instrumentacion y control - sergio garcia

8/2/2019 Instrumentacion y Control - Sergio Garcia

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INSTRUMENTACION Y CONTROL(Curso Introductorio de Nivel Bsico)

1Autor: Sergio L. Garca, Ph.D.


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CONTENIDOS DE LA

PRESENTACION (1)

Presin.

Caudal.

Nivel.

Temperatura.

Medicin de:

2

Misin y especificacin de los sensores.


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CONTENIDOS DE LA

PRESENTACION (2)

Control automtico.Modelos de lazos de control.

Sistemas automticos de proteccin.

Nociones sobre:

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CONTENIDOS DE LA

PRESENTACION (3)

Confiabilidad, falla y riesgo.Redundancia.

Modelos de redundancia.

Nociones sobre:

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DISPOSITIVOS SENSORES

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Los sensores descriptos en esta presentacin cum-

plen con la funcin de generar una seal, que habi-

tualmente es empleada con los propsitos bsicos de

proveer:

Indicacin.

Alarma (auditiva y/o visual).

Control.


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DISPOSITIVOS SENSORES

Ante la falla de sensores de importancia vitalpara el proceso, se cuenta con uno o ms

sensores de respaldo (condicin de redun-

dancia).

Se aplica el concepto de diversidad para

garantizar el correcto funcionamiento de al

menos un sensor.

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ESPECIFICACION DE LOS SENSORES

(Para su Correcta Seleccin)

Sensibilidad.

Estabilidad. Exactitud.

Velocidad de respuesta.

Caractersticas de sobrecarga.

Histresis.

Vida operativa.

Costo, tamao, peso.

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Rango de estmulo (span).

Resolucin.

Selectividad.

Condiciones ambientales.

Linealidad.

Banda muerta.

Formato de seal de salida.

Otras.


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MEDICION DE PRESION(1 - Factores de Influyen en la Medicin)

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Los sensores de presin relativa son sensibles avariaciones en la presin atmosfrica. Esto cobra

importancia cuando el detector se encuentra den-

tro de recintos cerrados, sujetos a sobrepresin, o

a cierto nivel de vaco.

Dichas situaciones afectan la precisin del sensor

de presin, y deben ser consideradas al instalar ymantener dichos dispositivos.


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Las variaciones de temperatura afectan la precisin y con-

fiabilidad del sensor.

Adems, las variaciones de temperatura afectan la resisten-

cia elctrica de los componentes que integran el circuito vin-

culado al sensor; y por lo tanto, afectan a la calibracin delequipo elctrico o electrnico.

Los efectos adversos causados por las variaciones de tempe-

ratura son reducidos mediante un correcto diseo del circui-

to, y mediante el empleo del sensor de presin en un am-

biente apropiado.


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Una alta humedad ambiente afecta a la mayora

del instrumental elctrico y electrnico.

Dicha humedad puede provocar cortocircuitos,

puestas a tierra, y corrosin; lo cual terminadaando a los componentes.

Los efectos causados por la humedad pueden re-

ducirse o eliminarse, colocando al instrumento enun medio ambiente apropiado.


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MEDIDORES DE PRESION Y

SU CAMPO DE APLICACION


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CARACTERISTICAS DE LOS

SENSORES MECANICOS

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MANOMETRO DE FUELLE

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Utiliza como elemento elstico un fuelle metlico, el cual se

estira al recibir la fuerza ejercida por el fluido, y transmite

movimiento a una aguja, que indica un valor de presin

sobre una escala graduada.


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MANOMETRO DE FUELLE(Balanceado por Barra)

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Se aplica presin al interior

del fuelle, lo cual modifica suvolumen interior y moviliza la

barra anclada al mismo.


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TUBO DE BOURDON (1)

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Es uno de los dispositivos de

medicin de presin ms anti-

guos, y an hoy se emplea

muy a menudo.

Al aplicrsele presin tiende a

recobrar su seccin redondaoriginal y a estirarse; lo cual

se aprovecha para determinar

la presin del sistema

monitoreado.


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TUBO DE BOURDON (2)

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Secciones transversales de Tubos de Bourdon

para varios rangos de presin.


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TUBO DE BOURDON (3)

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Principales tipos de elementos flexibles de medicin.


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TIPOS DE SELLOS

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TRANSDUCTOR MAGNETICO (1)

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De Inductancia Variable

Consta de (1) un dispositivo

sensor de presin, (2) una

bobina, y (3) un ncleo

magntico.

El sensor est vinculado me-

cnicamente al ncleo, y al

aplicarse presin al sensordicho ncleo se mueve den-

tro de la bobina.


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De Inductancia Variable

Al aplicar un voltaje de alter-na a la bobina, a medida queel ncleo se mueve, la induc-tancia de la bobina cambia.

La corriente a travs de labobina se incrementa alreducirse su inductancia.

