2 Elementos primarios de medicion Es aquel que detecta el valor de salida o sea es la porción de los medios de medición que primero utiliza o transforma la energía del medio controlado.

Los elementos primarios de medición más comunes son:

Temperatura Termómetros bimetálicos.Termómetros de vástago de vidrio.Pirómetros de radiación ópticos.Pirómetros de radiación infrarrojos.Indicadores pirometricos.Termómetros de cristal de cuarzo.Sistemas termales.Termopares.Resistencias eléctricas

Presión Tubo Bourdon.Columnas.Sensores electrónicos.Diafragmas.Fuelles.Cápsulas.Campanas

Flujo Tubo Pifot.Magnético.Turbina.Bomba dosificadora.Tubo venturi.DerramadoresTubo de Dali.Tubo de Gentile.Rotámetro.Annubar.Placa de orificio.TarjetRemolinoVortex, etc...

Otras variables Nivel (sólidos y líquidos pH Conductividad Cromatógrafos Redox Conductividad térmica Analizador infrarrojo

2.1 Medidores de Presion

MEDIDORES DE PRESIÓN

El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras. Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad variando este, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, si no también puede provocar la destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos. Para tales aplicaciones, las lecturas absolutas de gran precisión con frecuencia son tan importantes como lo es la seguridad extrema.Por otro lado, la presión puede llegar a tener efectos directos o indirectos en el valor de las variables del proceso (como la composición de una mezcla en el proceso de destilación). En tales casos, su valor absoluto medio o controlado con precisión de gran importancia ya que afectaría la pureza de los productos poniéndolos fuera de especificación.La presión puede definirse como una fuerza por unidad de área o superficie, en donde para la mayoría de los casos se mide directamente por su equilibrio directamente con otra fuerza, conocidas que puede ser la de una columna liquida un resorte, un embolo cargado con un peso o un diafragma cargado con un resorte o cualquier otro elemento que puede sufrir una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión.

Precisión

Precisión es un termino que describe el grado de libertad de un instrumento de alta precisión, entonces la dispersión de las lecturas será muy pequeña.

Unidades y clases de presión

La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como: pascal, bar, atmósferas, kilogramos por centímetro cuadrado y psi (libras por pulgada cuadrada). En el Sistema Internacional (SI) esta normalizada en pascal de acuerdo con las Conferencias Generales de Pesas y Medidas 13 y 14 que tuvieron lugar en Paris en octubre de 1967 y 1971, y según la Recomendación Internacional número 17, ratificada en la III Conferencia General de la Organización Internacional de Metrología Legal.

En la tabla figuran las equivalencias entre estas unidades.

En la siguiente figura se pueden ver los tipos de instrumentos y su campo de aplicación.

Clases de Presión (donde se indican las clases de presión absoluta o diferencial que los instrumentos miden comúnmente en la industria).

Presión absoluta

La presión absoluta mide con relación al cero absoluto de presión (puntos A y A' de la figura). Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las moléculas lo que indica que la

proporción de moléculas en estado gaseoso o la velocidad molecular es muy pequeña. Ester termino se creo debido a que la presión atmosférica varia con la altitud y muchas veces los diseños se hacen en otros países a diferentes altitudes sobre el nivel del mar por lo que un termino absoluto unifica criterios.

Presión atmosférica

La presión atmosférica es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida mediante un barómetro. A nivel del mar, esta presión es próxima a 760 mm (29,9 pulgadas) de mercurio absolutas o 14,7 psia (libras por pulgada cuadrada absolutas) y estos valores definen la presión ejercida por la atmósfera estándar.

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

Presión relativa

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

Presión diferencial

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

Presión Manométrica

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

Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica.

Vacío

Se refiere a presiones manométricas menores que la atmosférica, que normalmente se miden, mediante los mismos tipos de elementos con que se miden las presiones superiores a la atmosférica, es decir, por diferencia entre el valor desconocido y la presión atmosférica existente.

Los valores que corresponden al vacío aumentan al acercarse al cero absoluto y por lo general se expresa a modo de centímetros de mercurio (cmHg), metros de agua, etc.De la misma manera que para las presiones manométricas, las variaciones de la presión atmosférica tienen solo un efecto pequeño en las lecturas del indicador de vacío.

Sin embargo, las variaciones pueden llegar a ser de importancia, que todo el intervalo hasta llegar al cero absoluto solo comprende 760 mmHg.

Medida de la presión. Manómetro

Para medir la presión empleamos un dispositivo denominado manómetro. Como A y B están a la misma altura la presión en A y en B debe ser la misma. Por una rama la presión en B es debida al gas encerrado en el recipiente. Por la otra rama la presión en A es debida a la presión atmosférica más la presión debida a la diferencia de alturas del líquido manométrico. ghp=p0+

Barometro de cubeta

Es un ejemple de manometro absoluto. Se compone de un tibo de vdrio de unos 85cms. De longitud cerrado por uno de sus extremos y sumergido por el otro en una cubeta con mercurio, después de haberle llenado de este metal. El mercurio desciende en el tibo hasta qie el peso del aire equilibra el de la comulna de mercurio. Una escala graaduada en limiletro, cuyo 0 (cero) coincide con el nivel del mercurio en la cubeta, sirve para poder darse cuenta delas variaciones de presión y de su valor en milímetros.

Manometro de tubo en U

El manometro de tubo en U es el mas simple, esta constituido por un tubo de vidrio, en forma de U, con los extremos abiertos, que contienen un liquido (en general agua o mercurio) hasta casi la mitad

Para medir la presión se pone en contacto uno de los tubos con el gas y el ptrp se deja abierto al aire libre (para medir la presión atmosferica), o se ocloca ambos tubos en contac tos con el ga en zona de distinta presión (para medir la presión doferencial). El desnivel que se produce multiplicando por el peso especifico del liquido contenido, da el valor de presión. Para la lectura de loa niveles en ambas ramas del tubo, se aplica una escala graduada en milímetros

Manometro de tubo inclinado

El liquido manométrico suele ser lacohol. Se utiliza para medir con la presicion pequeñas presiones del orden de 250 a 1 500 Pa. La ventaja de este amnometro es la amplificaion que se obtiene en la lectura, “l”, al dividir h por sen α

En efecto. Llamado pamb, pabs y pe a la presión atmosférica, a la presión absoluta y a la presión relativa, respectivamente, se tiene:

Pabs= pamb + gh

O 0 bien

Pe =gh

Donde - densidad absoluta del liquido manométrico

Experiencia de Torricelli

Para medir la presión atmosférica, Torricelli empleó un tubo largo cerrado por uno de sus extremos, lo llenó de mercurio y le dio la vuelta sobre una vasija de mercurio. El mercurio descendió hasta una altura h = 0.76 m al nivel del mar. Dado que el extremo cerrado del tubo se encuentra casi al vacío p = 0, y sabiendo la densidad del mercurio es 13.55 g /cm3 ó 13550 kg/m3 podemos determinar el valor de la presión atmosférica.Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

TIPOS DE MEDIDORES DE PRESIÓN

Los instrumentos para medición de presión pueden ser indicadores, registradores, transmisores y controladores, y pueden clasificarse de acuerdo a lo siguiente:

Tipo de Manómetro Rango de OperaciónM. de Ionización 0.0001 a 1 x 10-3 mmHg ABSM. de Termopar 1 x 10-3 a 0.05 mmHgM. de Resistencia 1 x 10-3 a 1 mmHgM. Mc. Clau 1 x 10-4 a 10 mmHgM. de Campana Invertida 0 a 7.6 mmH2OM. de Fuelle Abierto 13 a 230 cmH2OM. de Cápsula 2.5 a 250 mmH2OM. de Campana de Mercurio (LEDOUX) 0 a 5 mts H2OM. "U" 0 a 2 Kg/cm2M. de Fuelle Cerrado 0 a 3 Kg/cm2M. de Espiral 0 a 300 Kg/cm2M. de Bourdon tipo "C" 0 a 1,500 Kg/cm2M. Medidor de esfuerzos (stren geigs) 7 a 3,500 Kg/cm2M. Helicoidal 0 a 10,000 Kg/cm2

En la tabla figuran las equivalencias entre estas unidades.

Dispositivos para medición y regulación de presión:

Manómetro

Presostato

Manómetro helicoidal

Manómetro espiral

Manómetro de fuelle

Manómetro de diafragma

TIPOS DE MEDIDORES DE PRESIÓN El campo de aplicación de los medidores de Presión es amplio y abarca desde valores muy bajos (vacío) hasta presiones de miles de Kg/cm3 .

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

2.1.1 De deformacion mecanica (Bourdon, espiral, hélice)

Elementos mecánicos

Se dividen en:

Elementos primarios de medida directa que miden la presión comparándola con la ejercida por un liquido de densidad y altura conocidas (barómetro de cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro pendular, manómetro de campana).y en elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna del fluido que contienen.

Los elementos primarios elásticos más empleados son: el tubo Bourdon, el elemento en espiral, el helicoidal, el diafragma y el fuelle.

Los materiales normalmente empleados son acero inoxidable, aleación de cobre o níquel o aleaciones especiales como hastelloy y monel.

El tubo Bourdon es un tubo de sección elìstica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. AI aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón. La Iey de deformación del tubo Bourdon es bastante compleja y ha sido determinada empíricamente a través de numerosas observaciones y ensayos en varios tubos.El material empleado normalmente en el tubo Bourdon es de acero inoxidable, aleación de cobre o aleaciones especiales como hastelloy y monel.

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

El espiral se forma enrrollando un tubo de Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común.

El helicoidal es similar al espiral con la diferencia de que las espiras se encuentran en planos diferentes y paralelos.

2.1.2 De columna hidrostaticaCOLUMNA HIDROSTÁTICA

Convertir una Presión a una columna de líquido El valor de una presión (P) se puede convertir a su equivalente como columna (profundidad) hidrostática (H). La columna en sí representa el peso del volumen del fluido, por lo tanto varía según el peso específico () del fluido. Se puede calcular usando la siguiente fórmula:

Convertir la presión atmosférica a nivel del mar ( 1.03 Kg/Cm2) en columna de agua:

Espejo real y espejo ficticio Espejo real es la superficie libre de un fluido contenido en un recipiente, es decir el nivel más alto del fluido en el recipiente

Espejo ficticio es una superficie imaginaria correspondiente a una columna de líquido que se considera arriba del nivel real. Esta superficie ficticia es el resultado de convertir una presión en una columna hidrostática.

Cuando la presión en el espejo real es mayor que cero manométrica:la columna ficticia (hf) se adiciona a la columna real

Cuando la presión en el espejo real es menor que cero manométrica:la columna ficticia (hf) se resta a la columna real

2.1.3 De diafragma

DIAFRAGMA

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

FUELLE

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

Se construye de bronce fosforoso

2.1.4 Electronicos

Elementos Electromecánicos Electrónicos

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

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

Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas:Resistivos.MagnéticosCapacitivos.Extensométricos.Piezoeléctricos.

Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas

Transmisor electrónico de equilibrio de fuerzas.

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

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

En el transmisor de equilibrio de fuerzas con detector fotoeléctrico (anexo 2 c), la barra rígida tiene en su extremo una ventanilla ranurada que interrumpe total o parcialmente un rayo de luz que incide en una cé1ula fotoeléctrica de dos elementos. Esta cé1ula forma parte de un circuito de puente de Wheatstone autoequilibrado y, por lo tanto, cualquier variación de presión que cambie la barra de posición, moverá la ventana ranurada y desequilibrará el puente. La señal diferencial que se produce en los dos elementos de la ce1ula es amplificada y excita un servomotor. Éste, al girar, atornilla una varilla roscada la cual comprime un resorte de realimentación que a su vez aprieta la barra de equilibrio de fuerza con una fuerza tal que compensa la fuerza desarrollada por el elemento de presión. De este modo, el sistema se estabiliza en una nueva posición de equilibrio.Este transmisor dispone de un contador óptico-mecánico acoplado al servomotor que señala los valores de presión en una pantalla exterior.

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

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

Transductores resistivos

Constituyen, sin duda, uno de los transmisores eléctricos más sencillos. Consisten en un elemento elástico (tubo Bourdon o capsula) que varia la resistencia ohmica de un potenciómetro en función de la presión. El potenciómetro puede adoptar la forma de un solo hilo continuo o bien estar arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal o no de resistencia. Existen varios tipos de potenciómetro segun sea el elemento de resistencia: potenciómetros de grafito, de resistencia bobinada, de pelicula metálica y de plastico moldeado. En la figura 3.1 puede verse un transductor resistivo representativo que consta de un muelle de referencia, el elemento de presión y un potenciómetro de precisión. El muelle de referencia es el corazón del transductor ya que su desviación al comprimirse debe ser unicamente una función de la presión y además debe ser independiente de la temperatura, de la aceleración y de otros factores ambientes externos.

Figura 3.1 Transductor resistivo

El movimiento del elemento de presión se transmite a un brazo móvil aislado que se apoya sobre el potenciómetro de precisión. Este esta conectado a un circuito de puente de Wheatstone.

Los transductores resistivos son simples y su señal de salida es bastante potente como para proporcionar una corriente de salida suficiente para el funcionamiento de los instrumentos de indicación sin necesidad de amplificación. Sin embargo, son insensibles a pequeños movimientos del contacto del cursor, muy sensibles a vibraciones y presentan una estabilidad pobre en el tiempo.El intervalo de medida de estos transmisores corresponde al elemento de presión que utilizan (tubo Bourdon, fuelle ... ) y varía en general de 0-0,1 a 0-300 kg/cm². La precisión es del orden de 1-2 %

Transductores magnéticos

Se clasifican en dos grupos según el principio de funcionamiento. a) Transductores de inductancia variable

En los que el desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de esta en forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo contenida dentro de la bobina, de tal modo que, ir penetrando el núcleo móvil dentro de la bobina, la corriente presente en el circuito se va reduciendo por aumentar la fuerza electromotriz de autoinducción.

Figura 3.2 Transductor de inductancia variable.

El transformador diferencial estudiado en los transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas es también un transductor de inductancia variable, si bien, en lugar de considerar una sola bobina con un núcleo móvil, se trata de tres bobinas en las que la bobina central o primaria es alimentada con una corriente alterna y el flujo magnético generado induce tensiones en las otras dos bobinas, con la particularidad de que si el núcleo esta en el centro, las dos tensiones son iguales y opuestas y si se desplaza a la derecha o a la izquierda, las tensiones son distintas.Es decir, que el transformador diferencial es más bien un aparato de relación de inductancias.

Los transductores de inductancia variable tienen las siguientes ventajas: no producen rozamiento en la medición, tienen una respuesta lineal, son pequeños y de construcción robusta y no precisan ajustes críticos en el montaje. Su precisión del orden de ± 1 %.

b) Los transductores de reluctancia variable Consisten en un imán permanente o un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético, al cambiar la posición de la armadura varia le reluctancia y por lo tanto el flujo magnetico. Esta variación del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es, por tanto, proporcional al grado de desplazamiento de la armadura movil.

El circuito magnético se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante con lo cual al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por lo tanto el flujo magnético.

Transductor de inductancia variable

El movimiento de la armadura es pequeño (del orden de un grado como máximo en armaduras giratorias) sin contacto alguno con las partes fijas, por lo cual no existen rozamientos

eliminándose la histéresis mecánica típica de otros instrumentos. Los transductores de reluctancia variable presentan una alta sensibilidad a las vibraciones, una estabilidad media en el tiempo y son sensibles a la temperatura. Su precisión es del orden de ± 0,5 %.Ambos tipos de transductores posicionan el núcleo o la armadura móviles con un elemento de presión (tubo Bourdon, espiral ... ) y utilizan circuitos e1éctricos bobinados de puente de inductancias de corriente alterna.

Transductores capacitivos

Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión. La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. De este modo se tienen dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna.Los transductores capacitivos se caracterizan por su pequeño tamaño y su construcción robusta, tienen un pequeño desplazamiento volumétrico y son adecuados para medidas estáticas y dinámicas. Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición. Son sensibles a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones transversales y precisan de un ajuste de los circuitos oscilantes y de los puentes de c.a. a los que están acoplados.

Transductor capacitivo

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

2.2 Medidores de Flujo MEDIDORES DE FLUJO

El flujo es una de las dos variables de proceso que se miden más frecuentemente, la otra es la temperatura. En consecuencia, se han desarrollado muchos tipos de sensores de flujo. Siempre que se trabaja con un fluido , existe la necesidad de realizar un conteo de la cantidad que se transporta, para lo cual utilizamos medidores de flujo.

Medidor de flujo: es un dispositivo montado en la línea de proceso, el cual proporciona una lectura continua de la velocidad de flujo en la línea

Algunos de ellos miden la velocidad de flujo de manera directa y otros miden la velocidad promedio, y aplicando la Ecuación de continuidad y la de energía se calcula la velocidad

2.2.1 Tipo turbina MEDIDOR DE TURBINA

2.2.2 Placa orificio

Medidor: placa – orificio

Este es el tipo de restricción más usado. Tiene la forma de una placa circular, insertada en la tubería entre dos bridas, en la cual se hace un orificio con las dimensiones que indique el calculo. El material del orificio debe resistir la corrosión química y mecánica del fluido. Se usan mucho los diversos tipos de acero inoxidable.

Placa de orificioLa placa de orificio o diafragma consiste en una placa perforada que seinstala en la tubería, el orificio que posee es una abertura cilíndrica o prismáticaa través de la cual fluye el fluido. El orificio es normalizado (ISO 5167-1980), lacaracterística de este borde es que el chorro que éste genera no toca en susalida de nuevo la pared del orificio. El caudal se puede determinar por mediode las lecturas de presión diferenciales. Dos tomas conectadas en la parteanterior y posterior de la placa captan esta presión diferencial, la cual esproporcional al cuadrado del caudal.La disposición de las tomas se pueden observar con más claridad en laFigura.

Disposición de las tomas de presión diferencial

Tomas en la brida (flange taps) (figura a). Es bastante utilizada por que su instalación es cómoda ya que las tomas están taladradas en las bridas que soportan la placa y situadas a 1” de distancia de la misma.Tomas en la vena contraída (vena contracta taps) (figura b). La toma posterior esta situada en un punto donde la vena alcanza su diámetro mas pequeño, lo cual depende de la razón de diámetros y se presenta aproximadamente a ½ diámetro de la tubería. La toma anterior esta situada a un diámetro de la tubería.

Tomas radiales (radius taps). Son parecidas a las tomas de vena contraída, pero fijando siempre las tomas anterior y posterior a 1 y ½ diámetros de la tubería, respectivamente.Tomas en la cámara anular (corner taps) (figura c). Las tomas están situadas inmediatamente antes y después del diafragma y requieren el empelo de una cámara anular especial. Se emplean mucho en Europa.

Tomas en la tubería (pipe taps). (figura d). Las tomas anterior y posterior están situadas a 2 ½ y 8 diámetros, respectivamente. Se emplean cuando se desea aumentar el intervalo de medida de un medidor de caudal dado. La situación de las tomas está en un lugar menos sensible a la medida.

El orificio de la placa, como se muestra en la figura siguiente, puede ser: concéntrico, excéntrico y segmentado.

Placa de orificio

La placa concéntrica sirve para líquidos. La excéntrica para los gases donde los cambios de presión implican condensación. Cuando los fluidos contienen un alto porcentaje de gases disueltos. Segmentada, partículas en suspensión implican turbulencias que limpiarán (para que no se aglomeren partículas) el lado de alta presión evitando errores en la medición.

Con el fin de evitar arrastres de sólidos o gases que pueda llevar el fluido, la placa incorpora un orificio de purga como se menciona anteriormente. Entre los diversos perfiles de orificio que se utilizan, según se muestra en la figura siguiente, se pueden destacar los siguientes: de cantos vivos, de cuarto de círculo y de entrada cónica. La precisión obtenida con la placa de orificio es del orden de ±1 a ± 2 %.

Orificios de purga

ECUACIÓN DE UNA PLACA DE ORIFICIO

Orificio de orilla recta:

2.2.3 Medidor magnetico

FLUXOMETRO ELECTROMAGNÉTICO

Su principio de medida esta basado en la Ley de Faraday, la cual expresa que al pasar un fluido conductivo a través de un campo magnético, se produce una fuerza electromagnética (F.E.M.), directamente proporcional a la velocidad del mismo, de donde se puede deducir también el caudal.

Está formado por un tubo, revestido interiormente con material aislante. Sobre dos puntos diametralmente opuestos de la superficie interna se colocan dos electrodos metálicos, entre los cuales se genera la señal eléctrica de medida. En la parte externa se colocan los dispositivos para generar el campo magnético, y todo se recubre de una protección externa, con diversos grados de seguridad.

El flujo completamente sin obstrucciones es una de las ventajas de este medidor. El fluido debe ser ligeramente conductor debido a que el medidor opera bajo el principio de que cuando un conductor en movimiento corta un campo magnético, se induce un voltaje.

Los componentes principales incluyen un tubo con un material no conductor, dos bobinas electromagnéticas y dos electrodos, alejados uno del otro, montados a 180° en la pared del tubo. Los electrodos detectan el voltaje generado en el fluido. Puesto que le voltaje generado es directamente proporcional a la velocidad del fluido, una mayor velocidad

de flujo genera un voltaje mayor. Su salida es completamente independiente de la temperatura, viscosidad, gravedad específica o turbulencia. Los tamaños existentes en el mercado van desde 5 mm hasta varios metros de diámetro.

