INSTRUMENTACION 1

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Instrumentación.

Una de los principales componentes de un sistema de automatización de procesosindustriales, es la instrumentación pues sus elementos indican el estado en que seencuentran las variables asociadas a este sistema.Sin una instrumentación adecuada y confiable no puede existir un buen control.

1.1 Objetivos.

• Interpretar las características estáticas y dinámicas de los instrumentos demedición y control.

• Identificar los instrumentos, de acuerdo a su clase y su código de identificación,en diagramas y planos de instrumentación y proceso.

• Conocer el principio de funcionamiento de los sensores de uso más generalizado,en las plantas industriales.

• Manejar ventajas y desventajas, rangos de medición, estabilidad, condiciones deoperación, seguridad, etcétera, de cada uno de los sensores.

• Conocer la función de la etapa transmisora, dentro de un sistema de medición y/ocontrol y los valores de las señales estandarizados de medición.

• Identificar y describir el principio de funcionamiento de distintos equipos deactuación, de uso más generalizado en la industria.

1.2 CARACTERISTICAS, CLASES Y CODIGO DE INSTRUMENTOS

a) Características Sensor/Transmisor

El sensor obedece, al igual que los procesos, a los principios de conservación y por lotanto puede considerarse como un subsistema. La entrada a este subsistema será lavariable a medir y la salida será la señal sensada. Al igual que un proceso cualquiera, unsensor presenta características estáticas y dinámicas.

b) Características Estáticas

El comportamiento estático deun sensor/transmisor estárelacionado con el valor de suseñal de salida, una vez queésta se haya establecido, esdecir pasado su respuestatransciente.

En otras palabras, es necesarioesperar un instante de tiempo,característico de cada sensor,para tener la lectura real de lavariable física sensada.

Sensor

VVaarriiaabbllee ffííssiiccaa

RReessppuueessttaa ddeell sseennssoorr

Seña

l Med

ida

tto

Zona Estática

Seña

l a M

edir

tto

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• Campo de Medida (rango).Espectro o conjunto de valores de la variable medida que está comprendido dentro delos límites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión delinstrumento; viene expresado estableciendo los dos valores extremos.

• Alcance (span).Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del rango delinstrumento. Un Span muy pequeño significa una alta sensibilidad lo que puedegenerar un comportamiento inestable. Un Span muy grande le quita sensibilidad a lamedición.

• Precisión(accuracy).Todo sistema sensor responde a un principio físico, químico o biológico que permite sufuncionamiento. Por ende, todo sistema sensor tendrá limitaciones que seráninherentes a sus principios. Una de tales limitaciones es la precisión, que regula elmargen de imprecisión instrumental. Por ejemplo, dado un sistema de medición detemperatura, de precisión 0,05 ºC, cuando su lectura fuese de 37,2ºC significa que latemperatura del ambiente medido está entre 37,15 y 37,25 ºC. Habitualmente, laprecisión se expresa como porcentaje de la escala completa. Por ejemplo, untermómetro cuyo tope de escala fuese 100ºC y de precisión 0,5% significa que todalectura de T ºC estará sujeta a una imprecisión de 0,5ºC (si se mide 37,2ºC, latemperatura estará entre 36,7 y 37,7 ºC).

• Error.Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y elvalor real de la variable medida. Existen los llamados error estático y error dinámico.

• Zona Muerta.Es el rango de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal desalida del instrumento, es decir, que no produce su respuesta. Viene dada en % delspan.

• Sensibilidad.Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que loocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. Por ejemplo, si untransmisor electrónico de 0-10 bar, la presión pasa de 5 a 5.5 bar y la señal de salidade 11.9 a 12.3 mA c.c., la sensibilidad es de ±0.8 mA./bar.

• Repetitividad.Capacidad de reproducción de las posiciones del índice del instrumento, al medirrepetidamente valores idénticos de la variable, en las mismas condiciones de servicioy en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el rango.

• Histéresis.Fenómeno que experimentan todos los instrumentos, debido al roce o a efectoselectromagnéticos. La histéresis está especificada por el fabricante como unporcentaje del span.

• Resolución.Expresa la posibilidad de discriminar entre valores, debido a las graduaciones delinstrumento. Se suele hablar de número de dígitos para indicadores numéricosdigitales. La resolución está en directa relación a la escala del instrumento.

• Estabilidad.Capacidad de un instrumento para mantener su comportamiento durante su vida útily de almacenamiento especificadas.

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c) Características Dinámicas

Todo instrumento de medición presenta un comportamiento dinámico ante la presenciade la variable física que está siendo aplicada a su entrada. Esto se traduce en un tiempode espera, característico de cada sensor, dentro del cual la salida evoluciona hasta llegara su estado estacionario.La forma en que se comporta el instrumento durante este tiempo se denominacaracterística dinámica.

Normalmente la dinámica del proceso es lenta en comparación a la dinámica de losinstrumentos de medición, de tal manera que estos últimos pueden considerarse comoinstantáneos y por lo tanto la función de transferencia del sensor está dada por lasensibilidad y es una constante.

Sin embargo, hay situaciones en las cuales la dinámica asociada al sensor/transmisor nopuede ser despreciada pues es comparable a la dinámica del proceso que se pretendemedir. Esto es especialmente aplicable a sensores térmicos y cromatográficos.Un modelo ampliamente utilizado para representar la dinámica de un sensor es:

Donde:td : Tiempo muertotm : Constante de tiempo del sensorKT : Ganancia estática

En alguno casos es necesario utilizar modelos más complejos de 2o orden y en casos muyespeciales es necesario modelar la respuesta del sensor por un modelo de 2o ordensubamortiguado.Supongamos que la señal que deseamos medir cambia bruscamente de un valorestacionario S1 a otro valor estacionario S2, como se indica en la figura1(a). La respuestadel instrumento en general será de la forma especificada en la figura1(b). Se puedenapreciar dos etapas: primero hay un tiempo de demora en la respuesta del instrumento y

Seña

l Med

ida

tto

ZonaDinámica

Seña

l a M

edir

tto

gm(s)= Kt

gm

( )K

T

td

ms 1

se

s

=

−

+τ

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luego una evolución gradual hacia el valor estacionario, correspondiente a la nueva señalS2. La demora se conoce como retardo puro o tiempo muerto y el tramo siguiente es laetapa debido a los efectos de la inercia del instrumento.

Figura 1: Respuesta dinámica de un sensor/transmisor

1.3 Clases de Instrumentos

Los instrumentos de medición y control son relativamente complejos y su función puedecomprenderse bien si están incluidos dentro de una calificación adecuada. Como eslógico pueden existir varias formas para clasificar los instrumentos, cada una de ellascon sus propias ventajas y limitaciones.Se consideran dos clasificaciones básicas :

a) En Función del Instrumento

• Instrumentos Ciegos:Son aquellos que no tienen indicación visible de lavariable. Hay que hacer notar que son ciegos los instrumentos de alarma, talescomo presostatos y termostatos (interruptores de presión y temperaturarespectivamente) que poseen una escala exterior con un índice de selección de lavariable, ya que sólo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador alcruzar la variable el valor seleccionado. Son también instrumentos ciegos, lostransmisores de caudal, presión, nivel y temperatura sin indicación.

• Instrumentos Indicadores: Disponen de un índice y de una escala graduada enla que puede leerse el valor de la variable. Existen también indicadores digitalesque muestran la variable en forma numérica con dígitos.

• Instrumentos Registradores: Registran con trazo continuo o a puntos lavariable, y pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado según sea laforma del gráfico.

• Los registradores de gráfico circular suelen tener el gráfico de 1 revolución en 24horas mientras que en los de gráfico rectangular la velocidad normal del gráfico esde unos 20 mm/hora.

•• Elementos Primarios: Están en contacto con la variable y utilizan o absorbenenergía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación, enrespuesta a la variación de la variable controlada. El efecto producido por elelemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medidaeléctrica, etcétera. Por ejemplo: en los elementos primarios de temperatura debulbo y capilar, el efecto es la variación de presión del fluido que los llena y en losde termopar se presenta una variación de fuerza electromotríz.

Señ

al a

Med

ir

ttotto

Señ

al M

edid

a

S1

S2

(a) (b)

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• Transmisores: Captan la variable de proceso a través del elemento primario y latransmiten a distancia en forma de señal neumática de rango 3 a 15 psi (libras porpulgada cuadrada) o eléctrica de 4 a 20 mA de corriente continua. La señalneumática de 3 a 15 psi equivale a 0,21-1,05 kg/cm2, por lo cual a veces seemplea la señal en unidades métricas 0,2 a 1 kg/cm2. Asimismo, se empleanseñales eléctricas de 1 a 5 mA c.c. y de 10 a 20 mA c.c.

• Transductores: Reciben una señal de entrada en función de una o máscantidades físicas y la convierten, modificada o no, a una señal de salida. Sontransductores: un relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/ I(presión de proceso a intensidad), etcétera.

• Convertidores: Son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3-15psi) o eléctrica (4-20 mA c.c.) procedente de un instrumento y después demodificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar.

• Ejemplo: un convertidor P/I (señal de entrada neumática a señal de salidaeléctrica), un convertidor I/P (señal de entrada eléctrica a señal de salidaneumática).

• Receptores: Reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican oregistran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada alos valores ya indicados 3-15 psi en señal neumática, 4-20 mA c.c. en señaleléctrica, que actúan sobre el elemento final de control.

• Controladores: Comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura)con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con ladesviación. La variable controlada la pueden recibir directamente, comocontroladores locales o bien indirectamente en forma de señal neumática oeléctrica, procedente de un transmisor.

• Elemento final de control:Recibe la señal del controlador y modifica el caudaldel fluido o agente de control. En el control neumático, el elemento suele ser unaválvula neumática o un servomotor neumático que efectúan su carrera completade 3 a 15 psi (0.2-1 kg/cm2). En el control eléctrico, la válvula o el servomotoranteriores son accionados a través de un convertidor de intensidad a presión.

•• En el control eléctrico y en particular en regulación de temperatura de hornospueden utilizarse rectificadores de silicio (tiristores). Estos se comportanesencialmente como bobinas de impedancia variable y varían la corriente dealimentación de las resistencias del horno, en la misma forma en que una válvulade control cambia el caudal de fluido en una tubería.

b) En Función de la Variable de Proceso

De acuerdo con la variable del proceso, los instrumentos se dividen de acuerdo a lavariable física a medir, como ejemplos se presentan los siguientes instrumentos de:

• Caudal• Nivel• Presión• Temperatura• Densidad• Peso Específico

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• Velocidad• pH•• Conductividad

1.4 Código de Identificación de Instrumentos

El objetivo de utilizar una simbología en los flujogramas de proceso es para dar unainformación practica sobre el tipo y función de cada instrumento utilizado en la aplicación.Para designar y representar los instrumentos de medición y control se emplean normasmuy variadas que a veces varían de industria en industria.La simbología más utilizada hoy en día y aceptada en todo el mundo, con ligerasvariantes, es la que sigue el criterio dado por la ISA (Instrument Society of América),cuyas normas tienen como objetivo establecer códigos y símbolos de aplicación, en laárea industrial.A continuación se resumen las normas ISA-S5.1-84 sobre instrumentación de medición ycontrol.Se dividirá esta sección en dos partes: En primer lugar se presentarán los símbolos en simismo, para después discutir una Codificación Alfanumérica para indicar la laborespecifica que realiza el instrumento.

a) Simbología de Instrumentación según Norma ISA-S5.1-84.

A continuación se indican los símbolos que se emplean en los planos y dibujos derepresentación de instrumentos de procesos industriales.

