19. instrumentacion

7/25/2019 19. instrumentacion

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INSTRUMENTACION

Introduccin.En principio, todos los procesos industriales fueron controlados manualmente por el operador (hoy anexiste este tipo de control en muchas fbricas); la labor de este operador consista en observar lo que estsucediendo (tal es el caso de un descenso en la temperatura) y haca algunos ajustes (como abrir la vlvulade vapor), basado en instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimiento del proceso porparte del operador.

Este lazo - proceso a sensor, a operador, a vlvula, a proceso - semantiene como un concepto bsico en el control de procesos. En elcontrol manual, sin embargo, slo las reacciones de un operadorexperimentado marcan las diferencias entre un controlrelativamente bueno y otro errtico; ms an, esta persona estarsiempre limitada por el nmero de variables que pueda manejar.

Por otro lado, la recoleccin de datos requiere de esfuerzos mayorespara un operador, que ya est dedicando tiempo importante en laatencin de los procesos observados y que por lo tanto se encuentramuy ocupado como para escribir nmeros y datos, queevidentemente son necesarios para un mejor control sobre elproceso. Todo esto se puede conjugar en tener datos que puedenser imprecisos, incompletos y difciles de manejar.El control automtico a diferencia del manual, se basa endispositivos y equipos que conforman un conjunto capaz de tomardecisiones sobre los cambios o ajustes necesarios en un proceso

para conseguir los mismos objetivos que en el control manual pero con muchas ventajas adicionales. Esto

es, existen una serie de elementos que pueden integrarse a este conjunto para lograr cumplir con variasfunciones, algo que sera imposible de ser logrado por un operador con la precisin y eficiencia deseadas.

Ilustracin 2. Control automtico

Ilustracin 1. Sistema de control


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Instrumentos y equipos para el Control y Automatizacin de Procesos

Industrialmente, los instrumentos se utilizan para monitorear y controlar variables de procesos.Dependiendo del tipo de procesos, se seleccionan los componentes del mismo. A continuacin se muestraun diagrama en bloques de un sistema de control de lazo cerrado o realimentado. No es la nica forma de

controlar un proceso, pero va a servir para identificar las funciones de los principales instrumentos decampo y panel utilizados para medir y controlar variables industriales.

Aqu el proceso puede ser fsico o una reaccin qumica o conversin de energa. Existen distintos tipos dedisturbios que afectan las condiciones del proceso. Estos disturbios crean la necesidad de monitorear ycontrolar el proceso.

Ilustracin 3. Sistema de control realimentado

La variable controlada, es el parmetro que se desea controlar hasta el valor deseado o referencia (setpoint). El sensor mide el valor de la variable controlada y el transmisor, cambia este valor en una sealnormalizada que puede ser transmitida. Esta seal es recibida por distintos componentes, dependiendo dela funcin de los instrumentos en et sistema tales como registro, indicacin, control y activacin de alarmaso enclavamiento.

En el caso del controlador (en este caso un controlador de procesos), esta seal (variable medida) escomparada con el set point y la diferencia (desviacin) sirve para el elemento final de control (comnmenteuna vlvula) para ajustar el valor de la variable manipulada. Este ajuste, hace que el valor de la variablecontrolada se dirija hacia el de la referencia.

Desde luego, no todos los sistemas de control automtico tienen exactamente este modelo (llamado derealimentacin); existen variaciones como por ejemplo, l control prealimentado, el de cascada, el derango partido, combinaciones sobre stos, etc. basados en instrumentos de tecnologas antiguas omodernas; de todas estas tecnologas.


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Sensores.

Son los elementos que detectan o sensan cambios en el valor de la variable controlada. A menudo sedenominan elementos primarios y en algunos casos forman parte de un bloque con el llamado transmisor oaquel que recibe la salida del sensor y adapta esta seal con fines de transmitirla; a este conjunto se ladenomina transductor.

En general, la respuesta de un sensor determina cun bien se va efectuar la medicin, el registro o controlde una variable; y su seleccin es el resultado de conocer bien las caractersticas de un proceso. Algunas de

las caractersticas ms importantes de un sensor o transductor que definen la calidad de los mismos son laexactitud, linealidad, resolucin, etc. Otro aspecto importante es el denominado tiempo de respuesta otiempo necesario para que el dispositivo entregue la informacin final. En la medida que este retardo sepueda minimizar, se tendr un mejor control del proceso

Los retardos de medicin implican errores mientras el proceso est cambiando. La medicin no es slotarda, sino tambin inexacta, debido a que sigue cambiando, an teniendo ya una lectura disponible. Ams lentitud en la respuesta, ms inexactitud en la medicin cuando sea recibida. Un disturbio de cortaduracin, sin embargo, puede ser completamente indetectado si su duracin es corta comparada con elretardo de medicin. En ese caso, probablemente el disturbio tendr mnimo efecto en el proceso

La capacidad trmica de un sensor es funcin de su tamao, forma y material. La resistencia al flujo decalor, sin embargo, depende de la naturaleza del fluido y de su velocidad. Como ejemplo, la curva derespuesta de una termocupla expuesta colocada en un fluido a temperatura, es una curva exponencial quellega al 83% de su amplitud final en un tiempo menor que al de una termocupla dentro de un termopozo.La diferencia en retardo se debe a la mayor capacidad (aumento de masa) del segundo sensor. En general,para cualquier variable a ser medida, estas consideraciones acerca del tiempo de respuesta son gravitantesen la respuesta de los otros elementos e instrumentos que existen en un determinado sistema de control.


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Ilustracin 4. Termocupla dentro de un termopozo

Transmisores

Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a uninstrumento receptor, sea un indicador, un registrador, un controlador o una combinacin de estos. Existen

varios tipos de seales de transmisin: neumticas, electrnicas, hidrulicas y telemtricas. Las msempleadas en la industria son las electrnicas las cuales han ido reemplazando en el tiempo a lasneumticas como seales aplicadas a estos equipos; las seales hidrulicas se utilizan ocasionalmentecuando se necesita una gran potencia y las seales telemtricas cuando existen grandes distancias entre elsensor y el receptor.

Los transmisores neumticos generan una seal neumtica variable linealmente, de 3 a 15 psi (libras porpulgada cuadrada) para el campo de medida de 0 -100% de la variable. Esta seal normalizada fueadoptada en general por los fabricantes de transmisores y controladores neumticos en Estados Unidos. Enlos pases que utilizan el sistema mtrico decimal se emplea adems la seal 0,2-1 kg/cm2 que equivaleaproximadamente a 3-15 psi (1 psi = 0,07 kg/cm2). Las seales neumticas mencionadas son aplicadas en la

actualidad principalmente como seales de entrada a vlvulas de control o a sus posicionadores.

Los transmisores electrnicos generan varios tipos de seales elctricas de corriente continua y sealesdigitales. Entre las primeras, las ms empleadas son 4-20 mA y 0-20 mA y en panel 1 a 5 V. La sealelectrnica de 4 a 20 mA tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la distancia de transmisin y larobustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, est librede corrientes parsitas, emplea slo dos hilos que no precisan blindaje y permite actuar directamentesobre miliampermetros, potencimetros, calculadores analgicos, etc. sin necesidad de utilizarrectificadores ni modificar la seal. El "cero vivo" con el que empieza la seal (4 mA) ofrece las ventajas depoder detectar una avera por corte de un hilo (la seal se anula) y de permitir el diferenciar todava ms el"ruido" de la transmisin cuando la variable est en su nivel ms bajo.

Los transmisores electrnicos se pueden catalogar en analgicos y digitales. Los primeros basados en el usode amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundos en microprocesadores. Los transmisoresanalgicos estn hoy prcticamente en desuso y debido a su constitucin mecnica, presentan un ajustedel cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones.

La tecnologa actual, ha hecho que los transmisores electrnicos, no slo incorporen al sensor formando unsolo bloque, sino que adems, tengan posibilidades de control (PID) sobre el elemento final de control. Aestos transmisores se les denomina inteligentes. Los transmisores digitales tienen una serie de ventajas


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sobre los analgicos. Por otro lado, el empleo cada vez mayor de seales digitales en estos transmisoresdeterminar en algn momento la estandarizacin de un protocolo digital como lo ha sido hasta ahora laseal analgica de 4-20 mA.

Controladores

Tal como se ha comentado, el controlador es el que determina las acciones necesarias para mantener lasvariables de un proceso en el valor deseado (controlador de procesos) tambin puede ser aquel queasegura las secuencias necesarias de produccin en base a un programa preestablecido (PLC).

Un controlador de procesos ( regulador), puede ser definido como un dispositivo que compara el valor deuna variable medida (seal de entrada) al valor deseado (set point) para producir una seal de salida quemantenga el valor deseado de la variable y usa esa diferencia para manipular la variable controlada. Latecnologa de estos equipos ha variado desde neumticos, hidrulicos hasta electrnicos, que son losempleados actualmente.

Anteriormente, se mostr un tpico lazo de control automtico con los componentes bsicos: el elementode deteccin (sensor) el elemento de medicin (transmisor), el elemento de control (controlador oregulador) y el elemento final de control (vlvula u otro). Es de destacar que dos o ms de estos elementospueden estar formando un solo bloque, pero no es lo ms usual.

Ilustracin 5. Controladores Digitales

Durante muchos, aos se emplearon controladores neumticos actuando con las seales neumticas

estndares antes mencionadas. Actualmente, se utilizan mayoritariamente controladores electrnicosanalgicos y digitales. Los primeros, prcticamente ya no se fabrican (aunque todava se utilizan) y han sidoreemplazados por los ltimos, los cuales estn basados en microprocesadores, que otorgan muchas eimportantes posibilidades para el usuario y tienen definitivamente mayores ventajas que sus predecesores.


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Elementos finales de control

Son aquellos que finalmente responden, dentro de un lazo de control para realizar un cambio en la variablecontrolada. En la mayora de los procesos las vlvulas de control, son las usadas, si se trata de: controlarvariables como flujo, presin, nivel, temperatura o mezcla de componentes. La mayora de los flujos de

fluidos son controlados por vlvulas neumticas o elctricas, en otros casos se emplean bombas; paraservicios de gases a menudo se emplean vlvulas especiales y para slidos es comn hablar de fajastransportadoras alimentadas y con control de velocidad electrnico.

Ilustracin 6. Control de velocidad electrnico

Vlvula de control neumtica.

Dentro de este grupo se puede citar algunos dispositivos e instrumentos que realizan otro tipo de funcionescomo indicadores, registradores, conversores, alarmas e interruptores y elementos de funciones especiales.

