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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO CURSO DE INSTRUMENTACION LÍNEA TERCER SEMESTRE INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL ACADEMIA DE HIDRÁULICA ING. NOEMÍ OLIVOS GALINDO

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Page 1: Apunts de Instrum

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD AZCAPOTZALCO

CURSO DE INSTRUMENTACION LÍNEA

TERCER SEMESTRE

INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL

ACADEMIA DE HIDRÁULICA

ING. NOEMÍ OLIVOS GALINDO

Page 2: Apunts de Instrum

[INSTRUMENTACIÓN EN LÍNEA]

[TERCER SEMESTRE / INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL]

PROLOGO

La información presente es la versión 0, de la asignatura de Instrumentación de tercer semestre.

Instrumentación en línea, de la carrera de Ingeniería en Robótica Industrial de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Azcapotzalco, mismo que tiene como referencia bibliografía indicada en el programa respectivo, ligada con hipervínculos específicos, lo cual puede ser complementarios con otras informaciones. Localizados con cualquiera de las tecnologías de información y comunicaciones (libros, electrónicos, Internet), Contiene:

EN LA UNIDAD I. Generalidades.

LA UNIDAD II. Medición de la Variable Presión.

LA UNIDAD III. Medición de la Temperatura.

LA UNIDAD IV. Medición de Nivel.

LA UNIDAD V. Medición de flujo.

LA UNIDAD VI. Transmisores.

LA UNIDAD VII. Teoría del Control.

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[INSTRUMENTACIÓN EN LÍNEA]

[TERCER SEMESTRE / INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL]

ÍNDICE

PAG.

UNIDAD: I GENERALIDADES………..…………………………….8

1. OBJETIVO DE LA UNIDAD.............................................................8

1.1 DEFINICIÓN Y APLICACIÓN DE LOS VOCABLOS Y LENGUAJE EMPLEADOS EN EL CAMPO DE LA INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL AUTOMATICO........................8

1.2 CÓDIGO, SIGNOS DIAGRAMAS INICIALES DE LA INSRTRUMENTACIÓN..........................................................................11

1.3 TIPOS Y CLASES DE INSTRUMENTOS EMPLEADOS EN LA INDUSTRIA...............................................................................................31

1.4 LA INSTRUMENTACIÓN Y SU APLICACIÓN DE ACUERDO CON LOS PROCESOS Y TIPOS DE INDUSTRIA..............................32

1.5 DIAGRAMA GENERAL DE UN SISTEMA DE CONTROL. CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS, DE ACUERDO CON LA FUNCIÓN BÁSICA QUE DESEMPEÑAN, INDICADORES, MEDIDORES, REGIDTRADORES CONTROLADORES INTEGRADO, PROGRAMADORES Y COMBINACIÓN DE TODOS ELLOS........................................................................................................36

1.6 LAS CUATRO VARIABLES MÁS IMPORTANTES EN LA INDUSTRIA. .............................................................................................38

1.7 INSTRUMENTOS COMBINADOS DE UNA O MÁS VARIABLES. ............................................................................................39 UNIDAD: II MEDICIÓN DE LA VARIABLE PRESIÓN. ...............39

UNIDAD: I GENERALIDADES………..…………………………….8

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[INSTRUMENTACIÓN EN LÍNEA]

[TERCER SEMESTRE / INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL]

1. OBJETIVO DE LA UNIDAD.............................................................8

1.1 DEFINICIÓN Y APLICACIÓN DE LOS VOCABLOS Y LENGUAJE EMPLEADOS EN EL CAMPO DE LA INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL AUTOMATICO........................8

1.2 CÓDIGO, SIGNOS DIAGRAMAS INICIALES DE LA INSRTRUMENTACIÓN..........................................................................11

1.3 TIPOS Y CLASES DE INSTRUMENTOS EMPLEADOS EN LA INDUSTRIA...............................................................................................31

1.4 LA INSTRUMENTACIÓN Y SU APLICACIÓN DE ACUERDO CON LOS PROCESOS Y TIPOS DE INDUSTRIA..............................32

1.5 DIAGRAMA GENERAL DE UN SISTEMA DE CONTROL. CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS, DE ACUERDO CON LA FUNCIÓN BÁSICA QUE DESEMPEÑAN, INDICADORES, MEDIDORES, REGIDTRADORES CONTROLADORES INTEGRADO, PROGRAMADORES Y COMBINACIÓN DE TODOS ELLOS........................................................................................................36

1.6 LAS CUATRO VARIABLES MÁS IMPORTANTES EN LA INDUSTRIA. .............................................................................................38

1.7 INSTRUMENTOS COMBINADOS DE UNA O MÁS VARIABLES. ............................................................................................39 UNIDAD: I GENERALIDADES………..…………………………….8

1. OBJETIVO DE LA UNIDAD.............................................................8

1.1 DEFINICIÓN Y APLICACIÓN DE LOS VOCABLOS Y LENGUAJE EMPLEADOS EN EL CAMPO DE LA INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL AUTOMATICO........................8

1.2 CÓDIGO, SIGNOS DIAGRAMAS INICIALES DE LA INSRTRUMENTACIÓN..........................................................................11

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Page 5: Apunts de Instrum

[INSTRUMENTACIÓN EN LÍNEA]

[TERCER SEMESTRE / INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL]

1.3 TIPOS Y CLASES DE INSTRUMENTOS EMPLEADOS EN LA INDUSTRIA...............................................................................................31

1.4 LA INSTRUMENTACIÓN Y SU APLICACIÓN DE ACUERDO CON LOS PROCESOS Y TIPOS DE INDUSTRIA..............................32

1.5 DIAGRAMA GENERAL DE UN SISTEMA DE CONTROL. CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS, DE ACUERDO CON LA FUNCIÓN BÁSICA QUE DESEMPEÑAN, INDICADORES, MEDIDORES, REGIDTRADORES CONTROLADORES INTEGRADO, PROGRAMADORES Y COMBINACIÓN DE TODOS ELLOS........................................................................................................36

1.6 LAS CUATRO VARIABLES MÁS IMPORTANTES EN LA INDUSTRIA. .............................................................................................38

1.7 INSTRUMENTOS COMBINADOS DE UNA O MÁS VARIABLES. ............................................................................................39

UNIDAD: II MEDICIÓN DE LA VARIABLE PRESIÓN. 49

3. OBJETIVO DE LA UNIDAD.............................................................49

3.1 TEMPERATURA ESCALAS TERMOMÉTRICAS. ....................49

3.2 TERMÓMETROS DE CRISTAL. ..................................................51

3.3 TERMÓMETROS DE SISTEMA DE LLANO CLASE 1,2,3 Y 4 RANGOS – MATERIALES. ...................................................................51

3.4 TERMÓMETROS BIMETÁLICOS –MATERIALES USOS-RANGOS. ..................................................................................................56

3.5 TERMÓMETRO TERMOPARES, TIPOS: T,J,K FUNCIONAMIENTO – JUNTA FRIA – JUNTA CALIENTE COMPENSACIÓN – ESTANDARIZACIÓN MATERIALES – USOS – RANGOS. ...............................................................................................56

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[TERCER SEMESTRE / INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL]

3.6 POTENCIOMETROS – INSTRUMENTOS DE INDICACIÓN Y REGISTRO. ..............................................................................................58

3.7 TERMÓMETRO DE RESISTENCIA COMPENSACIÓN POR TEMPERATURA – MATERIALES – USOS – RANGOS...................59

3.8 PUENTE DE WHEATSTONE. .......................................................61

3.9 CALIBRACIÓN DE INSTRUMENTIS PARA MEDICIÓN DE TEMPERATURA. ....................................................................................64