Precisin: 1%


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De Reluctancia Variable

Al desplazarse el ncleo magntico,

se produce un cambio en el valor de

la reluctancia; lo cual modifica la

intensidad del flujo magntico que

interacta con el electroimn (que a

su vez, es energizado mediante una

fuente externa de tensin).

No existe contacto fsico entre el

ncleo magntico y el electroimn,por lo que no existe rozamiento, yse elimina as la histresismecnica.

Precisin: 0,5%


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TRANSDUCTOR CAPACITIVO

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Tpicos rangos de medida

Desde: 0,05-5 bar.Hasta: 0,5-600 bar.

Precisin

Desde: 0,2 %.Hasta: 0,5 %.

Al someter a presin

al instrumento, se

modifica la distancia

entre las placas que

componen el capa-citor; lo cual modi-

fica su capacitancia

y la seal de salida.


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MEDICION DE CAUDAL

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MEDIDORES DE CAUDAL (1)

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PLACAS-ORIFICIO

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Precisin:

1% a 2%


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PLACAS ORIFICIO(Disposicin de las Tomas de Presin Diferencial)

28La presin diferencial es proporcional al cuadrado del caudal.


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PLACAS ORIFICIO

(Disposicin de las Tomas de Presin Diferencial)

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La opcin d se emplea cuando se desea ampliar el rango demedida de un medidor de caudal determinado. En ese caso, lastomas de presin estn situadas en un lugar menos sensible a la

medida.


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PRESION DIFERENCIAL CREADA

POR LA PLACA-ORIFICIO

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TOBERA

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Precisin:

0,95% a 1,5%

Justificacin de empleo: Permite caudales un 60% superiores a los

de la placa-orificio, operando en las mismas condiciones deservicio.

Su prdida de carga es del 30% al 80% de la presin diferencial.


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TUBO VENTURI

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Precisin:

0,75%

Justificacin de empleo: Permite caudales un 60% superiores a los

de la placa-orificio, operando en las mismas condiciones deservicio.

Su prdida de carga es del 10% al 20% de la presin diferencial.

Permite la

presencia de un

porcentaje

relativamente

elevado deslidos.


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TUBO VENTURI

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Principio de funciona-miento basado en la

teora desarrollada enel temario de Mecnica

de Fluidos.


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ENDEREZADORES DE VENAS

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Para el clculo de placas-orificio, toberas, y tubos Venturi, se empleanuna serie de normas.

En ellas se indican las prdidas de carga de los elementos, y lascondiciones de instalacin en tramos rectos de las tuberas, con distancias

mnimas a codos, curvas, vlvulas, etc.

Cuando estas condiciones de distancia son crticas, se utilizan dispositivosllamados enderezadores de venas, para lograr un rgimen laminar delfluido, con lo cual se puede reducir el espacio recto necesario.


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OBJETIVOS DEL MANIFOLD

Facilitar el mantenimiento, reparacin, y reemplazo del

transmisor o sensor de presin diferencial, sin interrumpir

el proceso.

Permitir igualar las presiones en las dos cmaras del

instrumento (de alta y baja presin), durante la puesta en

marcha de la instalacin.

Simplificar la calibracin peridica de los instrumentos

medidores de presin.

Facilitar la recoleccin de fluidos que no pueden ser

liberados al medio ambiente, ya sea por su costo, escasez,

toxicidad, accin corrosiva, etc.

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ESQUEMA DE MANIFOLD


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ESQUEMA DE MANIFOLD(7 Vlvulas)

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El cierre de la vl-

vula de alta presinPH, y luego la aper-

tura de la vlvula de

bypass B; permite la

verificacin del cero

del instrumento, conel sistema trabajando

a su presin nomi-

nal.

ESQUEMA DE MANIFOLD


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ESQUEMA DE MANIFOLD(Para Lquidos)

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ESQUEMA DE MANIFOLD


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ESQUEMA DE MANIFOLD(Para Vapor)

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ESQUEMA DE MANIFOLD


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ESQUEMA DE MANIFOLD(Para Gas)

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TUBO PITOT


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TUBO PITOT

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Mide la diferencia entre la presin total (Pt) y la presin esttica (Pe), es

decir, la presin dinmica (Pd), la cual es proporcional al cuadrado de

la velocidad del fluido.

Empleado con lquido, vapor y gas.

Pt = Pe + Pd

TUBO PITOT


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Donde:

Pe: Presin esttica absoluta en el fluido.

Pt: Presin de impacto (o total absoluta) en el

punto donde el fluido anula su velocidad.

V1: Velocidad del fluido en el eje de impacto.

: Densidad del fluido.

TUBO PITOT

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Su ecuacincorrespondiente

es la siguiente:

2

t e 1P P V2

= +

TUBO PITOT


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TUBO PITOT

42

De la ecuacin anterior

se puede deducir la

siguiente:

Para tener en cuenta la irregular distribucin de velocidades, la

rugosidad de la caera, etc., se introduce un coeficiente de velocidad

C, con lo cual resulta:

( )1 t e2V P P=

( )1 t e2

V C P P=

TUBO PITOT


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La mxima exactitud en la medicin final se logra realizando varias mediciones en

puntos preseleccionados de la caera, y promediando las races cuadradas de las

velocidades medidas.