En lo respecta a indicadores, se incluyen elementos que tienen escalas graduadas que pueden ser lineales ono; los indicadores pueden ser analgicos (con aguja indicadora o incluso con barras verticales de diferentecolor) o digitales que presentan la variable medida en forma numrica.

Los registradores proveen registros continuos de las variables medidas con respecto al tiempo, las cartasregistradoras, usan esencialmente las mismas escalas que los instrumentos indicadores, pero con unacoordenada adicional para indicar tiempo: pueden ser circulares o de cinta y tienen dimensiones variables.Las velocidades de registro varan desde varios minutos por revolucin hasta varios das por revolucin, enel caso de los registradores con carta circular y entre metros de segundo a centmetros por hora, para losde carta de cinta. Actualmente se dispone tambin de los llamados registradores inteligentes (basados enmicroprocesadores) que van mucho ms all de registrar las tendencias de las variables (es posible haceranlisis, reportes, etc.) siendo la tendencia a dejar de emplear papel y ms bien guardar los datos enmemoria (accin hasta hace poco realizada solamente por los llamados data loggers) y mostrarlos en unapantalla de cristal lquido (LCD) o a travs de una computadora.


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El desarrollo de controladores electrnicos cre la necesidad de contar con dispositivos que convirtiesenseales de un tipo de energa a otro y de un nivel de seal a otro, como el conversor de corriente a presinpara actuar sobre las vlvulas neumticas.

A menudo se requiere convertir seales de un nivel a otro, por ejemplo, sistemas electrnicos que recibenseales de 4 a 20 mA, para conectarse a transmisores que envan seales de 0 a 20 mA; en este caso seutilizara un conversor de corriente a corriente aunque ya hoy en da, esto constituye una opcin desoftware y no de hardware, como tambin ha sucedido con los extractores de raz cuadrada y otrosdispositivos de clculo debido al desarrollo de la tecnologa digital.

Las funciones de alarma e interrupcin, se utilizan ante condiciones anormales de un proceso. Losdispositivos empleados para estas funciones, pueden simplemente indicar o tambin realizar alguna accinde control. Adicionalmente, se pueden citar otros elementos que se usan en diversas aplicaciones, comopor ejemplo, temporizadores, vlvulas-solenoide, programadores, etc. cuyo uso va a depender del tipo decontrol y del proceso mismo.

Ilustracin 7. Tipos de vlvulas de control

La primera tarea de un sistema automatizado consiste en obtener la informacin del proceso que estcontrolando. El contar con dispositivos instrumentos que se encarguen entonces de medir correctamentelas variables; de estos procesos es fundamental para el ptimo control de los mismos.

Existen diversas variables cuyas formas de medicin son tambin muy variadas. Sin embargo se va a

describir principalmente las que son consideradas las ms importantes en la mayora de los procesosindustriales: presin, temperatura, nivel y flujo.

Medicin de presin

Existen varias formas de clasificar los elementos o dispositivos medidores de presin. Una de ellas, losdivide en aquellos denominados de balance de gravedad, los que emplean dispositivos de deformacinelstica y los que utilizan elementos que entregan una respuesta elctrica representativa de la presin


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medida. El tipo de presin que mayormente se mide en los procesos industriales es la denominada presinmanomtrica que es la que tiene como referencia o punto de partida a la presin atmosfrica. Para tal finse emplean medidores llamados manmetros cuyas escalas estn graduadas en diversas unidades. En latabla siguiente se puede comparar las unidades ms importantes:

Tabla 1. Comparacin de unidades de presin

Unidad psi Kg/cm2 bar Kpa H2O atm.

psi 1 0.07031 0.06894 6.89475 27.68 0.06805

Kg/cm2 14.2233 1 0.98067 98.06665 393.702 0.96785bar 14.5038 1.01971 1 100 401.465 0.98692

Kpa 0.14504 0.01019 0.01 1 4.01465 0.00987

H2O 0.03613 0.00252 0.00249 0.24909 1 0.00246atm. 14.696 1.03322 1.01325 101.325 406.784 1

Dispositivos de balance de gravedad

Miden presiones desconocidas, balancendolas en contra de la fuerza gravitacional de lquidos; a pesar deque son ms usados en laboratorio, encuentran aplicaciones en plantas industriales.

Dentro de los ms usados se encuentran los manmetros de tubo en "U", los de tubo inclinado, los decubeta y los de cubeta de tubo inclinado. En estos casos, el lquido manomtrico a utilizar es el mercurio,aunque el agua tambin se usa cuando se trata de medir presiones bajas. Adicionalmente a estosdispositivos, se tienen la de tipo flotador y aquellos con lquido de sello que poco a poco van siendodejados de lado por otros tipos de medidores.

Elementos de deformacin elstica

Son dispositivos que alteran su forma cuando son sometidos a presin. Dentro de estos, aparecen los tubosde Bourdon (en "C", en espiral y helicoidal), en donde la forma y tipo de material definen el rango deaplicacin; tambin, se utilizan los denominados diafragmas, cpsulas y fuelles, generalmente comn enmedicin de presiones relativamente ms bajas que para el caso de los tubos de Bourdon). Estos elementoshan sido los ms empleados en la fabricacin de manmetros.

Ilustracin 8. Manmetros


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TRANSDUCTORES ELCTRICOS DE PRESIN

Cualquiera de los dispositivos de deformacin elstica puede ser unido a un dispositivo elctrico paraformar un transductor elctrico de presin. Estos, producen cambios de resistencia, inductancia ocapacitancia. Dentro de los primeros se deben mencionar a las galgas extesisiomtricas (strain gagas). Una

galga extensiomtrica es simplemente un alambre muy fino formando una grilla la cual est pegada a unpapel especial. Cuando la grilla es afectada por la presin, ocurre un cambio de resistencia de acuerdo a lasiguiente frmula:

En donde es la resistividad del alambre, L la longitud del mismo y A, el rea de la seccin recta.

Este tipo de transductor puede ser usado para detectar pequeos movimientos y por lo tanto pequeoscambios de presin. Las galgas extensiometricas utilizan circuitos con puente de Wheatstone para obteneruna salida elctrica. Otro tipo de transductor similar emplea un disco elstico en el cual, el elemento de

deformacin es de silicio y est sellado en un fluido con silicona y protegido por un diafragma.

Ilustracin 9. Tipos de transductores

El sensor tipo capacitivoconsiste de dos placas1 conductivas y un dielctrico. A medida que aumenta lapresin, las placas tienden a apartarse, cambiando su capacitancia. El fluido que est midiendo, sirve dedielctrico.

Debido a que la medicin de nivel y de flujo requiere en algunos casos medir presin diferencial, este tipode presin es de gran importancia en los procesos industriales. Dentro de los dispositivos ms utilizados seemplean algunos cuya salida normalizada, los convierte en transmisores, sean neumticos o electrnicos.En ambos casos se trata de instrumentos en donde una cpsula de diafragma o sensor capacitivo sirve desensor primario radicando desde luego la principal diferencia en la estructura de salida (transmisin).

Medidores de temperatura

La temperatura es una variable, que a diferencia de otras, debe ser medida en trminos de los efectosindirectos que tiene sobre las propiedades fsicas de los materiales o en los cambios producidos en circuitos


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elctricos (voltaje o resistencia). Cambios como estos, deben relacionarse con fenmenos reproducibles enlaboratorio, tales como los puntos de ebullicin y congelacin del agua. Los puntos de calibracin enlaboratorios son a menudo basados en las temperaturas en las cuales existe un equilibrio lquido - vapor desustancias puras, como oxgeno, agua, sulfuro, plata y oro.

Medidores locales: Los Termmetros

Sobre un periodo de aos, por lo menos cinco escalas de temperaturas diferentes se han usado en lamedicin de esta variable. Las dos ms comnmente usadas, Fahrenreit y Centgrada, usan alcances (span)arbitrarios de 180F y 100C respectivamente para los puntos de ebullicin y congelacin del agua. Otrasdos escalas (RankSne y Keiwin) que tienen como referencia el cero absoluto.

Desde un punto de vista histrico, el primer dispositivo prctico para medir temperatura fue el termmetrode vidrio, es por eso que se empezar por l para examinar las diversas formas que existen para medirtemperatura.

Termmetros de Vidrio.- Las sustancias minerales se contraen o expanden una cierta cantidad porcada grado de cambio de temperatura. Este es el principio de la expansin trmica. Cuando se aplica calor aun termmetro de vidrio que contiene por ejemplo mercurio, ste se expande ms que el bulbo de vidrioque lo contiene. La diferencia en expansin, obliga al mercurio a subir por un tubo capilar en formauniforme con respecto al cambio de temperatura, de modo tal que con calibrar el tubo con unadeterminada escala, se tendr una lectura directa de la temperatura. Los termmetros con mercurio sepueden usar desde 33F a +800C. Sin embargo, para temperaturas muy bajas se utilizan termmetros quecontienen alcohol (-300C a +600C).

Termmetros Bimetlicos.- La operacin de estos dispositivos se basa en el principio de que los

metales diferentes tienen diferentes coeficientes de expansin trmica. Si dos aleaciones metlicasdiferentes son soldadas formando un espiral se tiene el elemento bimetlico. Cuando este conjunto escalentado, tiende a desarrollarse debido a la diferente expansin trmica de cada aleacin. Si se conecta unpuntero al espiral por medio de un eje, el puntero se mover e indicar la temperatura sobre una escalacircular calibrada.

Ilustracin 10. Termmetros Bimetlicos


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Sistemas trmicos de llenado

Uno de los sistemas ms antiguos para medir temperatura se basa en el uso de termmetros actuados porpresin, que utiliza sistemas "de llenado" (sistemas llenos con lquido, gas o vapor) que responden a lasvariaciones de temperatura. Todos los fluidos, sean lquidos, vapores o gases, se expanden cuando soncalentados y se contraen cuando son enfriados.

Este fenmeno se utiliza para expandir un elemento de presin, usualmente un tubo de Bourdon el cualtransmite el movimiento a un indicador o asociados a otros elementos para transmitir o registrar. Sonbsicamente sistemas sencillos y robustos que sin embargo han ido desapareciendo dejando su lugar aotros tipos de formas de medicin que veremos a continuacin.

Mtodos elctricos para medir temperatura

Existen varias formas de obtener una seal elctrica que represente a la temperatura medida. Dentro destas podemos sealar a los sistemas de medicin que emplean termocuplas, RTD y otros.

