SENSORES

En este capítulo se analizarála mayoría de instrumentos utilizados en la medición de diversas variables de operación, identificando su rango de aplicación, ventajas y desventajas, facilitando de esta manera la selección de cualquier elemento primario de medición

SENSORES Y MEDIDORES INDUSTRIALES

VARIABLE MEDIDA

DISTURBIOS

VARIABLE CONTROLADA

VARIABLE MANIPULADA

SALIDA DE CONTROLADOR

DETECTOR DE ERROR O

COMPARADORSET POINT O VALOR DE REFERENCIA

CABLE, TELEFONO O RF

RTU

ALARMAS

REGISTRADOR

INDICADOR

CONTROLADOR

PC (SCADA)

ELEMENTO FINAL DE CONTROL (EFC)

PROCESO

SENSOR O ELEMENTO PRIMARIO

TRANSMISOR O ELEMENTO

SECUNDARIO

DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN LAZO DE CONTROL

DEFINICIONES DE INSTRUMENTACION

La terminología en instrumentación y control se ha estandarizado, de acuerdo a las recomendaciones de la SAMA (SCIENTIFIC APPARATUS MAKERS ASSOCIATION).

RANGO o CAMPO DE MEDIDA (RANGE)

Conjunto de valores de la variable medida comprendidos dentro de los límites superior e inferior (valores máximo y mínimo) de la capacidad medida o transmisión de un instrumento. Se expresa indicando los 2 valores extremos. Ej: 20 –100 GPM, -35 a 120°C, 0 a 3m.

VALOR MINIMO (ZERO)

Es el valor mínimo de medición de un instrumento.

Ej: 20 GPM;, -35 °C, 0m

ALCANCE (SPAN)

Es la diferencia aritmética entre valores superior e inferior de medida del instrumento.

Ej: 60 GPM, 155 °C, 3m

RANGEABILIDAD (TURNDOWN O RANGEABILITY)

Es el cociente entre el valor máximo entre el valor mínimo de un instrumento. Sirve para determinar si el instrumento va a poder ser usado para amplias variaciones de la variable medida. Ej: 80/20 = 4.

RANGEABILIDAD

10-25 l/m (2.5:1)

30-75 l/m (2.5:1)PLATA

10-75 l/m (7.5:1)

EXACTITUD

Es la cualidad de un instrumento de medida por la ual este tiende a dar lecturas próximas al valor verdadero (valor teórico) de la magnitud medida.

PRECISION (ACURACY)

Es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento (intervalo en el cual es aceptable que se sitúe el valor medida). Define los limites de los errores obtenidos cuando el instrumento trabaja bajo condiciones normales durante un periodo de tiempo determinado. La precisión se expresa de las siguientes maneras:

% del Alcance: por ejemplo, para un valor medido de 300 psi, una precisión de 1% y span de ± 500, el valor real estará comprendido entre 295 y 305 psi.

Directamente, en unidades de la variable medida. Ejemplo: precisión de ± 2 scfm.

% del valor medido: ± 0.5 % de 800°C = ± 4°C

% del valor máximo (% de URL)

% de la longitud de la escala

REPETIBILIDAD (REPETIBILITY)

Es la capacidad de reproducir la señal de salida o indicacio del instrumento al medir repetidamente valores identicos de la variable en las mismas condiciones de operación y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo.

Se considera su valor máximo (repetibilidad máxima) y se expresa el % del Alcance. La repetibilidad no incluye la histéresis.

REPETIBILIDAD

49.851.3

47.6

0PRUEBA 2PRUEBA 1 PRUEBA 3

PARA GRADUAR UN MANOMETRO

± (51.3-49.8)2 + (47.6-49.8)2

2

REPETIBILIDAD =

100

MANOMETRO

50

La repetibilidad esta dada por

Σ(Xi - X)2N

HISTÉRESIS (HYSTERESIS)

Es la diferencia máxima observada en los valore indicados por el instrumento para el mismo valor, cuando la variable recorreo toda la escala en los 2 sentidos (ascendente y descendente).

Se expresa en % del alcance.

