirse con la siguiente figura:



Proceso de Reducción Directa

El resultado de este proceso es el Hierro de Reducción Directa, el cual debido a su contenido de hierro es apto para ser utilizado como substituto de la chatarra en la alimentación a los procesos de aceración en hornos eléctricos.

Las acerías:

Se consideran el corazón de las plantas siderúrgicas, en esta planta encontramos seis hornos de arco eléctrico de 200 t c/u con bóveda y paneles refrigerados, y hueco de colada excéntrico por el fondo (EBT), de los cuales solo cuatro trabajan permanentemente y otros dos tienen funciones de respaldo. El primer paso consiste en la elevación de los electrodos de grafito que permite desplazar la bóveda de los hornos en donde se coloca la chatarra (20% de la carga aproximadamente), luego se regresa la bóveda a su posición anterior para bajar los electrodos y conectar la energía eléctrica que genera el arco eléctrico entre los electrodos y la carga metálica, produciéndose así el calor suficiente para fundir la chatarra.
Una vez fundido aproximadamente la mitad de la carga de chatarra se procede a la inyección de HRD hasta completar la carga del horno. Obteniéndose finalmente el acero líquido con solo 2% de carbono que es vertido en los moldes de las maquinas de Colada Continua en donde se solidifica para formar dos productos semi-elaborados: los planchones y las palanquillas.
Nota: La medida de temperatura en los Hornos, se realiza a través de una lanza termométrica, la cual es lanzada dentro de la colada en donde detecta el valor de temperatura que es procesado en la sala de control. Es desechable, es decir, que después de obtener la medida no puede ser reutilizado.


La acería de planchones:
Está formada por los hornos de recalentamiento de vigas galopante, en donde se introducen los planchones para ser llevados a temperaturas de laminación de alrededor de 1250 ºC. Una vez calentados son transportados al Descamador en donde a través de la inyección de agua a alta presión se remueven las cascarillas de oxido, eliminando de esa manera los pequeños defectos superficiales que pueden dañar los cilindros de laminación.
Una vez los planchones salen del descamador, son introducidos en el Tren Debastador constituido por un bastidor de cuatro en alto reversible, que permite reducir el espesor del planchón a valores alrededor de los 24mm a 30mm. Este planchón recibe el nombre de debaste y el producto de alimentación del Tren de Laminación en Caliente, el cual está constituido por seis bastidores de cuatro en alto cada uno, en este equipo se transforman los planchones en bandas de ancho, espesor, calidad superficial, planeza y características mecánicas definidas.
Al salir del último bastidor, la banda pasa por un sistema de enfriamiento laminar con duchas de agua. La forma y propiedades mecánicas de la banda son controladas, ajustando el flujo del agua. Una vez fríos las bandas pasan a través de los Enrolladores, donde se envuelven alrededor de un mandril, para posteriormente ser flejados e identificados. Sin embargo, las bandas ya producidas pueden ser sometidas a deformación a temperatura ambiente lo que se conoce como Laminación en Frío, en donde se reduce el espesor de la misma y se obtienen las Bobinas Laminadas en Frío (LAF). Estas a su vez pueden ser entregadas al mercado como crudas (Full Hard), o continuar su procesamiento en los Hornos de Recocido y en los Trenes de Laminación de Temple, con el objetivo de modificar sus características metalúrgicas, mecánicas y, muy ligeramente, las geométricas.
El proceso de la empresa puede resumirse en la siguiente
figura:





Proceso de productos planos


La acería de palanquillas:

Se encarga de transformar las palanquillas en productos terminados: rollos de alambrón y barras con resalte (cabillas). Primero se procede a introducir las palanquillas en los hornos de recalentamiento en donde son llevadas a temperatura de laminación. Este tratamiento permite a través del proceso de oxidación eliminar los desperfectos superficiales que puedan presentar y ablandarlas para ser reducidas por los Laminadores de Alambrón y de Barras. Posteriormente se introduce en el formador de espiras donde se le da la forma característica de los rollos de alambrón, que suelen tener un peso de alrededor de 2000 Kg y un diámetro de 9mm. Estos rollos de alambrones son utilizados por las industrias para hacer productos más pequeños, tales como tornillos, tuercas, etc.

Proceso de productos largos


La planta de materia prima secundaria
En este espacio se recibe y clasifica la chatarra que posteriormente será llevada a los hornos como materias prima secundaria en el proceso de fundición. La chatarra pueden ser: rines, partes de electrodomésticos, entre otros productos elaborados con acero.

La sala de control
En este recinto se encuentra el operador que se encarga de supervisar que el proceso determinado se cumpla debidamente, verificando que el producto final contenga las especificaciones requeridas por los sistemas de calidad. En caso de encontrarse un producto defectuoso (planchones, palanquillas, etc.) es devuelto al proceso de fundición.

Los espacios de almacenamiento
Cada planta posee un espacio en donde almacena sus productos resultantes para ser protegidos y ordenados para su posterior despacho a la empresa compradora. Es importante recalcar que todo material procesado en Ternium Sidor es identificado con información relativa a la calidad del material y el uso. Además son embalados según el tipo de material, transporte y usuario.

Muelle

Es un área de 30.000 m2 bajo techo, distribuidos en 10 naves de 3.000 m2 cada una. Las naves tienen una grúa puente con capacidad de 25 t, un gancho para utilizar diferentes equipos de izaje que garantizan la movilización de 120.000 t. Adicionalmente, posee áreas de almacenamiento de productos siderúrgicos en espacios abiertos con capacidad aproximada de 7.000 m2.


PRODUCTOS


Ternium Sidor brinda a sus clientes: productos terminados y semi-elaborados, estos últimos se refiere a aquellos materiales solidificados en formas aptas para su procesamiento posterior en trenes de laminación destinados a la fabricación de productos planos, largos o tubos.

