Instrumentacion Industrial

Instrumentación Industrial

Diseño IInstr uccional Objetivo General: General: Dar a conocer al participante diversos aspectos básicos de la Instrumentación. Aportar la capacidad de reconocer los diferentes diferentes métodos e instrumentos instrumentos para la medición de presión, temperatura, nivel y caudal, así como conocer diferentes tipos de válvulas, conocerá además, sus ventajas, desventajas, modo de funcionamiento, lo que les permitirá reconocer aquellos instrumentos que mejor se adapten a las necesidades específicas de un determinado proceso. Por último el participante conocerá la simbología e identificación de diferentes instrumentos aplicando la Norma ISA S5.1. METODOL METODOLOG OG A OBJETIVOS INSTRUCCIONALES 1.- Explicar el concepto de instrumentación. Describir la Importancia de la instrumentación en la automatización de los procesos industriales. 2.Introducir los términos relacionados con la señal y el campo de medida. Señalar las diferentes unidades para expresar presión, temperatura, nivel, caudal, entre otras magnitudes en el sistema métrico internacional y en el sistema Anglosajón, así como sus respectivas conversiones. Explicar las características estáticas y dinámicas de los instrumentos de medición. 3.- Introducir el concepto de presión. Describir los diferentes términos relacionados con la medición de presión. Diferenciar y explicar el funcionamiento de los diferentes sensores para medición de presión. 4.- Introducir el concepto de nivel. Diferenciar y explicar el funcionamiento de los diferentes sensores para medición de nivel. 5.-Introducir el concepto de temperatura. Diferenciar y explicar el funcionamiento de los diferentes sensores para medición de temperatura.

CONTENIDOS PROGRAMATICOS 

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HORAS

TECNICA

RECURSOS

Discusión/ Instrucción programada

Computador Pizarra Marcadores

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Medición de presión. Definición Individual de presión. Términos utilizados Socializada para expresar la medición de presión. Instrumentos para medir la presión.



Medición de nivel. Definición de Individual nivel. Métodos e instrumentos Socializada para medir nivel.



Medición de temperatura. Individual Definición de temperatura. Socializada Instrumentos utilizados para la medición de temperatura.



Presentación, diagnóstica.

actividad

ESTRATEGIA Individual socializada

Bases teóricas de la medición. Introducción. Medición. Tipos de medición. Errores inherentes a la medición. Sistemas de medición. Individual Términos relacionados con la socializada señal y el campo de medida. Características estáticas y dinámicas de los instrumentos. Tipos de Instrumentos de medición de acuerdo a su función.

Coordinación de Diplomados

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Diseño IInstr uccional Objetivo General: General: Dar a conocer al participante diversos aspectos básicos de la Instrumentación. Aportar la capacidad de reconocer los diferentes diferentes métodos e instrumentos instrumentos para la medición de presión, temperatura, nivel y caudal, así como conocer diferentes tipos de válvulas, conocerá además, sus ventajas, desventajas, modo de funcionamiento, lo que les permitirá reconocer aquellos instrumentos que mejor se adapten a las necesidades específicas de un determinado proceso. Por último el participante conocerá la simbología e identificación de diferentes instrumentos aplicando la Norma ISA S5.1. METODOL METODOLOG OG A OBJETIVOS INSTRUCCIONALES 1.- Explicar el concepto de instrumentación. Describir la Importancia de la instrumentación en la automatización de los procesos industriales. 2.Introducir los términos relacionados con la señal y el campo de medida. Señalar las diferentes unidades para expresar presión, temperatura, nivel, caudal, entre otras magnitudes en el sistema métrico internacional y en el sistema Anglosajón, así como sus respectivas conversiones. Explicar las características estáticas y dinámicas de los instrumentos de medición. 3.- Introducir el concepto de presión. Describir los diferentes términos relacionados con la medición de presión. Diferenciar y explicar el funcionamiento de los diferentes sensores para medición de presión. 4.- Introducir el concepto de nivel. Diferenciar y explicar el funcionamiento de los diferentes sensores para medición de nivel. 5.-Introducir el concepto de temperatura. Diferenciar y explicar el funcionamiento de los diferentes sensores para medición de temperatura.


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TECNICA

RECURSOS



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2 – 4

Medición de presión. Definición Individual de presión. Términos utilizados Socializada para expresar la medición de presión. Instrumentos para medir la presión.



Medición de nivel. Definición de Individual nivel. Métodos e instrumentos Socializada para medir nivel.



Medición de temperatura. Individual Definición de temperatura. Socializada Instrumentos utilizados para la medición de temperatura.



Presentación, diagnóstica.

actividad

ESTRATEGIA Individual socializada

Bases teóricas de la medición. Introducción. Medición. Tipos de medición. Errores inherentes a la medición. Sistemas de medición. Individual Términos relacionados con la socializada señal y el campo de medida. Características estáticas y dinámicas de los instrumentos. Tipos de Instrumentos de medición de acuerdo a su función.


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METODOL METODOLOG OG A OBJETIVOS INSTRUCCIONALES 6.- Introducir el concepto de flujo. Definir los factores que afectan el flujo de un fluido a través de una tubería. Diferenciar y explicar el funcionamiento de los diferentes sensores para medición de flujo. 7.- Introducir el concepto de válvula de control. Definir los diferentes componentes de una válvula de control. Explicar los diferentes tipos de válvula de 8.- Explicar los diferentes símbolos e identificación de instrumentos, Norma ISA S5.1.

9.- Evaluación del módulo


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ESTRATEGIA

TECNICA

RECURSOS

Medición de flujo. Definición de flujo. Factores que afectan el Individual flujo de un fluido a través de una socializada tubería. Medidores de flujo.



Válvulas de control. Partes de Individual una válvula de control. Actuador. Socializada Cuerpo de válvula: tipos.



Simbología e identificación de Individual instrumentos aplicando la Norma Socializada ISA S5.1. Identificación funcional. Identificación del lazo. Nomenclatura de instrumentos. Símbolos de líneas. Símbolos de válvulas y actuadores. Evaluaciones generales Feedback Cierre de la materia



HORAS

11 - 13

14 - 16 Computador Pizarra Marcadores

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21 - 24

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ESQUEMA 1. Bases teóricas 2. Medición de presión 3. Medición de nivel 4. Medición de temperatura 5. Medición de flujo 6. Válvula de control 7. Símbolos e identificación de instrumentos aplicando la norma ISA ISA S5.1 Referencias bibliográficas


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Instrumentación Industrial 1. Bases teóricas de la medición 1.1. Introducción El desarrollo de un óptimo sistema de control, se fundamenta en gran medida en la aplicación de un buen sistema de medición. Generalmente los sistemas de control requieren que la variable a ser controlada (nivel, presión, temperatura, velocidad, etc.) u otra relacionada a ella, sea medida. La adecuada aplicación de los términos que a continuación se presentan permitirá al instrumentista, el diseño y la elaboración de un adecuado sistema de medición. 1.2. Medición Medir es comparar una magnitud desconocida con otra de la misma naturaleza establecida como patrón. Para llevar a cabo una medición se utiliza un instrumento cuya función es la de indicar y/o registrar dicha magnitud. 1.2.1 Tipos de medición Medición directa Se observa la variable a medir de forma directa, sin intervención alguna de algún otro elemento que no sea la variable medida. Ejemplo: La medición de la longitud por medio de una cinta métrica.

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Medición indirecta o inferencial Se conoce la magnitud de la variable a medir mediante la relación proporcional de esta con otra variable inferida. Ejemplo: la termocupla es un instrumento que se usa para medir la temperatura, ésta origina una diferencia de potencial entre sus extremos proporcional a la temperatura que mide. En este caso la diferencia de potencial es la variable inferida.

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1.2.2. Errores inherentes a la medición Existen diferentes factores que pueden afectar la calidad d e la medición, entre los que se pueden mencionar: Efectos ambientales La variación de la temperatura ambiental puede afectar la constante de los resortes utilizados en diversos instrumentos de medición.

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Desgastes El continuo uso de los instrumentos puede ocasionar desgaste en sus piezas (especialmente en aquellas metálicas), causando desviaciones en la medición.

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Transmisión La señal enviada desde el elemento primario hasta el instrumento receptor puede sufrir distorsiones durante la transmisión. 

Ruido Consiste en una cantidad de señales distorsionadas que no proporcionan información útil.

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Paralaje Es la limitación de la visión del lector para detectar una lectura precisa.

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1.2.3. Sistemas de medición Sistema internacional de unidades Sistema Internacional de unidades, nombre adoptado por la XI Conferencia General de Pesas y Medidas (celebrada en París en 1960) para un sistema universal, unificado y coherente de unidades de medida, basado en el sistema mks (metro-kilogramo-segundo). Este sistema se conoce como SI, iniciales de Sistema Internacional. 


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Instrumentación Industrial Sistema inglés de medición También llamado sistema británico o sistema inglés de medición, es utilizado en Gran Bretaña, Estados Unidos y muchos otros países. La siguiente tabla muestra las unidades más usadas de ambos sistemas: 

Tabla 1.1. Unidades más usadas en el sistema Internacional y en el sistema Inglés En la tabla 1.2 se muestran las equivalencias más utilizadas Longitud 1 in : 25.4 mm 1 ft : 0.3048 m 1 yd : 0.9144 m 1 mile : 1.6093 km 1 Å (angstrom) : 10-10 m Volumen 1 in3 : 16.387 cm3 1 ft3 : 0.02832 m3 1 yd3 : 0.76453 m3 1 UK gal : 4546.1 cm3 1 US gal : 3785.4 cm3 Fuerza 1 pdl : 0.13826 N 1 lbf : 4.4482 N 1 kgf : 9.8067 N 1 tonf : 9.9640 kN 1 dyn : 10-5 N Presión 1 lbf /in2 : 6.8948 kN /m2 1 tonf /in2 : 15.444 MN /m2 1 lbf /ft2 : 47.880 N /m2 1 standard atm : 101.325 kN /m2

rea 1 in2 : 645.16 mm2 1 ft2 : 0.092903 m2 1 yd2 : 0.83613 m2 1 acre : 4046.9 m2 1 mile2 : 2.590 km2 Masa 1 oz : 28.352 g 1 lb : 0.45359237 kg 1 cwt : 50.8023 kg 1 ton : 1016.06 kg Flujo 1 ft3/min : 7.4805 G.P.M 1 G.P.M : 3,75 L.P.M 1 Kg/h: 2,02 lb/h 1 L.P.M: 1 dm3/min 1 m3/d : 35,28 ft3 /d Densidad 1 lb /in3 : 27.680 g /cm3 1 lb /ft3 : 16.019 kg /m3 1 lb /UK gal : 99.776 kg /m3 1 lb /US gal : 119.83 kg /m3


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Instrumentación Industrial 1 atm (1 kgf /cm2 ) : 98.0665 kN /m2 1 bar : 105 N /m2 1 ft water : 2.9891 kN /m2 1 in water : 249.09 N /m2 1 in Hg : 3.3864 kN /m2 1 mm Hg (1 torr) : 133.32 N /m2 Tabla 1.2. Equivalencias de unidades más usadas 1.2.4. Términos relacionados con la señal y el campo de medida Para el óptimo análisis de las características de funcionamiento de un sistema de medición se debe comprender una serie de términos, cuyo, significado se describe en el estándar ANSI/ISA-S51.1- 1979 ―Process Measurement and Control Terminology‖, publicado por SAMA (Scientific App aratus Maker Association); algunos de los cuales se presentan a continuación: Variable medida Cantidad física, propiedad o condición que está siendo medida. Ejemplo: presión, temperatura, caudal. 

Señal medida Variable eléctrica, mecánica, neumática u otra variable aplicada a la entrada de un equipo. Ejemplo: el voltaje producido en los extremos de la termocupla. 

Señal de entrada Señal aplicada a un dispositivo o sistema. 

Señal de salida Señal entregada por un dispositivo o sistema. 

Rango de un instrumento (campo de medida) Conjunto de valores de la variable medida comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión de un instrumento. Ejemplo: un manómetro de pozo utilizado para medir presión que está calibrado para detectar desde 10 hasta 300 cm H 2O, tiene un rango de 10 a 300 cm H2O. 