Por ejemplo, indicador de 0 a 100, para el valor de 40, el indicador marca 39.9 al subir desde 0 y 40.1 al bajar desde 100. la Histéresis es :

40.1 - 39.9100 - 0

X 100 = ± 0.02 %

HISTERESIS

100

HISTERESIS=

50.750

49.8

0

ERROR

Es la diferencia algebraica entre el valor medido (leido o transmitido) y el valor real ( teórico) de la variable medida. Si el proceso está en régimen estable, existe el error estático.

En condiciones de continuo cambio (dinámicas) el error varía considerablemente debido a que los instrumentos tienen características comunes a los sistemas físicos: absorben energía del proceso y esta transferencia requiere de cierto tiempo para ser transmitida. Esto origina retardos en la lectura del aparato. Bajo condiciones cambiantes, se produce el error dinámico, que es la diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el indicado por el Instrumento. El valor de este error depende del tipo del fluido del proceso, de su velocidad, de las características del elemento primario, de los materiales de protección, etc.

El error medio del instrumento es la media aritmética de los errores en cada punto de medición determinados para los valores crecientes y decrecientes de la variable medida.

Cuando en una medición intervienen varios instrumentos (unos a continuación de otros), el valor final de la medición estará constituido por los errores inherentes a cada uno de los instrumentos. Si el límite del error relativo de cada instrumento es ± a, ± b, ± c, ±, d, etc., el máximo error posible en la medición será la suma de los valores anteriores:

Máximo error posible = ± ( a + b + c + d ……)

Como es improbable que todos los instrumentos tengan al mismo tiempo su error máximo en todas las circunstaciasde la medida, se toma como error total de una medición a la expresión:

± a2 + b2 + c2 + d2 + ……

Ejemplo: medicion de presion con un sello de diafragma, un transmisor electrónico de 4 – 20 mA, un elemento receptor y un integrador electrónicos, tenemos los siguientes errores:

Error del diafragma (del sello): 2.0%

Error del transmisor electrónico 4 – 20 mA: 0.1%

Error del transmisor electrónico: 0.2%

Error del integrador electrónico: 0.5%

Error total de la medición

= ± 22 + 0.12 + 0.22 + 0.52 = 2.07 %

SENSORES DE PRESIÓN

Presión Manométrica ( Pm )

Presiòn Atmosfèrica

Presión Absoluta (P) ( P) = ( Pb ) + (

Presión Absoluta (P)

Presión Vacuométrica (Pv) Presión

Barométrica ( Pb )

DISPOSITIVOS DE BALANCE DE GRAVEDAD

Miden presiones desconocidas, balanceandolas en contra de la fuerza gravitacional de líquidos. Dentro de los mas usados se encuentran los manometros en “U”, los de tubo inclinado, los de cubeta y los de cubeta de tubo inclinado

P1a – P2a = (ρm - ρ1) g h

Manómetro tubo en "U“

P 2a P 1a

ρ 1

ρm

h

Figura 3.2b.- Manómetro en “U” Simple

P1a , P2a : Presiones absolutas [Pa]

ρm : Densidad del manómetro [Kg/ m3]

ρ1 : Densidad del fluido [Kg/ m3]

g : Gravedad [m/ s2]

h : Altura [m]

Manómetro Inclinado

P2a

P1a

h

θ

L

P1a , P2a : Presiones absolutas [Pa]

ρm : Densidad del manómetro [`Kg/ m3]

ρ1 : Densidad del fluido [Kg/ m3]

g : Gravedad [m/ s2]

h : Altura [m]

θ : Angulo de inclinación

ELEMENTOS DE DEFORMACION ELASTICA

Son dispositivos que alteran su forma cuando están sometidos a deformación elástica

Manómetro de tubo "Bourdón"

Manómetro de Diafragma

En este caso el dispositivo elástico es una membrana metálica ondulada fijada dentro de la caja del manómetro, y la deformación originada por la presión se transmite al indicador por algún mecanismo de palanca o cremallera piñón

Transductores

Estos producen cambios de resistencia, inductancia o capacitancia que permiten lograr una salida electrica representativa de la presion sensada. De este modo se pueden tener manometros de aguja con salidas de 4 a 20 mA por ejemplo, como se muestra en la figura siguiente.