El tipo de alimentación de instrumentación se suele abreviar como sigue:AS Alimentación de aireES Alimentación EléctricaHS Alimentación HidráulicaWA Alimentación de agua

T R C 2 A(2a) (3a) Sufijo (opcional)

1a Letra Letras siguientesIdentificación del Lazo de Control(Asociado a área o equipo)

Identificación Funcional

1. Conexión a proceso o en lace m ecán ico, o alim en tación de in stru m ento s

2. Señal neum ática o señ al sin def in ir en una línea de proceso

3. Señal e léc tr icaproceso. in strum ento s4. T ubo capilarproceso. in strum ento s5. Señal hidráu lica

6. Señal e lec trom agn ética o són ica ( sin hilo n i tubo )

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SIMBOLOGIA SIGNIFICADO

Montaje Local

Montaje en Panel 1

Montaje Detrás del Panel

CIRCULOS PARA UNA VARIABLE MEDIDA CON CUALQUIER NUMERO DE FUNCIONES

Montaje Local

Montaje en Panel

Montaje Detrás de Panel Auxiliar

CIRCULOS PARA DOS VARIABLES MEDIDAS. OPCIONALMENTE INSTRUMENTO CON MAS DE UNA FUNCION.PUEDEN AÑADIRSE CIRCULOS ADICIONALES SI SE PRECISAN.

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Para establecer la exacta naturaleza de la función de cada dispositivo se suele utilizar uncódigo de letras. Una identificación representativa es como sigue:

Tag Number: Clave de identificación del instrumento. Incluye funcionalidad, área a laque pertenece y correlativo de área.

1a Letra• Variable medida o de iniciación• Modificante

Cualquier letra primera si se utiliza con letras de modificación D, F u otra cambia susignificado para representar una nueva variable medida. Por ejemplo los instrumentosTDI y TI miden dos variables distintas: la temperatura diferencial y la temperaturarespectivamente.

Letras siguientes• Función pasiva o de presentación de datos• Función de salida• Modificante

LETRAS DE IDENTIFICACION DE INSTRUMENTOS

T R C 2 A(2a) (3a) Sufijo (opcional)

1a Letra Letras siguientesIdentificación del Lazo de Control(Asociado a área o equipo)

Identificación Funcional

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Se muestra a continuación algunas de las letras de identificación utilizadas en planos deinstrumentación y control.

ANALISIS (A)

CONDUCTIVIDAD (C)

LetraPRIMERA LETRA

ACTUACION O VARIABLEDE PROCESO

SEGUNDA LETRATIPO DE LECTURAU OTRA FUNCION

TERCERA LETRADEBAJO FUNCION

ADICIONAL

A Análisis (Composición) Alarama incluyeInter-look y Emerg.

Alarma

B Llama Libre LibreC Conductividad Regulación (ON-OFF)D Densidad o Peso específico

E Fuerza eléctrica (fem) Elemento detectorElemento primario

F Caudal

JControlador de tiempo desistema de enclavamiento

GVidrio sin medidaVidrio de nivel

H Manual Alarma de altaI Indicación ( Indicador)

1 AA Analysis Alarm2 AA H Analysis Alarm High3 AA HH Analysis Alarm High High4 AA L Analysis Alarm Low5 AA LL Analysis Alarm Low Low6 AC Analysis Controller7 ACV Analysis Control Valve8 AE Analysis Element9 AI Analysis Indicator10 AIC Analysis Indicating Controller11 AICV Analysis Indicating Control Valve12 AIT Analysis Indicating Transmitter13 AQ Analysis Integrator or Totalizator14 AR Analysis Recorder15 ARA Analysis Recording Alarm16 ARC Analysis Recording Controller17 ARCA Analysis Recording Controller Alarm18 AS Analysis Switch19 AS H Analysis Switch High20 AS L Analysis Switch Low21 AT Analysis Transmitter22 AX Analysis Operation

1 C A C o n d u c t iv it y A la rm2 C A H C o n d u c t iv it y A la rm H ig h3 C A H H C o n d u c t iv it y A la rm H ig h H ig h4 C A L C o n d u c t iv it y A la rm L o w5 C A L L C o n d u c t iv it y A la rm L o w L o w6 C C C o n d u c t iv it y C o n t r o l le r7 C C V C o n d u c t iv it y C o n t r o l V a lv e8 C E C o n d u c t iv it y E le m e n t9 C I C o n d u c t iv it y I n d ic a to r

1 0 C IC C o n d u c t iv it y I n d ic a t in g C o n t r o l le r1 1 C IC V C o n d u c t iv it y I n d ic a t in g C o n t r o l V a lv e1 2 C IT C o n d u c t iv it y I n d ic a t in g T r a n s m it te r1 3 C Q C o n d u c t iv it y I n te g r a to r o r T o ta l iz a to r1 4 C R C o n d u c t iv it y R e c o r d e r1 5 C R A C o n d u c t iv it y R e c o r d in g A la rm1 6 C R C C o n d u c t iv it y R e c o r d in g C o n t r o l le r1 7 C R C A C o n d u c t iv it y R e c o r d in g C o n t r o l le r A la rm1 8 C S C o n d u c t iv it y S w it c h1 9 C S H C o n d u c t iv it y S w it c h H ig h2 0 C S L C o n d u c t iv it y S w it c h L o w2 1 C T C o n d u c t iv it y T r a n s m it te r2 2 C X C o n d u c t iv it y O p e r a t io n

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CAUDAL (F)

MANUAL (H)

TIEMPO (K)

NIVEL (L)

1 F A F l o w A l a r m2 F A H F l o w A l a r m H i g h3 F A H H F l o w A l a r m H i g h H i g h4 F A L F l o w A l a r m L o w5 F A L L F l o w A l a r m L o w L o w6 F C F l o w C o n t r o l l e r7 F C V F l o w C o n t r o l l e r V a l v e8 F E F l o w E l e m e n t9 F I F l o w I n d i c a t o r

1 0 F I C F l o w I n d i c a t i n g C o n t r o l l e r1 1 F I C V F l o w I n d i c a t i n g C o n t r o l V a l v e1 2 F I T F l o w I n d i c a t i n g T r a n s m i t t e r1 3 F Q F l o w I n t e g r a t o r o r T o t a l i z a t o r1 4 F R F l o w R e c o r d e r1 5 F R A F l o w R e c o r d i n g A l a r m1 6 F R C F l o w R e c o r d i n g C o n t r o l l e r1 7 F R C A F l o w R e c o r d i n g C o n t r o l l e r A l a r m1 8 F S F l o w S w i t c h1 9 F S H F l o w S w i t c h H i g h2 0 F S L F l o w S w i t c h L o w2 1 F T F l o w T r a n s m i t t e r2 2 F X F l o w O p e r a t

1 HC Hand Controller2 HCV Hand Control Valve3 HIC Manual Indicating Controller Station4 HS Hand Activated Switch

1 K A T i m e A l a r m2 K A H T i m e A l a r m H i g h3 K A H H T i m e A l a r m H i g h H i g h4 K A L T i m e A l a r m L o w5 K A L L T i m e A l a r m L o w L o w6 K C P r o g r a m C o n t r o l l e r7 K C V I n t e r l o c k e d C o n t r o l V a l v e8 K E T i m e E l e m e n t9 K I C l o c k

1 0 K I C T i m e I n d i c a t i n g C o n t r o l l e r1 1 K I C V T i m e I n d i c a t i n g C o n t r o l V a l v e1 2 K I T T i m e I n d i c a t i n g T r a n s m i t t e r1 3 K Q T i m e I n t e g r a t o r o r T o t a l i z a t o r1 4 K R T i m e o r O p e r a t i o n R e c o r d e r1 5 K R A T i m e o r O p e r a t i o n R e c o r d i n g A l a r m1 6 K R C T i m e R e c o r d i n g C o n t r o l l e r1 7 K R C A T i m e R e c o r d i n g C o n t r o l l e r A l a r m1 8 K S T i m e S w i t c h o r T i m e r1 9 K S H T i m e S w i t c h H i g h2 0 K S L T i m e S w i t c h L o w2 1 K T T i m e T r a n s m i t t e r2 2 K X O p e r a t i o n C o u n t e r

1 L A L e v e l A l a r m2 L A H L e v e l A l a r m H i g h3 L A H H L e v e l A l a r m H i g h H i g h4 L A L L e v e l A l a r m L o w5 L A L L L e v e l A l a r m L o w L o w6 L C L e v e l C o n t r o l l e r7 L C V L e v e l C o n t r o l V a l v e8 L E L e v e l E l e m e n t9 L I L e v e l I n d i c a t o r

1 0 L I C L e v e l I n d i c a t i n g C o n t r o l l e r1 1 L I C V L e v e l I n d i c a t i n g C o n t r o l V a l v e1 2 L I T L e v e l I n d i c a t i n g T r a n s m i t t e r1 3 L Q L e v e l I n t e g r a t o r o r T o t a l i z a t o r1 4 L R L e v e l R e c o r d e r1 5 L R A L e v e l R e c o r d i n g A l a r m1 6 L R C L e v e l R e c o r d i n g C o n t r o l l e r1 7 L R C A L e v e l R e c o r d i n g C o n t r o l l e r A l a r m1 8 L S L e v e l S w i t c h1 9 L S H L e v e l S w i t c h H i g h2 0 L S L L e v e l S w i t c h L o w2 1 L T L e v e l T r a n s m i t t e r2 2 L X L e v e l O p e r a t i o n

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HUMEDAD (M)

VELOCIDAD (S)

PRESION (P)

1 M A H u m i d i t y A l a r m2 M A H H u m i d i t y A l a r m H i g h3 M A H H H u m i d i t y A l a r m H i g h H i g h4 M A L H u m i d i t y A l a r m L o w5 M A L L H u m i d i t y A l a r m L o w L o w6 M C H u m i d i t y C o n t r o l l e r7 M C V H u m i d i t y C o n t r o l V a l v e8 M E H u m i d i t y E l e m e n t9 M I H u m i d i t y I n d i c a t o r

1 0 M I C H u m i d i t y I n d i c a t i n g C o n t r o l l e r1 1 M I C V H u m i d i t y I n d i c a t i n g C o n t r o l V a l v e1 2 M I T H u m i d i t y I n d i c a t i n g T r a n s m i t t e r1 3 M Q H u m i d i t y I n t e g r a t o r o r T o t a l i z a t o r1 4 M R H u m i d i t y R e c o r d e r1 5 M R A H u m i d i t y R e c o r d i n g A l a r m1 6 M R C H u m i d i t y R e c o r d i n g C o n t r o l l e r1 7 M R C A H u m i d i t y R e c o r d i n g C o n t r o l l e r A l a r m1 8 M S H u m i d i t y S w i t c h1 9 M S H H u m i d i t y S w i t c h H i g h2 0 M S L H u m i d i t y S w i t c h L o w2 1 M T H u m i d i t y T r a n s m i t t e r2 2 M X H u m i d i t y O p e r a t i o n

1 S A S p e e d A l a r m2 S A H S p e e d A l a r m H i g h3 S A H H S p e e d A l a r m H i g h H i g h4 S A L S p e e d A l a r m L o w5 S A L L S p e e d A l a r m L o w L o w6 S C S p e e d C o n t r o l l e r7 S E S p e e d E l e m e n t8 S I S p e e d I n d i c a t o r9 S I C S p e e d I n d i c a t i n g C o n t r o l l e r

1 0 S I C V S p e e d I n d i c a t i n g C o n t r o l V a l v e1 1 S I T S p e e d I n d i c a t i n g T r a n s m i t t e r1 2 S Q S p e e d I n t e g r a t o r o r T o t a l i z a t o r1 3 S R S p e e d R e c o r d e r1 4 S R A S p e e d R e c o r d i n g A l a r m1 5 S R C S p e e d R e c o r d i n g C o n t r o l l e r1 6 S R C A S p e e d R e c o r d i n g C o n t r o l l e r A l a r m1 7 S S S p e e d S w i t c h1 8 S S H S p e e d S w i t c h H i g h1 9 S S L S p e e d S w i t c h L o w2 0 S S V S p e e d C o n t r o l V a l v e2 1 S T S p e e d T r a n s m i t t e r2 2 S X S p e e d O p e r a t i o n

1 P A P r e s s u r e A l a r m2 P A H P r e s s u r e A l a r m H i g h3 P A H H P r e s s u r e A l a r m H i g h H i g h4 P A L P r e s s u r e A l a r m L o w5 P A L L P r e s s u r e A l a r m L o w L o w6 P C P r e s s u r e C o n t r o l l e r7 P C V P r e s s u r e C o n t r o l V a l v e8 P E P r e s s u r e E l e m e n t9 P I P r e s s u r e I n d i c a t o r