Su precisin en la medicin es baja, del orden de 1,5% - 4%, y se emplea

normalmente para la medicin de grandes caudales de fluidos limpios, con una baja

prdida de carga.

Desventaja: Baja amplitud en la seal de salida (poco potente).

TUBO PITOT

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Es muy importante que el

tubo Pitot se emplee bajo

condiciones de flujo laminar,

(por ello se lo coloca en

extremos rectos de caeras).

Esto se debe a que el tubo

Pitot es muy sensible a

variaciones en la distribucin

de velocidades en la seccin

de la caera.

TUBO ANNUBAR Es una innovacin del tubo


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TUBO ANNUBAR

44

Es una innovacin del tuboPitot. Tambin cuenta con

dos tubos: (1) el de presintotal, y (2) el de presin es-ttica.

El tubo que mide la presin

total est situado a lo largode un dimetro transversalde la tubera, y consta devarios orificios de posicincrtica, determinada me-

diante clculos.

Cada orificio cubre la pre-sin total en un anillo de

rea transversal de la tube-ra. Estos anillos tienenreas iguales.

TUBO ANNUBAR


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TUBO ANNUBAR

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En tuberas de tamaomayor que 1, se sita enel interior del tubo depresin total otro tubo quepromedia las presiones

obtenidas en los orificios.

As se efecta un prome-diado de reas de los ori-

ficios.

El tubo que mide la presinesttica se encuentradetrs del de presin total,con su orificio en el centrode la tubera y aguas abajode la misma.

TUBO ANNUBAR


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TUBO ANNUBAR

46

El tubo Annubar es demayor precisin que el

tubo Pitot, del orden del1%.

Tiene una baja prdidade carga, y se emplea

para la medida depequeos, o grandescaudales de lquidos, yde gases

ROTAMETROLos rotmetros


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ROTAMETRO

47

son medidores de

caudal de rea

variable, en los

cuales un flotador

cambia de

posicin dentro de

un tubo, en forma

proporcional al

flujo del fluido.

TIPOS DE ROTAMETRO


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TIPOS DE ROTAMETRO

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MEDIDOR DE TURBINA


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MEDIDOR DE TURBINA

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Los medidores de turbina consisten en un rotor quegira (debido al paso del fluido) con una velocidad

directamente proporcional al caudal.

MEDIDOR DE TURBINA


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50

La velocidad del fluido

ejerce una fuerza de

arrastre en el rotor.

La diferencia de presiones

debida al cambio de rea

entre el rotor y el cono

posterior ejerce una fuerza

igual y opuesta.

As el rotor est equili-

brado hidrodinmicamentey gira entre los conos

anterior y posterior sin

necesidad de utilizar roda-

mientos axiales, evitando

as un rozamiento que ne-

cesariamente se produ-

cira.

MEDIDOR POR ULTRASONIDO


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MEDIDOR POR ULTRASONIDO

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Miden el caudal por

diferencia de veloci-

dades del sonido, al

propagarse este en elsentido del flujo del

fluido y en el sentido

contrario.

Los sensores estn

situados en una tu-

bera, de la que se

conocen el rea y el

perfil de velocidades.

MEDIDOR MAGNETICO DE CAUDAL


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La circulacin del lquido genera una seal que es captada por electro-dos rasantes con la superficie interior del tubo, y diametralmenteopuestos.

Realmente, la nica zona del lquido en movimiento que contribuye a lageneracin de la f.e.m. es la que une en lnea recta a los dos electro-dos.

f.e.m.=KBlv

De acuerdo a la

ley de Faraday:


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MEDICION DE NIVEL

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MEDICION DE NIVEL


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(Mediante Elemento Flotador)

54

MEDICION DE NIVEL


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(Mediante Elemento Flotador)

55

MEDICION DE NIVEL


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(Mediante Manmetro)

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MEDICION DE NIVEL


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(Mediante Burbujeo)

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MEDICION DE NIVEL


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(Mediante Ultrasonido)

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Provee indicacin discreta de nivel.

Solo detecta si el material seencuentra al nivel de los sensores,o no.

Detectordiscontinuo

todo-nada.

Provee indicacin continua de nivel.

La fuente de ultrasonido y elreceptor se encuentran situados enel mismo dispositivo.


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MEDICION DE

TEMPERATURA

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MEDICION DE TEMPERATURA


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(Campo de Medida de los Sensores)

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MEDICION DE TEMPERATURA(T Bi li )


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(Termmetro Bimetlico)

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MEDICION DE TEMPERATURA(T t Ti B lb )


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(Termmetro Tipo Bulbo)

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MEDICION DE TEMPERATURA(S d d R i t i T i t i )


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(Sondas de Resistencia o Termoresistencias)

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Pt100: Resistencia de 100 a 0 oC.