UNIDAD: IV MEDICIÓN DE NIVEL. ...............................................66

4. OBJETIVOS DE LA UNIDAD. .........................................................66

4.1 MEDICIÓN DE NIVEL CON CRISTAL: TUBULAR, PLANO, TRANSPARENTE, REFLEJANTE, CARACTERÍSTICAS APLICACIONES. ....................................................................................66

4.2 NIVEL POR MANÓMETRO, FLOTADOR, POR DIAFRAGMA, DE IMÁN, POR BURBUJEO CARACTERÍSTICAS, RANGOS, APLICACIONES. ....................................................................................68

4.3 POR DESPLAZADOR, TUBO DE TORSIÓN, CARACTERÍSTICAS RANGOS, APLICACIONES. ..........................71

4.4 POR PRESIÓN DIFERENCIAL, EN RECIPIENTES ABIERTOS, PRESURIZADORES, CARACTERÍSTICAS, RANGOS, APLICACIONES. ....................................................................................73

4.5 CALIBRACIONES, CON COLUMNA DE AGUA Y AIRE COMPRIMIDO. .......................................................................................73

UNIDAD: V MEDICIÓN DE FLUJO.................................................74

5. OBJETIVO DE LA UNIDAD. ...........................................................74

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5.1 MEDICIÓN POR MÉTODO DIRECTO – DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO; DE RUEDAD OVLADAS – DE DISCO OSILANTE DE LÓBULO DE FLUJO MAGNÉTICO DE TURBINA. ................................................................................................74

5.2 MEDICION POR MÉTODO INDIRECTO – DE PLACA DE ORIFICIO, TOBERA, TUBO VETURÍ, CRACTERISTICAS RANGOS, APLICACIONES. DE FLOTADOR, DE DIAFRAGMA DE FUELLE – DE CAMPANA INVERTIDA, CAMPANA, ROTAMETRO. ........................................................................................75

5.3 NORMAS – ESPECIFICACIONES, INSTRUCCIONES DE INSTALACIÓN DE LOS ELEMENTOS PRIMARIOS. .....................80

5.4 LA RAIZ CUADRADA Y LA INTEGRACIÓN. ...........................81

5.5 ECUACIONES DE MEDICIÓN DE FLUJO TABAS DE FACTORES PRÁCTICOS. ....................................................................83

UNIDAD: VI TRSMISORES................................................................88

6. OBJETIVO DE LA UNIDAD. ..........................................................88 6.1 TRASMISORES EN GENERAL, RELEVADORES, AMPLIFICADORES, CONVERTIDORES, TRASDUCTORES. ......88

6.2 TRASMISORES; MECÁNICOS, ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS. .................................................................................104

6.3 PARTES Y CIRCUITOS ELEMENTALES ELECTRÓNICOS, OSILADORES. ......................................................................................105

UNIDAD: VII TEORÍA DEL CONTROL. ......................................107

7. OBJETIVO DE LA UNIDAD. ........................................................107

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7.1 MODELOS DE CONTROL: DE DOS POSICIONES, PROPORCIONAL, PROPORCIONAL MÁS INTEGRAL MÁS DERIVADO. ...........................................................................................107

7.2 APLICACIONES DE LOS DIFERENTES MODOS DE CONTROL. .............................................................................................111

7.3 DISPOSITIVOS DE CONTROL. .................................................112

7.4 ELEMENTOS FINALES DE CONTROL. ..................................112

7.5 POSICIONADORES. .....................................................................114

7.6 SISTEMAS CONVENCIONALES. ..............................................114

7.7 SISTEMAS DE CONTROL DE DOS O MÁS ELEMENTOS. .................................................................................................................115

7.8 CENTRALIZACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL. SISTEMAS COMPUTADORES, MICRO PROCESADORAS, TUBOS DE RAYOS CATÓDICOS (R.T.C) .......................................117

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[TERCER SEMESTRE / INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL]

UNIDAD: I GENERALIDADES.

1. OBJETIVO DE LA UNIDAD.

El alumno describirá los fundamentos, la clasificación y la normatividad de la instrumentación y control empleados en la industria en general.

1.1 DEFINICIÓN Y APLICACIÓN DE LOS VOCABLOS Y LENGUAJE EMPLEADOS EN EL CAMPO DE LA INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL AUTOMATICO.

INSTRUMENTACIÓN:

Es el grupo de elementos que sirven para medir, convertir, transmitir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en éste.

CAMPO DE MEDIDA O RANGO (RANGE)

Es el conjunto de valores dentro de los límites superior e inferior de medida, en los cuales el instrumento es capaz de trabajar en forma confiable. Por ejemplo, un termómetro de mercurio con rango de 0 a 50 grados Celsius

ALCANCE (SPAN)

Es la diferencia entre el valor superior e inferior del campo de medida. Para el caso del termómetro del ejemplo, el SPAN será de 50 grados Celsius.

ERROR

Es la diferencia que existiría entre el valor que el instrumento indique que tenga la variable de proceso y el valor que realmente tenga esta variable en ese momento.

INCERTIDUMBRE DE LA MEDIDA (UNCERTAINTY)

Resultado de una operación de calibración, en la que se compara el instrumento de calibrar con un aparato patrón para averiguar si el error se encuentra dentro de los límites dados por el fabricante del instrumento. Como el aparato patrón no permite medir exactamente el valor verdadero y además en la operación de comparación intervienen diversas fuentes de error. No es posible caracterizar la medida por un único valor, lo que da lugar a la llamada incertidumbre de la medida.

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EXACTITUD

Cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida. En otras palabras, es el grado de conformidad de un valor indicado a un valor estándar aceptado o valor ideal, considerado este valor como si fuera el verdadero.

PRECISIÓN

Esto es la tolerancia mínima de medida que permitirá indicar, registrar o controlar el instrumento. En otras palabras, es la mínima división de escala de un instrumento indicador. Generalmente esta se expresa en porcentaje (%) del SPAN.

ZONA MUERTA (DEAD BAND)

Es el máximo campo de variación de la variable en el proceso real, para el cual el instrumento no registra ninguna variación en su indicación, registro o control.

SENSIBILIDAD

Es la relación entre la variación de la lectura del instrumento y el cambio en el proceso que causa este efecto.

REPETIBILIDAD

Es la capacidad de un instrumento de repetir el valor de una medición, de un mismo valor de la variable real en una única dirección de medición.

HISTERESIS

Similar a la respetabilidad, pero en este caso el proceso de medición se efectuara en ambas direcciones

OTROS TERMINOS

CAMPO DE MEDIDA CON SUPRESIÓN DE CERO

Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por encima del cero real de la variable

CAMPO DE MEDIDA CON ELEVACIÓN DE CERO

Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por debajo de cero de las variable

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[TERCER SEMESTRE / INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL]

CAMPO DE MEDIDA CON ELEVACIÓN DE CERO.

Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por debajo de cero de las variables.

FIABILIDAD.

Medida de la probabilidad de que un instrumento continúe comportándose dentro de límites especificados de error a lo largo de un tiempo determinado y bajo condiciones especificadas.

RESOLUCIÓN.

Magnitud de los cambios en escalón de la señal de salida (expresados en tanto por ciento de la salida de toda de toda la escala) al ir variado continuamente la medida en todo el campo. Es también el grado con que el instrumento puede discriminar valores equivalentes de una cantidad, o la menor diferencia de aparato puede distinguir.

RESOLUCION INFINITA.

Capacidad de proporcionar una señal de salida progresiva y continua en todo el campo de trabajo del instrumento.

TRAZABILIDAD.

Propiedad del resultado de las mediciones efectuadas con un instrumento o patrón, tal que puede relacionarse con patrones nacionales o internacionales, mediante una cadena ininterrumpida de comparaciones, con todas las incertidumbres determinadas.

RUIDO.

Cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseadas que modifica la transmisión, indicación o registro de los datos deseados. Un caso especial es la interferencia de radiotransmisores RFI (Radio Frequency Interferente). Puede expresarse en unidades de la señal de salida o en tanto por ciento del alcance.

LINIALIDAD.

La aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada.

LINIALIDAD BASADA EN PUNTOS.

Falta de linealidad expresada en forma de desviación máxima con relación a una línea recta que pasa a través de los punto dados correspondientes al cero y al 100% de la variable medida.

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TEMPERATURA DE SERVICIO.

Campo de temperatura en el cual se espera que trabaje el instrumento dentro de límites de error especificados.

VIDA ÚTIL DE SERVICIO.

Tiempo mínimo especificado durante el cual se aplican las características de servicio continuo e intermitente del instrumento sin que se presente cambios en su comportamiento más allá de tolerancias especificadas.

REPRODUCTIBLIIDAD.

Capacidad de reproducción de un instrumento de las mediadas repetitivas de la lectura o señal de salida para el mismo valor de la variable medida alcanzando en ambos sentidos, en las mismas condiciones de servicio y al o largo de un periodo de tiempo determinado. Por ejemplo, un valor representativo sería +- 0,2 % del alcance de la lectura o señal de salida a lo largo de un período de 30 días.

RESPUESTA FRECUENCIAL.

Variación con la frecuencia de la relación de amplitudes señal de salida/ variable medida (y de la diferencia de fases entre la salida y la variable medida) para una medida de variación sinodal aplicada a un instrumento dentro de un campo establecido de frecuencia s de la variable medida. Se especifican usualmente corno “dentro de +- …% de…a… Hz”.

1.2 CÓDIGO, SIGNOS DIAGRAMAS INICIALES DE LA INSTRUMENTACIÓN.

Para designar y representar los instrumentos de medición y control se emplean normas muy variadas que a veces varían de industria en industria. Por eso las organizaciones industriales indican la necesidad normalizar en este campo. Varias sociedades han dirigido sus esfuerzos en este sentido, y entre ellas encontramos como las mas importantes la ISA (Instrument Society of America) de la sociedad de instrumentos de Estados Unidos y la DIN Alemana, cuyas normas tiene por objeto establecer sistemas de designación de (Códigos y símbolos) de aplicación a las industrias químicas petroquímicas, aire acondicionado, etc.

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[INSTRUMENTACIÓN EN LÍNEA]

[TERCER SEMESTRE / INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL]

A continuación se da un sistema de símbolos que han sido estandarizados por ISA

Existen dos tipos de identificación.

a) Identificación general. Cuando se usa una combinación de letras para establecer su propósito y funciones

b) Identificación especifica. Cuando a la combinación de letras acompaña un número que sirve para identificar el instrumento más detalladamente.

Estas identificaciones se usan para designar a todo tipo de instrumentación en trabajos escritos y al combinarlos con símbolos dibujados, en las representaciones en diagramas y planos.

IDENTIFICACIÓN GENERAL.

En el uso de letras y sus combinaciones, se aplican las siguientes reglas.

1.- Las letras de identificación se escriben con mayúsculas. Las únicas excepciones lo son el uso de la (d, r y p). Estas últimas en la combinación ejemplo pH.

2.- El máximo permitido, de letras de identificación en cualquier tipo de identificación sería 3 la única excepción la constituye el uso de pH o símbolos químicos como SO2, etc., en donde éstos son considerados como una letra.

3.- Cada letra tendrá un solo significado al usarse como primera letra en cualquier combinación, definiendo la variable del proceso.

4.- Igualmente cada letra tendrá un solo significado cuando se use como segunda o tercera letra en una combinación al definir el tipo de servicio.

5.- Lo anterior es particularmente importante al formar las combinaciones de letras que indican la siguiente tabla.

6.- No pueden usarse letras o combinaciones de letras intermedias.

IDENTIFICACIÓN ESPECÍFICA.

En la mayoría de los casos será necesario agregar a la identificación general de un instrumento, un sistema numérico para establecer así su identificación específica. Cualquier sistema de número en serie puede ser usado y puede pertenecer a un solo proceso unitario o bien puede ser todo un sistema completo de números seriados para una planta o un grupo de plantas que forman una organización.

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[TERCER SEMESTRE / INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL]

En cualquier caso, la serie de números consecutivos deberá ser apropiada para usarse en las identificaciones generales. Ejemplo. Control y registro de temperatura número uno se representara por (TRC.1).

Reglas e instrucciones para las diferentes combinaciones en identificaciones son:

1.- En combinaciones de instrumentos que miden más de una variable, o que contienen más de una función, cada porción de la combinación tendrá una identificación propia. Así una combinación de registro para flujo y presión se representará por (FR-1) y (PR-3).

2.- Instrumentación de varias plumillas, con servicio idéntico y provisto además de las mismas funciones tendrán una sola identificación. Los elementos separados y sus componentes se identifican por medio de un número como sufijo agregado al número del instrumento. (TR-300-1), (TR-300-2), etc.

3.- En instrumentos operando en transmisión remota tanto el recepto como el trasmisor tendrán la misma identificación, de acuerdo con el servicio y función del instrumento.

4.- Cada válvula automática tendrá la misma identificación que el instrumento de control por el cual es actuada y la letra (V) inmediatamente después. Cuando son actuadas por el mismo controlador más de una válvula, ésta se identificarán por medio de letras como sufijos agregadas al número del instrumento. Ejemplo (TRC-1a), (TRC-1b), etc.

5.- Los accesorios diversos como: posicionadores de válvula automáticas, revelado neumáticos, interruptores, reguladores de aire etc., que requieren identificación, serán designados con la misma nomenclatura del instrumento al cual están conectados o con los cuales trabajen.

6.- Los elementos primarios de medición tendrán designada la misma identificación de los instrumentos a los cuales estén conectados. Solo cuando no esté conectado a ningún instrumento se codificara por separado.

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[INSTRUMENTACIÓN EN LÍNEA]

[TERCER SEMESTRE / INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL]

LETRAS PARA IDENTIFICACIONES

LETRASMAYUSCULAS

DEFINICIONES Y POCISIONES PERMITIDAS EN CUALQUIER COMBINACION 1ª. LETRA

VARIABLE DE

PROCESO

2ª. LETRA TIPO DE REGISTRO U OTRA FUNCION

3ª. LETRA

FUNCION

ADICIONAL A Análisis Alarma AlarmaC Conductividad Control ControlD DensidadE Voltaje Elemento(primario)F FlujoG Calibración Cristal (no medio)H Manual (actualmente)

I Corriente (eléctrica) IndicadorL Nivel Luz (piloto)M HumedadP Pasión o vacio Punto(conexión)R Radioactividad Registro (registrador)S Rapidez o frecuencia Seguridad SwitchT Temperatura Transmisor TransmisiónV Viscosidad VálvulaW Peso Pozo

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[INSTRUMENTACIÓN EN LÍNEA]

[TERCER SEMESTRE / INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL]

IDENTIFICACIONES GENERALES

1ª. Le

tra

Varia

ble

del pro

ceso

SEGUNDA Y TERCERA LETRAS TIPOS DE MECANISMOSMecanismo controladores

Válvulas

De

seguridad

Mecanismos remedición

Aparatos

De cristal solo para observar (no miden)

Mecanismo de alarma

Ele

mento

pri

mario

Controladores separadores

Válvula reguladora actuada por si mismas

Registro

Indicación

Registro

Indicaciòn

Alarma

Registro

Indi

Cación

Control

-RC -IC -C -CV -SV -R -I -G -RA -IA -A -E

Temperatura

T- TRC

TIC TC TCV TR IR TI /// TRA TIA TA TE

Flujo F- FRC

FIC FC FCV FR FI FG FRA FIA FA FE

Nivel L- LRC

LIC LC LCV LR LI LG LRA LIA LA LE

Presión P- PRC

PIC PC PCV PSV PR PI /// PRA PIA PA PE

Densidad

D- DRC

DIC DC DCV DR

DI /// DARA DIA DE

Manual H- HIC HC HCV /// /// /// /// /// ///Conductividad

C- CRC

CIC CC CCV CR

CI /// CRA CIA CA CE

Rapidez S- SRC

SIC SC SCV SSV SR SI /// SRA SIA SA RE

Viscosidad

V- VRC

VIC VC VCV VR

VI VG VRA VIA VE

Peso W- WRC

WIC WC WCV WR

WI WRA WIA WE

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[TERCER SEMESTRE / INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL]

1.3 TIPOS Y CLASES DE INSTRUMENTOS EMPLEADOS EN LA INDUSTRIA.

Existen dos formas básicas de clasificar los instrumentos las cuales son:

a.- De acuerdo a su función en del instrumento.

b.- De acuerdo a la variable de proceso que miden.

