Pagina 1/10TRABA1O PRÁCTICO Nº 3 Instrumentación de los sistemas de control OB1ETIVOS. Conocer las caracteristicas generales de los instrumentos e interpretar informacion de catalogos. Aprender una metodologia general para seleccionar v eventualmente dimensionar instrumentos v valvulas. Entender el significado v consecuencias de la caracteristica de flufo de una valvula. Incorporar una metodologia para la determinacion de las acciones de valvulas v controladores. PROBLEMA 3.1 Se dispone de un transmisor de presion manometrica 614G de ABB (se adjunta catalogo 614G¸1SG.pdI), codiIicado 614G-S2-31-3-1-151-11, que se empleara para medir presion en un proceso industrial. Se calibro el instrumento para medir presiones entre 5000 y 20000 kPa. (a) ¿Cual es el limite minimo del alcance? (b) ¿Cuanto vale rango, el cero y el span de medicion? (c) ¿Cuanto vale el maximo error de medicion en este caso? (d) ¿Cual es el valor maximo de presion admisible sin daños irreversibles para el instrumento? (e) ¿Cual es la señal de salida del instrumento? (I) ¿Cuanto vale la señal de salida cuando la presion es de 13000 kPa? Acote el error. (g) Calcule la ganancia del transmisor. (h) Escriba la Iuncion de transIerencia del instrumento. PROBLEMA 3.2 Se tienen dos transmisores de presion diIerencial de las siguientes caracteristicas: Marca EMC-28 FIX-32 Alcance maximo 0 - 200 kPa 0 - 400 kPa Salida 4 - 20 mA 1-5 V Exactitud 0.4 ° del Span 0.4° R Tiempo de respuesta al escalon 1 s para alcanzar el 80 ° del cambio maximo. 2 s para alcanzar el 95 ° del cambio maximo. Pagina 2/10 (a) ¿Cual es mas sensible? (b) ¿Cual es mas exacto? (c) ¿Cual es mas rapido? PROBLEMA 3.3 Se necesita medir e indicar la temperatura del agua de un tanque cuya magnitud se estima que variara entre 20 y 160 °C. Se usara una termoresistencia Pt-100 construido segun normas DIN que asegura una exactitud de 0.1 ° del span. Se va a emplear un indicador/transmisor Omega DP1610.pdI para indicacion local y transmitir la señal a un panel de control. A partir de la inIormacion tecnica indique: (a) Tipos de señales de entrada y de salida del elemento primario. (b) Tipos de señales de entrada y de salida del indicador/transmisor. (c) Rango de calibracion del transmisor. (d) El valor de las salidas del sensor y del transmisor cuando la temperatura es de 120 °C. (e) Cota del error en la medicion del valor anterior (I) Euncion de transIerencia del sistema medidor-transmisor. En el anexo E se adjunta la tabla de Resistencia versus temperatura, Tp3¸e.pdI, extraida del Apendice E del libro: Kerlin T.,Shepard R (1982). Industrial Temperature Measurement, Instrum. Soc. of America, Research Triagle Park, U.S.A, pag. 271. (Problema resuelto en el sitio Web de Control de procesos). PROBLEMA 3.4 Una placa de oriIicio acusa diIerencia de presion de 120 mm columna de agua cuando circula 600 m 3 /hora de un liquido. El transmisor de presion diIerencial es electronico (linealidad + 0.1 ° Span) con salida 4-20 mA y esta ajustado con un rango 0- 150 mm c.a. (a) Calcule el maximo caudal que se podra medir con este dispositivo. (b) Compute la ganancia del sistema de medicion (placa de oriIicio mas transmisor) para cualquier caudal. (c) Indique la ganancia del transmisor (en ° y mA). (d) ¿Cual sera la salida en mA cuando circula 400 m3/h? ¿Que porcentaje del span representa? (e) ¿Cual sera el caudal que circula cuando la salida del transmisor es 12 mA? ¿Que ° del span representa? Pagina 3/10 PROBLEMA 3.5 Es necesario medir el nivel de agua (temperatura 20 °C) en un tanque abierto a la atmosIera para lo cual se utiliza un transmisor diIerencial de presion de rango ajustable, electronico, señal de salida 4 a 20 mA, dinamica despreciable. (a) Las tomas de alta y baja se ubican a 0.5 y 3.0 m medidas desde el Iondo del tanque. ¿Cual es el rango y span del elemento primario? ¿Cuanto vale el cero? (b) ¿Que