Planchones:

Son productos semi-terminados de acero, de sección rectangular, obtenidos por procesos de colada continua para su aplicación en trenes de laminación, en la producción de chapa laminada en caliente. Sus dimensiones son aproximadamente:
Espesor: 175 y 200 mm (6.89 in y 7.87 in)
Ancho: desde 900 a 1.980 mm (31.10 in a 77.95 in)
Peso: Planchones estándar de peso máximo 20,5 t

Palanquillas

Son productos semi-elaborados de sección transversal cuadrada maciza provenientes de procesos de solidificación por colada continua. Se utilizan como materia prima en procesos de laminación en caliente de productos largos.


Alambrón

Es el producto de menor sección transversal circular y de superficie lisa, obtenido por la laminación en caliente de palanquillas. Destinado a procesos de trefilación o deformación en frío. Usado también para fabricar alambre y mallas electrosoldadas. Sus dimensiones son:
Diámetro de sección transversal: Aproximadamente 9mm.
Peso: Aproximadamente 2000 Kg.

Cabillas o varillas:

Son productos que se utilizan como refuerzo de concreto. Su superficie está provista de rebordes (corrugaciones) que inhiben el movimiento relativo longitudinal entre la varilla y el concreto que la rodea.


Bandas:
Son materiales obtenidos por el proceso de Laminación en Caliente, sin ningún proceso adicional. Presenta lo que se conoce como colas de pescado (fish tail) en los extremos, con una longitud máxima de 500mm.


Bobinas:
Es un material de hasta 8 mm (0.32 in) de espesor, obtenido al procesar bandas en las líneas de Corte y Tajado para despuntar los extremos y opcionalmente cortar los bordes. Se pueden presentar:


Bobinas LAC:

Son bobinas producto de un procesamiento posterior de laminación en caliente, son pasadas por el proceso de decapado, en donde se les elimina el óxido de laminación haciéndolas pasar de manera continua por tanques con ácido clorhídrico, bajo condiciones controladas de concentración y temperatura. Posteriormente, son lavadas con agua para eliminar el ácido remanente en la superficie.


Bobinas LAF:

Son productos obtenidos después de pasar las bandas por procesos de laminación de frío, donde se obtiene la reducción de su espesor, una mayor aptitud al conformado y un mejor aspecto superficial, apto para una amplia gama de aplicaciones.

Bobinas recubiertas:

Son productos de acero recubiertos con otro material (cinc, estaño, cromo u películas orgánicas), principalmente para incrementar su resistencia a la corrosión.

Hojalata:

Es un acero de bajo carbono, laminado en frío a espesores finos, recubiertos con una capa de estaño aplicada mediante un proceso electrolítico para su uso en la fabricación de envases, principalmente para la industria alimenticia.




INFORMACIÓN DE PRODUCCIÓN DE LA EMPRESA


Cada una de las plantas que forman parte de Sidor dependiendo de las características internas de cada una de ellas, tienen capacidades de producción estandarizados, en la siguiente tabla se muestran estas cifras:

Sistema de Reducción

Sistema de Productos Planos




SISTEMA DE CALIDAD


Se han implementado Sistemas de la Calidad, tanto en las áreas productivas como en las áreas staff, los cuales han sido reconocidos por el organismo nacional certificador acreditado FONDONORMA, mediante el otorgamiento de la Certificación COVENIN ISO 9001 versión 2000 para la fabricación de:
  • Prerreducidos (Pellas, Midrex I, Midrex II y HyL).
  • Productos Largos (fabricación de Palanquillas, Lingotes poligonales, Barras de acero con Resaltes y Alambrón).
  • Productos Planos (fabricación de Planchones, Láminas y Bobinas Laminadas en Caliente y en Frío -chapas finas, cromadas y estañadas-)

Igualmente, los siguientes productos ostentan el sello de calidad marca NORVEN, otorgada por FONDONORMA, como aval del cumplimiento de las normas venezolanas COVENIN aplicables:

  • Barras redondas con Resaltes.
  • Láminas y Bobinas de acero para la fabricación de recipientes a presión.
  • Planchas delgadas de acero al carbono para embutido.
  • Bandas y Bobinas de acero al carbono Laminadas en Caliente, destinadas a la fabricación de tubos soldados para la conducción de fluidos a mediana presión.
  • Bandas, Bobinas y Láminas en Caliente para uso estructural.
  • Hojalata.
  • Alambrón de acero al carbono para Trefilación y Laminación en Frío.


CONCLUSIONES


Ternium Sidor es una empresa que genera una gran cantidad de productos semi-elaborados y terminados, lo que le permite abastecer las necesidades de una gran cantidad de empresas de variados propósitos. Adicionalmente posee una ubicación privilegiada que le permite conectarse al Océano Atlántico para la venta de productos a mercados internacionales.


A través de la visita técnica se pudo tener contacto directo con algunos de los sub-procesos que forman parte del proceso siderúrgico de fabricación de acero y sus derivados de la empresa Sidor, hecho que es de gran importancia para los estudiantes de ingeniería, ya que les permite observar la puesta en práctica de las bases teóricas obtenidas en la materia de Instrumentación Industrial y asignaturas relacionadas.

martes, 15 de mayo de 2007

Laboratorio 1

TRANSMISORES INTELIGENTE

INTRODUCCIÓN
En todo proceso industrial es necesario conocer el estado actual en que se encuentran las variables que este manipula, ya sea presión, temperatura, caudal entre otros. Esto es para que en caso de que estén ocurriendo ciertas irregularidades atacarlas con el sistema de control.


En algunos procesos industriales es de relevancia conocer la presión de determinados gases o materiales; se debe contar con un valor fidedigno de la presión en determinado elemento del proceso, es necesario contar con un instrumento bien calibrado y además en caso de sistemas no automatizados se debe comprender como observar las mediciones que el instrumento nos señale. Estos dos puntos serán abordados dentro de la experiencia de laboratorio.

La presión es una medida que refleja la relación entre la fuerza aplicada en un área y la superficie que ocupa dicha área.