Este modo de clasificarlos no es necesariamente el único, pero se considera bastante completo.

DE ACUERDO A SU FUNCIÓN ESTOS SERÁN:

Instrumentos indicadores: son aquellos que como su nombre bien dice, indican directamente el valor de la variable de proceso. Ejemplos: manómetros, termómetros, etc.

Instrumentos ciegos: son los que cumplen una función reguladora en el proceso, pero no muestran nada directamente. Ejemplos termostatos, presos tatos, etc.

Instrumentos registradores: en algunos casos podrá ser necesario un registro histórico de la variable que se estudia en un determinado proceso. en este caso, se usaran instrumentos de este tipo. .

Elementos primarios: algunos elementos entran en contacto directo con el fluido o variable de proceso que se desea medir, con el fin de recibir algún efecto de este (absorben energía del proceso), y por este medio pueden evaluar la variable en cuestión. (placa orificio)

Transmisores: estos elementos reciben la variable de proceso a través del elemento primario, y la transmiten a algún lugar remoto. Estos transmiten las variables de proceso en forma de señales proporcionales a esas variables.

Transductores: son instrumentos fuera de línea (no en contacto con el proceso), que son capaces de realizar operaciones lógicas y/o matemáticas con señales de uno o más transmisores.

Convertidores: en ciertos casos, la señal de un transmisor para ser compatible con lo esperado por el receptor de esa señal, en ese caso se utilizara un elemento convertidor para lograr la ante mencionada compatibilidad de señal

Receptores: son los instrumentos que generalmente son instalados en el panel de control, como interface entre el proceso y el hombre. Estos reciben la señal de los transmisores o de un convertidor.

Controladores: este es uno de los elementos más importante, ya que será el encargado de ejercer la función de comparar lo que esta sucediendo en el

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[TERCER SEMESTRE / INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL]

proceso, con lo que realmente se desea que suceda en él, para posteriormente, en base a la diferencia, envié una señal al proceso que tienda a corregir las desviaciones.

Elemento final de control: será este elemento quien reciba la señal del controlador y quien estando en contacto directo con el proceso en línea, ejerza un cambio en este, de tal forma que se cambien los parámetros hacia el valor deseado. Ejemplo: válvulas de control, compuertas, etc.

DE ACUERDO A LA VARIABLE DE PROCESO QUE MIDE:

Esta clasificación, como su nombre lo indica, se refiere a la variable de proceso que tratemos de medir. En la actualidad, se puede medir, casi sin excepción, todas las variables de proceso existentes, sin embargo, algunas se medirán de forma directa y otras indirectas.

1.4 LA INSTRUMENTACIÓN Y SU APLICACIÓN DE ACUERDO CON LOS PROCESOS Y TIPOS DE INDUSTRIA.

Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos.

Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, de la industria cerámica, de las centrales generadoras de energía, de la siderurgia, de los tratamientos térmicos, de la industria papelera, de la industria textil, etc.

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[INSTRUMENTACIÓN EN LÍNEA]

[TERCER SEMESTRE / INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL]

En todos los procesos es absolutamente necesario controlar algunas magnitudes.

Las variables a medir o controlar pueden ser:

Variables físicas:

o Caudal. Caudal másico. Caudal volumétrico.

o Presión. o Temperatura. o Nivel.

Nivel de líquidos. Nivel de sólidos.

o Velocidad. o Peso. o Humedad. o Punto de rocío.

Variables químicas:

o pH. o Conductividad eléctrica.

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[INSTRUMENTACIÓN EN LÍNEA]

[TERCER SEMESTRE / INGENIERÍA EN ROBÓTICA INDUSTRIAL]

o Redox

Ejemplo 1.

En la elaboración de compuestos químicos se requiere controlar con precisión el flujo De líquidos, la presión y temperatura a las que se producen las reacciones químicas, así como medir con exactitud la cantidad de cada sustancia empleada. Los requisitos básicos se muestran en el diagrama de bloques.

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Envasado

BolsasCajasCilindrosBarrilesTanquesBotellas

Mezclado o Combinado

PesoVolumenPresiónHumos

SólidoLíquidoGases

TiempoTemperaturaPresiónVolumenFlujoComposición

SólidoLíquidoGasesSólido y LíquidoLíquido y gas

Selección de Materia prima

PesoVolumenFlujo

Medición o controlProceso Material

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[INSTRUMENTACIÓN EN LÍNEA]

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Ejemplo 2.

Industria papelera, se necesita descortezar y cortar los troncos en trozos pequeños que después se mezclan con compuestos químicos para llevar a cabo un proceso de digestión a la temperatura apropiada, hasta que las fibras se separen de los otros ingredientes. Entonces, estas fibras se envían a los ciclos de secado y presión y los compuestos químicos se hacen pasar por un proceso de recuperación. Después de secar y prensar la pulpa, ésta se convierte en papel mediante un proceso de laminado. El control de la presión de laminado y la velocidad de los rodillos determinan el espesor del papel.

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Recuperación de compuestos químicos.

DigestiónPulpa FibraCompuestos químicos

Astillado o Desmenuzado

TemperaturaVolumenConcentraciónHumos y olores

PesoFlujo

AstillasFibra de celulosa

RuidoTamañoPeso

Selección de materia prima

Troncos Compuestos químicos AlgodónLino

Proceso Material Medición o control

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En los inicios de la era industrial, la operatoria de los procesos se llevaba a cabo con un control manual de estas variables utilizando sólo instrumentos simples, manómetros, válvulas manuales, etc. Control que era suficiente por la relativa simplicidad de los procesos. Sin embargo, la gradual complejidad con que éstos se han ido desarrollando ha exigido su automatización progresiva por medio de los instrumentos de medición y control.

1.5 DIAGRAMA GENERAL DE UN SISTEMA DE CONTOL CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS, DE ACUERDO CON LA FUNCIÓN BÁSICA QUE DESEMPEÑAN, INDICADORES, MEDIDORES, REGIDTRADORES, CONTROLADORES INTEGRADO, PROGRAMADORES Y COMBINACIÓN DE TODOS ELLOS.

Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categorías: procesos continuos y procesos discontinuos. En ambos tipos, deben mantenerse en general las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, etc.).

Existe dos tipos básicos de sistemas de control: el lazo abierto y el lazo cerrado.

Los sistemas de lazo abierto tienen una ventaja de ser relativamente sencillos, por lo que su costo es bajo y en general su contabilidad es buena. Sin embargo, con frecuencia son imprecisos ya que no hay corrección de errores.

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PapelArrolladoPresiónVelocidad

Prensado

PulpaFibra

PulpaFibra

TemperaturaHumedad

Secado TemperaturaHumedad

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SISTEMA DE LAZO ABIERTO

SISTEMA DE LAZO CERRADO

Los sistemas en lazo cerrado tienen la ventaja de ser bastante preciosos para igualar el valor real y el deseado. Pero son más complejos y, por lo tanto, más costosos y con mayor probabilidad de descomposturas debido a la mayor cantidad de componentes.

