GUÍA PARA EL MANEJO DE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN UTILIZADOS EN LAS AUDITORÍAS ENERGÉTICAS

GUÍA PARA EL MANEJO DE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

UTILIZADOS EN LAS AUDITORÍAS ENERGÉTICAS

República Bolivariana de VenezuelaMinisterio del Poder Popular

para la Energía Eléctrica

2015

Mirla Crespo, Leadina Sánchez Carmen Vásquez

Jesse Chacón Escamillo Ministro del Poder Popular para la Energía Eléctrica y Presidente de Corpoelec

Franco Javier Silva Ávila Viceministro de Servicio Eléctrico

Dalila Hernández Medina Viceministra para Nuevas Fuentes y Uso Racional de la Energía Eléctrica

Henry José Fernández Salas Viceministro de Finanzas, Inversiones y Alianzas Estratégicas

Freddy Claret Brito Maestre Viceministro para el Desarrollo del Sector y la Industria Eléctrica

Tcnel. Víctor Mora Moreno Director General (E) del Despacho

Dalila Hernández Medina Viceministra para Nuevas Fuentes y Uso Racional de la Energía Eléctrica

Tania Masea Directora General de Uso Racional y Eficiente de la Energía Eléctrica

Onex Arocha Coordinador de Gestión Eficiente de la Energía en el Usuario Final

Carlos Cruz Emilio Padrón Leopoldo Molina Freddy Chávez

DIRECTORIO MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA ENERGÍA ELÉCTRICA

VICEMINISTERIO PARA NUEVAS FUENTES Y USO RACIONAL DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA

Equipo de Trabajo

OFICINA DE COMUNICACIÓN Y RELACIONES INSTITUCIONALES

Nieves Betzaida Valdez Mederico Directora General de la Oficina de Comunicación y Relaciones Institucionales

Nelly Lorenzo Directora Adjunta

Nataly Castillo Coordinadora de Comunicación e Información

Arnaldo Tavío Yabrudy Coordinador Editorial

Correctores Argenis Girón Gertrudis Sarache Zenaida Hernández

Fotógrafos Felipe Bello Eliécer Quijada

Diseño y Diagramación Hans Padrón, Daniel Zapata, Nicolas Gutiérrez, Juan José Ospedales

Ministerio del Poder Popular para la Energía Eléctrica Área Postal: 1010 Municipio Libertador, Distrito Capital República Bolivariana de Venezuela

www.mppee.gob.ve [email protected] Twitter: @mppee

Depósito Legal: lf75220143003440

INDICE Resumen

Auditoría energética

Medidas de seguridad

Errores de la medición

Voltímetro

Pinza amperimétrica

Multímetro

Anemómetro

Termómetro

Higrómetro

Manómetro

Medidor de ultrasonido

Caudalímetro

Luxómetro

Registrador de parámetros eléctricos o analizador de redes

Termógrafo o cámara termográfica

7

9

11

14

17

21

25

28

31

37

40

44

48

53

55

61

GUÍA PARA EL MANEJO DE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN UTILIZADOS EN LAS AUDITORÍAS ENERGÉTICAS

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RESUMEN

Las auditorías energéticas son un importante proceso necesario para definir, entre otros aspectos, el uso que se le da a la energía en una instalación. Este proceso debe ser sistémico y requiere de instrumentos que permitan caracterizar los consumos o usos finales dados a la energía. Debido a la importancia que el proceso reviste, es necesario que las personas que se dedican a realizar las auditorías, tengan conocimiento sobre los instrumentos o equipos de medición. La presente guía fue elaborada con ese propósito. En ella, el lector encontrará, en primer lugar, dos secciones consideradas introductorias; una, dedicada a las acciones de seguridad que se deben cumplir para salvaguardar la vida de las personas y de los equipos al realizar las mediciones, y otra, dedicada al cálculo de errores. Posteriormente, se dedican secciones a los siguientes instrumentos: voltímetro, pinza amperimétrica, multímetro, anemómetro, termómetro, higrómetro, manómetro, medidor de ultrasonido, caudalímetro, luxómetro, analizador de redes y cámara termográfica. En cada una de estas secciones, el lector encontrará las definiciones de las variables a medir, los modos de instalación y uso, la interpretación de los resultados y ejemplos de aplicación.

Palabras clave: Auditoría energética, instrumentos de medición, seguridad en la medición, errores de medición.


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AUDITORÍA ENERGÉTICA

En las normas EN 16247-1:2012 y UNE 216501:2009, se encuentran definiciones para una auditoría energética. Según la norma española UNE 216501:2009, una auditoría energética se define como un “proceso sistémico, independiente y documentado para la obtención de las evidencias y evaluación objetiva en una organización o parte de ella con objeto de:

1. Obtener un conocimiento confiable del consumo energético y su coste asociado.

2. Identificar y caracterizar los factores que afectan al consumo de energía.

3. Detectar y evaluar las distintas oportunidades de ahorro, mejorar la eficiencia y diversificación de la energía y su repercusión en el coste energético y de mantenimiento, así como de otros beneficios y costes asociados”.

De manera similar y según la norma europea EN 16247-1:2012, una auditoría energética consiste en una inspección sistemática y en el análisis del uso y consumo de la energía de un lugar, edificación, sistema u organización, con el objetivo de identificar los flujos de energía y el potencial de mejora de la eficiencia energética y reportar los resultados.

La metodología recomendada para realizar una Auditoria Energética, se muestra en la Figura 1 y se describe, de manera general, en la Tabla 1.

Como se observa, la Auditoría Energética requiere, en su proceso, de instrumentos de medición para caracterizar el uso que se le da a la energía y detectar las posibilidades de disminución del consumo y la demanda. Este proceso debe ser realizado por las Unidades de Gestión Energética (UGE). Adicionalmente, para los fiscalizadores es indispensable que tengan el conocimiento sobre las formas de uso y calibración de los instrumentos utilizados en las mediciones. En este sentido, la presente guía tiene como propósito dar a conocer las definiciones de las variables a medir, los modos de instalación y uso, la interpretación de los resultados y ejemplos de aplicación de los siguientes equipos: voltímetro, pinza amperimétrica, multímetro, anemómetro, termómetro, higrómetro, manómetro, medidor de ultra sonido, caudalímetro, luxómetro y analizador de redes.

Figura 1. Metodología de una Auditoría Energética

Toma de datos

Diagnóstico Energético

Propuesta de medidas

de Ahorro

Evaluación de las medidas propues-

tas de ahorro


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Tabla 1. Pasos de una Auditoría Energética

FASE DESCRIPCIÓN

Toma y registro de datos

Se toman y registran los consumos de energía y demanda del sistema eléctrico, a través de los

valores obtenidos en sus facturas y de la medición directa con un analizador de redes instalado

en los tableros principales. Adicionalmente se determina la contribución en el consumo de los

equipos instalados a través de un inventario y de las mediciones de intensidad de corriente, tensión,

potencia, temperatura, humedad, iluminación , armónicos, velocidad del aire en las rejillas de

los ductos de aires acondicionados, entre otras. Generalmente se incluye como etapa previa la

actualización del diagrama eléctrico de la instalación.

Diagnóstico Energético

Se determina la contribución porcentual por área y equipo en los consumos de energía y demanda

del sistema, entre las que destacan climatización, iluminación, sistemas motrices, dentro de la

instalación.

Propuesta de medidas de uso racional y

eficiente de la energía

Se establecen las medidas que permitan a corto, mediano y largo plazo lograr la disminución del

consumo de energía y la necesidad de demanda de la instalación.

Evaluación de las medidas propuestas

Se realiza una evaluación preliminar técnica, económica y ambiental, de las alternativas

propuestas, que sirva de información para la toma de decisiones de la organización.


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MEDIDAS DE SEGURIDAD

Para entender los procedimientos empleados para garantizar la seguridad eléctrica, en el momento de realizar mediciones se requiere el conocimiento de la naturaleza de los peligros de la electricidad. La mayoría de las personas están familiarizadas con el choque eléctrico. Esta experiencia es frecuentemente dolorosa y deja recuerdos indelebles en la mente humana. Sin embargo, el choque eléctrico es solamente uno de los peligros de la electricidad, existiendo adicionalmente el arco eléctrico y la explosión. La Tabla 2, muestra una descripción general de estos peligros.

La seguridad es en definitiva un problema de preocupación personal. En la mayoría de los accidentes eléctricos, la víctima se considera el último eslabón de la cadena ya que el empleo de procedimientos y equipos de seguridad apropiados lo hubieran evitado. El equipamiento y los procedimientos pueden haber existido, pero en última instancia es la persona quien toma la decisión de usarlos o no. Las personas deben estar conscientes que esta decisión final puede significar la vida o la muerte.

Los pasos que se señalan a continuación, son todos individuales y deben ser seguidos por cada persona que trabaje en o en las proximidades de las instalaciones y conductores eléctricos energizados y comúnmente se le denomina Método de seguridad de los seis (6) pasos.

1. Piense (esté consciente de lo que está haciendo). Muchos accidentes pudieran ser evitados si la víctima lesionada se hubiera concentrado en los aspectos de seguridad. Una manera fácil de sufrir un accidente es pensar en problemas mientras se trabaja próximo a instalaciones o conductores energizados. Siempre esté alerta a los peligros alrededor del área de trabajo.

2. Entienda los procedimientos de trabajo. Cada laboratorio, empresa o instalación eléctrica tiene definidos sus procedimientos de seguridad. Cada persona debe estar completamente familiarizada con todos los procedimientos de seguridad que afectan su labor. El conocer los pasos requeridos y sus razones pueden salvar una vida.

3. Siga los procedimientos. En el pasado se ha permitido la violación de los procedimientos de seguridad, tales acciones han probado ser costosas en términos de sufrimiento humano y muertes. La violación de un procedimiento de seguridad sin una buena razón se convierte en un delito condenable.

4. Utilice los equipos apropiados de seguridad. Independientemente de lo meticuloso que puedan ser las personas, en algunas ocasiones los accidentes ocurren. Fallas en los equipos, desperfectos mecánicos, descargas eléctricas y otras causas pueden provocar choques eléctricos, arcos o explosiones. Cuando sea necesario trabajar próximos a instalaciones o conductores energizados, lo cual incrementa la posibilidad de un contacto accidental, debe utilizarse los equipos de seguridad apropiados.

5. Pregunte si usted no está seguro. La ignorancia lesiona a muchas personas cada año. Nadie se lesiona por realizar una pregunta y, especialmente, si está relacionada con la seguridad.


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Cualquiera que no esté seguro acerca de una situación particular debe sentirse animado a realizar preguntas, que deben ser respondidas inmediatamente y con la mayor amplitud posible por un personal calificado.

6. No conteste si usted no sabe. Nadie debe responder una pregunta si no está completamente seguro de la respuesta. Los que se autoproclaman expertos deben mantener sus opiniones para ellos mismos.

Tabla 2. Peligros de la electricidad

PELIGRO DEFINICIÓN

Choque eléctrico

El choque eléctrico es la estimulación física que ocurre cuando una corriente eléctrica circula a través del cuerpo. El efecto que tiene sobre el

cuerpo humano depende de la magnitud del flujo de corriente, la parte del cuerpo a través de la cual la corriente fluye y, en general, de las condiciones

físicas de las personas afectadas.

Arco eléctrico

El arco eléctrico ocurre cuando una cantidad apreciable de corriente fluye a través de lo que

anteriormente había sido aire. Puesto que el aire no es conductor, el flujo de corriente circula a través de los vapores del material de los terminales del

arco y las partículas de aire ionizado. Esta mezcla de materiales a través del cual la corriente del arco

fluye, se conoce como plasma.

Explosión

La explosión ocurre cuando existe cierta sobrecarga en cualquier elemento del sistema eléctrico, trayendo

como consecuencia pérdidas sustanciales en los equipos, tanto de medición como los sometidos a pruebas y ensayos. Se debe evitar al máximo este

accidente, debido a que las consecuencias que acarrea pueden ser severamente traumáticas para las

personas que manejan los equipos, ya que pueden ocasionar golpes y quemaduras.


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La responsabilidad de las personas, la seguridad de la instalación, las prácticas seguras de trabajo y el entrenamiento, se combinan para crear un ambiente de seguridad laboral, que en definitiva debe ser el objetivo a lograr en cada instalación.

El responsable de la seguridad personal es uno mismo. No existen regulaciones, reglas o procedimientos que puedan reemplazar la autodisciplina y el sentido común en su lugar de trabajo. Como se mencionó anteriormente, y según la experiencia en la investigación de accidentes, el trabajador lesionado es el último eslabón de la cadena, ya que si éste hubiera estado usando los equipos de seguridad adecuados, o siguiendo los procedimientos apropiados, se habrían evitado las lesiones.

Dentro de los equipos que garantizan la seguridad en el momento de realizar las mediciones en una instalación energizada, y que garantizan la seguridad personal, se encuentran: el casco de seguridad aislante, los lentes o gafas inactínicas, guantes y botas o calzado de seguridad.

Los cascos de seguridad aislante protegen de choques, golpes y caídas, de proyección de objetos y, adicionalmente, de contactos que pueden ocasionar una electrocución. Su banda se debe ajustar al contorno perímetro de la cabeza, para su empleo adecuado. Su uso es personal y se estima una vida útil máxima de 10 años (Porras y Guerrero, 2006). Para su conservación y mantenimiento, se recomienda:

• La comprobación visual del buen estado cada vez que se utilice.

• Limpieza con agua jabonosa periódicamente.

• La reposición de sus partes cuando sea necesario.

• Su reemplazo total siempre que haya habido un impacto violento.

• Almacénelo en lugares secos, ventilados y protegidos de focos caloríficos o químicos abrasivos, entre otros.

Los lentes o gafas inactínicas protegen los ojos contra el deslumbramiento producido por un cortocircuito. Para su modo de empleo, éstas se deben ajustar al adaptador del casco y abatir el visor. Porras y Guerrero (2006), para su conservación y mantenimiento recomiendan:

• La comprobación visual del buen estado de las pantallas y adaptadores cada vez que se utilicen.

• Limpieza con agua jabonosa periódicamente y el secado con paño seco.

Los guantes aislantes de caucho protegen las manos de los contactos directos a tensión, según la norma COVENIN 761 (1997), los clases 0, recomendados para sistemas de tensión nominal inferior a 600 V, tienen una tensión de ruptura de 6.000 V y 35.000 V. Adicionalmente, existen los guantes ignífugos y de protección mecánica. El ignífugo, que se utiliza debajo de los guantes aislantes, protegen las manos de la posible fusión del guante de caucho al producirse un arco eléctrico ya que son fabricados a base de fibras retardantes de la llama y de baja conductividad. Los de protección mecánica se ubican por encima de los aislantes y protegen a este guante. Es importante conocer las especificaciones de estos guantes, en cuanto a: tensión de utilización,


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fecha de fabricación, nombre del fabricante y certificación de las condiciones de uso. Porras y Guerrero (2006), para su conservación y mantenimiento recomiendan:

• Una vez utilizados, guardarlos en sus bolsas, limpios y secos.