Medidor tipo conoComo se ha visto, cuando un área transversal de un conducto cerrado (o tubo) se reduce por un cambio en el diámetro o por el uso del elemento que produce la presión diferencial, la velocidad de los fluidos que pasan por el conducto se incrementa en el área de las paredes (ecuación de continuidad). La presión disminuye (ecuación de Bernoulli) y se genera una presión diferencial a lo largo de la reducción o el elemento.La presión diferencial (DP, por sus siglas en inglés) y la velocidad de flujo(Qv) mantienen una relación proporcional tal que ρ / P K Qv Δ . . y es por esta relación universal que se puede determinar la velocidad de flujo.

Medidor tipo cono

Mientras que otros medidores de flujo por diferencia de presión se basan en este principio, el Medidor Tipo Cono genera una presión diferencial creando una reducción de área mediante un elemento de flujo de forma cónica ubicado en la línea central de la sección transversal de un tubo, lo cual difiere de la reducción que se logra mediante un orificio o pared de tubería de menor diámetro.

Las ecuaciones de flujo de presión diferencial para todos los elementos de flujo tipo cono son las siguientes:

Cociente de área efectiva ( At ), Cociente Beta (β) y velocidad de aproximación (E), expresado como:

El Medidor Tipo Cono brinda niveles de precisión de hasta ± 0.5% de la lectura (número de Reynolds y según el fluido) con una repetibilidad nominal de 0.1% bajo diversas condiciones y modos de funcionamiento. El medidor puede funcionar con reducciones de caudal de hasta 10-1. Estas especificaciones cumplen con los requerimientos de rendimiento para la transferencia de custodia en las mediciones de transmisión de gas con volúmenes de hasta 36 pulgadas.ELEMENTOS DEPRIMÓGENOS

Deprimógeno: Se denomina así al elemento primario cuya instalación produce una diferencia de presiones (pérdida de carga), que se vincula con el caudal quecircula, en una relación determinable.

Los elementos deprimógenos más usados son:• Tubo Venturi• Tubo Pitot / Annubar• Boquilla / Codo• Cuña• Placa orificio

FACTORES PARA LA ELECCIÓN DEL TIPO DE MEDIDOR DE FLUIDO

Intervalo de medición

Exactitud requerida Pérdida de presión Tipo de fluido Tipo de medición Calibración Medio ambiente Lugar de ubicación

2.2.4 Tubo Venturi TUBO DE VÉNTURI

Tubo Vénturi, donde su creador luego de muchos cálculos y pruebas logró diseñar un tubo para medir el gasto de un fluido, es decir la cantidad de flujo por unidad de tiempo.

Este consta en sus extremos de dos entradas en las cuales existe una boquilla, el fluido pasa por la boquilla, generalmente se hace de una sola pieza fundida y tiene específicamente los siguientes elementos:

• Una sección aguas arriba, de igual diámetro que la tubería y provista de un anillo de bronce con una serie de aberturas piezométricas para medir la presión estática en esa sección.

• Una sección cónica convergente; una garganta cilíndrica provista también de un anillo piezométrico de bronce.

• Una sección cónica con una divergencia gradual hasta alcanzar el diámetro original de la tubería. Los anillos piezométricos se conectan a uno y otro extremo, respectivamente, de un manómetro diferencial.

El tamaño del tubo de Venturi se especifica mediante el diámetro de la tubería en la cual se va a utilizar y el diámetro de la garganta; por ejemplo, un tubo de Venturi de 6" x 4" se ajusta a una tubería de 6" y tiene una garganta de 4" de diámetro.Para que se obtengan resultados precisos, el tubo de Venturi debe estar precedido por una longitud de al menos 10 veces el diámetro de la tubería.Al escurrir el fluido de la tubería a la garganta, la velocidad aumenta notablemente y, en consecuencia, la presión disminuye; el gasto transportado por la tubería en el caso de un flujo incompresible, está en función de la lectura en el manómetro.

El tubo Venturi tiene distintas aplicaciones, se utiliza en los motores como parte importante de los carburadores, se utiliza en sistemas de propulsión.

Otras características:

• Se utiliza cuando es importante limitar la caída de presión.

• Consiste en un estrechamiento gradual cónico y una descarga con salida también suave.

• Se usa para fluidos sucios y ligeramente contaminados.El tubo Venturi permite la medición de caudales 60% superiores a los de la placa de orificio en las mismas condiciones de servicio y con una pérdida de carga de solo 10 a 20% de la presión diferencial. Posee una gran precisión y permite el paso de fluidos con un porcentaje relativamente grande de sólidos, si bien, lo sólidos abrasivos influyen en su forma afectando la exactitud de la medida. El coste del tubo Venturi es elevado, del orden de 20 veces el de un diafragma y su precisión es del orden de ± 0.75%.

Desventajas:Es costoso Ventajas:La pérdida permanente de presión es mucho menor que la que ocasionan el orificio y la tobera.

2.2.5 Anubar El tubo Annubar

Es una innovación del tubo Pitot y consta de dos tubos, el de presión total y el de presión estática. El tubo que mide la presión total esta situado a lo largo de un diámetro transversal de la tubería y consta de varios orificios de posición critica determinada por computador, que cubren cada uno la presión total en un anillo de área transversal de la tubería.

Estos anillos tienen áreas iguales. En tuberías de tamaño mayor que 1” se dispone en el interior del tubo otro que promedia las presiones obtenidas en los orificios.

El tubo que mide la presión estática se encuentra detrás del de presión total con su orificio en el centro de la tubería y aguas debajo de la misma.

El tubo Annubar es de mayor precisión que el tubo Pitot, del orden de1%, tiene una baja pérdida de carga y se emplea para la medida de pequeños o grandes caudales de líquidos y de gases.

ANNUBAR

Un Annubar consiste de varios tubos Pilot ubicados a través de la cañería para proveer una aproximación al perfil de velocidad. El caudal total puede determinarse a partir de esas múltiples mediciones.

El tubo Pitot y el Annubar aportan caídas de presión muy bajas, pero no son físicamente resistentes y solamente pueden ser usados con líquidos claros.

2.2.6 Pitot

2.4.1 TUBO PITOT

El tubo Pitot mide la presión estática y la presión dinámica del fluido en un punto de la cañería. El caudal puede determinarse a partir de la diferencia entre ambas presiones.

Cuando un fluido en movimiento es obligado a pararse debido a que se encuentra un objeto estacionario, se genera una presión mayor que la presión de la corriente del fluido. La magnitud de esta presión incrementada se relaciona con la velocidad del fluido en movimiento. El tubo pitot es un tubo hueco puesto de tal forma que los extremos abiertos apuntan directamente a la corriente del fluido. La presión en la punta provoca que se soporte una columna del fluido. El fluido en o dentro de la punta es estacionario o estancado llamado punto de estancamiento.

Utilizando la ecuación de la energía para relacionar la presión en el punto de estancamiento con la velocidad de fluido: si el punto 1 está en la corriente quieta delante del tubo y el punto s está en el punto de estancamiento, entonces,

p1 = presión estática en la corriente de fluido principal

p1/g = cabeza de presión estática

p1 = presión de estancamiento o presión total

ps/ g = cabeza de presión total

v1²/ 2g = cabeza de presión de velocidad

Solo se requiere la diferencia entre la presión estática y la presión de estancamiento para calcular la velocidad, que en forma simultánea se mide con el tubo pitot estático.

Tubo PitotEl tubo Pitot mide la diferencia entre la presión total y la presión estática, osea, la presión dinámica, la cual es proporcional al cuadrado de la velocidad.El tubo de Pitot es quizá la forma más antigua de medir la presión

diferencial y también de conocer la velocidad de circulación de un fluido en unatubería. Consiste en un pequeño tubo con la entrada orientada en contra delsentido de la corriente del fluido. La velocidad del fluido en la entrada del tubose hace nula, al ser un punto de estancamiento, convirtiendo su energía cinéticaen energía de presión, lo que da lugar a un aumento de presión dentro del tubode Pitot.

Figura 49 Tubo Pitot

Los tubos de Pitot son instrumentos sencillos, económicos y disponiblesen un amplio margen de tamaños. Si se utilizan adecuadamente puedenconseguirse precisiones moderadas y, aunque su uso habitual sea para lamedida de la velocidad del aire, se usan también, con la ayuda de una técnicade integración, para indicar el caudal total en grandes conductos y,prácticamente, con cualquier fluido.Entre las características principales del tubo Pitot encontramos:• Mide la velocidad en un punto.• Sus ventajas son la escasa caída de presión y bajo precio, siendo por ellouna buena elección para tuberías de gran diámetro y para gases limpios.• Consiste en un tubo de pequeño diámetro que se opone al flujo, con loque la velocidad en su extremo mojado es nula.

La forma en que funciona el tubo de Pitot puede describirse así (Figura50), el orificio del tubo de Pitot toma la presión total y la conduce a la conexiónen la sonda de presión. La presión estática pura se toma desde una partelateral y se conduce a la conexión. La presión diferencial resultante es unapresión dinámica que depende de la velocidad y que es analizada e indicada.

Figura 50 Funcionamiento del tubo Pitot

De la figura 50 obtenemos la ecuación correspondiente al tubo Pitot:

En la que:

P2 = presión de impacto total absoluta en el punto donde el líquido anulasu velocidad;P1 = presión estática absoluta en el fluido;ρ = densidad;V1 = velocidad del fluido en el eje de impacto.

El tubo Pitot es sensible a las variaciones en la distribución de velocidadesen la sección de la tubería, de aquí que en su empleo es esencial que el flujosea laminar disponiéndolo en un tramo recto de tubería. La máxima exactitud enla medida se consigue efectuando varias medidas en puntos determinados ypromediando las raíces cuadradas de las velocidades medidas.Su precisión es del orden de 1.5 a 4%, y se emplea normalmente para lamedición de grandes caudales de fluidos limpios con una baja caida de presión.

2.2.7 Ultrasonido Medidores d e Ultrasonido

Estos medidores utilizan emisores y receptores de ultrasonido situados ya sea dentro o fuera de la tubería, son buenos para medir líquidos altamente contaminados o corrosivos, porque se instalan exteriormente a la tubería. Los medidores tienen una exactitud de ±0,5% a ± 5% y una variabilidad del rango entre 20:1 a 75:1 con escala lineal.

Medidores por ultrasonido

I.- Medidor de ultrasonido por diferencia de tiempos (contin)En un caso la velocidad aparente del sonido se ve aumentada por la velocidad del fluido, mientras que en el otro se ve disminuida. Esta diferencia en tiempos es proporcional a la velocidad del fluido, y está determinada por la siguiente fórmula:

V = - [(D/sen α . cos α)(tab-tba)] / (2tab.tba)

Donde:

V = Velocidad del fluido.α = Angulo de inclinación del haz de ultrasonido con respecto al eje longitudinal de la tubería.D = Diámetro interno de la tubería.tab = Tiempo de viaje de la onda del punto a al b.tba = Tiempo de viaje de la onda del punto b al punto a.

Medidores por ultrasonido

I.- Medidor de ultrasonido por diferencia de tiempos.En este caso se dispone de uno o mas pares de transmisores-receptores de ultrasonido, colocados diametralmente opuestos, formando un ángulo (α) con el eje de la tubería. El principio de medición se basa en medir la diferencia en el tiempo que tarda en viajar una onda de ultrasonido aguas abajo, con respecto al tiempo que le toma en viajar aguas arriba.En los medidores de haz múltiple, se mide la velocidad del fluido en diversos planos y se obtiene un promedio.Este medidor opera con gases y líquidos, pero presenta mejor desempeño en gases.

II.- Medidor de ultrasonido por efecto Doppler. En este caso, se proyectan ondas de ultrasonido a lo largo del fluido y se mide el corrimiento de frecuencia que experimenta la señal de retorno al reflejarse el sonido en partículas contenidas en el fluido. El método está limitado por la necesidad de partículas en suspensión como burbujas o partículas sólidas en la corriente líquida, pero permite medir algunos caudales de fluidos difíciles, tales como mezclas gas-líquido, fangos, entre otros. Tienen las ventajas de que no poseen partes móviles, no añaden caída de presión ni distorsionan el modelo del fluido. Opera con gases y líquidos.

2.6. FLUXOMETRO DE ULTRASONIDO

Consta de unas Sondas, que trabajan por pares, como emisor y receptor. La placa piezo-cerámica de una de las sondas es excitada por un impulso de

tensión, generándose un impulso ultrasónico que se propaga a través del medio líquido a medir, esta señal es recibida en el lado opuesto de la conducción por la segunda sonda que lo transforma en una señal eléctrica.

El convertidor de medida determina los tiempos de propagación del sonido en sentido y contrasentido del flujo en un medio líquido y calcula su velocidad de circulación a partir de ambos tiempos. Y a partir de la velocidad se determina el caudal que además necesita alimentación eléctrica.

Hay dos tipos de medidores de flujo por ultrasonidos:

DOPPLER: Miden los cambios de frecuencia causados por el flujo del líquido. Se colocan dos sensores cada uno a un lado del flujo a medir y se envía una señal de frecuencia conocida a través del líquido. Sólidos, burbujas y discontinuidades en el líquido harán que el pulso enviado se refleje, pero como el líquido que causa la reflexión se está moviendo la frecuencia del pulso que retorna también cambia y ese cambio de frecuencia será proporcional a la velocidad del líquido.

TRÁNSITO: Tienen transductores colocados a ambos lados del flujo. Su configuración es tal que las ondas de sonido viajan entre los dispositivos con una inclinación de 45 grados respecto a la dirección de flujo del líquido.

La velocidad de la señal que viaja entre los transductores aumenta o disminuye con la dirección de transmisión y con la velocidad del líquido que está siendo medido Tendremos dos señales que viajan por el mismo elemento, una a favor de la corriente y otra en contra de manera que las señales no llegan al mismo tiempo a los dos receptores.

Se puede hallar una relación diferencial del flujo con el tiempo transmitiendo la señal alternativamente en ambas direcciones. La medida del flujo se realiza determinando el tiempo que tardan las señales en viajar por el flujo.

Características

Temperatura ambiente 0º 55º Temperatura de almacenamiento -20º 150º Humedad <80% Temperatura del líquido 20º 150º Máx. presión de conexión 25 bar Las medidas no se ven afectadas por la presencia de sustancias

químicas, partículas contaminantes.. Tienen un alto rango dinámico Diseño compacto y pequeño tamaño Costes de instalación y mantenimiento pequeños Las medidas son independientes de la presión y del líquido a medir No se producen pérdidas de presión debido al medidor No hay riesgos de corrosión en un medio agresivo

Aunque el precio no es bajo, sale rentable para aplicaciones en las que se necesite gran sensibilidad (flujos corporales) o en sistemas de alta presión.

Operan en un gran rango de temperaturas (-10º a 70º) (-30º 180º)[3]dependiendo del sensor y se ofrece la posibilidad de comprar sensores con características especiales para aplicaciones concretas.

Las medidas son no invasivas (especialmente importantes cuando hablamos del cuerpo humano)

Ofrecen una alta fiabilidad y eficiencia

APLICACIONES DE ALGUNOS MEDIDORES DE FLUJO

COMPARATIVA DE LOS DISTINTOS SENSORES DE FLUJO

SENSOR DE FLUJO

LÍQUIDOS RECOMENDADOS

PÉRDIDA DE PRESIÓN

EXACTITUD TÍPICA EN %

MEDIDAS Y DIÁMETROS

EFECTO VISCOSO

COSTE RELATIVO

ORIFICIO

LÍQUIDOS SUCIOS Y LIMPIOS; ALGUNOS LÍQUIDOS VISCOSOS

MEDIO±2 A ±4 OF FULL SCALE

10 A 30 ALTO BAJO

TUBO VENTURI

LÍQUIDOS VISCOSOS, SUCIOS Y LIMPIOS

BAJO ±1 5 A 20 ALTO MEDIO

TUBO PITOTLÍQUIDOS LIMPIOS

MUY BAJO

±3 A ±5 20 A 30 BAJO BAJO

TURBINALÍQUIDOS LIMPIOS Y VISCOSOS

ALTO ±0.25 5 A 10 ALTO ALTO

ELECTROMAGNET.

LÍQUIDOS SUCIOS Y LIMPIOS; LÍQUIDOS VISCOSOS Y CONDUCTORES

NO ±0.5 5 NO ALTO

ULTRASONIC. (DOPPLER)

LÍQUIDOS SUCIOS Y LÍQUIDOS VISCOSOS

NO ±5 5 A 30 NO ALTO

ULTRASONIC. (TIME-OF-TRAVEL)

LÍQUIDOS LIMPIOS Y LÍQUIDOS VISCOSOS

NO ±1 A ±5 5 A 30 NO ALTO

FLUXOMETROS COMERCIALES

2.3 Medidores de Temperatura

2.3.1 Elementos bimetalicos (termostatos)

2.3.2 Termopar

Termopares

Son seleccionados para la mayoría de las medidas industriales. Tienen sencilla construcción, si están bien calibrados son precisos. Se basan en el descubrimiento siguiente hecho por Jean Peltier en 1821:

"Cuando hilos de metales diferentes están en contacto por los extremos, se genera una f.e.m. (y aparece una corriente eléctrica en el circuito) cuando los dos contactos están a diferentes temperaturas" .

Los pares de metales más utilizados en la constitución de termopares industriales son:

o Cobre – Constantán (aleación de cobre y níquel) o Fierro – Constantán o Platino – Platino rodio

Para muy altas temperaturas se fabrican termopares de metales refractarios como son:

o Tungsteno – Tungsteno renio o Grafito – Silicio o Iridio – Iridio renio o Tungsteno – Iridio o Molibdeno – Molibdeno renio

El termopar se selecciona en función de la gama de temperaturas, de los efectos corrosivos del medio ambiente y, de la precisión deseada.

La localización de un termopar en el proceso se debe considerar cuidadosamente. En realidad, además de los cambios térmicos por conducción en relación con el fluido, entran en juego intercambios de energía por radiación con las superficies calientes o frías de la instalación (tuberías, aletas, paredes, etc.)

2.3.3RTD

2.3.4 Termistor

2.3.5 Pirometros

2.4 Medidores de Nivel

Medidas del Nivel

En el control de los procesos, el nivel de líquidos y sólidos contenidos en tanques y reactores, tolvas, etc., es una variable importante. Los dispositivos para la medida del nivel son muy variados. Algunos de ellos son:

o Indicación directa o Flotador o Contactor móvil de superficie o Presión hidrostática o Burbujeador o Capacitivos o Conductivos o Ultrasónicos o Nucleares o Ópticos o Pesaje

Los más usados son:

Medidores de nivel por presión hidrostática.

Es el método más común para medir niveles de líquidos. La transmisión de la señal del nivel se puede efectuar por medio de celdas de presión diferencial que pueden ser de tipo neumático o electrónico

Medidores de nivel por desplazamiento.

Este tipo de medida se basa en la variación del peso aparente de un cuerpo parcialmente sumergido en un líquido, cuando la altura del líquido varía. Por ejemplo, el flotador utilizado en los tinacos para baño.

2.4.1 Flotador

2.4.2 Tubo de vidrio

2.4.3 Desplazamiento

2.4.4 Burbujeo Valvula de purga)

2.4.5 Columna hidrostatica

2.4.6 Medidor de capacitancia

Métodos capacitivos.

Se utilizan tanto en líquidos como en sólidos, polvos o granulados. El principio en el que se basan es muy sencillo. Una varilla metálica aislada o, verticalmente localizada dentro del depósito, desempeña la función de uno de los electrodos de un capacitor. Como el líquido ( o el sólido granulado) tiene una cierta conductividad, equivale a su vez al segundo electrodo del capacitor. La superficie aparente de los electrodos y, por lo tanto del capacitor, varía con el nivel; esta capacitancia se mide con un puente de C. A.

2.4.7 Celdas de presion diferencial

2.4.8 Ultrasonido

2.5 Otros elementos primarios de medicion

2.5.1 Humedad relativa

2.5.2 Viscosidad

2.5.3 pH

Medidas del pH

Como sabemos el pH es una variable de gran importancia, que nos da el valor de la concentración de los iones hidrógeno.

Un líquido puede tener los siguientes valores:

pH Tipo

0-7 Ácido

7 Neutro

7-14 Básico

El método tradicional para la medición del pH utiliza un electrodo de vidrio (electrodo de medida) y un electrodo de calomel (electrodo de referencia).

En el electrodo de vidrio se genera una diferencia de potencial entre el líquido a medir y la solución interna que depende linealmente del pH de la solución, esta diferencia de potencial permite conocer el pH, mediante la ecuación de Haber:

E = Eo – 0.0591 log H+ (a 25°C).

El electrodo de calomel presenta una f.e.m constante de 245 mv, mientras que el electrodo de vidrio presenta una variación de 465 mv hasta –43 mv. Por ejemplo para un pH = 7 (neutro) se tiene una diferencia de potencial de 25 mv.

2.5.4 Composicion

2.5.5 Oxigeno disuelto

2.5.6 Conductividad

2.5.7 Turbidez

2.5.8 Peso y fuerza

Medidas de fuerza y peso

En diversos procesos industriales es necesario controlar el peso de los materiales que se han de transformar, o ajustar la magnitud de las fuerzas actuantes.

Para la medición de las fuerzas, se da lugar a transductores que conviertan estas magnitudes en otras más fáciles de medir.