1 0 P I C P r e s s u r e I n d i c a t i n g C o n t r o l l e r1 1 P I C V P r e s s u r e I n d i c a t i n g C o n t r o l V a l v e1 2 P I T P r e s s u r e I n d i c a t i n g T r a n s m i t t e r1 3 P Q P r e s s u r e I n t e g r a t o r o r T o t a l i z a t o r1 4 P R P r e s s u r e R e c o r d e r1 5 P R A P r e s s u r e R e c o r d i n g A l a r m1 6 P R C P r e s s u r e R e c o r d i n g C o n t r o l l e r1 7 P R C A P r e s s u r e R e c o r d i n g C o n t r o l l e r A l a r m1 8 P S P r e s s u r e S w i t c h1 9 P S H P r e s s u r e S w i t c h H i g h2 0 P S L P r e s s u r e S w i t c h L o w2 1 P T P r e s s u r e T r a n s m i t t e r2 2 P X P r e s s u r e O p e r a t i o n

12

PESO O FUERZA (W)

TEMPERATURA (T)

POSICION (Z)

1 W A W e i g h t A l a r m2 W A H W e i g h t A l a r m H i g h3 W A H H W e i g h t A l a r m H i g h H i g h4 W A L W e i g h t A l a r m L o w5 W A L L W e i g h t A l a r m L o w L o w6 W C W e i g h t C o n t r o l l e r7 W C V W e i g h t C o n t r o l V a l v e8 W E W e i g h t E l e m e n t9 W I W e i g h t I n d i c a t o r

1 0 W I C W e i g h t I n d i c a t i n g C o n t r o l l e r1 1 W I C V W e i g h t I n d i c a t i n g C o n t r o l V a l v e1 2 W I T W e i g h t I n d i c a t i n g T r a n s m i t t e r1 3 W Q W e i g h t I n t e g r a t o r o r T o t a l i z a t o r1 4 W R W e i g h t R e c o r d e r1 5 W R A W e i g h t R e c o r d i n g A l a r m1 6 W R C W e i g h t R e c o r d i n g C o n t r o l l e r1 7 W R C A W e i g h t R e c o r d i n g C o n t r o l l e r A l a r m1 8 W S W e i g h t S w i t c h1 9 W S H W e i g h t S w i t c h H i g h2 0 W S L W e i g h t S w i t c h L o w2 1 W T W e i g h t T r a n s m i t t e r2 2 W X W e i g h t O p e r a t i o n

1 T A T e m p e r a t u r e A l a r m2 T A H T e m p e r a t u r e A l a r m H i g h3 T A H H T e m p e r a t u r e A l a r m H i g h H i g h4 T A L T e m p e r a t u r e A l a r m L o w5 T A L L T e m p e r a t u r e A l a r m L o w L o w6 T C T e m p e r a t u r e C o n t r o l l e r7 T C V T e m p e r a t u r e C o n t r o l V a l v e8 T E T e m p e r a t u r e E l e m e n t9 T I T e m p e r a t u r e I n d i c a t o r

1 0 T I C T e m p e r a t u r e I n d i c a t i n g C o n t r o l l e r1 1 T I C V T e m p e r a t u r e I n d i c a t i n g C o n t r o l V a l v e1 2 T I T T e m p e r a t u r e I n d i c a t i n g T r a n s m i t t e r1 3 T Q T e m p e r a t u r e I n t e g r a t o r o r T o t a l i z a t o r1 4 T R T e m p e r a t u r e R e c o r d e r1 5 T R A T e m p e r a t u r e R e c o r d i n g A l a r m1 6 T R C T e m p e r a t u r e R e c o r d i n g C o n t r o l l e r1 7 T R C A T e m p e r a t u r e R e c o r d i n g C o n t r o l l e r A l a r m1 8 T S T e m p e r a t u r e S w i t c h1 9 T S H T e m p e r a t u r e S w i t c h H i g h2 0 T S L T e m p e r a t u r e S w i t c h L o w2 1 T T T e m p e r a t u r e T r a n s m i t t e r2 2 T X T e m p e r a t u r e O p e r a t i o n

1 Z A P o s i t i o n A l a r m2 Z A H P o s i t i o n A l a r m H i g h3 Z A H H P o s i t i o n A l a r m H i g h H i g h4 Z A L P o s i t i o n A l a r m L o w5 Z A L L P o s i t i o n A l a r m L o w L o w6 Z C P o s i t i o n C o n t r o l l e r7 Z C V P o s i t i o n C o n t r o l V a l v e8 Z E P o s i t i o n E l e m e n t9 Z I P o s i t i o n I n d i c a t o r

1 0 Z I C P o s i t i o n I n d i c a t i n g C o n t r o l l e r1 1 Z I C V P o s i t i o n I n d i c a t i n g C o n t r o l V a l v e1 2 Z I T P o s i t i o n I n d i c a t i n g T r a n s m i t t e r1 3 Z Q P o s i t i o n I n t e g r a t o r o r T o t a l i z a t o r1 4 Z R P o s i t i o n R e c o r d e r1 5 Z R A P o s i t i o n R e c o r d i n g A l a r m1 6 Z R C P o s i t i o n R e c o r d i n g C o n t r o l l e r1 7 Z R C A P o s i t i o n R e c o r d i n g C o n t r o l l e r A l a r m1 8 Z S P o s i t i o n S w i t c h1 9 Z S H P o s i t i o n S w i t c h H i g h2 0 Z S L P o s i t i o n S w i t c h L o w2 1 Z T P o s i t i o n T r a n s m i t t e r2 2 Z X P o s i t i o n O p e r a t i o n

13

Nota:• La letra X puede emplearse en las designaciones no indicadas que se utilicen solo

una vez o un número limitado de veces. Se recomienda que su significado figureen el exterior del círculo de identificación del instrumento. Ejemplo: XR-3registrador de vibraciones.

• En la letra A para análisis, es conveniente definir el tipo de análisis al lado delsímbolo en el diagrama de proceso.

• Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra Y se definirán en elexterior del símbolo del instrumento cuando sea necesario. Por ejemplo podría Ysignificar una operación de ráiz cuadrada aplicada sobre la variable indicada en laprimera posición del código.

• PSV, válvula de seguridad de presión. Se utiliza en reemplazo de PCV (válvula decontrol de presión) cuando ésta se utiliza contra condiciones de emergencia, noimportando las características de la válvula. Por ejemplo como válvulaautorreguladora de presión de salida de un sistema mediante el alivio o escape de

fluido al exterior.

Ejemplo Aplicativo:En este diagrama de control de nivel en un estanque. El nivel se mide, se indica y setransmite mediante el LIT N° 123. La señal es captada por un controlador de nivel N°345, que además posee un elemento de registro, elemento el cual manipula la aberturade la válvula neumática N° 078. Puesto que la válvula es neumática, y el controlador eselectrónico, se utiliza un conversor de corriente a presión, el N° 121. Para efectos decontrolar el flujo Q1 se tiene una llave manual, la N° 036.

PTPre sión

FTCaudal

LTNivel

TTTe mpera tura

Otras varia ble s

Alte rnativas eléctrica s

Alterna tivas neumatica s

LI LR LIR LRR

Indicadores Regis tradores Indicadores Regis tradores

Receptore s Controla dore s

Convertidores oinstrumentosa uxiliare s

IntegradorSumadorMultiplicador-divisor

Tiristor

I/P

Convertidor

Elementosfinales decontrol

CAMPOCAMPO O PANELCAMPO

Ele me ntosPrimarios Transmisore s

14

Donde:LT-1 = Transmisor de nivel 4 - 20 mA.I/P-1= Convertidor neumático a corriente 4 - 20 mA.LV-1 = Válvula de control, falla cerrada.LSH-1=Switch de nivel alto, normalmente cerrado.LSL-1=Switch de nivel bajo, normalmente abierto.LC-1 = Controlador de nivel.

C o n tro l d ev e lo c id a d

Z C L L

W C LW Q L

W E

W Y

Z S L

L A H

L S H

W IC

Z A L

D E T E C T O R D EC H U T E T A P A D O

L E

S E

S T

S C L

A I

A E

A IT

X C

C o n tro l d eto n e la je

C o n tro l d e te n s ió nd e la c o rre a

D e te c to r d ec o rre a ra sg a d a

C o n tro l d e ta m a ñ od e p a r tíc u la s

X A

15

1.5 SENSORES

En este sección veremos los sensores básicos más utilizados en la industria, sus principiosde funcionamiento, aplicaciones y características estáticas y dinámicas.

El sensor es un elemento primario que detecta o sensa cambios en el valor de la variablemedida o controlada, produciendo una señal mecánica, eléctrica o similar.

A continuación estudiaremos características técnicas de los diferentes sensores:

PT

FIC

Temp.FlowPressure

PT

Flow Computer or DCS

Qm KD P act

des=

( )

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a) SENSORES DE NIVEL

La medición de nivel es muy importante en la industria, tanto desde el punto devista del funcionamiento correcto del proceso como de la consideración del balanceadecuado de materias primas o de productos finales.

Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y desólidos, que son dos mediciones claramente diferenciadas.

A continuación estudiaremos tres tipos de medidores de nivel de líquidos de ampliouso en la industria.

1. Presión Diferencial

DESCRIPCION:

Las tomas de presión diferencial se hacen, una en la parte inferior, otra en la partesuperior, siempre y cuando se trate de tanques cerrados sometidos a presión. Cuando espara tanques abiertos la toma de baja presión se ventea a la atmósfera.

El diafragma forma parte de un transmisor neumático, electrónico o digital depresión diferencial. En el tipo más utilizado, el diafragma está fijado en una brida que semonta rasante al tanque.

Modelo General P=Hgg siendo g la densidad del líquido.

ASPECTOS TÉCNICOS:

Principio de OperaciónConsiste en un diafragma en contacto con el líquido del tanque, que mide la diferencia dedos presiones. Una presión es la presión hidrostática del líquido en un punto del fondo deltanque y la otra puede ser la presión atmosférica o la presión ejercida por el interior deun tanque cerrado.

AplicacionesDepósitos abiertos y cerrados

RangosIntervalo de medida es entre 0 a 3 metros y con una precisión de ±0.5% en losneumáticos y hasta ±0.15 en los inteligentes.

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2. CAPACITIVOS

DESCRIPCIÓNEste instrumento utiliza una sonda como una delas placas de un condensador, siendo la otra placael contenedor mismo. El material entre ellos,viene a ser el dieléctrico. El cambio de nivelorigina un cambio en la salida del circuitoelectrónico, proporcional al cambio de lacapacidad por lo que este método es de indicacióncontinua del nivel .

ASPECTOS TÉCNICOS:

Principio de OperaciónFunciona como un capacitor de placas paralelas.

AplicacionesDepósitos abiertos o cerrados.

Ventajas

Precisos y confiablesRelativamente económicosRespuesta rápidaAccesible desde fuera del tanque

Desventajas

Posible agarrotamientoObturaciones con líquidos de vaporcondensable

Transmisor de Presión

Diferencial

Transmisor de Diafragma

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RangosIntervalo de medida es entre 0 a 6 metros y con una precisión de ±1%

VentajasMediciones continuas sin partes moviblesBuena resistencia a la corrosiónFácil limpiezaSistema sencillo, apto para muchas clases de líquidos.

DesventajasElectrodos recubiertos para conductividades mayores a 100 microhmios/c.c.Efecto de la temperatura afecta la constante dieléctrica la cual mide el cambio de nivel.

c) ULTRASONICO

ASPECTOS TÉCNICOSPrincipio de OperaciónSe basa en la emisión de un pulso ultrasónico hacia una superficie reflectante y a larecepción del eco del mismo en el receptor. El retardo en la captación del eco dependedel nivel del tanque.

AplicacionesA todo tipo de tanques y de líquidos o pulpas.