• No se pueden reparar.

• Los guantes aislantes deben ser verificados en condiciones de laboratorio cada seis (6) meses.

Las botas o calzado de seguridad tienen como propósito proteger contra tensiones de paso de hasta 8 y 20 kV en las pruebas de aislamiento en corriente alterna y continua, respectivamente, según lo establecido en las normas de prueba COVENIN 39 (1997). Estos se deben colocar debidamente sujetos al pie de forma que no exista la holgura que facilite la penetración de cuerpos extraños. Similar a los demás equipos de protección, Porras y Guerrero (2006) para su conservación y mantenimiento recomiendan:

• Una vez utilizados, guardarlos limpios y secos.

• No se pueden reparar.

ERRORES DE LA MEDICIÓN

Cuando se realizan mediciones, se debe estar consciente de que el valor arrojado por el instrumento con que se mide y el verdadero valor de la magnitud, pueden presentar diferencias. Esto es lo que define al error de la medición.

Formas de expresar los errores

Error absoluto: es la diferencia entre el valor leído y el real. Se considerará valor real, el obtenido mediante un instrumento de alta exactitud, denominado patrón. La ecuación (1) muestra esta relación.

(1)

Error relativo: es expresado en porcentaje del valor de magnitud medida, de acuerdo a la ecuación (2).

(2)

El error relativo es una indicación del grado de precisión de la medición: a menor error relativo, mayor precisión de la medida efectuada. El error de medición con el signo contrario se conoce como la corrección de la medida. Para obtener el valor real de la magnitud medida, se suma la corrección al valor obtenido por la medición, como establece la ecuación (3).

(3)


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Clase de precisión

La clase de precisión de un instrumento es un número (valor) que define el grado de precisión de un instrumento. Se determina mediante la ecuación (4).

(4)

La aplicación es como a continuación se describe en la Tabla 3.

Tabla 3. Clase de los instrumentos de medición

Características de los instrumentos

Resolución: Es la mínima división de la escala del instrumento, por ejemplo: I=0,01 A en cierto amperímetro.

Sensibilidad: Esta característica es específica de instrumentos de tipo analógico. Es el número de divisiones de la escala que recorre el indicador del instrumento cuando la magnitud a medir varía en una unidad. En todos los aparatos existe una variación mínima de la magnitud que no es apreciada por el instrumento y se denomina “umbral de sensibilidad”. Dicha variación es menor que la resolución.

Fidelidad: Es la cualidad del instrumento de dar el mismo resultado siempre que se mide la misma magnitud física en las mismas condiciones experimentales y distintas condiciones ambientales del aparato (temperatura, tensión de alimentación, entre otras).

Precisión: Es la característica que nos indica globalmente el error debido al umbral de sensibilidad y la falta de fidelidad del aparato. Se suele dar como un tanto por ciento del fondo de escala (FE). Por ejemplo: un amperímetro de precisión 2% del FE.

CLASE TIPO DE INSTRUMENTO

0,1 y 0,2Instrumentos de gran precisión, utilizados para

investigación

0,5 Instrumentos de precisión para laboratorio

1 Instrumentos de medidas portátiles

1,5 Instrumentos portátiles de corriente alterna (CA)

2,5 y 5 Instrumentos Fijos


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De estas características, la precisión es la que completamente nos indica el error de la medida debido intrínsecamente al instrumento, es decir, que no puede rebajarse salvo que midamos con un aparato más preciso.

Hay otros errores que afectan eventualmente a un instrumento, pero que pueden corregirse mediante calibrado, es decir, ajustándolos para que den medidas exactas o corrigiendo sus escalas tras una confrontación con un patrón o un aparato más preciso.

Debido a esta circunstancia, es necesario definir otra cualidad.

Exactitud: Es la capacidad de un instrumento de medir un valor cercano al valor real de la magnitud. Es una cualidad que indica el grado de calibración de un instrumento. Sólo un instrumento exacto permite medidas exactas.

Clases de errores

Errores sistemáticos

Se denomina errores sistemáticos a los que se repiten en forma consistente con la medida. Generalmente son originados por las características particulares del instrumento o por el observador. Como errores sistemáticos pueden listarse:

• Metodológicos

• Ambientales

• Personales

• Instrumentales

Errores accidentales

Son los cometidos aleatoriamente en cada medición y son debidos a causas imponderables. Al producirse aleatoriamente, las medidas se distribuyen alrededor del valor real, por lo que un tratamiento estadístico permite estimar su valor.

La evaluación del valor correspondiente a los errores accidentales se logra mediante el tratamiento estadístico de medidas repetitivas de la magnitud que desea determinarse. Para ello es conveniente repetir la medida varias veces. Como resultado de la medida se toma el valor medio de las mismas.

Para determinar el número óptimo de repeticiones, se realizan tres (3) medidas iniciales, a partir de las cuales se calcula la dispersión de la medida (D). Siendo la dispersión de una medida la diferencia entre el valor máximo y el mínimo obtenidos, dividido entre el valor medio, expresado en tanto por ciento, obtenido según la ecuación (5).

(5)


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Si el valor de la dispersión es mayor del 2%, es necesario realizar mayor cantidad de medidas. En la Tabla 4, se indican cantidades recomendadas de medidas.

Si se ha repetido la medida N veces, la desviación típica se calcula según la ecuación (6).

VOLTÍMETRO

La tensión es la diferencia de potencial entre dos (2) puntos de un circuito eléctrico. Puede entenderse como la presión que ejerce una fuente de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz (fem) sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el flujo de una corriente eléctrica y, en consecuencia, el aprovechamiento de la energía eléctrica. En el Sistema Internacional (SI) la unidad de la tensión es el voltio, simbolizado con la letra V.

Niveles de Tensión Normalizados en Venezuela

La tensión nominal se define como la tensión característica de funcionamiento de un equipo eléctrico (FONDONORMA 159-2005). En Venezuela, el servicio eléctrico se presta en corriente alterna de 60 Hz y es distribuido en baja, media y alta tensión. En la Tabla 5, se indican los valores normalizados para distribución de baja tensión.

Tabla 4. Cantidad de mediciones a realizar

Fuente: www.upv.es/jogomez/labvir/material/errores

DISPERSIÓN (%) CANTIDAD DE MEDICIONES

2 < D < 8 Realizar un total de seis (6) medidas

8 < D < 12 Realizar un total de quince medidas

D > 12 Mínimo 50 medidas


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Tabla 5. Tensiones Normalizadas en baja tensión

Fuente: FONDONORMA 159 (2005)

Limites de las variaciones de tensión

En la Tabla 6, se detallan los valores de tensión normalizados en los cuales es suministrado el servicio eléctrico por las empresas distribuidoras. Se especifican además los valores de tensión máxima y mínima permisibles tanto en condiciones normales de operación del sistema como en condiciones de emergencia.

SistemaTensión Nominal Campo de aplicación

recomendadoFases No. de hilos V

Monofásico 2 120 Residencial

3 120/240Residencial, pequeño comercio y alumbrado

público

3 240/480Alumbrado público y campos deportivos

Trifásico 4 208Y/120Residencial, comercial, edificaciones públicas y pequeñas industrias

3 240 Δ Uso restringido

4 480Y/277Comercial, edificios públicos e industrial

4 480 Δ Industrial

3 600Δ Industrial


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Tabla 6. Límites permisibles de la tensión de servicio del sistema en el punto de medición

Fuente: FONDONORMA 159 (2005)

El instrumento utilizado para medir los valores de tensión en los puntos de un circuito es el voltímetro. De acuerdo a su principio de funcionamiento, estos instrumentos pueden ser de tipo analógico o digitales. Los del tipo analógico son instrumentos electromecánicos constituidos por un galvanómetro cuya escala ha sido graduada en la unidad de voltios. Los de tipo digital dan una indicación numérica de la tensión, normalmente en una pantalla tipo cristal líquido. El sistema de medida emplea técnicas de conversión analógico-digital para obtener el valor numérico mostrado en la pantalla LCD. Estos instrumentos tienen disponibilidad para medir tensiones en corriente alterna (AC) y en corriente continua (DC)

Tensión Nominal(V)

Zona A Zona B

Tensión Mínima (V)

Tensión Máxima (V)

Tensión Mínima (V)

Tensión Máxima (V

120 114 126 108 132

240Δ 228 252 216 264Δ

120/240 114/228 126/252 108/216 132/264

240/480 198Y/114 218Y/126 216/432 264/128

208Y/277 198Y/144 218Y/126 187Y/108 229Y/132

480Y/277 456Y/263 504Y/291 432Y/249 528Y/305

480Δ 456 504 432 528

600Δ 570 630 540 660

Zona A: Tensiones comprendidas entre los límites establecidos para el punto de medición de energía suministrada por las empresas de suministro de energía

eléctrica en condiciones normales de operación.

Zona B: Tensiones por encima y por debajo de los límites de la zona A, que resulta de las maniobras o emergencias en los sistemas de suministro de energía

eléctrica.


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Los voltímetros comerciales más utilizados actualmente son de tipo digital, como el mostrado en la Figura 2.

Figura 2. Voltímetro digitalFuente: www.pce-iberica.es

PantallaLCD

Cables para la conexión

Bornes de conexión

Los voltímetros pueden ser fijos, siendo colocados de manera permanente en los tableros asociados al control de los equipos eléctricos, o portátiles para la realización de mediciones puntuales. Ambos casos se muestran en la Figura 3.

(a) (b)Figura 3. Voltímetros: (a) Fijo; (b) Portátil


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Figura 4. Conexión de voltímetro en un circuito

El voltímetro dispone de dos (2) bornes que se conectan a los puntos entre los cuales se desea determinar la tensión. Para realizar mediciones de tensión, los conductores de medición del voltímetro deben conectarse en los extremos o terminales del componente en el cual se requiere medir tensión, es decir, se conecta en paralelo con el componente. En la Figura 4, se puede observar un esquema circuital con la conexión de un voltímetro en paralelo al elemento del que se desea conocer la tensión.

Para garantizar la uniformidad y la precisión de las medidas, los instrumentos de medición eléctricos se calibran conforme a los patrones de medida aceptados para una determinada unidad eléctrica, como el ohmio, el amperio, el voltio o el vatio. Se recomienda su calibración una vez al año para garantizar la exactitud en las medidas.

PINZA AMPERIMÉTRICA

La corriente eléctrica consiste en el movimiento de los electrones en materiales conductores (como el aluminio o el cobre, entre otros), como consecuencia de la aplicación de una diferencia de potencial. El efecto de este movimiento se traduce en producción de calor, campo magnético y eléctrico en los cables y equipos por los cuales es transportada. La unidad de medida, en el SI, es el Amperio simbolizada con la letra A.

Capacidad máxima de corriente por calibre de conductor

En las instalaciones eléctricas, la energía es transportada por medio de los conductores. En las instalaciones interiores por lo general se usan cables, los cuales constan en su parte interna del elemento conductor propiamente dicho, que en la mayoría de los casos es de cobre o aluminio, y en su parte externa del material aislante.

Los conductores eléctricos poseen una capacidad de transportar corriente, que depende entre otros factores de la sección transversal, y en el caso de los cables, también está limitada por la capacidad térmica del aislante.


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Los diferentes tipos de aislamiento de los conductores están dados por su comportamiento térmico y mecánico, considerando también el ambiente y las condiciones de canalización a que se verán sometidos los conductores que protegen, a la resistencia a los agentes químicos, a los rayos solares, a la humedad, a altas temperaturas, llamas, etc. Entre los materiales usados como material aislante de conductores podemos mencionar el cloruro de polivinilo (PVC), el polietileno (PE), el caucho, la goma, el neoprén y el nylon.

Cuando un conductor no está aislado, el calentamiento por efecto Joule no afecta al conductor hasta que no se alcanza el punto de fusión del material. Sin embargo, cuando el conductor está aislado, este calentamiento puede involucrar el deterioro del aislamiento y acortar su vida útil.

Los fabricantes de conductores suelen proveer una serie de tablas contentivas de datos referentes a la capacidad de corriente de sus conductores, indicando la capacidad de corriente del mismo, en diferentes ambientes y condiciones.

Adicionalmente, el Código Eléctrico Nacional (CEN) presenta la capacidad de corriente de los conductores en función de su calibre, tipo de aislante, etc. Además, presenta los factores de corrección para temperaturas diferentes a 30 ºC.

Límites térmicos de los conductores

Los conductores aislados disponen de una capa de material aislante cuyo fin es proteger al conductor energizado del contacto con otros conductores o estructuras. Las intensidades máximas admisibles en servicio permanente, dependen en cada caso de la temperatura máxima que el aislamiento pueda soportar sin alteraciones de sus propiedades eléctricas, mecánicas o químicas. Esta temperatura es función del tipo de aislamiento y del régimen de carga. En la Tabla 7, se especifican las temperaturas máximas admisibles y en servicio permanente, para algunos tipos de conductores aislados.

Tipo y codificación de los conductores

Los conductores eléctricos pueden ser clasificados de acuerdo a diferentes factores, como lo son: su función, su tensión de servicio y la naturaleza de los componentes. De acuerdo a recomendaciones normativas, se ha establecido una designación abreviada para los conductores utilizados en instalaciones interiores, de forma que puedan identificarse fácilmente. Esta designación se realiza por medio de siglas que indican: tipo constructivo del cable o hilo; número, sección, naturaleza y forma de los conductores; tensión nominal; entre otras.

El tipo constructivo se designa por un grupo de letras que caracterizan los principales elementos constitutivos del conductor, en el orden sucesivo tecnológico de su fabricación.


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Tabla 7. Temperaturas máximas admisibles en servicio permanente para algunos tipos de conductores aisladosFuente: CEN (2002)

Medición de corriente

Para la medición de corriente, se utiliza normalmente un instrumento denominado amperímetro, el cual debe insertarse en serie con los elementos del circuito como se muestra esquemáticamente en la Figura 5.