En general en un sistema básico en lazo cerrado consta de los siguientes elementos.

Elemento de comparación:

Compara el valor deseado o de referencia de la condición variable que se controla con el valor medido de lo que se produce y genera una señal de error. Se le puede considerar como un sumador que añade la señal de referencia, positiva, a la señal de valor medido, que en este caso es negativa:

Señal de error = Señal del valor de referencia - Señal de valor medido

En general, el símbolo utilizado para representar un elemento en el que se suman las señales es un círculo dividido.

Elemento de control:En cuanto recibe una señal de error, el elemento de control decide que acción llevar a cabo. Podría tratarse, por ejemplo, de una señal para accionar un interruptor o abrir una válvula.

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PROCESOENTRADA SALIDA

PROGRAMA

FIJO

CONTROLADOR

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Elemento de correlación:

El elemento de correlación produce un cambio en el proceso a fin de corregir o modificar la condición controlada. Puede ser un interruptor que encienda un calentador para aumentar la temperatura de un proceso, o una válvula que al abrirse permite la entrada de un mayor volumen de liquido del proceso.

Elemento de proceso.

El proceso es aquello que se está controlando.

Elemento de medición:

El elemento de medición produce una señal relacionada con el estado de la variable del proceso que se controla.

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PROCESO

MEDIDOR DE VARIABLE

CONTROLADOR

ENTRADA SALIDA

ELEMENTO FINAL DE CONTROL

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1.6 LAS CUATRO VARIABLES MÁS IMPORTANTES EN LA INDUSTRIA.

Las cuatro variables más importantes son:

TEMPERATURA:

La temperatura es una de las más comunes y de las más importantes que se efectúan en los procesos industriales. Todos los fenómenos físicos están afectados por ella. La temperatura se utilizara frecuentemente para inferir otras variables del proceso.

NIVEL:

La medición de nivel de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista del funcionamiento correcto del proceso como de las condiciones de balanceado cuando de materia prima o de producto terminado.

CAUDAL:

El caudal se puede medir o determinar en volumen de flujo y los de masa

PRESION: La presión es una de las variables muy importantes a controlar en los procesos industriales. La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse unidades tales como kilogramos sombre pulgada cuadrada, PSI (libras por pulgada cuadrada), bar, atmósfera, pascal (Newton por metro cuadrado).

1.7 INSTRUMENTOS COMBINADOS DE UNA O MÁS VARIABLES.

Son aquellos instrumentos que pueden medir en el mismo instrumento una o más variables: Ejemplo.

Un Manovacuometro que mide presión manométrica y prisión de vacio

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AGENTE DE CONTROL

PUNTO DE REFERENCIA

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UNIDAD: II MEDICIÓN DE LA VARIABLE PRESIÓN.

2. OBJETIVO DE LA UNIDAD

El alumno empleará los manómetros utilizados con mayor frecuencia en la industria, atendiendo a criterios fundamentales.

2.1 PRESIÓN ATMOSFÉRICA (BARÓMETRO).

Es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida mediante una barómetro. A nivel del mar, esta presión es próxima a 760 mm de mercurio absolutos, o 14,7 psia (libras sobre pulgada cuadradas) o bien 1,01325 bar o 1,03322 Kg/cm 2. y estos valores difieren la presión ejercida por la atmósfera estándar.

2.2 PRESIÓN ABSOLUTA Y MANOMÉTRICA.

Se mide con relación al cero absoluto de presión.

2.3 MANÓMETROS, VACUOMETROS, MANOVACUOMETRO.

MANOMETRO.

Es un instrumento que se emplea para la medición de la presión en los fluidos y que generalmente procede determinando la diferencia que hay entre la presión del fluido y la presión local.

VACUOMETRO.

Es un instrumento que permite medir el grado de vacio afectado en un recipiente.

Es un medidor de presión tarado para valores inferiores a la presión atmosférica.Se trata, pues, de un manómetro adecuado para medidas negativas de presión relativa.

MANOVACUOMETRO.

Es un instrumento que permite leer valores inferiores a la presión atmosférica y también por arriba de ella.

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2.4 MANÓMETROS DE CRISTAL, DE TUBO EN U.

Este manómetro es el más antiguo y uno de los más exactos. Se usa como patrón para establecer la presión de todos los modelos de instrumentos medidores de presión.

Este consiste de un tubo de vidrio doblado en forma de “U” y lleno de agua, mercurio, aceite, o cualquier otro líquido de densidad conocida, hasta la marca cero de la escala. Cuando la presión se aplica a través de uno de los brazos, el nivel del en este líquido en este brazo baja, mientras que en el otro, que está abierto a la atmósfera, sube hasta que el aumento de altura iguala a la presión aplicada al tubo. La presión será igual a:

P = ρ. h

Donde:

P = Presión manométrica.

ρ = Densidad del líquido manométrico, h = Diferencia de nivel del líquido.

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El campo de medida es 0,2 – 1,2 mcd, precisión en % de toda la escala es 0,5 – 1 %, temperatura máxima de servicio ambiente y su presión estática máxima es de 10 bar.

2.5 MANÓMETROS DE DIAFRAGMA, TUBO INCLINADO.

Los manómetros de diafragma tiene un campo de medida de 50 mm cda – 2 bar, una precisión en % de toda la escala 0,5-1%, temperatura máxima de servicio 90°C y una presión estática máxima de 2 bar.

El tubo inclinado se usa para medir pequeñas diferencias de presión de gas, cuenta con un campo de medida de 0,01 – 1,2 m cda, una precisión en % de toda la escala de 0,5-1%, temperatura máxima de servicio ambiente y presión estática máxima 10 bar. Las divisiones de la escala están en función de la ecuación.

h = L senθ

Donde: L = longitud de la escala correspondiente a la altura h Sen θ = Seno del ángulo de inclinación.

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Ose que la presión manométrica obtenida será igual a

P = ρ L sen θ

Ya que ρ y sen θ, son constantes, la lectura de al escala pueden darse directamente en unidades de presión para la diferentes longitudes.

2.6 MANÓMETROS DE TUBO BUORDON, HELICOIDAL, ESPIRAL.

El manómetro de tipo Buordon es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al 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 tubo Bourdon trabaja a presión absoluta o relativa y tiene una capo de mediada 0,5 – 6000 bar, precisión en % de toda la escala 0,5 – 1 %, temperatura máxima de servicio 90°C, y presión estática máxima de 6 bar.

El elemento en espiral se forma enrollando el tubo Buordon en forma de espiral alrededor de un eje común.Este tiene un campo de medida 0,5 – 2500 bar, una precisión en % de toda la escala 0,5 -1%, temperatura máxima de servicio 90°C y presión estática máxima 2500 bar.

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El helicoidal, arrollando más de una espira en forma de hélipce. Este cuenta con un campo de medida 0,5 – 5000 bar, una precisión en % de toda la escala de 0,5 - 1 %, temperatura máxima de servicio 90°C y presión estática máxima 5000 bar.

Estos elementos proporcionan un desplazamiento grande del extremo libre y, por ello, son ideales para los registradores.

2.7 MANÓMETRO DIFERENCIAL.

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Este se utiliza para medir presiones relativas, cuneta con un campo de medida de 0,2 – 1,2 mcda, precisión en % de toda la escala es 0,5 – 1 %, temperatura máxima de servicio ambiental y una presión estática máxima 10 bar.

2.8 MANÓMETRO DE CAMPANA INVERTIDA.

La campana invertida se encuentra sumergida dentro del líquido y es mantenida a flote por mercurio contenido en el interior del cuerpo medidor , el cual actúa simplemente de sello, de manera que la toma de presión se conecte a la parte inferior de la campana. El balanceo de la campana se realiza por medio de un resorte calibrado.