RangosIntervalo de medida entre 0 a 30 metros y con una precisión de ±1%

VentajasAdaptables a grandes depósitos y todo tipo de tanques y líquidosNo intrusivosMínima manutención

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DesventajasSensibles a la densidadRequiere más equipamiento que otro medidorCosto relativo Alto

b) SENSORES DE FLUJO

1. Placa-Orificio

DescripciónEste dispositivo consiste básicamente en unaplaca de metal delgado, la cual tiene un orificio.Dependiendo de las características del flujo amedir, el orificio toma diferentes formas, tamañosy ubicación en la placa; así por ejemplo, en lamedición de flujos con porcentaje de gasesdisueltos es recomendable el uso de la placa deltipo excéntrico. Los Tipos de orificios son: placa-orifico concéntrica, excéntrica y de segmento.

Aspectos TécnicosPrincipio de Operación

• El flujo que pasa a través de una tubería con una restricción, origina una presióndiferencial entre la entrada y salida de la placa.

Aplicaciones• Líquidos, gases, vapor, sólidos y combinaciones de ellos.

Rangos• Intervalo de medida entre el valor máximo y mínimo del caudal es de 3 a 1 y con

una precisión de 1%.Ventajas

• Diferentes tipos de orificios que sirven para líquidos, vapores, gases.• Simple• Costo relativo Bajo• Fácil remoción, adaptables a cualquier tamaño de tubería.

20

Desventajas• Caída de presión alta• No son adecuados para fluidos muy viscosos o bien sucios• Relación no lineal sino mas bien cuadrática• No son adecuados para flujos pequeños ni pulsantes

Tipos de Placa-OrificioLas tomas conectadas en la parteanterior y posterior de la placa captan lapresión diferencial la cual esproporcional al cuadrado del caudal.Esta presión diferencial puede medirse otransmitirse con los instrumentosllamados convertidores diferenciales.Uno de estos convertidores es eltransmisor de diafragma, el mismo quese utiliza en los medidores de nivel porpresión diferencial. Los instrumentostransmisores o registradores de caudal miden realmente una presión diferencial y como elcaudal varía según la raíz cuadrada de la presión diferencial se debe utilizar un extractorde raíz cuadrada.

2. Rotámetro

DescripciónEste instrumento es de área variable que consistebásicamente en un flotador, de movimiento libre. El árealibre entre el flotador y la pared interior del tubo formanun orificio anular. Conforme aumente el flujo se produciráun movimiento ascendente del flotador; el flotador subiráhasta el punto en que la fuerza ejercida por la presión seiguala a su peso. Puesto que el peso de flotador esconstante, la diferencia de presión se mantendráconstante para todo flujo.


• Se basa en que un flotador cambia su posición dentro de un tubo,proporcionalmente al flujo del fluido.

Aplicaciones• Líquidos, gases y vapor

Rangos• Intervalo de medida entre el valor máximo y mínimo del caudal es de 10 a 1 y con

una precisión de 1 a 2%.Ventajas

• Comportamiento lineal• Baja caída de presión• Adecuada para flujos pequeños• Ideal para fluidos viscosos y sucios• Costo relativo Bajo

Desventajas• No sirve para flujos pulsantes• Debe instalarse verticalmente

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3. Turbina

DescripciónEste tipo de sensor utiliza una turbina la cual esaccionada por el flujo a medir. La rapidez del giro delrotor puede ser traducida de diversos modos. Unaforma de lograrlo es utilizar un sistema deacoplamiento por varillas del tipo magneto mecánico.Otro sistema ampliamente utilizado consiste en unimán permanente más una bobina abierta. Elconjunto se monta en forma externa, pero en lascercanías del rotor, de modo que el paso de cadaaleta del rotor provoca un cambio en el flujomagnético de imán produciendo en la bobina unaseñal pulsante. De este modo el numero de pulsospor unidad de tiempo es representativo del flujo del fluido que se desea medir.


• Consiste en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamenteproporcional al caudal.

Aplicaciones• Líquidos y gases

Rango• Intervalo de medida entre el valor máximo y mínimo del caudal es de 15 a 1 y

con una precisión de ±0,3%Ventajas

• Exactitud de medida Alta• Soporta amplios rangos de presión y temperatura• La sencillez con que se puede implementar un sistema totalizador de consumo o el

volumen total de fluido que ha pasado en un cierto intervalo de tiempo.Desventajas

• Requiere de un montaje especial sobre la línea (es intrusivo)

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• Costo relativo Alto• Limitaciones con líquidos viscosos• Líquidos limpios o filtrados• No debe vaciarse cuando cesa el caudal

4. Ultrasónico

DescripciónEste instrumento mide el caudal por diferencia de velocidades de sonido. El sonidoatraviesa el fluido en forma más rápida cuando va en dirección del flujo del fluido perocuando el sonido atraviesa en el sentido contrario es más lenta. Los sensores estánsituados en una tubería de la que se conoce el área y el perfil de la velocidad. Se utilizantransductores piezoeléctricos tanto para la emisión como para la recepción de las ondasultrasónicas.

Aspectos técnicosPrincipio de Operación

• Miden el caudal por diferencia de velocidades de sonido al propagarse éste en elsentido del flujo del fluido y en el sentido contrario.

Aplicaciones• Adecuados para la mayoría de los líquidos, en particular con sólidos en suspensión.

Rangos• Intervalo de medida entre el valor máximo y mínimo de 20 a 1 con una precisión

de ± 2%.Ventajas

• No obstructivos ni invasivos.

4-20 mA c.c.

Divisor deFrecuencia

Acondicionadorde señal

ConvertidorFrecuencia/

corriente

Acondicionadorde señal

Reluctancia

Integración

23

•• Baja caída de presión• Bidireccionalidad.• No es necesario (en general) interrumpir suministro para montarlos en tuberías.• Desventajas• No son deseables partículas y burbujas muy grandes (son reflectores)• Sensibles a los cambios de densidad•• Costo relativo Alto

5. Magnético

DescripciónLos sensores magnéticos de flujo fueron desarrollados para medir flujos volumétricos defluido que presentan buenas características de conducción eléctrica. Este dispositivo seinstala en forma externa a la cañería, razón por la cual resultan ser especialmente útilespara medir fluidos difíciles de sensar.

Aspectos TécnicosPrincipio de Operaciónò

• Se basa en los dispositivos que utilizan un campo magnético perpendicular a ladirección del flujo y la tensión inducida en un conductor, según la ley de Faraday.

Aplicaciones• A fluidos eléctricamente conductivos tales como: líquidos corrosivos, ácidos,

pulpas, detergentes, aguas residuales, pulpas rocosas, etc.Rangos

• Intervalo de medida entre el valor máximo y mínimo del caudal es de 100 a 1 ycon una precisión de ±0,5 a ±1%.

Ventajas• Pérdida de carga nula• Sensor de fluidos difíciles

Desventajas• Costo relativo Alto• Aplicación sólo a líquidos conductores (sobre un valor en mS/cm2) o

adecuadamente tratados para darles artificialmente la conductividad necesaria•• Aparece ruido, especialmente en fluidos con partículas

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c) Sensores de Presión

1. Tubo de Bourdon

DescripciónEn 1852 E. Bourdon patenta un sensor de presión a base de untubo curvado, sellado en uno de sus extremos, y de secciónligeramente ovalado. El extremo del tubo es sellado y este seestira bajo efecto de la presión lo cual es transmitido a la agujaindicadora. El desplazamiento producido es función de lalongitud del tubo, del espesor de las paredes, de la formageométrica del sección, del modulo de elasticidad del material ynaturalmente de la presión. En las practica existen tres tipodistintos de tubos de Bourdon: tipo C, el Helicoidal y el Espiral.


• Su principio de funcionamiento se basa en la ley física de que los cuerpos flexiblesdeflectan por la acción de la presión.

Aplicaciones• Líquidos y vapores.

Electrodo

Campo magnético

25

Rangos• 0.5 a 6.000 bar con una precisión de ±0,5 a ±1% para el tipo C, 0.5 a 2.500 bar

para el espiral con precisión ±0,5 a ±1% y 0.5 a 5.000 bar para el tipo helicoidalcon la misma precisión.

Ventajas• Amplia disponibilidad de tubos Bourdon• Los tipos helicoidal y espiral tiene un mayor rango de desplazamiento, ideales para

registradores.• Tamaño pequeño•• Gran duración

Desventajas• Mayor costo de construcción• Depende del material de construcción para cada zona de proceso

2. Celdas de Carga

DescripciónLas celdas de deformación (Strain-Gauge) estánconstruidos a base de elementos metálicos o demateriales semiconductores. Los primeros tienen uncomportamiento bastante lineal, pero en cambio losque están hechos a base de semiconductores sonbastante más sensibles, sin embargo pecan de seraltamente no lineales. Comercialmente se lesencuentra con valores que varían entre los60,120,240,350,500 y 1000 ohms, siendo lasdeformaciones típicas del orden de los 2(mm/m).Emplea como sensor primario un fuelle, el cualprovoca los movimientos en la lamina flexible de acuerdo a la presión ingresante.

26

Aspectos Técnicos

Principio de Operación• Se basa en que la propiedad del material varia su resistencia eléctrica por efecto

de la presión ejercida sobre ella.Aplicaciones

• También se emplean para medir el esfuerzo y sobre todo peso, como por ejemploen las correas transportadoras.

Rangos• Galgas extensiométricas, de 0-0.6 a 0- 10.000 bar con una precisión de ± 0.5 %.• Silicio difundido 0-2 a 0-600 bar, con una precisión de ± 0,2%.

Ventajas• Medición estática o dinámica• Resolución continua con pequeño desplazamiento• Simple equilibrio resistivo• No son afectados por campos electromagnéticos• Fácil compensación de temperatura

Desventajas• Mala estabilidadBaja salida• Requiere de accesorios de acondicionamiento (puentes y fuentes).

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3. Transductores Capacitivos

DescripciónConsiste de dos placas conductivas y un dieléctrico. Amedida que aumente la presión, las placas tienden aapartarse, cambiando su capacitancia. El fluido medidosirve de dieléctrico. La placa móvil tiene forma dediafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas.De este modo se tienen dos condensadores uno decapacidad fija o de referencia y el otro de capacidadvariable

Aspectos Técnicos

Principio de Operación• Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al

desplazarse una de sus placas por la aplicación de presiónRangos

• El intervalo de medida es relativamente amplia, entre 0,05-5 a 0,5-600 kg/cm2 ysu precisión es del orden de ± 0,2 a ± 0,5%

Ventajas• Excelente respuesta de frecuencia• Fácil construcción• Bajo costo• Mide presiones estáticas y dinámicas• Resolución continua

Desventajas• Necesitan equilibrio reactivo• Sensible a cambios de temperatura• Alta impedancia de salida• lnadaptabilidad a aplicaciones estáticas•• Cambio de Cero después de un choque extremo

4. Transductor Piezo-Eléctrico

DescripciónEste instrumento esta hecho a base dedos materiales típicos tales como elcuarzo y el titanio de bario, capaces desoportar temperaturas del orden de150oC en servicio continuo y de 230oCen servicio intermitente. Sonelementos ligeros, de pequeño tamañoy de construcción robusta. Su señal derespuesta a una variación de presiónes lineal y son adecuados paramedidas dinámicas, y además soncapaces de responder a frecuencias dehasta un millón de ciclos por segundo.

Presión

Señal desalida

Osciladorde alta

frecuencia

28

Aspectos Técnicos

Principio de Operación• Se basan en la generación de una fem

cuando se deforman ciertos cristales porcausa de la presión aplicada en susextremos, generando una señal eléctrica.

Rangos• El intervalo de medida esta entre 0,1 a 600

kg/cm2, con una precisión de ± 1%.Ventajas

• Alta respuesta de frecuencia• Autogeneración• Tamaño pequeño• Robusto• Lineales• Baja sensibilidad a vibraciones

Desventajas• Sensible a cambios de temperatura• Alta impedancia de salida• Señal de salida debil• Mala estabilidad• Cambio de Cero después de un choque extremo

d) Sensores de Temperatura

1. Termómetro tipo Bulbo

DescripciónCuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el liquido enel bulbo se expanden y el espiral tiende a desarrollarsemoviendo la aguja sobre la escala de temperatura calibrada

29

para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo. Existen tres tipos de fluidos conlos que pueden llenarse el bulbo: líquido (alcohol y eter), vapor (líquido volátil) y gas.También existen de mercurio.