TAMAÑO AWG

SECCIÓN mm2

60 ºC 75 ºC 90 ºC

Cu Al Cu Al Cu Al

14 2,08 15 15 25

12 3,31 20 15 20 15 30 25

10 4,26 30 25 30 25 40 30

8 8,36 40 30 45 40 50 40

6 13,3 55 40 65 50 70 55

4 21,1 70 55 85 65 90 70

3 26,7 80 65 100 75 105 80

2 33,6 95 75 115 90 120 95

1 42,4 110 85 130 100 140 110

0 53,5 125 100 150 120 155 125

00 67,4 145 115 175 135 165 145

000 85,0 165 130 200 155 212 165

0000 107,2 195 155 230 180 235 185

250 127,0 215 170 255 205 270 215

300 152,0 240 190 285 230 300 240

350 177,3 260 210 310 250 325 260

400 202,7 280 225 335 270 360 290

500 253,4 320 260 380 310 405 330

600 304,0 335 285 420 340 455 370

700 354,7 385 310 460 375 490 395

750 380,0 400 320 475 385 500 405

800 380,0 400 320 475 385 500 405

900 456,0 435 355 520 425 555 455

1000 506,7 455 375 545 445 585 480


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Figura 5. Conexión en serie de un amperímetro

Figura 6. Pinza amperimétricaFuente: www.cedesa.com.mx

Dado que en una instalación eléctrica no siempre es posible interrumpir el funcionamiento de los equipos para conectar un amperímetro, la medida de la corriente se puede realizar con un instrumento denominado pinza amperimétrica, la cual utiliza el campo magnético que genera la corriente que pasa por el cable del circuito para obtener indirectamente esta medida. Mediante una palanca o tecla, el aparato permite abrir y cerrar una pinza. Esta pinza, mostrada en la Figura 6, constituye el núcleo magnético del bobinado primario de un transformador de intensidad. En el interior de la pinza se encuentra el secundario de este transformador.

Modo de instalación y uso de las pinzas amperimétricas

Para utilizar una pinza, debe pasarse a través de la sonda uno (1) solo de los conductores del circuito objeto de medición, como muestra la Figura 7. Si se pasa más de un conductor a través del bucle de medida, lo que se obtendrá será la suma vectorial de las corrientes que fluyen por los conductores y que depende de la relación de fase entre las corrientes.

Si la pinza se cierra alrededor de un cable paralelo de dos (2) conductores que alimenta un equipo, en el que obviamente fluye la misma corriente por ambos conductores (de sentido o fase contrarios), mostrará una lectura de "cero". La selección de la escala debe efectuarse estando la pinza fuera del circuito.


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Figura 7. Uso de pinza amperimétricaFuente: www.pce-iberica.es

Figura 8. Multímetro DigitalFuente: www.aliexpress.com

MULTÍMETRO

Un multímetro es el instrumento que combina funciones para efectuar mediciones de diferentes magnitudes o variables eléctricas. Sus funciones básicas son, la medición de tensión, corriente y resistencia. Sin embargo, existen diversidad de modelos que pueden incluir además funciones para medición de otras magnitudes eléctricas como frecuencia, valores de capacitancia, entre otras. La Tabla 8, muestra las unidades y definiciones de las variables eléctricas que comúnmente pueden ser medidas por un multímetro. En la Figura 8, se muestra un multímetro digital.


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Los multímetros se clasifican, según su principio de funcionamiento, en analógicos y digitales. En los analógicos, la indicación de la magnitud medida se realiza por una aguja en una escala numerada, dotada de divisiones. Los digitales son instrumentos de medición de parámetros eléctricos mediante procedimientos electrónicos y se caracterizan por ser de alta precisión y amplio rango de medición de valores y tipos de parámetros. La forma de presentación de las mediciones es mediante una pantalla o display.

Las magnitudes medidas por un multímetro digital incluyen tensiones alternas y continuas, corrientes alternas y continuas, resistencias, conductancias, temperaturas, frecuencias, entre otras.

Tabla 8. Variables, unidades y definiciones de un multímetro

Especificaciones de los multímetros

La especificación de un instrumento de medición es una descripción detallada de las características del instrumento. La información incluida en las especificaciones que son dadas por los fabricantes de los instrumentos, incluye todos los parámetros que lo identifican y las condiciones de respuesta del mismo ante diversas condiciones ambientales y de lectura. Entre éstas, se tienen los rangos,

VARIABLE UNIDAD DE MEDIDA DEFINICIÓN

Tensión Volt (V)

Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un

circuito

Corriente Amper (A)Flujo de electrones por un conductor

Frecuencia Hertz (Hz)

Las señales de corriente y tensión

alterna (AC) son periódicas, es decir,

repiten un ciclo cada determinado

intervalo de tiempo. A la cantidad de

ciclos por segundo que efectúa la señal,

se le denomina frecuencia de la

señal; determinando dicha señal la frecuencia del

sistema eléctrico

Potencia Watt (W)

Capacidad instantánea de

absorber o entregar energía


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la exactitud, la precisión, la resolución, linealidad, los límites de temperatura y frecuencias de funcionamiento, las características de entrada, los valores máximo y mínimo de lectura, entre otros.

Modos de instalación y uso de un multímetro

La instalación de estos instrumentos va a estar asociada al tipo de magnitud que desea medirse. Para seleccionar el modo de funcionamiento del multímetro (voltímetro, amperímetro, ohmímetro) debe colocarse el selector en la posición correspondiente.

Medición de Tensión

Para la medición de tensión, las puntas de los conductores de medición se conectan en los extremos del componente o circuito a medir, similar a lo indicado para el voltímetro, es decir, el instrumento se conecta en paralelo. Para mediciones de voltaje, se deben elegir instrumentos con alta impedancia de entrada, a fin de minimizar el error de la medición.

Previo a la realización de la medición, se recomienda colocar el instrumento en la escala más alta que posea y luego se cambia hacia la más cercana, en función del valor leído.

A fin de obtener una lectura más precisa, se recomienda ajustar la escala al valor más próximo leído. El hecho de usar la escala más cercana posible, con un mayor número de dígitos en la pantalla, hace que la resolución de la lectura sea mayor, porque el último dígito discrimina mejor los valores pequeños de tensión a medir. También se tendrá que saber si la señal es alterna o continua, para seleccionar la opción adecuada.

Se debe verificar si el multímetro mide el verdadero valor eficaz, o si es de valor promedio calibrado para presentar en la pantalla el valor eficaz equivalente de una señal senoidal. Esto es importante porque los multímetros de verdadero valor eficaz, pueden leer ese valor con exactitud para cualquier señal senoidal o no senoidal (es decir, con presencia de armónicos) dentro del rango de frecuencias especificadas, que en lo normal van de unos 10 Hz a 100/200 kHz.

Los multímetros de valor promedio calibrado para presentar el valor eficaz senoidal, sólo en el caso de una señal senoidal pura, indicarán un valor correcto del valor eficaz. Para señales no senoidales ó distorsionadas, el valor indicado será incorrecto.

Medición de corriente

Para medir corriente, se debe abrir el circuito a medir a fin de intercalar los extremos del instrumento en serie con el circuito, similar al amperímetro. También se debe comenzar con la escala más alta. Hay que tener presente que la mayoría de los multímetros tienen un límite máximo de 2 A de medición. Los instrumentos usados para este caso deben presentar la menor impedancia de entrada en la medición de corriente, a fin de no alterar el circuito (error de inserción).

Cuidados con el uso del multímetro

Con la finalidad de evitar daños tanto a los multímetros utilizados para realizar mediciones de magnitudes eléctricas, como a los equipos de las instalaciones eléctricas, se debe seguir una serie de precauciones entre la cuales se pueden mencionar:


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• Leer cuidadosamente la información suministrada por el fabricante, como especificaciones y manual de uso, a fin de no someter el instrumento a condiciones fuera de rango que pudieran causarle desperfectos o provocar lecturas con error mayor al especificado.

• Posicionar el selector de función del multímetro antes de realizar la conexión de los cables de medición.

• Verificar que los cables de prueba no presenten daños mecánicos.

• Realizar la conexión de los cables de medición en los terminales de acuerdo a la función del multímetro.

Error de medición, ajuste y calibración

En la medición de valores de tensión y corriente, debe considerarse el error de la medición definido por la precisión. Asimismo, deben realizarse varias lecturas a efectos de calcular el valor promedio.

Las especificaciones del fabricante indicarán qué tan frecuentemente se deben calibrar sus instrumentos. Sin embargo, el usuario puede determinar de acuerdo a las condiciones de uso, intervalos de calibración más cortos.

ANEMÓMETRO

Se entiende por velocidad del viento a la rapidez con que éste se desplaza en una dirección. Esta dirección se refiere a la dirección desde la cual el viento esta soplando. La velocidad se mide en m/s o en km/día.

El monitoreo de la velocidad del viento en determinado lugar, se realiza durante un intervalo de tiempo; luego se promedian estos valores con el objeto de considerar las variaciones de la rapidez durante este período. La velocidad del viento se mide con anemómetros.

Los anemómetros se utilizan para medir la velocidad de corrientes de aire dirigidas que estén libres de remolinos y turbulencias. Básicamente se utilizan en la salida de los sistemas de aire acondicionado, ductos cerrados, aberturas de aspiración y entradas de aire fresco.

Tipos de anemómetros

Los tipos de anemómetros son de tipo cazoleta, propeleta, ultrasónico, laser dopler, tubo pitot, bola caliente, paletas y de hilo caliente, siendo los más empleados en auditorías energéticas el de paletas y el de hilo caliente, ya que son portátiles, livianos y de fácil utilización. Estos instrumentos se describen a continuación:


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Anemómetro de paletas

El anemómetro de paletas o sus equivalentes, son adecuados para la determinación de la velocidad del aire en puntos con secciones relativamente grandes donde la distribución del aire tienda a ser uniforme (Rey y Velasco, 2006). Un ejemplo de estas áreas, son las provistas de un sistema de calefacción o enfriamiento. El anemómetro está formado por un rotor que gira a velocidad angular proporcional a la velocidad del fluido, y están provistos de un generador electromagnético que da una señal eléctrica proporcional al paso del aire. De este modo, el instrumento indicador da directamente una medida de la velocidad del aire, por lo tanto, es de de respuesta rápida. En la Figura 9, se muestra un anemómetro de paletas. Dependiendo de la versión y del fabricante, tienen un rango de medición entre 0,3-45 m/s.

Anemómetro de hilo caliente

El más común es un hilo de platino o tungsteno, de diámetro muy pequeño y fino (aproximadamente de 4-10 µm y de 1mm de longitud) como se muestra en la Figura 9, y que se calienta algunos grados por encima de la temperatura ambiente. Debido a que tiene características de medición no direccional, se utiliza en áreas donde se desconoce la dirección del flujo del aire, tal es el caso de la toma de datos en los difusores de aire del techo o cuando se pretende determinar la distribución de aire en un local o ambiente (Rey y Velasco, 2006). Aprovecha el efecto de enfriamiento que ejerce una corriente de aire al pasar por un hilo caliente que funciona a modo de resistencia. La resistencia de este tipo de anemómetro generalmente es del tipo NTC (Negative Temperature Coefficient). Dependiendo de la empresa fabricante del anemómetro, éste puede abarcar un rango de medición entre 0,1-20 m/s. El anemómetro de bola caliente tiene el mismo principio físico que el anemómetro de hilo caliente.

Figura 9: Anemómetros de paletas (izq) y de hilo caliente (der)Fuente: pce-iberica.es


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Técnicas de medición

Debido a que la velocidad del aire que circula dentro de un área o ambiente es un parámetro relacionado con el confort térmico de las personas, se deben tener ciertas consideraciones técnicas a la hora de realizar la medición. Las recomendaciones para realizar las mediciones son las siguientes (Testo, 2006):

• Antes de iniciar las mediciones, se debe comprobar la regulación de paso de aire y la diferencia entre la temperatura del aire de entrada y la del aire del ambiente, ya que ejercen una gran influencia sobre la distribución de aire y la velocidad del mismo.

• Las mediciones deben realizarse en áreas o ambientes totalmente equipadas, ya que el mobiliario y los aparatos ejercen una notable influencia sobre la turbulencia del caudal de aire.

• Debe garantizarse además, que en las superficies que delimitan la sala (puertas y ventanas) no se produce ningún intercambio inadvertido de aire que pudiera dar lugar a caudales de aire que no pueden atribuirse a la instalación de climatización.

• Se recomienda medir la velocidad media del aire ambiente, así como el grado de turbulencia (escalar) y la temperatura del aire, con las siguientes alturas: 1,3 m (altura de la cabeza sí se está sentado) y 1,8 m (altura de la cabeza sí se está de pie).

• Se recomienda tomar los datos en varios puntos o zonas puntuales en aras de determinar un promedio del aire circundante.

Calibración, ajuste, y error de medición

Los anemómetros de paletas presentan errores debido a las fluctuaciones laterales de aire y al deterioro mecánico del rotor (alta fricción). Para ello se debe calibrar con una frecuencia alta. Una forma de calibrar estos instrumentos es brindarles una fuente constante de fluido, por ejemplo hacer circular aire en una especie de cámara o túnel para evaluar la respuesta del instrumento, la cual debería ser prácticamente constante en función del tiempo.

En los anemómetros de hilo caliente, como la conductividad de los metales del hilo (Platino y Tungsteno) depende de su temperatura, puede calibrarse el dispositivo para que en función de la temperatura de equilibrio alcanzado, y por la variación de intensidad circulando por el hilo, pueda medirse la velocidad de dicha corriente incidente.

Por otro lado, el anemómetro de hilo no debe tocar ninguna superficie conductora del calor, puesto que la pérdida de calor resultante sería falsamente interpretada como caudal por el instrumento.

Cuidados en el uso de anemómetros

El anemómetro de hilo caliente no debe emplearse en ambientes que contengan o puedan potencialmente producir gases o vapores inflamables.

Su principal desventaja radica en lo delicado que es el hilo, debido a su pequeño tamaño y la alta sensibilidad al material particulado, que pueden contaminar el sensor y generar desviaciones en su indicación.


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Interpretación de resultados

Para evitar errores en la interpretación de sus resultados, se recomienda tomar los datos en varios puntos o zonas puntuales en aras de determinar un promedio del aire circundante.

TERMÓMETRO

Los seres humanos asociamos el término temperatura con una medida entre lo que consideramos frío o caliente. Dentro de estos dos (2) últimos indicadores, cada persona puede ser más específica en su sensación, expresando niveles de temperatura que oscilan entre: ardiente, caliente, tibio, frío y congelante. Debe entenderse entonces, que los cambios de temperatura son subjetivos cuando se basan en las sensaciones individuales, ya que esta <<sensación térmica>> depende del calor producido por el cuerpo y del intercambio entre éste y el entorno. Cuando una persona no experimenta sensaciones de frío ni de calor, se dice que ha alcanzado el confort térmico y éste depende de variables externas como la humedad del aire, la velocidad del aire, la actividad física, la vestimenta, los objetos que nos rodean, la temperatura de las paredes y del aire (ERGA-Noticias, 2007).