Pt1000: Resistencia de 1000 a 0 oC.

MEDICION DE TEMPERATURA(Ci it d M di i P t d Wh t t )


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(Circuitos de Medicin Puentes de Wheatstone)

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Las configuraciones de 2, 3, y 4 hilos se

emplean para compensar variaciones enla resistencia de las lneas de conexin.

La configuracin de 4 hilos es la msprecisa y se emplea en laboratorios.

MEDICION DE TEMPERATURA(Termopares o Termocuplas)


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(Termopares o Termocuplas)

A pesar de la gran variedad de sensores detemperatura, la termocupla permanece

siendo muy empleada, debido a las

siguientes propiedades:

Versatilidad.

Simplicidad.

Facilidad de empleo.

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Justificacin de Empleo



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Una termocupla est constituda por un parde alambres conductores y termoelctrica-

mente diferentes; los cuales estn unidos en

una juntura.

Sus dos alambres son los termoelementos.



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Su funcionamiento se basa en el efecto descubiertopor Seebeck en 1821. El cual consiste en la circula-

cin de corriente a travs de un circuito formado

por dos metales diferentes; cuyas uniones (la juntade medicin o junta caliente, y la junta de referen-

cia o junta fra) se encuentran a distintas tempera-

turas.



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La circulacin de corriente se debe a dosefectos termoelctricos combinados:

El efecto PELTIER.

El efecto THOMSON.

MEDICION DE TEMPERATURA(El Efecto PELTIER)


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(El Efecto PELTIER)

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El efecto Peltier provoca la generacin o absorcin

de calor en la unin de dos metales distintos, cuandouna corriente elctrica circula a travs de ella.

MEDICION DE TEMPERATURA(El Efecto THOMSON)


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El efecto Thomson consiste en la generacin oabsorcin de calor, cuando una corriente elctricacircula a travs de un metal homogneo, que estsometido a un gradiente de temperaturas.

(El Efecto THOMSON)

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MEDICION DE TEMPERATURA(Efectos Seebeck Peltier Thomson)


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(Efectos Seebeck-Peltier-Thomson)

De los tres, solo el efecto Seebeck convierte energa trmica enelctrica; lo cual resulta en un voltaje generado por latermocupla, que es aplicado al circuito de medicin.

Los efectos Peltier y Thomson (que dependen de la corriente),son insignificantes en aplicaciones termomtricas prcticas.

Contrario a lo que habitualmente se cree, ni el efecto Peltier ni elThomson producen voltaje. Solo ayudan a la redistribucin decalor a travs del circuito, mediante la circulacin de corriente.

El voltaje generado por el efecto Seebeck, incluso aparece encondiciones de circuito abierto, mientras que los efectos Peltier yThomson se desvanecen al no haber corriente circulante.

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MEDICION DE TEMPERATURA(Tipos de Termocuplas)


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(Tipos de Termocuplas)

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T: Cu(+) vs constantn (-).

J: Fe(+) vs constantn (-).

E: 10% Ni/Cr(+) vs constantn(-).

K: 10% Ni/Cr(+) vs 5% Ni/Al/Si(-).

Ry S: Pt/Rh(+) vs Pt(-).

B: 30% Pt/Rh(+) vs 6% Pt/Rh(-).

MEDICION DE TEMPERATURA(Tpicos Montajes de Termocuplas)


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(Tpicos Montajes de Termocuplas)

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TIPOS DE TERMOCUPLAS(Tipo T)


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(Tipo T)

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Cu(+), constantn (-).

Resistentes a la corrosin en atmsferashmedas, y apropiadas para la medicin de

temperaturas por debajo del 0 oC.

Su uso en aire, en un ambiente oxidante, est

restringido a los 370 oC, debido a la oxidacin del

termoelemento de cobre.

Constantn: 55% de cobre y un 45% de nquel (Cu55Ni45).

TIPOS DE TERMOCUPLAS(Tipo J)


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(Tipo J)

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Fe(+) vs constantn (-).

Apropiadas para operar en vaco (sin presin), en ambientes

oxidantes, reductores, o inertes dentro del rango de temperatura

que va desde el 0 oC hasta los 760 oC.

Alta velocidad de oxidacin del termoelemento de hierro porencima de los 540 oC, en ese caso se recomienda el uso de hilos de

gran dimetro para prolongar su vida til.

No se recomienda su uso a temperaturas por debajo del 0 oC,

debido a que la oxidacin, y la fragilidad del termoelemento de

hierro la hacen menos deseable que a la termocupla de tipo T.

TIPOS DE TERMOCUPLAS(Tipo E)


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(Tipo E)

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10% Ni/Cr(+) vs constantn(-).

Rango de temperaturas recomendado, en ambientes oxidantes oinertes, desde los -200 oC hasta los 900 oC.