De la formula

P = FC h / A

Donde P = Presión aplicada a la campana FC = Constante del resorte h = Movimiento de la campana A = Área interior de la campana

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2.9 CARÁTULA Y GRADUACIÓN, REGISTRO DE PRESIONES.

2.10 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN, RECOMENDACIONES.

Los manómetros están construidos de materiales diferentes entre los cuales encontramos de:

Acero inoxidable Termoplásticos reforzados

Existen de diferentes tamaños:

Ejemplo: (1 ½”, 2 ½”, 4”, 4 ½” y 6”)

Precisión de conformidad con la norma ASME, EN y JIS.

El montaje de los manómetros pueden ser central e inferior

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Entre los fluidos de llenado encontramos:

Sin relleno Glicerina Glicerina a baja temperatura Silicona

TIPO DE TUBOS

Brece fosforado.- conexiones de 6mm puntero micrométrico, con desviación 1%, juntas soldadas con plata. Rango de 1.05 a 70 .32 Kg/ cm2.

Aleación de acero.- Conexión de 6mm acero forjado puntero micrométrico con desviación de 1%, para rangos hasta 70Kg /cm2 conexiones de 12.7 para más de 70 Kg /cm2.

Acero inoxidable.- Tipo 4130 tubo forjado, para rangos de 1.05 a 351.61. Conexión acero forjado 6mm para rangos de 1.05 a 140.64 Kg/cm2. Tipo 316, tubo barrenado, para rangos de 1.05 a 140.64 .tipo 403, tubo barrenado para rangos de 210.97 a 351.61 Kg /cm2. Tipo 403, tubo probado para rangos de 7.03 a 1406.46 Kg/cm2.

Cobre berilio Conexión 6mm y 12.7mm. Conexión acero inoxidable, para rangos de de 351.61 a 1406.46 Kg 7 cm2.

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Acero monel.- Conexión 6mm y 12.7mm, puntero micrométrico, para rangos de 1.05 a 351.61Kg/cm2

2.11 ACCESORIOS PARA INSTALACIONES DE MANÓMETRO.

En la instalación se requieren accesorio, los cuales y va a depender del uso del manómetro, para los cuales existen recomendaciones del fabricante.

Entere lo accesorios podemos encontrar:

Coplees Ni ples Válvulas de bloqueo (globo, ahuja etc.) Tubos etc.

Sifón (o llamado también cola de cochino) para manómetro de vapor de 180°.

Ejemplo es muy utilizado para los manómetros en las calderas.

2.12 PRUEBAS Y CALIBRACIÓN MANÓMETROS.

Generalmente se utilizan manómetros patrón. Son manómetros de alta exactitud del orden del +- 0,2% de toda la escala. Poseen las siguientes características:

Dial con una superficie especular efectuándose la lectura por coincidencia del índice y de su imagen.

Finura del índice y de las graduaciones de la escala. Compensación de temperatura con un bimetal. Tubo Bourdon de varias especies.

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Se consigue todavía mayor exactitud (0,1) siendo marcas móviles para cada incremento de instrumento.

Entre los calibradores para calibración periódica encontramos:

COMPROBADOR DE MANÓMETROS DE PESAS. Este consiste en una bomba de aceite o de fluido hidráulico con dos conexiones de salida, una conectada al manómetro patrón y la otra a un cuerpo de cilindro dentro del cual desliza un pistón de sección calibrada que un juego de pesas. La comparación se lleva a cabo accionando la bomba hasta levantar el pistón que soporta las pesas calibradas. Con la mano se hace girar este pistón. Su giro libre indica que la presión es la adecuada, ya que el conjunto pistón - pesa está flotando sin roces.

Un comprobador de manómetros de pesas puede alcanzar una exactitud del +- 0,06%, y los pistones y las pesas utilizados pueden certificarse a +- 0,008%.

COMPROBADOR DE MANÓMETRO DIGOITAL.

Consiste en un tubo Bourdon con un espejo soldado que refleja una fuente luminosa sobre un par de fotodiodos equilibrados. Se genera así una señal de corriente que crea un par igual y opuesto al de la presión que actúa sobre el tubo Bourdon. Una resistencia de exactitud crea una señal de tensión directamente proporcional a la presión del sistema. La exactitud de este comprobador alcanza el +- 0,003% de toda la escala, con una estabilidad del +-0,005 de la lectura.

Complementando el instrumento anterior con potenciómetros de ajuste una servo válvula se obtiene un comprobador de presión de exactitud. Añadiendo un ordenador y el software adecuado se consigue una automatización de la calibración con salida grafica y por impresora, o que permite satisfacer los requerimientos de la norma de calidad ISO 9000.

UNIDAD: III MEDICIÓN DE TEMPERATURA

3. OBJETIVO DE LA UNIDAD

El alumno medirá la variable de temperatura, con los instrumentos, principios, métodos y sistemas adecuados.

3.1 TEMPERATURA - ESCALAS TERMOMÉTRICAS.

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de calor o frío. Por lo general, un objeto más "caliente" tendrá una temperatura mayor. Físicamente es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico. Más

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específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como "energía sensible", que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que es mayor la energía sensible de un sistema se observa que esta más "caliente" es decir, que su temperatura es mayor.

.La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin. Sin embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común el uso de la escala Celsius (antes llamada centígrada) y en los países anglosajones, la escala Fahrenheit. También existe la escala Rankine (°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin.

La medida de la temperatura es una de las más comunes y de las más importantes en los procesos industriales. Casi todos los fenómenos físicos están afectados por ella. La temperatura se utiliza frecuentemente para inferir otras variables del proceso.

ESCALAS TERMOMETRICAS

I) Celsius o Centígrada; referencias:

Fusión del agua: 0°C

Ebullición del agua: 100°C

II) Absoluta o Kelvin; referencias:

Cero absolutos: 0°K

Fusión del agua: 273°K

Transformación: t°C = t°K - 273°

III) Fahrenheit; referencias:

Composición salina: 0°F

Sangre humana: 100ºF

Transformación: t°F = t°C + 32°

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3.2 TERMÓMETROS DE CRISTAL.

Este termómetro consta de un depósito de vidrio que contiene, por ejemplo, mercurio y que al calentarse expanden y sube en el tubo capilar.

Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son:

Mercurio -35 °C hasta +280 °C Mercurio (tubo capilar lleno de gas) -35 °C hasta +450 °C Pentano -200°C hasta +20 °C Alcohol -110 °C hasta +50 °C Tolueno - 70°C hasta +100°C

3.3 TERMÓMETROS DE SISTEMA TERMAL LLENO CLASE; 1,2,3 Y 4 RANGOS – MATERIALES. Estos termómetros están basados en le acción elástica de los tubos Buordon, espiral, fueller o diafragma, que trasmiten un movimiento angular uniforme cuando se les aplica presión.

Esta presión proviene de un recipiente llamado bulbo, lleno con gas o un líquido que cambie sus características físicas con la temperatura. Este cambio es trasmitido a la espiral, a través de un tubo capilar.

TIPOS DE COMPENSACIÓN

1.- Compensación de caja. Que consiste en colocar una tira bimetálica para contrarrestar los cambios de temperatura en la caja del instrumento. Este bimetal se fija a la espiral de medición y se pega a un soporte. Cuando la temperatura dentro de la caja se eleva, la espiral de medidora se dilata y tiende a mover la pluma hacia arriba ; simultáneamente, la tira bimetálica mueve a al espiral en al dirección opuesta dado como resultado que el movimiento que se trasmite a la pluma es cero.

2.- Compensación completa. Que consiste en otro sistema termal pero sin bulbo, de tal manera que las espirales de estos dos sistemas se expanden en dirección opuestas y están interconectadas, por lo tanto. Cualquier cambio de temperatura ya sea en la caja o a lo largo del tubo capilar se nulifica.