Amplitud (Span) Diferencia algebraica entre entre los valores o límites superiores e inferiores del rango de un instrumento. En el ejemplo anterior, el span del instrumento es 300 cm H 2O – 10 cm H2O = 290 cm H2O 

Elevación de cero Cantidad con la cuál el valor cero de la variable medida supera al valor inferior del rango. Puede expresarse en unidades de la variable medida o como porcentaje del span. 

Supresión de cero Cantidad con la cual el valor inferior del rango supera al valor cero de la variable medida. Puede expresarse en unidades de la variable medida o como porcentaje del span. 

Rango con elevación de cero Rango de medida en el cual el valor cero de la variable o señal medida es mayor que el valor inferior del rango. 

Rango con supresión de cero Rango de medida en el cual el valor cero de la variable o señal medida es m enor que el valor inferior del rango. 


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Instrumentación Industrial 1.3. Características de los instrumentos de medición 1.3.1. Características estáticas Son aquellas que posee un instrumento bajo condiciones de estado estacionario. Exactitud Conformidad de un valor indicado con respecto al valor real. Define los límites de errores que se cometen cuando un instrumento se utiliza bajo condiciones de referencia. Como una especificación de funcionamiento, 

la exactitud debe asumirse como ―exactitud de referencia‖. Esta describe la desviación con respecto a un valor

verdadero cuando el instrumento se utiliza bajo condiciones de referencia, e incluye la combinación de los errores de linealidad, histéresis y repetibilidad. La exactitud puede expresarse de varias formas: a.

Como un porcentaje del span. Ejemplo: ± 0,5% del span.

b. En unidades de la variable medida. Ejemplo: ± 1 ºC. c. Como un porcentaje del valor máximo del rango. Ejemplo: ± 5% del valor máximo. d. Como un porcentaje de la lectura actual. Error estático Diferencia entre el valor real de la cantidad m edida, el cual no cambia con relación al tiempo, y el valor indicado por el instrumento. 

Error estático = Indicación del instrumento – Valor real de la medición. Repetibilidad Capacidad de reproducción de las posiciones del puntero o de la pluma del instrumento al medir repetidamente valores idénticos de la variable. Pued e expresarse en términos de ―unidades‖ por un período de tiempo dado o como un porcentaje del span. Un instrumento que tiene una repetibilidad perfecta es aquel que no tiene desviación, o sea, su calibración no varía gradualmente en un período de tiempo largo. 

Desviación Separación gradual del valor medido con respecto al valor calibrado, generalmente después de un largo intervalo de tiempo durante el cual el valor de la variable no cambia. Existen dos formas de desviación: 

a. Desviación uniforme: la desviación se produce en forma gradual, este efecto se llama desviación de cero y se corrige desplazando el puntero del instrumento. b. Desviación de amplitud: Esta comienza en cero y aumenta o diminuye en forma gradual o proporcional. Normalmente la causa de este tipo de desviación es el desgaste de un resorte o fuelle. Sensibilidad Señal mínima a la cual el instrumento responde, indicando un cambio en la variable de medición. Si el instrumento no responde a un cambio pequeño se dice que tiene una banda o zona muerta. 

Banda Muerta Rango a través del cual un cambio en la señal de entrada no produce un cambio en la señal de salida. Generalmente se expresa como porcentaje de la amplitud o span. Histéresis Máxima diferencia en la respuesta de un instrumento frente a una misma entrada cuando el recorrido se hace en ambos sentidos de la escala.


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Instrumentación Industrial Corrimiento (Drift) Cuando ocurre un cambio en la relación de entrada-salida de un instrumento sobre un período de tiempo. Una repetibilidad perfecta significa que el instrumento no tiene corrimiento. 1.3.2. Características dinámicas Velocidad de respuesta Rapidez con la que un instrumento responde a cambios en la magnitud medida. 

Retraso de medición Retardo en la respuesta del instrumento frente a variaciones en la medida. 

Fidelidad o fiabilidad Grado de igualdad con el cual un instrumento indica los cambios en la variable medida sin error dinámico. 

Error dinámico Diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el indicado por el instrumento (si se asume que no hay error estático). 

Amortiguamiento (Damping) Reducción progresiva a la supresión de la oscilación de un sistema. Si frente a una perturbación, la respuesta de un instrumento es lo suficientemente rápida para no producir sobrepico, se considera dicha respuesta como críticamente amortiguada; subamortiguada si ocurre un pico y si la respuesta es más lenta aún se denomina sobreamortiguada. 

Tiempo de respuesta Tiempo requerido desde que ocurre una perturbación en un sistema hasta que la respuesta del mismo alcanza el nuevo valor de estado estacionario. 

1.4.

Instrumentos de medición

1.4.1.

Tipos de instrumento de acuerdo a su función

Elementos primarios Son los sensores utilizados para medir una variable o propiedad. 

Indicadores Son aquellos que indican o muestran el valor medido de la variable. 

Transmisores Son los utilizados para transmitir, generalmente a lugares remotos, la información obtenida de los elementos primarios. 

Registradores Utilizados para registrar los valores medidos de la variable. 

Interruptores Interrumpen cierta acción a un valor determinado de la variable. 

Controladores Ejecutan acciones para mantener el valor de la variable dentro de límites prefijados. 

Convertidores Son aquellos que convierten un tipo de señal en otra y así facilitar la manipulación de la variable. 


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Instrumentación Industrial Anunciadores de alarma Indican la existencia de condiciones de alarma. 

Elementos finales de control Regulan una variable de acuerdo a una señal de control. 

Analizadores Son equipos utilizados para medir o determinar la concentración de ciertas sustancias. 

2. Medición de presión La presión se define como la fuerza ejercida por unidad de superficie. De este modo podemos expresarla como: P = F/A A continuación se definen varios términos utilizados para expresar la medición de presión: Presión Absoluta: Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. Es la suma de la presión manométrica más la presión atmosférica. Presión Atmosférica: Como su nombre lo indica, es aquella presión ejercida por la atmósfera de la tierra. Al nivel del mar o a las alturas próximas a este, el valor de la presión es cercano a 14.7 lb/plg 2 (101,35Kpa), disminuyendo estos valores con la altitud. Presión Manométrica: Esta presión es relativa a la presión atmosférica. Representa la diferencia positiva entre la presión medida y la presión atmosférica existente. Presión de Vacío: Se refiere a presiones manométricas menores que la atmosférica. Los valores que corresponden al vacío aumentan al acercarse al cero absoluto. Presión Diferencial: Es la diferencia entre las magnitudes de dos valores de presión, una de la cual es tomada como referencia. Presión hidrostática: Es la que ejerce una columna de líquido. Se calcula multiplicando la altura de la columna del líquido por la densidad o por la gravedad del líquido. 2.1. Instrumentos para medir la presión Los sensores utilizados para medir presión pueden clasificarse en: a) Sensores mecánicos Columnas de líquido Manómetro de presión absoluta Manómetro de tubo en U Manómetro de pozo Manómetro de tubo inclinado b) Elementos elásticos Tubos Bourdon Fuelles Diafragma c) Sensores electromecánicos y electrónicos Galgas Extensométricas (Strein Gages) Transductores resistivos Transductores capacitivos Transductores Magnéticos Transductores Piezoeléctricos 2.1.1. Sensores mecánicos: Columnas de líquido  Estos sensores se basan en una columna de líquido que se desplaza en un tubo o recipiente por efecto de la presión aplicada. Dependiendo del rango de presión a medir se elige el líquido que contiene el sensor, pero generalmente se emplea agua, mercurio o compuestos orgánicos la que se desplaza a medida.


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Instrumentación Industrial Se utilizan en gran medida en aplicaciones en laboratorios y como patrones para la calibración de otros instrumentos de presión. 

Manómetro de presión absoluta

Consiste en un tubo en forma de ―U‖ con líquido en su interior, uno de los extremos del tubo es sellado

mientras que el otro es usado para medir la presión (observe la figura 2.1). La sig uiente ecuación permite medir la presión absoluta del instrumento: P = h x Sg Donde: P = Presión absoluta h = Diferencia de altura entre las dos columnas de líquido Sg = Gravedad específica del líquido

Fig.2.1. Manómetro de presión absoluta Manómetro de Tubo en U Es parecido al manómetro de presión absoluta con la diferencia que ambos extremos del tubo están abiertos para aplicarse presión, observe la figura 2.2. La diferencia de altura del líquido en los dos brazos del tubo es proporcional a la diferencia de presiones. 

Fig.2.2. Manómetro de tubo en “U”


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Instrumentación Industrial 

Manómetro de pozo

Se puede ver como una modificación de un tubo en ―U‖ donde uno d e los extremos se sustituye por un

reservorio o pozo de gran diámetro, de esta forma la presión diferencial la indica la altura del líquido en el extremo no eliminado. Observe la figura 2.3.

Fig.2.3. Manómetro de pozo Manómetro de tubo inclinado Para mediciones de presiones diferenciales pequeñas es mejor utilizar el manómetro de tubo inclinado (figura 2.4). Haciendo una analogía con el manómetro de pozo, en este, el extremo del tubo que no es eliminado se inclina con el objeto de obtener una escala mayor, ya que en este caso h = L.sen α, siendo α el ángulo de inclinación del tubo. 

Fig.2.4. Manómetro de presión absoluta 2.1.2. Elementos elásticos Estos sensores basan su operación en el principio que expresa que la deflexión que sufre un material elástico es proporcional a la presión que le es aplicada. Tubos Bourdon El tubo Bourdon es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. AI aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón. El movimiento del tubo Bourdon también puede ser acoplado electrónicamente a un transmisor o transductor El material empleado normalmente en el tubo Bourdon es de acero inoxidable, aleación de cobre o aleaciones especiales como hastelloy y monel. Existen tres configuraciones de tubo Bourdon: Tipo ―C‖: Utilizados principalmente como indicadores loca les en medidores de presión que están conectados directamente sobre recipientes de proceso y tuberías. 

En Espiral: El arreglo en espiral produce un mayor grado de movimiento por unidad de cambio en la presión en comparación con la configuración tipo ―C‖, se construye enrollando el tubo, de sección transversal plana, en un espiral de varias vueltas.


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Instrumentación Industrial Helicoidal: De igual forma que la configuración en espiral, el tubo es enrollado pero esta vez de forma helicoidal. En la figura 2.5 se observan los diferentes tipos de tubos Bourdon.

Fig.2.5. Tubos Bourdon A continuación se enumeran las ventajas y desventajas de los tubos de Bourdon: Ventajas:    

Bajo costo Construcción simple Cobertura de rango bajos y altos Buena relación precisión/costo

Desventajas Pérdida de precisión por debajo de 50 psig Normalmente requieren amplificación, lo que introduce histéresis  

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Diafragma

El diafragma consiste en una o varias capsulas circulares conectadas rígidamente entre si por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada capsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas. El sistema s e proyecta de tal modo que, al aplicar presión, el movimiento se aproxima a una relación lineal en un intervalo de medida lo mas amplio posible con un mínimo de histéresis y de desviación permanente en el cero del instrumento. Observe la figura 2.6 Los diafragmas se emplean en medición de bajas presiones y vacío; y en medidores de presión absoluta y diferencial.

Fig.2.6. Cápsulas de Diafragma


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Fuelles

Es parecido al diafragma compuesto, pero de una sol a pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable. Para producir una relación lineal entre la presión aplicada y la dilatación del fuelle es común colocar un resorte dentro del fuelle, tal como se muestra en la figura 2.7. La colocación del resorte tiene varias ventajas: El procedimiento de calibración se simplifica, ya que el ajuste se hace únicamente sobre el resorte y la estabilidad que éste le transmitirá al componente de estar construido a partir de un material adecuado.