Las Termocuplas

La termocupla es una de los ms simples y comunes mtodos usados para determinar la temperaturade procesos. Cuando se requiere una indicacin remota o cuando se necesita desplegar la temperaturade varios puntos, este mtodo es el ms apropiado. En 1821 TJ. Seebeck descubri que cuando seaplicaba calor a la unin de dos metales distintos, se generaba una fuerza electromotriz, la cual puedeser medida en otra juntura (fra) de estos dos metales (conductores); estos conductores forman uncircuito elctrico y la corriente circula como consecuencia de laf.e.m.generada. Esto es vlido siemprey cuando las temperaturas en las dos uniones sean distintas.

Para una determinada combinacin de materiales, el voltaje de salida (en milivoltios) vara en

proporcin directa a la diferencia de temperatura entre dichas uniones o junturas. Para que la medidacorresponda a la temperatura real, la juntura fra (fsicamente localizada a la entrada del instrumentoreceptor) debe mantenerse constante, comnmente referida a cero grados centgrados. Para lograrhan aparecido en el tiempo varios mtodos, siendo actualmente utilizada la electrnica para tal fin. Lajuntura de medicin (unin caliente) desde luego, estar ubicada en el lugar en donde se requieremedir temperatura.

Ilustracin 11. Efecto Seebeck


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Para temperaturas moderadas (hasta alrededor de 260 C), combinaciones de hierro y cobre, hierro yconstantn (aleacin de cobre y nquel) son usadas frecuentemente. A altas temperaturas (hastaalrededor de 1640 C), los hilos son fabricados de platino o aleacin de platino y rodio.

A las termocuplas se les designa comnmente con una letra. As por ejemplo, una termocupla tipo J esde hierro / constantn (la barra de separacin es para indicar los materiales de cada hilo) y una de tipoK es de cromel / alumel (el cromel es una aleacin de cromo y nquel y el alumel es de aluminio ynquel).

Ilustracin 12. Termopozo (cortesa de mega)

Existen varias combinaciones usadas en la fabricacin de termocuplas y la seleccin adecuada de estossensores depende de su rango de utilizacin, salida en mV /C y los errores mximos en la medicin,

adems de las caractersticas mecnicas deseadas. Las termocuplas no siempre estn en contactodirecto con el proceso. A menudo se emplean elementos protectores que a la vez permiten removeruna termocupla sin interrumpir el proceso. Tal es el caso de los termopozos.

Los RTD's

Estos dispositivos cuyas siglas en ingls significan detectores resistivos de temperatura, han sido usadosdurante aos y an son muy populares en la actualidad. Se basan; en el aumento de resistencia de unhilo conductor con el incremento de la temperatura. La magnitud de este cambio con respecto alcambio de temperatura en l, se llama "coeficiente trmico de resistencia" del material conductor.

Para la mayora de metales puros, este es constante sobre cierto rango de temperatura. Por ejemplo, elcoeficiente del platino (a) es 0.00392 ohm / (ohm) (C) sobre un rango de 0C a 100C, teniendo unaresistencia de 100 ohmios para una temperatura de 0C, por lo que recibe el nombre de Pt -100. Para lamayora de conductores, el coeficiente mencionado (a) es positivo. Comnmente los materialesempleados incluyen platino, nquel, cobre, nquel - hierro y tungsteno. Entre todos ellos, el platino es elms usado debido a su caracterstica lineal sobre la mayor parte de su rango; tambin el nquel, por sugran coeficiente de resistencia, aunque no tiene una caracterstica lineal. Para el Pt -100, se puedeutilizar la siguiente frmula: para obtener la respuesta aproximada del sensor para una temperaturadada:


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Debido al dimetro tan pequeo del hilo utilizado en estos RTD (0.05 mm), su construccin incluyeblindajes protectores contra choques mecnicos. A menudo las sondas de resistencia se fabrican contres o cuatro hilos de salida con fines de eliminar los efectos de cambio de resistencia en los hilos deextensin por cambios de la temperatura ambiente. Los circuitos de medicin comunes empleanpuentes de Wheatstone.

Ilustracin 13. Tipos de RTD's

Termistores

Son semiconductores hechos de carbn, germanio, silicio y mezclas de ciertos xidos metlicos, queexhiben coeficientes de temperaturas elevadas, usualmente negativos (NTC). Su caracterstica es nolineal y exhiben los cambios ms grandes en rangos de temperatura criognicos por debajo de 100K.Su resistencia es una funcin de temperatura absoluta. Las precisiones de estos dispositivos varan conel rango de temperatura. Por ejemplo, un sensor de germanio puede tener una variacin de + 0.005Ksobre un rango criognico de 1.5 a 5K y de 0.1K sobre un rango de 40 a 100K. Esto incluso puedevariar con el tiempo de uso del sensor.

Adicionalmente, al uso de los termistores como dispositivos de temperatura, se usan en regulacin devoltaje, control de nivel de potencia, compensacin de otros sensores de temperatura, control detemperatura y como detectores en analizadores.

Sensores de estado solido

Son pequeos transductores que convierten una entrada de temperatura en una corriente de salida;proporcional a ella. Son especialmente utilizados en aplicaciones dentro del rango de -55C a 150C en


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donde se requieren gran confiabilidad, linealidad y exactitud. Una de las aplicaciones ms importanteses en la compensacin de la juntura fra para sistemas de medicin con termocupla.

Los Pirmetros, sin contacto con el proceso

Son dispositivos que miden temperatura por encima del rango aplicable a las termocuplas, a pesar: queciertas aleaciones, permiten a estas ltimas llegar a 3000C aunque durante breves periodos. Algunospirmetros pueden ser usados para medir temperaturas tan bajas como 0C y tan altas como 5000Ccon gran precisin.

Los pirmetros se clasifican en dos grupos; los denominados pirmetros de radiacin total y losllamados pirmetros de radiacin parcial. La pirometra de radiacin usa la propiedad de la radiacintrmica que es emitida por todos los materiales (excepto gases inertes) a una temperatura de ceroabsoluto. Es particularmente interesante debido a la no necesidad de contacto directo con el materialcuya temperatura se quiere medir.

Los pirmetros de radiacin ms empleados actualmente son los infrarrojos que por la tecnologa

digital que poseen los hacen cada vez ms verstiles que sus predecesores, permitiendo por ejemploautomticamente hacer compensacin; por variaciones de la temperatura ambiente, ajuste deemisividad, etc.

Ilustracin 14. Pirmetros


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Medidores de Nivel

Los medidores de nivel pueden clasificarse en dos grupos generales: directos e indirectos. Los primerosaprovechan la variacin de nivel del material (lquido o slidos granulares) para obtener la medicin. Lossegundos, usan una variable, tal como presin, que cambia con el nivel del material. Para cada caso, existen

instrumentos mecnicos y elctricos disponibles.

MEDICIN DIRECTA

Los primeros dispositivos usados para indicar nivel consistan de tubos de vidrio de modo tal que eloperador viese el fluido de proceso. Con el correr del tiempo, los cristales planos del tipo reflexivo otransparente han reemplazado a los anteriores. En el caso de que el fluido sea peligroso (corrosivo, txico,etc.) como para emplear vidrio, se utilizan los de tipo iagotico, en los cuales un imn instalado en unflotador permite el desplazamiento de un seguidor y este mecnicamente mueve un indicador relacionadoa una escala graduada.

El empleo de flotadores es muy comn, generalmente para acciones de control (interruptores de nivel). Delmismo modo los desplazadores, tienen acciones similares a los flotadores o boyas, con la diferencia que sumovimiento, es ms restringido. Cuando el nivel de lquido cambia, la cantidad cubierta por el desplazador,va creciendo a medida que este es sumergido. La fuerza es transferida a un sistema neumtico a travs deun eje y de all al indicador.

Ilustracin 15. Flotadores y transmisores

El mtodo de contacto puede ser empleado para slidos granulares o para lquidos; en estos casos se

emplea una pesa o un flotador respectivamente. El inicio de medida se da por un pulsador o untemporizador, para poner la pesa o flotador conectado a un cable, en reposo sobre el material. Lo que sesensa realmente es la variacin de la tensin del cable cuando se entra en contacto con los slidosgranulares o el lquido a medir.

La indicacin del nivel se da por intermedio de un circuito elctrico asociado al motor que sube y baja elcable. Las sondas elctricas propiamente dichas, emplean mtodos conductivos, capacitivos yultrasnicos para medicin de nivel.


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A causa de la distancia de los electrodos, la sonda de conductividad se asemeja a una buja. Estosdispositivos son usados con lquidos conductores. Los electrodos se alimentan con corriente continua,siendo montados dentro del recipiente contenedor del lquido; cuando el lquido: toma contacto concualquiera de los electrodos, una corriente elctrica fluye entre el electrodo y tierra. Este mtodo cuandose usa para algn tipo de control, es por lo general para actuar sobre una bomba.

Ilustracin 16. Sensor de Nivel por conductividad

El mtodo capacitivo utiliza una sonda como una de las placas de un condensador, siendo la otra placa elcontenedor mismo. El material entre ellos, viene a ser dielctrico. El cambio de nivel origina un cambio enla salida del circuito electrnico, proporcional al cambio de la capacidad por lo que este mtodo es deindicacin continua del nivel a diferencia del conductivo que sera entonces, uno discreto.

Ilustracin 17. Sensor- Transmisor Capacitivo


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Los medidores del tipo ultrasnico se usan tanto para medicin continua, como discreta de nivel, aunquegeneralmente su uso est dado en acciones de alarma. En todos los diseos, se genera una seal enfrecuencia y la interrupcin o deteccin de la seal generada es la base para una accin de control(detectores discretos). En medicin continua, se mide el tiempo transcurrido entre la emisin de la seal yla recepcin de la reflejada.

Ilustracin 18. Medicin por ultrasonido

MEDICIN INDIRECTA

Varios tipos de dispositivos de medicin indirecta de nivel son en efecto sensores de presin hidrostticos.El ms sencillo consiste en un manmetro ubicado en el nivel cero de un contenedor de lquido. Cualquierincremento de nivel causa un aumento de la presin hidrosttica, la cual es medida con el manmetro. Laescala del manmetro es graduada en unidades de nivel.

En el caso de mtodo de burbujeo, se utiliza una tubera conectada verticalmente en el contenedor. Elextremo con abertura de la tubera es ubicado en el nivel cero del contenedor. El extremo es conectado aun suministro de aire. Cuando se va a hacer la medicin de nivel, el suministro de aire es regulado para queas la presin sea ligeramente ms alta que la presin hidrosttica. Este punto se encuentra al observarburbujas saliendo por el extremo inferior del tubo. Se lee entonces en el manmetro la indicacin de nivel(pies, pulgadas, galones, etc.).