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CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS.

a) Los que responden a los cambios volumétricos.(Clase I) llenado con un líquido orgánico.(Clase II) llenados con mercurio.

b) Los que responden a cambio de presión.(Clase II) llenados con un líquido en equilibrio con su vapor.(Clase III) llenados con gas.

LLENADOS CON LÍQUISO ORGANICO (CLASE I)

Según el tipo de compensación por cambio de temperatura ambiente se puede dividir en:

Clase I-A (Compensación completa)Clase I-B (Compensación de caja)

La distancia máxima del capilar para los dos de la clase I-A es de 60 m y para los de la clase I-B es de 4.5m.

Los límites máximos y mínimos en que pueden trabajar satisfactoriamente este tipo de sistemas, dependen del líquido emplea, variando aproximadamente entre -87.22 a 315.55°C, no teniendo efecto en la medición que la temperatura por medir cruce la temperatura ambiente.

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El rango mínimo posible está limitado por las dimensiones prácticas del bulbo y generalmente es de -3.88 a 10°C.

El rango máximo está limitado por la linealidad de la expansión y comprensión del líquido de llenado normalmente no mayor de 3155 °C.

Los límites de temperatura son:

Clase I- A -73.33 a 93.33°CClase I-B -34.44 a 65.55°C

La escala está uniformemente dividida ya que el coeficiente de expansión es proporcional a la temperatura.

Condiciones que deben llenar los líquidos empleados en este sistema son:

a) Su punto de congelación debe ser menor que aquel al cual esté sujeto cualquier parte de su sistema termal.

b) Deberá tener una presión de vapor para cualquier temperatura del bulbo considerablemente más baja comparada con la presión inicial del sistema.

c) Debe tener una expansión lineal característica sobre el rango del bulbo.d) Debe ser estable, durante la vida útil del sistema.e) Su viscosidad deberá ser relativamente baja.

Para temperaturas bajas se utiliza alcohol etílico, mara rangos de temperatura intermedios, meta xileno y para rangos altos se utiliza tetrahidronafteleno.

LLENADO CON MERCURIO (CLASE IV)

En este tipo de sistema existe también la compensación completa a(clase IV - A) y la compensación de caja (clase IV-B).

La temperatura mínima a que puede trabajar este sistema está limitada por el punto de congelación del mercurio que es de -38.88 °C. Es estable a cualquier temperatura, pero el límite máximo es generalmente 537.77°C debido al rápido incremento de su presión de vapor.Los tubos de conexión pueden tener una longitud hasta de 60.96m. Este límite depende de la relación entre el volumen del bulbo y el volumen de los capilares y la espiral. Un aumento de temperatura en el espiral, tiene naturalmente un efecto similar para el mercurio que un aumento de temperatura en el bulbo. Sin embargo, como el volumen de mercurio es pequeño, También el efecto será proporcionalmente pequeño.

El límite de temperatura ambiente es de -28.88°C a + 65.55°C.

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LLENADO DE UN LIQUIDO EN EQUILIBRIO CON SU VAPOR (CLASE II).

Consiste de un bulbo, tubo capilar de conexión y una espiral, el bulbo esta lleno de un líquido altamente volátil y el espacio restante ha sido llenado con la misma materia en esto de vapor. La interfase entre el líquido y el vapor siempre debe de existir en el bulbo.

Se conocen cuatro diferentes tipos, que son:

Clase II – A.- Esta diseñado para operar con la temperatura del proceso por arriba del resto del sistema termal.

Clase II- B.- Esta diseñado para operar con la temperatura del proceso por abajo del sistema termal.

Clase III- C.- Está diseñado para operar con temperatura del proceso por arriba y por abajo del resto del sistema termal ( en este caso el volumen del bulbo es mayor que el de los sistemas II-A y II-B).

Clase IV-D.- Está diseñado para operar con la temperatura del proceso por arriba, por debajo y al mismo nivel que el resto del sistema termal. En este caso, existen dos líquidos uno volátiles y otro relativamente no volátil. El líquido volátil se encuentra en la parte sensible del bulbo y el segundo líquido es usado para trasmitir la presión de vapor al mecanismo de expansión.

La compensación por cambio de temperatura ambiente no es necesaria.

El límite máximo de temperatura está restringido por el punto critico del líquido usado, así como también la tendencia de la mayoría de los líquidos orgánicos conocidos a un cambio de su composición química a temperatura de 335.55°C o más altas. El límite mínimo de temperatura es generalmente de 4.44°C.

Rasgos disponibles son predeterminados por los fabricantes de acuerdo con el líquido de llenado, pero oscilante entre 18 y 37.77°C el primero para temperaturas relativamente altas y el segundo para bajas.

La máxima longitud del capilar es de 45.72m.

La protección de sobre – rango es más limitada que en los otros tipos del sistema de llenado. De acuerdo con el líquido de llenado el fabricante especifica cuál es el valor máximo de protección.

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Líquidos usados para este tipo se sistemas son, entre los más frecuentes:

LIQUIDO RANGO DE TEMPERATURAS °C

CAMBIO DE PRESIONES kg/cm2

ETANO -73.33 y 266.66 1.4PROPANO -17.77 y 93.33 1.4 a 42.19ÉTER METÍLICO -3.88 y 110°C 1.4 a 42.19CLURURO DE ETILO 37.77 y 176.66 1.4 a 42.19ETER ETILICO 60 y 190.55 1.4 a 35.16ALCOHOL ETÍLICO 104.44 y 204.44 1.4 a 30.94

LLENOS DE GAS (CLASE III).

Este sistema está basado en que el gas cambia proporcionalmente su presión.Para compensar los cambios de temperatura ambiente se utiliza un bimetálico en la caja, no existiendo compensación completa para este tipo de termómetros ya que se a encontrado en este tipo de termómetros una relación de 9-1 del volumen del bulbo y volumen del capilar con la espiral disminuye considerablemente el efecto de los cambios de temperatura.

Las dimensiones del bulbo son generalmente de 22.22 mm de diámetro externo por 152.4 a 254 mm de longitud, dependiendo de la gama escogida.

El límite de temperatura mínima deberá estar por encima a de la temperatura critica del gas empleado. Para el Nitrógeno los límites mínimos y máximos son de -87.22 y 426.68°C aun que en otros casos puede tomarse de -240 a 537.77°C. Cuando se usa Helio cuya temperatura crítica es de 9.2°k puede tener límites inferiores de algunos grados absolutos.

El rango mínimo de temperatura es de 65.55°C

La velocidad de respuesta es alta, debido a la gran área que presenta su bulbo.

La longitud del capolar es de 60.96 m, sus graficas o escala son uniformemente divididas. La capacidad de sobre – rango varía con la gama y puede ser hasta de 300% del rango.

El error por diferencial de nivel entre el bulbo y la espiral es despreciable debido a la baja densidad de los gases.

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3.4 TERMÓMETROS BIMETÁLICOS –MATERIALES USOS-RANGOS.

Este termómetros se fundan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como latón, monel o acero y una aleación de ferroníquel o invar (35.5% de níquel) laminados conjuntamente. Las laminas pueden ser bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices.

Un termómetro bimetálico típico tiene una parte móviles, sólo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o hélice y el propio elemento bimetálico. El eje y el elemento están sostenidos con cojinetes y el conjunto está construido con precisión para evitar rozamiento.

El uso de estos termómetros es admisible para servicios continuo de 0 °C A 400 °C, los termómetros de tipo de esfera orientable. En este su puede tomar la lectura a distancia desde niveles distintos a la instalación.La exactitud del instrumento es de +- 1% y su campo de medida es de -200 a +500 °C.