Apropiadas para la medicin de temperaturas por debajo del

0 oC. Puesto que no estn sujetas a la corrosin en atmsferas

hmedas.

Cuando se las compara con los dems tipos de termocuplas, soncapaces de generar la mayor fuerza electromotriz por grado de

temperatura. Muchas veces, esto justifica su empleo.

TIPOS DE TERMOCUPLAS(Tipo K)


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(Tipo K)

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10% Ni/Cr(+) vs 5% Ni/Al/Si(-).

Recomendadas para su uso en ambientes oxidantes o inertes, en

el rango de temperaturas desde los -200 oC hasta los 1260 oC.

Dada su resistencia a la oxidacin, a menudo se emplean a

temperaturas superiores a los 540 oC.

No pueden ser empleadas en atmsferas reductoras, sulfurosas,

y en el vaco.

TIPOS DE TERMOCUPLAS(Tipo R y S)


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(Tipo R y S)

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Ry S: Pt/Rh(+) vs Pt(-).

Recomendadas para su uso continuo en atms-

feras oxidantes o inertes, en el rango de tem-

peraturas desde el 0 oC hasta los 1480 oC.

TIPOS DE TERMOCUPLAS(Tipo B)


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(Tipo B)

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30% Pt/Rh(+) vs 6% Pt/Rh(-).

Recomendadas para su uso continuo en atmsferas oxi-dantes o inertes, en el rango de temperaturas desde los

870 oC hasta los 1700 oC.

Apropiadas para su uso en vaco, por cortos perodos detiempo.

Desaconsejadas para su uso en atmsferas reductoras que

contienen vapores metlicos y no metlicos.

No deben insertarse en termopozos o tubos metlicos.

MEDICION CON TERMOCUPLA(Circuito de Conexin)


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A) Empleo de una termocupla tipo J.B) Termmetro de termocupla con un sensor de temperatura

de referencia (semiconductor LM35DZ).

MEDICION DE TEMPERATURADetectores de Temperatura Resistivos (RTD)


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A. Hilo bobinado sobre sopor-

te de vidrio o cermica y

sellado con vidrio fundido.

B. Helicoide de hilo de platino

insertado dentro de un ci-

lindro cermico.

C. Depsito de pelcula de

platino sobre un sustrato

de material cermico.

El RTD de pelcula es de mnima masa; y por lo tanto, es al-tamente resistente a las vibraciones, y presenta una mayorvelocidad de respuesta que un sensor de hilo bobinado.



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82

Funcionamiento basado enel aumento de la resisten-cia elctrica de los mate-riales conductores, cuando

se incrementa su tempera-tura.

El material resistivo puedeser platino, nquel, o co-

bre. El ms comnmenteempleado es el platino.

Razones: Insuperable es-tabilidad, linealidad a tra-

vs de un amplio rango detemperaturas, y repetitivi-dad en las mediciones.

Coeficiente de Temperatura del Platino

= 0,003902 /C.

La medicin de temperatura se efecta enforma indirecta, mediante la medicin deresistencia.



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83

Circuito de Conexionado conTres Hilos

El puente est balanceado (Vo=0) cuando:

R1 + R3 + A + C = R2 + B + RTD + C

Si: R1=R2, entonces:

R3 = RTD A + B

Si: A=B, entonces:

R3

= RTD

La influencia introducida

por los cables de conexio-

nado se reduce a la dife-

rencia de resistencias en-

tre los cables A y B.

MEDICION DE TEMPERATURA(Consecuencias del Autocalentamiento de los RTDs)


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El proceso de autocalentamiento de los RTDs es unafuente de error a considerar.

La medicin del voltage entre los terminales de un RTD(producido por el pasaje de una corriente), genera calorque provoca un desvo en la temperatura leda, conrespecto al valor real.

La magnitud del error en la medicin se incrementaconjuntamente con el tamao y la resistencia del RTD.

Dicho error puede ser reducido, mejorando la disipacinde calor, y reduciendo (o eliminando) el flujo de corrientea travs del RTD (balance del circuito).

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MEDICION DE TEMPERATURA(Termistores)


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Son sensores de xido metlico, fa-bricados en la forma de:

Gotas.

Barras.

Cilindros.

Pelculas gruesas.

Son sensores de temperatura absolu-ta. Brindan un valor de temperaturareferenciado respecto de cierta escalade temperatura absoluta.

85

Termistores axial y radial encapadoscon vidrio.

Los termistores se dividenen dos grandes grupos:

PTC: Coef. de temp.positivo.

NTC: Coef. de temp.negativo.

MEDICION DE TEMPERATURA(Termistores)


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PTC: Incrementan su resistencia conel aumento de su temperatura.

NTC: Reducen su resistencia con el

aumento de su temperatura.

Por no brindar una respuesta en unrango de medicin muy amplio, solose los emplea en rangos de variacin

acotados, (donde su respuesta puedeconsiderarse bastante lineal).