Un instrumento muy popular que utiliza el mtodo por presin hidrosttica es el transmisor de presindiferencias; en realidad, este enva una seal normalizada proporcional a la diferencia de dos presiones,una debida al lquido cuyo nivel se desea determinar (entrada alta) y otra debida a la presin

atmosfrica (entrada baja), siempre y cuando sea un sistema abierto (tanque abierto a la atmsfera). Parael caso de tanques cerrados, la entrada "baja" debe conectarse ya sea directamente en contacto con el gasencerrado en el extremo superior del depsito o utilizando un fluido de sello. En todo caso, la calibracinadecuada permitir una seal de salida (electrnica o neumtica) proporcional al nivel.


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Ilustracin 19. Medicin con transmisor de presin diferencial

Los dispositivos radiactivos tambin pueden ser utilizados tanto para medicin discreta como continua denivel. Se utilizan fundamentalmente cuando el material a ser medido es muy corrosivo, cuando lastemperaturas en el punto de medicin durante el proceso son muy altas, o en general, cuando la situacin

no permite la instalacin de elementos primarios dentro del recipiente de almacenamiento. En la aplicacinde medicin discreta o mejor dicho para detectar un determinado punto, la fuente radiactiva y su receptor,se montan a ambos lados del tanque al nivel deseado para la deteccin. Cuando el material se interponeentre el emisor y el receptor, se corta el suministro del material hacia el recipiente. En la aplicacin querequiere una medicin continua del nivel por este mismo mtodo, se utilizan varias fuentes radiactivas yuno o ms detectores.

Ilustracin 20. Mtodo por radiactividad


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Otro mtodo indirecto para determinar el nivel de los materiales es medir el peso de los mismos, en formamecnica o elctrica. Los sistemas elctricos utilizan las llamadas celdas de cargas basadas en galgasextensiomtricas. A medida que las celdas son comprimidas por el peso del material dentro del recipiente,tambin cambia la resistencia de las galgas y por lo tanto vara la seal elctrica a la salida del puente deWheatstone usado en la medicin. La medicin puede ser analgica o digital y la escala estar calibrada enunidades de nivel.

La medicin de flujo constituye tal vez, el eje ms alto porcentaje en cuanto a medicin de variablesindustriales se refiere. Ninguna otra variable tiene la importancia de esta, ya que sin mediciones de flujo,sera imposible el balance de materiales, el control de calidad y an la operacin de procesos continuos.

Existen muchos mtodos para medir flujos, en la mayora de los cuales, es imprescindible el conocimientode algunas caractersticas bsicas de los fluidos para una buena seleccin del mejor mtodo a emplear.Estas caractersticas incluyen viscosidad, densidad, gravedad especfica, compresibilidad, temperatura ypresin.

Bsicamente, existen dos formas de medir el flujo: el caudal y el flujo total. El caudal es la cantidad de

fluido que pasa por un punto determinado en cualquier momento dado. El flujo total de la cantidad defluido por un punto determinado durante un periodo de tiempo especfico. A continuacin algunos de losmtodos empleados para medir caudal.

1.- MEDICIN POR PRESIN DIFERENCIAL

Utiliza dispositivos que originan una presin diferencial debido al paso de un fluido por una restriccin. Larazn de hacer esto es que el caudal es proporcional a la raz cuadrada de la diferencia de presiones entredos puntos, antes y despus de la restriccin. Uno de estos elementos es la placa - orificio o placaperforada. All, el fluido sufre una disminucin de su presin, la cual es mnima en el punto denominado"vena contracta". Si bien es cierto, la presin tiende a recuperarse, existe al final una prdida de presin.

Una placa- orificio se coloca en una tubera, sujeta entre dos bridas. La forma y ubicacin del agujero son elrasgo distintivo de tres tipos de este dispositivo: la placa concntrica, la excntrica y la segmental; laseleccin de algunas de stas depende de las caractersticas del fluido a medir. Existen tres tipos de tomasde presiones a ambos lados del elemento primario: tomas de bridas, tomas de tubera y tomas de venacontracta. Igualmente, aqu las caractersticas del fluido influirn en la eleccin de alguna de estas.

Tpicamente se utiliza un transmisor de presin diferencial para la toma de las presiones y el envo de unaseal que represente al flujo. A esta seal sin embargo se le debe extraer la raz cuadrada para obtener unarespuesta lineal con respecto al flujo. Antiguamente se empleaban instrumentos especiales para tal fin.Hoy, esta es una funcin de software en instrumentos digitales.

La placa perforada es finalmente, un elemento simple, barato, aunque no muy preciso, como otrosdispositivos de presin diferencial. Aunque funcionalmente es sujeta a la erosin y dao, es fcil dereemplazar.


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Ilustracin 21. Medicin con placa - orificio y transmisor de presin diferencial

Otra restriccin de tubera para la medicin del flujo es el tubo Venturi, el cual es especialmente diseado ala longitud de la "tubera". Tiene la forma de dos embudos unidos por sus aberturas ms pequeas y seutiliza para tuberas grandes; es ms preciso que la placa-orificio, pero es considerablemente ms costoso yms difcil de instalar.

Ilustracin 22. Principio Venturi

Un promedio entre la placa-orificio y el tubo Venturi es la tobera de flujo, la cual asemeja la mitad de untubo Venturi por donde entra el fluido; este dispositivo es tan preciso como el tubo Venturi, pero no tancostoso ni difcil de instalar. Las tomas de presin utilizadas para el tubo Venturi, estn situadas en lospuntos de mximo y mnimo dimetro de tubera. Para el caso de la tobera, se ubican segnrecomendaciones del fabricante.


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Otro elemento primario para medir flujo por el mtodo de presin diferencial es el Tubo Pilot, el cual en suforma ms simple, consiste en un tubo con un orificio pequeo en el punto de medicin (impacto).

Ilustracin 23. Tubo de pilot

Cuando el fluido ingresa al tubo, su velocidad es cero y su presin es mxima. La otra presin para obtenerla medida diferencial, se toma de un punto cercano a la pared de la tubera. Realmente, el tubo Pilot midevelocidad de fluido y no caudal y adems no necesariamente el fluido debe estar encerrado en una tubera.

Podra por ejemplo, ser usado para medir el flujo del agua de un ro o flujo de aire al ser suspendido desdeun avin.

2.- MEDIDORES DE REA VARIABLE

Se distinguen de los anteriores en que en aquellos existe una variacin de presin, mientras el reapermanece constante. Aqu sin embargo, lo que permanece constante es la presin diferencial, gracias a lasuficiente variacin del rea. Uno de estos es el rotmetro el cual consta de un tubo cnico vertical queencierra un flotador; ste, dependiendo del caudal, toma una posicin en el tubo que aumenta o disminuyeel tamao del rea y as mantiene la presin constante. Una escala graduada dentro del tubo, estarcalibrada en unidades de presin y as tener una lectura directa de la misma.

Los rotmetros se pueden fabricar con tubos de vidrio, metal y plstico. Estos dos ltimos se utilizancuando el fluido es muy corrosivo o muy oscuro para permitir la colocacin de una escala interna. En esoscasos se usa un seguidor magntico relacionado a un imn colocado en el flotador interno y as transmitirmecnicamente la variacin del caudal a un indicador.

Ilustracin 24. Rotmetros


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3.- MEDIDORES MAGNTICOS

Utilizan la ley de induccin de Faraday, que establece que cuando una corriente pasa por un conductor yexiste un campo magntico en direccin transversal al mismo, se crea un potencial elctrico proporcional ala corriente.

En la aplicacin para medir caudal, se coloca un tubo aislado elctricamente con un par de electrodosmontados a ambos lados del tubo y rasantes con el fluido. Unas bobinas elctricas se colocan alrededor deltubo de modo tal de generar un campo magntico en un plano perpendicular, tanto al eje del cuerpo delvoltaje de salida es proporcional a la velocidad promedio del fluido; no interesa si este es laminar oturbulento. Adems, es independiente de la viscosidad, densidad, temperatura y presin.

Si bien es cierto, se requiere que el fluido tenga cierta conductividad mnima, la seal de salida no vara conel aumento de la conductividad, lo cual es una ventaja. En aplicaciones en donde es necesario medir flujode masa, se puede lograr esto midiendo la densidad del fluido y multiplicando las dos seales.

Figura conseguir Medidor magntico

4.- MEDIDOR A TURBINA

Un instrumento de este tipo consiste de una rueda de turbina de precisin, montada en cojinetes de unaporcin de tubera, y una bobina electromagntica colocada en la pared de la tubera, causa el giro de laturbina a una velocidad que vara directamente con el caudal del fluido de proceso. La interrupcin delcampo magntico, con cada paso de cada hoja de la turbina produce un pulso elctrico. La frecuencia deestos pulsos determina la velocidad del fluido.


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Ilustracin 25. Medidor a turbina

5.- MEDIDOR DE VRTICE

La forma de medicin es parecida a la d la turbina. Sin embargo, aqu un dispositivo fijo a la entrada de latubera similar a una hlice, genera un movimiento rotatorio al fluido. Otro dispositivo, se encargaposteriormente de restablecer el caudal original al fluido. La oscilacin de ste en el punto de medicin, esproporcional al caudal. Estas oscilaciones producen variaciones de temperatura en un sensor colocado en elrea, variaciones que luego se convierten en pulsos de voltaje qu son amplificados, filtrados ytransformados en ondas cuadradas para ser luego ingresados a un contador electrnico.

Ilustracin 26. Medidor vrtice

Existen otros medidores de caudal como son el de placa de impacto, que mide flujo, sumando la fuerza queel fluido desarrolla sobre un "blanco" que es una placa de disco; esta fuerza es proporcional a la razcuadrada del flujo, los de ultrasonido, que emplean un transmisor y un receptor (a veces instalados en elmismo receptculo) para medir la desviacin en frecuencia en la seal del transmisor, debido a la velocidaddel fluido.


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En los casos de medicin de caudal en canales abiertos, se pueden mencionar la represa, la tobera abierta ylos vertederos en donde bsicamente se mide nivel de fluido, que vara; al pasar por estos dispositivos. Unpozo quieto adyacente al canal tiene un sensor de nivel (generalmente un flotador), cuya posicin verticalvara en funcin del caudal.