TRANSDUCTORES DE PRESION

(Convertidores transmisores)

Proceso

S

T

TRANSDUCTOREFC

C

DE 2 HILOS DE CONEXION

Rango de control

mA

Io=4 – 20 mAP 24 Vdc

0% 100%

-0 PSI 30 PSI 4 mA 20 mAIo =

DE 3 HILOS DE CONEXION

+

ALIM

-

OUT

+

P 8 Vdc

OUT

+-

IN C+

DE 4 HILOS DE CONEXION

+

ALIM

-

+

OUT

-

12 VdcP

I, V, f

blanco

ENABLE

+

OUT+

-

OUT

P R

blanco

R es necesario cuando el instrumento tiene su salida en colector abierto “OPEN COLECTOR”

TRANSDUCTOR DE PRESION

TRANSDUCTOR CON INDICADOR

¿cómo calibrar un instrumento de presión?

Calibración Directa

Generador Patrón

Medidor de PruebaRango

de pesasCertificado Mas preciso

Mas pesado

Unidad de medición y calibración de la presión deArmfield

Calibración Indirecta

Calibración por comparación

Medidor de PruebaMedidor Patrón

Certificado Menor precisión

Fácil transporteGenerador

SELECCIÓN DE TRANSDUCTORES DE PRESION

Hay tres consideraciones primordiales para seleccionar un transductor de presión, los requerimientos de presion del sistema, la temperatura del proceso y la compatibilidad del transductor con el fluido de proceso.

Los requerimientos de presión se relacionan con el hecho de que la presión máxima de trabajo debe ser inferior al limite superior del rango del transductor. Un dato practico seria el considerar el rango del mismo igual al 125 % de la presión normal de trabajo.

SELLO QUÍMICO

Manómetro o transmisor de presión

Glicerina (cualquier proceso) Temp.: Silicona

Diafragma (material de acuerdo al fluido que se va a manejar

Fluido corrosivo o abrasivo

CAPILAR

Capilar

Manómetro o transmisor de

presión

Temperatura d

sello

D = tamaño del capilar disminuye 100ºF/ 1 pie

SENSORES DE TEMPERATURA

Vidrio: -Mercurio - 35 hasta + 280ºC-Pentano - 200 hasta + 20ºC-Alcohol - 110 hasta + 50ºC-Tolueno - 70 hasta + 100ºC

Muy estables

Fragiles (no se utilizan en control de procesos)

No tienen capacidad de registro

No forman parte de un lazo de control cerrado

DIAFRAGMA CON BULBO

Bulbo de Bronce con Capilar y Sensor

Puede formar parte de un lazo de control cerrado

Diafragma

Rango:

Max: 280 ºC

Min: -40ºC

T

BIMETALICOS

Este sensor se construye por medio de dos cintas unidas de metales diferentes, debido a la diferencia en los coeficientes de expansión térmica de los dos metales, el calentamiento de toda la cinta origina la mayor expanción longitudinal; de como las cintas están soldadas a lo largo de toda su extensión, toda la cinta se doblará en la dirección del metal expandiendose menos. La extensión del doblamiento es proporcional al cambio de temperatura.

Varia desde -20 °C – 500°C)

Para trabajo continuo (425°C)

Puede formar parte de un lazo de control cerradoRápida respuesta e indicación exacta de la temperatura.Estructura maciza y fuerte para trabajar en condiciones difíciles.Fácil lectura.Simple y conveniente calibraciónLa exactitud de medición no es afectada por los cambios de ambiente en su cubierta.El visor de medición puede instalarse a distancia del punto sensado.Se puede aplicar en ambientes corrosivos y de alta presión.Precisión de ± 1 %

TERMISTORES

Los Termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado y presentando una curva característica lineal cuando la temperatura es constante.

Los termistores encuentran su principal aplicación en la compensación de temperatura, como temporizadores y como elementos sensibles en vacuómetros.