Existen diversos tipos de dispositivos para medir el peso y las fuerzas, tales como:

a. Balanzas discontinuas.

También existen dispositivos de pesaje que se basan en principios neumáticos, hidráulicos y eléctricos.

o Indicador neumático de fuerza: En este dispositivo, la fuerza desconocida se aplica a una de las caras de un diafragma. En la otra cara se aplica un presión neumática, hasta reestablecer el equilibrio. La medida de la presión da la medida de la fuerza.

oo Indicador hidráulico de fuerza : Sigue el mismo principio

que el dispositivo anterior, sin embargo, en este caso en lugar de utilizarse aire comprimido, se da lugar a un fluido. La capacidad de este dispositivo es hasta de diez toneladas.

oo Piezo-eléctrico o extensómetro: En estos dispositivos la

fuerza que se mide produce la deformación de un elemento elástico. Por ejemplo, un anillo de acero.

El cristal del extensómetro está fijado al elemento elástico y sufren también las deformaciones, dichas deformaciones se convierten en una variación de resistencia del extensómetro o bien en un potencial eléctrico generado por el detector piezo-eléctrico.

2.5.9 Velocidad, rapidez y frecuencia

2.5.10 Color

2.5.11 Densidad y peso especifico

2.5.12 Tiempo posicion flama voltaje potencia posicion

Introducción

El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras. Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad variando este, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, si no también puede provocar la destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos. Para tales aplicaciones, las lecturas absolutas de gran precisión con frecuencia son tan importantes como lo es la seguridad extrema.

Por otro lado, la presión puede llegar a tener efectos directos o indirectos en el valor de las variables del proceso (como la composición de una mezcla en el proceso de destilación). En tales casos, su valor absoluto medio o controlado con precisión de gran importancia ya que afectaría la pureza de los productos poniéndolos fuera de especificación.

La presión puede definirse como una fuerza por unidad de área o superficie, en donde para la mayoría de los casos se mide directamente por su equilibrio directamente con otra fuerza, conocidas que puede ser la de una columna liquida un resorte, un embolo cargado con un peso o un diafragma cargado con un resorte o cualquier otro elemento que puede sufrir una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión.

Tenemos que:

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La relación de los diferentes tipos de presión se expresa en la figura siguiente:

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Presión Absoluta

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

Presión Atmosférica

El hecho de estar rodeados por una masa gaseosa (aire), y al tener este aire un peso actuando sobre la tierra, quiere decir que estamos sometidos

a una presión (atmosférica), la presión ejercida por la atmósfera de la tierra, tal como se mide normalmente por medio del barómetro (presión barométrica). Al nivel del mar o a las alturas próximas a este, el valor de la presión es cercano a 14.7 lb/plg2 (101,35Kpa), ,disminuyendo estos valores con la altitud.

Presión Manométrica

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

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

Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica.

Vacío

Se refiere a presiones manométricas menores que la atmosférica, que normalmente se miden, mediante los mismos tipos de elementos con que se miden las presiones superiores a la atmosférica, es decir, por diferencia entre el valor desconocido y la presión atmosférica existente. Los valores que corresponden al vacío aumentan al acercarse al cero absoluto y por lo general se expresa a modo de centímetros de mercurio (cmHg), metros de agua, etc.

De la misma manera que para las presiones manométricas, las variaciones de la presión atmosférica tienen solo un efecto pequeño en las lecturas del indicador de vacío.

Sin embargo, las variaciones pueden llegar a ser de importancia, que todo el intervalo hasta llegar al cero absoluto solo comprende 760 mmHg.

Medida de la presión. Manómetro

Para medir la presión empleamos un dispositivo denominado manómetro. Como A y B están a la misma altura la presión en A y en B debe ser la misma. Por una rama la presión en B es debida al gas encerrado en el recipiente. Por la otra rama la presión en A es debida a la presión atmosférica más la presión debida a la diferencia de alturas del líquido manométrico.

ghp=p0+

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 Experiencia de Torricelli

Para medir la presión atmosférica, Torricelli empleó un tubo largo cerrado por uno de sus extremos, lo llenó de mercurio y le dio la vuelta sobre una vasija de mercurio. El mercurio descendió hasta una altura h = 0.76 m al nivel del mar. Dado que el extremo cerrado del tubo se encuentra casi al vacío p = 0, y sabiendo la densidad del mercurio es 13.55 g /cm3 ó 13550 kg/m3 podemos determinar el valor de la presión atmosférica.

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Tipos de Medidores de Presión

Los instrumentos para medición de presión pueden ser indicadores, registradores, transmisores y controladores, y pueden clasificarse de acuerdo a lo siguiente:

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Tipo de Manómetro Rango de Operación

M. de Ionización 0.0001 a 1 x 10-3 mmHg ABS

M. de Termopar 1 x 10-3 a 0.05 mmHg

M. de Resistencia 1 x 10-3 a 1 mmHg

M. Mc. Clau 1 x 10-4 a 10 mmHg

M. de Campana Invertida 0 a 7.6 mmH2O

M. de Fuelle Abierto 13 a 230 cmH2O

M. de Cápsula 2.5 a 250 mmH2O

M. de Campana de Mercurio (LEDOUX) 0 a 5 mts H2O

M. "U" 0 a 2 Kg/cm2

M. de Fuelle Cerrado 0 a 3 Kg/cm2

M. de Espiral 0 a 300 Kg/cm2

M. de Bourdon tipo "C" 0 a 1,500 Kg/cm2

M. Medidor de esfuerzos (stren geigs) 7 a 3,500 Kg/cm2

M. Helicoidal 0 a 10,000 Kg/cm2

MEDIDAS DE PRESION

Unidades y clases de presión

La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmosferas, kilogramos por centímetro cuadrado y psi (libras por pulgada cuadrada). En él Sistema Internacional (S.I.) esta normalizada en pascal de acuerdo con las Conferencias Generales de Pesas y Medidas que tuvieron lugar en Paris en octubre de 1967 y 1971, y según la Recomendación Internacional número 17, ratificada en la III Conferencia General de la Organización Internacional de Metrologia Legal. El pascal es 1 newton por metro cuadrado (1 N/m²), siendo el newton la fuerza que aplicada a un cuerpo.

Tabla 1 de unidades de presión

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

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

La presión puede medirse en valores absolutos o diferenciales. En la figura 1.1 se indican las clases de presión que los instrumentos miden comúnmente miden en las industrias.

Figura 1.1 Clases de Presion

La presion absoluta mide con relación al cero absoluto de presión (puntos A y A' de la figura 1.1).

La presión atmosférica es la presión ejercida por la atmosfera terrestre medida mediante un barometro. A nivel del mar, esta presión es proxima a 760 mm (29,9 pulgadas) de mercurio absolutas o 14,7 psia (libras por pulgada cuadrada absolutas) y estos valores definen la presión ejercida por la atmosfera estandar.

La presión relativa es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre la presión absoluta y la atmosferica del lugar donde se efectúa la medición (punto B de la figura). Hay que señalar que al aumentar o disminuir la presión

atmosférica, disminuye o aumenta respectivamente la presión leída (puntos

(B yB'), si bien ello es despreciable al medir presiones elevadas.

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

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

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

Elementos mecánicos

Se dividen en:

Elementos primarios de medida directa que miden la presión comparándola con la ejercida por un liquido de densidad y altura conocidas

(barómetro de cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro pendular, manómetro de campana), y .

Elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna del fluido que contienen.

Los elementos primarios elásticos mas empleados son: el tubo Bourdon, el elemento en espiral, el helicoidal, el diafragma y el fuelle.

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

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

El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común, y el helicoidal arrollando mas de una espira en forma de hè1ice. Estos elementos proporcionan un desplazamiento grande del extremo libre y por ello, son ideales para los registradores.

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

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

El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.

Hay que señalar que los elementos de fuelle se caracterizan por su larga duración, demostrada en ensayos en los que han soportado sin deformación alguna millones de ciclos de flexión. El material empleado para el fuelle es usualmente bronce fosforoso y el muelle es tratado térmicamente para mantener fija su constante de fuerza por unidad de compresiòn. Se emplean para pequeñas presiones.

Los medidores de presión absoluta consisten en un conjunto de fuelle y muelle opuesto a un fuelle sellado al vacio absoluto. El movimiento resultante de la unión de los dos fuelles equivale a la presión absoluta del fluido. El material empleado para los fuelles es latón o acero inoxidable. Se utilizan para la medida exacta y el control preciso de bajas presiones, a las que puedan afectar las variaciones en la presión atmosférica. Por ejemplo,

en el caso de emplear un vacuometro para el mantenimiento de una presión absoluta de 50 mm de mercurio en una columna de destilación, el punto de consigna seria de 710 mm, con una presión atmosférica de 760 mm. Si la presión atmosférica cambiase a 775 mm cl vacuometro indicaría: 710 + 15 = 725 mm con lo cual la presión absoluta en la columna sería controlada a 50 + 15 = 65 mm, es decir, a un 30 % más de la deseada.

En la medida de presiones de fluidos corrosivos pueden emplearse elementos primarios elásticos con materiales especiales en contacto directo con el fluido. Sin embargo, en la mayoría de los casos es más económico utilizar un fluido de sello cuando él fluido es altamente viscoso y obtura el elemento (tubo Bourdon, por ejemplo), o bien, cuando la temperatura del proceso es demasiado alta. Tal ocurre en la medición de presión del vapor de agua en que el agua condensada aísla el tubo Bourdon de la alta temperatura del vapor figura 1.2 a.

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

Figura 1.2 Tipos de Sellos

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

Tabla 2 elementos mecanicos

Elementos neumáticos

Como elementos neumáticos consideramos los instrumentos transmisores neumaticos

Transmisores neumáticos

Los transmisores neumáticos se basan en el sistema tobera-obturador que convierte el movimiento del elemento de medición en una señal neumática.

El sistema tobera-obturador consiste en un tubo neumático aumentado a una presión constante P,,, con una reducción en su salida en forma de tobera, la cual puede ser obstruida por una lámina llamada obturador cuya posición depende del elemento de medida. En la figura 2.1 se presenta el conjunto.

Figura 2.1 Sistema tobera-obturador

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

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

En la figura 2.2 se representa una tobera ejerce una fuerza sobre el obturador F P, X S que tiende a desplazarlo. Esta curva de respuesta típica de un sistema tobera-obturador, pudiendo verse que la misma no es lineal.

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

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

  Figura 2.2 Curva de respuesta de un sistema tobera-obturador

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

La válvula piloto (amplificador neumático) empleada en el amplificador de dos etapas figura 2.3 cumple las siguientes funciones:

1. Aumento del caudal de aire suministrado, o del caudal de escape para conseguir tiempos de respuesta inferiores al segundo.

2. Amplificación de presión (ganancia) que suele ser de 4 a 5, en general, para obtener así la señal neumática estándar 3-15 psi (0,2-1 bar).

 

Figura 2.3 Bloque amplificador de dos etapas

En la válvula piloto con realimentación, sin escape continuo (fig. 2.4 a), la presión posterior P, de la tobera actúa sobre la membrana de superficie S, mientras que la presión de salida Po lo hace sobre la membrana S2. El conjunto móvil de las dos membranas tiende al equilibrio y cuando éste se establece se verifica la siguiente ecuación:

Pl - SI = PO ' S2

La relación

K. = P0 = S1

P1 S2

es el factor de amplificación o de ganancia de la válvula piloto.

En la posición de equilibrio y ante un aumento de la presión posterior P1 de la tobera, el aire de alimentación entra en la válvula aumentando el valor de Po. Por el contrario, si P1 disminuye, el aire contenido en el receptor escapa a través del orificio de escape, con lo cual Po baja. Entre estas dos reacciones del sistema existe una zona muerta debida a la histéresis mecánica de las partes moviles que esta representada en la curvas caracteristicas de presion y caudal de la válvula en las figuras 2.4 c y d.

 

Figura 2.4 (a,b,c)

El sistema descrito compuesto por el conjunto tobera-obturador y la válvula piloto presenta todavía las siguientes desventajas:

- Las variaciones en la presión del aire de alimentación influyen en la señal de salida.

-Las vibraciones que pueden existir en el proceso influyen en el juego mecánico entre el obturador y el elemento de medida y dan lugar a pulsaciones en la señal de salida, ya que el factor de amplificación del sistema tobera-obturador es muy grande.

Estos inconvenientes se evitan disminuyendo la ganancia del conjunto por realimentación negativa de la señal posterior de la tobera P, sobre el obturador. Se utilizan así tres sistemas de transmisión, el transmisor de equilibrio de movimientos, el de equilibrio de fuerzas y el de equilibrio de momentos.

Transmisor de equilibrio de movimientos

El transmisor de equilibrio de movimientos (fig. 2.5) compara el movimiento del elemento de medición asociado al obturador con un fuelle de realimentación de la presión posterior de la tobera. El conjunto se estabiliza según la diferencia de movimientos alcanzando siempre una posición de equilibrio tal que existe una correspondencia lineal entre la variable y la señal de salida. Hay que señalar que en este tipo de transmisores, las palancas deben ser livianas, pero bastante fuertes para que no se doblen.

Fig. 2.5 Transmisor de equilibrio de movimientos.

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

Transmisor de equilibrio de fuerzas

En la figura 2.6 puede verse que el elemento de medición ejerce una fuerza en el punto A sobre la palanca AC que tiene su punto de apoyo en D. Cuando aumenta la fuerza ejercida por el elemento de medición, la palanca AC se desequilibra, tapa la tobera, la presión aumenta y el diafragma ejerce una fuerza hacia arriba alcanzándose un nuevo equilibrio. Hay que señalar, como se ha dicho, que en este transmisor los movimientos son inapreciables.

 Fig. 2.6. Transmisor de equilibrio de fuerzas.

Como elementos neumáticos consideramos los instrumentos transmisores neumaticos cuyo elemento de medida es la presion adecuado al campo de medida correspondiente. El tipo de transmisor queda establecido por el campo de medida del elemento segun el anexo 1. Por ejemplo, un transmisor de 0-20 kg/cm2 utilizará un transmisor de equilibrio de fuerzas de tubo Bourdon mientras que uno de 3-15 psi será de equilibrio de movimientos con elemento de fuelle.

Elementos Electromecánicos Electronicos

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

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

Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas:

Resistivos.

Magnéticos

Capacitivos.

Extensométricos.

Piezoeléctricos.

Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas

En el anexo 2 está representado un transmisor de este tipo . En este instrumento el elemento mecánico de medición (tubo Bourdon, espiral, fuelle ... ) ejerce una fuerza sobre una barra rigida del transmisor.

Para cada valor de la presión, la barra adopta una posición determinada excitándose un transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia, un transformador diferencial o bien un detector fotoeléctrico.

Un circuito oscilador asociado con cualquiera de estos detectores alimenta una unidad magnética y la fuerza generada reposiciona la barra de equilibrio de fuerzas. Se completa asi un circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma proporcional al intervalo de presiones del proceso.

En el transmisor de equilibrio de fuerzas con detector fotoeléctrico (anexo 2 c), la barra rígida tiene en su extremo una ventanilla ranurada que interrumpe total o parcialmente un rayo de luz que incide en una cé1ula fotoeléctrica de dos elementos. Esta cé1ula forma parte de un circuito de puente de Wheatstone autoequilibrado y, por lo tanto, cualquier variación de presión que cambie la barra de posición, moverá la ventana ranurada y desequilibrará el puente. La señal diferencial que se produce en los dos elementos de la ce1ula es amplificada y excita un servomotor. Éste, al girar, atornilla una varilla roscada la cual comprime un resorte de realimentación que a su vez aprieta la barra de equilibrio de fuerza con una fuerza tal que compensa la fuerza desarrollada por el elemento de presión.De este modo, el sistema se estabiliza en una nueva posición de equilibrio.

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

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

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

Transductores resistivos

Constituyen, sin duda, uno de los transmisores eléctricos más sencillos. Consisten en un elemento elástico (tubo Bourdon o capsula) que varia la resistencia ohmica de un potenciómetro en función de la presión. El potenciómetro puede adoptar la forma de un solo hilo continuo o bien estar arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal o no de resistencia. Existen varios tipos de potenciómetro segun sea el elemento de resistencia: potenciómetros de grafito, de resistencia bobinada, de pelicula metálica y de plastico moldeado. En la figura 3.1 puede verse un transductor resistivo representativo que consta de un muelle de referencia, el elemento de presión y un potenciómetro de precisión. El muelle de referencia es el corazón del transductor ya que su desviación al comprimirse debe ser unicamente una función de la presión y además debe ser independiente de la temperatura, de la aceleración y de otros factores ambientes externos.

Figura 3.1 Transductor resistivo

El movimiento del elemento de presión se transmite a un brazo movil aislado que se apoya sobre el potenciómetro de precisión. Este esta conectado a un circuito de puente de Wheatstone.

Los transductores resistivos son simples y su señal de salida es bastante potente como para proporcionar una corriente de salida suficiente para el funcionamiento de los instrumentos de indicación sin necesidad de amplificación. Sin embargo, son insensibles a pequeños movimientos del contacto del cursor, muy sensibles a vibraciones y presentan una estabilidad pobre en el tiempo.

El intervalo de medida de estos transmisores corresponde al elemento de,

presión que utilizan (tubo Bourdon, fuelle ... ) y varía en general de 0-0,1 a 0-300 kg/cm². La precisión es del orden de 1-2 %

Transductores magnéticos

Se clasifican en dos grupos según el principio de funcionamiento. a) Transductores de inductancia variable figura 3.2 en los que el desplazamiento de un nucleo movil dentro de una bobina aumenta la inductancia de esta en forma casi proporcional a la porción metálica del nucleo contenida dentro de la bobina.

Figura 3.2 Transductor de inductancia variable.

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

El transformador diferencial estudiado en los transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas es también un transductor de inductancia variable, si bien, en lugar de considerar una sola bobina con un núcleo móvil, se trata de tres bobinas en las que la bobina central o primaria es alimentada con una corriente alterna y el flujo magnético generado induce tensiones en las otras dos bobinas, con la particularidad de que si el núcleo esta en el centro, las dos tensiones son iguales y opuestas y si se desplaza a la derecha o a la izquierda, las tensiones son distintas.

Es decir, que el transformador diferencial es más bien un aparato de relación de inductancias.

Los transductores de inductancia variable tienen las siguientes ventajas: no producen rozamiento en la medición, tienen una respuesta lineal, son pequeños y de construcción robusta y no precisan ajustes criticos en el montaie. Su precisión del orden de ± 1 %.

b) Los transductores de inductancia variable figura 3.3 consisten en un imán permanente o un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético.

El circuito magnético se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante

con lo cual al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por lo

tanto el flujo magnético. Esta variación del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es, por tanto, proporcional al grado de desplazamiento de la armadura móvil.

Figura 3.3 Transductor de inductancia variable

El movimiento de la armadura es pequeño (del orden de un grado como máximo en armaduras giratorias) sin contacto alguno con las partes fijas, por lo cual no existen rozamientos eliminándose la histéresis mecánica

típica de otros instrumentos.Los transductores de reluctancia variable presentan una alta sensibilidad a las vibraciones, una estabilidad media en el tiempo y son sensibles a la temperatura. Su precisión es del orden de ± 0,5 %.

Ambos tipos de transductores posicionan el núcleo o la armadura móviles con un elemento de presión (tubo Bourdon, espiral ... ) y utilizan circuitos e1éctricos bobinados de puente de inductancias de corriente alterna.

Transductores capacitivos

Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión figura 3.4. La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. De este modo se tienen dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna.

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

Figura 3.4 Transductor capacitivo

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

Galgas extensométricas

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

Existen dos tipos de galgas extensométricas: galgas cementadas figura 3.5formadas por varios bucles de hilo muy fino que están pegados a una hoja base de cerámica, papel o plástico, y galgas sin cementar en las que los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial.

Figura 3.5 Galga cementada y Galga sin cementar

En ambos tipos de galgas, la aplicación de presión estira o comprime los hilos segun sea la disposición que el fabricante haya adoptado, modificando pues la resistencia de los mismos.

La galga forma parte de un puente de Wheatstone figura 3.6 y cuando está sin tensión tiene una resistencia e1éctrica deterrninada. Se aplica al circuito una tensión nominal tal que la pequeña corriente que circula por la resistencia crea una caida de tensión en la misma y el puente se equilibra para estas condiciones.

Cualquier variación de presión que mueva el diafragma del transductor cambia la resistencia de la galga y desequilibra el puente.

El intervalo de medida de estos transductores varía de 0-0,6 a 0-10 000 bar y su precisión es del orden de ± 0,5%

Figura 3.6 Puente de Wheatstone para galga extensométrica.

Una innovación de la galga extensométrica la constituyen los transductores de presión de silicio difundido. Consisten en un elemento de silicio situado

dentro de una cámara conteniendo silicona que está en contacto con el proceso a través de un diafragma flexible. El sensor está fabricado a partir de un monocristal de silicio en cuyo seno se difunde boro para formar varios puentes de Wheatstone constituyendo así una galga extensométrica autocontenida. El espesor del sensor determina el intervalo de medida del instrumento.

El sensor con su puente Wheatstone incorporado forma parte del circuito de la figura 3.7

Figura 3.7 Transductor de presión de silicio difundido

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

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

La adición de un microprocesador permite añadir <<inteligencia>> al instrumento al hacer posible funciones adicionales, tales como la compensación de

Temperatura ambiente, proporcionando un aumento de la precisión de la medida, en particular si la señal de salida del instrumento es enteramente digital en lugar de la analógica de 4-20 mA c.c.