6.- MEDIDORES DE FLUJO TOTAL

Dentro de este tipo de dispositivos se tienen los denominados medidores de desplazamiento positivo, loscuales, separan la corriente de flujo en incrementos volumtricos individuales y cuentan dichosincrementos.

Los medidores son fabricados de modo tal qu cada instrumento volumtrico es conocido en forma precisay la suma de estos incrementos da una medida muy aproximada1 del volumen total que pasa a travs delmedidor. La mayora de los medidores de desplazamiento positivo son de tipo mecnico y usadoprincipalmente para medir cantidades totales del fluido a ser transferido y a menudo se asocian a otrosdispositivos para lograr acciones de indicacin, registro o control. Entre los ms utilizados, figuran los dedisco oscilante, pistn oscilante, cicloidal, oval, birrotor, etc.

Los medidores de flujo de masa en sus diversos tipos y los computadores de flujo, constituyen hoy en dauna muestra del avance de la tecnologa en la medicin de esta variable. El medidor tipo Coriolis es unejemplo de los primeros. Aqu el fluido fluyendo a travs de un tubo vibrante causa una deflexin en eltubo proporcional al flujo de masa. Estos medidores tienen gran exactitud.

Ilustracin 27. Medidor de flujo total

Los procesos de produccin continua involucran la conversin de materias primas o la combinacin devarios ingredientes para lograr un producto final. El poder medir y controlar las propiedades fsicas y

qumicas de los ingredientes de un producto es esencial para lograr una calidad satisfactoria del mismo.Esto se logra con instrumentos llamados analizadores.

Existen muchos de estos dispositivos, que en algunos casos requieren complicados sistemas de muestreo ysensores especiales; aqu se discutir brevemente la medicin de slo algunas propiedades fsicas yqumicas.


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DENSIDAD

La densidad de un material es su peso por unidad de volumen. La forma ms simple de medir densidad delquidos es el hidrmetro, el cual es un instrumento flotante que desplaza un volumen de lquido igual a supropio peso. Usualmente se construye de vidrio y tiene un peso en uno de sus extremos para hacer que

flote verticalmente. La posicin del hidrmetro en el lquido depende de la densidad de ste. En algunoscasos se puede transmitir la medicin para una lectura remota, utilizando una varilla metlica como peso,la cual acta como brazo variable de un puente de inductancia. Tambin se mide densidad de fluidos,pesando un volumen fijo de lquido con una balanza mecnica o una celda de carga. Otro mtodo, empleaun medidor tipo desplazador. Aqu, el elemento desplazador es encerrado en una cmara de un volumenfijo. Al cambio de la densidad, la fuerza sobre el desplazador vara, este a su vez mueve una barra debalance, que es el mecanismo actuador de un sistema de medicin neumtico o elctrico.

Al emplear transmisores de presin diferencial para medicin de densidad, ya sea en tanques abiertos ocerrados, la presin hidrosttica sensada de un volumen fijo, es funcin de la densidad del mismo. Elmtodo de burbujeo tambin se utiliza para medir densidad. En algunos casos, cuando el lquido nopermite el uso de sensores debido a la corrosin, abrasin u otra limitacin, los sistemas radiactivos son los

adecuados; se coloca una fuente radiactiva a un lado del reservorio y un detector radiactivo en ladoopuesto. La cantidad de radiacin absorbida por cualquier material vara directamente con su densidad. Lamedicin de densidad en gases es importante sobre todo en las industrias petroqumicas. Una forma dehacerlo es usando un densmetro con una sonda. El dispositivo contiene una membrana que oscila con elpaso del fluido del proceso. Cualquier variacin en la densidad del gas origina que la frecuencia deoscilacin tambin lo haga en forma inversa. La seal es luego amplificada y estandariza para poder sertransmitida.

ACIDEZ Y ALCALINIDAD

La medida de estas variables es frecuentemente de gran importancia en procesos industriales. La escala de

medicin es denominada pH. Esta escala est basada en la concentracin de iones de hidrgeno en ciertovolumen de solucin. En esta, el agua pura tiene un valor de 7. Un cido fuerte tiene el valor de 1 y unabase fuerte (alcalina) de 14, siendo 7 el valor correspondiente al agua pura. En general en la prctica sehabla de la concentracin de iones de hidrgeno como correspondientes a un pH dado cuando realmentese refiere a una "concentracin efectiva".

La medicin de pH requiere de dos electrodos diseados especficamente. Uno de ellos produce un cambiode voltaje (fem) cuando cambio el pH de una solucin en la que est inmerso. El otro electrodo, mantieneun voltaje constante (fem) al estar sumergido en una solucin de referencia. Usualmente, amboselementos se combinan en un solo electrodo. Como la temperatura del fluido afecta a la medida del pH, seincluye un sensor de temperatura para que el sistema de medicin compense estos cambios.

Se pueden encontrar analizadores continuos de pH en prcticamente cualquier industria que usa el aguaen sus procesos. Las aplicaciones van desde el tratamiento de aguas industriales hasta el control de pH enprocesos de flotacin para la minera. Muchas aplicaciones de pH se pueden encontrar en la industria depulpa y papel, en el campo de los metales y tratamiento de metales, el refinamiento del petrleo,manufactura de caucho sinttico, plantas de generacin de energa, farmacuticas, produccin defertilizantes qumicos y un gran espectro en la industria qumica.


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Ilustracin 28. Electrodo de pH

COMBUSTIN

Para monitorear apropiadamente la eficiencia de combustin de un caldero, se debe analizar el flujo de gasantes de dejar la chimenea. Esto incluso con fines de controlar la polucin del aire. Los productos de unacombustin completa son adems del calor, el dixido de carbn y el vapor de agua. Cuando hay sulfuro enel combustible, el dixido de sulfuro es tambin un producto de la combustin. Si se detecta monxido decarbn, entonces dicha combustin es incompleta.

CROMATOGRAFA

Es el nombre dado al mtodo de anlisis que permite una medida continua de la cantidad de cadaconstituyente en un vapor complejo o mezcla gaseosa. El mtodo envuelve la combinacin de una muestra

del gas con un gas portador y pasar la combinacin de gases a travs de una columna, que es hecha detubera metlica y llenada con un absorbente tal como aluminio, gel de slice o carbn activado. El efecto demovimiento de los gases a travs de la columna es la separacin de los constituyentes del gas muestra;cada constituyente viaja la diferente velocidad, debido a que cada uno de ellos es retenido por un periodode tiempo diferente por la columna absorbente. El gas portador, que fuerza al de prueba hacia la columna,emerge de la misma continuamente, tal que los constituyentes realmente dejan la columna combinadascon el gas portador; los ms comunes gases portadores son el hielo, nitrgeno, aire o hidrgeno. Unamuestra tpica de gas puede contener constituyentes como etano, propano, acetileno, butano, pentano,entre otros.

ANLISIS DE SLIDOS EN MINERA

La industria minera utiliza analizadores basados en fluorescencia con rayos X para analizar algunoselementos en una pulpa de flotacin. Comnmente son analizados elementos tales como cromo,manganeso, hierro, cobalto, cobre, zinc y plomo.


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Ilustracin 29. Equipo de muestras con rayos X

Como fuente primaria de radiacin se utilizan tubos de rayos X o fuentes de radioistopos, aunque porrazones de proteccin del medio ambiente se prefieren los primeros. Tpicamente el sistema consiste de unsistema de muestreo que bombea las pulpas al analizador, un espectrmetro que mide los elementos decada muestra, un generador de rayos X y un sistema de enfriamiento por agua. Los sistemas modernosincluyen tambin un equipamiento de procesamiento de datos.

Un flujo continuo de muestreo es tomado de cada pulpa de proceso a ser analizada. El flujo final demuestreo es obtenido luego de muestrear en dos o tres etapas, dependiendo de la cantidad de flujo; deproceso. Cada muestreo de pulpa fluye hacia una celda separada en el analizador. Las intensidades deradiacin medidas dan toda la informacin requerida para computar los contenidos reales. Un dispositivode temporizado determina el tiempo de medicin para cada muestra de pulpa.

El anlisis o monitoreo en lnea del tamao de partcula (PSM) es tambin otra operacin importante enuna planta concentradora de mineral para propsitos de control del proceso. Esta se realiza en la etapa dechancado y se emplea para tal fin un sensor ultrasnico. Hay dos pares de transductores ultrasnicos, cadauno con un transmisor y un receptor. En el transmisor, las seales elctricas de alta frecuencia son

convertidas en energa ultrasnica, la cual viaja atravesando la pulpa entre el transmisor y el receptor. En elreceptor, dicha energa es convertida nuevamente en seales de alta frecuencia y luego tratada para finesde ser utilizada como seal estndar de instrumentacin.

La cantidad de energa detectada a travs de la pulpa llega en la forma de dos seales correspondientes altamao de partcula y porcentaje de slidos. La comparacin electrnica de estas dos seales da una salidaque vara solamente en funcin al tamao de partcula y es independiente de los cambios del porcentaje departcula.

En este artculo se va a mencionar brevemente las caractersticas asociadas a otros dispositivos quecomnmente pueden encontrarse en mayor menos medida en las plantas industriales: peso,

desplazamiento y proximidad.

MEDICIN DE PESO

Peso es una variable requerida para determinar el nivel de slidos en un silo, la transferencia de slidos atravs de una faja transportadora o la velocidad de descarga de un alimentador y lgicamente el peso netodel producto en s. Se define como la fuerza ejercida sobre el objeto por la gravedad. El dispositivo ms


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antiguo conocido para medir peso es la balanza mecnica de brazo. Otros dispositivos son la balanzapendular, la de balance con resorte y una combinacin de stos.

Con el tiempo, han aparecido las denominadas celdas de carga hidrulicas, neumticas y elctricas, stasltimas basadas principalmente en la aplicacin de galgas extensiomtricas. El tipo de aplicacin define laforma y tamao de las celdas de carga. Incluso actualmente se tienen sistemas inalmbricos para el envode la informacin del peso medido. Para el caso de laboratorio igualmente, la tecnologa actual hapermitido el reemplazo de las balanzas mecnicas por electrnicas de gran precisin.

Existen aplicaciones en las cuales se pueden hacer mediciones de peso en movimiento, como es el caso decamiones de carga. A diferencia de la mayora de los sistemas hechos para tal fin en que se requiere que levehculo se detenga, esta tecnologa emplea varias microceldas a lo largo de la plataforma, las cualesenvan informacin; electrnica a una computadora para realizar la medicin.