Como inconveniente del termistor es su falta de linealidad. Exigiendo un algoritmo de linealización para obtener mayores resultados

TERMOMETRO BIMETALICO

Rango de Medición: -30 ... +50 Hasta 0 ... 500 °CConexión: Posterior o Inferior Plano, G1/2 AG, Brida, Tubo Magnético,Acero inox., Aleación de CobreMaterial de Carcasa: Aceroinox.Diametro de Carcasa: 63, 80, 100 mm Clase de Precisión: 1,0Opción: Punto Marcador, Indicador de Arrastre

Termómetro Digital DTM

Rango de Medición: -30 ... +50 Hasta 0...400 °CConexión: Posterior e inferior G1/2... G1, 1/2"... 1" NPTMaterial de Carcasa: Acero inox., Poliamida en la parte posteriorDiámetro de Carcasa: 100 mm Clase de Precisión: 0,5Opción: Salida Analógica Hasta 2(4) Contacto,Max. Memoria, RS 232

Termómetros Digitales Manuales TD

Rango de Medición: -200 ... +1300 °CSensor: NiCr-Ni Precisión: ± 0,2 °C v. MWAlimenatción: 9 V BateriaFunción Hold, Min./Max. /Valor medido almacenado °C/°F Almacenaje de valor medido, Salida (1 mV/°C), RS 232

NTC

Coeficiente de Temperatura negativo

R

T

R

PTC

Coeficiente de Temperatura positivo

T

NTC

Medición de Ω en dos hilos

-No lineal

-Frágil

-Requiere de alimentación

R

T

0 – 100 º C

Casi Lineal

-20ºC 150ºC

Se puede predecir Vo

V in

NTC

+

-

VoV in

VoV in

NTC

+

-

Cuanto mas viejo se vuelve mas lineal

Puede formar parte de un lazo de control cerrado

TERMOCUPLAS

Se basa en el efecto SEEBECK

T2B

mV

A

T1

T1≠ T2 temperaturas

A ≠ B metales DC

No requiere alimentación

Genera Voltaje DC

Se auto alimenta

Simple

Barata

Amplia variedad

Amplio rango

No es lineal

Bajo voltaje de salida

No es estable

Termocupla ensamblada UNGROUNDED (no aterrada)No esta expuesta

rosca

Cerámica de aislamiento

Cables de termocupla

Tubo metálico

Material conductor de calor (aire)

Cerámica de conexionado

Cabezal

Cable de extension

Tiempo de respuesta (5 minutos)

GROUNDED

Responde mejor que los anteriores pero se deteriora mas rápido

TIPOS DE TERMOCUPLAS

Estable a temp. CryogénicasAtm. Oxidantes y reductoras-5.28 – 20.80-300 – 750 Cobre (+)

Constantan (-)T

Contaminado fácilmenteAtmósfera Oxidante0 – 15.97932 - 2800Platino 10% Rodio (+)

Platino (-)S

Atmósfera OxidanteContaminado fácilmente0 – 18.63632 - 2900Platino 13% Rodio (+)

Platino (-)R

Uso general. Mejor resistencia a oxidación.-1200 - 2300Nicrosil (+)

Nisil (-)N

Atmósferas Oxidantes-5.51 – 51.05-300 – 2300 Cromel (+)Alumel (-)K

Atmósfera reductora. Hierro se oxida a altas temperaturas-7.52 – 50.05-300 – 1600Acero (+)

Constantan (-)J

El de mayor voltaje / ºC0 – 75.1232 - 1800Cromel (Cr -Ni) (+)Constantan (Cu - Ni) (-)E

No resiste la oxidación-3000 - 4200Tungsteno 5%Renio (+)Tungsteno 26% Renio (-)C

Contaminado fácilmenteRequiere protección

0.007 -13.499100 - 3270Platino 30% Rodio (+)

Platino 6% Rodio (-)B

NOTASmVUsos

AplicacionesRango (ºF)

Nombre de los MaterialesTipos de

Termocupla

0 1000 2000 3000

Temperatura (°C)

Salid

ade

lter

mop

ar (m

v)

E

J

KPlatino-platino

13 % rodioPlatino-platino

10% rodio

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-10

Crom

el-c

onst

anta

n

Hierro-

cons

tantan

Cromel-alumel

Tungsteno 5%renio-tungsteno 26% renio

Platino 6% rodio-platino 30% rodio

Termoposo

Su función es separar el proceso del instrumento de medición

Ej: termocupla

tubería

termoupla

rosca

termoposo

Mayor protección del instrumento

No detiene el proceso

Termopozos para Termómetros de varilla TSH

Conexión: G 1/2...G 1, Soldado 18 m...28 mmMaterial: Acero inox.max. Presión: 25 bar