Esta práctica se centrara en calibrar un transmisor inteligente calculando de esta manera los errores que el dispositivo pudiera tener a la hora de ser utilizado.


OBJETIVO GENERAL

Determinar el error de la lectura de un transmisor inteligente, haciendo uso de diferentes presiones.

OBJETIVOS ESPECIFICOS


  • Calibrar un transmisor inteligente (
SITRANS
  • P), para flujo y presión diferencial.

  • Determinar el error de lectura haciendo uso del transmisor inteligente.

MARCO TEORICO


PRESIÓN

Es la relación entre la intensidad de una fuerza y el área de la superficie sobre la cual actúa es decir, fuerza por unidad de superficie:
P= M.g/A
donde:
A= área donde se aplica la fuerza
F=Fuerza

y se expresa en N/m2 en el sistema internacional, esta definición se muestra en la ecuación (1) y es aplicable para la presión en sólidos (esfuerzo), líquidos (presión hidráulica) y gases (presión neumática).

Clasificación

Presión Absoluta

Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las moléculas lo que indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o la velocidad molecular es muy pequeña. Este termino se creo debido a que la presión atmosférica varía con la altitud y muchas veces los diseños se hacen en otros países a diferentes altitudes sobre el nivel del mar por lo que un termino absoluto unifica criterios.


Presión Atmosférica

El hecho de estar rodeados por una masa gaseosa (aire), y al tener este aire un peso actuando sobre la tierra, quiere decir que estamos sometidos a una presión (atmosférica), la presión ejercida por la atmósfera de la tierra, tal como se mide normalmente por medio del barómetro (presión barométrica). Al nivel del mar o a las alturas próximas a este, el valor de la presión es cercano a 14.7 lb/plg2 (101,35Kpa), disminuyendo estos valores con la altitud.

Presión Manométrica

Son normalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por medio de un elemento que se define la diferencia entre la presión que es desconocida y la presión atmosférica que existe, si el valor absoluto de la presión es constante y la presión atmosférica aumenta, la presión manométrica disminuye; esta diferencia generalmente es pequeña mientras que en las mediciones de presiones superiores, dicha diferencia es insignificante, es evidente que el valor absoluto de la presión puede abstenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro.

La presión puede obtenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro.

Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica.
Vacío

Se refiere a presiones manométricas menores que la atmosférica, que normalmente se miden, mediante los mismos tipos de elementos con que se miden las presiones superiores a la atmosférica, es decir, por diferencia entre el valor desconocido y la presión atmosférica existente. Los valores que corresponden al vacío aumentan al acercarse al cero absoluto y por lo general se expresa a modo de centímetros de mercurio (cmHg), metros de agua, etc.
De la misma manera que para las presiones manométricas, las variaciones de la presión atmosférica tienen solo un efecto pequeño en las lecturas del indicador de vacío.
Sin embargo, las variaciones pueden llegar a ser de importancia, que todo el intervalo hasta llegar al cero absoluto solo comprende 760 mmHg.


Unidades y clases de presión

La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmosferas, kilogramos por centímetro cuadrado y psi (libras por pulgada cuadrada). En él Sistema Internacional (S.I.) esta normalizada en pascal de acuerdo con las Conferencias Generales de Pesas y Medidas que tuvieron lugar en Paris en octubre de 1967 y 1971, y según la Recomendación Internacional número 17, ratificada en la III Conferencia General de la Organización Internacional de Metrologia Legal.

El pascal es 1 newton por metro cuadrado (1 N/m²), siendo el newton la fuerza que aplicada a un cuerpo de masa 1 kg, le comunica una aceleración de 1 m/s² . Como el pascal es una unidad muy pequeña, se emplean también el kilopascal (1 kPa = 10 ² bar), el megapascal (1 MPa = 10 bar) y el gigapascal (1 GPa = 10 000 bar). En la industria se utiliza también el bar (1 bar = 10^5 Pa = 1,02 kg/cm. cuadrado) y el kg/CM2, Si bien esta última unidad, a pesar de su uso todavía muy extendido, se emplea cada vez con menos
frecuencia.






En la tabla 1. Figuran las equivalencias entre estas unidades.


La presión puede medirse en valores absolutos o diferenciales. En la figura 1 se indican las clases de presión que los instrumentos miden comúnmente miden en las industrias.


Figura 1.
La presión absoluta mide con relación al cero absoluto de presión (puntos A y A' de la figura 1).
La presión atmosférica es la presión ejercida por la atmosfera terrestre medida mediante un barómetro. A nivel del mar, esta presión es próxima a 760 mm (29,9 pulgadas) de mercurio absolutas o 14,7 psia (libras por pulgada cuadrada absolutas) y estos valores definen la presión ejercida por la atmosfera estándar.

La presión relativa es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se efectúa la medición (punto B de la figura). Hay que señalar que al aumentar o disminuir la presión atmosférica, disminuye o aumenta respectivamente la presión leída (puntos B y B'), si bien ello es despreciable al medir presiones elevadas.

La presión diferencial es la diferencia entre dos presiones, puntos C y C'. El vacío es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión medida por debajo de la atmosférica (puntos D, D' y D"). Viene expresado en mm columna de mercurio, mm columna de agua o pulgadas de columna de agua. Las variaciones de la presión atmosférica influyen considerablemente en las lecturas del vacío.

El campo de aplicación de los medidores de presión es amplio y abarca desde valores muy bajos (vacío) hasta presiones de miles de bar. En anexo 1 pueden verse los tipos de instrumentos y su campo de aplicación.

Los instrumentos de presión se clasifican en tres grupos: mecánicos, neumáticos, electromecánicos y electrónicos.


Elementos mecánicos
Se dividen en:

Elementos primarios de medida directa que miden la presión comparándola con la ejercida por un liquido de densidad y altura conocidas (barómetro de cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro pendular, manómetro de campana), y elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna del fluido que contienen.
Los elementos primarios elásticos más empleados son: el tubo Bourdon, el elemento en espiral, el helicoidal, el diafragma y el fuelle.