Aspectos Técnicos

Principio de Operación• Consisten en un bulbo sellado y conectado por un capilar a un espiral.

Rangos• Entre 150 y 500°C para los actuados por líquido.

Ventajas• Simple, no necesita elemento auxiliar• Respuesta rápida• El uso de capilar permite separación entre el punto de medición (bulbo) y el punto

de registro en unos 400ftDesventajas

• Tamaño del bulbo más grande que el sistema eléctrico• Difícil reparación• No lineales

2. Termómetro RTD

DescripciónEl elemento consiste usualmente en un arrollamientode hilo muy fino del conductor adecuado, bobinadoentre capas de material asilante y protegido con unrevestimiento de vidrio o cerámica. El Platino es elmaterial de construcción más adecuado desde elpunto de vista de la precisión y de estabilidad peropresenta el inconveniente del costo. El níquel es másbarato que el platino y posee una resistencia máselevada con una mayor variación por grado, sinembargo tiene la desventaja de la falta de linealidad.El cobre tiene una variación de resistencia uniforma,es estable y barato, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad (poca sensibilidad)

Aspectos Técnicos

Principio de Operación• Se basan en la propiedad de los metales de variar su conductividad eléctrica por el

cambio de la temperatura.Rangos

30

• Platino: -200 a 950°C. Precisión 0.01 °C• Niquel: -150 a 300°C. Precisión 0.50 °C• Cobre: -200 a 120°C. Precisión 0.10 °C

Ventajas• Gran exactitud• Respuesta rápida• Buena estabilidad

Desventajas• Mas caro que el termopar o el termistor• Fragil• El calor propio pueda ser un problema

3. Termocupla

DescripciónLa termocupla es uno de los más simples y máscomúnmente usados sensores para medirtemperatura en forma exacta, con el propósito deindicación, registro o control de procesos. Cuando serequiere una indicación remota y cuando variospuntos deben ser desplegados en un solo dispositivosde lectura, ningún otro método de medición puedecompetir en costo-beneficio. En lo referente almaterial se suelen utilizar termopares tipo J, K, T, Ro S.

Aspectos Técnicos

Principio de Operación• Se basa en el efecto de "Seebeck”, que consiste en la circulación de una corriente

en un circuito cerrado formado por dos metales diferentes cuyas uniones semantienen a distinta temperatura.

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Aplicaciones• Hornos industriales eléctricos, a gas, calentadores de aceite térmico o agua, etc.

Rangos• De -200 a 1.700°C dependiendo de la aleación y con una buena precisión.

Ventajas• Pequeñas• Baratas• Rápidas• Fáciles de montar

Desventajas• Compensacion por juntura fría

e) Sensores de Velocidad

1. Tacómetros de Corriente

DescripciónLos tacómetros eléctricos emplean un transductor que produce una señal analógica odigital como conversión de la velocidad de giro del eje de la maquina.

Tacómetro de corriente alternaConsiste en un estator bobinado multipolar en el que el rotor dotado de imánpermanente induce una corriente alterna. Un voltímetro señala la corrienteinducida y por lo tanto el giro en r.p.m. del eje de la máquina.

Tacómetro de corriente Continua

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Consiste en un estator de imán permanente y un rotor con un entrehierro uniforme.La tensión continua recogida en las escobillas del rotor es proporcional a lavelocidad en r.p.m. de la máquina. Esta tensión puede leerse en un voltímetro.

Aspectos Técnicos

Principio de Operación• Captan la velocidad por inducción de una fem en una bobina que se desplaza en

un campo eléctrico permanente o bien puede ser un imán permanente y un rotorbobinado con escobillas.

Aplicaciones• A diferentes rotores, por ejemplo el eje de una turbina en una central de energía.

Rangos• Práctico: 2- 6000 rpm y con una precisión de ±0,5%.

Ventajas• La medición es continua• Respuesta rápida• Puede ser salida continua o alterna con señal alta.

Desventajas• Tiene contacto mecánico con el eje rotativo

Corriente Alterna

Corriente Continua

33

2. Tacómetros de Frecuencia

DescripciónEste tacómetro mide la frecuencia de la señal de corrientealterna captada por transductores del tipoelectromagnético, capacitivo u óptico que dan impulsos,cuyo número es proporcional a la velocidad de giro de lamáquina. El transductor no tiene contacto mecánico con eleje rotativo. La medida de la frecuencia puede pasarse a uncontador electrónico basado en la medida de lasrevoluciones por unidad de tiempo.

Aspectos Técnicos

Principio de Operación• Se basa en medir la frecuencia de la señal de corriente alterna.

Aplicaciones• Bombas, ventiladores, correas transportadoras, etc.

Rangos• Práctico: 2-3000 rpm y con una precisión de ± 0,05%.

Ventajas• Medición continua• Respuesta rápida• No tiene contacto mecánico con el eje rotativo• Fácil instalación.• Fácil calibración

Desventajas• De costo relativo Alto

SI

TransductorElectromagnético

DiscoPerforado Salida en

C.C.

Fotocélula

Fuente deLuz

TransductorÓptico

34

e) Sensores de Peso

1. Galgas Extensiométricas

DescripciónConsiste esencialmente en un célula que contiene unapieza de elasticidad conocida capaz de soportar la cargasin exceder de su limite de elasticidad. A esta pieza estacementada un galga extensiométrica formado por variasespiras de hilo, pegado a un soporte de papel o resinasintética.Las galgas extensiométricas se prestan a la transmisiónelectrónica de la pesada. Un sistema de pesajeelectrónico con células extensométricas está formado porun conjunto de células de carga, un puente de medida, yen caso necesario, una unidad de tarado para compensar automáticamente la tara delobjeto o el producto que se pesa.

Aspectos Técnicos

Principio de Operación• Se basa en el uso de Strain-gauges que se instalan en cada una de las puntas de

la plataforma de peso. Estos elementos al deformarse, por efecto de la presiónque ejerce el material, varia su resistividad eléctrica y para una lectura directaemplea un puente de Wheatstone.

Aplicaciones• Correas transportadoras (pesómetros)

Rangos• Práctico: 20kg - 150Ton y con una precisión de ± 0.2%.

Ventajas• Protegida contra la corrosión• No está en contacto con el material a pesar

Desventajas• Necesitan compensación por temperatura• Costo relativamente Alto

35

2. Célula de Carga Hidráulica

DescripciónConsisten en un pistón sobre el que se apoya la carga, queejerce una presión sobre un fluido hidráulico. Según lacarga y de acuerdo con el área conocida del pistón se creauna presión en el aceite que puede leerse en un manómetroBourdon y que por lo tanto refleja indirectamente la carga.Sumando las presiones hidráulicas de varias células de cargay aplicándolas a un transmisor electrónico de equilibrio defuerzas, se obtiene una señal eléctrica que puede leerse enun indicador digital y puede utilizarse en sistemas depesajes electrónicos.

Aspectos Técnicos

Principio de Operación• Se basa en un pistón que

ejerce una presión sobre unfluido hidráulico.

Aplicaciones• Generalmente para pesajes

estáticosRangos

• Práctico: 40 kg - 90 Ton ycon una precisión de ± 0,2%

Ventajas• Instalación simple• Respuesta rápida• Resistente a vibración• Admite hasta un 40%

sobrecarga• A prueba de explosión• Indicaciones a distancia

Desventajas• Costo relativamente Alto

3. Célula Neumática

DescripciónConsisten en un transmisor neumático de carga en el que el peso situado en laplataforma de carga se compara con el esfuerzo ejercido por un diafragma alimentado auna presión de tarado ajustable. El sistema adopta una posición de equilibrio gracias alconjunto tobera-obturador y a la cámara de realimentación de transmisor. La presión deaire alcanzado en esta cámara indica el peso. Se adapta fácilmente al control neumático.

Aspectos Técnicos

Principios de Operación• Se basa en que el peso situado en la plataforma de carga se compara con el

esfuerzo ejercido por un diafragma alimentado a una presión de tarado ajustable.Aplicaciones

• Generalmente para pesajes estáticos

9 9 9 .9

P la c a B a s e

D ia f r a g m a

P is tó n

A c o p la m ie n to a C a r g a

S e l loC i l in d r o

D e la s C é lu la sd e C a r g a

In te g r a d o r

36

Rangos• Practico: 10kg - 10 Ton y con una precisión de ± 0,2%

Ventajas• Se adapta bien a control neumático.• Indicación a distancia

Desventajas• Precisa de aire comprimido de instrumentación.

f) Sensores de Densidad

1. Presión Diferencial

DescripciónEn este sistema se fijan dos puntos en el tanque oen una tubería vertical del proceso y se les conectaun instrumento de presión diferencial, biendirectamente o bien a través de una cámara demedida. Como la diferencia de alturas en el líquidoes fija, la única variable que altera la presióndiferencial es la densidad. En el caso de fluidos nodemasiado limpios, muy viscosos o corrosivos,existen el riesgo de que las conexiones alinstrumento se obsturen o se destruyan. En estecaso puede emplearse el sistema de purga de aireo de gas e incluso de liquido a través de dostuberías coloccadas en el seno del liquido y cuyosextremos están separados a una distancia fija.

Indicador

Obturador

Tobera

Taraje

Alimentaciónneumática

Regulador de presióndiferencial

Peso

DDT

LíquidomuestraLíquido

referenciaTransmisorde densidad

H

37

Aspectos Técnicos

Principio de Operación• Se basa en que la presión hidrostática sensada de un volumen fijo, es función de

la densidad misma.Aplicaciones

• Tanques cerrados o abiertosRangos

• Campo de medida es de 300 bar de presión y con una precisión de ± 0,5 a ± 1%.Ventajas

• Tanques a presiónDesventajas

• Contacto con el proceso• Acondicionamiento para fluidos muy viscosos y corrosivos

2. Radiación Nuclear

DescripciónEste tipo de instrumento emplea radiación gamma, deorigen electromagnético que se caracteriza por altopoder de penetración. La radiación gamma, similar alos Rayos X pero de mayor energía, constituyeaproximadamente un 20% de la energía emitidadurante el proceso de fusión. Al igual que toda energíaelectromagnética sufre los efectos de reflexión,absorción y transmisión al encontrarse con obstáculos.Las conexiones eléctricas del receptor van a unregistrador o controlador situado en el panel.

Aspectos Técnicos

Principio de Operación• Este método se basa en la determinación del grado con que el líquido absorbe la

radiación procedente de una fuente de rayos gamma.Aplicaciones

• Se emplea para todo tipo de líquidos y pulpas

38

Rangos• Campo de medida de algunos cientos de

metros y con una precisión de ±0.5% a ±2%.Ventajas

• Sin contacto con el proceso• Se emplea en todo tipo de líquidos y pulpas

Desventajas• Costo relativo Alto• Influido por aire o gases disueltos• Inspecciones sobre seguridad de radiación• La dependencia que presenta la densidad

respecto a la temperatura.• Reajuste por pérdida de actividad de la fuente

de radiación.

g) Sensores de Conductividad

1. Conductivimetro

DescripciónLa conductividad es la capacidad de una solución acuosapara conducir una corriente eléctrica. A partir de estadefinición, el primer sistema de medida que se empleó fuesituar en la solución dos placas paralelas conectadas a uncircuito de puente de Wheatstone de corriente alterna. Elsistema tiene el inconveniente de que la acumulacióngradual de suciedades en los electrodos dificulta lamedida, entonces, a raiz de este problema aparece elsistema potenciométrico que consiste en mantener unadiferencia del potencial constante entre los electrodos conindependencia de los depósitos de sólidos que se vayan acumulando en los paredes deelectrodos, la corriente mantendrá una relación lineal con la conductividad de la solución..

Aspectos Técnicos

Principios de Operación• Consiste en mantener una diferencia del potencial constante entre dos electrodos

con lo que la corriente mantendrá una relación lineal con la conductividad de lasolución.