Fig.2.7. Diagrama de funcionamiento de un Fuelle Los fuelles pueden ser metálicos y no metálicos. Cuando se utilizan fuelles de bronce o acero inoxidable tienen rangos típicos de 0-100 mm Hg (abs) hasta 0-60 inHg (abs). Los fuelles pueden ser utilizados en mediciones de presión absoluta y presión diferencial. Además, son parte importante en transmisores, controladores y registradores. 2.1.3. Sensores electromecánicos y electrónicos Los avances en la tecnología electrónica permiten solventar el problema que representa transmitir el movimiento del elemento de medición de presión a un indicador, contrarrestando el desgaste y el alto grado de histéresis que presentan los eslabones mecánicos, los cuales limitan la precisión, velocidad de respuesta y repetibilidad de la medición. Los elementos electromecánicos de presión utilizan un elemento mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que genera la señal eléctrica correspondiente. Los elementos electromecánicos de presión se clasifican según el principio de funcionamiento en los siguientes tipos: Galgas extensométricas (Strein Gages)  Las galgas extensométricas son especialmente adecuadas para ser utilizados en sistemas viscosos y corrosivos. Se basan en la variación de longitud y de diámetro, y por lo tanto de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una presión. Existen dos tipos de galgas extensométricas: galgas cementadas, formadas por varios bucles de hilo muy fino que están pegados a una hoja base de cerámica, papel o plástico, y galgas sin c ementar en las que los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial. Figura 2.8.


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Fig.2.8. Tipos de galgas extensométricas 

Transductores resistivos

Los transductores resistivos constituyen uno de los transmisores eléctricos más sencillos. Consisten en un elemento elástico (tubo Bourdon o capsula) que varía la resistencia ohmica de un potenciómetro en función de la presión. El potenciómetro puede adoptar la forma de un solo hilo continuo o bien estar arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal o no de resistencia. Existen varios tipos de potenciómetro según sea el elemento de resistencia: potenciómetros de grafito, de resistencia bobinada, de película metálic a y de plástico moldeado. En la figura 2.9 puede verse un transductor resistivo cuyo elemento sensor es un fuelle.

Fig 2.9. Transductor resistivo Los transductores resistivos son simples y no requieren amplificación. Sin embargo, son insensibles a pequeños movimientos del contacto del cursor, muy sensibles a vibraciones y presentan una estabilidad pobre en el tiempo. El intervalo de medida de estos transmisores corresponde al elemento de presión que utilizan (tubo Bourdon, fuelle...) y varía en general de 0-0,1 a 0-300 kg/cm². La precisión es del orden de 1-2 %. 

Transductores capacitivos

Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión. La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. De este modo se tienen dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad


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Instrumentación Industrial variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna (figura 2.10). Los transductores capacitivos se caracterizan por su pequeño tamaño y su construcción robusta, tienen un pequeño desplazamiento volumétrico y son adecuados para medidas estáticas y dinámicas. Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición. Son sensibles a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones transversales y precisan de un ajuste de los circuitos oscilantes y de los puentes de c.a. a los que están acoplados.

Fig 2.10 Transductor capacitivo Su intervalo de medida es relativamente amplio, entre 0,05-5 a 0,5-600 bar y su precisión es del orden de ± 0,2 a ± 0,5 %. Transductores Magnéticos  Estos transductores se clasifican en dos grupos según el principio de funcionamiento: a) Transductores de inductancia variable Funcionan mediante el uso de una bobina cuyo núcleo magnético es móvil. La inductancia de la bobina varía proporcionalmente a la posición que ocupe el núcleo de ésta, de este modo, mediante las variaciones de presión se cambia de posición del núcleo de la bobina, originando a su vez un cambio de la inductancia. Los transductores de inductancia variable tienen las siguientes ventajas: no producen rozamiento en la medición, tienen una respuesta lineal, son pequeños y de construcción robusta y no precisan ajustes críticos en el montaje. Su precisión del orden de ± 1 %. b) Transductores de reluctancia variable Estos transductores se basan en un electroimán que origina un campo magnético dentro del cu al se mueve una armadura de material magnético. El circuito magnético se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante con lo cual al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por lo tanto el flujo magnético. Esta variación del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es, por tanto, proporcional al grado de desplazamiento de la armadura móvil. El movimiento de la armadura es pequeño (del orden de un grado como máximo en armaduras giratorias) sin contacto alguno con las partes fijas, por lo cual no existen rozamientos eliminándose la histéresis mecánica típica de otros instrumentos. Los transductores de reluctancia variable presentan una alta sensibilidad a las vibraciones, una estabilidad media en el tiempo y son sensibles a la temperatura. Su precisión es del orden de ± 0,5 %.


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Instrumentación Industrial Ambos tipos de transductores posicionan el núcleo o la armadura móviles con un elemento de presión (tubo Bourdon, espiral). En la figura 2.11 se observan los diagramas de funcionamiento de ambos transductores

Fig 2.11 Diagramas de transductores magnéticos Transductores Piezoeléctricos Estos transductores funcionan aprovechando la característica piezoeléctrica de ciertos elementos como el cuarzo y el titanio de bario. Los elementos piezoeléctricos son materiales cristalinos que, al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. 

Los transductores piezoeléctricos son elementos ligeros, de pequeño tamaño y de construcción robusta. Su señal de respuesta a una variación de presión es lineal y son adecuados para medidas dinámicas, al ser capaces de respuestas frecuenciales de hasta un millón de ciclos por segundo, además, materiales como el cuarzo y el titanato de bario son capaces de soportar temperaturas del orden de 150° C en servicio continuo y de 230° C en servicio intermitente. Tienen entre sus desventajas el de ser sensibles a los cambios en la temperatura y precisar ajuste de impedancias en caso de fuerte choque. Asimismo, su señal de salida es relativamente débil por lo que precisan de amplificadores y acondicionadores de señal que pueden introducir errores en la medición. En la figura 2.12, se observa un transductor piezoeléctrico conformado por un cristal de cuarzo. Observe el amplificador en la parte superior, utilizado para arrojar una salida eléctrica más adecuada.

Fig 2.12 Transductor piezoeléctrico


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Instrumentación Industrial Manómetro de presión absoluta Tubo en U, Manómetro tipo Campana, tubos Bourdon, Fuelles, diafragma, Galgas Extensométricas (Strein Gages), Transductores resistivos, Transductores capacitivos, Transductores Magnéticos, transductores Piezoeléctricos. 

En la tabla 2.1, se resumen las principales características de los sensores vistos. Tipo de sensor Tubo en U Manómetro de pozo Tubo inclinado Bourdon simple Bourdon espiral Bourdon helicoidal Fuelle Diafragma Transductor resistivo Transductor capacitivo Transductor magnético Transductor piezoeléctrico

Rango óptimo 20-120 cm H2O 10-300 cm H2O 1-120 cm H2O 0,5-1500 Kg/cm2 0,5-2500 Kg/cm2 0,5-6000 Kg/cm2 10 cm H2O 0-50 Kg/cm 2 0,5 cm H2O 0-70 Kg/cm 2 0-350 Kg/cm2 0-420 Kg/cm2 0-700 Kg/cm2 0-350 Kg/cm2

Exactitud 0,5% - 1% 0,5% - 1% 0,5% - 1% 2% 1,5% 1,5% 2% 1,5% 0,5% 0,2% 0,2% 0,2%

Tabla 2.1. Resumen de las principales características de los diferentes sensores. 3. Medición de nivel Nivel Es la distancia existente entre una línea de referencia y la superficie del fluido, generalmente dicha línea de referencia se toma como fondo del recipiente. 3.1. Métodos de medición Aunque se considera que el nivel es la variable que puede ser medida mas fácilmente, existen otros factores, tales como viscosidad del fluido, tipo de medición deseada, presión, si el recipiente está o no presurizado, que traen como consecuencias que existan varios métodos y tipos de instrumentos medidores del nivel. La selección de la instrumentación adecuada depende de la naturaleza del proceso; del grado de exactitud y control requeridos y del aspecto económico. Al igual que otras variables de proceso, el nivel puede ser medido por métodos directos o métodos indirectos. Los métodos e instrumentos utilizados para medición de nivel pueden clasificarse de la siguiente manera: 3.1.1. Técnicas visuales Son las técnicas más antiguas y simples. No tienen partes móviles, por lo tanto, no están sujetas a fallas mecánicas. Entre estos tipos de medidores podemos mencionar: 

Método indicador de cristal

Estos tipos de indicadores sirven para varias aplicaciones y se pueden utilizar tanto para recipientes abiertos como para cerrados. El indicador consiste de un tubo de vidrio, en el caso del indicador de bajas presiones y de un vidrio plano en el caso del indicador para altas presiones, montadas entre dos válvulas, las cuales se utilizan para sacar de servicio el indicador sin necesidad de parar el proceso. Ver figura 3.1.


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Fig 3.1. Indicador de cristal



Método por aforación

Es el método de medir nivel por medio de cintas. El instrumento esta compuesto por tres partes principales que son: el carrete, la cinta graduada y un peso o plomada. La plomada sirve para que se mantenga la cinta tensa al penetrar en el líquido. Para medir el nivel se deja que la cinta baje lentamente hasta que la plomada toque el fondo del recipiente. Unas ves que la plomada toca el fondo se empieza a recoger la cinta con el carrete, hasta que aparezca la parte donde el líquido ha dejado la marca que indica su nivel. 3.1.2. Interruptores actuados por flotadores Estos instrumentos operan por el movimiento de un flotador. El principio básico de flotación establece que ―un

cuerpo (flotador) sumergido en un líquido es empujado hacia arriba por una fuerza que es igual al peso del líquido desplazado‖, la ecuación utilizada para determinar la fuerza de flotación disponible es:

Fb = Vf x SG Donde: Fb = Fuerza de flotación Vf = Volumen del flotador SG = Gravedad específica del líquido El flotador se mueve hacia arriba y hacia abajo con los cambios en el nivel del líquido. Figura 3.2. Este movimiento del flotador puede ser transformado por diversos medios en una acción de indicación, registro o control. Comercialmente existe una gran variedad de estos instrumentos utilizados en aplicaciones de nivel de líquido. Los más comunes son los flotadores verticales y horizontales.

Fig 3.2. Interruptor actuado por flotador


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Instrumentación Industrial Los interruptores de nivel activados por flotadores son los dispositivos electromecánicos más utilizados en la detección de nivel de líquido. El mantenimiento de estos equipos es sencillo, son altamente confiables y utilizan una propiedad del líquido que generalmente es constante en la mayoría de las aplicaciones. Ventajas 

Fácil instalación



Método de medición probado y confiable



No requiere calibración



Adecuado para aplicaciones en altas temperaturas, hasta 530 ºC



Adecuado para aplicaciones en altas presiones, hasta 5.000 psig.



Turbulencia y espuma en la superficie del líquido no afectan de manera significativa la medición

Desventajas 

El encontramiento o depósitos de materiales sobre el flotador puede impedir la operación de algunos flotadores



La exactitud normalmente está limitada a ± ¼‖



No son adecuados para aplicaciones de líquidos viscosos



Las partes móviles están sujetas a desgastes requiriendo mantenimiento frecuente

3.1.3. Método por medidores actuados por desplazadores Estos tipos de instrumentos se utilizan generalmente para llevar la medición a sitios remotos o para el control de nivel, aunque también pueden utilizarse como un indicador directo. Están compuestos principalmente por un desplazador, una palanca y un tubo de torsión o resorte. La figura 3.3 muestra los componentes básicos de uno de estos medidores. Como podemos observar, el objetivo principal de estos componentes, es convertir el movimiento vertical del desplazador en un movimiento circular del tubo de torsión.