Cuando se requiere un mtodo sin contacto, especialmente para el traslado de slidos por fajastransportadoras, se utiliza uno basado en la radiacin de rayos Gamma, similar al de medicin de nivel vistoanteriormente. Aqu, se emiten los rayos desde una fuente hacia el material. En funcin a la cantidad de

radiacin absorbida por el mismo y la velocidad de la faja, se determina el flujo del material.

Ilustracin 30. Balanza que utiliza mtodo radiactivo (cortesa de Therrtio Measuretech)

DESPLAZAMIENTO

A menudo se hace necesaria la medicin del desplazamiento lineal o posicin de un elemento mecnico.Los mtodos empleados difieren segn el tipo de aplicacin. Lo comn es que todos ellos entregan unaseal elctrica proporcional al desplazamiento. Se puede mencionar dispositivos tales como lostransformadores diferenciales de variacin lineal (LVDT), los transductores potenciomtricos o los encoderslineales.

Un LVDT es un dispositivo electromecnico con un ncleo magntico movible rodeado de tres bobinadoscilndricos. Produce una seal ac o de proporcional al movimiento de su ncleo y es lineal sobre un rangoespecificado. El bobinado primario es excitado con una corriente ac, normalmente en la regin de 1 a 10kHz y entre 0,5 y 10 Vrms. Los otros dos bobinados, los secundarios, son enrollados en oposicin, tal quecuando el ncleo de ferrita est en su posicin central, se induce el mismo voltaje en ambos. Dependiendo


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del desplazamiento del ncleo, la salida ac ser proporcional al mismo y la fase de la seal indica ladireccin del movimiento con respecto a su posicin central.

Ilustracin 31. LVDT

La electrnica asociada a un LVDT, combina ambas informaciones para que el usuario sepa la posicinexacta del eje. Este transductor est limitado a relativamente cortos desplazamientos debido a suconstruccin inherente. Sin embargo, su resolucin es virtualmente ilimitada y ms bien est limitado porla electrnica externa.

Desde el punto de vista de su aspecto fsico, un transductor potenciomtrico es similar a un LVDT. Sinembargo al Igual que un potencimetro, su medicin se basa en el cambio de resistencia medida entre elcursor y uno de sus extremos. Prcticamente entonces es una resistencia variable con el desplazamientolineal.

Los encoders comnmente estn asociados a la medicin de rotacin o movimiento circular (tal como losRVDT o transformadores diferenciales variables rotativos). Sin embargo existen encoders lineales, entre los

cuales se pueden mencionar los pticos, aunque tambin se tienen los de tipo magntico, inductivo ycapacitivo.

En trminos bsicos, un encoder ptico lineal consiste en un cabezal explorador que se mueve con el motory una escala de vidrio o acero montada en la parte estacionaria del sistema. El cabezal contiene una fuentede luz, fotoceldas y la electrnica. Cuando el cabezal se mueve, la luz incidente sobre la escala es moduladapor finas marcas en la superficie de la misma, produciendo salidas sinusoidales desde las fotoceldas. Estassalidas son desfasadas para obtener dos seales sinusoidales en cuadratura. La electrnica posteriormentelas procesa para obtener seales digitales.

Al igual que los encoders rotativos, estos dispositivos tienen dos versiones, un tipo incremental que provee

la posicin relativa y el tipo absoluto que provee una posicin nica. La resolucin de estos dispositivospuede llegar a ser tan fina como 0,001 mm, con longitudes de exploracin de hasta 30 metros y velocidadesde hasta unos 15 m/ seg.


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Ilustracin 32. Encoders lineales de desplazamiento

PROXIMIDAD

En muchos procesos industriales se requiere detectar la presencia de algn objeto o elemento mecnicocon fines de control. La forma ms simple es mediante el uso de dispositivos mecnicos tales como

interruptores de fin de carrera (limit switches). Sin embargo no siempre es posible emplear estos mtodosque involucran tener contacto con el elemento a detectar. En procesos que involucran por ejemplo elsensar el paso de un producto a travs de una faja trasportadora es necesario en la mayora de los casosutilizar algn mtodo sin contacto. Es as como se aparecen como solucin los denominados sensores odetectores de proximidad sin contacto. Entre estos se tiene los fotoelctricos, los inductivos y loscapacitivos.

Un sensor fotoelctrico usa luz para detectar la presencia o ausencia de un objeto. Existen varios tipos: haztransmitido (thru-bejam), retro-reflectivo (reflex) y reflectivo difuso. El sensor de haz transmitido usa dosdispositivos (un transmisor y un receptor) frente a frente. La deteccin ocurre cuando un objeto bloquea ocorta el haz de luz entre ellos.

Ilustracin 33. Detector de haz transmitido

El detector retro-reflexivo emite un haz de luz que vuelve de regreso por accin de un reflector. Cuando un

objeto bloquea el haz entre el sensor y el reflector, ocurre la deteccin.

Ilustracin 34. Detector retro-reflexivo


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Un detector reflectivo difuso, emite un haz que debe ser reflejado de regreso a l por el mismo objeto a serdetectado.

Ilustracin 35. Detector reflexivo difuso

Existe un tipo especial de detector reflectiyo; difuso denominado de rechazo de fondo (backgroundrejection). Este tiene dos detectores y tiene una capacidad de sensado extrema que permite al dispositivodetectar objetos independientemente del color, reflectancia, contraste o forma de su superficie, ignorandoobjetos que se encuentren fuera de su rango de deteccin. Un ejemplo interesante se ilustra acontinuacin. Aqu se requiere detectar la presencia o ausencia de tapas en las botellas. El detector debe

tener la habilidad de sensar tapas de diferente reflectividad y color a la misma distancia. Adems debe sercapaz de ignorar el borde de la botella cuando no tiene tapa.

Una alternativa interesante es el uso de cables de fibra ptica como detector. Esto es aplicable ensituaciones en donde se hace difcil montar un sensor tradicional por razones de espacio. El dimetro de uncable de fibra ptica puede ser tan pequeo como 0,02 pulgadas. Est formado por un gran nmero defibras de vidrio, protegidas contra golpes o excesivo flexionamiento. Desde que es luz y no corriente la queviaja por el cable, la seal no est afectada por interferencia electro magntica (EMI) vibracin. Puedensoportar altas temperaturas y en algunos casos, sustancias qumicas. Sin embargo sus desventajas son sulimitada distancia de deteccin.

Existen dos tipos de sensores de fibra ptica, los de vidrio que transmiten la luz eficientemente a travs delespectro visible y hacia el espectro infrarrojo y los de plstico que tienen una pobre eficiencia detransmisin sobre longitudes de onda infrarrojas. Consecuentemente, los primeros pueden ser usadostanto con fuentes de luz de ambos espectros mientras que los segundos solamente con sensores para elespectro visible.

Ilustracin 36. Comparacin entre tipos de fibra ptica


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Otra alternativa es el empleo de sensores de proximidad por ultrasonido, similares a los empleados paramedir nivel. Se tienen de los tipos de set point simple o doble, retro-reflectivos y de haz transmitido.Pueden detectar en forma precisa objetos transparentes de vidrio o plstico, as como objetos translcidos.

La tcnica de alta frecuencia empleada en ellos, los hace prcticamente inmunes a la interferencia del ruidoambiental y en general en condiciones difciles. Emplean un transductor snico especial que permite latransmisin y el envo de ondas de sonido. El transductor ultrasnico emite un nmero de ondas de sonidoque son reflejadas por un objeto de vuelta al transductor. Finalizada la emisin de stas, el sensor deultrasonido cambiar su estado a la condicin de receptor. El tiempo transcurrido entre el envo y larecepcin es proporcional a la distancia del objeto al sensor.

El sensado es solamente posible dentro del rea de deteccin. Este rango puede ser ajustado por elpotencimetro del sensor. Si un objeto es detectado dentro de esta rea, la salida cambia de estado. El LEDinternamente construido indica este cambio.

Ilustracin 37. Sensor por ultrasonido con salida digital (cortesa de Vydas)

Los detectores de proximidad del tipo inductivo o capacitivo, utilizan una caracterstica elctrica paradetectar un objeto cercano, generalmente a no ms de una pulgada. Los inductivos detectan solamente

objetos metlicos mientras que los capacitivos pueden sensar tanto metlicos como no metlicos.

Un detector de proximidad inductiwo produce un campo de radio frecuencia invisible y oscilante. Cuandoun objeto metlico ingresa a este campo, afecta a ste. Cada tipo y tamao de sensor tiene un rangoespecfico de sensado de modo tal que la deteccin tenga mucha exactitud y repetibilidad. Con su habilidadpara detectar en un pequeo rango, estos sensores son muy tiles en aplicaciones de medicin precisa y deinspeccin.

Entre las ventajas de estos dispositivos se encuentran su inmunidad a condiciones ambientales adversas, suvelocidad de respuesta, deteccin de objeto metlico a travs de barreras no metlicas, su tiempo de vida ysu construccin con estado slido para entregar seales a equipos electrnicos. Sus desventajas incluyen su

rango d sensado limitado (mximo 4"), detectan solamente objetos metlicos y puede ser afectados porlimaduras metlicas acumuladas en la cara del sensor.

Un detector capacitivo al igual que un condensador elctrico, consiste de dos placas separadas por unaislante denominado; dielctrico. En el dispositivo, una de las placas es parte del interruptor, el aislante esel encapsulado y el objeto a detectar, la otra placa. Estos sensores tienen tpicamente un ajuste desensibilidad y pueden detectar cualquier objeto siempre que tengan una constante dielctrica mayor que elaire. Los lquidos y metales tienen una alta constante dielctrica.


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Entre sus ventajas se mencionan su capacidad para detectar tanto objetos metlicos como no metlicos yen un rango superior que los inductivos, tienen rpida respuesta, pueden detectar lquidos a travs debarreras no metlicas (vidrio, plstico) y larga vida y salida detestado slido. Sus desventajas son que seafectan por los cambios de temperatura y humedad y no son tan precisos como los inductivos.

Ilustracin 38. Sensor capacitivo

El elemento final de control es aquel que finalmente modifica alguna caracterstica del proceso segn loordenado por el controlador. Dependiendo del tipo de proceso y de los objetivos, se tienen una variedad deestos elementos. Desde dispositivos que reciben seales de control del tipo discreto hasta otros que actanregulando la variable de inters dentro de cierto rango como por ejemplo el flujo de un fluido a travs deuna vlvula de control, la velocidad de un motor por medio de un variador de velocidad o la temperaturade un horno elctrico utilizando una resistencia calefactora.