El intervalo de medida de los transductores de silicio difundido varía de 0-2

a 0-600 bar, con una precisión del orden de ± 0,2 %.

Las galgas extensométricas pueden alimentarse con c.c. o c.a. Tienen una respuesta frecuencial excelente y pueden utilizarse en medidas estáticas y dinámicas. Presentan una compensación de temperatura relativamente

fácil y generalmente no son influidas por campos magnéticos. Con excepción de las galgas de silicio difundido poseen las siguientes desventajas: señal de salida débil, pequeño movimiento de la galga, alta sensibilidad a vibraciones y estabilidad dudosa a lo largo del tiempo de funcionamiento. La galga de silicio difundido tiene la ventaja adicional de estar en contacto directo con el proceso sin mecanismos intermedios de medición de la presión pudiendo así trabajar correctamente aunque el fluido se deposite parcialmente sobre el diafragma del elemento ya que mide directamente la presión del fluido y no la fuerza que éste hace sobre el diafragma.

Transductores piezoeléctricos

Los elementos piezoeléctricos figura 3.8 son materiales cristalinos que, al deformarse fisicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. Dos materiales típicos en los transductores piezoeléctricos son el cuarzo y el titanato de bario, capaces de soportar temperaturas del orden de 150° C en servicio continuo y de 230° C en servicio intermitente.

Figura 3.8 Transductor piezoelectrico

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

En el tabla 3 pueden verse las caracteristicas de los elementos electromecanicos descritos.

Elementos Electrónicos de Vacio

Los transductores electrónicos de vacio se emplean para la medida de alto vacío, son muy sensibles y se clasifican en los siguientes tipos:

Mecánicos Fuelle y lonización Filamento caliente

Difragma Cátodo frío

Radiacion

Medidor McLeod -

Térmicos Termopar

Pirani

Bimetal

Transductores mecánicos de fuelle y de diafragma

Trabajan en forma diferencial entre la presión atmosférica y la del proceso. Pueden estar compensados con relación a la presión atmosférica y calibrados en unidades absolutas. Al ser dispositivos mecánicos, las fuerzas disponibles a presiones del gas muy bajas son tan pequeñas que estos instrumentos no son adecuados para la medida de alto vacío estando limitados a valores de 1 mm Hg abs. Pueden llevar acoplados transductores e1éctricos del tipo de galga extensométrica o capacitivos.

Medidor McLeod

Se utiliza como aparato de precisión en la calibración de los restantes instrumentos. Se basa en comprimir una muestra del gas de gran volumen conocido a un volumen más pequeño y a mayor presión mediante una columna de mercurio en un tubo capilar.

La presión del gas se deduce aplicando la Iey de Boyle-Mariotte. Su intervalo de medida es de 5-10 ^ -5 mm Hg.

Transductores térmicos

Se basan en el principio de la proporcionalidad entre la energía disipada desde la superficie caliente de un filamento calentado por una corriente constante y la presión del gas ambiente cuando el gas está a bajas presiones absolutas.

El transductor térmico de termopar contiene un filamento en V que lleva incorporado un pequeño termopar figura 3.9. AI pasar una corriente constante a través del filamento, su temperatura es inversamente proporcional a la presión absoluta del gas. La f.e.m. generada por el termopar indica la temperatura del filamento y por lo tanto señala el vacío del ambiente. Para compensar la temperatura ambiente se emplea una segunda unidad contenida dentro de un tubo sellado al vacío. La señal de salida diferencial de los dos termopares es proporcional a la presión.

Las ventajas principales de este tipo de transductor residen en su bajo costo, larga duración y confiabilidad. Tiene el inconveniente de ser sensible a la composición del gas, poseer caracteristicas no lineales y presentar cl riesgo de combustión si se expone a presión atmosférica cuando cl filamento está caliente. Su intervalo de medida es de 0,5-1 0-3 mm Hg.

Figura 3.9 transductor termico de termopar

El transductor Pirani Figura 3.10 utiliza un circuito de puente de Wheatstone

Figura 3.10 Transdutor Pirami

  que compara las resistencias de dos filamento de tungsteno, uno sellado en alto vacío en un tubo y el otro en contacto con el gas medido y que por lo tanto pierde calor por conducción. En este transductor es la resistencia del filamento la que refleja la presión en lugar de ser su temperatura.

El transductor pirami tiene la ventaja de ser compacto y sencillo de funcionamiento, pudiendo estar a presión atmosférica sin peligro de combustión. Tiene el inconveniente de que su calibración depende de la composición del gas medido. Su intervalo de medida es de 2-10-3 mm Hg.

El transductor bimetálico Figura 3.11 utiliza una espiral bimetálica calentada por una fuente de tensión estabilizada. Cualquier cambio de la presión produce una deflexión de la espiral, que a su vez esta acoplada a un índice que señala en la escala el vacío. Su intervalo de medida es de 1-10-3 mm Hg.

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Figura 3.11 Transductor bimetalico

 Transductores de ionización

Se basan en la formación de los iones que se producen en las colisiones que existen entre moléculas y electrones ( o bien partículas alfa en el tipo de radiación ).La velocidad de formación de estos iones, es decir la corriente iónica, varía directamente con la presión.

El transductor de filamento caliente Figura 3.12consiste en un tubo electrónico con un filamento de tungsteno rodeado por una rejilla en forma de bobina, la cual a su vez está envuelta por una placa colectora. Los electrones emitidos por el filamento caliente se aceleran hacia la rejilla positiva, pasan a su través y, en su camino hacia la placa colectora de carga negativa, algunos colisionan con moléculas del gas. La corriente positiva formada es una función del número de iones y, por lo tanto, constituye una medida de la presión del gas. Estos instrumentos son muy delicados y deben manejarse con cuidado. El filamento puede quemarse si se somete accidentalmente a presiones superiores a 1* 10-³ mm Hg absolutos.

Estos transductores son muy sensibles y capaces de medir vacíos extremadamente altos. Su señal eléctrica de salida es lineal con la presión. Tienen el inconveniente de ser sensibles a la composición del gas, de tal modo que en ocasiones el filamento caliente provoca cambios significativos en su composición entre el volumen medido y el volumen contenido dentro del tubo electrónico. El intervalo de medida de estos transductores es de 10-3 a 10-11 mm Hg.

Figura 3.12 Transductor de filamento caliente

El transductor de cátodo frío Figura 3.13 se basa en el principio de la medida de una corriente iónica producida por una descarga de alta tensión. Los electrones desprendidos del cátodo toman un movimiento en espiral al irse moviendo a través de un campo magnético en su camino hacia el ánodo. El movimiento en espiral da lugar a que el camino libre medio entre electrones sea mayor que la distancia entre electrodos. Por consiguiente, aumenta la posibilidad de colisiones con las moléculas del gas presente lo que da lugar a una mayor corriente iónica y de este modo la descarga catódica se mantiene a una presión más baja, o sea a un vacío más alto. Este instrumento no puede vaciarse de gases tan rápidamente como el de filamento caliente, pero es más robusto y no presenta el problema de la combustión del filamento. Es susceptible de contaminación por el mercurio

Figura 3.14 Transductor de catodo frio

Y puede provocar la descomposición química de vapores orgánicos a altas tensiones. Su campo de aplicación abarca de 10-2 a 10-7 mm Hg con una escala logarítmica.

En el transductor de radiación una fuente de radio sellada produce partículas alfa que ionizan las moléculas de gas en la cámara de vacío. Los iones resultantes se recogen en un electrodo y generan una corriente que varía directamente con el número de moléculas en la cámara de vacío y que por lo tanto, es proporcional a la presión total del sistema. No

incorporando ningún filamento caliente el instrumento puede exponerse sin daños a presión atmosférica, tiene una emisión estable y no es frágil. A muy bajas presiones requiere un preamplificador ya que las corrientes producidas son muy pequeñas, del orden de 10-11 a 10-13 A. Su intervalo de medida es de 760-10-4 mm Hg.

Figura 3.15 Transductor de radiacion

 En la tabla 4 figuran las características de los transductores electrónicos de vacío descritos.

Planta de Hipoclorito de sodio

Central Termoeléctrica Mejillones con un inicio de la operación comercial de la primera unidad el 14 de Julio de 1995, perteneciente a empresa eléctrica del Norte grande, EDELNOR S.A., cuenta en total con tres unidades de generación eléctrica, dos unidades son a vapor/carbón, cada una con una potencia bruta de 150 MW y una de ciclo combinado a gas natural, con potencia bruta de 240 MW y fecha de operación comercial en Abril de 2000.

Central Termoeléctrica Mejillones

El sistema de refrigeración de cada unidad utiliza agua de mar, con un caudal de 15.000 m3/h, la que será captada por una tubería y conducida a un pozo, desde donde aspiran las bombas principales y auxiliares de enfriamiento, para el condensador principal y los intercambiadores de calor del circuito auxiliar de refrigeración. Cada una de estas unidades cuenta con una planta de Hipoclorito de Sodio en la cual mediante un proceso de electrolización del agua de mar se transforma químicamente en solución de Hipoclorito de Sodio, el que es utilizado como antifoulling, que no permite que organismos marinos se adhieran a la tubería del circuito disminuyendo así el flujo de recirculación produciendo un fallo en la Central. La solución de Hipoclorito de Sodio es inyectada en la succión de la cañería de circulación y dosificada en forma continua.

Descripción de la planta

La Central Termoeléctrica Mejillones cuenta con tres plantas que producen hipoclorito de sodio, una por cada unidad, nos referiremos principalmente a la planta de la unidad termoeléctrica n°1 de Edelnor. El proceso es relativamente sencillo, a grandes rasgos ingresa agua de mar a los electrolizadores y se le aplica una cierta cantidad de corriente la que va a depender de la concentración de cloro, y por un proceso químico de electrólisis se produce el hipoclorito de sodio que va a ser inyectado a la tubería de refrigeración figura 4.1 para impedir el crecimiento de microorganismos marinos que mas tarde debido a la proliferación de estos podrían disminuir el flujo de agua de refrigeración a la central y finalmente causar un trip o disparo.

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Figura 4.1 : Inyección de hipoclorito en tubería de refrigeración

Esta planta productora de hipoclorito cuenta de varios elementos, entre los principales están dos electrolizadores figura 4.2 . Los electrolizadores consisten en celdas de construcción modular, 10 celdas por cada electrolizador. Las celdas electrolíticas tienen un diseño bipolar, o sea que el cátodo de cada celda esta conectado directamente al ánodo de la próxima celda. Una característica de estos electrolizadores es la facilidad con que pueden ser insertos o sacados del electrolizador en corto tiempo y sin ayuda especializada. Estos electrolizadores están construidos de diversos materiales como por ejemplo: las celdas electrolíticas, ánodo y cátodo, están hechos de titanio ASTM B265 grado1, los espaciadores de electrodos están hechos de teflón, la cubierta del grupo de electrodos esta hecha de PVC, los conectores eléctricos están hechos 99,9% cobre electrolítico.

Figura 4.2 Grupo 1 y 2 de electrolizadores

Por dichos aparatos circula un flujo de agua de 26 m3/h por cada uno, y que a la vez son alimentados por dos transformadores de 380 Volts con sus rectificadores que hacen circular entre sus electrodos una corriente continua que puede ser ajustada de un 20 – 100 % de 400 Amperes como máximo. El rectificador esta provisto de un sistema de control electrónico automático el cual estabiliza el valor de la corriente directa con una exactitud de ± 1% del valor de la corriente total.

Transformador y rectificador A

Transformador y rectificador B

 

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Esquema de un electrolizador

 Algunas características en la planta son la temperatura ambiente que es de 17,5°C aproximadamente y la temperatura del agua de mar al ingresar a los electrolizadores que es de 16,8°C como promedio.

Instrumentación

En cuanto a la instrumentación esta planta cuenta con válvulas de tipo neumáticas figura 4.3 manejadas con aire a una presión de 5,6 a 7,0 bar controladas por PLC y válvulas manuales de tipo bola. Para regular la presión de entrada a los electrolizadores se utiliza una válvula I/P, que transforma corriente en presión, y con un lazo de control del tipo PID se maneja la presión de entrada de agua.

Para manejar el proceso se utiliza un PLC Simatic S5 de Siemens que se compone de una CPU 943 y una tarjeta CP 525 para la comunicación con el PC. El PLC controla la apertura y cierre de las válvulas neumáticas, la presion de entrada de agua de mar, la corriente en los electrolizadores

para una mayor o menor concentración de cloro, el grupo o electrolizador que se requiera, el trabajo de la planta en manual o automático, entre otras actividades.

Figura 4.3: Válvula de control PI

La química del proceso

La química del proceso esta basada en la electrólisis parcial del cloruro de sodio contenido en el agua de mar, ya que fluye entre los electrodos de cátodo y ánodo que están energizados con corriente continua y mediante unas reacciones químicas este sufre un cambio produciendo así el hipoclorito de sodio.

Al pasar la corriente continua entre una solución acuosa de cloruro de sodio (NaCl), el cual esta totalmente disociado para Na+ y Cl- , ocurre lo siguiente:

El cloro libre es generado en el ánodo

2 Cl- è Cl2 + 2 e-

El hidrogeno es desarrollado en el cátodo con la correspondiente formación de iones OH- :

2 H2O + 2 e- è 2 OH- + H2

Los iones OH- emigran desde el cátodo y reaccionan con Na+ y Cl2 cerca del ánodo, así produciendo el hipoclorito de sodio (NaClO).

1. Esta reacción química puede ser expresada de la siguiente forma:

2 Na OH + Cl2 è Na ClO + NaCl + H2O

Algunos cationes los cuales están presentes en el agua de mar (por ejemplo: calcio, magnesio, y otros metales) forman hidróxidos y carbonatos resultando sólidos en suspensión los que son arrastrados fuera del electrolizador por el agua de mar. Esta parte de la reacción reduce la

eficiencia de corriente, por lo tanto la energía necesaria debe ser teóricamente mayor en un 10% aproximadamente.

El gas hidrogeno que es producido en el electrolizador se encuentra en cantidades de 0,35 m3/Kg de cloro, por lo tanto la acumulación de este gas podría causar una explosión, de ahí se deben tomar medidas de prevención importantes como la ventilación del lugar y una vía de escape a los gases de hidrogeno en el tanque de almacenamiento de hipoclorito.

Tanque de almacenamiento de hipoclorito

Control Automatico de Presión

Todo el control automatico de la planta la realiza el automata programable ( PLC ), el cual el operador en el PC (estacion de trabajo), se encarga de de modificar todas la variables que esten involucradas en el procesos, la regulacion de la presion la realiza del siguiente ciclo de control el transmisor de presion sensa la presion de la linea, esta lectura es trasmitida al PLC el cual tiene un PID interno el cual verifica la lectura con el valor del set point, al tener un error mada la señal a la valvula de control a la apertura o al cierre según el error si es positivo o negativo (el valor de presion maxima a la entrada de los electrolizadores es 2,5 bar).

El otro control lo realiza el transmisor de presion diferencial el cual sensa la presion de entrada y salida del filtro de agua de mar si la presion diferencial es demasiada gransde el PLC manda al filtro rotatorio orden de funcionamiento.

 ANEXO 1

 

I

nstrumento de presion y campo de aplicacion

ANEXO 2

Transmisor electronico de equilibrio de fuerzas.

CONCLUSION

Los instrumentos industriales de medición de presión son una parte muy importante para las industrias de proceso en general de hoy en día.

Tienen su campo de aplicación que es amplio y abarca desde valores muy bajos (vacío) hasta presiones muy altas. Los instrumentos de presión se dividen en tres grupos: Mecánicos, Neumaticos, Electromecánicos Electrónicos.

Los Mecánicos se dividen en dos grupos: Los Elementos primarios de Medida Directa que mide la presión comparándola con la ejercida por un liquido, densidad y altura conocida, el desplazamiento puede indicarse por un sistema de flotador y palanca indicadora y mueve un indicador de una escala.

Los Elementos primarios Elásticos miden la presión cuando en su parte interior tiende a enderezarse y el movimiento transmitido a la aguja indicadora por un sector dentado y un piñón.

Los Elementos Neumaticos, la función de medida queda establecido por su campo de medida del elemento. Utilizara componentes de elementos mecánicos consiste un transmisor de equilibrio de fuerzas de tubo Bourdon mientras que uno de 3-15 psi será de equilibrio de movimientos con elementos de fuelle.

Los Elementos Electromecánicos-Electrónicos, utiliza elementos mecánicos Elásticos combinado con un traductor eléctrico que genera la señal eléctrica correspondiente.

El Electrónico ocupa los mismos componentes que el Electromecánico su medición ejerce una fuerza sobre una barra rígida del transmisor, la señal pasa a un circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma proporcional al intervalo de presiones de proceso.

Al conocer los instrumentos de medida de presion, su mantención tiene un objetivo indispensable para que la planta funcione sin paros no programados e intempestivos.

Hoy en día la medida de Presión esta normalizada en PASCAL de acuerdo con la Organización Internacional de Estandarización ( ISO ). El PASCAL en un newton por metro cuadrado ( 1 N / m² ).

Los instrumentos de Medición de Presión permiten garantizar la calidad y Competitividad de los productos fabricados en una planta industrial obteniendo una materia primade gran calidad para el mercado.

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Instrumento Dispositivo que realiza una función determinada

(medir, indicar, registrar,….) 

Control de procesos Regulación o manipulación de las variables que influyen en la conducta de un proceso de manera de obtener un producto

de una calidad y cantidad deseadas de una manera eficiente.

    

Elementos de un sistema de control 

Un sistema de control se compone de

Proceso: Cambio físico o químico de la materia, o conversión de energía.

Elemento primario: Elemento que convierte la energía de la variable medida en una forma apropiada para ser medida.

Elemento sensor: Elemento responsable del valor de la variable medida.

Controlador: a partir de las señales obtenidas por los sensores, compara con una referencia y ejerce una acción correctiva de acuerdo con la desviación.

Elemento final de control: efectúa la acción de control que afecta al proceso

Transmisores: Recibe una señal del elemento primario, puede contener al transductor y enviar una señal estándar.

Transductores: Recibe una señal y a partir de un sistema de control y mediante propiedades físicas, químicas, etc. La transforma en otra señal amplificada o más cómoda.

Convertidor: Convierte una señal estándar en otra estándar mediante una relación lineal preferentemente. Por ejemplo convertidor P/I (de señal neumática a señal eléctrica de corriente) o su convertidor inverso I/P

    

Elementos de un sistema de control

    

Señalización 

Dentro de los sistemas de control automático, las mediciones más frecuentes o estándar son

Señales eléctricas

o Voltaje: 0-5 V, ó 0-10 V

o Corriente: 4-20 mA ó 0-20 mA

Señales neumáticas: 3-15 psi

Señales hidráulicas

Señales digitales: (0,1)

Señales telemétricas

    

Elementos primarios de medicion 

Los elementos primarios de medición mas comunes son:

Temperatura: o Termómetros bimétalicos o Termómetros de vástago de vidrio o Pirómetros de radiación ópticos o Pirómetros de radiación infrarrojos o Indicadores pirometricos o Termómetros de cristal de cuarzo o Sistemas termales o Termopares o Resistencias eléctricas (termoresistencias)

Presión: o Tubo Bourdon o Columnas o Sensores electrónicos (piezoeléctricos) o Diafragmas o Fuelles o Cápsulas o Campanas

  

Flujo (volumétricos y de masa): o Tubo pifot o Magnético o Turbina o Bomba dosificadora o Tubo venturi o Derramadores o Tubo de Dali o Tubo de Gentile o Rotámetro o Annubar o Placa de orificio o Tarjet o Remolino o Vortex

Otras variables: o Nivel (sólidos y líquidos o pH o Conductividad o Cromatógrafos o Redox o Conductividad térmica o Analizador infrarrojo

    

Definiciones en Instrumentación 

Campo de medición (range): Qué se mide y en que intervalo, se expresa en valor máximo y mínimo que alcanza la variable medida.

Alcance (span): Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo.

Precisión (accuracy): Es la tolerancia de medición o transmisión del instrumento y define los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio. Se puede expresar como:

o Tanto por ciento del alcance

o En unidades de la variable de desviación

o Tanto por ciento de la lectura efectuada

o Tanto por ciento de la lectura efectuada

    

Definiciones en Instrumentación 

Zona muerta (dead zone o dead band): Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento.

Sensibilidad (sensitivity): Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haber alcanzado el estado de reposo.

Repetibilidad (repeatibility): Es la capacidad de reproducción de la misma lectura del instrumento al medir repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación recorriendo todo el campo.

Histéresis (hysteresis): Diferencia máxima que se observa en los valores de la lectura del instrumento para un mismo valor cualquiera del

campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendiente y descendiente.

    

Definiciones en Instrumentación 

Deriva (Derive): error a largo tiempo (el aparato se calienta, etc.). Es una variación de la salida del medidor con el tiempo a pesar de que la variable que medimos es constante. Se da cuando medimos algo por periodos muy largos. Da idea de si el medidor necesita calibración (deriva de cero y deriva térmica de cero).

Linealidad (linearity): el aparato sigue alguna relación lineal. Expresa una relación muy simple entre la variación y la señal de salida del equipo. Si la relación no es lineal se hace lineal dentro del rango y se mide las máxima desviación, se puede linealizar por tramos.