El tubo Bourdon es un tubo de sección elìstica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. AI aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón. La Ley de deformación del tubo Bourdon es bastante compleja y ha sido determinada empíricamente a través de numerosas observaciones y ensayos en varios tubos.

El material empleado normalmente en el tubo Bourdon es de acero inoxidable, aleación de cobre o aleaciones especiales como hastelloy y monel.

El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común, y el helicoidal arrollando más de una espira en forma de 1ice. Estos elementos proporcionan un desplazamiento grande del extremo libre y por ello, son ideales para los registradores.

El diafragma consiste en una o varias capsulas circulares conectadas rígidamente entre si por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada capsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas. El sistema se proyecta de tal modo que, al aplicar presión, el movimiento se aproxima a una relación lineal en un intervalo de medida lo mas amplio posible con un mínimo de histéresis y de desviación permanente en el cero del instrumento.


El material del diafragma es normalmente aleación de níquel o inconel x. Se utiliza para pequeñas presiones.


El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.
Hay que señalar que los elementos de fuelle se caracterizan por su larga duración, demostrada en ensayos en los que han soportado sin deformación alguna millones de ciclos de flexión. El material empleado para el fuelle es usualmente bronce fosforoso y el muelle es tratado térmicamente para mantener fija su constante de fuerza por unidad de compresión. Se emplean para pequeñas presiones.

Los medidores de presión absoluta consisten en un conjunto de fuelle y muelle opuesto a un fuelle sellado al vacio absoluto. El movimiento resultante de la unión de los dos fuelles equivale a la presión absoluta del fluido. El material empleado para los fuelles es latón o acero inoxidable. Se utilizan para la medida exacta y el control preciso de bajas presiones, a las que puedan afectar las variaciones en la presión atmosférica. Por ejemplo, en el caso de emplear un vacuometro para el mantenimiento de una presión absoluta de 50 mm de mercurio en una columna de destilación, el punto de consigna seria de 710 mm, con una presión atmosférica de 760 mm. Si la presión atmosférica cambiase a 775 mm el vacuometro indicaría: 710 + 15 = 725 mm con lo cual la presión absoluta en la columna sería controlada a 50 + 15 = 65 mm, es decir, a un 30 % más de la deseada.

En la medida de presiones de fluidos corrosivos pueden emplearse elementos primarios elásticos con materiales especiales en contacto directo con el fluido. Sin embargo, en la mayoría de los casos es más económico utilizar un fluido de sello cuando él fluido es altamente viscoso y obtura el elemento (tubo Bourdon, por ejemplo), o bien, cuando la temperatura del proceso es demasiado alta. Tal ocurre en la medición de presión del vapor de agua en que el agua condensada aísla el tubo Bourdon de la alta temperatura del vapor figura 2 a.

Se emplean asimismo sellos volumétricos de diafragma y de fuelle figura b y c que contienen un líquido incompresible para la transmisión de la presión.




Figura 2. Tipos de Sellos


En la tabla 2 pueden verse las características de los elementos mecánicos descritos.








Elementos neumáticos

Como elementos neumáticos consideramos los instrumentos transmisores neumáticos.


Transmisores neumáticos







Figura 3. Sistema tobera-obturador

El aire de alimentación de presión normalizada 1,4 bar (20 psi) pasa por la restricción R y llena el volumen cerrado V escapándose a la atmósfera por la tobera R,. Ésta tiene un diámetro muy pequeño, de unos 0,25-0,5 mm, mientras que la restricción R tiene un diámetro alrededor de 0,1 mm. Con el obturador abierto la presión posterior remanente es de unos 0,03 bar, lo cual indica que la relación de presiones diferenciales a través de la restricción R es de 1,4/0,03 =-= 50 veces. El consumo de aire del conjunto tobera-obturador es relativamente pequeño, del orden de 3 NI/min.

El escape de aire a través de la tobera depende de la posición del obturador, es decir, del valor de x. Debido a este escape, el volumen V se encontrará a una presión P, intermedia entre P, y la presión atmosférica. En efecto: para x = 0 el obturador tapa casi totalmente a la tobera, con lo cual no hay escape de aire a la atmósfera y P, llega a ser casi igual a la presión P, del aire de alimentación: para x relativamente grande el obturador está bastante separado de la tobera y no limita el escape a la atmósfera siendo la presión P, próxima a la atmosférica.

En la figura 4 se representa una tobera ejerce una fuerza sobre el obturador F P, X S que tiende a desplazarlo. Esta curva de respuesta típica de un sistema tobera-obturador, pudiendo verse que la misma no es lineal.

El aire que se escapa de la fuerza debe hacerse despreciable con relación a la fuerza del elemento de medida que posiciona el obturador.

Con este objeto, en el amplificador de dos etapas se utiliza sólo una parte reducida de la curva, y se disminuye además la sección de la tobera a diámetros muy pequeños de 0,1 a 0,2 mm (no se consideran diámetros más pequeños para evitar que la tobera se tape por suciedad del aire). De este modo, la parte reducida de la curva puede aproximarse a una línea recta con lo cual se consigue una relación prácticamente lineal entre el valor de la variable y la señal transmitida.





Figura 4. Curva de respuesta de un sistema tobera-obturador

Como la restricción fija R es 3 a 4 veces menor que la tobera R; sólo pasa por la misma un pequeño caudal de aire, por lo cual, el volumen V debe ser tan reducido como sea posible para obtener un tiempo de respuesta del sistema inferior al segundo.