Según Rey y Velasco (2006), las variables que afectan el confort térmico dependen de varios parámetros como: ambiente (temperatura seca del aire, presión parcial del vapor de agua, velocidad del aire en la zona ocupada, temperatura radiante media de cerramiento), cuerpo humano (calor generado, temperatura de la piel, humedad de la piel, porcentaje de superficie de piel mojada por el sudor), vestimenta (resistencia térmica, temperatura superficial, factor de aumento de la superficie del cuerpo desnudo). Sin embargo, no se pueden establecer escalas de temperaturas fundamentadas en sensaciones, por lo cual se han diseñado instrumentos que permiten determinar de manera práctica este parámetro. Estos instrumentos son comúnmente conocidos como termómetros, los cuales son calibrados de acuerdo a la escala que dan lugar a las unidades de medición de temperatura.

Escalas de medición y Unidades

Las escalas de temperatura no son otra cosa que una base común diseñada para realizar mediciones de dicho parámetro. Estas escalas se diseñaron en función de las temperaturas de congelación y ebullición del agua. Se entiende como punto de ebullición del agua, a la temperatura a la cual existe un equilibrio a una (1) atmósfera de presión de la mezcla formada por agua líquida y agua en forma de vapor en ausencia de aire. A diferencia de ésta, el punto de congelación del agua es la temperatura a la cual una mezcla de agua y hielo está en equilibrio con aire saturado con vapor a una (1) atmósfera de presión (Çengel y Boles, 2006).


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Las escalas de temperaturas se pueden clasificar como relativas (se asignaron valores arbitrarios de temperaturas cero) o absolutas (emplea como temperatura cero a la temperatura del cero absoluto). En las escalas relativas se encuentran la escala Celsius y la escala Fahrenheit, mientras que en las escalas absolutas la Kelvin y la Rankine.

Los instrumentos de medición de temperatura miden en la escala Celsius o Fahrenheit, por tanto, sólo se incluyen estas escalas. Para conocer la relación entre las escalas relativas y absolutas, puede consultar cualquier texto de termodinámica.

La escala Celsius, cuya unidad de medición son los grados Celsius (ºC), divide el rango de temperatura asociado a la congelación y a la ebullición del agua en cien (100) partes iguales, por lo cual se asignaron los valores de 0ºC y 100ºC para el punto de congelación y ebullición de dicha sustancia, respectivamente. Esta escala se utiliza en el SI y fue establecida por el astrónomo sueco Andrés Celsius (1702-1744).

La segunda, es la escala Fahrenheit, cuya unidad de medición son los grados Fahrenheit (ºF). Esta escala divide el rango de temperatura asociado a la congelación y ebullición del agua en ciento ochenta (180) partes iguales. El valor asignado para la temperatura para el punto de congelación es 32ºF y el correspondiente para el punto de ebullición es 212ºF. Esta escala es la utilizada en el sistema inglés y fue creada por el físico alemán Gabriel Fahrenheit (1686-1736). La expresión que permite relacionar las dos escalas de temperaturas relativas es la ecuación (7).

T(ºF)=1.8T(ºC)+32 (7)

Instrumentos de Medición: Tipos de termómetros

Debido a que una gran gama de propiedades varían con la temperatura, se han desarrollado una serie de termómetros que pueden medirlas. Los termómetros pueden ser de naturaleza mecánica (de bulbo de mercurio o alcohol, bimetálicos, entre otros), eléctrica (termopar, termorresistentes, termistores), de radiación térmica (infrarrojos, pirómetros de radiación). Dependiendo de las necesidades inherentes de cada caso en donde se requiera medir la temperatura, se emplea un determinado proceso. En auditorías energéticas, los termómetros utilizados son: el termómetro termorresistivo y el termómetro infrarrojo.

Termómetros de resistencia

Son termómetros que están provistos de un sensor resistivo de temperatura, es decir, un conductor cuya resistencia eléctrica aumenta con la temperatura. El sensor resistivo de temperatura es un elemento metálico, generalmente Platino (Pt). Éste tiene una propiedad llamada coeficiente de temperatura de resistencia, que expresa, a una temperatura específica, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura (Creus, 2005). La relación resistencia-temperatura correspondiente al platino es tan reproducible, que el sensor resistivo de platino se utiliza como estándar internacional de temperatura. Este es el sensor más común y se calibra a 0 ºC una resistencia de 100 Ω, por tanto, se le conoce comercialmente como Pt100. Lo mismo ocurre con el sensor de Ni100 (Bastian y col, 2001). También existen sensores de Cobre (Cu)


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y de aleaciones de metales como Níquel-Hierro (Ni-Fe). Los sensores resistivos de temperatura tienen un rango lineal de respuesta hasta los valores de temperaturas mostrados en la Tabla 9.

Usos y Aplicaciones

• Debido a que pueden medir temperaturas desde los -200ºC, estos dispositivos tienen aplicación en mediciones criogénicas.

• También, se utilizan para medir la temperatura del ambiente, tanto en espacios abiertos como cerrados, ya que son altamente inmunes a las interferencias eléctricas.

• Tienen un campo de aplicación en las industrias químicas, petroquímicas, farmacéuticas, mecánicas, alimentos y bebidas.

Tabla 9. Rango lineal de respuesta de los sensores termorresistivos

Fuente: (Bastian y col, 2001).

Termistor

Un termistor es un resistor de temperatura no lineal elaborado con óxidos metálicos. Están construidos específicamente para que presenten un alto coeficiente de temperatura, es decir, que su resistencia varíe de forma notable con cambios de temperatura (Bastian y col, 2001). Pueden tener coeficiente de temperatura negativo (NTC, por sus siglas en inglés), en el cual la resistencia disminuye rápidamente su valor óhmico al aumentar la temperatura, o coeficiente de temperatura positivo (PTC, por sus siglas en inglés), en el cual la resistencia incrementa rápidamente su valor óhmico al aumentar la temperatura. La sensibilidad de las resistencias NTC es mucho más elevada (puede disminuir su resistencia hasta 6% por cada 1ºC de aumento de temperatura) que las de los termómetros y termopares convencionales, por tanto son ideales en la construcción de termómetros de gran precisión (Alcalde, 2010). Los termistores NTC son más utilizados que los PTC.

Usos y Aplicaciones

• Miden temperaturas comprendidas entre -50 ºC a +180 ºC.

• Un circuito de alarma contra fuego es una aplicación común de un termistor NTC. En presencia de fuego, el incremento de la temperatura baja la resistencia del termistor NTC y la resistencia reducida aumenta la corriente y activa la alarma (Harper, 2004).

• Por otro lado, los PTC tienen su aplicación en la protección de motores eléctricos. Estos se ubican dentro del estator de estos motores (uno por fase), como protección al sobrecalentamiento.

SENSOR TERMORESISTIVO

TEMPERATURA (ºC)

Platino (Pt) -200 a +950

Níquel (Ni) -60 a +180


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• Los PTC se pueden usar para detectar elevación de temperatura en piezas mecánicas, como engranajes, frenos, sistemas de refrigeración, en componentes eléctricos y electrónicos, entre otros.

Pirómetros: Termómetros infrarrojos (sin contacto)

Los termómetros sin contacto tienen la ventaja de medir la temperatura sin tocar el objeto en sí. Se fundamentan en que cada cuerpo emite radiación a longitudes de onda ubicadas en la región infrarroja del espectro de radiación electromagnética. El rango de medición para estos termómetros está entre -50ºC a 3.000ºC, por tanto, generalmente se utilizan para medir temperaturas elevadas (>1000ºC), así como de objetos en movimiento, de objetos que no pueden medirse directamente o de objetos que estén a distancia. Son rápidos y dan de forma instantánea el valor de temperatura en la pantalla digital, calibrando el rango de medición de acuerdo a las necesidades del usuario, debido al amplio rango de medición.

Usos y aplicaciones

• Se utiliza para la detección de puntos calientes en tableros eléctricos, medición de la temperatura de los devanados en los motores eléctricos y la temperatura del aceite en el tanque de los transformadores.

• También, en estudios ambientales, meteorológicos, agrícolas, en la manufactura de caucho, papel, plástico, textil, pintura, entre otras (temperaturas bajas entre -50ºC a 1000ºC), manufactura de bombillos y recipientes de vidrio en general (temperaturas entre 0ºC a 2500ºC).

Termómetros de Bulbo

Consiste en un bulbo que está conectado a un capilar. Cuando la temperatura en el bulbo cambia, el gas o el líquido contenido dentro del bulbo se expanden y ascienden dentro del tubo capilar (Creus, 2005). Según el rango de temperatura a medir, se deben emplear termómetros que contengan fluidos orgánicos de distinta naturaleza, como el mercurio (-35 ºC a 280ºC), alcohol (-110ºC a 50ºC), pentano (-200 ºC a 20ºC) o tolueno (-70ºC a 100ºC).

Usos y aplicaciones

El termómetro de mercurio ha quedado rezagado por el termómetro de alcohol (y de otros fluidos orgánicos) principalmente por consideraciones ambientales, ya que el mercurio es un metal cuyo vapor es tóxico para todo el ecosistema. Este termómetro dejó de producirse en el año 2007 y prácticamente esta en desuso, quedando sólo en circulación los que aún existen en laboratorios de centros educativos y clínicos. Por otro lado, la versatilidad y precisión de los termómetros de resistencia, termistores y pirómetros también han contribuido a que el termómetro de mercurio hoy día ya no sea el instrumento más empleado.

Medición de la temperatura ambiental

Inicialmente debe hacerse una exploración de la sección o el volumen al cual se le medirá la temperatura. Para la medición exacta de la temperatura en una corriente de aire o en el interior de una sección acondicionada, se recomienda subdividir la sección de la corriente o el volumen


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del ambiente en pequeñas porciones, en las que puede suponerse que la medición puntual de temperatura es exacta. Luego, las temperaturas medidas deben promediarse, que en el caso de una corriente de aire se hacen sobre la base de flujo másico de aire circundante, es decir, en m3 de aire por segundo que pasan por el conducto (Rey y Velasco, 2006). Para esto, se recomienda:

• Usar secciones de igual superficie y multiplicar cada temperatura por la fracción de caudal (m3/s) que pasan a través de cada una.

• Emplear secciones de tamaño inversamente proporcional al caudal, y tomar la media aritmética de las temperaturas obtenidas en cada sección.

Debe tenerse en cuenta que para la medición de la temperatura en una corriente o flujo de aire, es preciso comprobar el efecto que sobre la temperatura tendrá la energía cinética del aire al impactar contra el instrumento de medición. Esto se traduce en una elevación de la temperatura medida. Esta elevación corresponde a la temperatura equivalente de la corriente (Rey y Velasco, 2006). Este efecto es importante a partir de una velocidad (v) del aire del orden de los 10 m/s y se calcula por la ecuación (8)

Error de medición. Corrección. Ajuste.

Errores asociados a la radiación. El sensor de los termómetros se ve afectado por el intercambio de calor entre el sensor y la superficie circundante, por lo cual se debe evitar medir la temperatura del aire cerca de superficies en las cuales las temperaturas difieran considerablemente de la temperatura del aire (ejemplo, calentador de agua). Si no puede evitarse, se debe aislar el sensor de la fuente de radiación con papel aluminio.

Errores asociados a la estratificación. La medición de las temperaturas en los ductos de aire debe ser representativa del flujo total de aire, por lo cual deben tomarse varias medidas y a partir de éstas, se determina un promedio de la temperatura.

Errores asociados al tipo de sensor. El tipo de sensor de temperatura depende de la aplicación o del lugar donde se requiera medir la temperatura. Se recomienda un termistor NTC para medir la temperatura en áreas donde las condiciones varíen suavemente pero en las que se necesite un elevado nivel de precisión del sistema (medir en habitaciones, confort, exactitud del sistema > 0.5ºC) (Testo, 2006), ya que la resistencia de un termistor típico varía 156 Ω de 0ºC a 1ºC, mientras la del platino varía tan sólo 0,385 Ω. Para medir la temperatura en áreas donde la temperatura varía rápidamente después de un cambio en la proporción del aire del ambiente (ejemplo, ductos de aire) se puede emplear un sensor de platino.


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Cuidados en el uso de termómetros.

Los termómetros termorresistivos (Pt100, Pt500, Pt1000, Ni100, etc.) no pueden utilizarse en lugares sometidos a mucha vibración porque pueden fracturarse.

Los termómetros infrarrojos deben manipularse de tal forma de no dirigir nunca la luz infrarroja hacia el cuerpo o los ojos de las personas, ya que ocasionan quemaduras en los tejidos.

Calibración de los instrumentos de medición

Para la calibración de los termómetros, se emplea el baño de temperatura, los hornos de mufla y los comprobadores de puente wheatstone y potenciómetros. El baño de temperatura consiste en llenar un recipiente de acero inoxidable con un líquido, en el cual se sumerge el termómetro a calibrar, el termómetro de referencia y un agitador (disminuye los gradientes de temperatura dentro del líquido y disipa el calor rápidamente). En la Tabla 10, se muestran los líquidos empleados para la calibración, que dependen del rango de temperatura a utilizar (Harper, 2004).

Los hornos de mufla son hornos de temperatura calentados por resistencias eléctricas y están provistos con la toma necesaria para introducir los elementos primarios (sensor de resistencia, termistor, etc) del instrumento a calibrar. Para realizar una calibración más precisas se coloca en el interior del horno crisoles con sales específicas que funden a determinadas temperaturas (Harper, 2004).

La calibración de los pirómetros infrarrojos se realiza mediante una fuente de calibración de cuerpo negro. Esta fuente es un bloque térmico sencillo de manejar, bien sea en laboratorios o calibraciones in situ, como muestra la Figura 10. La unidad de regulación de la fuente de calibración de cuerpo negro dispone de un indicador para el valor nominal y real de la temperatura de verificación deseada.

Tabla 10. Líquidos empleados en el baño de temperatura

Fuente: Harper (2004)

RANGO DE TEMPERATURA(DESDE-HASTA)

LÍQUIDO PRECISIÓN

-80 ºC-Temp. Ambiente

Tricloro etileno, etilenglicol

0.005 ºC max±0.1 ºC a ±0.02 ºC

Temp. Amb. a 95 ºC Agua ±0.002 ºC a ±0.005 ºC

Temp. Amb a 150 ºC

Aceite de baja viscosidad (con pto. inflamación >150ºC),

aceite de silicón

±0.02 ºC a ±0.03 ºC

Temp. Amb a 260 ºC Aceite de silicón ±0.02 ºC a ±0.03 ºC

220 a 770 ºC

Sales especiales que están en estado de

fusión a la temperatura de trabajo

±0.05 ºC a 1 ºC


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Figura 10: Fuente de cuerpo negroFuente: www.keison.co.uk

HIGRÓMETRO

La humedad ambiental es la cantidad de vapor de agua presente en el aire. La humedad relativa es la relación porcentual entre la cantidad de vapor de agua que realmente contiene el aire (presión parcial del vapor de agua) y la cantidad máxima de vapor de agua que es posible que contenga el aire a la temperatura dada (presión de saturación del vapor de agua) (Pallas, 2003). La ecuación que define la humedad relativa es la (9).