Resolución (resolution): distinción entre medidas muy cercanas. Es el más pequeño cambio de la señal que puede detectarse.

Constante de tiempo (time constant): Tiempo que tarda en dar la respuesta.

Alimentación (supply): Energía necesaria para que funcione el elemento.

Otras: Ruido, fiabilidad, estabilidad, temperatura de servicio, etc.

    

Sensores con Presión 

Elementos mecánicos o Barómetro cubeta o Tubo en U o Tubo inclinado o Toro pendular o Manómetro campana o Tubo Bourdon o Espiral o Helicoidal o Diafragma o Fuelle o Presión absoluta o Sello volumétrico

Elementos neumáticos Elementos electromecánic

o Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas o Resistivos o Magnéticos o Capacitivos o Extensométricos o Piezoeléctricos

    

Sensores con Caudal 

Volumétrica

Presión diferencial (presión proporcional al cuadrado del flujo volumétrico)

o Placa-orificio o Tobera o Tubo Venturi o Tubo de Pitot y Annubar

Área variable (Rotámetros) Velocidad (canales abiertos) Fuerza (medidor de placa) Tensión inducida (medidor magnético) Desplazamiento positivo

o Disco oscilante o Pistón oscilante o Cicloidal o Birrotor o Ovales

Torbellino Sónicos o ultrasónicos

Masa

Compensación de variaciones de densidad Térmicos Momento angular (turbina y doble turbina) Giroscopio Coriolis

    

Sensores con Temperatura 

Termómetros de resistencia (termistores)

Termopares (J, K, T, R, S)

Pirómetros de radiación

Circuitos integrados (LM35)

    

Sensores con Nivel 

Líquidos

Medida directa

o Sonda o Cinta o Plomada o Flotador

Basados en la presión hidrostática

o Manométrico o Membrana o Burbujeo o Presión diferencial

Basados en características eléctricas

o Capacitivos o Conductivos

Ultrasónicos

Radiación

Láser

Sólidos

Báscula, etc.

    

Transmisores 

Captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor indicador, registrador, controlador o una combinación de estos.

o Transmisores neumáticos (sistema tobera-obturador)

Equilibrio de movimientos, fuerzas ó momentos.

o Transmisores eléctricos

Detectores de posición de inductancia

Transformador diferencial

Transmisores digitales

  

  

Actuadores 

Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas. Existen tres tipos de actuadores:

 

o Hidráulicos (para potencia, mucha energía y mantenimiento)

 

o Neumáticos (precisión, mucha presión y mantenimiento)

 

o Eléctricos (servomotores, precisos y poco mantenimiento)

    

Actuadores 

Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operación, funcionan en base a fluidos a presión. Existen tres grandes grupos:

cilindro hidráulico motor hidráulico motor hidráulico de

oscilación

    

Nomenclatura diagramas de control 

Conexión a proceso, enlace mecánico, o alimentación de instrumentos

Señal indefinida

Señal eléctrica

Señal hidráulica

Señal neumática

Señal electromagnética o sónica (guiada)

Señal electromagnética o sónica (no guiada)

Señal neumática binaria

Señal eléctrica binaria

Tubo capilar

Enlace de sistema interno (software o enlace de información)

Enlace mecánico

 

Instrumento discreto

 

Display Compartido, Control Compartido

 

Función de computadora

 

Control Lógico Programable

 

Montaje local o en campo

 

Montaje en tablero o en el cuarto de control

 

Montaje detrás del tablero

    

Elementos finales de control 

Valvulas de control

    

Controladores 

PID’s (proporcional-integral-derivativo)

PLC (controladores lógicos programables)

 

Estrategias de Control

o Control retroalimentado.

o Control anticipativo.

o Control en cascada.

o Control de razón.

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MEDICION EN EL CONTROL AUTOMATICO

Instrumentos Activos - Pasivos.

Instrumento Activo

Un ejemplo es un indicador de nivel de un tanque como se muestra en la figura.

El cambio de nivel en el tanque mueve el brazo de un potenciómetro y la señal de salida consiste en una proporción de la fuente de voltaje externo aplicado en las terminales del potenciómetro.

Instrumento Pasivo

En este ejemplo es un dispositivo de medición de presión, la presión del fluido se traduce en movimiento de un apuntador contra una escala. La energía gastada moviendo el apuntador es derivada del cambio de presión medida, no hay otras entradas de energía al sistema.

Exactitud y Presión.

Exactitud

Exactitud es la extensión en la cual la lectura puede ser incorrecta y generalmente se representa como un porcentaje de la escala completa de lectura de un instrumento.

Precisión

Precisión es un termino que describe el grado de libertad de un instrumento de alta precisión, entonces la dispersión de las lecturas será muy pequeña.

ACCION DE CONTROL DIRECTA E INVERSA

Directa

La acción directa se considera cuando a punto de ajuste constante, si la variable aumenta, la salida aumenta.

Inversa

Se considera cuando a punto de ajuste constante si la variable aumenta la salida disminuye.

Alcance (SPAN)

Diferencia algebraica entre los 2 valores alto y bajo de rango.

Autorregulación

Característica inherente del proceso la cual lleva a una condición de equilibrio sin la intervención de un control automático.

Banda Proporcional

La gama de valores a través de los cuales la variable controlada debe cambiar para causar que el elemento final de control se mueve de un extremo a otro.

Cavitación

Las cavidades de vapor no pueden existir con una presión aumentada y son forzadas a un colapso o implosión que produce ruido, vibración, daño físico.

Circuito de Control

Es un sistema dentro del cual un cierto valor en magnitud debe ser mantenido dentro de limites, preestablecidos. Un circuito de control automático (LOOP) puede ser manual o automático.

 Constante de Tiempo

Tiempo transcurrido para alcanzar el 63.2% de un cambio cuando tenemos la estabilidad en la medición.

Controlador Automático

En un mecanismo que mide el valor de una cantidad o condición variable y opera para mantenerla dentro de sus limites.

Posiciones

Acción del controlador en el cual el elemento final de control es movido de una de las posiciones fijas a la otra a valores determinadas de la variable controlada.

Efecto Peltier

Cuando una corriente eléctrica es pasada por a través de dos metales diferentes, en un sentido el calor es absorbido y la unión enfriada y en el sentido opuesto el calor es liberado este efecto es reversible, es decir, si la unión se calienta o enfría se genera una fem. en uno u otro sentido.

Efecto Thompson

En un metal homogéneo se absorbe calor cuando una corriente eléctrica fluye en un sentido y se libera calor cuando fluye en sentido contrario. Este efecto es reversible de modo que se genera una fem. en uno u otro sentido si hay un gradiente de temperatura en un metal homogéneo.

Elemento Final de Control

Es la parte del circuito de control tal como una válvula de diafragma, motor de palanca o calentador eléctrico, los cuales directamente varían al agente de control; dispositivo que directamente cambia el valor de la variable manipulada de un circuito de control.

Elemento Primario

La parte de un circuito de control o instrumento que detecta primero el valor de una variable de proceso, que asume una condición predeterminada y una salida. El elemento primario puede ser separado o integrado con otro elemento funcional del circuito de control. El elemento primario es también conocido como un detector o sensor.

Instrumentos Analógicos y Digitales

Un instrumento analógico proporciona una salida que varia continuamente conforme cambia la cantidad que se esta midiendo.

La salida puede tener un numero infinito de valores dentro del rango de medición para el cual el instrumento fue diseñado, por ejemplo en un manómetro de carátula, conforme el valor de entrada, cambia el apuntador se mueve con un movimiento continuo suave. Mientras que el apuntador puede estar en un numero infinito de posiciones dentro de su rango de movimiento el numero de diferentes posiciones que el ojo humano puede discriminar es muy limitado depende de las dimensiones de la escala y de sus divisiones.

Un instrumento digital tiene una salida que varia en pasos discretos y por lo tanto solo puede tener un numero finito de valores. Un contador de revoluciones es un ejemplo de un instrumento digital. En este caso se coloca una leva al cuerpo cuyo movimiento esta siento medido por cada revolución que cumple, la leva abre o cierra un interruptor, las operaciones de cerrado son contadas por medio de un contador electrónico. El sistema solo puede contar revoluciones completas y por lo tanto no registra cualquier movimiento que no complete una revolución.

Un instrumento digital es ventajoso por que puede interfasarse directamente a una computadora de control.

Elementos Primarios de Medición

Es aquel que detecta el valor de salida o sea es la porción de los medios de medición que primero utiliza o transforma la energía del medio controlado.

Los elementos primarios de medición mas comunes son:

Temperatura Termómetros bimetálicos.Termómetros de vástago de vidrio.Pirómetros de radiación ópticos.Pirómetros de radiación infrarrojos.Indicadores pirometricos.Termómetros de cristal de cuarzo.Sistemas termales.Termopares.Resistencias eléctricas

Presión Tubo Bourdon.Columnas.Sensores electrónicos.Diafragmas.Fuelles.Cápsulas.Campanas

Flujo Tubo pifot.Magnético.Turbina.Bomba dosificadora.Tubo venturi.DerramadoresTubo de Dali.Tubo de Gentile.Rotámetro.Annubar.Placa de orificio.TarjetRemolinoVortex, Etc

ACCION DE UN SISTEMA DE CONTROL

Directa

Cuando al aumentar la variable la válvula debe cerrar.

Inversa

Cuando al aumentar la variable la válvula debe abrir.

Sistemas Abiertos

Son aquellos que no verifican o rectifican la salida del proceso, esto se refiere a que en estos tipos de sistemas únicamente van a controlar las diferentes variables antes del proceso o durante si.

Sistemas Cerrados

Son aquellos sistemas en donde el aparato de control verifican la salida del proceso. Para este tipo de sistemas se tiene mas control sobre el proceso.

Los sistemas cerrados se clasifican en 2 tipos:

Sistemas Cerrados de Prealimentación.- Son aquellos sistemas donde el elemento primario de medición ( este puede ser un termómetro o algún otro aparato) se encuentra instalado antes de entrar al proceso y el medio que estamos controlando.

Sistemas Cerrados de Retroalimentación.- Son aquellos sistemas en donde el elemento primario de medición, se encuentra en la salida del proceso y el medio que se esta controlando.

Una combinación de ambos se conoce como mixto.

La figura 2 es un sistema de control cerrado de prealimentación; por que mide la variable antes de entrar al proceso y modifica al agente de control para que la variable controlada adquiera el valor deseado. La figura 3, sistema cerrado de retroalimentación. Con la variable controlada (temperatura) medida en la salida del proceso.

1. Proceso / Punto de ajuste. 2. Variable controlada 3. Elementos primarios de medición. 4. Medio de medición. 5. Transmisor.

  Punto de ajuste.

  Señal controlada.

  Elemento final de control.

6. Señal de medición.

7. Controlador.   Agente de control.

  Variable manipulada

Proceso

El o los equipos en los cuales la variable controlada va a ser contenida dentro de ciertos valores predeterminados.

Variable de Proceso

Una cantidad o condición física o química se varia en función del tiempo.

Variable Controlada

Es una variable de proceso que es medida y/o controlada por un sistema de control.

Fluido de Medición

Un fluido o energía que lleva la señal producida en el elemento primario o un receptor, que puede ser un indicador, un registrador, un transmisor, etc.

Transmisor

Un dispositivo que detecta la variable controlada a través de un elemento de estado estable varia como una función predeterminada de la variable controlada.

Señal de Medición.

Señal producida en un transmisor 5 elementos primarios y que es medida en forma de presión, corriente, voltaje o energía electromagnética.

Controlador Automático

Un dispositivo que mide el valor de una cantidad o condición variable y opera para mantenerla dentro de sus limites.

Punto de Ajuste

Es el valor de la variable controlada que se desea mantener y es ajustado mecánicamente o por otro medio.

Señal Controlada

También llamada salida del controlador, es una magnitud en presión, corriente o voltaje, obtenida como resultado de una operación en el controlador.

Elemento final de control.

Es la parte del circuito de control que directamente varia al agente de control.

Agente de Control.

Material o energía del proceso que afecta el valor de la variable controlada y su cantidad es regulada por el elemento final de control.

Variable Manipulada

Variable del agente de control que se opera por el elemento final de control y directamente cambia la energía del proceso.

Transductor

Es un dispositivo que convierte un tipo de energía a otra o una carga o movimiento.

En la figura 4 se muestra el circuito para controlar el flujo de una solución química (mezcla) el sistema cuenta con un controlador de flujo magnético.

Lo que se quiere mantener constante y puede ser la alcalinidad o acidez de la solución medidas por su PH, al variar el potencial de la solución el transmisor de flujo magnético que posee mecanismos de control, a su vez, por medio de una señal neumática acciona una válvula que puede regular o cerrar el paso de la solución a la tubería de la alimentación.

Se muestra un circuito de control sencillo; su funcionamiento es el siguiente, al llegar el fluido al nivel preestablecido, el flotador sube y envía una señal mecánica al controlador neumático que envía una señal neumática a la válvula de entrada al tanque que cierra la alimentación.

El circuito de control se utilizado para controlar la temperatura de un fluido que es calentado por medio de un flujo de vapor, cuando la temperatura varia con relación a un valor ya fijado, un elemento sensor de temperatura envía una señal al controlador del

sector, que a su vez por medio de una señal neumática cierra la llave o válvula de alimentación de vapor.

Error

Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de variable medida.

Error Angular o de Linealidad

Aparece en el centro de la gama cuando las lecturas son ciertas al principio y al final de la escala.

Error Dinámico

Diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el valor leído por el instrumento y es afectado por las condiciones dinámicas del proceso.

Error de Multiplicación

Se presenta cuando incrementa o disminuye a lo largo de la escala.

Error Estático

Error obtenido cuando el proceso esta en régimen permanente y la variable medida no cambia su valor.

Error Lineal o de Cero

Es constante a lo largo de la escala.

Errores de Medición

Se tienen 2 familias de errores

1. Propios del sistema.

2. Por patrones falsos

2. Los instrumentos de medición generalmente garantizan el 1% de precisión, cuando se requiere mayor precisión implica mayor costo, hay cuidar que el patrón cumpla con los requerimientos.

Hay 2 o 3 tipos de fuentes

Ruidos de Medición Interno.

Se pueden meter a nivel de elemento primario (termopar), en la transmisión es donde se introduce ruido ya que por ejemplo, el termopar mide bien pero en la transmisión se introducen ruidos que afectan la medición. 

a. En elementos primarios.  b. En todo lazo de comunicación.  c. En elementos receptores (es donde existen mas errores)

Los errores mas comunes son de interpretación y observación que son: paralaje, interpolación, conocimientos del operador

Ruidos Exteriores

Se deben a perturbaciones del medio ambiente (ondas de radio, efectos electromagnéticos). Todos los cables de instrumentación son blindados y torcidos para reducir la influencia externa al mínimo en las cajas de conexión se tienen problemas de mala conexión a tierra.

Tiempo de Respuesta

La mayoría de los instrumentos de medición están calibrados para que trabajen como sistemas de 2° orden critico (sistema electromecánico), la constante de tiempo del sistema, la mayoría de las variables físicas se calibran para tiempo critico pero aun así tienen atraso.

Termistores

Los resistores térmicos son dispositivos que se diseñan usualmente de manera que su resistencia disminuya cuando aumenta la temperatura, se fabrican compuestos llamados óxidos los cuales son combinaciones de oxigeno y metales, como magnético, níquel, cobalto. Los termistores se presentan en varias formas:

Arandela

Perla

Disco

Cilíndrico

Puesto que la resistencia de un termistor cambia con la temperatura, funciona como un resistor controlado por el calor y por ellos mismo puede emplearse como un sensor de calor, este es un dispositivo que convierte los cambio de temperatura en cambios correspondientes del valor de la corriente en un circuito.

El termistor, se conecta en serie con una pila seca ordinaria y con un amperímetro, cuando cambia la temperatura alrededor del termistor, cambia también el valor de la corriente, la escala del medidor puede calibrarse o dividirse en grados de manera que pueda realizarse una lectura de temperatura.

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INSTRUMENTACION

INTRODUCCION

Si analizamos nuestras actividades cotidianas, desde el momento que suena la alarma de un despertador y nos preparamos para desarrollar nuestras actividades diarias, así como encender una lámpara o escuchar el encendido o apagado del motor de la bomba, etc., nos auxiliaremos de instrumentos que nos ayudan a desarrollar ciertas actividades oportunamente con eficiencia, rapidez, etc.

De igual manera mecánicos, electricistas, médicos, ingenieros y arquitectos, se auxilian de instrumentos para llevar a cabo sus actividades diarias, con el objetivo de lograr un avance con la mayor eficiencia, calidad y volumen de producción.

Es lógico pensar que para las industrias, sin importar el tamaño de estas, es imprescindible el uso de instrumentos industriales, para facilitar la manufactura de sus productos.

Como consecuencia de la globalización de los mercados internacionales, se ha orillado a los países del tercer mundo a competir en el mercado con productos de  calidad, precio y tiempos de entrega oportunos.

Para lograr lo anterior es importante, que los industriales de nuestro país, implementen la instrumentación y la automatización de sus procesos con el avance tecnológico requerido para mantenerse en el mercado nacional e internacional si es posible.

¿Que es la Instrumentacion Industrial?

Es el conocimiento de la correcta aplicación de los equipos encaminados para apoyar al usuario en la medición, regulación, observación, transformación, ofrecer seguridad, etc., de una variable dada en un proceso productivo.

Los instrumentos industriales pueden realizar las siguientes funciones:

1.      Sensar o captar una variable

2.      Acondicionar una variable dada

3.      Transmitir una variable

4.      Controlar una variable

5.      Indicar la magnitud de una variable

6.   Totalizar una variable

7.      Registrar una variable

8.      Convertir una variable

9.      Alarmar por magnitud una variable

10.      Interrumpir o permitir una secuencia dada

11.      Transmitir una señal

12.      Amplificar una señal

13.      Manipular una variable del proceso, etc.

Clasificacion de los Instrumentos Industriales

Clasificar los instrumentos industriales, implica entrar a un tema muy amplio, ya que se requiere un conocimiento tanto teórico como práctico en la aplicación industrial de estos equipos.

 De acuerdo a la experiencia se tratará de hacer algunas clasificaciones en forma breve y lo más explicito posible para el lector:

1.      Por su aplicación:

1.1.         Neumáticos

1.2.         Hidráulicos

1.3.         Eléctricos

1.4.         Electrónicos

1.5.         Electromecánicos

1.6.         Mixtos

1.7.         Transductores

1.8.         Amplificadores

1.9.         Indicadores

1.10.     Analizadores

1.11.     Estación de operador

1.12.     Estación de control

1.13.     Estación de transferencia

      1.14    Relevador de cálculo.

2.      Por su localización:

2.1.         Instalados en campo

2.2.         Instalados localmente

2.3.         Instalados en tablero principal

2.4.         Instalados remotamente.

3.      Por su tecnología:

3.1.         Sistemas discretos

3.2.         Sistemas de control digital directo

3.3.         Sistemas de supervisión

3.4.         Sistemas de control supervisorio

3.5.         Sistemas de control supervisorio y

   adquisicion de datos

3.6.         Sistemas de control distribuido

3.7.         Sistemas de control avanzado

3.8.         Sistemas de control adaptables

3.9.         Sistemas expertos.

CARACTERISTICAS DE LOS INSTRUMENTOS

El sensor o captor:

Este es el instrumento capaz de captar las variaciones de las magnitudes o intensidades de las variables, tales como:

1.      Temperatura

2.      Nivel

3.      Flujo

4.      Presión

8.      Potencia eléctrica

9.      Revoluciones por minuto

10.      Posición

11.      Intensidad de readiación

5.      Conductividad

6.      PH

7.      Tensión eléctrica

12.      Turbidez

13.      Intensidad luminosa

14.      Consistencia, etc.

Este instrumento puede estar como elemento unitario o integrado a un transmisor según sea el tipo de aplicación.

TECNICAS DE CONTROL

INTRODUCCION

A medida que avanza la tecnología aplicada en la fabricación de los instrumentos industriales, los usuarios tienen en sus manos cada día herramientas mas poderosas para fabricar los productos con mayor calidad a costos bajos y tiempos de entrega mas cortos.

Implementar una técnica de control a un proceso dado, implica un conocimiento amplio sobre la dinámica del proceso y de todas las variables que intervienen en el, además de tener presente los algoritmos de control de cada lazo.

Independientemente del sistema de control que se aplique a un proceso dado, los algoritmos y las estrategias son aplicables.

Estas estrategias, se aplican con el fin de lograr un control regulatorio optimo sobre la variable o variables de interés, las cuales toman estados inestables en la operación normal del proceso, como resultado de las perturbaciones internas y externas al proceso.

En consecuencia, el funcionamiento correcto de un sistema de control esta determinado por la naturaleza del proceso, de las características de los lazos de control y de los ruidos externos.

Perturbaciones o Ruidos en el Proceso

En una planta industrial, por condiciones mismas de la carga existente para su operación, el ruido esta implícito en ellas, por lo tanto hay que tomar en cuenta sus efectos en la regulación de alguna variable.