Es recomendable que su operacinest excenta de autocalentamiento,

por ello se trata de que operen conun mnimo nivel de potencia consu-mida.

86

Permiten inferir el valor de

temperatura a travs de la

medicin de su resisten-

cia, en un circuito acon-dicionador de seal (tal

como un puente de

Wheatstone).

MEDICION DE TEMPERATURA(Respuesta Comparativa)


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87

Comparacin entre termistores

(PTC y NTC) y RTD.


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SISTEMAS DE CONTROL

88

SISTEMAS DE CONTROL(Nociones Bsicas)


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Nuclear.

Elctrica.

Electrnica.

Acstica.

Robtica.

Ciberntica.

Mecnica.89

La aplicacin de los sistemas de control no se encuentralimitada a una disciplina ingenieril en particular, sino quees aplicable por igual a la ingeniera:

Aeronutica.

Ambiental.

Civil.

Hidrulica.

Biomdica.

Software.

Etc.

SISTEMAS DE CONTROL(Modelo Manual para la Regulacin de Nivel)


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90

SISTEMAS DE CONTROL(Justificacin de su Empleo)


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Alta velocidad de respuesta.

Gran precisin en la regulacin de la sealcontrolada.

Capacidad de brindar servicio en formaininterrumpida.

Inmunidad a ambientes txicos, ruidosos, etc.

En general, brindan una operacin econmica.

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SISTEMAS DE CONTROL(Tipos)


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Continuos.

Discretos (On-Off).

Analgicos.

Digitales.

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LAZO ABIERTO. LAZO CERRADO.

SISTEMAS DE CONTROL(Modelo Genrico de un Regulador de Temperatura Ambiental)


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93

En la prctica algunos componentespodran estar fusionados.

SISTEMAS DE CONTROL(Regulador del Nivel de un Tanque)


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El transmisor de nivel (TRN)genera una seal analgica(4-20 mA), que corresponde

a niveles entre el 0% y el100%, respectivamente.

Vincula al proceso con elsistema de control.

Ejemplo de sistema decontrol de lazo cerrado conrealimentacin negativa.



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95

El controlador indicador denivel (CIN) compara la sealrecibida con un valor de

referencia, y amplifica ladiferencia entre ambos.

En este caso, la accin decontrol requerida es inversa.

Al aumentar la presin en eltransmisor de nivel, lapresin en el diafragma dela vlvula se debe reducir.



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96

El transductor (TRD)transforma la seal elc-trica, proveniente delCIN, en una seal neu-mtica que se aplica al

diafragma de la vlvula.


Di d Bl


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97

Diagrama de Bloques



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R: Valor de set point o referencia.

E: Error (desviacin con respecto al set point).

G: Ganancia del lazo de avance (incluye al controlador, vlvula, etc.)

H: Ganancia del lazo de realimentacin (representa al transmisor).

B: Seal realimentada.

C: Variable controlada (nivel del tanque, en este caso).

98

Esquema simplificado que

no contempla la existenciade perturbaciones.

SISTEMAS DE CONTROL(Control por Turbina o Turbina Dominante)


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99

Segn los requisitos de potencia por parte de la red, el regulador de

torque de la turbina modifica el grado de apertura de la vlvula de vapor.

Cambios en el flujo de vapor, tienden naturalmente a modificar la pre-

sin en el generador de vapor (parmetros inversamente relacionados).

El sistema de control del reactor ajusta su potencia, mediante el cambiode posicin de las barras de control, para mantener la presin en el ge-

nerador de vapor en su valor de consigna.

Modo deoperacin

preponderanteen la CNA I.

SISTEMAS DE CONTROL(Control por Reactor o Reactor Dominante)


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100

El valor de consigna es el nivel de potencia generado por el reactor nuclear.

Las diferencias del nivel de potencia generada por el reactor nuclear, conrespecto al valor de consigna, son reducidas/eliminadas mediante la regulacin de

la posicin de las barras de control .

Cambios en el nivel de potencia del reactor tienden naturalmente a modificar la

presin en el generador de vapor (parmetros directamente relacionados).

Para mantener la presin en el generador de vapor en su valor de consigna, el

regulador de presin modifica el flujo de vapor inyectado a la turbina; y

consecuentemente, la potencia entregada por esta al generador elctrico.


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CONFIABILIDAD

(Nociones Bsicas)

101

CONFIABILIDAD(Definiciones)

L fi bilid d t ti i d


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La confiabilidad es una caracterstica propia de un

dispositivo, expresada por la probabilidad de que dicho

dispositivo lleve adelante la tarea asignada, bajo cier-

tas condiciones, durante un determinado intervalo detiempo.

Desde un punto de vista cualitativo, se puede definir a

la confiabilidad como la habilidad de un dispositivo

de permanecer funcional.