Transmisores inteligentes:

Son aquellos instrumentos capaces de realizar funciones adicionales a la de la transmisión de la señal del proceso gracias a un microprocesador incorporado. También existen dos modelos básicos de transmisores inteligentes:

Capacitivo que consiste en un condensador compuesto de un diafragma interno que separa las placas y que cuando se abren las placas es porque se realiza una presión este diafragma se llena de aceite lo cual hace variar la distancia entre placas en no mas de 0.1 mm. Luego esta señal es amplificada por un oscilador y un demodulador que entrega una señal análoga para ser convertida a digital y así ser tomada por el microprocesador.

El semiconductor sus cualidades permiten que se incorpore un puente de wheastone al que el microprocesador linealiza las señales y entrega la salida de 4 - 20mA.

Los transmisores inteligentes permiten leer valores, configurar el transmisor, cambiar su campo de medida y diagnosticar averías, calibración y cambio de margen de medida. Algunos transmisores gozan de auto calibración, autodiagnóstico de elementos electrónicos; su precisión es de 0.075%. Monitorea las temperaturas, estabilidad, campos de medida amplios, posee bajos costes de mantenimiento pero tiene desventajas como su lentitud, frente a variables rápidas puede presentar problemas y para el desempeño en las comunicaciones no presenta dispositivos universales, es decir, no intercambiable con otras marcas.


Transmisor de equilibrio de movimientos

El transmisor de equilibrio de movimientos (fig. 5) compara el movimiento del elemento de medición asociado al obturador con un fuelle de realimentación de la presión posterior de la tobera. El conjunto se estabiliza según la diferencia de movimientos alcanzando siempre una posición de equilibrio tal que existe una correspondencia lineal entre la variable y la señal de salida. Hay que señalar que en este tipo de transmisores, las palancas deben ser livianas, pero bastante fuertes para que no se doblen.




Fig. 5. Transmisor de equilibrio de movimientos.


Estos instrumentos se utilizan, en particular, en la transmisión de presión y temperatura donde los elementos de medida tales como tubos Bourdon, manómetros de fuelle, elementos de temperatura de bulbo y capilar son capaces de generar un movimiento amplio, sea directamente o bien a través de palancas con la suficiente fuerza para eliminar el error de histéresis que pudiera producirse. Si la fuerza disponible es pequeña, aparte de la histéresis, el tiempo necesario para el movimiento es grande y el transmisor es lento en responder a los cambios de la variable. En este caso, se acude a los transmisores de equilibrio de fuerzas en los que básicamente el elemento primario de medida genera una fuerza que se equilibra con otra igual y opuesta producida por el transmisor.

Transmisor de equilibrio de fuerzas

En la figura 6 puede verse que el elemento de medición ejerce una fuerza en el punto A sobre la palanca AC que tiene su punto de apoyo en D. Cuando aumenta la fuerza ejercida por el elemento de medición, la palanca AC se desequilibra, tapa la tobera, la presión aumenta y el diafragma ejerce una fuerza hacia arriba alcanzándose un nuevo equilibrio. Hay que señalar, como se ha dicho, que en este transmisor los movimientos son inapreciables.







Figura 6. Transmisor de equilibrio de fuerzas.

Como elementos neumáticos consideramos los instrumentos transmisores neumáticos cuyo elemento de medida es la presión adecuado al campo de medida correspondiente. El tipo de transmisor queda establecido por el campo de medida del elemento- Por ejemplo, un transmisor de 0-20 kg/cm2 utilizará un transmisor de equilibrio de fuerzas de tubo Bourdon mientras que uno de 3-15 psi será de equilibrio de movimientos con elemento de fuelle.


Elementos Electromecánicos Electrónicos

Los elementos electromecánicos de presión utilizan un elemento mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que genera la señal eléctrica correspondiente. El elemento mecánico consiste en un tubo Bourdon, espiral, hélice, diafragma, fuelle o una combinación de los mismos que, a través de un sistema de palancas convierte la presión en una fuerza o en un desplazamiento mecánico.

Los elementos electromecánicos de presión se clasifican según el principio de funcionamiento en los siguientes tipos:

Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas:

Este instrumento el elemento mecánico de medición (tubo Bourdon, espiral, fuelle...) ejerce una fuerza sobre una barra rígida del transmisor.

Para cada valor de la presión, la barra adopta una posición determinada excitándose un transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia, un transformador diferencial o bien un detector fotoeléctrico. Un circuito oscilador asociado con cualquiera de estos detectores alimenta una unidad magnética y la fuerza generada reposiciona la barra de equilibrio de fuerzas. Se completa así un circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma proporcional al intervalo de presiones del proceso.


En el transmisor de equilibrio de fuerzas con detector fotoeléctrico, la barra rígida tiene en su extremo una ventanilla ranurada que interrumpe total o parcialmente un rayo de luz que incide en una cé1ula fotoeléctrica de dos elementos. Esta cé1ula forma parte de un circuito de puente de Wheatstone autoequilibrado y, por lo tanto, cualquier variación de presión que cambie la barra de posición, moverá la ventana ranurada y desequilibrará el puente. La señal diferencial que se produce en los dos elementos de la ce1ula es amplificada y excita un servomotor. Éste, al girar, atornilla una varilla roscada la cual comprime un resorte de realimentación que a su vez aprieta la barra de equilibrio de fuerza con una fuerza tal que compensa la fuerza desarrollada por el elemento de presión. De este modo, el sistema se estabiliza en una nueva posición de equilibrio.

Este transmisor dispone de un contador óptico-mecánico acoplado al servomotor que señala los valores de presión en una pantalla exterior.

Los transductores electrónicos de equilibrio de fuerzas se caracterizan por tener un movimiento muy pequeño de la barra de equilibrio, poseen realimentación, una elasticidad muy buena y un nivel alto en la señal de salida. Por su constitución mecánica presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y un alta sensibilidad a vibraciones y su estabilidad en el tiempo es de media a pobre.

Su intervalo de medida corresponde al del elemento mecánico que utilizan (tubo Bourdon, espiral, fuelle, diafragma...) y su precisión es del orden de 0,5 - 1 %.