Fig. 3.3. Medidor actuado por desplazador


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Instrumentación Industrial El principio de funcionamiento se basa en el principio de Arquímedes y puede resumirse de la siguiente manera: el peso del desplazador ejerce una fuerza sobre el tubo de torsión, pero al subir el nivel, el desplazador desplaza más líquido y este ejercerá una fuerza o empuje sobre el desplazador, el cual se vuelve más liviano. Esto trae como consecuencia que el tubo de torsión gire debido a la disminución de la torsión, que el desplazador ejerce sobre el. Este giro es aprovechado acoplándose una aguja, la cual indicara el nivel directamente. Los desplazadores son aplicados en medición de nivel de líquidos de gravedad específica constante, medición en interfase líquido-líquido, control de bombas e interruptores para señal de alarma. Ventajas 

Fácil instalación



Principio de operación probado y confiable



Calibración ajustable en campo



Permite medición continua



Capacidad para trabajar a altas presiones y altas temperaturas (5.000 psig, 540 ºC)



No lo afectan la turbulencia ni la espuma

Desventajas 

Es afectado por el encontramiento o depósitos de materiales sobre el desplazador



La exactitud normalmente está limitada a ± ¼‖



No son adecuados para aplicaciones de líquidos viscosos



Las partes móviles están sujetas a desgastes



La medición es afectada por los cambios en la gravedad específica del fluido

3.1.4. Método de medidores actuados por presión hidrostática En los sensores de nivel de tipo hidrostático, el nivel se mide por medio del peso que ejerce una columna de líquido sobre el sensor de presión. La siguiente relación define la medición de presión debido a una columna de líquido, la cual puede ser convertida a altura de nivel sobre una línea de referencia determinada: H = P/SG Donde: H = Presión debido a la columna del líquido SG = Gravedad específica del líquido H = Altura del nivel Existen varios tipos de medidores de nivel que trabajan y operan bajo este principio, de los cuales los más comunes son: 

Sistema básico o Manómetro.

Entre los medidores de nivel actuados por presión hidrostática, el sistema básico o manómetro es el más sencillo. Consta solamente de un manómetro y en el caso de que el líquido cuyo nivel se desea medir, sea


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Instrumentación Industrial corrosivo o viscoso, es necesario, además del manómetro, un equipo de sello con la finalidad de aislar el instrumento de dicho fluido (figura 3.4). El manómetro puede ser uno convencional, con la diferencia de que la escala en lugar de ser graduada en unidades de presión, es graduada en unidades de nivel.

Fig. 3.4. Medidor de nivel mediante Presión Hidrostática

Método de presión diferencial Para la medición de niveles en tanques al vacío o bajo presión pueden utilizarse los instrumentos de medición de flujo por métodos de presión diferencial. La única diferencia es que el instrumento dará una lectura inversa; es decir, cuando señale caudal cero en medidas de flujo, se leerá nivel máximo en medidas de nivel. Deben tomarse precauciones para obtener la correspondiente respuesta del instrumento. Por ejemplo, es posible utilizar medidores de rango compuesto. Como estos instrumentos están diseñados para permitir el flujo en ambas direcciones, es posible utilizarlos para mediciones de nivel de líquido, teniendo la posición de cero en el interior de la grafica, moviéndose la pluma hacia su borde con el aumento de nivel. El principio de funcionamiento se basa en aplicarle al instrumento la presión existente en la superficie del liquido en ambas conexiones con la finalidad de anula rla y que la presión detectada, sea la presión hidrostática, la cual como se ha visto, la podemos representar en unidades de nivel. Método de presión relativa Las mediciones de nivel que se basan en la presión que ejerce un líquido por su altura, implican que la densidad sea constante. El instrumento se debe calibrar para una densidad específica y cualquier cambio en ella trae consigo errores de medición. El método más simple para medir el nivel de un líquido en un recipiente abierto, es conectar un medidor de presión por debajo del nivel mas bajo que se va a considerar. Este nivel es, entonces, el de referencia y la presión estática indicada por el medidor es una medida de la altura de la columna del líquido sobre el medidor, y por lo tanto del nivel del líquido. El medidor de presión, cuando se usa para mediciones de nivel de líquidos, se calibra en unidades de presión, en unidades de nivel de líquido correspondientes a la gravedad específica del líquido, o en unidades volumétricas calculadas según las dimensiones del recipiente. También se puede calibrar de 0 a 100, lo que permite lecturas en términos de tanto por ciento de nivel máximo. Para que el medidor lea cero cuando el liquido esta en su nivel mínimo, a través del elemento accionador debe haber una línea horizontal aproximadamente al mismo nivel que la línea de centros de la toma de la tubería de mínimo nivel. En el medidor se pueden usar tornillos de ajuste a cero para compensar pequeñas diferencias. Para controlar el límite, el medidor de presión puede ser un controlador, o puede estar ligado a un interruptor de presión. Cuando no se requiere una indicación de nivel, este último es suficiente.


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3.1.5. Técnicas o métodos electrónicos para medición de nivel Las técnicas electrónicas para medición de nivel están basadas en los principios de capacitancia, conductividad y resistencia. Estos principios pueden ser aplicados para medir nivel de líquidos o sólidos. La selección del principio de medición depende del medio a ser medido, de las condiciones de operación, de la configuración del recipiente y del tipo de funcionamiento requerido (control, alarma, indicación). 3.1.6. Sensores de nivel de tipo capacitivo Sirven para medir nivel en la mayoría de los líquidos y sólidos. El sensor está constituido por un electrodo o probeta de capacitancia que se introduce en el tanque. El cambio en la capacitancia, producido por un aum ento o disminución del nivel en el recipiente, se mide utilizando la probeta de capacitancia, la cual está conectada a un circuito electrónico, que puede ser un interruptor de nivel para control ON-OFF, o un transmisor de nivel para medición de nivel continuo. Ventajas 

Requieren mínimo mantenimiento



Pueden ser utilizados para medición continua o puntual



Valor deseado o Set Point ajustable



Compatible con gran cantidad de líquidos, polvos, sólidos y lodos. Materiales conductivos y no conductivos.



Resistente a la corrosión con la probeta adecuada



Se ajustan a cualquier tipo de recipiente

Desventajas 

Cambios en la constante dieléctrica del material causa errores en la señal



Normalmente requieren calibración en campo



3.1.7.

Depósito de materiales altamente conductores sobre la probeta, puede afectar la exactitud y la repetibilidad. Sensores de nivel tipo conductivo

Los sensores de nivel de tipo conductivo pueden ser utilizados para generar señales de alarma por alto y bajo nivel. Su aplicación está limitada a líquidos altamente conductivos. Generalmente se instalan electródos en el tanque en los puntos de detección de nivel, pero aislados eléctricamente del tanque y alimentado con una fuente de bajo voltaje. Cuando el líquido en el recipiente se pone en contacto con el electrodo, fluye una corriente de bajo voltaje. Esta corriente es amplificada para operar un relé. Este tipo de sensores también pueden aplicarse para medir nivel de interfase entre dos líquidos, uno de los cuales debe ser conductor. Ejemplo: interfase aceite-agua.


22

Instrumentación Industrial 3.1.8.

Sensores de nivel ultrasónico

En estos sensores, se mide el tiempo empleado por el sonido en su trayecto desde un emisor hasta un receptor. El instrumento tiene un emisor que transmite breve impulsos sónicos. Estos impulsos son reflejados por la superficie del material en el recipiente y llegan de nuevo al emisor, que actúa ahora como receptor. El tiempo transcurrido es una medida de la distancia entre el material y el emisor-receptor. Un convertidor electrónico proporciona la medida del nivel. El instrumento puede incluir un sensor de temperatura para compensar los cambios en la temperatura del aire. 4. Medición de temperatura La temperatura se puede definir como la propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio térmico. El concepto de temperatura se deriva de la idea de medir el calor o frialdad relativos y de la observación de que el suministro de calor a un cuerpo conlleva un aumento de su temperatura mientras no se produzca la fusión o ebullición. En el caso de dos cuerpos con temperaturas diferentes, el calor fluye del más caliente al más frío hasta que sus temperaturas sean idénticas y se alcance el equilibrio térmico. Por tanto, los términos de temperatura y calor, aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptos diferentes: la temperatura es una propiedad de un cuerpo y el calor es un flujo de energía entre dos cuerpos a diferentes temperaturas. 4.1. Instrumentos utilizados para la medición de la temperatura Entre los instrumentos más utilizados para medir la temperatura se encuentran: 4.1.1. Termómetros de vidrio Están formados por un capilar de vidrio de diámetro uniforme comunicado por un extremo con una ampolla llena generalmente de mercurio. Figura 4.1. El conjunto está sellado para mantener un vacío parcial en el capilar. Cuando la temperatura aumenta, el mercurio se dilata y asciende por el capilar. La temperatura se puede leer en una escala situada junto al capilar. El termómetro de mercurio es muy utilizado para medir temperaturas ordinarias; también se emplean otros líquidos como alcohol o éter.

Fig. 4.1. Termómetro de vidrio 4.1.2. Termómetros bimetálicos Los termómetros bimetálicos operan bajo un sencillo principio: todos los metales se dilatan al ser calentados, ésta dilatación depende de la temperatura aplicada y del coeficiente de dilatación de cada metal. Si dos láminas de metal con coeficiente de dilatación diferentes se funden una a la otra, ocurre una distorsión al ser calentadas, ya que uno de los metales tratará de dilatarse más que el otro. El termómetro bimetálico consta de una cinta bimétalica doblada generalmente en forma helicoidal, un extremo de la cual es fijo, de modo que al calentarse se produce un movimiento de rotación, el cual se utiliza para mover una aguja de indicación sobre una escala. Observe la siguiente figura:


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Fig. 4.2. Termómetro bimetálico 4.1.3. Termómetros de bulbo Los termómetros de bulbo de uso industrial, están diseñados para proveer una indicación o registro de la temperatura a distancia del punto de medición. El sistema generalmente está formado por un elemento sensible a los cambios de temperatura (bulbo); un elemento sensible a los cambios de presión (Boudon, fuelle, diafragma); un medio para conectar estos elementos (tubo capilar); y un mecanismo para indicar, registrar o transmitir la señal relacionada con la temperatura. En la figura 4.3 se observa el diagrama de funcionamiento de un termómetro de bulbo.

Fig. 4.3. Termómetros de bulbo

Fig. 4.4. Termómetros de bulbo comercial


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Instrumentación Industrial Dependiendo del fluido que está dentro del bulbo, los termómetros de bulbo se clasifican de la siguiente manera: Clase I (Bulbo lleno de líquido): operan bajo el principio de la expansión volumétrica del líquido con la temperatura, entre los líquidos utilizados se encuentran mercurio, éter, xileno y alcohol y su rango de medición oscila entre -75ºC y 650ºC. Clase II (Bulbo lleno de vapor): Operan bajo el principio del cambio en la presión de un líquido volátil con la temperatura, dando una relación no lineal entre la presión de vapor y la temperatura. El rango de medición oscila entre -254ºC a 315ºC y depende del fluido utilizado. Clase III (Bulbo lleno de gas): Operan bajo el principio del cambio en la presión del gas con la temperatura. Su rango de medición va desde -270ºC a 760ºC. 4.1.4. Termopares o termocuplas El transductor más utilizado para medir temperatura es el termopar o termocupla. El termopar es económico, resistente y puede operarse en un am plio rango de temperaturas. Un termopar opera bajo el principio de que al aplicarse calor a la unión de dos metales diferentes, se genera un voltaje que puede ser medido en el otro extremo de estos dos metales (conductores). La figura nº 4.5 muestra el esquema de un termopar. La ―junta de medición‖ o ―junta caliente‖ es la que se coloca en el medio cuya temperatura se quiere medir. La ―junta de referencia‖ o ―junta fría‖ es el extremo del termopar que se conecta a

los terminales del instrumento de medición.

Fig 4.5. Esquema de un termopar Tipos de termopares: La Sociedad de Instrumentistas de América (ISA) ha designado por letras los termopares más usados: Tipo K. Es conocido como el termopar de chromel-alumel. El Chromel es una aleación de aproximadamente 90% Ni y 10% Cr; el Alumel es una aleación de 95% Ni más aluminio, silicón y manganeso. Es el termopar más usado en la industria. Los termopares tipo K pueden utilizarse continuamente en atmósferas oxidantes e inertes hasta 1260 ºC. Sin embargo, su uso no es recomendable en atmósferas reductoras, sulfurosas o en vacío. Tipo J. Es conocido como el termopar de hierro-constatan y ocupa el segundo lugar entre los más usados en la industria debido a tener menor capacidad de temperatura que el tipo K. El hierro es usado como el conductor positivo y una aleación de 55% Cu y 45% Ni como conductor negativo. Las termopares tipo J son satisfactorios para uso continuo en atmósferas oxidantes, reductores e inertes y en vacío hasta 760 ºC. La principal ventaja de este termopar es su bajo costo Tipo T. Es conocido como el termopar de cobre-constatan. Su utili zación en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes o en vacío es satisfactoria. Su desventaja es la de poseer un límite máximo de temperatura de 370ºC para un alambre de calibre 8. Aún cuando este termopar es apropiado para mediciones de temperatura por debajo de cero, se recomienda para esta práctica el termopar tipo E.