Aplicaciones• Líquidos, líquidos sucios y viscosos

Rangos• El campo de medida llega a un máximo de 0-150000 mmhos y la precisión de la

medida es de ± 0,5%.Ventajas

• Tanques abiertos o cerrados• Compensa los efectos eléctricos de acumulación de suciedad en los electrodos

39

Desventajas• Requiere el empleo de la corriente alterna para equilibrar los fenómenos de

polarización de los electrodos.• Requiere de compensación de la temperatura de la solución con relación a la

temperatura estandar escogida de 25oC.

h) Sensores de pH

1. Electrodo de Vidrio

DescripciónEl pH es una medida de la acidez o alcalinidad. Suexpresión viene dado por el logaritmo de la inversade la concentración de ion H+, expresado en molespor litro. El pHmetro tiene en su membrana internauna solución de cloruro tampón de pH constantedentro de la cual esta inmerso un hilo de plata,recubierto de cloruro de plata. El mecanismo quepermite que le electrodo de vidrio mida laconcentración de ion H+ no es exactamenteconocido, está establecido que al introducir elelectrodo en el liquido se desarrolla un potencialrelacionado directamente con la concentración de ion H+ del líquido. Es decir, si estaconcentración es mayor que la interior del electrodo existe un potencial positivo a travésde la punta del electrodo y si es inferior, el potencial es negativo.

Medida por el sistemapotenciométrico

40

Aspectos Técnicos

Principio de Operación• Consiste en un tubo de vidrio cerrado en su parte inferior con una membrana de

vidrio especialmente sensible a los iónes de hidrogeno del pH.Aplicaciones

• Soluciones ácidas y neutrasRangos

• La medida práctica de pH se encuentra entre los valores 0 -14 y la precisión de lamedida es de ±0,25 a ± 1%.

Ventajas• Instalación simple• Respuesta rápida

Desventajas• Requiere mantención permanente• La variación de temperatura influye en la medida de pH

1.6. TRANSMISORES

En esta sección veremos los tipos de transmisores con sus respectivos principios defuncionamiento.El transmisor es el encargado de convertir la salida acondicionada de un sensor en unaseñal lo suficientemente intensa como para que se pueda transmitir a un controlador ocualquier otro dispositivo receptor.a) Transmisores Neumáticos

Los transmisores neumáticos (Ver figuras 2 y 3) se basan en el sistema tobera-obturadorque, mediante bloques amplificadores con retroalimentación por equilibrio demovimientos o de fuerzas, convierte el movimiento del elemento de medición (presión,

41

caudal, nivel, temperatura) a señal neumática de 3 – 15 psi (libras por pulgadacuadrada) o bien su equivalente en unidades métricas 0,2 -1 Kg/cm2, siendo su precisióndel orden del ± 0,5 %.El conjunto de tobera - obturador convierte el movi miento del elemento de la variable auna señal neumática de 3 -15 psi y compensa la fuerza que el aire que se escapa de latobera ejerce sobre el obturador, siendo este escape proporcional a la separación entre latobera y el obturador, la cual depende del valor de la variable. Como el diámetro detobera es muy pequeño, del orden de 0,1 a 0,2 mm, los transmisores neumáticos sonsusceptibles de mal funcionamiento debido a partículas de aceite o polvo que puedentapar el pequeño orificio de la tobera y aunque el uso de compresores sin aceite delubricación ha eliminado considerablemente este inconveniente, es típico en el arranquede la planta, después de la parada diaria o de fin de semana, que alguno instrumentos nofuncionen adecuadamente por haberse depositado partículas en la tobera, lo que obliga alservicio de mantenimiento a su urgente limpieza para que la fábrica o parte del procesopueda arrancar.

Figura 2 : Transmisores de equilibrio de movimiento

Figura 3 : Transmisores de equilibrio de fuerza

Ps

Alimentación

Fuellerealimentación

P1

PoPsV álvula piloto

o rele amplif icador

3-15 psi

Válvulapilotoo relé

amplificador

PoPs Válvula piloto


Alimentación

Ps

A D BC

3-15 psi

42

Presión

Alimentación

Resorte deacero

Detector

Unidad magnética(Realimentación)

Oscilador

Señal de salida4-20mA c.c.

b) Transmisores Electrónicos Convencionales

Basados en detectores de inductancias, utilizando transformadores diferenciales ocircuitos de puente de Wheatstone o empleando una barra de equilibrio de fuerzas,convierten la señal de la variable a una señal electrónica de 4 -20 mA c.c. Su precisión esdel orden del ±0,5 %. Ver figuras 4a y 4b.

Figura 4a: Detector de posición de inductancia

PoPs Válvula piloto


Alimentación

Ps

A D BC

3-15 psi

Presión

BobinaDetectora

Muelle de cero

ResorteUnidad magnética(Realimentación)

AjusteSPAN

Señal de salida4-20mA c.c.

Tubo de Bourdon

Oscilador

43

Figura 4b: Transformador diferencial

c) Transmisores Inteligentes

El término "inteligente" indica que el sensor tiene incorporadas funciones adicionales quese añaden a las propias de la medida exclusiva de la variable. Consiste en un transmisordigital donde las funciones adicionales son proporcionadas por un microprocesador. Unmodelo básico es del tipo semiconductor que aprovecha las propiedades eléctricas de lossemiconductores al ser sometidos a tensiones. La pastilla de silicio contiene normalmentedos puentes de Wheatstone, uno de presión y el otro de presión diferencial y unatermorresistencia. El microprocesador compensa los no linealidades de los elementos osensores individuales, convierte las tres señales analógicas a impulsos y calcula,mediante datos prefijados en fábrica y almacenados en su memoria, un valor digital desalida que es transformada a la señal de salida analógica de 4-20 mA. Un comunicadorportátil permite leer los valores del proceso, configurar el transmisor, cambiar su rangode medida y diagnosticar averías.

Figura 5a : Esquema de transmisor con microprocesador y comunicadorEl transmisor o varios transmisores pueden conectarse, a través de una conexión RS-232,a un ordenador personal, que con el software adecuado es capaz de configurartransmisores inteligentes. Ver figura 5b.El conjunto transmisor y controlador puede estar incorporado en un único aparato(Instrumentos Autocontroladores), o bien el controlador puede estar separado e instaladoal lado del proceso, en el panel de control del edificio del proceso o en la sala de controlgeneral de la planta. Es el caso, por ejemplo, del control centralizado o distribuido.

Presión

Temperatura

∆Microprocesador

Generador deImpulsos

Acondicionam iento

Compensación

Conversión

Comunicador

Receptor

P

44

Transmisor Señal Precisión Ventajas Desventajas

Neumática3-15 psi0,2-1 bar

+/- 0,5%RapidezSencillo

Aire limpioNo guardan informaciónDistancias limitadasMantenimiento caroSensible a vibraciones

Electrónicoconvencional

4-20 mA c.c. +/- 0,5% Rapidez Sensible a vibraciones

ElectrónicoInteligente

4-20 mA c.c. +/- 0,2%

Mayor precisión IntercambiableEstableFiableCampo de medida mas amplioBajo costo de mantenimiento

Lento ( para variables rápidas puede presentar problemas )

ElectrónicoInteligenteSeñal digital

Digital +/- 0,1%

Mayor precisiónMás estableFiableAutodiagnósticoComunicación bidireccionalConfiguración remotraCampo de medida más amplioBajo costo mantenimiento

Lento ( para variables rápidas puede presentar problemas )Falta normalización de las comunicacionesNo intercambiable con otras marcas

Figura 5b: Transmisor con microprocesador y comunicadorLos transmisores inteligentesse prestan también al autodiagnóstico de sus partes electrónicas internas, función queproporciona al Departamento de Mantenimiento: en primer lugar el conocimiento de laexistencia de un problema en el circuito, en segundo lugar el diagnostico y la naturalezadel problema, señalando que instrumento ha fallado y, finalmente el procedimiento seguirpara la reparación o sustitución del instrumento averiado. Con la entrada del transmisorinteligente, la calibración y el cambio de margen de trabajo se logran simplemente porexamen de los datos almacenados en una PROM y por utilización de técnicas digitales.Un ejemplo de las técnicas de autocalibración lo constituyen los transmisores de nivel porultrasonidos. Disponen de un reflector de ondas sónicas que está situado en el tanquesobre la superficie del líquido, y hacia donde el emisor dirige periódicamente losultrasonidos, ajustando entonces los parámetros del calibrador. De este modo compensalas variaciones de velocidad del sonido provocadas por cambios en la temperatura delambiente del tanque. La inteligencia se aplica también a otras variables, tal como latemperatura, donde el transmisor puede trabajar con distintas sondas de resistencias ytermopares y diversos campos de medida, gracias a la liberalización de las escalas y a lacompensación de la unión fría que aporta el microprocesador.

Tabla 1 : Comparación de Características de los Transmisores

C o n t r o l P a n e l

Flow

Pressure Alarm ConditionsSTOP

Tem perature

4 - 20 mA

Adaptadorcomunicaciones

TransmisorA control de

procesos

Ordenadorpersonal

RS - 232 - C Adaptador

45

1.7 ACTUADORES

SSee eennttrreeggaarráá eenn eessttaa sseecccciióónn llooss ffuunnddaammeennttooss bbáássiiccooss eenn ttoorrnnoo aa llooss aaccttuuaaddoorreess ooeelleemmeennttooss ddee ccoonnttrrooll ffiinnaall..El papel del actuador es modificar la variable manipulada al recibir una señalestandarizada de presión o corriente.

11..77..11 VVáállvvuullaass ddee CCoonnttrrooll

Se han desarrollado diferentes tipos de cuerpos de válvulas, unos con ampliasposibilidades de aplicación, mientras que otras han sido diseñados para serviciosespecíficos.A continuación estudiaremos dos tipos de válvulas utilizadas en control de procesos:

1. Válvulas de Control Convencionales

TTiippooss ddee VVáállvvuullaass

AA)) MMaarriippoossaa

DDeessccrriippcciióónnEstas válvulas pueden cerrarse herméticamentemediante un anillo de goma encastrado en el cuerpo.Un servomotor exterior acciona el eje de giro del discoy ejerce su par máximo cuando la válvula estátotalmente abierta (en control todo-nada seconsideran 900 y en control continuo 600, a partir dela posición de cierre ya que la última parte del giro esbastante inestable). Estas válvulas se emplean para elcontrol de grandes caudales de fluidos a baja presión.

AAssppeeccttooss TTééccnniiccooss

Principio de Operación• El cuerpo está formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira

transversalmente un disco circular.

SMV 3000Transmitter

FIC

Control done in DCS, PLCor Single Loop Controller

Dynamic Compensation

Temp.

Qm NCY d hw= 12

PT

Valv.

46

Aplicaciones• En cañerías de 4" de diámetro o mayores• Para el control de grandes caudales de fluidos a baja presión.

Ventajas• Barata• Alta capacidad con baja caída de presión a través de la válvula• Soporta caídas de presión ( P) considerables• Apta para un gran rango de temperatura, dependiendo del tipo de cierre• Mínimo espacio para su instalación• Economía especialmente en grandes tamaños• Su mejor peso la hace más manejable en su mantenimiento• Puede soportar fluidos corrosivos

Desventajas•• BBaajjaa pprreecciissiióónn..• Necesita actuadores potentes o de gran recorrido si el tamaño de la válvula es

grande o la presión diferencial es alta• No adecuado para fluidos cavitantes

BB)) GGlloobboo

DDeessccrriippcciióónn

Las válvulas de simple asiento precisan de un actuadorde mayor tamaño para que el obturador cierre encontra de la presión diferencial del proceso. Por lotanto, se emplean cuando la presión del Ruido es bajay se precisa que las fugas en posición de cierre seanmínimas. En la válvula de doble asiento o de obturadorequilibrado la fuerza de desequilibrio desarrollada porla presión diferencial a través del obturador es menorque en la válvula de simple asiento. Por este motivose emplean en trabajos con una alta presióndiferencial. En posición de cierre las fugas sonmayores que en una válvula de simple asiento.

Aspectos Técnicos

Principio de Operación• Se basa en que el obturador cierra en contra de la presión difrencial del proceso.

Aplicaciones• Cañerías de 4" de diámetro o mayores• Se emplean para el control de grandes caudales de fluidos a baja presión.

Ventajas• Disponible en todos los raitings• Amplia selección de materiales de construcción• Posibilidad de diversas características de caudal• Pueden soportar altas presiones.