Transductores resistivos

Constituyen, sin duda, uno de los transmisores eléctricos más sencillos. Consisten en un elemento elástico (tubo Bourdon o capsula) que varia la resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión. El potenciómetro puede adoptar la forma de un solo hilo continuo o bien estar arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal o no de resistencia. Existen varios tipos de potenciómetro según sea el elemento de resistencia: potenciómetros de grafito, de resistencia bobinada, de película metálica y de plástico moldeado. En la figura 7 puede verse un transductor resistivo representativo que consta de un muelle de referencia, el elemento de presión y un potenciómetro de precisión. El muelle de referencia es el corazón del transductor ya que su desviación al comprimirse debe ser únicamente una función de la presión y además debe ser independiente de la temperatura, de la aceleración y de otros factores ambientes externos.


Figura 7. Transductor resistivo

El movimiento del elemento de presión se transmite a un brazo móvil aislado que se apoya sobre el potenciómetro de precisión. Este esta conectado a un circuito de puente de Wheatstone.
Los transductores resistivos son simples y su señal de salida es bastante potente como para proporcionar una corriente de salida suficiente para el funcionamiento de los instrumentos de indicación sin necesidad de amplificación. Sin embargo, son insensibles a pequeños movimientos del contacto del cursor, muy sensibles a vibraciones y presentan una estabilidad pobre en el tiempo.

El intervalo de medida de estos transmisores corresponde al elemento de, presión que utilizan (tubo Bourdon, fuelle...) y varía en general de 0-0,1 a 0-300 kg/cm². La precisión es del orden de 1-2 %.


Transductores magnéticos

Se clasifican en dos grupos según el principio de funcionamiento. a) Transductores de inductancia variable figura 8 en los que el desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de esta en forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo contenida dentro de la bobina.







Figura 8. Transductor de inductancia variable.


El devanado de la bobina se alimenta con una corriente alterna y la f.e.m. de autoinducción generada se opone a la f.e.m. de alimentación, de tal modo que al ir penetrando el núcleo móvil dentro de la bobina la corriente presente en el circuito se va reduciendo por aumentar la f.e.m. de autoinducción.


El transformador diferencial estudiado en los transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas es también un transductor de inductancia variable, si bien, en lugar de considerar una sola bobina con un núcleo móvil, se trata de tres bobinas en las que la bobina central o primaria es alimentada con una corriente alterna y el flujo magnético generado induce tensiones en las otras dos bobinas, con la particularidad de que si el núcleo esta en el centro, las dos tensiones son iguales y opuestas y si se desplaza a la derecha o a la izquierda, las tensiones son distintas.
Es decir, que el transformador diferencial es más bien un aparato de relación de inductancias.
Los transductores de inductancia variable tienen las siguientes ventajas: no producen rozamiento en la medición, tienen una respuesta lineal, son pequeños y de construcción robusta y no precisan ajustes críticos en el montaje. Su precisión del orden de ± 1 %.


Transductores capacitivos

Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión figura 9. La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. De este modo se tienen dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna.

Los transductores capacitivos se caracterizan por su pequeño tamaño y su construcción robusta, tienen un pequeño desplazamiento volumétrico y son adecuados para medidas estáticas y dinámicas. Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición. Son sensibles a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones transversales y precisan de un ajuste de los circuitos oscilantes y de los puentes de c.a. a los que están acoplados.









Figura 9. Transductor capacitivo

Su intervalo de medida es relativamente amplio, entre 0,05-5 a 0,5-600 bar y su precisión es del orden de ± 0,2 a ± 0,5 %.


Galgas extensométricas

Se basan en la variación de longitud y de diámetro, y por lo tanto de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una presión.

Existen dos tipos de galgas extensométricas: galgas cementadas figura 10 formadas por varios bucles de hilo muy fino que están pegados a una hoja base de cerámica, papel o plástico, y galgas sin cementar en las que los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial.









Figura 10. Galga cementada y Galga sin cementar



En ambos tipos de galgas, la aplicación de presión estira o comprime los hilos según sea la disposición que el fabricante haya adoptado, modificando pues la resistencia de los mismos.
La galga forma parte de un puente de Wheatstone figura 11 y cuando está sin tensión tiene una resistencia e1éctrica determinada. Se aplica al circuito una tensión nominal tal que la pequeña corriente que circula por la resistencia crea una caída de tensión en la misma y el puente se equilibra para estas condiciones.




Cualquier variación de presión que mueva el diafragma del transductor cambia la resistencia de la galga y desequilibra el puente. El intervalo de medida de estos transductores varía de 0-0,6 a 0-10 000 bar y su precisión es del orden de ± 0,5%





Figura 11. Puente de Wheatstone para galga extensométricas.

Una innovación de la galga extensométricas la constituyen los transductores de presión de silicio difundido. Consisten en un elemento de silicio situado dentro de una cámara conteniendo silicona que está en contacto con el proceso a través de un diafragma flexible. El sensor está fabricado a partir de un monocristal de silicio en cuyo seno se difunde boro para formar varios puentes de Wheatstone constituyendo así una galga extensométricas autocontenida. El espesor del sensor determina el intervalo de medida del instrumento. El sensor con su puente Wheatstone incorporado forma parte del circuito de la figura 12.








Figura 12. Transductor de presión de silicio difundido


Cuando no hay presión, las tensiones El y E2 son iguales y, al aplicar la presión del proceso Rb y Rc, disminuyen su resistencia y Ra y Rd la aumentan dando lugar a caídas de tensión distintas y a una diferencia entre El y E2.

Esta diferencia se aplica a un amplificador diferencial de alta ganancia que controla un regulador de corriente variable. Un margen de corriente continua de 3 a 19 mA con 1 mA del puente produce una señal de salida de 4 a 20 mA c.c. Esta corriente circula a través de la resistencia de realimentación Rfb y produce una caída de tensión que equilibra el puente. Como esta caída es proporcional a Rfb esta resistencia fija el intervalo de medida (span) del transductor. El cero del instrumento se varía intercalando resistencias fijas en el brazo izquierdo del puente (cero basto) y un potenciómetro en el brazo derecho (cero fino).