Donde:

PH20: Presión parcial del vapor de agua en el aire

Pº H20: Presión de saturación del vapor de agua en el aire a la temperatura dada (la presión de saturación depende de la temperatura).

La medición de la humedad relativa en el ámbito de las auditorías energéticas es un parámetro de importancia, ya que establece la capacidad de un ambiente en aceptar más o menos vapor


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de agua. Lo anterior se relaciona con el confort térmico que experimentan las personas, debido a que determina la capacidad de transpirar y, por ende, de regular la temperatura corporal, experimentando la sensación de comodidad y bienestar termofísico.

La humedad relativa se mide con un dispositivo denominado higrómetro. Estos aparatos a menudo están en versiones que miden varios parámetros como la temperatura ambiente (termohigrómetros). En la Figura 11 puede apreciarse un termohigrómetro moderno.

Medición de la humedad relativa

El sistema de medición está compuesto de un medidor conectado a un sensor. Este sensor puede ser resistivo o capacitivo. El sensor resistivo mide la disminución de su resistividad al aumentar la humedad, mientras que el sensor capacitivo mide la disminución de su capacitancia. Las sustancias empleadas como materiales para la fabricación de estos sensores son sales higroscópicas (toma agua de la atmósfera) como el cloruro de litio (LiCl) y el fluoruro de bario (BaF2), y también, óxido de fósforo (V) (P2O5), las cuales se depositan sobre un polímero (material dieléctrico). Los sensores capacitivos generalmente se fabrican de óxido de aluminio, ya que su capacitancia es más variable que su resistencia (Pallas, 2003). La relación entre la resistividad y capacitancia y la humedad no es lineal.

Las variaciones de resistencia o capacitancia a su vez causan un cambio de frecuencia en los componentes electrónicos del instrumento. La frecuencia se convierte entonces en voltaje, que luego se convierte en un valor de humedad relativa y se visualiza en pantalla. Los sensores resistivos son más adecuados en ambientes con humedades relativas altas.

Escalas de medición y unidades

Como la humedad relativa se mide en porcentaje, la escala de medición varía de 0-100 %. Los valores de humedad relativa para un ambiente climatizado con aire acondicionado deben ser inferiores al 60% con temperaturas entre 24,5-26 ºC, con velocidades del aire del orden de los 0,2 m/s (Mermel, 2005).

Principales usos y aplicaciones

Entre sus principales aplicaciones, se encuentran:

• Estudios meteorológicos.

• Medición de la humedad en ambientes de trabajo para evaluar las condiciones ambientales de bienestar termofísico y la prevención de moho (si la temperatura y la humedad están en una relación inadecuada entre ellas, se puede generar moho).

Figura 11. TermohigrómetroFuente: www.pce-instruments.com


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• En laboratorios de suelos, para el estudio de propiedades hídricas del suelo para uso en general y determinación de la humedad necesaria para cultivos específicos.

• En medicina, para aplicaciones biomédicas y para determinar la colocación de humidificadores ambientales para los casos clínicos de congestión en los bronquios.

• Sensores de humedad en laboratorios de análisis clínicos y químicos, en caso de requerimientos de algunos equipos de análisis (humedad controlada para su buen funcionamiento).

Modos de uso para la medición de la humedad ambiental

En el mercado se pueden encontrar higrómetros para medir la humedad en interiores (oficinas, almacenes, residencias, entre otros) y exteriores (ambiente natural). La aplicación de uno u otro quedará sujeta a la necesidad particular de quien realiza la medición, así como al fin de la misma.

Si se requiere hacer una auditoría relacionada al confort termofísico y las condiciones donde se deban salvaguardar la salud de los empleados, se recomienda el uso de un termohigrómetro de interiores. La utilización de estos dispositivos es sencilla, básicamente sólo requieren que el operador lo encienda y espere la respuesta del mismo. En ocasiones deberá elegir entre una unidad de temperatura (ºC ó ºF) y entre una unidad de presión (mmHg, hPa, mbar).

Cuidados en el uso de los higrómetros

Según Martínez y col (1998), se deben tener las siguientes consideraciones al usar higrómetros:

• No deben usarse a temperaturas superiores a 60 ºC.

• Los sensores pierden sensibilidad en ambientes con alta concentración de vapores de sustancias orgánicas (etanol, acido acético, propileno, entre otras); el uso de filtros minimiza este problema pero retarda el tiempo de equilibrio del instrumento.

• Otro problema que pueden sufrir los sensores es la histéresis (diferencia entre la distancia de activación y desactivación) que obliga a prolongadas deshidrataciones entre determinaciones consecutivas, lo que una vez más alarga el tiempo requerido para el análisis. El intervalo de medida depende del tipo de higrómetro empleado, pero si se realizan tres (3) o cuatro (4) mediciones puede obtenerse una reproducibilidad de ± 0.005.

Error de medición, corrección, ajuste y calibración

La precisión de los higrómetros depende esencialmente de los siguientes factores:

Errores asociados a linealidad: es causado por la no linealidad típica de la respuesta de los sensores. Se recomienda calibrar el medidor periódicamente para reducir la probabilidad de que ocurra este error.

Error asociado a la temperatura: es causado por la variación de las propiedades higroscópicas del material dieléctrico (polímero) del sensor en función de la temperatura. De hecho, la relación entre la cantidad de vapor de agua presente en el dieléctrico y la humedad relativa no es directamente proporcional, sino que varía con la temperatura. Debido a este error, la mayoría de los higrómetros disponibles en el mercado no funcionan a temperaturas por debajo de -20 ºC (-4ºF).


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Error asociado a la calibración: es causado por un procedimiento de calibración incorrecto. La calibración de higrómetros generalmente se realiza en una cámara de humedad. Los métodos más utilizados para generar humedad son el método de dos (2) presiones, el de flujo dividido y las soluciones de sal y agua. Este último es uno de los métodos menos costosos para realizar una calibración, además de cubrir un amplio intervalo de humedad relativa (desde el 3 al 98 %).

Es posible simular un valor de humedad relativa. Para un procedimiento detallado de la manera de calibrar los higrómetros puede consultar la Guía técnica sobre trazabilidad e incertidumbre de medición en la calibración de higrómetros de humedad relativa (2004). Sin embargo, para una mayor precisión se recomienda calibrar estos dispositivos en instituciones o empresas especializadas en este procedimiento.

MANÓMETRO

La presión se define como una fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área (Çengel y Boles, 2006). La presión atmosférica es igual al peso por unidad de superficie de la columna de aire comprendida entre ésta y la última capa de la atmósfera.

La presión real en una determinada posición se llama presión absoluta y se mide respecto al vacío absoluto (presión cero absoluta). Sin embargo, la mayor parte de los medidores de presión se calibran a cero en la presión atmosférica (ver Figura 12), por lo que indica la diferencia entre la presión absoluta y atmosférica local. Esta diferencia es la presión manométrica (presión positiva). La presión manométrica que esté por debajo de la presión atmosférica es una presión negativa y se conoce como presión de vacío (Çengel y Boles, 2006). Las presiones manométricas se miden con un manómetro, mientras que la presión atmosférica se mide con un barómetro. Las presiones absolutas, manométricas y atmosféricas se relacionan mediante la ecuación (10).

Debe entenderse que la palabra absoluta hace referencia a que es la presión total (real) y es el resultado de la suma de la presión atmosférica y la manométrica. La presión manométrica es la presión relativa porque es la resultante de la diferencia de la presión absoluta y atmosférica local.

Figura 12. Manómetro calibrado a cero a la presión atmosféricaFuente: www.venservi.cl


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En términos más sencillos, puede decirse que la presión atmosférica de un lugar cualquiera es simplemente el peso del aire que se halla arriba de ese sitio por área superficial unitaria, por tanto, su valor varía evidentemente según la altura del punto en que se mida y las condiciones climáticas (Mott, 1996). Para una temperatura dada, la densidad del aire es menor a grandes altitudes y, por lo tanto, un determinado volumen contiene menos aire y menos oxigeno (una persona se sentirá más cansado con mayor rapidez y experimentará problemas de respiración en lugares más altos). Una buena aproximación de la presión atmosférica a nivel del mar es 14,69 lb/pulg2 ó 101.325,00 Pa (101,325 kPa), 760 mmHg y 1 atm.

Los primeros resultados concluyentes sobre la medición de la presión, los obtuvo el físico italiano Evangelista Torricelli (1608-1647). Sus resultados demostraron que se puede medir la presión al invertir un tubo lleno de mercurio (cerrado por el extremo superior y abierto en el extremo inferior) en un recipiente que también contiene mercurio como se ilustra en la Figura 13. La presión en el punto B es igual a la presión atmosférica y la presión en C se puede considerar como cero (es de apenas 0,17 Pa), ya que sólo hay vapor de mercurio por encima de éste punto y como la presión es más baja que la presión atmosférica, entonces puede despreciarse. Si se realiza un balance de fuerzas, se obtiene la ecuación (11).

Donde:

ρ: Densidad del mercurio (13595 kg/m3)

g: Aceleración gravitacional

h: Altura de la columna de mercurio arriba de la superficie libre

Figura 13. Principio de funcionamiento de un barómetro de mercurioFuente: Mott (1996)


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Este dispositivo hoy día se conoce como barómetro. Actualmente, se pueden encontrar en el mercado una variedad de barómetros, entre los cuales podemos mencionar el barómetro aneroide, que a diferencia del barómetro común, no contiene mercurio.

El barómetro aneroide mide la presión atmosférica a través de la medición de la deformación que sufre en una caja que se encuentra en su interior, la cual está en completo vacío. Si la deformación es pequeña, entonces la presión medida es pequeña, y si la deformación es grande, la presión atmosférica es grande. Se puede encontrar también el barómetro de tubo pitot, el barómetro analógico y el barómetro digital.

Como se mencionó anteriormente, la medición de la presión atmosférica queda sujeta a la utilización de un barómetro, mientras que la presión manométrica debe medirse con un manómetro. Sin embargo, actualmente existen barómetros provistos de un segundo campo de medición, lo cual permite usar los barómetros digitales también como manómetros. Esto se traduce en que con un solo instrumento se mida la presión absoluta, presión de vacío, presión manométrica y la presión barométrica (presión atmosférica es ajustada al equivalente del nivel del mar).

Pueden encontrarse versiones de barómetros para la medición de la presión de aire en ambientes del tipo almacenes, oficinas, residencias, entre otros, lo cual lo hace ideal para utilizarse en auditorías energéticas. Tal es el caso del barómetro y termohigrómetro PCE-THB 40 de la PCE-Ibérica (ver Figura 14), el cual es capaz de medir la presión barométrica, temperatura y humedad diferencial.

Figura Nº 14. Barómetro y termohigrómetro PCE-THB 40 Fuente: www.pce-instruments.com


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Escalas de medición y unidades

Debido a que la presión se expresa como P = F/A, en el SI la unidad estándar de presión es el Pascal (Pa) o N/m2, mientras que en el sistema británico de unidades, la unidad estándar es lb/pie2, pero es más común usar lb/pulg2. Sin embargo, otras unidades de presión, como por ejemplo los milímetros de mercurio (mmHg), han dejado de utilizarse en ámbitos técnicos o científicos, siendo éstas empleadas en el lenguaje más coloquial, por ejemplo, los pronosticadores del clima.


El barómetro tiene múltiples aplicaciones, de tal manera que se utilizan en diversos procesos, como el campo de la neumática (en compresores e instalaciones de bombas), en el control de procesos químicos (mediciones de la presión en reactores), también en el sector de la fabricación de la industria de plásticos, en la comprobación de la presión en las válvulas

(pérdida de presión de aire antes y después, en la industria alimenticia para corroborar la refrigeración, en auditorías energéticas para la comprobación del confort en ambientes de trabajo y residenciales, en las predicciones meteorológicas, en el ámbito de la investigación y el desarrollo y, en general, en la optimización y control de procesos.

Modos de uso para la medición de la presión ambiental

Básicamente, la forma de usar va a depender del tipo de instrumento, es decir, del dispositivo en sí. Estará calibrado para medir la presión atmosférica, la manométrica o la absoluta. Lo ideal es que antes de adquirir uno de estos dispositivos, se reflexione sobre las necesidades particulares de medición, así como el intervalo de presión a medir. En tal sentido, si se requiere medir la presión atmosférica, se recomienda emplear un barómetro que mida directamente este tipo de presión. El empleo de un barómetro de este tipo sólo requiere su encendido y colocación en los puntos seleccionados (considerando que la presión depende de las condiciones climáticas y de la altura).

Es pertinente resaltar, que debido a los distintos modos de presiones (absoluta, manométrica, atmosférica) se debe estar claro sobre cuál de éstas se requiere medir y, además, se recomienda seguir las instrucciones de la empresa fabricante para el uso adecuado de estos instrumentos.

Cuidados en el uso de los instrumentos de medición

Como se mencionó anteriormente, el cuidado particular de cada uno de los manómetros y/o barómetros debe basarse en las recomendaciones de cada casa matriz o fabricante. Sin embargo, un cuidado particular que debe tenerse es no someter a los instrumentos a presiones superiores a las de su rango de medición, ya que podrían disparar la protección y ocasionarle una falla al instrumento.


Los manómetros y/o barómetros son vendidos de su casa matriz calibrados, no obstante, se recomienda su recalibración una vez al año para garantizar la exactitud en las medidas.


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MEDIDOR DE ULTRASONIDO

El sonido es un fenómeno vibratorio transmitido en forma de ondas y para que éste se genere es necesario que vibre alguna fuente. Las vibraciones pueden ser transmitidas a través de diversos medios elásticos, entre los más comunes se encuentran el aire y el agua. El sonido no se puede propagar en el vacío.

El análisis ultrasónico consiste en el análisis de las señales acústicas emitidas por un dispositivo o sistema para detectar condiciones indeseables, tales como las fallas incipientes, que son el primer aviso de futuras fallas y más severas.El ultrasonido se define como ondas de frecuencia por encima del límite audible humano, es decir supeior a los 20 kHz.