La confiabilidad especifica la probabilidad de que NO

ocurrirn interrupciones operacionales durante cierto

intervalo de tiempo.

102

CONFIABILIDAD(Vnculo con las Condiciones Operativas)


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Las condiciones operativas ejercen una influ-

encia importante sobre la confiabilidad; y porlo tanto, deben ser especificadas detallada-

mente.

Por ejemplo: La experiencia muestra que latasa de falla de semiconductores se duplica, al

producirse un incremento de la temperatura

desde los 10 oC hasta los 20 oC.

103

NOCION DE FALLA (1)

U f ll d di iti d j


104/135

Una falla ocurre cuando un dispositivo deja

de cumplir con la funcin solicitada.

Por consiguiente, una falla es el estado de

un dispositivo, que es originado por un

defecto o rotura.

Las fallas NO son la nica causa por la cual

un dispositivo puede salir de servicio.

104

NOCION DE FALLA (2)


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Falla es el trmino general empleado para definir la

puesta fuera de servicio de un dispositivo, que NOes causada por los siguientes factores:

Acciones de mantenimiento preventivo.

Otras acciones planeadas con anticipacin.

Falta de recursos externos.

105

NOCION DE FALLA (3)

El tiempo libre de falla es, en general, una variablealeatoria A menudo es razonablemente largo pero


106/135

aleatoria. A menudo es razonablemente largo, pero

tambin puede ser muy corto.

Adems de considerar su frecuencia relativa de ocu-

rrencia, las fallas pueden clasificarse de acuerdo a

los siguientes parmetros:

Modo.

Causa.

Efecto. Mecanismo.

106

NOCION DE FALLA (4)

Modo: El modo de una falla es el sntoma


107/135

Modo: El modo de una falla es el sntoma

(efecto local), por el cual se nota dicha falla.

Por ejemplo:

Componentes electrnicos abiertos, en corto, o

con deriva en sus valores nominales.

Componentes mecnicos con rotura quebradiza,

fisuras, fatiga, etc.

107

NOCION DE FALLA (5)

Causa: Puede ser intrnsica o extrnseca.


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Intrnsica por debilidad o desgaste.

Extrnseca por mal uso, o por errores en el diseo

y/o produccin.

Las causas extrnsecas, a menudo, conducen a fallas

sistemticas que son determinsticas, y pueden

considerarse como defectos.

De existir, los defectos estn presentes a t=0.

Las fallas ocurren luego de cierto tiempo de funcio-

namiento (incluso si el tiempo hasta que ocurre lafalla es corto), como puede darse en el caso de

fallas sistemticas o fallas tempranas.108

NOCION DE FALLA (6)

Efecto: El efecto (consecuencia) de una falla es general-

mente diferente, segn se considere sobre el dispositivo


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mismo o a un nivel ms alto (el sistema). Una clasificacin

comn es:

Irrelevante.

Parcial.

Completo.

Falla crtica.

Adems, como una falla puede provocar fallas adicionales

sobre un dispositivo, se puede efectuar la siguiente distincin:

Falla primaria.

Falla secundaria.

109

NOCION DE FALLA (7)

Mecanismo: Puede ser fsico, qumico, uotros procesos que resulten en una falla


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otros procesos que resulten en una falla.

Adems, las fallas pueden clasificarse en

repentinas, y en graduales.

Las fallas repentinas y totales son

denominadas fallas catalpticas (ocatastrficas), y

Las fallas graduales y parciales son

denominadas fallas por degradacin.

110

NOCION RIESGO(Curva de la Baera)


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111

Curva que representa elriesgo de falla vs. el tiempo.

La zona I representa el perodo de mortalidad infantil, all el

riesgo de falla decae rpidamente con el tiempo.

Las fallas en esta fase, generalmente, se atribuyen a falencias

(distribuidas en forma aleatoria) de los materiales, componentes, o

procesos de produccin.



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112


La zona II representa el perodo de operacin normal (con fallas

aleatorias), donde el ndice de fallas permanece aproximadamente

constante, y estas pueden ocurrir a cualquier edad.

Fallas en este perodo, a menudo son catalpticas.



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113


Por ltimo, la zona III representa el perodo de desgaste (con fallas

por envejecimiento), que se caracteriza porque el ndice de fallas

aumenta a medida que transcurre el tiempo.

Las fallas en este perodo se atribuyen a la edad, al desgaste, a la

fatiga, etc.


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DIAGRAMA DE BLOQUES DECONFIABILIDAD

(DBCs)

114

DIAGRAMA DE BLOQUES DE CONFIABILIDAD

(DBCs)

E di d t d l t


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115

Es un diagrama de eventos que responde a la pregunta:

Qu elementos del sistema en consideracin son necesarios

para llevar a cabo la misin requerida, y cuales pueden fallar

sin afectar a la misma?

El diseo de un DBC requiere la particin del sistema analizado

en elementos con tareas claramente definidas.