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Instrumentación Industrial A continuación se presenta en la tabla 4.1 los distintos tipos de termopar, los materiales que lo conforman y el rango de temperatura recomendable para su uso así mismo la ilustración de la relación voltaje vs temperatura en la figura x. TIPO DE TERMOPAR

METALES

RANGO DE TEMPERATURA º C

E

CHROMEL (+) CONSTATAN (-)

0 A 900

J K

HIERRO (+) CONSTATAN (-) CHROMEL (+) ALUMEL (-)

0 A 760 0 A 1250

R

PLATINO 13% RODIO (+) PLATINO (-)

0 A 1450

S

PLATINO 10% RODIO (+) PLATINO (-)

0 A 1450

C

TUNGSTENO 5% RENIO (+) TUNGSTENO 26% RENIO (-)

0 A 2320

T

COBRE (+) 0 A 350 CONSTATAN (-) Tabla 4.1. Características de diferentes tipos de termopares

La relación Voltaje vs Temperatura para los termopares más comunes se muestra en la figura 4.6:

Fig. 4.6 Relación temperatura vs voltaje 4.1.5. RTD Los detectores de temperatura tipo resistencia (RTD) operan basados en el hecho de que la resistencia eléctrica de los metales puros varía directamente con la temperatura. Los elementos típicos usados en los RTDs incluyen níquel, cobre y platino el cuál es el más común debido al amplio rango de temperatura que


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Instrumentación Industrial soporta, exactitud y estabilidad. La magnitud en la variación de la temperatura frente a 1 ºC se conoce como el ―coeficiente de resistencia de temperatura‖ (α).

La resistencia de un RTD viene dado por la siguiente fórmula: RRTD = R0(1 + αT) Donde: RRTD = Resistencia en ohms a la temperatura T. R0 = Resistencia en ohms a la temperatura de referencia (generalmente 0 ºC). α = Coeficiente de resistencia de temperatura.

En la tabla 4.2 se mencionan las principales características de los elementos más utilizados como detectores de temperatura. COEFICIENTE DE TEMPERATURA

RESISTIVIDAD RANGO UTIL DE MATERIAL A 0ºC (α) ENTRE 0 Y 100 ºC Ohms / TEMPERATURA OhmºC μOhm-cm PLATINO (Pt) 0,00392 9,81 -220ºC A 850ºC COBRE (Cu) 0,0043 1,529 -70ºC A 150ºC NIQUEL (Ni) 0,00681 5,91 -100ºC A 300ºC Tabla 4.2. Características de los elementos más utilizados como detectores de temperatura. También son usados como detectores de temperatura el Oro, Tungs teno y Plata. La popularidad de los RTDs se basa en su excelente estabilidad, y exhibe la señal más lineal respecto a la temperatura que cualquier otro sensor de temperatura. Son generalmente más costosos debido a su cuidadosa construcción y al uso del platino. Los RTDs también se caracterizan por ser lentos en su respuesta y baja sensibilidad y además tiene como desventaja que requiere alimentación eléctrica. 4.1.6. Termistores Así como el RTD, el termistor es también una resistencia sensible a la temperatura, mientras que el termopar es el transductor de temperatura más versátil; y el RT D es el más estable, el termistor es el más sensible. Los termistores generalmente están constituidos de materiales semiconductores. La mayoría de ellos tienen un coeficiente de temperatura negativo; esto es, su resistencia disminuye al aumentar la temperatura. Generalmente, los termistores exhiben coeficientes grandes de temperatura (lo que permite cambios mínimos en la temperatura) y una respuesta altamente no lineal . Debido a que los termistores están constituidos por semiconductores, son más susceptibles a descalibrarse a altas temperaturas, si se les compara con los termopares o los RTD. El uso de los termistores generalmente está limitado a rasgos de temperatura de 100 ºC a 400ºC aproximadamente. En la figura 4.7 se muestra una comparación entre un RTD y un termistor en cuanto a sus curvas de relación entre temperatura y voltaje, observe la pendiente más acentuada del termistor, la cual traduce una mayor sensibilidad por parte de éste.

Fig.4.7. Relación entre temperatura y voltaje para un RTD y un termistor


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Instrumentación Industrial 4.1.7. Pirómetros Cuando el objeto a medir está en movimiento, es muy pequeño, muy largo o muy frágil o el ambiente es corrosivo, abrasivo, está a una temperatura extremadamente alta o la medición está siendo realizada al vacío es más conveniente utilizar un sensor que no esté en contacto con dicho medio, este sensor es el pirómetro. Los pirómetros pueden ser ópticos, de radiación, de resistencia y termoeléctricos, sin embargo por ser los de mayor uso, sólo se explicarán los pirómetros de radiación y los pirómetros ópticos. Los pirómetros de radiación se fundan en la ley de Stefan - Boltzman y se destinan a medir elevadas temperaturas, por encima de 1600 °C mientras que los pirómetros ópticos se fundamentan en la ley de distribución de la radiación térmica de Wien y con ellos se han definido puntos por encima de 1063 °C en la Escala Internacional de Temperaturas. Pirómetros de radiación Los pirómetros de radiación se fundamentan en la ley de Stefan - Boltzman que dice que la energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir W = T4 Donde: W (potencia emitida) = flujo radiante por unidad de área 

-8

2

4

  Constante de Stefan - Boltzman (cuyo valor es 5.67 10 W / m K )

T = temperatura en Kelvin Si el cuerpo radiante de área A está dentro de un recinto cerrado que está a la temperatura To, su pérdida neta de energía por segundo, por radiación está dada por: U   A (T4 - To4) En la siguiente figura se presenta esquemáticamente los rangos ópticos de un pirómetro de radiación moderno del tipo de espejo.

Fig.4.8. Pirómetro de radiación La radiación entra, desde una fuente, a través de una ventana A de sílice vítrea, es reflejada por el espejo esférico B y llevada a un foco sobre el diafragma J, en el centro del cual hay una abertura C. La radiación que pasa a través de C es reflejada por el espejo esférico D hacia el detector E, donde se forma una imagen de C. La superficie de J se blanquea ligeramente con óxido de magnesio para que refleje difusamente suficiente luz que haga visible la imagen de la fuente cuando se mira a través de una lente H colocada detrás de B.


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Instrumentación Industrial El detector E puede ser de variedad de clases, pero los detectores térmicos, los cuales producen una señal eléctrica al absorber radiación térmica y experimentan ligeros cambios de temperatura relacionados con las variaciones de la radiación entrante; y las celdas fotoeléctricas, las cuales convierten directamente la luz a una señal eléctrica son los más usados. Pirómetros ópticos  Lo pirómetros ópticos se basan en la ley de distribución de la radiación térmica de Wien que dice que la longitud de onda correspondiente al máximo de potencia irradiada en forma de radiaciones comprendidas en un intervalo infinitamente pequeño de longitudes de onda es inversamente proporcional a la temperatura del cuerpo: m = A / T, donde A = 0.2897 si m viene en cm.

Donde: m = longitud de onda correspondiente al máximo de potencia irradiada

T = temperatura en Kelvin En la medición de temperaturas con estos pirómetros hacemos uso de una característica de la radiación térmica: el brillo. El brillo de la radiación en una banda muy estrecha de longitudes de onda emitidas por una fuente, cuya temperatura ha de medirse, es confrontado visualmente con el brillo, en la misma banda, de una fuente calibrada. La ley de Wien es suficientemente exacta para las longitudes de onda visibles hasta por lo menos 1800 °C. El pirómetro óptico empleado en la d eterminación de altas temperaturas tales como las temperaturas de fusión del platino, del molibdeno o del tungsteno, es del tipo de filamento cuya imagen desaparece. A continuación se explica el funcionamiento del mismo (observe la figura 4.9):

Fig.4.9. Pirómetro óptico Un telescopio es enfocado sobre el objeto incandescente cuya temperatura se va a medir. El filamento de tungsteno de una lámpara de alto vacío está situado en el plano focal del objetivo del telescopio. El ocular es enfocado sobre este plano, e incluye un filtro de vidrio rojo que sólo transmite una estrecha banda de longitudes de onda visible centrada en O.65 micras. El filamento de tungsteno es calentado por la corriente de una batería, corriente regulada por un reóstato y medida, preferiblemente, por un método potenciométrico. Para hacer una medición, las imágenes superpuestas de la fuente y del filamento son confrontadas en brillo ajustando la corriente del filamento. Cuando el brillo es igual, el filamento desaparece contra el fondo de la imagen de la fuente. El filamento aparece como línea oscura o brillante, según que sea menos brillante o más brillante que la imagen de la fuente. El ojo es muy sensible a la diferencia en brillo, y dado que la brillantez de un objeto aumenta proporcionalmente al múltiplo 10-20 de su temperatura absoluta, un error de 1% en la confrontación del brillo supone solamente un error de 0.05 a O.1% en la temperatura. Cuando se ha conseguido la desaparición del filamento, se lee la corriente, o bien, si la escala de corrientes está graduada en temperaturas, se lee esta directamente.


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Instrumentación Industrial 4.1.8. Termómetro acústico El termómetro acústico trabaja bajo el principio de que la velocidad del sonido en sustancias depende de su temperatura. En los gases, la velocidad es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta. En los sólidos y líquidos, la velocidad decrece a medida que la temperatura incrementa. Se usan dos sistemas para medir la temperatura por medio del sonido: a) Mediante la medición de las características acústicas del medio cuya temperatura se desea medir. b) Mediante la medición de las características acústicas del objeto que está en equilibrio térmico con el medio medido. En ambos casos, el método más común es medir la resonancia o las características de los pulsos de propagación de los materiales.

Fig.4.10. Termómetro acústico con flujo de gas a) y con gas comprimido b) Q = Flujo de gas cuya temperatura se desea medir 1 = Flujo del gas 2 y 3 = micrófonos 4 y 5 = generador de sonido 6 = tubería 7 = Objeto cuya temperatura se desea medir 8 = Gas comprimido 9 = Recipiente contenedor de gas 10 y 11 = Amplificadores de lazo de retroalimentación (compara la señal producida por el generador con la recibida por el micrófono, y así medir la resonancia o las características de los pulsos de propagación del gas). 5. Medición de flujo El flujo se puede definir como la cantidad de una sustancia que pasa por una superficie o sección dada en la unidad de tiempo. 5.1. Factores que afectan el flujo de un fluido a través de una tubería


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Instrumentación Industrial Los factores que mayor afectan el flujo de un fluido a través de una tubería son: La velocidad El fluido en una tubería se puede mover de acuerdo a un patrón de flujo determinado, dependiendo en alto 

grado, de su velocidad. Estos patrones de flujo se conocen como ―laminar‖ y ―turbulento‖.

El flujo laminar se distingue por el hecho de que las moléculas del fluido siguen trayectorias paralelas cuando el fluido se mueve a través de la tubería (figura 5.1). El flujo turbulento, a su vez, se caracteriza por patrones erráticos debido a que la turbulencia crea remolinos que mueven las moléculas del fluido a lo largo de trayectorias irregulares, vea figura 5.1.

Fig 5.1. Patrones de flujo en tubería Fricción La fricción de la tubería reduce la velocidad del flujo, por lo tanto, se considera un factor negativo. Debido a esta fricción, la velocidad del fluido es menor cerca de la pared que en el centro de la tubería. Mientras más lisa es una tubería, menor es el efecto de la fricción sobre la velocidad del fluido 

Viscosidad (μ ) Otro factor que afecta la velocidad de un fluido es la viscosidad. La viscosidad es una medida cuantitativa de la tendencia del fluido a resistir la deformación. Los fluidos que fluyen libremente tienen viscosidades bajas; los fluidos que parecen resistir a fluir l ibremente tienen viscosidades altas. 