Medición del ultrasonido para la detección de fallas en los equipos

El Ultrasonido propagado en aire y estructuras, es una técnica la cual capta rangos de frecuencia mayores a los 20.000 Hz, utilizada para la deteccion temprana y localizacion de fenómenos eléctricos como el efecto corona y el arco eléctrico, entre otros.

Las descargas parciales, los arcos eléctricos y el efecto corona producto de la ionización, perturban las moléculas de aire que le rodea. El equipo medidor detecta sonidos de alta frecuencia producida por estas emisiones y los traduce a los rangos audibles para el ser humano. La calidad del sonido específico de cada tipo de emisión se escucha en los auriculares, mientras que la intensidad de la señal se observa en un panel de visualización. Estos sonidos pueden ser grabados y analizados a través de software de análisis de espectro de la ecografía para el diagnóstico.

El efecto corona es un fenómeno eléctrico que se produce en los conductores de las líneas de alta y media tensión y se manifiesta en forma de halo luminoso a su alrededor. El efecto corona es debido a la ionización del aire circundante al conductor. En el momento que las moléculas de aire se ionizan, éstas son capaces de conducir la corriente eléctrica y parte de los electrones que circulan por la línea pasan a circular por el aire, tal fenómeno producirá un arco de un color rojizo para niveles bajos de temperatura o azulado para niveles altos.

El efecto corona es importante analizarlo ya que es responsable de las pérdidas de energía en líneas de transmisión y del deteriroro de los elementos aislantes (Torres-Sánchez, 2011). El término corona se debe a las observaciones realizadas por los “marinos a las descargas eléctricas, en forma de racimos o coronas, presentes en los mástiles de los barcos” (Torres-Sánchez, 2011)

El ruido provocado por el efecto corona consiste en un zumbido de baja frecuencia (básicamente de 100 Hz), provocado por el movimiento de los iones y un chisporroteo producido por las descargas eléctricas (entre 0,4 y 16 kHz). Son ruidos de pequeña intensidad que en muchos casos apenas son perceptibles. Únicamente cuando este efecto sea elevado, se percibirán en la proximidad inmediata de las líneas de alta y media tensión. Las pérdidas de electrones puede ser causada por contaminación, degradación, mala instalación o humedad anormal.


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El arco eléctrico es un fenómeno que ocurre cuando la electricidad fluye o viaja a través del aire, como consecuencia de la rotura de su rigidez dieléctrica. El arco que se forma cuando una protección de sobrecorriente opera o por la ocurrencia de un rayo, son ejemplos conocidos. Sin embargo, entre dos (2) puntos de un sistema eléctrico, la electricidad siempre trata de buscar el camino de menor resistencia, ya sea circulando por los conductores eléctricos o estableciendo un arco de corriente a través del aire. El arco eléctrico puede ser iniciado, entre otras causas, por impurezas y polvo en la superficie del aislamiento, por corrosión que proporciona impurezas en la superficie o por sobretensiones a través de espacios estrechos.

Las descargas parciales consisten en la formación de caminos conductores en la zona de la superficie de un aislante eléctrico. Este fenómeno se ve agravado por la contaminación y la humedad. Éstas se escuchan como un sonido de zumbido y chisporroteos intermitentes, con pausas y caídas y crecimientos en intensidad. La intensidad puede aumentar hasta llegar al punto de combustión súbita (flashover). Después de la combustión súbita, todo este sonido se convierte en silencio.

Se suele llamar descarga de arco al tipo de conducción eléctrica que se establece en gases y da lugar a corrientes altas. Una descarga de arco es, en esencia, un cortocircuito y el mecanismo de ionización del aire es similar al de la descarga corona.

En forma general, el ultrasonido es utilizado para monitorear sistemas con tensiones nominales superiores a los 2 kV, especialmente en interruptores en condiciones de operación continua. En estos casos, el ultrasonido es útil para determinar problemas de descargas parciales.

El equipo de inspección comercial, por lo general incluye sensores ultrasónicos de contacto y/o aéreos ultrasónicos de corta y larga distancia, así como software de diagnóstico y grabación de formas de onda (pueden ser comparadas, analizadas, guardadas, etc).


En lo que respecta a ensayos ultrasónicos, se utilizan variados métodos de calibración. La electrónica del equipo se debe calibrar para asegurar su funcionamiento y diseño. Esta operación generalmente es realizada por el fabricante, ya sea en el proceso de fabricación como en el servicio post-venta. Luego, hay una calibración que se debe realizar por el usuario previo al ensayo. En los ensayos de ultrasonido también existe la necesidad de estándares de referencia. Estos son utilizados para establecer un nivel general de consistencia en la medición y ayudar a interpretar y cuantificar la información adquirida.


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Las inspecciones de ultrasonidos para detección de fallas eléctricas, se pueden aplicar a:

• Líneas de transmisión y distribución de alta tensión

• Inspecciones predictivas de subestaciones

• Conmutadores

• Transformadores

• Tableros eléctricos de media y baja tensión.

Figura 15. Inspección de equipo eléctrico mediante técnicas de ultrasonidoFuente: www.preditec.com


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Ejemplo de aplicación

Diagnóstico de redes de Distribución

El uso de la técnica de ultrasonido propagado en aire y estructuras, se encuentra generalizada en el diagnóstico de líneas de transmisión y subestaciones de potencia. Su aplicación en redes de distribución de 34,5 hasta 11,4 kV ha demostrado que, complementaria con la termografía, pueden llegar a detectar puntos de falla no localizables a través de la inspección visual en el sistema y disminuir notoriamente las interrupciones del suministro eléctrico. La implementación de esta técnica se muestra en la Figura 16.

Figura 16. Inspección de líneas de transmisión mediante técnicas de ultrasonidoFuente: www.preditec.com


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CAUDALÍMETRO

Se entiende por caudal de un líquido a la cantidad del mismo fluido que atraviesa una sección dada por unidad de tiempo. Éste se puede expresar como másico o volumétrico. Ambos tipos de caudales se relacionan entre sí por la densidad del fluido. Los medidores de caudal son los caudalímetros.

La importancia de la medición de los caudales en una auditoría energética, radica en el hecho de que se pueden proponer mejoras relacionadas a la eficiencia de los equipos de bombeo. Por ejemplo, en algunos casos podrá proponerse la instalación de controladores de velocidad que permitan reducir un caudal elevado sin que se afecte o disminuya la eficiencia de la bomba. Esto se traduce en una adecuación del sistema a las necesidades de la empresa u organización. Otra propuesta podría ser la sustitución de uno o varios de los equipos de bombeo por otros más adecuados (Abadía y col, 2010).

Unidades de medida e instrumentos de medición del caudal

El caudal másico se expresa en kg/s y el caudal volumétrico se expresa en m3/s. La transformación de un caudal en otro se realiza mediante la densidad (ρ) del líquido (en kg/m3). En la ecuación (12) se ejemplifica el cálculo.

Los instrumentos de medida generalmente vienen calibrados para reportar en l/min o l/h.

Tipos de caudalímetros

Al momento de elegir un medidor de caudal, deben considerarse factores como: intervalo de medición, exactitud requerida, pérdida de presión, tipo de fluido y de medición, calibración, ambiente y lugar de ubicación. Existen varios tipos de caudalímetros para líquidos, entre los cuales se mencionan: rotámetros, discos ovalados, discos giratorios, turbina, torbellino, electromagnéticos, coriolis y ultrasónico. Sin embargo, en una auditoría energética el tipo de caudalímetro que se utiliza es el ultrasónico. Este dispositivo consta de dos (2) sensores que trabajan por pares, como emisor y receptor. Los hay de dos (2) tipos:

EFECTO DOPPLER: Miden los cambios de frecuencia causados por el flujo del líquido. En este caso, se dispone de un transductor en la pared de la tubería, el cual emite un pulso de ultrasonido en un ángulo apropiado, y a una frecuencia determinada, hacia el centro de la tubería. Luego, las partículas suspendidas en el fluido producen reflexiones de la onda sonora que son detectadas por el transductor (ver Figura 17). La frecuencia de la señal emitida difiere de la que posee la señal recibida de acuerdo al Efecto Doppler.


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TIEMPO DE TRÁNSITO: Tienen transductores colocados a ambos lados del flujo. El método consiste en la disposición de (2) dos transductores situados en las paredes de la tubería por donde circula el fluido, los cuales actúan como emisor-receptor de ultrasonido. Tal como se ilustra en la Figura 18, existe uno situado en la parte superior, el cual envía un pulso de ultrasonido en sentido descendente hasta ser recibido por el transductor inferior. Este último transmite a su vez un pulso en sentido ascendente que es recibido por el transductor situado en la parte superior (Avilés (s/f )).

Figura 17. Principio de funcionamiento de un caudalímetro ultrasónico (efecto doppler)Fuente: automationwiki.com

Figura Nº 18. Principio de funcionamiento de un caudalímetro ultrasónico (tiempo de tránsito)Fuente: www.spiremt.com


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Figura N 19. El caudalímetro por ultrasonido PCE-TDS 100HS efectuando una medición en una tuberíaFuente: es.omega.com

De esta forma, dado que el pulso descendente se encuentra a favor del flujo, demorará menos tiempo en llegar al receptor inferior, comparado con el tiempo que demorará el pulso ascendente, en contra del sentido del flujo, en alcanzar el receptor superior. De esta forma, el caudalímetro transmite pulsos ascendentes y descendentes en forma alternada midiendo la diferencia de tiempo en la recepción de éstos (Avilés (s/f )). Esta posición de caras opuestas de los transductores se conoce como montaje tipo Z y en esta posición el sonido cruza el conducto una sola vez.

También puede realizarse un montaje tipo V o montaje tipo W. En la posición tipo V el sonido cruza el conducto dos (2) veces, a diferencia de la posición tipo W en que el sonido viaja cuatro (4) veces por el conducto. La Figura 19, muestra un caudalímetro ultrasónico comercial efectuando una medición en una tubería, en donde los transductores se han colocado en posición tipo V o W.

Modos de uso

Los caudalímetros ultrasónicos son sencillos de usar, utilizan transductores externos que se pueden instalar fácilmente en el exterior del tubo, simplemente se deben seguir las recomendaciones del fabricante.

La selección del tipo de montaje de los transductores, es decir, tipo Z, V o W depende del tipo de conducto (diámetro) y características del líquido. En función de estos parámetros se deben escoger también los transductores más adecuados y elegir entre los de tipo estándar o adquirir otros modelos adicionales.


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Una vez instalados los transductores en la tubería, basta conectarlos al caudalímetro, encenderlo y tomar la lectura.


Con el caudalímetro ultrasónico, se puede medir el caudal de líquidos ultra puros, agua potable, aguas resultantes de procesos químicos, agua regenerada, agua de refrigeración, agua de río, aguas residuales de fábricas, entre otros.

Cuidados en el uso

Algunos de los cuidados recomendados son los siguientes:

• La colocación de los transductores se realiza exteriormente, por lo que se debe considerar la posible atenuación que pueda sufrir la señal sobre todo con materiales porosos como el fibrocemento, la fundición, etc.

• En este sentido, también se debe considerar la capa de suciedad que aparece normalmente en todas las instalaciones, y por lo tanto, a la hora de realizar las mediciones, es importante asegurarse que la tubería se encuentre limpia, ya que la suciedad impide un buen acoplamiento entre el transductor y la pared del conductor.

• Los transductores estándar pueden soportar hasta 70ºC. Se puede medir también a temperaturas más elevadas con otros transductores.


Un error que puede producirse en las mediciones, está relacionado a las distancias de separación entre los transductores y al tipo de montaje. Para esto, se recomienda emplear el montaje según el diámetro de la tubería, como se describe a continuación:

Montaje Tipo V: la instalación del método V, es el modo más común para la medición diaria de tuberías cuyo diámetro interior va desde los 20 hasta los 300 mm; también llamado método reflectivo. Se muestra en la Figura 20.

Montaje Tipo Z: este método se utiliza comúnmente cuando el diámetro de la tubería está entre 300 y 500 mm. Se muestra en la Figura 20.

Montaje Tipo W: el método de instalación W se usa normalmente con tuberías de plástico con un diámetro de 10 hasta 100 mm. Se muestra en la Figura 20.

El espacio de los transductores es un valor que arrojará el mismo instrumento a través de una función intrínseca del software, ya que depende del tipo a utilizar.


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Figura 20. Montajes tipo V, Z y WFuente: www.rockservices.net

v

w

z


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LUXÓMETRO

Las primeras aplicaciones dadas a la energía eléctrica fueron en el área de la iluminación, inicialmente con lámparas de arco eléctrico hasta las últimas aplicaciones con tecnología led. La iluminación es necesaria en aquellos casos en que no se dispone de luz natural para realizar las actividades laborales, cotidianas y otras. Sin embargo, un exceso de iluminación en estas actividades constituye un derroche y, en este sentido, es necesario hacer mediciones para una adecuada valoración. La presente sección, se va a introducir con la definición de algunos términos frecuentemente utilizados en el área de la iluminación, para posteriormente hablar de valores recomendados y del luxómetro como instrumento de medicón.

Flujo luminoso

Se define como la cantidad de energía luminosa emitida por una fuente de luz por unidad de tiempo, en todas las direcciones. Se representa por la letra griega Φ y su unidad es el lumen (lm).

Rendimiento luminoso o eficiencia luminosa

Indica el flujo luminoso que emite una fuente de luz por cada unidad de potencia eléctrica consumida para su obtención. Se representa por la letra griega η su unidad es el lumen/vatio (lm/W).

Intensidad luminosa

Se define como la relación entre el flujo luminoso emitido por una fuente de luz en una dirección, por unidad de ángulo sólido en esa misma dirección medido en estereorradianes (sr). Un estereorradián es el ángulo formado entre el centro de una esfera de radio unitario y una porción de superficie de una unidad cuadrada de dicha esfera. La unidad de la intensidad luminosa es la candela (cd).

Nivel de Iluminación o Iluminancia

Los niveles de iluminación se definen como la relación entre el flujo luminoso y el área de superficie sobre la cual incide dicho flujo. Se simboliza con la letra E y su unidad es el lux.

Rendimiento de color

Es el índice que indica el nivel o el grado de precisión en que un objeto iluminado puede reproducir su propio color real bajo la influencia de una fuente de luz. Cuando la luz incide sobre un cuerpo y éste genera un color prácticamente igual o idéntico al propio, entonces su IRC tendrá un valor cercano o igual a 100. Para la clasificación de distintas fuentes de luz, se ha instituido a la lámpara incandescente como patrón, ya que dicha fuente representa un IRC de 100 (muy bueno).

Curvas fotométricas

Son curvas que indican la intensidad luminosa emitida, en todos los ángulos, en un determinado corte de la sección volumétrica del emisor de luz.