señal indicara el transmisor cuando el nivel sea 1 m? (c) Escriba la Iuncion de transIerencia del sistema de medicion-transmision. (d) ¿El dispositivo es lineal? (e) Esquematice con un diagrama en bloques el sistema integrado por los elementos primario y secundario. (I) Realice la graIica de las señales entrada-salida de los dispositivos. PROBLEMA 3.6 Dimensione una valvula de control globo de doble asiento, trim V-Port, caracteristica de Ilujo igual porcentaje, marca Masoneilan, Serie 10000 (se adjunta catalogo CH2500.pdI), que se instalara en una linea de 14 pulgadas de diametro. La presion aguas arriba es de 28 (psi) y aguas abajo de 20 (psi). El caudal normal maximo es de 1600 (gpm). El Iluido es agua a temperatura ambiente. PROBLEMA 3.7 En la Iigura se ve un sistema de control de nivel correspondiente al circuito de agua de enIriamiento de una torre humidiIicadora y se desea dimensionar la valvula de control que sera globo balanceada (asiento doble) guiada en los dos extremos, marca Taylor, tipo 'TA'. El agua tiene una temperatura que puede oscilar entre 15 y 20 °C y circula por una cañeria de 12 pulgadas que descarga a la atmosIera. La diIerencia de altura entre el nivel de liquido en el tanque y la descarga puede ser despreciada. La caracteristica de operacion de la bomba centriIuga dada por el Iabricante es: F (gpm) 0 400 800 1200 1600 2000 2300 P (psi) 27.50 27.14 26.04 24.22 21.67 18.39 15.45 Pagina 4/10 Los caudales que normalmente circulan, segun el Encargado de la Division Procesos de EnIriamiento, estan entre 600 y 1900 (gpm). La perdida de carga de la linea (cañeria, accesorios y Iiltro) se estima con buena precision con la Iormula P L ÷ 2.5 10 -6 E 2 calculada usando el Iactor de Eanning para escurrimiento en cañerias y un equivalente para el Iiltro. La perdida de carga se expresa en (psi) y el caudal en (gpm). La tabla de los coeIicientes de Ilujo de la valvula proporcionados por el Iabricante es la mostrada a continuacion: Diámetro (Pulg.) Carrera (pulg) Apertura de la válvula en º 1ô 2ô 3ô 4ô 5ô ôô 7ô 8ô 9ô 1ôô 6 2 8.67 15.1 25.0 38.2 57.0 84.5 124 178 328 449 8 2 9.36 15.6 25.7 42.1 70.2 121 218 382 577 780 10 3 24.4 37.5 56.4 86.6 137 214 337 522 768 1110 12 3 25.0 55.0 90.0 145 225 342 525 800 1230 1680 (a) Indicar el diametro de la valvula. (b) GraIicar P L y P de la bomba en Iuncion del caudal. Indique el P v para los caudales normales. (c) ¿En que ambito estara la apertura de la valvula normalmente? (d) ¿Cual es el caudal maximo que circulara por la valvula y P v para ese caudal? (e) Calcular el valor del parametro de la instalacion. (I) GraIicar caudal en Iuncion de la apertura. ¿Varia apreciablemente la ganancia de la valvula en el rango de trabajo normal? Pagina 5/10 (g) GraIicar la relacion entre caudal y caudal maximo como Iuncion de la apertura para las dos situaciones siguientes: 1. Para la valvula instalada y, 2. Cuando la perdida de carga en la bomba es constante y la perdida de carga en la linea es despreciable. (h) ¿Hay deIormacion de la caracteristica inherente de Ilujo? (Problema resuelto en el sitio Web de Control de procesos). PROBLEMA 3.8 Se esta analizando si la caracteristica de Ilujo de la valvula de la Iigura se modiIica cuando se la instala en una linea con una Iuerza impulsora total de 16 Psi. La valvula tiene una caracteristica de Ilujo inherente lineal y su coeIiciente de Ilujo vale 100 para apertura maxima.El Iluido que circula por la misma es agua. (a) Represente en un graIico E/Emax en Iuncion de la apertura para: (a 1 ) Perdida de carga en la linea nula (a 2 ) Perdida de carga en la linea p psi E gpm L ( ) ( ) 310 4 2 . (b) Calcule el valor de en los casos a 1 y a 2 . PROBLEMA 3.9 Se ha instalado un sistema de control de nivel de agua a temperatura ambiente como el de la Iigura. La Iuerza impulsora disponible total es de 30 psi. Los caudales normales de