Densidad (ρ) La densidad de una sustancia se define como su peso por unidad de volumen. La densidad de los líquidos cambia considerablemente con la temperatura, mientras que los cambios por variaciones en la presión son despreciables. La densidad de los gases y vapores es mayormente afectada por los cambios en la presión y la temperatura. Muchas mediciones de flujo se realizan sobre la base de mediciones de volumen, de modo que la densidad del fluido debe ser conocida o medida para determinar la verdadera masa de flujo. 

Los factores de flujo más importantes pueden ser correlacionados y agrupados en un factor adimensional llamado el Número de Reynolds. En general, el Número de Reynolds define la relación de la velocidad del fluido en función a su viscosidad. El Número de Reynolds se expresa a través de la siguiente ecuación:

Donde: Re = número de Reynolds ρ = densidad del fluido

D = diámetro interno de la tubería μ = viscosidad del fluido.

5.2.

Medidores de flujo

5.2.1. Medidores de flujo usando presión diferencial Estos medidores miden el flujo de un fluido indirectamente, creando y midiendo una presión diferencial por medio de una obstrucción al flujo. El principio de operación se basa en medir la caída de presión que se


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Instrumentación Industrial produce a través de una restricción que se coloca en l a línea de un fluido en movimiento. Esta caída de presión está relacionada al flujo, siendo éste proporcional a la raíz cuadrada del diferencial de presión. Se han desarrollado ecuaciones que toman en cuenta casi todos los factores que toman en cuenta casi todos los factores que afectan la medición de flujo a través de una restricción, la ecuación básica a partir de la cual fueron desarrolladas estas ecuaciones, es la ecuación de Bernoulli, la cual se simplifica en:

Donde: C = coeficiente de descarga (factor de corrección para acercar el valor del flujo ―teórico‖ determin ado mediante ecuaciones, con ―el valor real‖, basado en datos experimentales, ver figura x)

d = diámetro del orificio D = diámetro de la tubería Hw = diferencial de presión ρ = densidad del líquido.

En la siguiente figura se muestran los valores del coeficiente de descarga en función de la relación d/D para diferentes tipos de elementos primarios.

Fig 5.2. valores del coeficiente de descarga en función de la relación d/D Cuando la medición se realiza para gases o vapores, la ecuación cambia a la siguiente:

Donde: Fg = gravedad específica Fpb = presión base Ftf = temperatura del fluido Tfb = temperatura base Fr = número de Reynolds Fb = factor básico de flujo del orificio. La Placa de orificio La placa de orificio está constituida por una placa delgada perforada, la cual se instala en una tubería. Generalmente se construye de acero inoxidable con un espesor que oscila entre 1/8 y 1/2 pulgadas. También 


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Instrumentación Industrial se utiliza monel, níquel, hastelloy cuando se necesita prevenir la corrección o contaminación. Las tomas de presión en cada lado de la placa, permiten medir la presión diferencial que la misma produce. Los tipos de tomas de presión comúnmente más utilizados son: Tomas sobre la Brida: las tomas están sobre la bridas que soportan la placa y situadas a una distancia de 1 pulgada de la misma, observe en la figura los segmentos sobre la brida en el punto a. Este tipo de tomas no se recomienda para diámetros de tubería menores de 2 pulgadas, debido a que la vena contracta puede estar a menos de 1 pulgada de la placa orificio. Tomas en la Vena Contracta: localizadas a una distancia de 1D (D= diámetro nominal de la tubería) aguas arriba de la placa, y 1/2D aguas abajo de la placa, o sea, sobre la vena contracta. Sin embargo, el punto de la vena contracta varía con la relación de diámetros d/D, produciéndose errores en la medición si se cambia el diámetro del orificio. Tomas en la tubería: están localizadas a una distancia de 2 1/2D aguas arriba y 8D aguas abajo de la placa. Miden la pérdida de presión permanente a través de un orificio. Este tipo de tomas requiere mayor cantidad de tramos rectos de tuberías.

Fig.5.3. Tomas de presión utilizadas para la placa de orificio El orificio puede ser de tres tipos: Concéntrico, Excéntrico y Segmental. Las placas de orificio de tipo excéntrico y segmental se utilizan principalmente en aplicaciones de fluidos que contienen materiales en suspensión o condensado de vapor. Las placas tipo concéntrico se recomiendan para aplicaciones de líquidos limpios, de baja viscosidad; para la mayoría de los gases; y vapor a baja velocidad. En la siguiente figura se observan los diferentes tipos de placa de orificio:

Fig. 5.4. Tipos de orificios en las placas

El tubo Venturi Es un tipo de boquilla especial, seguida de un cono que se ensancha gradualmente, accesorio que evita en gran parte la pérdida de energía cinética debido al rozamiento. 


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Instrumentación Industrial Se recomienda principalmente donde se requiere el máximo de exactitud en la medición de fluidos altamente viscosos y cuando las circunstancias obligan a mantener una mínima caída de presión tanto que justifiquen el alto costo que significa la inversión original. La medición de flujo usando el tubo Venturi se realiza a través de una sección de transición donde se reduce el diámetro interno, generando un diferencial de presión. Después de atravesar esta área, el fluido p asa hacia una sección de recuperación donde el diámetro recupera su longitud inicial; en esta área más del 80% del diferencial de presión producida en la sección de transición es recuperado. A continuación se muestra una figura del tubo Venturi, observe la reducción y posterior recuperación en el diámetro:

Fig.5.5. Diagrama Tubo Venturi La tobera La tobera funciona de forma muy parecida a la tubería Venturi. Observe la figura 5.6. 

Fig. 5.6. Diagrama de una tobera Las tomas de presión se localizan aproximadamente 1/2D aguas abajo y 1D aguas arriba; donde D es el diámetro de la tubería. La tobera se utiliza principalmente cuando la turbulencia es alta (Re > 5000), tal como flujo de vapor a altas temperaturas. La caída de presión de presión que produce es mayor que en un tubo Venturi pero menor que e n una placa de orificio. Tubo Pitot El tubo Pitot funciona midiendo dos presiones simultáneamente: presión de impacto (Pt) la cuál es medida por el extremo del tubo que es doblado en ángulo recto hacia la dirección del flujo y la presión estática (Ps) la cual es medida por el otro extremo del tubo que es cerrado, pero tiene una pequeña ranura en un lado. En la figura 5.7 se muestra un esquema de un tubo Pitot.


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Fig. 5.7. Esquema de un tubo Pitot La presión diferencial medida a través del tubo Pitot puede calcularse utilizando la ecuación de Bernoulli y resulta ser proporcional al cuadrado de la velocidad del fluido: Pt – Ps = 1/2 V 2ρ Los cambios en los perfiles de la velocidad de flujo pueden causar errores significativos. Por esta razón los tubos Pitot se utilizan principalmente para medir flujo de gases, ya que en este caso, los cambios en la velocidad del flujo no representan un problema serio. Los tubos Pitot tienen limitada aplicación industrial debido a que pueden obstruirse fácilmente con las partículas que pueden tener el fluido. 

Medidor de impacto (Target)

Un medidor de flujo por impacto opera como su nombre lo indica. Un pequeño disco circular sólido es colocado dentro de la tubería y conectado a un transmisor neumático. Figura 5.8. Este sistema mide la fuerza de impacto Fi sobre el disco:

Fig.5.8. Diagrama de medidor de impacto


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Instrumentación Industrial De acuerdo al teorema de Bernuolli, esta fuerza F i es proporcional a la diferencia entre la presión total y la presión estática, de tal manera que el caudal puede obtenerse una vez más por la relación de raíz cuadrada. Este medidor es adecuado para fluidos ―sucio‖ y de bajo número de Reynolds, donde el elemento primario

clásico no es adecuado; también puede utilizarse para líquidos limpios y gas natural. El medidor de impacto provee buena exactitud, buena rangoabilidad y rápida respuesta dinámica. 5.2.2. Medidores de flujo de área variable o rotámetro Un rotámetro consiste en un tubo vertical de área interna variable, normalmente con diámetro de mayor longitud en el extremo superior y un flotador, bien sea esférico o cónico, que tiene una densidad mayor que la del fluido. La máxima circunferencia del flotador y el interior del tubo producen el área que restringe el flujo. A medida que el flujo varía, el flotador sube o baja variando el área de flujo. La caída de presión permanece constante, y la posición del flotador indica la tasa de flujo. Figura 5.9.

Fig.5.9. Medidor rotámetro

Donde: W = flujo másico K = coeficiente del flotador Df = Diámetro del flotador Dt = Diámetro del tubo Wf = peso del flotador ρ = densidad del fluido ρf = densidad del f lotador

g = aceleración de la gravedad c = coeficiente de descarga


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Instrumentación Industrial La exactitud de un rotámetro puede variar entre 0,5 y 5% de la tasa de flujo. El rango de medición puede variar desde una fracción de cm 3/min hasta 3000 gpm. Puede medir flujo de líquidos, gases y vapores, y es insensible a las configuraciones aguas arriba. 5.2.3. Medidores tipo turbina Existen diferentes diseños para la fabricación de medidores tipo turbina, pero en general todos se basan en el mismo principio: El flujo que se desplaza por la tubería actúa sobre las aspas de una turbina, las aspas entonces girarán proporcionalmente a la velocidad del fluido. En la mayoría de estos medidores, un dispositivo electromagnético es colocado en la carcaza de la turbina para detectar la rotación de las aspas. A medida que cada aspa del motor pasa por este dispositivo se genera un pulso de voltaje en ella. La frecuencia de estos pulsos es proporcional a la tasa de flujo. El medidor de flujo tipo turbina es adecuado para medir flujos de líquido, gases y vapores y es especialmente útil en sistemas de mezclas en la industria petrolera. Es uno de los medidores más exactos para servicios de líquidos. El medidor se debe calibrar para determinar el coeficiente de flujo o factor K, que representa el nº de pulsos a generar por unidad de volumen del fluido. El factor K se representa por la ecuación: K = 60f / Q Donde: F = frecuencia de los pulsos (nº de pulsos por segundo) Q = Tasa de flujo en gpm K = Pulsos por galón La exactitud de este medidor oscila entre + 0,15% y + 1%

Fig.5.10. Diagrama de un medidor de flujo tipo turbina 5.2.4. Medidores tipo electromagnético Los medidores de tipo electromagnético son muy adecuados para medir químicos, lodos, sólidos en suspensión y otros fluidos extremadamente difíciles de medir. La señal proporcionada por estos medidores es inherentemente lineal al flujo volumétrico independientemente de la temperatura, presión, densidad, viscosidad o dirección del fluido pero presenta la limitación de que el fluido debe ser eléctricamente conductor y no magnético. Los medidores de tipo electromagnético basan su funcionamiento en la ley de Faraday. Esta ley establece que cuando un conductor se desplaza a través de un campo magnético, se produce un voltaje inducido, cuya magnitud es directamente proporcional a la velocidad del conductor. En la figura x se explica esta ley, aplicado al medidor de flujo. Cuando las bobinas situadas a ambos lados de la tubería se energizan, se produce un campo magnético dentro de él. El fluido que se desplaza a través del campo magnético actúa como un conductor en movimiento induciendo un voltaje, el cual es captado por los eléctrodos ubicados en el interior de la tubería y que son orientados perpendicularmente a la dirección del fluido en el inte rior de la tubería. La ley de Faraday puede escribirse para esta aplicación como: E = KBDV Donde:


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Instrumentación Industrial E = Fuerza electromotriz (voltaje) generada. K = Constante de proporcionalidad B = Campo magnético D = Distancia entre los electrodos V = Velocidad del fluido Si reescribimos la ecuación anterior en función al flujo volumétrico, quedaría: E = KBDQ / A Donde: Q = Flujo volumétrico A = Área transversal de la tubería A continuación se presenta en diferntes vistas el diagrama de un medidor de tipo electromagnético:

Fig.5.11. Medidores tipo electromagnético 6. Válvula de control Las válvulas son dispositivos mecánicos empleados para controlar el flujo de un gas o un líquido, o —en el caso de una válvula de retención — para hacer que el flujo sólo se produzca en un sentido. Las válvulas son unos de los instrumentos de control más esenciales en la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van desde una fracción de pulgada hasta 30 ft (9 m) o más de diámetro. Pueden trabajar con presiones que van desde el vacío hasta mas de 20000 lb/in² (140 Mpa) y temperaturas desde las criogénicas hasta 1500 °F (815 °C). En algunas instalaciones se requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen importancia. La válvula automática de control generalmente constituye el último elemento en un lazo de control instalado en la línea de proceso y se comporta como un orificio cuya sección de paso varia continuamente con la finalidad de controlar un caudal en una forma determinada. 6.1. Partes de la válvula de control Las válvulas de control constan básicame nte de dos partes: el actuador o parte motriz y el cuerpo. 6.1.1. Actuador También llamado accionador o motor, puede ser neumático, eléctrico o hidráulico, pero los más utilizados son los dos primeros, por ser las más sencillas y de rápida actuaciones. Aproximadamente el 90% de las válvulas utilizadas en la industria son accionadas neumáticamente. Los actuadores neumáticos constan básicamente de un diafragma, un vástago y un resorte tal como se muestra en la fig ura 6.1. Lo que se busca en un actuador de tipo neumático es que cada valor de la presión recibida por la válvula corresponda una posición determinada del vástago. Teniendo en cuenta que la gama usual de presión es de 3 a 15 lbs/pulg², en la mayoría de los actuadores se selecciona el área del diafragma y la constante del resorte de tal manera que un cambio de presión de 12 lbs/pulg², produzca un desplazamiento del vástago igual al 100% del total de la carrera.