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Fuentes de iluminación naturales y artificiales

Las fuentes de luz pueden ser naturales o artificlales. La luz del sol constituye la principal fuente de luz natural. Las fuentes luminosas eléctricas se pueden clasificar en dos (2) grandes categorías:

• Irradiación por efecto térmico.

• Descarga eléctrica en el gas o en los metales al estado de vapor.

Dentro del primer grupo, se encuentran los bombillos incandescentes, y en el segundo, las lámparas fluorescentes tradicionales y compactas, las de vapor de mercurio o sodio, las de neón y otras.

Niveles de iluminancia recomendados

Los niveles de iluminacion requeridos, en función del objetivo del sistema de iluminacion el cual es brindar un adecuado ambiente visual en los ambientes de las diferentes edificaciones, sean residenciales, comerciales o industriales, están relacionados con el tipo de actividad que se realiza en los mismos.

En Venezuela, es de común aplicación las recomendaciones para el sector comercial e industrial contenidas en la Norma COVENIN 2249 (1993), la cual dicta recomendaciones en tal sentido. La Tabla 11, muestra algunos de estos límites recomendados. Esta norma tiene como propósito “establecer los valores de iluminancia media en servicio recomendados” los cuales han “sido definidos estadísticamente en base a encuentas y experiencia”. Los valores de iluminancia recomendados están establecidos en cantidades límites, en cuyo caso no se recomienda que las mediciones estén por debajo del mínimo o por encima del máximo.

Para la medición de niveles de iluminación, se hace uso de un instrumento denominado luxómetro, el cual consiste de una célula fotoeléctrica. Al incidir la luz sobre esta célula, se genera una señal eléctrica. La señal producida genera el movimiento de una aguja, el encendido de una luz o la aparición de una cantidad en una pantalla, dependiendo del modelo y tipo de luxómetro que se utilice.

Tabla 11. Niveles de iluminación recomendados en las Norma COVENIN 2249 (1993)

ÁREA O TIPO DE ACTIVIDAD

ILUMINANCIA (lux)

Mínimo Promedio Máximo

Operaciones activas 200 300 500

Trabajo de bajo contraste 500 750 1000

Sala de conferencias 200 300 500


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El RETILAP (2009) recomienda las siguientes especificaciones técnicas de los luxómetros, para el caso que se utilicen en procesos de auditorías o inspección:

• Respuesta espectral ≤ al 4% de la curva IEC Standard, error de coseno ≤ al 3% a 30°.

• Pantalla de 3,5 dígitos, precisión de +/- 5% de lectura +/- un dígito

• Rango de lectura entre 0.1 y 19.990 luxes

Principales usos y aplicaciones de los luxómetros

Para comprobar que en los diferentes ambientes de una edificación se disponen de los niveles de iluminación adecuados a las tareas que se desarrollan en éstos, se realizan las respectivas mediciones mediante la utilización del luxómetro. Además, son utilizados en otras aplicaciones, como por ejemplo en la industria del cine y la televisión.

Cuidados en el uso

Al realizar mediciones con el luxómetro, se deben considerar los siguientes aspectos:

• Ajustarlo en el rango adecuado a los valores a medir.

• Mantenerlo en posicion perpendicular y a las alturas de los planos de trabajo respectivos.

• Realizar varias mediciones, a efectos de tomar como valor definitivo el promedio de las mismas.

REGISTRADOR DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS O ANALIZADOR DE REDES

En las auditorías energéticas, es necesario no sólo obtener valores puntuales de los parámetros eléctricos presentes en una instalación en un instante de tiempo. En la mayoría de los casos, es necesario obtener los parámetros eléctricos en un período de tiempo, y de esta forma, tener un panorama amplio de las variaciones que están ocurriendo y así recomendar las alternativas de uso racional y eficiente de la energía de la instalación. En este sentido, los registradores de parámetros eléctricos o analizadores de redes, son instrumentos que permiten medir, registrar y monitorear los parámetros eléctricos de una instalación, con miras a su posterior análisis. Adicionalmente, otra de las ventajas que introduce este instrumento es el monitoreo de las desviaciones de las ondas de tensión y corriente, aspecto tambien a incluir en esta sección. Anteriormente, se definieron los parámetros eléctricos tensión y corriente (ver los acápites dedicados al voltímetro y la pinza amperimétrica); a continuación, se introducirán los conceptos relativos a potencia, energía y factor de potencia.

Potencia activa

Es la razón a la cual se efectúa el trabajo útil en un circuito eléctrico. La unidad de potencia es el vatio, simbolizado con la letra W. También se pueden usar unidades múltiplos como el kW.


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Potencia reactiva

Es la potencia que representa la interacción de la energía magnética que hace posible el funcionamiento de las máquinas eléctricas, entre éstas, los transformadores y las máquinas rotativas. Su unidad es el voltioamper reactivo, simbolizado con las letras VAr. También se pueden usar unidades múltiplos como el kVAr.

Potencia aparente

Es la potencia suministrada por la fuente de energía y se obtiene como la suma fasorial de la potencia activa y la potencia reactiva. Su unidad es el voltioamper, simbolizado con las letras VA. También se pueden usar unidades múltiplos como el kVA.

Energía

Se define como la capacidad de un sistema para realizar un trabajo, entre los instantes t1 y t2. La unidad de la energía en el SI (Sistema Internacional) es el Joule (J), sin embargo, también se expresa en vatios-hora cuando es debida a la potencia activa, y se simboliza por Wh. La ecuación (13), muestra la relación que existe entre la energía (W) y la potencia activa en el período de tiempo entre t1 y t2.

Factor de potencia

El factor de potencia (fp) fue definido por Lyon (referenciado por Vásquez, 2011) en 1920, como “la razón entre la potencia consumida por una carga sobre la potencia más grande que podría absorber cualquier carga con iguales valores eficaces de tensión y corriente”, es decir, que es un término que por sí sólo, tácitamente indica el grado de eficiencia con el que funciona un sistema eléctrico. Este es adimensional y, en el caso de sistemas con ondas de tensión y corriente senoidales, se define como la relación que existe entre la potencia activa (considerada la que ejecuta la acción o el trabajo) y la aparente (como el máximo valor de potencia que se suministra al sistema), dada por la ecuación (14). En caso de la presencia de tensiones y corrientes armónicas, existe un tercer término de potencia debido a los armónicos, designado con la letra H. En este caso, el factor de potencia del sistema debe considerarlas y se determina en base a la ecuación (15), donde la potencia activa está representada por la letra P y la potencia reactiva por la letra Q.

Perturbaciones de las ondas de tensión y corriente

En los sistemas eléctricos, se espera que las formas de onda de tensión y corriente sean senoidales. Sin embargo, existen perturbaciones que pueden ocasionar la distorsión de las formas de onda.


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Estas perturbaciones han sido clasificadas en la norma IEEE 519 (1999) en siete categorías, las cuales se listan y definen a continuación:

• Transitorios electromagnéticos: Elevación transitora de las ondas de tensión y/o corriente, de tiempos muy cortos de duración, apenas de unos µs. Estos se subclasifican en de tipo impluso atmosférico y de impulso oscilatorio. El primero es unidireccional en su polaridad y causado principalmente por la propagación de los campos electromagnéticos debidos a las descargas atmosféricas o rayos. El segundo involucra valores positivos y negativos de polaridad, y es causado por la apertura y cierre de los interruptores en los sistemas eléctricos. Dentro de sus principales consecuencias se encuentran el deterioro o falla del aislamiento de los equipos, si su presencia no fue considerada en el diseño de la instalación y por tanto no se encuentra protegida.

• Variaciones de tensión de corta duración: Elevación o disminución de los niveles de tensión presentes en la instalación, con un tiempo de duración de unos ciclos hasta un (1) minuto. Se clasifican en: huecos de tensión, subidas de tensión e interrupciones momentáneas. En los huecos, ocurre una disminución de la tensión entre el 10 y el 90% de la tensión nominal. En las subidas, se presenta una elevación por encima del 110% de la tensión nominal. Finalmente, en las interrupciones moméntaneas la tensión cae por debajo del 10% de la nominal. Sus causas más generales se deben a la presencia de fallas en los sistemas eléctricos que involucran la operación automática de las protecciones y a los arranques de grandes cargas. Dentro de sus efectos, se encuentra las pérdidas en los procesos productivos debido a la mala operación de los equipos electrónicos dedicados a su control, entre otras.

• Variaciones de tensión de larga duración: a diferencia de la anterior, son elevaciones o disminuciones de los niveles de tensión presentes en la instalación, con un tiempo de duración por encima de un (1) minuto. Se clasifican en: subtensiones, sobretensiones o interrupciones permanentes. En las subtensiones, ocurre una disminución de la tensión entre el 10 y el 90% de la nominal. En las sobretensiones se presenta una elevación por encima del 110% de la tensión nominal. Finalmente, en las interrupciones permanentes, la tensión cae por debajo del 10% de la nominal.

• Desbalance de tensión: desbalance entre las tres (3) tensiones de fase o de línea de un sistema eléctrico, debido generalmente a una asimetría en su cargas. Generalmente, el desbalance es limitado a un valor entre el 2 % y el 5 % ya que puede acortar la vida útil de los motores eléctricos. Adicionalmente, puede elevar la corriente que circula por el conductor neutro, incrementando las pérdidas de energía.

• Distorsión de la forma de onda de la señal: alteración de la forma, período, frecuencia o amplitud de la onda de tensión y/o corriente en régimen permanente. La distorsión puede ser causada por componentes continuas adicionales, armónicos, interarmónicos, ruidos y muescas. Entre éstas, los armónicos son los que introducen las mayores pérdidas de energía, y dichas pérdidas se traducen en calor, disminuyendo adicionalmente la vida útil de los equipos instalados.


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• Fluctuaciones de tensión: Superposición a la señal de 60 Hz de una de menor frecuencia, alrededor de los 5 Hz, que ocasiona el parpadeo de los bombillos incandescentes. Estas fluctuaciones pueden ocasionar dolores de cabeza y molestias, por lo cual deben ser limitadas.

• Variaciones de la frecuencia fundamental: La frecuencia del suministro eléctrico en Venezuela es de 60 Hz, y no se especifican en las normas (NCSDE, 2003) valores permitidos de variación.

Medidas, monitoreo y registro de parámetros eléctricos

Para la medida simultánea de parámetros eléctricos, se utilizan los denominados registradores o analizadores de redes eléctricas, que son instrumentos con capacidad de medir y almacenar los valores de las variables que se necesitan para diagnosticar las condiciones de funcionamiento de las instalaciones eléctricas. Estos instrumentos son equipos programables que miden, calculan y registran en su memoria interna, los principales parámetros en sistemas monofásicos y trifásicos.

De manera general, los analizadores trifásicos, que son los de mayor uso, poseen cuatro (4) terminales toroidales (es decir, que se ubican alrededor de los conductores de línea y neutro) para la medición de la corriente y cuatro (4) terminales independientes para la medición de la tensión, como se muestra en la Figura 21.

Los parámetros que frecuentemente se registran con un analizador de redes son:

• Tensiónes de fase y tensiones de línea

• Intensidades de corriente de línea y neutro

• Potencia activa, reactiva y aparente

• Factor de potencia

• Energía activa, reactiva y aparente

• Armónicos de corriente y de tensión

• Presencia de transitorios, huecos u otro tipo de perturbaciones

Figura 21. Analizador de redesFuente: media.fluke.com


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La programación de estos equipos se realiza mediante teclado y sistemas de menu. En la programación se definen los parámetros a almacenar, el período de almacenamiento, así como el intervalo de medida. Dependiendo del modelo, disponen de memoria interna para almacenar datos, la cual varía desde 250 kB hasta varios MB. Para el tratamiento de los datos almacenados, se suele suministrar un software que permite su descarga a un computador personal para su posterior lectura y análisis.

Estos equipos son capaces de realizar las mediciones en períodos previamente establecidos por el usuario, y almacenar durante este período, el valor máximo, mínimo y promedio de las variables eléctricas prefijadas.

Los analizadores de redes permiten, adicionalmente, visualizar las formas de onda de la tensión y/o corrientes, tanto fundamental como armónicas.

Tipos de registradores

Los analizadores de redes pueden ser fijos o portátiles. Los fijos son instalados en los tableros de medición y control; en cuanto a los portátiles, existen dos (2) tipos según el lugar donde se pueden instalar: para intemperie y para interiores. Los de intemperie son equipos robustos que pueden ser ubicados en las líneas de distribución de entrada a la instalación y la descarga de datos se realiza posteriormente a su desinstalación. Los de interiores, adicionalmente poseen una pantalla gráfica que permite visualizar las mediciones en el sitio, similar a lo que ocurre en un osciloscopio. Generalmente, su fuente de alimentación es de 120 V, sin embargo, poseen una batería auxiliar que les permite seguir operando en caso de una interrupción en la fuente de alimentación.

Principales aplicaciones

• Estudio para aplicaciones de filtrado de armónicos

• Estudio energético y de tarifas

• Estudio de consumos de la instalación

• Análisis de la potencia reactiva a compensar

Representación gráfica de:

• Formas de onda y distorsión armónica

• Tasa de distorsión armónica THD %

• Descomposición armónica (hasta el orden 50)

• Valores eficaces de tensión y corriente

Modos y cuidados en la instalación

Una vez identificado el punto de colocación de las pinzas, se debe realizar la conexión sin que haya tensión en la instalación. Para esto, se debe seccionar la línea y después comprobar con el multímetro que no hay tensión en las fases. Una vez comprobado, se puede proceder a la


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instalación de las pinzas del analizador de redes, en la posición que indica el fabricante del equipo. Su incorrecta ubicación va a introducir errores, generalmente de ángulo de fase, en la medición del instrumento.

La mayoría de los analizadores de redes disponen como tensión máxima de medida 500 V. Sin embargo, cuentan con una programación de relación de transformación, tanto de tensión como de corriente, que permite conectar el analizador a un transductor e introducir en la programación la relación entre las tensiones de entrada y de salida en esta condición.

Error de medición, ajuste y calibración

Para poder realizar mediciones correctamente, los analizadores de redes empleados deben ser calibrados periódicamente. No existe una norma que recomiende los intervalos de calibración. Para esto, deben considerarse los siguientes aspectos a la hora de determinar el intervalo:

• Magnitud medida y banda de tolerancia permitida.

• Utilización de los analizadores e instrumentos de control

• Frecuencia de empleo.

• Condiciones ambientales de exposición.

• Estabilidad de la calibración anterior.

• Precisión de medición exigida de los analizadores de redes.