Termocuplas Atornillables TTE

Rango de Medición: -200 ... +600 °CConexión: G1/2, M10x1Material del Tubo Inmerso: Aceroinox.Sensor: FeCu-Ni, NiCR-Ni, Clase 2Cable: Tejido en Acero

Termocuplas Revestidas TTM

Rango de Medición: -200 ... +1150 °CTubo Inmerso: Acero inox., Funda, D= 0,5...6,0 mmSensor: FeCu-Ni, NiCr-Ni, Clase 2Conexión: Cable de Silicona, Conector liso Forma MAAccesorios: Conexiones

DETECTORES DE TEMPERATURA RESISTIVOS (RTD)

Detector de temperatura por resistencia

Sensor resistivo

Mide la temperatura en un área perpendicular relativamente pequeña

Ω = f(T)

Su respuesta es bastante lineal

Es mas estable que la termocupla

Es caro

Se auto calienta

α

R

T

Requiere fuente de alimentación

Se mantiene estable

Mas preciso

Se puede fabricar con Platino : -200 a 650 ºC Cobre : -100 a 260 ºC Níquel : -100 a 205 ºC

Película de platino : -50 a 550 ºC

RTD

Pasta o silicona

Soporta la vibración

Termómetros de Resistencia Atornillables TWE

Rango de Medición: -20 ... +150 Hasta .-60... +600 °CConexión: G1/4, G3/4, M10x1, M12x1Material de Tubo Inmerso: Acero inox.Sensor: Pt 100, 2,3 o 4-Cables, Clase BCable: Tejido en Acero,Silicona, CabezaForm MA

INFRAROJOS

Se utilizan para procesos y mantenimiento.

La temperatura se mide por los efectos que produce (dilatación, resistencia, deformación, milivoltajes, luz, etc.)

Tipo de termómetro de radiación

Cuando se confunde el color del filamento es porque se llega a la temperatura deseada.

Filamento

SENSORES DE NIVEL

Para control de proceso

Nos interesa la repetibilidad

Queda en un segundo plano la precision (1 - 2%)

Para control de Inventario

Nos interesa la presicion

±25mm control de inventario

± 3mm transferencia de custodia

TIPOS

Wincha

Regla

Vaso visor

Referencial (medicion)

Medicion Discreta Hidrostatico

Vibracion

Boya

Medicion continua Electrodos

Presion manometrica

Presion diferencial

Capacitivo

Burbujeo

Magnetico

Ultrasonido

Radar (onda quiada, onda no guiada)

Peso

Flotador

Transferencia de custodio Radar para trans. De custodio

HTG

PHTG

SERVO

VASO VISOR

Sirve para calibrar medidores de nivel, es preciso , utiliza el artificio STILLING WELL y el STILLIN PIPE

Indicador de Nivel en Bypass

cristal normal

OPERADOR POR FLOTADOR

PRINCIPIO

Estos instrumentos miden continuamente el nivel de liquido por medio de un flotador conectado a un indicador de nivel mecánico.

BENECIFIOS

•Medida simple y directa de variaciones de nivel

•No es necesaria energía para indicación.

PROBLEMAS

•Medida de merma

•Inmersión de flotador

•Peso de cinta

•Desvío de cinta por medio de viento

•Ubicación del montaje de la cabeza de medida

•Friccion

•Uso de techo flotante como un flotador

•Instalacion en tanques de servicio

•Partes moviles

PRINCIPIO HIDROSTATICO

El sistema tradicional hidrostático usa uno o mas sensoresde presión montados en un lugar especifico en la pared del tanque o en el tanque para determinar la masa del producto.