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Fig 6.1. Actuador de una válvula de control 6.1.2. Cuerpo de la válvula Este está provisto de un obturador o tapón, los asientos del mismo y una serie de accesorios. La unión entre la válvula y la tubería puede hacerse por medio de bridas soldadas o roscadas directamente a la misma. El tapón es el encargado de controlar la cantidad de fluido que pasa a través de la válvula y puede accionar en la dirección de su propio eje mediante un movimiento angular. Está unido por medio de un vástago al actuador. Tipos de cuerpo de válvula Existen varias formas de cuerpos de válvulas y su configuración depende de las condiciones individuales de servicio y requerimientos de la tubería. Cada tipo de cuerpo tiene ventajas y desventajas para un requerimiento de servicio dado y por lo tanto, debe ser seleccionado con cuidado. Entre los tipos más comunes de cuerpos de válvulas y sus aplicaciones se pueden mencionar: 

Válvulas de globo

Es el tipo más común de cuerpo de válvula. Una válvula de globo es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o tapón que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con la circulación en la tubería (fig. 6.2).

Fig 6.2. Válvula de globo Este tipo de válvulas pueden ser divididas en varias categorías, incluyendo las de un solo asiento, doble asiento y de tres vías. Las de cuerpo compartido (Split body) y tipo ángulo son clasificadas como válvulas de globo especiales. La figura 6.3 muestra el diagrama para las válvulas de un solo asiento y de doble asiento.


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Fig.6.3. Diagrama de válvulas de un asiento y de doble asiento Las válvulas de un solo asiento se emplean principalmente cuando se requiere un cierre hermético, o en tamaño de dos pulgadas donde los efectos del desbalance provocado por las fuerzas que actúan sobre el vástago no es un factor importante en la selección del actuador. Las válvulas de globo de doble asiento tienen orificios inferiores y superiores de diferentes diámetros. La ventaja de la construcción de doble asiento radica en la reducción de las fuerzas que se requieren del actuador, ya que los efectos hidrostáticos de la presión del fluido actuando sobre cada uno de los asientos tienden a cancelarse. De este modo el desbalance producido por el proceso es minimizado puesto que las presiones actúan provocando efectos contarios e iguales. Sin embargo, en la práctica si ocurre un pequeño desbalance del sistema debido a que por detalles de construcción, el orificio inferior es menor que el orificio superior. Las válvulas de globo no son recomendables para servicios que requieran frecuente cierre y abertura. El costo y la deficiencia en el estrangulamiento para este tipo de válvulas mayores de 6 pulgadas les es desfavorable. 

Válvulas de tres vías

Se utilizan para mezclar o desviar fluidos. Una válvula típica para desvío de fluidos se muestra en la figura 6.4.

Fig. 6.4. Válvula tres vías Este tipo de válvulas puede remplazar, en muchas aplicaciones, a dos válvulas de diseño normal. Para servicios de mezcla, dos de los puertos de la válvula son de entrada y el otro de salida, mientras que en aplicaciones de desvío un solo puerto es de entrada y los otros dos de salida. La mayoría de las válvulas de tres vías son del tipo de tapón desbalanceado y por lo tanto requieren actuadores de mayor tamaño; así,


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Instrumentación Industrial usualmente son instaladas con el flujo tendiendo a abrir el tapón, de manera de evitar un cierre violento sobre dicho tapón. 

Válvulas de ángulo o angulares

Son válvulas de un solo asiento con configuración especial del cuerpo para ajustarse a requerimientos específicos de flujo o tubería. Su configuración evita la acumulación de sólidos en la pared del cuerpo. Una ventaja adicional de algunas válvulas angulares es la característica de auto drenaje, la cual es de gran valor cuando se manejan ciertos fluidos peligrosos, tales como líquidos radiactivos. Este tipo de válvulas son utilizadas en servicios que requieran altas caídas de presión o donde los efectos de turbulencia, cavitación o evaporación estén presentes. Existen varios tipos d e construcción para estas válvulas. Todas presentan buenas características de control, alta rangoabilidad y pueden manejar altas caídas de presión y temperatura. La figura 6.5 muestra el diagram a de una válvula de ángulo.

Fig.6.5. Diagrama de una válvula de ángulo 

Válvulas de Jaula (Cage valves)

Consiste en un obturador cilíndrico que desliza en una jaula con orificios adecuados a las características de caudal deseadas en la válvula. Se caracterizan por el fácil desmontaje del obturador y porque este puede incorporar orificios que permiten eliminar prácticamente el desequilibrio de fuerzas producido por la presión diferencial favoreciendo la estabilidad y el funcionamiento. Por este motivo, este tipo de obturador equilibrado se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con u na alta presión diferencial. Como el obturador esta contenido dentro de la jaula, la válvula es muy resistente a las vibraciones o al desgaste. Por otro lado, el obturador puede disponer de aros de teflón que, con la válvula en posición cerrada, asientan contra la jaula y permiten así un cierre hermético. En la figura 6.6 se muestra una válvula de Jaula

Fig.6.6. Válvula de Jaula 

Válvulas Saunders

Son utilizadas principalmente para el control de fluidos corrosivos, líquidos viscosos, líquidos que tienen partículas sólidas en suspensión. Tienen la ventaja de bajo costo, facilidad de mantenimiento y cierre


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Instrumentación Industrial hermético, pero como desventaja la de estar limitadas usualmente a temperaturas de fluidos por debajo de 180ºF, además de presentar baja rangoabilidad y características pobres de control. Una válvula Saunders típica está constituida por el cuerpo con un diafragma movible. El diafragma se presiona contra la sección central del cuerpo para producir cierre hermético. Ver figura 6.7.

Fig. 6.7. Válvula Saunders 

Válvulas de tipo giratorio

El uso de válvulas clasificadas como giratorias se ha venido incrementando sustancialmente en los últimos años. Entre las ventajas de este tipo de válvula figuran su bajo peso, simplicidad de diseño y su bajo costo. Generalmente no son adecuadas para tamaño menores de 1 a 2 pulgadas. 

Válvulas de bola

Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto (fig. 6.8).

Fig. 6.8. Válvula de bola. Se recomienda su uso en: 

Servicio de conducción y corte, sin estrangulación.



Requerimientos de apertura rápida.



Temperaturas moderadas.



Requerimientos de resistencia mínima a la circulación.

Se aplica en servicios generales, altas temperaturas, pastas semilíquidas o fluidos viscosos. Ventajas 

Bajo costo.



Alta capacidad.


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Corte bidireccional.



Circulación en línea recta.



Pocas fugas.



Se limpia por si sola.



Poco mantenimiento.



No requiere lubricación.



Tamaño compacto.



Cierre hermético con baja torsión (par).

Desventajas 

Características deficientes para estrangulación.



Alta torsión para accionarla.



Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras.



Propensa a la cavitación.

Válvulas de mariposa



La válvula de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la circulación por medio de un disco circular, con el eje de su orificio en ángulos rectos con el sentido de la circulación (fig. 6.9).

Fig 6.9 Válvula de mariposa Recomendada en: 

Servicios con apertura total o cierre total.



Servicios con estrangulación.



Accionamientos frecuente.



Requerimientos de corte positivo para gases o líquidos.



Requerimientos dónde solo se permite un mínimo de fluido atrapado en la tubería.



Bajas caídas de presión a través de la válvula.


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Generalmente se emplea en estaciones de filtración o tratamiento de agua, plantas de destilación de alcohol y muchas otras aplicaciones para manejar aguas de desperdicio. Debido a su bajo costo, las válvulas mariposas de tipo convencional, se utilizan frecuentemente en aplicaciones de químicos corrosivos y otros servicios donde se espera un reemplazo periódico de la válvula. Ventajas 

Ligera de peso, compacta, bajo costo.



Requiere poco mantenimiento.



Numero mínimo de piezas móviles.



No tiene bolas o cavidades.



Alta capacidad.



Circulación en línea recta.



Se limpia por si sola.

Desventajas





Alta torsión (par) para accionarla.



Capacidad limitada para caída de presión.



Propensa a la cavitación. Válvulas de diafragma

Las válvulas de diafragma son de vueltas múltiples y efectúan el cierre por medio de un diafragma flexible sujeto a un compresor. Cuando el vástago de la válvula hace descender el compresor, el diafragma produce sellamiento y corta la circulación (figura 6.10).

Fig 6.10. Válvula de diafragma Recomendada para 

Servicio con apertura total o cierre total.



Para servicio de estrangulación.



Para servicio con bajas presiones de operación.


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Aplicaciones Fluidos corrosivos, materiales pegajosos o viscosos, pastas semilíquidas fibrosas, lodos, alimentos, productos farmacéuticos. Ventajas Bajo costo.



No tienen empaquetaduras.



No hay posibilidad de fugas por el vástago.



Inmune a los problemas de obstrucción, corrosión o formación de gomas en los productos que circulan.



Desventajas Diafragma susceptible de desgaste.



Elevada torsión al cerrar con la tubería ll ena.



7.

Simbología e identificación de instrumentos aplicando la Norma ISA S5.1

En instrumentación y control, se emplea un sistema especial de símbolos e identificaciones con el objeto de transmitir de una forma más fácil y específica la información. Esto es indispensable en el diseño, selección, operación y mantenimiento de los sistemas de control. Para designar y representar los instrumentos de medición y control se emplean normas que pueden diferir de industria a industria. Esta variación en las normas y sistemas indica la necesidad universal de una normalización en este campo. En este sentido la Instrument Society of America (ISA) ha desarrollado una Norma que tiene por objeto establecer sistemas de designación (códigos y símbolos) para instrumentos de medición y control. A continuación se presenta un resumen de la Norma ISA – S5.1 ―Instrumentation Symbols and Identification‖. Para una información más detallada sobre esta Norma, el lector debe referirse al documento original de la ISA. Norma ISA - S5.1: “Simbología e identificación de instrumentos” La simbología descrita en esta Norma puede ser utilizada para identificar instrumentos y sistema de medición y control en cualquier documento donde se requiera hacer referencia a un instrumento, tales como diagrama de flujo, diagramas de instrumentación, diagramas de instalación, especificaciones, órdenes de compra, manifiestos, etc. La Norma proporciona la identificación de las funciones principales de un instrumento. Los detalles complementarios del instrumento se escriben en hojas de especificaciones adecuadas. IDENTIFICACIÓN FUNCIONAL La identificación funcional de un instrumento o su equivalente funcional consiste de letras, las cuales se muestran en la tabla 7.1 e incluyen una primera letra (designación de la medida o variable inicial) y una o más letras sucesivas (identificación de funciones).