Los ruidos son de distintos tipos, como son:

1.      Ruidos eléctricos:

1.1.         Variación de tensión

1.2.         Variación de corriente

1.3.         Armónicas en la señal eléctrica

1.4.         Factor de potencia

1.5.         Cortos circuitos

2.3.         Reacciones exotérmicas

3.      Ruidos por tiempos muertos:

3.1.         En motores

3.2.         En tanques

3.3.         En tuberías

3.4.         En reacciones químicas

3.5.         En transmisiones de señal

1.6.         Inductivos

1.7.         Por semiconductores

1.8.         Etc.

2.      Ruidos térmicos:

2.1.         Temperatura ambiente

2.2.         Constante térmica de los materiales

electrónicas

3.6.         En transmisiones de señales eléctricas

3.7.         En transmisiones de señales mecánicas

2.8.         Etc.

4.      Ruidos por transmisión de señales:

      4.1.  Vía inalámbrica

Tecnicas de Control

En la industria, la aplicación del control retroalimentado en un proceso para regular la magnitud de una variable en un valor deseado, es común, que en algunos casos el error estático existente es pequeño y es relativamente sencillo mejorar el control a través de correcciones simples, pero en ocasiones no es posible, ya que, por condiciones del proceso se tiene un error estático considerable y/o inestable.

Antes de aplicar una técnica de control diferente a la retroalimentada en un proceso, es importante  tomar en cuenta que un regulador instalado, al iniciar su operación, requiere de una sintonización en línea sin importar la calidad de esta.

Si por algún motivo no es posible reducir el error estático a la inestabilidad del proceso, se debe pensar entonces en la estrategia de control, para mejorar la respuesta de esa variable en función a la calidad del producto.

Tecnicas   o Estrategias de Control

1.      Control retroalimentado.

2.      Control anticipativo.

3.      Control en cascada.

4.      Control de relación.

5.  Control selectivo.

6.      Control de set point programable.

7.      Control de set point programable cíclico.

8.      Control de rango dividido.

9.      Control de ajuste de punto final.

Control retroalimentado (feed back)

Objetivo: Mantener constante una variable en un valor deseado o variable a través del  tiempo.

El control retroalimentado, es la forma más simple de aplicar un control en lazo cerrado. El problema en este tipo de control, es que la corrección se hace después de que se presentó el problema y una cantidad del producto no lleva la calidad deseada, ya que la corrección llega un tiempo después.

Control anticipativo (feed forward)

Objetivo: Sensar la perturbación de una variable, antes de afectar al proceso y tomar la acción correctiva para evitar un efecto dañino al producto.

En los procesos que tienen tiempos muertos muy grandes, se presentan desviaciones en magnitud y frecuencia variables, la señal de error se detecta un tiempo después de que se produjo el cambio en la carga y ha sido afectado el producto, y como consecuencia la corrección actúa cuando ya no es necesario.

El problema anterior se resuelve aplicando al proceso esta técnica, que parte de la medición de una o varias señales de entrada y actúan simultáneamente sobre la variable de entrada, produciendo la salida deseada sobre el proceso.

Aplicar esta técnica de control implica un conocimiento amplio, exacto y completo de las características estáticas y dinámicas del proceso. La relación entre la variable de salida y la variable de entrada, constituye el modelo del proceso y es la función de transferencia del sistema de control en adelanto.

El controlador es quien debe responder a los cambios de las perturbaciones, pero como es lógico, su eficiencia depende de la exactitud del captor y elementos de interfase de una o más variables de entrada y de la exactitud alcanzada en el modelo, calculada en el proceso.

Cabe señalar que es costoso y algunas veces imposible determinar y duplicar el modelo exacto del proceso, por lo tanto, siendo realmente un control en lazo abierto, su aplicación dará lugar a un offset significativo, es decir, se tendrá un error estático permanente y a veces creciente.

El control anticipativo es capaz de seguir rápidamente los cambios dinámicos (estado transitorio), pero puede presentar un error estático considerable. Por tal motivo, regularmente se aplica combinado con el control retroalimentado.

Control en cascada

Objetivo: Mejorar la estabilidad de una variable del proceso aun con una optima sintonización del controlador en lazo retroalimentado.

La aplicación de esta técnica de control, es conveniente cuando la variable no puede mantenerse dentro del valor de set point deseado, debido a las perturbaciones inherentes al proceso.

Para que un sistema de control en cascada esté bien aplicada es necesario que se tomen en cuenta algunos aspectos importantes para su aplicación, estos son:

1.      Localizar las variables mas importantes del proceso.

2.      Localizar la variable básica a controlar.

3.      Localizar la variable que introduce la inestabilidad.

4.      Determinar la velocidad de cambio de ambas señales.

5.      Hacer un arreglo en cascada, de tal forma que el lazo mayor sea más lento y el controlador también (control maestro).

6.      El lazo menor deberá contener la variable más rápida y el controlador debe ser de respuesta con retardos mínimos (control esclavo).

7.      La relación de la constante de tiempo: TM/TE = 5 ó mayor.

8.      El controlador del lazo menor deberá sintonzarse con la ganancia más alta posible.

9.      El controlador esclavo se selecciona con set point remoto, mientras que el controlador maestro es de tipo local.

Naturalmente que estas recomendaciones son, basándose en la experiencia que se tiene sobre la dinámica del proceso, sobre el controlador y algo de sentido común.

Control de relacion

Objetivo: Controlar el flujo o el volumen de una variable en función de otra.

Esta técnica de control, se aplica por lo general a dos cantidades de flujos, que deben mantener una relación prefijada por el usuario.

Por lo general se tiene una línea de flujo de un fluido libre y sobre esta se mide la cantidad del fluido existente en velocidad o volumen, este valor se envía a un controlador que contiene un factor multiplicador o un divisor, cuya señal actúa sobre la válvula de control de otra línea con flujo proporcional al valor censado (flujo controlado).

El flujo libre se llama variable independiente y el flujo controlado se llama flujo dependiente.

Para este tipo de estrategia de control, es muy importante tomar las siguientes consideraciones:

1.      Ambas señales deben tener las mismas unidades.

2.      Ambas señales deben estar linealizadas o en forma cuadrática.

3.      El rango de los controladores deben ser compatibles con las señales recibidas de un 0% a un 100%.

4.      Tomar en cuenta que en la medición de fluidos la linealidad se pierde en los extremos de la medición.

5.      Las características de los fluidos deben ser muy similares.

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SERVICIOS DE TEMPERATURA Y CAUDAL, S.L.Empresa Española, Creada en 1.991 cuenta con una amplia experiencia en el sector. El personal que la compone, esta altamente cualificado, aportando 15

años de experiencia y amplios conocimientos en cuanto a la fabricación de elementos primarios de medición de caudal, y elementos de medición de

temperatura.

Todos los materiales empleados en la fabricación de nuestros productos son de primerísima calidad, por lo que estamos seguros de que la calidad de nuestros productos

no le defraudara.

MEDICIÓN DE CAUDAL MEDICIÓN DE TEMPERATURA

Para la medida de caudal, se emplean frecuentemente elementos de estrangulación normalizados, tanto por las reglas DIN 1952 como por las reglas UNI1559-1605, API, ISO, O AGA-ASME dependiendo del país en el que nos encontremos.

En general el método de la presión diferencial, se basa en la ley de continuidad y en la formula de Bernoulli sobre la transformación de la energía.

Según la ley de continuidad, el caudal de un material en circulación a lo largo de una tubería, tiene la misma cantidad. Se en un determinado lugar se reduce la sección, deberá aumentar la velocidad del fluido. Partiendo de la formula de Bernoulli para la distribución de la energía de un medio en movimiento que establece la suma de la energía estática (presión) y de la energía cinética (velocidad) es un valor constante, se deduce que todo aumento de velocidad, va seguido de una reducción de la presión estática. Este cambio de presiones, llamado presión diferencial esta estrechamente ligado con el caudal Q del fluido. Para poder medir un caudal, se produce la presión

diferencial mediante un órgano de estrangulación intercalado en la tubería midiéndose después con un detector de caudal (instrumento capaz de medir la diferencia de presiones), que capta la diferencia de presiones estáticas delante del órgano de estrangulación, se les llama igualmente elementos primarios o elementos deprimogenos.

Medición de Caudal

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calidad, por lo que estamos seguros de que la calidad de nuestros productos no le defraudara.

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MEDICIÓN DE TEMPERATURA

Temperatura

La mayoría de los elementos de medición de temperatura, están basados en la expansión térmica de un sólido, liquido o gas, en una medida termoeléctrica en la cual, una térmicamente inducida fuerza electro motriz (FEM), es utilizada para traducirse en temperatura, o en la medida de un cambio de resistencia provocado por un cambio de temperatura, ya sea una resistencia de precisión o una termistancia.

De todos estos, los elementos mas comunes, son el termómetro de vidrio con mercurio, el termómetro de expansión de gas o (vapor), el termómetro bimetalico, el termopar y la termorresistencia.STC, S.L. , debido a su línea de fabricación, únicamente se dedicara en este apartado a la descripción, características y utilización de los termopares y termorresistencias.La elección para un proceso de uno u otro tipo, depende en gran manera del rango de temperatura, o la medición a realizar. Como puntos también importantes tendremos en cuenta su precisión y costo inicial de fabricación.Por ejemplo, el termómetro de resistencia o mejor llamada termorresistencia, es ampliamente utilizado por su exactitud y simplicidad básica; los cambios de temperatura de 0.02 ºC, son fácilmente detectables en procesos industriales. El rango de medida de este elemento primario, es aproximadamente el mismo que para termopares de cobre-constantan, hierro-constantan, y para termómetros de expansión; estos limites son aproximadamente de -184 a 689 ºC. La propia desventaja de este elemento, es el mayor costo que un termopar.

Medición de Temperatura

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Tipos de cabezales

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Partes de termopar

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Termopares encamisados

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Elementos de Medida en Automatización y Robótica IndustrialEnviado por resnick_halliday

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Partes: 1, 21. Introducción a los Elementos de Medida 2. Elementos de medida 3. Características estáticas y dinámicas 4. Medida de la presión 5. Medidas de fuerza y peso 6. Medidas del pH 7. Medidas del Nivel 8. Medidas de Temperatura 9. Medidas de Flujo 10. Medidores de Vórtice 11. Medidores ultrasónicos de flujo 12. Transmisión de Señales 13. Preguntas de Repaso 14. Conclusiones 15. Bibliografía

Introducción a los Elementos de Medida

El concepto de control, data desde la época de los griegos, en la que se construyeron diferentes tipos de mecanismos, tales como: un reloj de agua, lámparas de aceite, etc. Así como un mecanismo para abrir y cerrar las puertas de uno de los templos más concurridos en esa época (Ktesibios), el cual generaba un peculiar viento, con lo que la gente creía que era un acto de poder creado por los dioses olímpicos.

El hombre, sabiéndose limitado en sus capacidades, ha creado artificios que le permitan ampliar la forma de hacer las cosas, creando dispositivos que puedan controlar algunas variables que se consideran necesarias para aplicarlas en diversos procesos industriales.

Hay quienes, apoyados en el marcado desarrollo de nuevas tecnologías en este siglo que comienza, consideran que esto se puede conseguir fácilmente, con la ayuda de robots que reemplacen "el trabajo de los seres humanos", ya que a "más tecnología", "más calidad, menores costos y, por tanto, bajo precio".

En las últimas décadas "la industria europea, ha invertido la mayor parte de su presupuesto en maquinaria y robótica" y "se estima que en los próximos años la cantidad de robots en Europa y EU aumentará notablemente".

En cuanto a los robots, se prevé que sus "capacidades y versatilidad" "continúen expandiéndose" y sus precios bajen.

Según la previsión de los expertos, a largo plazo, el número de las actividades realizadas por los robots alcanzará el 80% de todos los sectores de la economía.

Los programa de producción agropecuaria guiados por sensores, la ingeniería genética, las granjas moleculares, las operadoras informatizadas con reconocimiento de voz, los cajeros automáticos, los sistemas de comunicación, la automatización de las oficinas hasta el punto de la oficina virtual, muestran sólo algunos de los sectores y áreas de la producción, hasta dónde está llegando el novedoso avance tecnológico.

Los beneficios de la tecnología: costos bajos, procesos más rápidos, aumento de la competitividad y la eficiencia, tienen un impacto en la sociedad que conviene analizar.

En los lugares donde la industrialización es más palpable, las tasas de empleo se verán directamente afectadas.

Elementos de medida

En cualquier sistema de control automático es necesaria la medida de las variables a controlar.

Además de las variables a controlar es habitual la medida de otras variables de manera que se tenga un mejor conocimiento de lo que sucede en el proceso.

La medida de las magnitudes del proceso (presiones, fluidos, temperaturas, pH, humedad, velocidad, etc.) la realizan los elementos primarios, los que, en la mayoría de los casos, las transforman en magnitudes de otra especie (presiones neumáticas, potenciales eléctricos, desplazamientos mecánicos, etc.) pero fáciles de medir o de transmitir a distancia.

Los instrumentos que producen esta transformación de variables se conocen con le nombre de transductores. Se pretende que exista una relación analógica entre los valores de la magnitud medida y la salida del transductor.

Hay casos en que no es posible medir directamente la magnitud a controlar. Entonces se recurre a la medida de otra magnitud de la cual depende la primera. Por ejemplo, en un horno de templado la magnitud que interesa mantener constantemente es el temple del acero. Las dificultades de medida rápida, precisa y continua del temple obligan a recurrir al control de temperatura del horno.

Controlador automático

Un controlador automático compara la señal de salida con una referencia (valor deseado), determina el error y produce una señal de control que trata de reducir el error a cero o a un valor menor.

Características estáticas y dinámicas

Para el estudio de la automatización de un proceso interesa el conocimiento de las relaciones existentes entre las variables de entrada y salida (variable manipulada y variable controlada) cuando no hay variaciones en el tiempo esto es, en condiciones de equilibrio. Las relaciones entre las variables, en condiciones de equilibrio son las características estáticas. Así, en el proceso representada en l a siguiente figura, a cada gasto de entrada Q1 corresponder, después de alcanzado al equilibrio, un cierto nivel h.

Las relaciones h = f (Q1) expresa una de las características estáticas de proceso.

En las relaciones que expresan las características estáticas no entra la variable tiempo.

Las características dinámicas pueden establecerse en los casos más sencillos, por vía analítica, por el solo conocimiento de las leyes físicas y de las constantes del procesó.

Además de las características dinámicas del sistema de medida, son muy importantes las siguientes propiedades:

Precisión: Expresa el grado de concordancia entre el valor indicado por el sistema de medida y el valor real de la magnitud. Se representa por la desviación, expresada en porcentaje del valor máximo. La mejor manera de conocer la precisión consiste en determinar la curva de error, en toda la banda de medida.

Linealidad: Significa que la función que relaciona la variable de salida con la de entrada es una función lineal (geométricamente representada por una línea inclinada). Las desviaciones de la linealidad se expresan en porcentaje.

Histéresis: Diferencia entre los valores indicados por el sistema pasra un mismo valor de magnitudes de medida, cuando se ha alcanzado entre valor por valores crecientes o por valores decrecientes.

Sensibilidad: Representa la relación de la señal de salida y la señal de entrada. Para la misma señal de entrada, la salida es tanto mayor cuanto mayor sea la sensibilidad.

Medida de la presión

Las medidas de presión son muy importantes en procesos continuos en el que hay que tratar con fluidos

Los elementos primarios para medir la presión pertenecen a las siguientes categorías principales:

Manómetros de líquidos Fuelles Diagramas Vacuómetros de varios tipos Elementos piezoeléctricos o piezorresistivos Elementos con detectores extensiométricos (Strain Cages) Elementos capacitivos Elementos de reluctancia

En el Control Industrial interesan tres conceptos ligeramente diferentes de la presión. Normalmente se mide la presión manométrica, que representan la diferencia entre la presión absoluta en el lugar de la instalación y la presión atmosférica.

Algunas veces interesa la medida de la presión absoluta, especialmente cuando se miden presiones inferiores a la atmosférica.

Cuando se trata de medidas de flujo, en sistemas de ventilación, etc, es muy usual también la medida de la presión diferencial.

Estos conceptos se ilustran en la siguiente figura:

Manómetros de líquido – Son los instrumentos más antiguos para medir la presión. Se basan en el equilibrio de columnas líquidas. Actualmente se usan poco en procesos industriales en virtud de la desventajas que resultan de la presencia del líquido.

Los tipos de manómetro de líquido de mayor uso son:

Manómetro de tubo en U, de ramas iguales

Manómetro de flotador, Manómetro de tubo sencillo, Manómetro de campana

Manómetro anular

Algunos de estos tipos no son más que indicadores y no interesan en el control automático. En la figura siguiente solamente se indican el funcionamiento esquemático de los manómetros indicadores.

En los manómetros de otros tipos, la variable de salida es un movimiento mecánico. Son apropiados para actuar sobre transmisores de señal o instrumentos de entrada en los controladores neumáticos.

En la figura R se muestra esquemáticamente un manómetro de flotador. Los movimientos del flotador son proporcionales a la diferencia de presión. Transmiten al exterior por intermedio de un sistema mecánico y de un eje con empaque estanco, o en ciertos casos por medio de un tubo de torsión. Se puede usar para medidas de presiones diferenciales de hasta 600 in de agua y para presiones estáticas de hasta 5000 psi.

Se muestra en la figura el esquema de un manómetro de anillo. El ángulo de rotación depende, en este caso, de la diferencia de presiones. Los movimiento del anillo se puede aplicar como entrada a los instrumentos o controladores. Para terminar esta rápida referencia a los manómetro de líquido, en la figura R’’, se ilustra el principio en que se basa un manómetro de campana.

Son apropiados para medir pequeñas presiones diferenciales. Por ejemplo, se utiliza para medir la presión en las cámaras de combustión-

Tubos de bourdon: de todos los elementos de medida de presiones, éste es el más usual. Está constituido por un tubo de sección elíptica enrollado circularmente, en espiral o en hélice. Cuando la presión interior aumenta el tubo tiende a disminuir de curvatura.

Los movimientos del extremo del bourdon se transforman por medio de un conjunto de palancas y ruedas dentadas y se aplican a agujas.(manómetros indicadores) o al elemento de entrada de transmisores de señal o de controladores. En la figura 16 se presentan dos tipos de tubos bourdon.

Los tubos de bourdon se construyen de materiales elásticos. De acuerdo al fluido que se ha de medir, se usarán bronce, cobre – berilio, acero carbonado, aceros inoxidables, etc.

Fuelles y diafragmas – en la figura 17 se representan esquemáticamente estos elementos primario de medida de presión.

Se fabrican en bronce, latón, cobre-berilo, acero inoxidable, etc., conforme sean las condiciones ambientales. La gama de presiones está determinada por muelles opositorios los que confieren a estos elementos característicos de proporcionalidad.

Medidas de vacío – Solamente se describirá el principio del vacuómetro de Pirani, en el que se aprovecha el enfriamiento producido por el gas cuya presión se ha de medir en un hilo calentado por una corriente eléctrica constante. Las variaciones de la resistencia del hilo se miden en un puente de resistencia. La salida del vacuómetro es un tensión eléctrica. Hay otros instrumentos de medida de vacío, como el vacuómetro de termopar, el manómetro iónico, el vacuómetro radioactivo.

Medida de la presión absoluta – cuando se trata de medir presiones absolutas bajas (inferiores a 50 psi) las variaciones de la presión absoluta conducen a errores muy altos si se usaran los instrumentos de presión relativa. Un elemento para medir la presión absoluta podría estar constituido como se indica en la siguiente figura:

Está constituido, en principio, por dos fuelles en oposición, de uno de los cuales se extrae el aire. Un muelle compensa la diferencia de fuerzas.

Transmisores de presión: Los elementos primarios de medida de presión con salida mecánica no son suficientes para transmitir la señal a los controladores (y registradores) existentes en la sala de control. Son necesarios dispositivos capaces de transformar las indicaciones de presión en señales neumáticas o eléctricas (transmisores de señal)

Precisión estática de los elementos de presión – Los elementos de medida de la presión tienen errores del orden del 1% de la gama cuando están convenientemente calibrados. En instrumentos más cuidadosamente construidos se alcanzas precisiones del orden del 0.5%. Una de las causas de error aleatorio es la acción de la temperatura ambiente, la que provoca dilataciones de las partes del manómetro y alteraciones del módulo de elasticidad del muelle opositor.

Medidas de fuerza y peso

En diversos procesos industriales es necesario controlar el peso de los materiales que se han de transformar, o ajustar la magnitud de las fuerzas actuantes.

Para la medición de las fuerzas, se da lugar a transductores que conviertan estas magnitudes en otras más fáciles de medir.

Existen diversos tipos de dispositivos para medir el peso y las fuerzas, tales como:

a. Balanzas discontinuas.

También existen dispositivos de pesaje que se basan en principios neumáticos, hidráulicos y eléctricos.

o Indicador neumático de fuerza: En este dispositivo, la fuerza desconocida se aplica a una de las caras de un diafragma. En la otra cara se aplica un presión neumática, hasta reestablecer el equilibrio. La medida de la presión da la medida de la fuerza.

oo Indicador hidráulico de fuerza : Sigue el mismo principio que el

dispositivo anterior, sin embargo, en este caso en lugar de utilizarse aire comprimido, se da lugar a un fluido. La capacidad de este dispositivo es hasta de diez toneladas.

oo Piezo-eléctrico o extensómetro: En estos dispositivos la fuerza

que se mide produce la deformación de un elemento elástico. Por ejemplo, un anillo de acero.