El método pneumo-hidrostático emplea un transductor localizado a un distancia del tanque para medir presiones sobre una conexión neumática para prueba

BENEFICIOS

PNEUMO HIDROSTATICO

Medición de masa

Precisión de nivel de un mm

Partes no móviles

No es necesaria energía en el tanque

Aplicaciones para tanques enterrados y superficiales

Ningún mantenimiento en el tanque

Medición de temperatura incorporada

Medición de fondos

Sencilla instalación

HIDROSTATICA TRADICIONAL

No invasivo

Medición directa de masa

Múltiples mediciones

Partes no móviles

P

h aparente

(a) (b)

P

h

Medidor Manométrico (Cortesía de Fortunecity

ELECTRODOS

vv

Fluido conductivo

No puede ser utilizado en tanques presurizados

VIBRACION

Emite y recibe una frecuencia f

Puede ser utilizado en tanques presurizados

f f

BURBUJEO

Alimentación

Tubo de cobre 1/4" OD

Nivel Máximo

Nivel Minimo

Rotámetro con regulador caudal

Extremo

biselado

a) Tanque abierto

Alreceptor

Medición denivel

DPI

b) Tanque cerrado

TRANSMISOR DE PRESION DIFERENCIAL

Nivel máximo

Nivel mínimo

Gravedad especifica cambiante

Cristalización de fluios por enfriamiento

HSe utiliza para tanques presurizados

A pesar de todo, hay que tener en cuenta que la Densidad del fluido es un factor muy importante a tener en cuenta con este sistema de medida. Por tanto, en los casos en que se producen cambios de Densidad (o Temperatura), estos sistemas pueden introducir errores considerables en las medidas. Para estos casos es conveniente corregir la medida obtenida por el sensor de presión diferencial, con otra medida correspondiente a la medida de Temperatura o directamente de la Densidad.

MAGNETICO

Mejora del vaso visor

Flotador limitado a las variaciones de la gravedad especifica

Indicador

Indicador

Indicador

Indicador

Flotador

de Phoenix)

Indicador

Indicador

Indicador

Indicador

Flotador

Flotador Ferromagnético Cortesía

En tanques presurizados de hasta 25 bar

Altura máxima

ULTRASONICO

Cono de apertura Φ

5º<Φ<13º

Medidor de no contacto (no intrusivo)

Basado en el principio de V= e/t

Mide la primera superficie de contacto

Existencia de aire

Se debe alejar de las paredes del tanque

Rango: 8 – 50 m

Banda muerta

Del 100% existe 2% de señal de retorno

Problemas

Caliente

vapor

Caliente

Espuma

STILLING PIPE

Tuberia de amortiguamiento

Vaso comunicante 0.5 – 0.6 m

RADAR

No intrusivo

Las condiciones que afectan al ultrasonico afectan al radar

Tiene un cono de apertura mucho menor que el ultrasonico

Dependendiendo del tipo de antena aumento mi ganacia receptiva

No usa banda de ultrasonido

Usa microondas de 6 Hz

Menos susceptible a la interferencia

Rango de medicion hasta 150 m

FLOTADOR

Regla graduada

Solo para tanques nuevos

Depende de la flotabilidad de la boya

Indicador visual

SERVO FLOTADOR

TECHO FLOTANTE

LIQUIDO ALMACENADO

Techo flotante

SENSORES DE FLUJO

FLUJO VOLUMETRICO

•Placa orificio

•Venturi

•Tobera

•Tubo pitot

•Annubar

•V-cone

•Rotametro

•Paletas

•Turbina

•Vortex

•Electromagnético

•Ultrasónicos (tiempo de transito, doppler)

Presión diferencial

FLUJO MASICO

•Termico

•Coriolis

Flujometros de presión diferencial

P1

V1

P2

V2

P1>P2 ∆P=P1-P2

V2>V1 fenómeno que se puede ver en las válvulas de control

∆P

0.2 barP1

100 bar

P2

99.8 bar

Tenemos que tener en cuenta el rango de ∆P y la presión manométrica

Placa orificio

D’

d

β

β = d/D0.3 ≤ β ≤ 0.6

D

D’ = f(d, P)Precisión 2%Qv = K ∆P

P1>P2

V1<V2

d= f(P. V. Flujo)

Vista de perfil

45º

Elemento de medición unidireccional

Se coloca entre bridas

φ = 1/8” , 1/4” , etc”

Fd