Desventajas• Considerables perdidas de carga a grandes caudales• Precios más elevados que las válvulas de mariposa en servicios de baja presión y

temperatura.

47

CC)) BBoollaa

DDeessccrriippcciióónnLa bola tiene un corte adecuado (usualmente en V)que fija la curva característica de la válvula, y giratransversalmente accionada por un servomotorexterior. El cierre estanco se logra con un aro deteflón incorporado al cuerpo contra el cual asienta labola cuando la válvula está cerrada. En posición deapertura total, la válvula equivale aproximadamenteen tamaño a 75 % del tamaño de la tubería.

AAssppeeccttooss TTééccnniiccooss

Principio de Operación• Se basa en su cavidad interna que alberga un obturador en forma de esfera o de

bola.Aplicaciones

• Para cañerías de 1 a 4 pulgadas de diámetro.• Presiones menores a los 600 Psi• En el control manual todo-nada de líquidos o gases.• También en el control de caudal de fluidos negros, o bien en fluidos con gran

porcentaje de sólidos en suspensiónVentajas

• Excelente control ante fluidos viscosos, erosivos, fibrosos o con sólidos ensuspensión

• Alta rangeabilidad de control apróx. (300:1)• Mayor capacidad que las válvulas del globo• Precisas

Desventajas• Precio elevado• No adecuado para líquidos cavitantes• Puede provocar ruido con caídas de presión alta

Modos de Acción

Independiente del tipo de válvula, en ambos casos el sistema consiste en un vastago queabre o cierra un orificio de acuerdo a las variaciones de una señal de control provenientedel controlador. Desde el punto de vista operativo, existen dos tipos de válvulas decontrol, ellos son:

48

AAiirree ppaarraa AAbbrriirr

Las cuales se abren cuando reciben una señal de aire.

• Abierta con 15 psi• Cerrada con 3 psi

Acción Inversa (bajar para abrir)

AAiirree ppaarraa CCeerrrraarr

Estas se cierran cuando les llega una señal de aire.

• Cerrada con 15 psi• Abierta con 3 psi

Acción Directa (bajar para cerrar)

Posicionador

Son instrumentos que permiten unaseñal de carga neumática o eléctrica aun actuador para posicionar el obturadorde la válvula exactamente en el lugarrequerido por el instrumento de control.

49

Indicador de Posicionador

Las fuerzas de desequilibrio que actúan en la válvula influyen en la posición del vástagode la válvula y hacen que el control sea errático e incluso inestableEl posicionador compara la señal de entrada con la posición del vástago y si esta no escorrecta envía aire al servomotor o bien se elimina en el grado necesario para que laposición del vástago corresponda exactamente o bien sea proporcional a la señalneumática recibida.Estos posicionadores generalmente son neumáticos del tipo de equilibrio de fuerzas yposeen una leva cuya forma determina la relación entre la señal de entrada y la posicióndel vástago y puede cambiar por completo la curva característica inherente de la válvula.El posicionador generalmente dispone de tres manómetros para indicar las presiones delaire de alimentación, de la señal procedente del controlador y de la señal de salida delposicionador de la válvula.Cuando la señal del controlador es electrónica o digital, el propio posicionador puedecontener un convertidor para pasar de la señal electrónica o digital a neumática (I/P).

Características de Regulación del flujo

En general todas la válvulas de control presentan una característica de acción continua ysus características de abertura dependen de la forma del vástago y del orificio. Es así,que al igual que en las válvulas continuas sin control, es posible encontrar válvulas deltipo Lineal, Igual porcentaje, de Apertura Rápida.

VVáállvvuullaa ddee IIgguuaall PPoorrcceennttaajjeeLa válvula de igual porcentaje tiene una característica de abertura f(x), del tipo:

f(x)=Rx-1 (1)

En donde R, la Rangueabilidad de la válvula la cual se define como la razón entre elmáximo y mínimo flujos controlables por la válvula. La figura 6 muestra la característicade una válvula de igual porcentaje de rangueabilidad 50:1. Note que f(0)=0.02, este es elmínimo control que se tiene sobre el flujo, bajo este punto la válvula tiende a cerrarsecompletamente.La pendiente de esta curva característica esta dada por:

df/dx = f.Ln(R) (2)

o, escrito de otra forma: dx = [1/Ln(R )][df/f] (3)

debido a la característica presentada en la ecuación (3) es que este tipo de válvulasdeben su nombre: Un mismo cambio de flujo, en toda la zona de apertura de la válvula,para igual cambio en el posicionamiento dx.Las válvulas de bola y las de mariposa presentan características similares a las válvulasde igual porcentaje, ello debido a la forma rotatoria que tiene su apertura.

50

Figura 6: Característica típica de abertura de una válvula de igual porcentaje.

Válvulas de Apertura RápidaOtras de uso común, como lo son las válvulas de apertura rápida presentan unacaracterística de apertura con una curvatura opuesta a la presentada por la válvula deigual porcentaje. Una característica típica para una válvula de apertura rápida se observaen la figura 7.

Figura 7 : Característica típica de una válvula de apertura rápida

Válvulas de Tipo Lineal

En ocasiones cuando por decisiones mecánicas de funcio-namiento es necesario utilizarválvulas de bola o de mariposa, es deseable una caracte-rística lineal para la válvula. Unode los métodos para lograr tal propósito es utilizar un divisor, como lo muestra la figura8.

0

0 ,1

0 ,2

0 ,3

0 ,4

0 ,5

0 ,6

0 ,7

0 ,8

0 ,9

1

0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 1

X

f(x)

0

0 ,1

0 ,2

0 ,3

0 ,4

0 ,5

0 ,6

0 ,7

0 ,8

0 ,9

1

0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 1

X

f(x

)

51

Figura 8 : Divisor para linealización

En este tipo de conexión la válvula es accionada por F(m), que presenta unacaracterística inversa a la mostrada por la válvula de igual porcentaje, logrando que elconjunto presenta una característica lineal (ver figura 9).

Figura 9 : Característica linealizada de una válvula de igual porcentaje

La característica F(m) esta dada por la ecuación:

F(m)=m/z+(1-z)m (4)

En donde z es un parámetro que permite regular la curvatura de F(m). En particular,recordando la característica de una válvula de igual porcentaje, para lograr unacaracterística lineal z debería tomar la expresión:

z= (1/R)1/2 (5)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

m

f(m)

Z=0.1

Z=0.3Z=0.2

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X

f(x)

Carácterísticalinealizada

Válvula

F(m)

52

Criterio de Selección de la Válvula

Consideraciones básicas para una adecuada selección de una válvula de control:

• Rangos y límites de presión en el cuerpo.• Capacidad de flujo y tamaño.• Características del flujo (gas, líquido, pulpas) y rangos del proceso.• Límites de temperatura.• Corte a la filtración (hermeticidad)• Caída de presión (en corte y con flujo). Fenómeno de Cavitación y ”Flashing".• Requerimientos de conexión en los extremos.• Compatibilidad y durabilidad de los materiales con que se construye.

DDiimmeennssiioonnaammiieennttoo ddee VVáállvvuullaass

Para el dimensionamiento de la válvula, no solo se debe elegir por el tamaño de la tuberíasi no se debe considerar el tipo de flujo (gas, líquido, pulpas) y condiciones del proceso.Daniel Bernoulli planteó la siguiente relación (básica) para el fluido líquido sinturbulencias e incomprensible:

Donde:

Q : Caudal [gpm]Cv : Coeficiente de capacidad de la válvula. Se determina por pruebas y está tabuladopara distintos diámetros y tipos de válvulas. Depende de las dimensiones internas y de larugosidad.

P1 : Presión aguas arriba [psi]

P2 : Presión aguas abajo [psil

P : Caída de presión entre flanches [psi]

G : Gravedad específica del fluido.

G

PCv

G

PPCvQ

∆=−= 21

53

Actualmente, existen en el mercado programas computacionales creados por losproveedores, los cuales realizan cálculos para dimensionar válvulas según el procesodonde van ser empleados, tales como:

Válvulas Inteligentes

Estas válvulas aparecieron gracias al desarrollo de losmicroprocesadores, contiene un controlador digital ysensores de medición de temperatura, caudal y presiónmontados en la propia válvula. El controlador digitalcontrola la presión manométrica antes o después delorificio de la válvula, y la temperatura o el caudal, y envíala señal de salida al módulo del posicionadorelectroneumático acoplado al actuador.Cada válvula tiene grabada en una memoria ROM la variación de Cv corresponde alintervalo 0 al 100% de abertura de la válvula y el valor de factor de recuperación Cf, loque permite conocer y controlar el caudal que esta pasando a través de la válvula,gracias al microprocesador que calcula el caudal utilizando las formulas correspondientes(fig.5).

54

EEll ssooffttwwaarree ppeerrmmiittee sseelleecccciioonnaarr llaa ccaarraacctteerrííssttiiccaa ddeesseeaaddaa ddee llaa vváállvvuullaa::

• Lineal• Igual porcentaje• Apertura rápida y• La que puede especificar el usuario.

Las válvulas inteligentes aceptan la entrada del valorexterno del punto de consigna y la comunicación digitala través de la interfaz RS-485 con el protocolo adecuadopara comunicarse con los sistemas de controldistribuido. De este modo, accede a los valores de lavariable de proceso, el punto de consigna y las alarmas.La válvula inteligente puede efectuar un diagnostico desi misma al medir la carrera del vástago y las presionesdel actuador. Puede captar el excesivo rozamiento delvástago o el pegado de las partes internas. Ademáspermite llevar el proceso a una condición de seguridaden el caso de problemas graves. Por ejemplo, si sepierde la comunicación con el control distribuido, el sistema puede ser programado paraconducir la válvula a una posición de seguridad que impida la pérdida del material o paraprevenir una condición de peligro para el operador de la planta.

Conversores Electrónicos

Estos elementos se comportan parecida a una válvula de control; varían la corriente enla línea de alimentación a la carga en las misma forma en que una válvula cambie elfluido en un tubería.A continuación se detallará el conversor más usado en la industria:

P 4

P 5 I P

T

P 1 P 2

P os ic ión

Com unic ac ión RS -485(c ontrol dis tribuido,.. .)

S elec tor

Tem perturaF lujo

P os ic ión

RO MCv F1

P∆ P 1 P 2

55

Rectificadores Controlados de Silicio

Estos emplean rectificadores de silicio que bloquean el paso de la corriente en sentidoinverso, igual que los convencionales, pero que además la bloquean en sentido directohasta que no se aplica una pequeña señal en el terminal de control o puerta. Una vez elrectificador pasa al estado de conducción la señal puede desconectarse y aquél puedecontinuar en el mismo estado hasta que la corriente no cambie de sentido. No hay nuevopaso de corriente si la excitación no enciende nuevamente el rectificador (figura 10a).

Figura 10a: Rectificador controlado de silicio(SCR)

Existen dos sistemas de encendido:

Por ángulo de desfase entre la corriente alterna de carga y el impulso de excitación(phase control).Por encendido discreto con disparo en el instante de cruzar el valor cero la corrientealterna de carga (zero cross switching).

En sistema de ángulo de fase, la carga se alimenta con una corriente alterna recortada enun porcentaje controlado en cada ciclo, tal como se observa en la figura 10b. La señal depuerta que selecciona la parte deseada de potencia de esta corriente de alimentación dela carga, es un impulso de corta duración y a la misma frecuencia de la corriente.

Figura 10b: Rectificador controlado de silicio(SCR)Figura 11: Triac

Para aprovechar el semiciclo negativo se suelen utilizar otro elemento SCR en oposición obien su equiva-lente, una unidad triac (figura 11).

C a r g a

C o n t r o l

A n o d o

C a t o d o

C a b l ep u e r t a

I m p u l s op u e r t a

a ) R e c t i f i c a d o r

b ) C u r v a s

A n g u lo e n c e n d id o 0 o

P o t e n c ia M á x im a

A n g u lo e n c e n d id o 9 0 o

1 / 2 P o t e n c ia M á x im a

A n g u lo e n c e n d id o 1 8 0 o

P o t e n c ia n u la

C a rg a

C o n t ro l

T R IA C

56

El sistema de encendido de ángulo de fase puede aplicarse en el control de cargasresistivas e inductivas. En las figuras 12 y 13 se representan el control de ésta con lasondas de tensión y corriente correspondientes.Se observará que la forma de la onda de la corriente de carga tiene muchos armónicosdebido a que queda muy recortada. Esta forma de onda produce inferenciaselectromagnéti-cas ya que la corriente de carga crece abruptamente al pasar del valorcero al valor nominal en unos pocos microsegundos, desarrollan-do así unas potenciastransitorias y una distorsión importantes que pueden afectar el funcionamiento de otrosaparatos de control que se alimenten de la misma fuente.