El cristal del extensómetro está fijado al elemento elástico y sufren también las deformaciones, dichas deformaciones se convierten en una variación de resistencia del extensómetro o bien en un potencial eléctrico generado por el detector piezo-eléctrico.

Medidas de desplazamiento y dimensiones.

En las industrias mecánicas es necesario realizar medidas dimensiónales, por ejemplo:

o Medidas de espesor de chapas en los laminadores.o Medida de desplazamiento en las máquinas de control numérico.

Entre los diversos tipos de dispositivos para la medición de desplazamientos, encontramos uno basado en la fuerza neumática que permite medir desplazamientos de hasta 0.25 m m.

Para las máquinas de control numérico, se utilizan dos proceso de desplazamiento:

I .Por incrementos:

En este dispositivo existe una escala que se divide en elementos de magnitud elemental formando una rejilla, un captador que se encuentra unido al carro móvil de la máquina, traduce cada línea a un impulso eléctrico y por lo tanto origina una indicación analógica o digital del desplazamiento.

II. Absoluto:

En este dispositivo se utiliza una escala múltiple en la que cada una de las posiciones están indicada según un código binario, en este caso cada posición está indicada por un número y no por un impulso.

Medidas del pH

Como sabemos el pH es una variable de gran importancia, que nos da el valor de la concentración de los iones hidrógeno.

Un líquido puede tener los siguientes valores:

pH Tipo

0-7 Ácido

7 Neutro

7-14 Básico

El método tradicional para la medición del pH utiliza un electrodo de vidrio (electrodo de medida) y un electrodo de calomel (electrodo de referencia).

En el electrodo de vidrio se genera una diferencia de potencial entre el líquido a medir y la solución interna que depende linealmente del pH de la solución, esta diferencia de potencial permite conocer el pH, mediante la ecuación de Haber:

E = Eo – 0.0591 log H+ (a 25°C).

El electrodo de calomel presenta una f.e.m constante de 245 mv, mientras que el electrodo de vidrio presenta una variación de 465 mv hasta –43 mv. Por ejemplo para un pH = 7 (neutro) se tiene una diferencia de potencial de 25 mv.

Medidas del Nivel

En el control de los procesos, el nivel de líquidos y sólidos contenidos en tanques y reactores, tolvas, etc., es una variable importante. Los dispositivos para la medida del nivel son muy variados. Algunos de ellos son:

o Indicación directao Flotadoro Contactor móvil de superficieo Presión hidrostáticao Burbujeadoro Capacitivoso Conductivoso Ultrasónicoso Nucleareso Ópticoso Pesaje

Los más usados son:

Medidores de nivel por presión hidrostática.

Es el método más común para medir niveles de líquidos. La transmisión de la señal del nivel se puede efectuar por medio de celdas de presión diferencial que pueden ser de tipo neumático o electrónico

Medidores de nivel por desplazamiento.

Este tipo de medida se basa en la variación del peso aparente de un cuerpo parcialmente sumergido en un líquido, cuando la altura del líquido varía. Por ejemplo, el flotador utilizado en los tinacos para baño.

Métodos capacitivos.

Se utilizan tanto en líquidos como en sólidos, polvos o granulados. El principio en el que se basan es muy sencillo. Una varilla metálica aislada o, verticalmente localizada dentro del depósito, desempeña la función de uno de los electrodos de un capacitor. Como el líquido ( o el sólido granulado) tiene una cierta conductividad, equivale a su vez al segundo electrodo del capacitor. La superficie aparente de los electrodos y, por lo tanto del capacitor, varía con el nivel; esta capacitancia se mide con un puente de C. A.

Medidas de Temperatura

Los elementos de medida de temperatura más adaptados al control automático de procesos son:

o Termopares (o pares termoeléctricos)o Termómetros de resistenciao Sistemas de bulbo y bourdono Termómetros de dilatacióno Pirómetros de radiacióno Termistores

Se describen los tipos más fundamentales

Termopares

Son seleccionados para la mayoría de las medidas industriales. Tienen sencilla construcción, si están bien calibrados son precisos. Se basan en el descubrimiento siguiente hecho por Jean Peltier en 1821: "Cuando hilos de metales diferentes están en contacto por los extremos, se genera una

f.e.m. (y aparece una corriente eléctrica en el circuito) cuando los dos contactos están a diferentes temperaturas" .

Los pares de metales más utilizados en la constitución de termopares industriales son:

o Cobre – Constantán (aleación de cobre y níquel)o Fierro – Constantáno Platino – Platino rodio

Para muy altas temperaturas se fabrican termopares de metales refractarios como son:

o Tungsteno – Tungsteno renioo Grafito – Silicioo Iridio – Iridio renioo Tungsteno – Iridioo Molibdeno – Molibdeno renio

El termopar se selecciona en función de la gama de temperaturas, de los efectos corrosivos del medio ambiente y, de la precisión deseada.

La localización de un termopar en el proceso se debe considerar cuidadosamente. En realidad, además de los cambios térmicos por conducción en relación con el fluido, entran en juego intercambios de energía por radiación con las superficies calientes o frías de la instalación (tuberías, aletas, paredes, etc.)

Termómetros de resistencia (o termo-resistencias)

Se usan para alcanzar mayor precisión que con termopares, o para medidas de pequeñas desviaciones de temperatura (del orden de 0.02°C). Cuando se miden temperaturas próximas a la temperatura ambiente son imprescindibles las resistencias. El error máximo de los termómetros industriales de resistencia es cercano a 0.5%.

Este método aprovecha el cambio de la resistencia de los conductores eléctricos con la temperatura. Las sustancias que utiliza son hilos metálicos de platino (son los más usados por la precisión y resistencia a la corrosión), cobre o níquel, plata, etc.,

El hilo metálico de resistencia termométrica se enrolla en soportes aislantes generalmente de cerámica. Exteriormente las resistencias están protegidas por fundas termométricas de diversas sustancias (metal, cerámica, vidrio, etc.).

Medidas de Flujo

Existen muchos métodos básicos para la medida del flujo. Algunos están bastante generalizados, otros se aplican en casos restringidos. Para efectos de clasificación, se pueden agrupar los elementos primarios de medida del flujo en los siguientes grupos principales:

1. Medidores de presión diferencial2. Medidores rotativos (contadores y turbinas)3. Medidores electromagnéticos de flujo4. Medidores de área variable

5. Medidores de descarga6. Medidores de caudal de masa7. Medidores de caudal de sólidos8. Medidores de vórtice9. Medidores ultrasónicos de flujo

En este trabajo sólo se hará referencia a los tipos de medidores de flujo más importantes en la industria.

Medidores de presión diferencial

Los elementos de medida de flujo por presión diferencial, universalmente utilizados en la medida del flujo de los fluidos, se basan en el teorema universal de la hidrodinámica (teorema de Bernoulli).

La expresión general que relaciona el flujo de los fluidos incompresibles "q" con la presión diferencial queda de la siguiente forma:

Donde: q : Flujo de los fluidos k : Coeficiente de gasto P1 : Presión 1 P2 : Presión 2 A pesar del gran avance teórico en este aspecto, es tal la complejidad de los fenómenos en cuestión que, para calcular los elementos de presión diferencial, se recurre a datos experimentales y a tablas determinadas empíricamente. Solo así se consigue una precisión aceptable. Los elementos de presión diferencial son restricciones o constricciones de diversos tipos insertados en la tubería donde circula el fluido que se quiere medir. La caída de presión que ocurre en la restricción es una medida del caudal. De los diversos tipos de restricciones, las mas usadas son:

a. Orificiosb. Tubos Venturic. Tubos Dall

Orificios:

Este es el tipo de restricción más usado. Tiene la forma de una placa circular, insertada en la tubería entre dos bridas, en la cual se hace un orificio con las dimensiones que indique el calculo. El material del orificio debe resistir la corrosión química y mecánica del fluido. Se usan mucho los diversos tipos de acero inoxidable.

Tubos Venturi:

Son restricciones más elaboradas que el orificio. El tubo de Venturi permite mayor precisión que el orificio, además, se recupera en gran parte la caída de presión. Otra de las ventajas es de que tenemos mayor constancia en las indicaciones a lo largo del tiempo, es decir, existe mayor repetibilidad.

El Tubo de Venturi es particularmente recomendable para líquidos con sólidos en suspensión. La única desventaja del Tubo de Venturi es el costo elevado.

Tubo Dall:

Este tubo produce perdida permanente de presión de cerca del 15% y es mas barato que el Tubo Venturi.

Medidores rotativos (contadores y turbinas)

Se utilizan contadores de modelosvarios, (pistones oscilantes, disco de mutación, rotores de dientes engranados, contadores de gas, etc.) cuando se requiere medir cantidades de fluido con buena precisión (desde 0.1 a 1%). Los contadores domésticos de gas y agua son de este tipo. Los medidores de gasto de tipo turbina permiten presiones mas altas de las que permiten los orificio y tubos de Venturi en la medida del flujo en líquidos. Físicamente, los medidores de turbina son de dimensiones muy pequeñas cuando se les compara con otros tipos de elementos primarios. El órgano principal lo constituye un turbina que mide la velocidad media del liquido. En una bobina montada en el fondo interno del medidor, cuyo núcleo es un imán permanente, se inducen impulsos al paso de cada una de las paletas de la turbina. Estos impulsos son amplificados y transformados en impulsos rectangulares. Un contador electrónico de impulsos permite indicaciones digitales del flujo y de la cantidad de liquido. La precisión de los medidores de turbina es normalmente mejor que 0.5% en una amplia gama de medidas.

Medidores electromagnéticos de flujo

Los medidores de este tipo son los únicos que no presentan obstrucción al paso del liquido. La perdida de carga que introducen es igual a la de una tubería libre con el mismo tamaño. Por ese motivo son los elementos primarios ideales para la medida de flujos en líquidos viscosos o con sólidos en suspensión. La única condición será que el liquido tenga una conductividad eléctrica por encima de un mínimo establecido. El funcionamiento de estos medidores se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética. Un conductor eléctrico que se mueve con velocidad perpendicularmente a un campo magnético de inducción, es el asiento de una fuerza electromotriz, dada por la relación:

e = (B) (l) (v)

Donde: e : Fuerza electromotriz B : Campo magnético de inducción l : Longitud del conductor v : Velocidad perpendicular La fuerza electromotriz inducida, que es proporcional al flujo del liquido, será amplificada por un amplificador electrónico. Una de las dificultades de esta medida reside en el bajo valor de la f.e.m. (milivolts), y de la aparición de diversas partes del circuito, de f.e.m. inducidas por los campos magnéticos existentes en los medios fabriles. Otra dificultad se relaciona con las variaciones de tensión de la red, las que originan variaciones de la inducción magnética. Las variaciones en la conductividad del liquido pueden también introducir errores.Resulta muy útil en la medida del flujo en líquidos con sólidos en suspensión, pastosos o corrosivos. Existen actualmente elementos primarios electromagnéticos

cuyos electrodos no tienen contacto ohmico (resistencia) con el liquido, sino solamente capacitivo.

Medidores de Vórtice

Es un elemento primario de flujo que ofrece precisión superior a la de los orificios, no tiene piezas móviles y opera con una amplia banda de gastos. Las variaciones de presión y de temperatura no afectan las medidas. Al no tener partes mecánicas su confiabilidad es alta. El instrumento se basa en la detección del paso de vórtices formados por un obstáculo ( elemento generador de vórtices), intercalado en el paso del fluido. Los vórtices son pequeños remolinos en zonas localizadas. El elemento generador de vórtices atraviesa diagonalmente la tubería de medida y divide el flujo a la mitad. Los vórtices se forman alternadamente en cada una de las dos mitades. La geometría y el perfil del elemento generador se determinan a fin de obtener las siguientes características de los vortices:

o Estabilidado Número de vórtices proporcional al gasto

El número de vórtices proporcional al gasto dentro de una amplia gama de medidas. Por tanto existe relación lineal entre el flujo y el número de vórtices en un intervalo fijo de tiempo. Siempre que se produce un vórtice, se produce una presión diferencial entre los lados superior e inferior del elemento generador. La sucesión de impulsos de presión se detecta por un elemento sensible insertado en el interior del elemento generador. El ritmo de los impulsos enviados por el detector es proporcional al número de vórtices y proporcional, por tanto, al gasto. Este instrumento es utilizado con mucho éxito en aplicaciones comunes que usaban orificios y en la medida de gastos de líquidos con sólidos en suspensión o corrosivos.

Medidores ultrasónicos de flujo

Un haz estrecho de ondas sonoras (en la banda acústica o la ultrasónica) lanzada a través de un fluido en movimiento sufre un efecto de arrastre. El medidor ultrasónico de flujo aprovecha este efecto. En su forma mas sencilla, esta constituido por un transductor transmisor de ultra sonido (TT) y por un transductor receptor (TR). La onda ultrasónica, enviada en impulsos, atraviesa dos veces el fluido al reflejarse en la pared opuesta, Como la onda es arrastrada por el movimiento del liquido, el recorrido total, y por lo tanto, la atenuación de la onda depende de la velocidad del fluido.Este tipo de medidor aun en su fase inicial, tiene una precisión mejor que la de la placa de orificio y no presenta ninguna obstrucción, como ocurre con el medidor electromagnético. Sirve pues para líquidos viscosos pastosos o peligrosos ( de alta presión, corrosivos, radioactivos).

Necesita de una corrección automática de temperatura por medio de un termistor porque la velocidad del sonido se altera en función de la temperatura presente en el cuerpo.

Transmisión de Señales

La definición clásica de transmisor nos dice que es un instrumento que capta la variable en proceso y la transmite a distancia a un instrumento

indicador o controlador; pero en realidades eso y mucho más, la función primordial de este dispositivo es tomar cualquier señal para convertirla en una señal estándar adecuada para el instrumento receptor, es así como un transmisor capta señales tanto de un sensor como de un transductor, aclarando siempre que todo transmisor es transductor más no un transductor puede ser un transmisor; como ya sabemos las señales estándar pueden ser neumáticas cuyos valores están entre 3 y 15 Psi, las electrónicas que son de 4 a 20 mA o de 0 a 5 voltios

Transmisión de datos analógicos y digitales

TRANSMISIÓN ANALOGICA

o Los datos analógicos toman valores continuoso Una señal analógica es una señal continua que se propaga por

ciertos medios .o La transmisión analógica es una forma de transmitir señales

analógicas ( que pueden contener datos analógicos o datos digitales ). El problema de la transmisión analógica es que la señal se debilita con la distancia , por lo que hay que utilizar amplificadores de señal cada cierta distancia.

TRANSMISIÓN DIGITAL

o los digitales toman valores discretos valores discretoso Los datos digitales se suelen representar por una serie de pulsos

de tensión que representan los valores binarios de la señal .o La transmisión digital tiene el problema de que la señal se atenúa

y distorsiona con la distancia , por lo que cada cierta distancia hay que introducir repetidores de señal .

Últimamente se utiliza mucho la transmisión digital debido a que :     La tecnología digital se ha abaratado mucho .

o Al usar repetidores en vez de amplificadores , el ruido y otras distorsiones no es acumulativo .

o La utilización de banda ancha es más aprovechada por la tecnología digital .

o Los datos transportados se pueden encriptar y por tanto hay más seguridad en la información .

o Al tratar digitalmente todas las señales , se pueden integrar servicios de datos analógicos ( voz , vídeo, etc..) con digitales como texto y otros .

Perturbaciones en la transmisión 

Atenuación

 La energía de una señal decae con la distancia , por lo que hay que asegurarse que llegue con la suficiente energía como para ser captada por la circuitería del receptor y además , el ruido debe ser sensiblemente menor que la señal original ( para mantener la energía de la señal se utilizan amplificadores o repetidores).

Debido a que la atenuación varía en función de la frecuencia , las señales analógicas llegan distorsionadas , por lo que hay que utilizar sistemas que le devuelvan a la señal sus características iniciales ( usando bobinas que cambian las características eléctricas o amplificando más las frecuencias más altas ) .

Distorsión de retardo

 Debido a que en medios guiados , la velocidad de propagación de una señal varía con la frecuencia , hay frecuencias que llegan antes que otras dentro de la misma señal y por tanto las diferentes componentes en frecuencia de la señal llegan en instantes diferentes al receptor . Para atenuar este problema se usan técnicas de ecualización .

Ruido

 El ruido es toda aquella señal que se inserta entre el emisor y el receptor de una señal dada . Hay diferentes tipos de ruido : ruido térmico debido a la agitación térmica de electrones dentro del conductor , ruido de intermodulación cuando distintas frecuencias comparten el mismo medio de transmisión , diafonía se produce cuando hay un acoplamiento entre las líneas que transportan las señales y el ruido impulsivo se trata de pulsos discontinuos de poca duración y de gran amplitud que afectan a la señal .

Capacidad del canal

 Se llama capacidad del canal a la velocidad a la que se pueden transmitir los datos en un canal de comunicación de datos .La velocidad de los datos es la velocidad expresada en bits por segundo a la que se pueden transmitir los datos El ancho de banda es aquel ancho de banda de la señal transmitida y que está limitado por el transmisor y por la naturaleza del medio de transmisión ( en hertzios ).La tasa de errores es la razón a la que ocurren errores .Para un ancho de banda determinado es aconsejable la mayor velocidad de transmisión posible pero de forma que no se supere la tasa de errores aconsejable . Para conseguir esto , el mayor inconveniente es el ruido .Para un ancho de banda dado W , la mayor velocidad de transmisión posible es 2W , pero si se permite ( con señales digitales ) codificar más de un bit en cada ciclo , es posible transmitir más cantidad de información .La formulación de Nyquist nos dice que aumentado los niveles de tensión diferenciables en la señal , es posible incrementar la cantidad de información transmitida .C= 2W log2 M El problema de esta técnica es que el receptor debe de ser capaz de diferenciar más niveles de tensión en la señal recibida , cosa que es dificultada por el ruido .Cuanto mayor es la velocidad de transmisión , mayor es el daño que puede ocasionar el ruido .Shannon propuso la fórmula que relaciona la potencia de la señal ( S ) , la potencia del ruido ( N ) , la capacidad del canal ( C ) y el ancho de banda ( W ) . C = W log2 ( 1+S/N )

Esta capacidad es la capacidad máxima teórica de cantidad de transmisión , pero en la realidad , es menor debido a que no se ha tenido en cuenta nada más que el ruido térmico.

b. Balanzas discontinuas.

Tipos de Transmisores

Transmisores neumáticos: Se fundamentan en el principio que cumple el sistema  tobera obturador que consiste en un tubo con un suministro constante de presión no superior a los 25 Psi que pasa por una restricción que reduce el diámetro alrededor de 0.1 mm y que en su otro extremo se torna en forma de tobera  con un diámetro de 0.25 - 0.5 mm que esta expuesto a la atmósfera ocasionando un escape que es regulado por un obturador el cual cumple la misión de controlar el escape proporcional a la separación entre él y la tobera.

la función de la tobera - obturador es que a medida que la lamina obturadora disminuya  o aumente la distancia hacia la tobera ocasionara un efecto inversamente proporcional sobre la presión interna que es intermedia entre la presión atmosférica y la de suministro e igual a la señal de salida del transmisor que para la tobera totalmente cerrada equivale a 15 Psi y totalmente abierta a 3 Psi.

Para la obtención de una salida eficiente y a causa de diminutos volúmenes de aire que se obtienen del sistema se le acopla una válvula piloto que amplifica, formando un amplificador de dos etapas

La válvula servopilotada consiste en un obturador que permite el paso de dos caudales de aire los cuales nos determinan la salida mediante los diferenciales de presión entre las superficies uno y dos logrando vencer el resorte que busca sostener la válvula cerrada, aunque realmente existe una mínima abertura que lo que nos determina los 3 Psi como salida mínima. Las funciones de la válvula son:

Aumento del caudal suministrado o del caudal de escape para conseguir tiempos de respuesta inferiores al segundo.

Amplificación de presión (ganancia), de cuatro a cinco para obtener la señal neumática de 3 - 15 Psi.

Los transmisores neumáticos presentan las siguientes características:

Un consumo de aire mas bajo para el caudal nulo de salida. Un caudal mayor de salida hacia el receptor. Una zona muerta de presiones de salida. Son de equilibrio de fuerzas. Son de acción directa.

 Transmisores electrónicos:  Generalmente utilizan el equilibrio de fuerzas, el desequilibrio da lugar a una variación de posición relativa, excitando un transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia o un transformador diferencial. Un circuito oscilador asociado con cualquiera de estos detectores alimenta una unidad magnética y es así como se complementa un circuito de realimentación variando la corriente

de salida en forma proporcional al intervalo de al variable en proceso. Su precisión es de 0.5 - 1% en una salida estándar de 4 - 20mA. Se caracterizan por el rango de entrada del sensor.

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

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

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

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

 Como calibrar un transmisor:  

1) Chequeo y Ajustes Preliminares:

Observar el estadofísico del equipo, desgaste de piezas, limpieza y respuesta del equipo.

Determine los errores de indicación del equipo comparado con un patrón adecuado (según el rango y la precisión).

Llevar ajustes de cero, multiplicación, angularidad y otros adicionales a los márgenes recomendados para el proceso o que permita su ajuste en ambas direcciones (no en extremos) excuadramientos preliminares. Lo cual reducirá al mínimo el error de angularidad. 

2) Ajuste de cero:

Colocar la variable en un valor bajo de cero a 10% del rango o en la primera división representativa a excepción de los equipos que tienen supresión de cero o cero vivo, para ello se debe simular la variable con un mecanismo adecuado, según rango y precisión lo mismo que un patrón adecuado.