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Instrumentación Industrial T

R

C

PRIMERA LETRA SUBSIGUIENTES

2

LETRAS

A NUMERO DEL SUFIJO LAZO (GENERALMENTE NO NECESARIO)

IDENTIFICACION DE LA FUNCION IDENTIFICACION DEL LAZO DEL INSTRUMENTO IDENTIFICACION DEL INSTRUMENTO Tabla 7.1. Modelo para la identificación funcional de un instrumento La identificación funcional de un instrumento esta hecha de acuerdo a su función y no a su construcción. Un registrador de diferencia de presión usado para medir flujo se identifica como FR ; un indicador de presión y un switch actuado a presión conectado a la salida de un transmisor de nivel neumático están identificados por LI y LS , respectivamente. En un lazo de instrumentos, la primera letra de una identificación funcional es seleccionada de acuerdo a la medida y a la variable inicial y no de acuerdo a la variable manipulada. Una válvula de control varía el flujo de acuerdo a lo dictaminado por un controlador de nivel, esto es una LV . La sucesión de letras en la identificación funcional designa una o más funciones pasivas y/o salidas de función. Una modificación de las letras puede ser usada, si se requiere, en adición a una o más letras sucesivas. Por ejemplo, TDAL contiene dos modificadores. La variable medida D cambia a una nueva variable T, como diferencia de temperatura. La letra L restringe la lectura de la función A, alarma, para representar solamente una alarma baja. La secuencia de identificación de las letras llega a ser con una primera letra seleccionada de acuerdo a la tabla 1. Las letras de funciones pasivas o activas siguen cualquier orden, y las letras de la salida funcional siguen a ésta en cualquier frecuencia, excepto que la salida de la letra C (control) precede la salida de la letra V (valve), por ejemplo: PCV (válvula controladora de presión). Un dispositivo de función múltiple puede ser simbolizado en un diagrama por muchas burbujas como haya variables medidas, salidas y/o funciones. Un controlador de temperatura con un switch puede ser identificado por dos burbujas una con la inscripción TIC-3 y una con la inscripción TSH-3. El instrumento podría estar designado como TIC-3/TSH-3 para todos los usos y sus referencias. El número para las letras funcionales agrupadas en un instrumento pueden mantenerse con un mínimo de acuerdo al ajuste del usuario. El número total de letras contenidas en un grupo no pueden exceder de cuatro. IDENTIFICACIÓN DEL LAZO La identificación del lazo consiste en la primera letra y un número. Cada instrumento en un lazo tiene asignado a él el mismo número de lazo y, en caso de una numeración paralela, la misma primera letra. Cada lazo de instrumentos tiene un único número de identificación de lazo. Un instrumento común a dos o más lazos podría cargar la identificación del lazo al cual se le considere predominante. La numeración de los lazos puede ser paralela o serial. La numeración paralela involucra el inicio de una secuencia numérica para cada primera letra nueva, por ejemplo: TIC-100, FRC-100, LIC-100, AL-100, etc. La numeración serial involucra el uso de secuencias simples de números para proyectar amplias secciones. Una secuencia de numeración de un lazo puede realizarse con uno o cualquier otro número conveniente, tal como 001, 301 o 1201. El número puede incorporarse al código de operación; de cualquier manera su uso es recomendado.


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Instrumentación Industrial Si un lazo dado tiene más de un instrumento con el mismo identificador funcional, un sufijo puede ser añadido al número del lazo, por ejemplo: FV-2A, FV-2B, FV-2C, etc., o TE-25-1, TE-25-2, etc. Esto puede ser más conveniente o lógico en un instante dado para designar un par de transmisores de flujo, por ejemplo, como FT2 y FT-3 en vez de FT-2A y FT-2B. Los sufijos pueden ser asignados de acuerdo a los siguientes puntos: 1) Se pueden usar sufijos tales como A, B, C, etc. 2) Para un instrumento tal como un multipunto que registra los números por puntos de identificación, el elemento primario puede ser numerado TE-25-1, TE-25-2, TE-25-3, etc., correspondiendo al punto de identificación del número. 3) Las subdivisiones de un lazo pueden ser designadas serialmente alternadas con letras como sufijos y números. Un instrumento que desempeña dos o más funciones puede ser designado por todas sus funciones, por ejemplo un registrador de flujo FR-2 con una presión PR-4 puede ser designado FR-2/PR-4. Y dos registradores de presión pueden ser PR-7/8, y una ventana como anunciador común para alarmas de altas y bajas temperaturas puede ser TAHL-21. Los accesorios de instrumentación tales como medidores de presión, equipo de aire, etc., que no están explícitamente mostrados en un diagrama, pero que necesitan una designación para otros propósitos pueden ser etiquetados individualmente de acuerdo a sus funciones y podría usarse la misma identificación del lazo como estos sirven directamente al lazo. La aplicación de una designación no implica que el accesorio deba ser mostrado en el diagrama. Alternativamente los instrumentos pueden ser usados con el mismo número de etiqueta con el cual ha sido asociado el instrumento, pero aclarando las palabras agregadas. Las reglas para la identificación del lazo no necesitan ser aplicados a los instrumentos y accesorios. Un usuario u operador puede identificar a estos por otros medios. Nomenclatura de Instrumentos La siguiente tabla muestra las diferentes letras que se utilizan para clasificar los diferentes tipos de instrumentos. 1° Letra Variable medida(3)

Letra de Modificación

A. Análisis (4) B. Llama (quemador) C. Conductividad D. Densidad o Peso Diferencial (3) especifico E. Tensión (Fem.) F. Caudal Relación (3) G. Calibre H. Manual I. Corriente Eléctrica J. Potencia K. Tiempo L. Nivel M. Humedad N. Libre(1) O. Libre(1) P. Presión o vacío Q. Cantidad R. Radiactividad

2° Letra Función de lectura pasiva Alarma Libre (1)

Función de Salida

Letra de Modificación

Libre (1)

Libre (1)

Control Elemento Primario Vidrio (8) Alto (6)(13)(14) Indicación o indicador (9)

Exploración (6) Estación de Control Luz Piloto (10) Libre Orificio Punto de prueba

Libre

Bajo (6)(13)(14) Medio o intermedio (6)(13) Libre

Integración (3) Registro


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Instrumentación Industrial S. Velocidad o frecuencia T. Temperatura U. Multivariable (5) V. Viscosidad W. Peso o Fuerza X. Sin clasificar (2) Y. Libre(1) Z. Posición

Seguridad (7)

Interruptor

Multifunción (11) Vaina Sin clasificar

Transmisión o transmisor Multifunción (11) Válvula Sin clasificar Relé o compensador (12) Elemento final de control sin clasificar

Multifunción (11) Sin clasificar Sin clasificar

Tabla 7.2. Letras utilizadas para la clasificación de los instrumentos 1. Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente en un proyecto se han previsto letras libres. Estas letras pueden tener un significado como primera letra y otro como letra sucesiva. Por ejemplo, la letra N puede representar como primera letra el modelo de elasticidad y como sucesiva un osciloscopio. 2. La letra sin clasificar X, puede emplearse en las designaciones no indicadas que se utilizan solo una vez o un número limitado de veces. Se recomienda que su significado f igure en el exterior del círculo de identificación del instrumento. Ejemplo XR-3 Registrador de Vibración. 3. Cualquier letra primera se utiliza con las letras de modificación D (diferencial), F (relación) o Q (interpretación) o cualquier combinación de las mismas cambia su significado para representar una nueva variable medida. Por ejemplo, los instrumentos TDI y TI miden dos variables distintas, la temperatura diferencial y la temperatura, respectivamente. 4. La letra A para análisis, abarca todos los análisis no indicados en la tabla anterior que no están cubiertos por una letra libre. Es conveniente definir el tipo de análisis al lado d el símbolo en el diagrama de proceso. 5. El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinación de primera letra, es opcional. 6. El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o intermedio y exploración, es preferible pero opcional. 7. El termino seguridad, debe aplicarse solo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o el personal). Por este motivo, una válvula autorreguladora de presión que regula la presión de salida de un sistema mediante el alivio o escape de fluido al exterior, debe se PCV, pero si esta misma válvula se emplea contra condiciones de emergencia, se designa PSV. La designación PSV se aplica a todas las válvulas proyectadas para proteger contra condiciones de emergencia de presión sin tener en cuenta las características de la válvula y la forma de trabajo la colocan en la categoría de válvula de seguridad, válvula de alivio o válvula de seguridad de alivio. 8. La letra de función pasiva vidrio, se aplica a los instrumentos que proporciona una visión directa no calibrada del proceso. 9. La letra indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso, No se aplica a la escala de ajuste manual de la variable si no hay indicación de ésta. 10. Una luz piloto que es parte de un bucle de control debe designarse por una primera letra seguida de la letra sucesiva I. Por ejemplo, una luz piloto que indica un periodo de tiempo terminado se designara KI. Sin embargo, si se desea identificar una luz piloto fuera del bucle de control, la luz piloto puede designarse en la misma forma o bien alternativamente por una letra única I. Por ejemplo, una luz piloto de marcha de un motor eléctrico puede identificarse. EL, suponiendo que la variable medida adecuada es la tensión, o bien XL. Suponiendo que la luz es excitada por los contactos eléctricos auxiliares del arrancador del motor, o bien simplemente L.


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Instrumentación Industrial 11. El empleo de la letra U como multifunción en lugar de una combinación de otras letras es opcional. 12. Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirán en el exterior del símbolo del instrumento cuando sea conveniente hacerlo así. 13. Los términos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a valores de la variable medida, no a los de la señal a menos que se indique de otro modo. Por ejemplo, una alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor de nivel de acción inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor bajo. 14. Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre apertura, se definen como sigue: Alto: indica que la válvula esta, o se aproxima a la posición de apertura completa. Bajo: Denota que se acerca o esta en la posición completamente cerrada. Símbolos de Líneas La sismología de líneas representa la información única y critica de los diagramas de instrumentación y tuberías. Las líneas indican la forma en que se interconectan los diferentes instrumentos así como las tuberías dentro de un lazo de control. Las líneas pueden indicar diferentes tipos de señales como son neumáticas, eléctricas, ópticas, señales digitales, ondas de radio etc. Observe la tabla 7.3. Conexión a proceso, enlace mecánico, o alimentación de instrumentos. Señal indefinida ó E.U.

Señal Eléctrica

Internacional Señal Hidráulica Señal Neumática Señal electromagnética o sónica (guiada) Señal electromagnética o sónica (no guiada) Señal neumática binaria ó

Señal eléctrica binaria Tubo capilar Enlace de sistema interno (software o enlace de información)


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Instrumentación Industrial Enlace mecánico Tabla 7.3. Símbolos para líneas de señales de instrumentos Se sugieren las siguientes abreviaturas para representar el tipo de alimentación (o bien de purga de fluidos): AS

Alimentación de aire.

ES

Alimentación eléctrica.

GS

Alimentación de gas.

HS

Alimentación hidráulica.

NS

Alimentación de nitrógeno.

SS

Alimentación de vapor.

WS

Alimentación de agua.

Símbolos de Válvulas y Actuadores VÁLVULAS Símbolos para válvulas de control:

Globo, compuerta u otra

Ángulo

Tres vías

Cuatro vías

Mariposa

Obturador rotativo o válvula de bola

Globo

Diafragma

Tabla 7.4. Símbolos para válvulas de control ACTUADORES Símbolos para actuadores:


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Instrumentación Industrial Diafragma con muelle, posicionador y válvula piloto y válvula que presuriza el diafragma al Actuar.

Diafragma con muelle Preferido

Opcional

Cilindro sin posicionador u otro piloto

MOTOR ROTATIVO Simple acción

Preferido para cualquier cilindro

Actuador manual

Doble acción

Electrohidráulico

Para Válvula de alivio Solenoide

o de seguridad Tabla 7.5. Símbolos para actuadores Acción del actuador en caso de fallo de aire (o de potencia)

Abre en fallo

Cierra en fallo Abre en fallo a vía A-C


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Se bloquea en fallo

Posición indeterminada en fallo

Abre en fallo a vías A-C y D-B Tabla 7.6. Símbolos para acciones de actuadores en caso de fallo de aire o potencia


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Instrumentacion Industrial

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