Figura 12: Control de una carga resistiva Figura 13 : Control de una carga inductiva

Un circuito de filtrado puede reducir la energía de interferencias, pero si la potencia decarga es elevada el filtro llega a ser voluminoso y caro, inclinando la selección al sistemade encendido discreto por disparo al paso de cero, una de cuyas características es laeliminación virtual de las interferencias de radiofrecuencia.Un circuito de filtrado puede reducir la energía de interferencias, pero si la potencia decarga es elevada el filtro llega a ser voluminoso y caro, inclinando la selección al sistemade encendido discreto por disparo al paso de cero, una de cuyas características es laeliminación virtual de las interferencias de radiofre-cuencia. antes de que la tensión delínea cruce el valor cero, en número proporcional a la señal de control de 4-20 mA c.c. Siesta señal es, por ejemplo, de 12 mA c.c. y la base de tiempo o duración de ciclo es de 1segundo, a la carga pasaran 30 ciclos (On) y dejarán de pasar 20 ciclos (Off), tal comopuede verse en esta figura.El circuito de encendido discreto se emplea con preferencia para cargas resistivas encalentamiento de hornos. En cargas ligeramente inductivas puede utilizarse conprecaución siempre que se limite el ángulo de encendido para evitar que la componenteinductiva de la corriente dispare el circuito de protección (debe ser casi cero antes delencendido de la media onda). Las unidades SCR requieren un sistema de protección paralimitar la corriente de carga, en particular en el calentamiento de hornos donde el valorde las resistencias de calefacción varía del estado frío al estado caliente o de régimen.Estas limitaciones pueden ser automáticas o manuales, recomendándose la primera enhornos con elementos de calefacción de molibdeno o de platino.Las condiciones más desfavorables de funcionamiento se tienen en el arranque ya que alaplicar la tensión total pasa una corriente excesiva, lo cual acorta la vida útil del elementocalefactor y sobrecarga el equipo de protección.El proceso continua hasta el funcionamiento normal, en el cual el limitador de corrienteno tiene prácticamente influencia.

T e n s i ó nA l i m e n t a c i ó n

T e n s i ó nC a r g a

T e n s i ó nS C R


R

L

T e n s i ó nA l i m e n t a c i ó n

T e n s i ó nS C R



57

Figura 15: Circuito de encendidodiscreto Figura 16: Limitador automático de corriente

El tiristor necesita también una protección contra tensiones transitorias y fusibles comoprotección contra sobrecorrientes.Los rectificadores de silicio controlado van provistos de indicadores del porcentaje decorriente de carga, graduada 0 - 100%, de un conmutador automático-manual y de unmando manual para el ajuste de la carga.

Las características de aplicación de SCR son los siguientes:

• Ganancia extremadamente alta con un limite de 10.000 o superior.• Su salida mínima es de 0 V. Ello indica que la potencia de alimentación a la carga

puede anularse completamente.• Baja caída de tensión de modo que a la carga puede aplicarse de 96 a 99% de la

tensión de línea.• El tiempo de respuesta es corto.• Son de pequeño tamaño.•• NNeecceessiittaann uunnaa pprrootteecccciióónn ccoonnttrraa ccoorrrriieenntteess ttrraannssiittoorriiaass..• Su potencia nominal debe disminuirse si aumenta la temperatura de servicio

BBoommbbaass DDoossiiffiiccaaddoorraass

Estos son accionadas por actuadores neumáticos o eléctricos y son utilizadasprincipalmente en el envío de cantidades precisas de líquidos para mezclas, en caso talescomo el control de pH, tratamiento de aguas, adición de productos en la industriaalimenticia, etc., aplicaciones que se caracterizan por bajos caudales, altas presiones,altas viscosidades, etc.

VVaarriiaaddoorreess ddee FFrreeccuueenncciiaa

Cuando se requiere accionamiento eléctricos de velocidad variable, se utiliza en laactualidad motores eléctricos AC (usualmente de Inducción) manipulados por Variadoresde Frecuencia.

Tens ión

Corriente

P rim rac onm utac ion

S eñal de

30 c ic los on

1 s egundo = 50 c ic los

20 c ic los off

30 im puls os 20 im puls os

1 s egundo = 50 im puls os

C o n t r o l a d o r

A m p l i f i c a d o rm a g n é t i c o

L i m i t a d o rd e c o r r i e n t e

C a r a g a

Bobin

a satu

rable

o tiris

tor

A l i m e n t a d o r

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Estos sistemas, más eficientes y confiables, han venido a reemplazar a los antiguossistemas a base de motores DC accionados por rectificadores controlados.En las Plantas Concertadoras es posible encontrar este tipo de accionamiento en el controlde la velocidad de las Correas Transportadoras, y en el control de las distintas bombaseléctricas que existen en el sistema (la que eleva la pulpa a los hidrociciones, porejemplo), ventiladores, etc.

Un Variador de Frecuencia es un elemento electrónico de potencia capaz de entregarseñales eléctricas de frecuencia, y en ocasión amplitud, variables. Los esquemas de losvariadores de frecuencia constan básicamente de tres partes: Una etapa rectificadora, unfiltro pasabajos, y un inversor (ver Figuras 17a y 17b).

Figura 17a: Esquema básico de variador de frecuencia

Cuando se requiere una señal alterna de amplitud fija, 220 Volts por ejemplo, se utilizaun rectificador sin control a base de Diodos (también SCR con ángulo de disparo fijo,pudiéndose así en casos de emergencia desconectar el Rectificador por la simpleinterrupción de los disparos). Sí se quiere manipular la amplitud de la salida debeutilizarse Rectificadores Controlados, o a su vez agregar un Conversor DC-DC (Chopper).Para atenuar el efecto de las armonices, y para mejorar la eficiencia del sistema, losrectificadores son normalmente de 6 pulsos. En ocasiones, cuando es especialmentenecesaria una baja emisión de armonices, se suele utilizar rectificadores de 12 pulsos.Los Inversores, llamados también Conversores DC - AC, son los encargados de proveer, apartir de la alimentación DC proporcionada por el rectificador, la señal con la frecuenciadeseada. Estos dispositivos constan de una serie de interruptores electrónicos de potencia(transistores del tipo IGBT) para potencias bajas y medianas, Tiristores tipo GTO parapotencias más altas, los cuales al ser accionados secuencialmente construyen señales dela frecuencia deseada (ver figuras 18a, 18b y 18c ).

V A R I A D O RD E

F R E C U E N C I AM O T O R

1 0 0 0 R P MR P M

F r e c u e n c i a V e l o c i d a d

S e ñ a l d e m e d i c i ó n

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Figura 18: Formas de onda típicas de salida en Inversores

Como puede verse de la figura, las señales en la salida de los Variadores, si bien sonalternas, no son sinusoidales. Ello implica la presencia de armónicas. Así, por ejemplo, enla señal cuadrada de la figura Figura 20 (a) están presentes todas las armónicas impares.Como puede verse en la Tabla 1 algunas de las armónicas son de bastante magnitud encomparación de la fundamental deseada, de modo que en aplicaciones de cierta potenciaello podría significar la contaminación de la red de alimentación y de los equiposelectrónicos que se encuentren en la cercanía, siendo en algunos casos necesarioproporcionar blindaje a los mismos.Las armónicas afectan también el funcionamiento de los motores a los cuales estaconectado el Variador de Frecuencia. Así, en el caso de los motores trifásicos, lasarmónicas 50, 110 ,170, etc, etc producen torques, de magnitud menor, en el sentidocontrario de movimiento del eje del motor. A su vez la Frecuencia Fundamental, la de 70,130, etc., armónicas producen torques en el sentido de giro, mientras que las armónicas30, 90, 50, etc., no tienen efecto sobre el giro del motor. El conjunto produce torquespulsantes en el motor, hecho el cual contribuye a un sobrecalentamiento del mismo.

)( E

R o

T

t

( a )

)( E

R o

T

t

( b )

)( E

R o

T

t

( c )

60

Para atenuar el efecto negativo de las armónicas es que la mayoría de los variadores defrecuencia usan la técnica de Modulación de Ancho de Pulso (PWM) para la construcciónde las señales de salida. Ello permite atenuar el efecto de las armónicas, eliminandoincluso algunas de ellas. La figura siguiente muestra una señal de salida construida conPWM.

Los Variadores de Frecuencia ofrecen además diversas funciones utilitarias que permitenel mejor manejo de los motores.

)( E

R o

T

t

(a )

)( E

R o

T

t

(b )

)( E

Ro

T

t

(c)

Armonica Magnitud % FundamentalFundamental(10) 1.2733E& 100.0

30 0.4244 E& 33.350 0.2546 E & 20.070 0.1819E& 14.390 0.1415E& 11.1

61

Entre ellas es posible destacar las siguientes:

a) Freno de los Motores: Existen varios modos en que se puede lograr esta acción.

• Inyección de corriente continua al motor. Con ello se genera un Par de Frenadoque detiene el giro del motor.

• Freno de Retención. Ello consiste simplemente en la acción de un relé que activaun sistema de frenado mecánico.

• Freno por acción regenerativa. Se logra consumiendo la energía generada por lamáquina cuando está generando. Ver figura 19.

Figura 19: Esquema de frenado con acción generatórica.

En variadores de gran potencia existe la posibilidad de aprovechar la acción generatóricapara devolver la energía a la red de alimentación. Ello exige naturalmente que el equiposea capaz de proveer los adecuados mecanismos de sincronización de frecuencia, fase yamplitud que una acción de esta naturaleza requiere.

Los Variadores de Frecuencia proveen la posibilidad de programar rectas de aceleración odesacelaración. Ello permite que los motores alcancen gradualmente la velocidad, o elfrenado deseada. También, en algunos casos, para evitar los sacudones en la partida o elfrenado es posible encontrar variadores de frecuencia que permiten redondear los inicioso finales de las rectas (ver figura 20).

AC/DC

DC/DC

Ro

So

To

R

S

T

DC/AC

ResistenciasDisparadas

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Figura 20 : Curvas de Aceleración y Desaceleración

Todo variador de Frecuencia ofrece generalmente la posibilidad de inversión de giro.Algunas versiones ofrecen además la posibilidad de compensar el deslizamiento en losmotores. En general existen Variadores de Frecuencia de pequeña, mediana, y granpotencia. Los primeros oscilan en potencias de alrededor de algunos Kwatt, los últimospueden llegar incluso a los 1500 Kw. En cuanto a frecuencias el rango más usual es de 0 -150 Hz, sin embargo es posible encontrar versiones de 0 - 300 Hz, y hasta de 0 - 600 Hz,naturalmente, estos últimos bajo la condición de que el motor sea capaz de trabajar aestas frecuencias. Los fabricantes ofrecen usualmente estos equipos con niveles deprotección IP-20, o IP-42, para el caso de aplicaciones mineras sin embargo, seríadeseable tener al menos un indice de protección IP-54.

Finalmente, en la actualidad se ofrecen versiones de Variadores de Frecuencia con dosdistintas filosofias de trabajo: Los variadores de accionamiento Vectorial, y los deaccionamiento Escalar. Los primeros hacen un control bastante más fino y eficiente sobrela velocidad y se utilizan en casos que requieren este tipo de requerimientos (control develocidad de molinos, por ejemplo). En el caso que nos ocupa, control de bombas ycorreas transportadoras, bastará con utilizar los basados en el principio de operaciónescalar.

R e d o n d e o d eP u n t a s

t

C u r v a s d eD e s a c e l e r c i ó n

C u r v a s d eA c e l e r a c i ó n

Veloc

idad,R

PM

INSTRUMENTACION 1

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