agua varian entre 80 y 400 gpm. La perdida de carga en la linea es 16 psi cuando el caudal es de 400 gpm. El Ilujo es subcritico y la temperatura es la ambiente. Se dispone de tres valvulas cuyas caracteristicas se describen en la tabla. Cv máx Característica inherente Rangeabilidad 220 lineal 50:1 230 igual porcentaje 20:1 240 lineal 100:1 Pagina 6/10 (a) GraIicar perdida de carga en la linea y presion total disponible en Iuncion del caudal (b) GraIicar el caudal que circula por la valvula en Iuncion de la apertura para los tres casos (c) ¿Cual valvula elige? JustiIique. PROBLEMA 3.10 Una valvula de control V-PORT SLEEVELINE esta instalada en una linea donde la distribucion de presiones que absorbe la linea y la bomba, en Iuncion del caudal se muestran en la Iigura. Los caudales normales maximos y minimos son 7 y 2 galones por minuto respectivamente. El Ilujo es turbulento. El Iabricante suministro la siguiente inIormacion cuando vendio la valvula. Cv máx 0.53 3.5 13.2 52.8 211.2 844 D (plg) 0.1 0.25 0.5 1 2 4 La caracteristica inherente de Ilujo de la valvula es la mostrada en la graIica siguiente. (a) Dimensione la valvula. (b) Encuentre el valor de . (c) ¿En que rangos de apertura trabaja la valvula? Pagina 7/10 PROBLEMA 3.11 Un Iluido de proceso se calienta en un tanque aprovechando vapor de escape de turbinas. En la unidad se implemento un lazo de control de temperatura como se ve en la Iigura. Si la temperatura a la salida del tanque caleIactor nunca debe superar los 65C, indique la accion de la valvula de control ante Ialla y la accion del controlador. Pagina 8/10 PROBLEMA 3.12 Un sistema de control como el de la Iigura debera mantener el nivel de agua en un tanque de suministro segun el diagrama P&I de la Iigura. Tiene una valvula con caracteristica igual porcentaje instalada. El transmisor tiene dinamica despreciable y es lineal. (a) EspeciIique la accion de la valvula ante Iallas. (b) Indique accion del controlador. (c) Analice como actua el lazo de control cuando aumenta abruptamente el caudal de alimentacion. PROBLEMA 3.13 En un reactor tanque agitado continuo de 600 galones de capacidad (constante) se produce una reaccion de primer orden en Iase homogenea (constante especiIica de velocidad de 1.20 min -1 ) en Iorma isotermica. Se instalo un lazo de control de composicion del reactivo en el seno de la masa reaccionante empleando un sensor lineal. El Ingeniero de Procesos inIorma que el caudal alimentado se encuentra (en condiciones de estado estacionario) entre 150 y 300 galones por minuto. La valvula de control es globo con un coeIiciente de Ilujo maximo de 135. En esta valvula, cambiando el obturador, se puede obtener distintas caracteristica de Ilujo. (ver graIica del Iabricante). Pagina 9/10 el Ingeniero de planta proporciono los siguientes datos: F - Caudal (gpm) p línea (psi) P impulsión bomba (psi) 150 32.7 40.6 300 32.8 40.4 (a) Calcular el coeIiciente u de la instalacion. (b) Tabular para cada caracteristica de Ilujo, el rango de apertura en el que trabajaria para los caudales normales de trabajo. ¿Todas se pueden usar en esta aplicacion? (c) Tabular la ganancia en los valores extremos de apertura de trabajo, para los tipos que pueden ser usados en las condiciones de trabajo. (d) Elegir la accion del controlador. (e) Desarrollar el diagrama en bloques del sistema de control. Ubicar las perturbaciones. Pagina 10/10 CONCEPTOS INTRODUCIDOS EN EL TEMA 3 Rango (Range), span, cero de un instrumento. Sobre alcance. Exactitud, Repetibilidad, linealidad, histeresis v banda muerta. Tiempo de respuesta. Señales estandari:adas. Dimensionamiento de valvulas. Cuerpo, actuador. Caracteristica inherente de Flufo. Caracteristica instalada de Flufo. Accion ante falla de valvulas. Normal Cerrada (SAC, Fail Close). Normal abierta (SAA, Fail Open). Controlador ON OFF. Controlador PID. Accion de controladores.