Vlvula de control.

Una vlvula de control es el elemento final de control ms comnmente usado en la Industria. Este

dispositivo vara el flujo de material o energa a un proceso, ajustando una abertura a travs de la cual fluyeel material, Es por lo tanto un orificio variable en la lnea. Segn el teorema de Bernoulli el flujo a travs deun orificio es:

En donde: Q es la cantidad de flujo C es una constante para las condiciones del flujo A es el rea de apertura de la vlvula

P es la cada de presin a travs de la vlvula

Segn la frmula anterior, el flujo a travs de la vlvula es proporcional al rea de apertura y la razcuadrada de la cada de presin a travs de la vlvula. Ambos factores varan; el rea con el porcentaje decarrera (posicin) de la vlvula y la cada de presin est referida a las condiciones fuera de la vlvula yestablecida por el proceso (distribucin y tuberas).


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En condiciones reales de trabajo, una cada de presin constante es raramente encontrada. Por lo tanto, elusuario de la vlvula o el diseador del sistema debe considerar las caractersticas de la vlvula y delproceso de modo tal de combinar ambas para lograr el rendimiento deseado.

En un lazo cerrado de control, la vlvula es el nico elemento resistivo que puede ser controlado. Las otrasresistencias, varan de debido a cambios de flujo en el sistema o debido al revestimiento de lastuberas. Estas variaciones son indeseables y deben ser compensadas por la vlvula de control.

Partes de una vlvula de control.

Debido a que las vlvulas ms usadas son las neumticas, vamos a referirnos a estas para detallar las partesde una vlvula de control. En general, una V.C.A. consta de dos partes principales: La vlvula propiamentedicha y el actuador. La vlvula es la parte a travs de la cual pasa y se constata el fluido y el actuador es elelemento encargado de efectuar la operacin de control.

Ilustracin 39. Partes de una Vlvula de Control

La vlvula consta de las siguientes partes:

Cuerpo de vlvula

Elementos internos, como el asiento del obturador, el obturador, el vstago del obturador, la gua del

mismo, etc. que estn en contacto con el medio a controlar.

Estopero, a travs del cual, se desplaza el vstago del obturador y que contiene los accesorios de selladopara evitar fugas de fluido.

Generalmente, contiene los medios de montaje del actuador.

Tipos de cuerpo de vlvula


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Existe una gran variedad de vlvulas para las ms diversas aplicaciones. Una clasificacin de stases la siguiente:

Ilustracin 40. Tipos Cuerpo Vlvula

Las vlvulas de globo de doble asiento son muy populares debido a su diseo equilibrado (las fuerzas quetienden a cerrar la vlvula son slo ligeramente diferentes a las que tienen a abrirla). Tambin estndisponibles con obturadores reversibles.

Las vlvulas de globo de simple asiento normalmente no son equilibradas (existen diseos que s lo son). Seusan mayoritariamente en tamaos pequeos donde se requiere un cierre lo ms estanco posible. Su usoen pequeos tamaos se debe a: su diseo sencillo y que an siendo no equilibradas no requieren grandestamaos de actuadores.

Ilustracin 41. Vlvulas de globo

Las caractersticas ms importantes:

Las vlvulas mariposa son muy usadas en servicios de altos caudales y pequeas prdidas de carga. Tienenaltos porcentajes de recuperacin de presin. Tienen bastantes fugas salvo que se disee con asiento


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blando. Requieren ms potencia de actuador y no presentan buenas caractersticas de control(especialmente en la zona de cercana al cierre y en la zona cercana a la apertura total) salvo en diseosespeciales.

Ilustracin 42. Vlvulas mariposa

Las vlvulas de bola estn siendo muy usadas debido a su alto porcentaje de recuperacin de presin. Se

presentan en diseo de bola completa o segmentada. En este ltimo caso son muy tiles en fluidos viscososcon slidos en suspensin. Presentan altas capacidades de CV. En muchos casos son idneas paraaplicaciones de control on-off.

Las vlvulas de membrana se usan principalmente en servicios viscosos y corrosivos. El sello que constituyela membrana evita el contacto del fluido con los rganos internos. Generalmente tienen malascaractersticas de control y las membranas suelen tener corta duracin.

Existen otros numerosos tipos de cuerpos (vlvula de tres vas, cuerpo partido, angular, etc.) quepresentan; ventajas e inconvenientes, las cuales adecuadamente sopesadas pueden posibilitar el uso de losmismos.

La vlvula de jaula es otro tipo de vlvula de globo que ha tenido mucho auge en los ltimos aos. Sunombre se debe a que el obturador es guiado por una especie de "jaula" inmersa en el cuerpo de la vlvula.Se usa en muchas aplicaciones sustituyendo a las de doble asiento con alguna ventaja adicional tal comomayor capacidad de Cv, bajo ruido, buena estabilidad, fcil cambio de los rganos internos (trim), uso detrim de tamao reducido en el mismo obturador y disminucin de problemas con la erosin.


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Ilustracin 43. Vlvula de jaula

El obturador

Es el que principalmente define el comportamiento o caracterstica de la vlvula. En general se tienen lassiguientes caractersticas:

Apertura rpida:permite un cambio rpido del caudal para un pequeo recorrido del vstago. Cerca del90% de la capacidad de la vlvula se obtiene al 30% de apertura de la vlvula y se logra una relacin linealhasta ese punto. Se utiliza principalmente para servicio on-off o en vlvulas auto-reguladas. Incluso sontiles en sistemas con cadas constantes de presin, en donde se requiere una caracterstica lineal.

Lineal: produce un flujo directamente proporcional a la apertura de vlvula. Una variacin del 50% delvstago origina una igual variacin en el flujo, etc. Esta relacin produce una pendiente constante, de modotal que cada cambio incremental de la posicin del tapn produce un cambio similar en el flujo de vlvula,si la cada de presin es constante. Se usan generalmente en control de nivel de lquidos y en aplicacionesen donde se requiere una ganancia constante.

Igual Porcentaje: una caracterstica de igual porcentaje es aquella en la que a iguales incrementos derecorrido del vstago, se produce un porcentaje igual en el flujo existente. Por ejemplo, cuando el flujo espequeo, el cambio en el mismo (para un; cambio incremental) es pequeo; cuando el flujo es grande, elcambio es siempre proporcional a la cantidad que fluye antes del cambio. Se usan en aplicaciones decontrol de presin en donde; un pequeo porcentaje de la cada del sistema permite el control de lavlvula.

Ilustracin 44. Curvas caractersticas de vlvulas de control

Parablica modificada: Una curva de este tipo cae entre la lineal y la de igual porcentaje. Se usa en

aplicaciones en donde la mayor parte de la cada de presin del sistema se da en la vlvula de control.

Lineal modificada:Cae entre la lineal y la apertura para flujos bajos y altos, la sensibilidad de la vlvula esbaja, es decir, que grandes recorridos del vstago producen pequeos cambios de flujo.

Ac ci n de la v lvu la


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La accin del cuerpo de vlvula o vlvula propiamente dicha est relacionada al efecto del desplazamientodel vstago de la vlvula sobre la apertura de la misma, es decir, si el empujar el vstago de la vlvula, seorigina un efecto de empujar para cerrar (push-to-close) o de empujar para cubrir (push toopen). Elcierre se logra fsicamente con el tapn u obturador.

Ilustracin 45. Acciones de cuerpo de vlvula

Materiales

Los materiales de construccin, es decir, los materiales de los rganos internos as como los del cuerpo dela misma, suelen venir exigidos por el tipo de proceso y las condiciones del mismo. El empleo de acerosinoxidables es comn en aplicaciones qumicas, sin embargo debido a la gran variedad de las mismas seutilizan algunos materiales especiales. Normalmente, la mejor seleccin de los materiales para vlvulasprocede de la persona que ms puede saber sobre el fluido de proceso. En este sentido, los fabricantes delas vlvulas suelen fiarse de la opinin del usuario para la seleccin de materiales y disponen de catlogosdetallados que ayudan en este tema.

Un aspecto interesante en la seleccin de los rganos internos de las vlvulas de control es el tema de laerosin. La erosin es producida por las elevadas cadas de presin, que ocasionan velocidades del fluido, atravs del orificio de paso, considerablemente altas y, por tanto, de gran efecto erosivo. Los efectos de la

erosin se multiplican en los casos en que existen en el fluido partculas slidas en suspensin. La eleccinse ha de hacer considerando a la vez las propiedades anti-erosivas y la resistencia a la corrosin por elfluido que vaya a manejar la vlvula.

Las vlvulas de control pueden ser operadas neumticamente, elctricamente, hidrulicamente o por unacombinacin entre estas La primera es la mayormente usada.

Las fuerzas que los actuadores deben superar son causadas por la cada de presin a travs de la vlvula, lafriccin entre el fluido y las partes mviles, el peso de estas partes y el desbalance del vstago que se hacesignificativo para grandes cadas de presin. Mencionaremos las caractersticas bsicas de los actuadoresusados para modulacin del servicio y por lo tanto se excluyen las vlvulas solenoides y otros operadores

mecnicos y elctricos usados en servicio on-off.

Neumticos

Pueden clasificarse en dos tipos bsicos; el de resorte y diafragma y el de cilindro o pistn (sin resorte). Elprimero de ellos es el ms usado y puede ser de "aire para bajar" (air-to-lower) o de "aire para subir" (air-to-raise). Aqu, interesa por cual lado ingresa la seal neumtica proveniente del controlador. Si es por la


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parte superior del diagrama, obliga a que la deformacin de ste, origine un desplazamiento del vstagohacia abajo, en cambio si el aire ingresa por debajo del diagrama, el movimiento ser hacia arriba.

Si la vlvula es de accin empujar-para-cerrar, el descenso del vstago debido a la accin de la sealneumtica har que la misma se vaya cerrando permitiendo que se controle el flujo de fluido en formacontinua. Si la vlvula es de accin empujar-para-abrir, el descenso del vstago har que la misma se: vayaabriendo conforme se aplique la seal neumtica.

Por lo tanto, de la combinacin del actuador y la vlvula depender la accin de la vlvula de control. Si laseal neumtica origina al final el cierre de la vlvula (air-to-close) se hablar de accin directa y si por elcontrario, la vlvula se abre (air-to-open), se tendr una accin inmersa.

La variacin de la accin de la vlvula, se puede lograr fcilmente con un actuador reversible, sin embargoesto puede resultar costoso. Afortunadamente tambin se puede dar con un actuador no reversible, nonecesariamente cambiando la vlvula, sino con la ayuda de un posicionador de vlvula.