La adición de un microprocesador permite añadir <> al instrumento al hacer posible funciones adicionales, tales como la compensación de temperatura ambiente, proporcionando un aumento de la precisión de la medida, en particular si la señal de salida del instrumento es enteramente digital en lugar de la analógica de 4-20 mA c.c.
El intervalo de medida de los transductores de silicio difundido varía de 0-2 a 0-600 bar, con una precisión del orden de ± 0,2 %.

Las galgas extensométricas pueden alimentarse con c.c. o c.a. Tienen una respuesta frecuencial excelente y pueden utilizarse en medidas estáticas y dinámicas. Presentan una compensación de temperatura relativamente fácil y generalmente no son influidas por campos magnéticos. Con excepción de las galgas de silicio difundido poseen las siguientes desventajas: señal de salida débil, pequeño movimiento de la galga, alta sensibilidad a vibraciones y estabilidad dudosa a lo largo del tiempo de funcionamiento. La galga de silicio difundido tiene la ventaja adicional de estar en contacto directo con el proceso sin mecanismos intermedios de medición de la presión pudiendo así trabajar correctamente aunque el fluido se deposite parcialmente sobre el diafragma del elemento ya que mide directamente la presión del fluido y no la fuerza que éste hace sobre el diafragma.


Transductores piezoeléctricos

Los elementos piezoeléctricos figura 13 son materiales cristalinos que, al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. Dos materiales típicos en los transductores piezoeléctricos son el cuarzo y el titanato de bario, capaces de soportar temperaturas del orden de 150° C en servicio continuo y de 230° C en servicio intermitente.





Figura 13. Transductor piezoeléctrico.

Son elementos ligeros, de pequeño tamaño y de construcción robusta. Su señal de respuesta a una variación de presión es lineal y son adecuados para medidas dinámicas, al ser capaces de respuestas frecuenciales de hasta un millón de ciclos por segundo. Tienen la desventaja de ser sensibles a los cambios en la temperatura y de experimentar deriva en el cero y precisar ajuste de impedancias en caso de fuerte choque. Asimismo, su señal de salida es relativamente débil por lo que precisan de amplificadores y acondicionadores de señal que pueden introducir errores en la medición.
En el tabla 3 pueden verse las características de los elementos electromecánicos descritos.




Elementos Electrónicos de Vacio

Los transductores electrónicos de vacio se emplean para la medida de alto vacío, son muy sensibles y se clasifican en los siguientes tipos:
Ø Mecánicos Fuelle y ionización Filamento caliente
Ø Diafragma Cátodo frío
Ø Radiación
Ø Medidor McLeod -
Ø Térmicos Termopar
Ø Pirani
Ø Bimetal

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL


1. Se monta el circuito indicado en la siguiente figura.



Figura 14. Circuito a montar


2. Se abre el regulador del banco de prueba al máximo colocando la presión de entrada en 1 bar, para esto se abre el regulador del filtro ubicado a la salida del compresor en 1Kfg/cm2.
3. Se quita la cubierta de la carcaza y se abre el compartimiento de las teclas del transmisor.
4. Conecte el transmisor a la fuente (figura 15). Coloque la salida de la fuente a 24V dc. El alcance del trasmisor es de 16 a 1600 mbar.






Figura 15. Circuito de alimentación


5. En el interior del transmisor se encontrará una pantalla de cristal líquido y el botón CIS (blanco). En el compartimiento de teclado se encuentra la tecla de modo (M) y las teclas de selección ( ).
6. Para medir presión diferencial se utiliza el siguiente procedimiento:
a) Colocar la presión en un bar (mueva el regulador de presión).
b) Usando la tecla M seleccione el modo 02, coloque la corriente de salida en 4mA presionando simultáneamente las teclas ( ) hasta que aparezca en la pantalla ese valor. Presione luego CIS. En la LCD se mostrará el valor.
c) Coloque el manómetro patrón en 0.2 bar y usando la tecla M seleccione el modo 03.
d) Coloque la corriente de salida en 20 mA, presionando simultáneamente las teclas ( ) hasta que aparezca ese valor. Presione luego el CIS. En la LCD se mostrará el valor.
e) Incremente en 0.2 bar el valor del manómetro patrón hasta llegar a 1 bar, y tome el valor del manómetro patrón, de lo registrado por el LCD, y el voltaje en la resistencia de salida. Para esto haga un cuadro con los siguientes valores: P1, P2, P12, I0, I1. Donde es la presión de suministro (1 bar), es la presión de aguas abajo medida por el manómetro patrón, es la diferencia en La primera y la ultima, es la corriente de salida proporcional (mA) a indicada por el LCD, es la corriente que genera el transmisor y que se mide en la resistencia (también dada en mA).
7. Para medir presión diferencial en medición de flujo se utiliza el siguiente procedimiento:
a) Coloque la presión en 0.2 bar (mueva el regulador de presión).
b) Usando la tecla M seleccione el modo 11. con las teclas de flecha seleccione la característica “SrLn”, la cual significa que al iniciar la curva, la misma es lineal, y en un determinado punto comienza la característica de la raíz cuadrada. Presione el CIS.
c) Usando la tecla M seleccione el modo 12. con las flechas seleccione el 15%. Presione el CIS.
d) Usando la tecla M seleccione el modo 02, coloque la corriente de salida en 4 mA presionado simultáneamente las teclas ( ) hasta que aparezca ese valor. Presione luego el CIS. En la LCD se mostrará el valor de la corriente mínima que sea aproximadamente 4mA.
e) Coloque el manómetro patrón en 1 bar usando la tecla M seleccione el modo 03.
f) Coloque la corriente de salida en 20 mA, presionando simultáneamente las teclas ( ) hasta que aparezca ese valor. Presione luego el CIS. En la LCD se mostrará el valor el valor máximo de corriente que será aproximadamente 20mA.
g) Incremente en 0.2 bar el valor del manómetro patrón hasta llegar a 1 bar, y tome el valor del manómetro patrón, de lo registrado por el LCD, y el voltaje en la resistencia de salida. Para esto haga un cuadro con los siguientes valores: . Donde es la presión de suministro (1 bar), es la presión de aguas abajo medida por el manómetro patrón, es la diferencia en La primera y la ultima, es la corriente de salida proporcional (mA) a indicada por el LCD, es la corriente que genera el transmisor y que se mide en la resistencia (también dada en mA).
h) Usando la tecla M seleccione el modo 11. Con las teclas de flecha seleccione la característica “Ln”, lo cual significa que la relación es lineal. Presione el CIS.