(DBCs)


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116

Los elementos que son necesarios para la misin requerida seconectan en serie, mientras que los elementos que pueden

fallar, sin alterar la ejecucin de dicha funcin, se conectan en

paralelo (redundancia).

Nociones sobre redundancia se exponen en pantallas

futuras.


(DBCs)


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117

El orden con que se incluye a los elementos en serie no tiene

importancia.

Al disear el DBC se debe tener en cuenta que solo dos

estados son posibles para los bloques: (1) en buen estado, o

(2) fallado.

Notar que un DBC difiere de un diagrama de bloques funcional

(DBF), puesto que uno o ms elementos de un sistema pueden

aparecer ms de una vez en un DBC; mientras que el elemen-

to correspondiente est fsicamente presente solo una vez en el

sistema analizado.


(DBCs)


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118

Para resaltar la fuerte dependencia provocada por

esta condicin, es til emplear otra forma (que nosea un rectngulo) para esos elementos.

Para evitar confusin, cada elemento fsicamente

diferente debe poseer su propio nmero, que no

puede ser compartido por otro elemento.


(Ejemplo)

Algunos elementos se emplean para cumplir dos tareas


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119

distintas (E1 y E2), segn los siguientes DBCs.

Provea el DBC para el caso en que ambas tareas serequieran en forma simultnea, en una tarea nica.


(Ejemplo)

La ejecucin simultnea de ambas tareas requiere la


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120

conexin en serie de los DBCs anteriores. Aqu es posible

una simplificacin del elemento E1.


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REDUNDANCIA(Nociones Bsicas)

121

CONCEPTO DE REDUNDANCIA


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122

Alta confiabilidad, disponibilidad, y/o seguridad al

nivel de equipo o sistema, a menudo solo puedealcanzarse con la ayuda de redundancia.

La redundancia consiste en la existencia de ms de

un medio para ejecutar una tarea requerida.


La redundancia no implica simplemente la dupli


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123

La redundancia no implica simplemente la dupli-

cacin del hardware o equipos, puesto que tambin

puede implementarse mediante cdigos de software.

Sin embargo, para evitar fallas de modo comn, los

elementos redundantes deberan disearse y

producirse en forma independiente entre s.


Independientemente del modo de falla (por ej.:cortocircuito o circuito abierto), la redundancia


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124

aparece siempre en paralelo en el DBC.

Desde el punto de vista operativo, la redundancia se

puede clasificar en:

Redundancia activa (o en caliente).

Redundancia en tibio.

Redundancia en standby (en fro o descargada).

CONSECUENCIAS DE LA REDUNDANCIA

Mayor costo de inversin.


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125

Mayor peso y volumen de los equipos.

Requisito de mayor stock de repuestos.

Mayores requisitos de mantenimiento preventivo.

Mayor consumo de energa.

Mayor probabilidad de fallas en los dispositivos

(implica mayor inversin en mantenimientocorrectivo).

CLASIFICACION DE REDUNDANCIA (1)

Redundancia Activa (en caliente)


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126

Los elementos redundantes se someten, desde el

comienzo, a la misma exigencia que los elementos

operativos.

Es posible la demanda o solicitacin compartida.

La tasa de fallas en el estado de reserva es la

misma que en el estado operativo.


Redundancia en Tibio


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127

Los elementos redundantes se someten, desde el

comienzo, a una exigencia menor que los elemen-

tos operativos, hasta que uno de los elementos

operativos falla.

Es posible la demanda o solicitacin compartida.

La tasa de fallas en el estado de reserva es msbaja que en el estado operativo.


Redundancia en Standby


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128

Los elementos redundantes NO estn sometidos ademanda alguna, hasta que uno de los elementos

operativos falla.

NO es posible la demanda o solicitacin compartida.

La tasa de fallas en el estado de reserva se asume

igual a cero.


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MODOS PARALELOS(Breve Introduccin)

129

MODOS PARALELOS (1)

Un modo paralelo consiste en n elementos (a

menudo estadsticamente idnticos) en


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130

menudo, estadsticamente idnticos) en

condicin de redundancia activa, de loscuales k son necesarios para ejecutar la

tarea solicitada, y los restantes n-k estn en

reserva.

A dicha estructura se la denomina

redundancia k de n.

MODOS PARALELOS (2)

(Ejemplos)


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131

MODOS PARALELOS (3)

(Ejemplos)


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132

CORREO ELECTRONICO


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133

[email protected]

EPILOGO DEL CURSO

EL BUEN INSTRUCTOR ES AQUEL QUE CUANDOCULMINA SU TAREA, SUS ALUMNOS EXCLAMAN:


134/135

JA!!!, TODO ESTO LO APRENDIMOS SOLOS !!!

UN ULTIMO DESEO

TENGAN UNA EXISTENCIA PROLONGADA Y

FRUCTIFERA !!!

SG


135/135

FINContinuar ...?

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instrumentacion y control - sergio garcia

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