Ilustracin 46. Puentes de un actuador neumticos

Existen actuadores de diagrama reversibles, en los cuales el aire origina un movimiento del vstago haciaabajo o hacia arriba segn la forma de colocacin del actuador.

Ilustracin 47. Acciones del actuador


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Los actuadores sin resorte, del tipo de cilindro o pistn, se emplean cuando se requieren una gran potenciao una accin ms rpida. Lo primero resulta de la habilidad para manejar presiones de alimentacin msaltas.

Elctricos

Se usan generalmente en reas en donde no hay suministro de aire de alimentacin o cuando se quiereprescindir de los sistemas neumticos. Se clasifican segn el tipo de energa utilizada para impulsarlos y porel tipo de movimiento requerido. Utilizan motores elctricos monofsicos trifsicos y engranajes, tantoen aquellos denominados de multi-vueltas como en los de un cuarto de vuelta. La mayora de ellos tiene unmecanismo de desembrague del volante para operacin manual en caso de falla de energa elctrica.

Los actuadores modernos disponen de componentes especiales tales como rels de monitoreo, proteccincontra vlvula atascada, termostato, etc. La tecnologa actual permite que puedan ser controladosremotamente a travs de una conexin a dos hilos. De este modo se pueden conectar a una red muchos deellos comunicados mediante un protocolo industrial.

Ilustracin 48. Actuador elctrico

Electrohidrulicos

Combinan la accin de la seal elctrica de control (0/4~20mA); con la fuerza que se puede lograr conpresiones hidrulicas, acoplando a estas con un sistema de balance de fuerzas. Comnmente, estossistemas operan a presiones de hasta 3.000 psi, brindando potencia y velocidad para requerimientos decontrol de gran exactitud.

Ilustracin 49. Actuador electrohidrulico


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Un posicionador de vlvula es bsicamente un dispositivo que sensa tanto la seal de un instrumento(controlador) como la posicin del vstago de una vlvula. Su funcin principal es la de asegurar que laposicin de este vstago corresponda a la seal de salida del controlador o regulador.

Por ejemplo, si el posicionador recibe una seal neumtica de 35%, debe dar la suficiente presin de aire alactuador para hacer que el recorrido del vstago sea de 35% de todo su rango. Puede efectivamente serdescrito como un controlador de lazo cerrado, que tiene como seal de entrada a la del instrumento, susalida que va al diafragma del actuador y su seal de realimentacin proveniente del vstago de la vlvula.

Es usado en vlvulas que operan en rango partido, para invertir la accin de una vlvula de control, parasuperar las fuerzas de friccin dentro de una vlvula y en aplicaciones que requieren un control rpido ypreciso. Normalmente, se monta sobre la vlvula de control.

Los posicionadores se pueden dividir neumticos y electroneumticos. Con respecto a los primeros, a suvez se subdividen en aquellos accionados por un sistema de balance de movimientos. Consiste bsicamentede un fuelle que recibe la seal del controlador, una barra fija al fuelle por un lado y un rel neumtico cuyatobera forma un sistema tobera-actuador con la barra.

Mientras el fuelle se mueve respondiendo al cambio de la seal del instrumento, el arreglo tobera-obturador se mueve, admitiendo aire al diafragma o expulsando aire del mismo, hasta que la posicin delvstago corresponda a la seal enviada por el controlador. En ese momento el posicionador estarnuevamente en equilibrio con la seal de control.

Los posicionadores electroneumticos surgieron por el uso cada vez mayor de sistemas de controlelectrnicos que actan sobre vlvulas de control neumticas. Bsicamente, consisten en una combinacinde un conversor de corriente a presin (I/P) y un posicionador. Es un dispositivo de balance de fuerzas y sepuede utilizar con accin directa o accin inversa.

Ilustracin 50. Vlvulas con posicionadores

Ante la aparicin de los controladores electrnicos y la necesidad de controlar vlvulas neumticas,

aparecieron los denominados conversores de corriente a presin (1/ P). Estos convierten las sealesestndar de 0/ 4 -20 mA en seales neumticas para actuar sobre la vlvula de control o el posicionadorrespectivo. Poco tiempo despus son fabricados posicionadores con el conversor incorporado logrndoseas los denominados posicionadores electroneumticos.

El avance posterior en comunicacin digital de instrumentos ha obligado a muchos fabricantes a desarrollarposicionadores que se puedan comunicar con controladores de salida digital. Es as como se tiene ahoraposicionadores digitales (tambin llamados "inteligentes") para diversos protocolos. Esto evidentemente


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permite integrar a las vlvulas de control en una red industrial con el beneficio de una mayor cantidad deinformacin sobre las mismas y el proceso que controlan.

Ilustracin 51. Posicionador digital y configurador

Escoger una vlvula de control para una aplicacin en particular sola ser por lo general algo sencillo.Usualmente se consideraba solamente un tipo de vlvula (de desplazamiento del vstago) para cualquieraplicacin. Cada fabricante ofreca un producto adecuado para una tarea y la seleccin dependa deaspectos obvios tales como costo, entrega, relaciones con el proveedor y preferencias del usuario.

Hoy en da las consideraciones se han complicado especialmente para los ingenieros o tcnicos con limitadaexperiencia o para aquellos que no se han mantenido actualizados acerca del desarrollo d las vlvulas decontrol.

Para muchas aplicaciones, se dispone de una diversidad de vlvulas de bola, de desplazamiento de vstagoy de mariposa. Algunas son mencionadas como "universales" para casi cualquier tamao y servicio,mientras que otras son consideradas como de solucin ptima para necesidades especiales. Como en todaslas decisiones, la seleccin de una vlvula involucra una serie de variables. Una lista de las mismas deberaincluir:

Rango de presin de trabajo y presiones lmites del cuerpo Tamao y capacidad de flujo Caractersticas de flujo y rangeabilidad Lmites de temperatura Factores ambientales como corrosin y abrasin Materiales del cuerpo Cada de presin en la vlvula Tipo de conexiones mecnicas Costo del ciclo de vida Tipo de actuador Accesorios requeridos

De todos estos aspectos nos vamos a referir a dos en particular para propsitos de definicin del manejo defluido por parte de la vlvula, su capacidad y su rangeabilidad. Luego veremos un ejemplo dedimensionamiento de vlvulas que involucra el clculo del Cv de la misma.


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Ilustracin 52. Dimensionamiento de Vlvulas (Cortesa Chemical & Process Technology)

Capacidad de una vlvula

Los fabricantes han adoptado un trmino para indicar las capacidades de variacin del flujo en las vlvulas

de control. Para este propsito se define el coeficiente Cv:

Donde: Q es el flujo volumtrico a travs de la vlvula (caudal) en galones por minutos

P es la cada de presin a travs de la vlvula en psi (incluyendo las prdidas en la entrada y lasalida)

G es la gravedad especfica del fluido.

Dicho de otro modo, es el nmero de galones por minuto de agua a temperatura ambiente que pasar atravs de una restriccin con una cada de presin de 1 ps; por ejemplo, una vlvula de control en la que alestar completamente abierta circulan 25 gpm de agua con una cada de presin de 1 psi, tiene uncoeficiente mximo de 25. El flujo se obtiene similarmente a varios incrementos de apertura de vlvula ypor lo tanto se halla as el Cv para casa incremento. Se logra as la "curva caracterstica" de la vlvula.

Rangeabilidad de una vlvula

Se define como la relacin del flujo mximo y el mnimo que puede manejar una vlvula. La rangeabilidadde las vlvulas vara dependiendo del tipo de cuerpo de vlvula usado. Por ejemplo, la rangeabilidad de las

vlvulas de globo vara entre 30:1 a 50:1, por lo general. A lo anterior se le denomina rangeabilidadinherente. Tan importante como esta ltima, es la rangeabilidad instalada u operativa. Esta se define comola relacin entre rangeabilidad y cada de presin:


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En donde:q1 es el flujo inicialq2es el flujo finalP1 es la cada de presin a travs de la vlvulaP2 es la cada de presin final

Correccin de viscosidad

Lo anterior es vlido para fluidos no viscosos. En los casos infrecuentes de fluidos con alta viscosidad, sedebe hacer un ajuste al clculo de la cada de presin a travs de la vlvula (AP). El procedimiento es elsiguiente:

Se calcula el nmero de Reynolds (R)

Si R es mayor 2000, entonces se deben hacer las correcciones a AP, consideradas en la

tabla siguiente:

Tabla 2. Factor de correccin por Viscosidad

Centistokes Factor de correccin

2

5 1 40103050

70100 3,50

Ejemplo de dimensionamiento de una vlvula.

En este artculo se ver de forma rpida y sencilla como se puede dimensionar una vlvula de control, de talmanera que se ajuste a las necesidades y costos.

Asmase que se tiene una vlvula de control regulando el flujo de salida de un fluido en un tanque endonde se quiere controlar el nivel a 25 pies. El flujo de entrada vara de 0 a 125 galones por minuto:


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Ilustracin 53. Dimensionamiento de vlvula para tanque simple

El mximo flujo de salida Q, debe ser igual al mximo flujo de entrada es decir, 125 gpm. Desde que 1 piede agua desarrolla una presin de 0,433 psi, con un nivel de 25 pies en el tanque la presin a travs de lavlvula ser:

P = 25 x 0.433 = 10.8 psi

Aplicando la frmula del apartado del artculo anterior (Cv de una vlvula) se debe conocer G y P.

Para el ejemplo:

G es la gravedad especfica del agua, es decir 1.0P es la cada de presin; debido a que el tanque descarga en la atmsfera, ser la que origina el

lquido a la entrada de la vlvula, es decir 10.8 psi

En la ilustracin 52 se muestra una tabla del fabricante de vlvulas, donde detalla el dimetro de la vlvulaversus su Cv correspondiente a un porcentaje de apertura de la vlvula.


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Ilustracin 54. Cv para vlvulas de globo isoporcentuals

Regresando al ejemplo, se debe ahora encontrar la vlvula ms pequea capaz de entregar un Cv de 36,5.Para esto en la ilustracin 52 se encuentra que sta es una vlvula isoporcentual de 2 pulgadas. Ningunavlvula ms pequea entrega este valor de Cv. Es imperante hacer que el Cv de la vlvula se produzca entreel 10% y 90% de la carrera, en este caso a un 100% de apertura proporciona un Cv de 56.2 ms quesuficiente para este caso.

Si ahora

19. instrumentacion

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