RESULTADOS

Mediciones directas
Sin calibrar:


Diferencial









Calibrado CALCULOS REALIZADOS

Parte I:




Corriente Experimental:








Errores



Para poder obtener los errores de cada corriente se debio tomar 5 mediciones como minimo para poder comparar y así obtener los errores de linealidad, cero y ganancia. Esta vez no se podra calcular porque solo se tomo un valor por cada medida.





Errores entre I experimetal e I medida





Error de Linealidad:






La grafica muestra el error de linealidad entre los dos valores de las corrientes:








Grafica de P12 Vs Io:






Parte II




Grafica de P12 Vs Io





Error entre It e Io

Grafica que representa el error de linealidad en este sistema

Los errores de la corriente experimental tampoco se pudieron realizar porque era necesario tener mas de una medida.

ANALISIS DE RESULTADOS

Los resultados arrojados por esta práctica fueron aproximadamente iguales a los que teóricamente se pudieron obtener. Dando como conclusión que el transmisor inteligente es uno de los instrumentos industriales más usados a la hora de comunicar un proceso.

Aunque no se tomaron varios datos sobre una misma variable cabe destacar que los errores non fueron tan grandes, dando así una clara relación que tiene el transmisor al ser preciso.


CONCLUSION
El control automático es un concepto que desde su aparición ha prevalecido en nuestras vidas y que lo seguirá haciendo por su gran importancia y aplicación a los procesos industriales.
Bajo este sentido, también es importante conocer que tipo de elementos o bien dispositivos se tienen para así poder controlar variables, tales como el desplazamiento, la presión, la temperatura, el potencial de hidrógeno, la velocidad, el peso, el flujo, entre otros.

Los dispositivos usados para le medición de variables ahorran trabajo y proporcionan exactitud en el proceso de algún proceso o producto.

El control de los procesos, el nivel de líquidos y sólidos contenidos en tanques y reactores, tolvas, etc., es una variable importante en la industria en general. Los dispositivos para la medida del nivel son muy variados, por ejemplos los Ultrasónicos y los nucleares son dispositivos muy complejos en la industria.
Para el estudio de la automatización de un proceso interesa el conocimiento de las relaciones existentes entre las variables de entrada y salida, normalmente en diversos procesos industriales es necesario controlar el peso de los materiales que se han de transformar, o ajustar la magnitud de las fuerzas actuantes.

Aprendimos que para la medición de las fuerzas, se da lugar a los transmisores que conviertan estas magnitudes en otras más fáciles de medir. La medición de las variables mencionadas con anterioridad debe hacerse con instrumento de medición directa, o bien se utilizan los llamados transductores, que son elementos que cambian la variable a otra para facilitar la medición, en este caso no existe alguna modificación del valor de la misma, ya que son equivalentes, el cambio sólo se realiza por la facilidad de la medición de dicha variable.

En la industria se debe manejar el concepto de transmisor el cual es un instrumento que capta la variable en proceso y la transmite a distancia a un instrumento indicador o ntrolador; pero en realidades eso y mucho más, la función primordial en la industria de la instrumentación y automatización, para el análisis de prueba en la calidad del instrumento.
RECOMENDACIONES
Donde debe instalarse el dispositivo:

El transmisor puede ser instalado arriba o abajo del punto de presión a intervenir. Cuando se miden gases, se recomienda que el transmisor se instale arriba del punto de intersección de presión y la tubería de presión y deben colocarse de manera que el gas baje a la válvula de presión. Esto permitirá que la condensación en la tubería se drene cuando este este apagado y no afecte la medida.
Los puntos de instalación deberían ser de fácil acceso, preferiblemente cerrado para el punto de medida y libre de vibraciones.

El transmisor debe ser protegido de fuentes directas de calor. Antes de instalar el transmisor, compare los datos del proceso contra los datos o valores del sitio. Mantener la transmisión cerrada durante la instalación del proceso.

El transmisor de presión absoluta o presión diferencial puede ser empotrado directamente a la válvula manifold o seguro con montaje de soporte.

Monitorizar los gases peligrosos para la calidad del aire, seguridad o control de procesos es una tarea compleja. Al contrario que con otros parámetros, en los que las medidas son directas como voltaje, temperatura, humedad, etc., la medida de gases es mas complicada.

Existen cientos de gases diferentes y se encuentran en diferentes proporciones. Cada aplicación tiene unos requerimientos únicos.

Por ejemplo, unas aplicaciones requieren la detección de un gas específico sin tener en cuenta las lecturas de otros gases de fondo. Otras situaciones pueden requerir las concentraciones de cada gas en un determinado área.

La mayor parte de los sensores no son específicos para un determinado gas sino que son sensitivos es un grupo o familia de gases. Para seleccionar un sensor o un sistema de detección de gases y conseguir el resultado óptimo se debe conocer los sensores disponibles y sus características de respuesta a varios gases.

















REFERENCIAS






http://www.interzona.org/transmisor/sobre.htm







http://es.wikipedia.org/wiki/Transmisor







http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/SCOT211.nsf/






http://www.miinet.com/







http://www.monografias.com/