Si el instrumento que se esta calibrando no indica el valor fijado anteriormente, se debe ajustar del mecanismo de cero( un puntero, un resorte, reóstato, tornillo micrométrico, etc).

Si el equipo tiene ajustes adicionales con cero variable, con elevaciones o supresiones se debe hacer después del punto anterior de ajuste de cero. 

3) Ajuste de multiplicación:

Colocar la variable en un valor alto del 70 al 100%. Si el instrumento no indica el valor fijado, se debe ajustar el

mecanismo de multiplicación o span ( un brazo, palanca, reóstato o ganancia).

4) Repetir los dos últimos pasos hasta obtener la calibración correcta para los valores      

      alto y bajo.  

5) Ajuste de angularidad:

Colocar la variable al 50% del span. Si el incremento no indica el valor del 50% ajustar el mecanismo de

angularidad según el equipo. 

6) Repetir los dos últimos pasos 4 y 5 hasta obtener la calibración correcta, en los tres   

     puntos.

Nota: Después de terminar el procedimiento se debe levantar un acta de calibración, aproximadamente en cuatro puntos: Valores teóricos contra valores reales ( lo mas exactamente posible), tanto ascendente como descendente para determinar si tiene histéresis.

Transmisores de presión y temperatura para:•la extrusión de plástico•el moldeo de plástico•la industria en general

 

Transmisores de flujo másico para gases, interruptores de nivel y flujo bajo el principio de dispersión térmica

 

 

Transmisores de presión y nivel neumáticos y electrónicos.•Para la industria del papel•Para la industria en general

Transmisores e interruptoresde nivel por el principiode radio frecuencia.

Transmisores de señal•Alarmas•Convertidores I/P, P/I•Transmisores de temperatura•Sistemas de comunicación de datos

Preguntas de Repaso

1.- ¿Qué se necesita un sistema de control?

2.- Que hacen los elementos primarios?

3.- ¿Cómo se llama el instrumento que cambia las magnitudes del proceso Transductor?

4.- Menciona al menos ocho elementos primarios para medir la presión

5.- ¿Qué diferencia existe entre la presión absoluta, presión diferencial y la presión relativa?

6.- ¿Cuál es la función de los fuelles y diafragmas?

7. Menciona los tres dispositivos para la medición de fuerzas.

8. Describe el dispositivo que utiliza el método incremental para la medición de desplazamientos en una máquina de NC.

9. ¿Cuáles son los dos tipos de electrodos que se utilizan en la medición del pH?

10.- Mencione algunos dispositivos para la medida del nivel y diga cuál es el más usado.

11.- Diga cuáles son los elementos de medida de temperatura más adaptados al control automático de procesos.

12.- ¿Cuáles son las razones por las cuales los termopares se usan más como elementos de medida de temperatura?

13.- Menciona los principales elementos primarios de medida del flujo.

14.- ¿Cuáles son los elementos primarios de medida que no presentan obstrucción al paso del fluido?

15.- ¿Qué elementos primarios de medida nos permiten medir cantidades de fluido?

16.- ¿Qué diferencia hay entre transmisión analógica y la transmisión digital?

17.- ¿Qué son los Transmisores?

18.- ¿Cuántos tipos de transmisores existen en la automatización?

Conclusiones

El control automático es un concepto que desde su aparición ha prevalecido en nuestras vidas y que lo seguirá haciendo por su gran importancia y aplicación a los procesos industriales.

Bajo este sentido, también es importante conocer que tipo de elementos o bien dispositivos se tienen para así poder controlar variables, tales como el desplazamiento, la presión, la temperatura, el potencial de hidrógeno, la velocidad, el peso, el flujo, entre otros.

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

El control de los procesos, el nivel de líquidos y sólidos contenidos en tanques y reactores, tolvas, etc., es una variable importante en la industria en general. Los dispositivos para la medida del nivel son muy variados,por ejemplos los Ultrasónicos y los nucleares son dispositivos muy complejos en la industria.

Para el estudio de la automatización de un proceso interesa el conocimiento de las relaciones existentes entre las variables de entrada y salida, normalmente en diversos procesos industriales es necesario controlar el peso de los materiales que se han de transformar, o ajustar la magnitud de las fuerzas actuantes.

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

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

Temperatura

Es el grado relativo de calor o frío que tiene un cuerpo

Diferentes efectos producidos por la temperatura

1. Aumento de las dimensiones (Dilatación).

2. Aumento de presión o volumen constante. 3. Cambio de fem. inducida. 4. Aumento de la resistencia. 5. Aumento en radiación superficial. 6. Cambio de temperatura. 7. Cambio de estado sólido a liquido. 8. Cambio de calor

Observando cada una de las propiedades en los materiales podemos medir la temperatura observando los efectos de los cuerpos. Todos los instrumentos de medición de temperatura cualquiera que fuese su naturaleza dan la misma lectura en cero por ciento (0%) y 100%, si se calibra adecuadamente, pero en otros puntos generalmente la lectura no corresponderá porque las propiedades de expansión de los líquidos varían, en este caso se hace una elección arbitraria y, para muchos fines será totalmente satisfactoria, sin embargo es posible definir una escala de temperatura de un gas ideal como base suprema de todo trabajo científico. Las unidades de temperatura son °C, °F, °K, °Rankine, °Reamur, la conversión mas común es de °C a °F. t(°C)=t(°F)-32/1.8 °F=1.8 t°C +32   Relación entre escalas de temperatura Unidades de Temperatura

Escala Cero Absoluto Fusión del Hielo Evaporación

Kelvin

Rankine

Reamur

Centígrada

Fahrenheit

0°K

0°R

-218.5°Re

-273.2°C

-459.7°F

273.2°K

491.7°R

0°Re

0°C

32°F

373.2°K

671.7°R

80.0°Re

100.0°C

212.0°F

  Los elementos primarios de medición y temperatura, son transductores que convierten la energía térmica en otra o en un movimiento. La diferencia ente el calor y temperatura, es que el calor es una forma de energía y la temperatura es el nivel o valor de esa energía. Se han dividido los elementos primarios de medición de temperatura en 3 tipos:

a. TERMOMETROS.- Transductores que convierten la temperatura en movimiento. b. SISTEMAS TERMALES.- Transductores que convierten la temperatura en presión (y

después en movimiento). c. TERMOELECTRICOS.- Transductores que convierten la temperatura en energía

eléctrica (y mediante un circuito en movimiento)

   

  Termómetros a. De Alcohol b. De Mercurio

c. Bimetálico

Elementos Primarios de medición de temperatura

Sistemas Termales a. Liquido (Clase I) b. Vapor (Clase II)

c. Gas (Clase III)

d. Mercurio (Clase IV)

  Termoeléctricos a. Termopar b. Resistencia c. Radiación

d. Optico

  Termómetros Son instrumentos que se utilizan para medir la temperatura de los cuerpos, su funcionamiento se basa en la propiedad que tienen algunas sustancias de variar su volumen con la temperatura, pueden usarse en ellos sustancias sólidas, liquidas o gaseosas como termométricas, con la única exigencia que la variación de volumen sea en el mismo sentido de la temperatura. El termómetro de liquido en vidrio es uno de los tipos mas comunes de dispositivos de medición de temperatura y sus detalles de construcción , se muestra en la figura siguiente.

 

Su bulbo relativamente grande en la parte mas baja del termómetro contiene la mayor cantidad del liquido el cual se expande cuando se caliente y sube por el tubo capilar en el cual esta grabada una escala apropiada con marcas, en la parte superior del tubo capilar se coloca en case de que el margen de temperatura del termómetro se exceda de manera inadvertida. los líquidos mas usados son el alcohol y el mercurio. El alcohol tiene la ventaja de poseer un coeficiente de expansión mas alto que el del mercurio pero esta limitado a mediciones de baja temperatura debido a que tiende a hervir a temperaturas altas. El mercurio no puede usarse debajo de su punto de congelación de -38.78°F (-37.8°C). El tamaño del capilar depende del tamaño del bulbo sensor, el liquido y los márgenes de temperatura deseados para el termómetros.Por lo general, los termómetros de mercurio en vidrio se aplican hasta 600°F (315°C); pero su alcance puede extenderse a 1000°F (338°C) llenando el espacio sobre el mercurio común gas como el nitrógeno. Esto aumenta la presión en el mercurio, eleva su punto de ebullición y permite; por lo tanto, el uso de termómetro a temperaturas mas altas.

Un método muy usado para medir la temperatura, es la cinta bimetalica se conectan juntos 2 piezas de metal con diferentes coeficientes de expansión térmica para formar el dispositivo mostrado en la figura siguiente. Cuando la cinta se somete a cualquier temperatura mas alta a la temperatura a la cual se hizo la liga se doblara en una dirección: cuando se somete a una temperatura inferior, se dobla al otro lado. EZKIN y FRITZE dieron métodos de calculo par las cintas bimetalicas. El radio de curvatura puede calcularse como:

t = espesor combinado de la cinta ligada. m = razón de espesores de los materiales de baja a alta expansión. n = razón del modulo de elasticidad de los materiales de baja a alta expansión. a 1 =coeficiente mas bajo de expansión. a 2 =coeficiente mas alto de expansión. T = temperatura To = temperatura inicial de la ligadura. Los coeficientes de expansión térmica de algunos materiales usados están en la siguiente tabla.

Material Coeficiente de expansióntérmica x °C

Modulo de elasticidad PSI lb/plg2

GN/m2

Invar

Latón amarillo

Monel -400

Inconel -702

Acero inox. -3/6

1.7x10-6

2.02x10-5

1.35x10-5

1.25x10-5

1.6x10-5

21.4x106

14x106

26x106

31.5x106

28x106

147

96.5

179

217

193

CARACTERISTICAS DE LOS TERMOPARES MENCIONADOS Los 6 termopares mas frecuentemente usados en la practica son:

Positivo Tipo Negativo

Cobre

Hierro

Cromel

Cromel

Platino +13% Radio

Platino +10% Radio

T

J

E

K

R

S

Constantán

Constantán

Constantán

Alumel

Platino

Platino

La clasificación por tipos a sido elaborado por la SAMA y adoptado por la ISA. Cobre - Constantán (T) Se utiliza para medir temperaturas entre los -18.5°C a 379°C y son de un precio bajo y ofrecen resistencia a la corrosión en atmósferas húmedas. Pueden ser usados en atmósferas reductoras y oxidantes. Hierro - Constantán (J) Se aplican normalmente para temperaturas, que van de -15°C a 750°C, dependiendo de su calibre. Son recomendables para usarse en atmósferas donde existe deficiencia de oxigeno libre. Son recomendables ampliamente en atmósferas reductoras. Como tienen un precio relativamente bajo son muy ampliamente usados para la medición de temperaturas dentro de su rango recomendado. Cromel - Constantán (E) Se emplean primordialmente en atmósferas oxidantes. Cromel - Alumel (K) El rango de temperatura recomendado es desde los 280°C a 580°C de acuerdo con el calibre del alambre usado. Este tipo de termopares presta un servicio optimo en atmósferas oxidantes aunque también se puede usar en atmósferas reductoras o alternativamente oxidantes o reductoras o siempre y cuando se use un tubo de protección apropiado y ventilado. Platino - Radio (R y S) Si se cuenta con una protección adecuada sirven para la medición de temperaturas hasta de 1650°C en atmósferas oxidantes. Estos termopares se contaminan con facilidad cuando se usan en cualquier otra atmósfera por lo que deben ser tomadas algunas precauciones en el caso de usarse en estas condiciones, mediante tubos de protección adecuados. Los vapores metálicos, el hidrogeno y los silicones son veneno para este tipo de termopares. Sus precios, comparando con los demás termopares discutidos son mas altos y si fem. pequeños por lo que la aplicación de este tipo de termopares esta restringida a altas temperaturas. Tungsteno - Tungsteno y Renio Este tipo de termopares es recomendado para las mismas temperatura, que los de tungsteno - renio. La diferencia esta en que provee 3 veces potencia termoeléctrica 1650°C.   Calibración de Termopar

Frecuentemente se tiene que seleccionar un determinado tipo de termopar que seleccionar un determinado tipo de termopar de acuerdo con las necesidades de medición y control de temperatura. La selección, por supuesto, esta basada en varios factores, tales como el rango de temperatura de operación, exactitud requerida, respuesta térmica elevada de fem. y el medio ambiente en que el termopar va a ser instalado. LIMITE DE TEMPERATURAS PARA TERMOPAR

Tipo de Termopar Temperatura   Temperatura Máxima  

  Mínima CAL CAL CAL CAL

Tipo T, Cobre - Constantán

Tipo J, Fierro - Constantán

Tipo E, Cromel - Constantán

Tipo K, Cromel- Alumel

Tipo R y S, Platino - Platino 13% o 10% Radio

Platino 30% (Radio 6% - Platino)

Iridio 40%, 60% Radio - Iridio

Tungsteno - Renio

Tungsteno - Tungsteno (26% Renio)

-185

-17

-185

-17

-17

-17

-17

-17

-17

760

870

1260

590

650

1100

260

480

535

980

205

370

425

870

1480

1760

1980

2200

2310

                 Cables de Extensión El cable de extensión esta constituido generalmente de 2 conductores y esta provisto con una clase de aislante de acuerdo con las condiciones de servicio particulares. Evidentemente en lugar de los cables de extensión que podrían usar los mismos alambres de los cuales consisten los termopares, sin embargo, no seria económico hacerlo ya que por ejemplo: En el caso de los termopares platino - platino radio el costo de los mismos es elevado por lo cual se usan otros metales para construir los cables de extensión que tienen propiedades termoeléctricas iguales o semejantes al de los termopares originales su objetivo; es extender el termopar hasta la junta de referencia del instrumento.

Tipo de Termopar   Cable de Extensión  

    Positivo Negativo

J JX Cobre Constantán

T TX Hierro Constantán

  KX Cromel Alumel

K VX Cobre Constantán

  WX Hierro  

R, S SX Cobre Aleación especial de Cobre - Níquel

           

 

Tipo de Termopar

Cable de extensión

PoloPositivo

PoloSensitivo

EnvolturaExterior

T TX AZUL ROJO AZUL

J JX BLANCO ROJO NEGRO

F FX AMARILLO ROJO AMARILLO

K KX CAFÉ ROJO ROJO

W WX VERDE ROJO BLANCO

R, S SX NEGRO ROJO VERDE

Pirómetros de Radiación Hasta ahora se ha visto instrumentos que miden la temperatura por calentamiento directo el elemento medidor, los pirómetros de radiación no necesitan estar en contacto intimo con el objeto caliente, el instrumento propiamente dicho es igual al potenciómetro al balance continuo, pero en vez de termopar se usa una termopila. Este aparato utiliza la ley de Stephan Voltzmann de energía radiante lo cual establece que la superficie de un cuerpo es proporcional a la 4ta potencia de su temperatura absoluta: QB=KT4 QB = Energía emitida por un cuerpo T= Temperatura absoluta (°K) K= Constante de Stephan Voltzmann = 4.92x10 Kcal/m2 Aprovechando esta ley, se construyo un aparato que consta de una lente que recoge radiante y la conserva sobre una termopila colocada en el foco de la lente (cóncava); generando así una fem. que es medida con un potenciómetro de balance continuo. Este tipo de aparatos es muy usual en hornos y en la industria metalúrgica donde se mueven lingotes, placas o biletes a temperaturas elevadas la termopila es un grupo de pequeños termopares conectados en serie, cuyas juntas calientes son aplastadas y ennegrecidas, colocadas casi juntas en el centro de un disco como se muestra en la figura. Para compensar los efectos de la variación de temperatura en la termopila, se agrega una resistencia de níquel en paralelo a la salida la cual aumenta o disminuye la fem. producida, compensando dicha variación.   Pirómetro Optico Cuando la energía radiante es a la vez luminosa, como sucede con las flamas y los metales fundidos se utiliza un pirómetro óptico, cuyo principio se basa en la variación de la resistencia de una fotocelda al variar la intensidad de la luz a la que esta expuesta. Este instrumento tiene 2 Fotoceldas conectadas en un circuito electrónico y el galvanómetro es sustituido por un bulbo. Una fotocelda es expuesta al cuerpo caliente y la otra a una fuente luminosa, normalmente una lampara de filamento de carbón. Al recibir la primera fotocelda el choque de la luz cambia su resistencia de acuerdo a la intensidad de dicha luz variando la corriente de placa del bulbo, Esto hace que aumente o disminuya la corriente de la lampara que ilumina la segunda fotocelda, llevándola inmediatamente en equilibrio con la fotocelda expuesta al objeto caliente. Normalmente se usan filtros para disminuir los efectos de los gases o vapores interpuestos entre el objeto caliente y el instrumento. Aprovechando esta ley, se construyo un aparato que consta de una lente que recoge radiante y la conserva sobre una termopila colocad en el foco de la lente; (cóncava) generando así una fem. que es medida con un potenciómetro de balance continuo. Este tipo de aparatos es muy usual en hornos y en la industria metalúrgica donde se mueven lingotes, placas o biletes a temperaturas elevadas, la termopila es un grupo de pequeños termopares conectados en serie, cuyo juntas calientes son aplastadas y ennegrecidas, colocadas casi juntas en el centro de un disco como se muestra en la siguiente figura.  

Para compensar los efectos de la variación de temperatura en la termopila, se agrega una resistencia de níquel en paralelo a la salida la cual aumenta o disminuye la fem. producida, compensando dicha variación. Termoposo Es muy importante que el termopar no toque la pared del termoposo.   CRITERIOS QUE SE DEBEN TOMAR PARA LA ELECCION DEL TERMOPOSO

Que sea resistente a la temperatura. Acción de gases oxidantes y reductores. Que contengan una conductividad térmica muy alta para hacer una transferencia de

energía rápida. Resistente a los cambios bruscos de temperatura. Resistente a los esfuerzos mecánicos. Resistente a la corrosión de vapores ácidos.

  MATERIAL DE TERMOPOSOS Hierro Fundido - Dulce y Acero Es de reemplazo económico, no justifica la compra de otro. No es muy bueno para atmósferas oxido - reductoras. Hierro - Cromo Resistente a altas temperaturas y ambientes oxidantes, también se puede usar con ambiente con azufre. Hierro Cromo - Níquel Es muy resistente a altas temperaturas y ambientes oxidantes, no acepta al azufre. Acero Inoxidable 304-316 Resistente a la corrosión química, a altas temperaturas y ambiente con amoniaco. Existen termoposos de vidrio cuando no se aceptan aceros inoxidables, se pueden recubrir con PVC, Tantalio para resistir la corrosión y otros factores. El vidrio se emplea en atmósferas de benceno, amoniaco, etc.

  Escalas de temperatura aplicables

  Exactitud aproximada

  Respuesta    

Dispositivo °F °C °F °C transitorios Costo Notas

Termómetro de liquido en vidrio

             

a. Alcohol -90 a 150 -70 a 65 ± 1 ± 0.5 Mala Bajo Usados como termómetros baratos para temperaturas bajas.

b. Mercurio -35 a 600 -40 a 300 ± 0.5 ± 0.25 Mala Variable Exactitud de ± 0.1°F (0.05°C que puede obtenerse con termómetros calibrados especialmente.

c. Mercurio lleno con gas -35 a 1000 -40 a 550 ± 0.5 ± 0.25 Mala Variable Exactitud de ± 0.1°F (0.05°C que puede obtenerse con termómetros calibrados especialmente.

Termómetro de expansión de fluido

             

a. Liquido o gas -150 a 1000

-100 a 550

± 2 ± 1 Mala Bajo Ampliamente usados en las mediciones industriales de temperatura.

b. Presión de vapor 20 a 400 -4 a 200 ± 2 ± 1 Mala Bajo  

Cinta bimetálica -100 a 1000

-70 a 550 ± 0.5 ± 0.25 Mala Bajo Ampliamente usados como dispositivos simples de medición de temperatura

Termómetro de resistencia eléctrica

-300 a 1800

-180 a 1000

± 0.005

± 0.0025

De regular a bueno

Caro El mas exacto de todos los métodos

Termistor -100 a 500 -70 a 250 ± 0.02 ± 0.01 Muy bueno Bajo Util para los circuitos compensadores de temperatura; las cuentas termistores pueden obtenerse en tamaños muy pequeños.

TermoparCobre - Constantán

-300 a 650 -180 a 350

± 0.5 ± 0.25 Buena Bajo  

TermoparHierro - Constantán

-300 a 1200

-180 a 650

± 0.5 ± 0.25 Buena Bajo Superior en atmósferas reductoras

TermoparCromel - Alumel

-300 a 2200

-180 a 1200

± 0.5 ± 0.25 Buena Bajo Resistente a la oxidación a temperaturas altas

TermoparPlatino - Platino con 10% de sodio

0 a 3000 -15 a 1650

± 0.5 ± 0.25 Buena Alto Salida baja; el mas resistente a la oxidación a temperaturas altas

Pirómetro óptico 1200 más 650 más ± 20 ± 10 Mala Medio Ampliamente usado en medición de temperaturas en hornos industriales.

Pirómetros de radiación 0 más -15 más ± 0.5 °C bajos alcances, 2.5 a 10°C a alta

  Buena Medio a alto

Aplicaciones en aumento como resultado de los nuevos dispositivos de alta precisión que están en continuo desarrollo