• Disposiciones relativas al sistema de control de calidad en las empresas que hacen uso de los analizadores de redes.

Esto significa que el período entre dos (2) calibraciones debe ser fijado y controlado finalmente por el usuario. Algunos fabricantes dan como recomendación un intervalo de calibración entre 1 y 3 años.

Ejemplo de aplicación

Medición del factor de potencia

En primer lugar, se conecta el analizador de redes al circuito a medir. En la Figura 22, se ejemplifica una conexión.

En caso de que resulten valores por debajo de los requisitos a cumplir, tales resultados permitirán la toma de decisiones en cuanto a la implementación de medidas para la corrección del factor de potencia.

La Figura 23, muestra las curvas obtenidas de la medición y registro del factor de potencia en una instalación industrial durante un período de 24 horas. Como se puede observar,

Figura 22. Conexión y medición de analizador de redes para determinar factor

de potencia de la instalaciónFuente: media.fluke.com


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durante este período el factor de potencia fue variable y en todo instante de tiempo se encontró por debajo de 0,9, llegando en el peor de los casos a ser inferior a 0,2.

En algunos países, existen marcos normativos que regulan el factor de potencia. Por ejemplo, en Venezuela existe la Resolución Nº 75 emitida por el Ministerio del Poder Popular para la Energía Eléctrica (publicada en la Gaceta Oficial N° 39.694 del 13/06/2011), en donde se promueve la mejora del factor de potencia a un valor igual o superior a 0,9, para aquellos usuarios de los Sectores Industrial, Comercial y Oficial con cargas superiores a 200 kVA.

Figura 23. Ejemplo del factor de potencia en una instalación industrial

TERMÓGRAFO O CÁMARA TERMOGRÁFICA

En el acápite dedicado al termómetro, se comentó la importancia de la medición y monitorización de la temperatura para garantizar el confort de las personas. Sin embargo, existen aplicaciones que se utilizan a nivel industrial, como la termografía, para la detección de puntos calientes (con temperaturas superiores a las recomendadas para los equipos e instalaciones) y que permiten garantizar la condición de operación de los equipos, reducir las pérdidas de energía y establecer


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acciones de mantenimiento preventivo. Para realizar la termografía, se utiliza como instrumento el termógrafo o la cámara termográfica. Esta sección estará dedicada a este punto. Se iniciará con sub-secciones dedicadas a los puntos calientes, los límites térmicos y la radiación infrarroja, para posteriormente introducir al lector en los modos de uso del instrumento y sus aplicaciones.

Puntos calientes

Un punto caliente puede definirse como la presencia de un gradiente de temperatura entre la unión de dos (2) elementos o equipos eléctricos energizados, en la cual se presenta un alto porcentaje de fricción y activación de los componentes químicos producto del calor. Esto trae como consecuencia pérdidas de energía por efecto de la disipación, conocidas como efecto Joule. Adicionalmente, producen interrupciones del suministro eléctrico y posibles daños al conductor o equipo objeto de conexión.

Dentro de las causas más comunes que producen puntos calientes, se encuentran:

• Aflojamiento entre conexiones.

• Corrosión.

• Defectos internos en el conductor o conectores.

• Sobrecarga

Límites térmicos

Cuando un material aislante opera por encima de sus límites térmicos (recomendados por los fabricantes), puede ocurrir una ruptura térmica (Torres-Sánchez, 2011) y su falla permanente. Por ejemplo, en los transformadores de distribución sumergidos en aceite, se tiene como temperatura máxima del arrollado 110 oC (IEEE Std. C57.91-1995). En la Tabla 12, se muestran los límites térmicos de los conductores utilizados en sistemas de baja tensión.

Tabla 12. Límites térmicos de los conductores de baja tensión dados por el tipo de aislamiento

TIPO DE AISLAMIENTO

SIGLASLÍMITE TÉRMICO EN

SERVICIO PERMANENTE (°C)

Polietileno reticulado XLPE 90

Etileno propileno EPR 90

Policloruro de vinilo PVC 70


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La radiación infraroja y la termografía

La radiación infrarroja (IR) emitida a través de la superficie de un cuerpo, contiene información característica de la materia que lo compone y de sus propiedades. El uso de esta información mediante un sistema de adquisición y tratamiento apropiado, permite conocer y controlar ciertos parámetros de difícil medida.

Las aplicaciones de la radiación infrarroja para conocer la temperatura o su diferencia entre diferentes puntos, se consigue conociendo la radiación (cantidad y longitud de onda) que emite un cuerpo, considerando la posición relativa entre cuerpos de diferentes temperaturas y las propiedades de la superficie de los cuerpos.

El uso de las imágenes térmicas se ha convertido en una de las herramientas más valiosas de diagnóstico para el mantenimiento preventivo en instalaciones eléctricas. Esta herramienta es una técnica de no contacto para generar imágenes infrarrojas o fotografías del “calor” que emiten los objetos, en las cuales se puede medir su temperatura. Al detectar anomalías, que son invisibles al ojo humano, permite tomar acciones correctivas antes de que ocurran fallas en los sistemas y equipos.

Los sistemas infrarrojos portátiles pueden inspeccionar equipos y estructuras y convertir instantáneamente la radiación térmica en mapas térmicos visibles, que pueden ser desplegados en equipos de video para poder realizar un análisis cuantitativo de la temperatura.

La termografía por radiación infrarroja como herramienta para usos no militares, comienza a utilizarse en la década de los 60. Desde entonces, su desarrollo tanto en la tecnología como en tipos de equipos y aplicaciones de la técnica, se ha incrementado.

La historia de la termografía se remonta a 1800, cuando Sir William Herschel estaba buscando un filtro óptico para su telescopio. Observa que ciertos cristales coloreados dejaban pasar más calor solar que otros. Decide hacer un estudio más detallado de este fenómeno, y procede a medir la temperatura de los diversos haces de colores en que se descompone la luz al atravesar un prisma de Newton. Pudo comprobar que la temperatura iba creciendo desde el violeta hasta el rojo, pero la mayor

Figura 24. TermógrafoFuente: www.pce-instruments.com


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temperatura se registraba en una zona oscura, fuera del haz visible, más allá del color rojo. Esto fue el inicio de futuras investigaciones en esta parte del espectro electromagnético: la radiación infrarroja, originalmente llamada “calor oscuro”. Al ser el espectro electromagnético continuo, su división en las distintas regiones depende, por ejemplo, del rango de los detectores que se conocen o de los usos, ya que el espectro en sí es continuo.

La región del espectro electromagnético conocida como radiación infrarroja, está comprendida entre los 0,7 y 1000 µm de longitud de onda, aproximadamente. La radiación infrarroja viaja a través del espacio a la velocidad de la luz (300.000 km/s) y esta radiación puede ser reflejada, refractada, absorbida y emitida. Los cuerpos radian energía en función directamente proporcional a su temperatura. Esta radiación es generada por la vibración y rotación propia de los átomos y moléculas que componen un material.

La termografía puede rápidamente localizar puntos calientes, determinar la severidad del problema y ayudar a establecer el período de tiempo dentro del cual la reparación puede realizarse. Es útil cuando se inspeccionan componentes en interiores tales como centros de control de motores, tableros de interruptores, interruptores de desconexión y transformadores. Adicionalmente, componentes en exteriores como subestaciones, mecanismos de desconexión, transformadores e interruptores de intemperie pueden inspeccionarse rápida y eficientemente. En las Figuras 24 y 25, se muestran un termógrafo y una imagen térmica que presenta problemas de puntos calientes, respectivamente.

Un beneficio adicional de la termografía, es que consiste en una técnica que permite realizar las inspecciones mientras los equipos se encuentran operando con carga. Como se trata de un método de diagnóstico de no contacto, se puede rápidamente inspeccionar una pieza de equipo desde una distancia segura, sin poner nunca en peligro la integridad física.

Figura 25. Imagen térmicaFuente: www.tecnotrol.com


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Modos de uso y aplicación de la cámara termográfica

La cámara termográfica produce imágenes de televisión en vivo del calor radiado en forma de energía y permite ver la condición térmica de todo. Adicionalmente, puede calcular y desplegar temperaturas debido a que la radiación térmica es una función de la temperatura de superficie de los objetos.

Los pasos para utilizar la cámara son:

• Presione el botón para automáticamente obtener la mejor imagen en el visor, generalmente este es de color rojo. Cuando el botón se presiona, se realiza una calibración automática.

• Ajuste el enfoque del visor para obtener el mejor plano para los ojos. Se requiere girar el aro de ajuste hasta que las letras de la imagen sean lo más claras.

• Presione el botón para activar la función de auto-ajuste para obtener una buena imagen en el visor.

• Ajuste el enfoque de la lente de la cámara moviendo la palanca hacia arriba o hacia abajo.

Se presentará en la pantalla una escala de color/ temperatura que muestra la relación entre los colores en la imagen y la temperatura aproximada.

Entre las funciones de la cámara termográfica, se tienen las siguientes:

• Permite congelar imágenes para un diagnóstico en el sitio.

• Permite almacenar imágenes (y generalmente audio) para el análisis y comparación posterior.


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REFERENCIAS

Abadía, R. Cámara, J. Melián, M. Rocamora, M. Puerto H. Ruíz, A. (2010). Manual de auditorías energéticas en comunidad de regantes. Editorial Club Universitario, Alicante, España.

Alcalde, P. (2010). Electrónica General. Segunda Edición. Ediciones Parainfo, España.

Avilés, J. (s/f ). Medición de nivel y caudal por ultrasonido. Universidad Técnica Federico Santa María. Disponible en: http://profesores.elo.utfsm.cl/~jgb/AVILES.pdf

Bastian, P. Eicher, W. Huber, F. Jaufmann, N. Manderla, J. Spielvogel, O. Springer, G. Stricker, F. Tkotz, K. Electrotecnia: ciclos formativos. Ediciones Akal S.A, Madrid, España.

Cárdenas, M. y Garzón, M. (s/f ) Diagnostico de redes de distribución aéreas de hasta 11,4 hasta 34,5 kV con la técnica de ultrasonido.

Carmona, F. (2008). Procedimiento para el Mantenimiento Predictivo en Subestaciones de 115 / 34,5 / 13,8 kv, Utilizando Técnicas de Termografía y Ultrasonido. Caso de estudio. Empresa electricidad de valencia.

Çengel, Y. y Boles, M. (2006). Termodinámica. Quinta edición. Mcgraw-Hill Interamerica, México.

Creus, A (2005). Instrumentación Industrial. Séptima edición. Marcombo, España.

EN 16247-1 (2012). Auditorías Energéticas. Parte 1: Requisitos generales.

ERGA-Noticias (2007). Confort térmico. Instituto Nacional se Seguridad e higiene en el Trabajo España. Disponible en: http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/TextosOnline/FichasNotasPracticas/Ficheros/np_enot_99.pdf [Fecha de acceso: 28/10/12]

Fink y Beaty. (1996)- Manual de Ingeniería Eléctrica. Decimotercera edición. Mc Graw Hill

FONDONORMA 159 (2005). Tensiones Normalizadas del Servicio Eléctrico. 2DA Revisión. Elaborada por CODELECTRA. Caracas, Venezuela. Pp 10.

Guía técnica sobre trazabilidad e incertidumbre de medición en la calibración de higrómetros de humedad relativa (2004). Centro Nacional de Metrología. Entidad mexicana de acreditación a.c. Disponible en: http://www.simet.gob.mx/Guas%20Tcnicas/CALIBRACION_HIGROMETROS.pdf. [Fecha de acceso: 21/10/12]

Harper, E. (2004). El ABC de la instrumentación en el control de procesos industriales. Editorial Limusa, México.

IEEE 519 (1992). IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonics Control in Electrical Power Systems. New York, USA. Pp 101.

IEEE Std. C57.91-1995. IEEE Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Transformers. New York, USA. Pp 101.

Iluminación protocolo (2008-1). Disponible en www.copernico.escuelaing.edu.co/lpinilla/www/protocols/HYSI/PROTOCOLO%20DE%20ILUMINACION%202008-1.pdf


67

Manual del Usuario Extech Instruments. Extech 470. Disponible en www.extech.com.ve

Martínez, N. Andrés, A. Chiralt, A. Fito, P. (1998). Termodinámica Y Cinética de Sistemas Alimento Entorno. Universidad Politécnica de Valencia, Servicio de Publicaciones, Valencia, España.

Mermel, A. (2005). Ventilación natural de edificios: fundamentos y métodos de cálculo para aplicación de ingenieros y arquitectos, primera edición, Nobuko, Argentina.

Moran, M. y Shapiro, H. (2004). Fundamentos de Termodinámica Técnica. Segunda edición. Editorial Reverté, España.

Mott, R. (1996). Mecánica de fluidos aplicada. Editorial Prentice Hall. Cuarta Edición. México.

NCSDE (2003). Normas de Calidad del Servicio de Distribución de Electricidad. Caracas, Venezuela. Pp 57.

Pallas, R. (2003). Sensores y acondicionadores de señal. Cuarta edición, Marcombo, S.A, España.

Porras, A. y Guerrero, A. (2006). Riesgo Eléctrico. Creaciones Copyright SRL. España.

Rey, F. y Velasco, E. (2006). Eficiencia energética en edificios. Certificación y auditorias energéticas. Editorial Thomson, España.

Sanz y Toledano. (2008). Técnicas y Procesos en las Instalaciones Eléctricas en Media y Baja Tensión.

Terán, E. (2003). Metodología para la disminución de las conexiones defectuosas en líneas de distribución de energía eléctrica. Trabajo Especial presentado como requisito parcial para obtener el título de Ingeniero Electricista. UNEXPO, Venezuela.

Testo (2006). Guía práctica para medición de condiciones ambiente. Disponible en: http://www.testo.com.ar/online/embedded/Sites/ARG/SharedDocuments/Downloads/Guia_ambiente.pdf. [Fecha de acceso: 22/10/12]

Torres-Sánchez, H. (2011). Aislamientos eléctricos. UNAL. Bogotá, Colombia. P 83.

UNE 216501 (2009). Auditorías Energéticas. Requisitos.

Vásquez, C. (2011). Calidad de la energía eléctrica y eficiencia energética. Criterios de diseño, operación y mantenimiento. Editorial EAE, Alemania.

VÁSQUEZ, C. y otros (2007c). Monitoreo del contenido armónico de un sistema eléctrico de transmisión de 115 kV. VIII Jornadas Latinoamericanas y V Iberoamericanas en Alta Tensión y Aislamiento Eléctrico ALTAE 2007. Cuernavaca, México. Pp 4.

GUÍA PARA EL MANEJO DE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN UTILIZADOS EN LAS AUDITORÍAS ENERGÉTICAS

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