3.5 TERMÓMETRO TERMOPARES, TIPOS: T,J,K FUNCIONAMIENTO – JUNTA FRIA – JUNTA CALIENTE COMPENSACIÓN – ESTANDARIZACION MATERIALES – USOS – RANGOS

El termopar se basa en el efecto de de la circulación de una corriente en un circuito cerrado formado por dos metales diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría) se mantienen a distintas temperaturas.

La circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados. El efecto Peltier (año 1834) que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de los metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión y efecto Thomson (año 1854) que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente temperatura.

Los estudios realizados sobre el comportamiento de los termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales.

1.- Ley del circuito homogéneo. En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor.2.- Ley de los metales intermedios. Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura A a otro punto B, la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los

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conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo Ay B.

3.- Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m. generadora por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 Y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T2 y de f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3.

Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperatura con la unión de referencia.

La selección de los alambres para termopares se hace de formar una resistencia adecuadas a la corrosión, a la oxidación, a la reducción y a la cristalización, que desarrollen una f.e.m. relativamente alta, que sean estables, de bajo costo y de baja resistencia eléctrica y que la relación entre la temperatura y la f.e.m. sea tal que aumento de ésta sea (aproximadamente) paralelo al aumento de la temperatura.

TERMOPAR TIPO T.

Estos termopares tienen un alambre de cobre puro como conductor positivo y un alambre de aleación cobre níquel (constantán). Tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica oxidante o reductora. Se refiere generalmente para las atmósferas oxidantes o reductoras. Se prefiere generalmente para las medias de temperatura entre – 200 a + 260 °C.

TERMOPAR TIPO J.

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Este tipo de termopar es y hierro – constantán. Es adecuado en atmósfera con escaso oxígeno libre y para temperatura entre -200 a + 750 °C. La oxidación del hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de + 550°C, siendo necesario un mayor diámetro del hilo hasta una temperatura límite de + 750°C.

TERMOPAR TIPO K.

Este termopar es de cromel – alumel, se recomienda en atmósferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 500°C y 1250°C. No debe ser utilizado en atmosferas reductoras ni sulfuros a menos que esté protegido con un tubo de protección. Se utiliza para temperaturas entre -40°C a 1000°C.

3.6 POTENCIOMETROS – INSTRUMENTOS DE INDICACIÓN Y REGISTRO.

El circuito potencio métrico consta de tensión constante V alimenta los dos brazos del circuito con corrientes I1 e I2. La posición del cursor del reóstato R indica la temperatura del proceso cuando no pasa corriente por el miliamperímetro, es decir, cuando el punto C del cursor del reóstato R y el punto E están en la misma tensión. En la figura c el miliamperímetro se ha sustituido por un amplificador, constituyendo un circuito auto equilibrado análogo al de puente de wheatstone.

La compensación de la temperatura ambiente la realiza la resistencia Rn que compensa la perdida o el aumento de f.e.m. que se produce al aumentar o disminuir respectivamente la temperatura de la unión de referencia. El circuito dispone de una resistencia Rd (o Re) de protección contra la rotura del termopar o del cable de compensación: esta resistencia es el valor elevado con el fin de que la caída de tensión que produce no influya apreciablemente en la f.e.m. del termopar. Cuando se produce la rotura del circuito de medida, la resistencia Rd (o Re) cierra el circuito del amplificador para que el cursor del reóstato se desplace hasta el tope de la escala y pueda accionar una alarma.

Los circuitos potencio métricos son afectados por las corrientes para sitas alternas, en particular en el caso de la instalación en paralelo de los hilos de medida y de los cables de alimentación de un transformador o de maquinaria eléctrica de alta potencia. Pues necesario instalar los hilos de medida en conductos separados puestos a tierra y alejados de los cables de corriente

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FIGURA C

3.7 TERMÓMETRO DE RESISTENCIA COMPENSACIÓN POR TEMPERATURA – MATERIALES – USOS – RANGOS.

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Estos termómetros se basan en la propiedad que tiene los metales conductores de la corriente eléctrica de cambiar su resistencia cuando varía la temperatura o sea que:

Rt = Ro (1+αt) a = Rt-Ro/t Ro

Donde:

RO = Resistencia a 0°C, en ohms. Rt = Resistencia a la temperatura t, en ohms. α = Coeficiente de resistencia por temperatura.

El coeficiente de resistencia por cambio de temperatura, representa el cambio de resistencia en ohms, por cada ohm de Ro por grado de temperatura.

MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN.

Los materiales que formas el conductor de la resistencia deben poder las siguientes características

Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el instrumento de medida será muy sensible.

Alta resistividad, ya que cuando mayor sea la resistencia a una temperatura dada tanto mayor será la variación por grado (mayor sensibilidad).

Relación lineal resistencia – temperatura. Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricación de

estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda, a fin de obtener tamaños pequeños(rapidez de respuesta)

Estabilidad de las características durante la vida útil del material.

Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el níquel. Para temperatura criogénica la sonda de resistencia de germanio puede trabajar ente -272°C A – 173°C con una resistencia de 10000 ohms para -272°C y una sensibilidad 35000ohms/°k un coeficiente de resistencia.

El platino es el material más adecuado desde el punto de vista de exactitud y de estabilidad pero presenta el inconveniente de su costo.

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CARACTERISTICAS DE SONDAS DE RESISTENCIAS

Metal Resistividad μ Ω /cm

Coeficiente temp.Ω/ Ω°C

Intervalo útil de temp °C

ØMín. de hilo mm

Costo relativo

Resis.Sonda a 0°C ohmios

Precisión °C

Platino

9.83 0,00385 -200 a 950

0,05 Alto 25,100,130

0.01

Níquel 6,38 0,0063 a0,0066

-150 a 300

>> Medio 100 0,50

Cobre 1,56 0,00425 -200 a 120

>> Bajo 10 0,10

3.8 PUENTE DE WHEARSTONE.

El puente de Wheatstone consiste en un rectángulo formado por resistencias (o capacidades) cuyo extremo opuesto están conectados, unos a una fuente de tensión constante y el otro a un galvanómetro. Cuando por variación de una resistencia (la que están en contacto con el proceso), el galvanómetro detecta corriente nula, se dice que el puente están equilibrado.

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El puente de Wheatstone está dispuesto en montajes denominados de dos hilos, de tres hilos o de cuatro hilos, según sean los hilos de conexión de la sonda de resistencia del puente.

El montaje de dos hilos (figura a), la sonda de resistencia se conecta a una de los brazos del puente y se varía R3 hasta que se anula la desviación del galvanómetro. En este instante, se cumple la ecuación:

R1 = R2

R3 x

De aquí se deduce x como valor de la sonda de resistencia.

Es el montaje más sencillo, pero presenta el inconveniente de que la resistencia de los hilos a y b de conexión de la sonda al puente varía cuando cambia la temperatura, y esta variación falsea por lo tanto la indicación; aunque estos hilos sean de baja resistencia y esta sea conocida, las longitudes que puede haber en campo entre la sonda y el panel donde esté el instrumento receptor, añaden una cierta resistencia al brazo de la sonda. En toses la ecuación queda:

R1 = R2

R3 x +K(a + b)

Donde:

x = valor de la resistencia desconocida K = coeficiente de resistencia por unidad de longitud a, b = longitudes de los hilos de conexión de la sonda al puente.

El montaje de dos hilos se emplea, pues , con resistencia moderada del hilo de conexión y cuando la lectura no necesita ser demasiado exacta.

El montaje de tres hilos (figura b) la sonda ésta conectada mediante tres hilos al puente. De este modo, la medida no es afectada por la longitud de los conductores ni por la temperatura, ya que ésta influye a la vez en dos brazos adyacentes del puente, siendo la única condición que la resistencia de los hilos y a y b sea exactamente la misma.

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Su ecuación correspondiente es:

R1 = R2

R3 x + K(a + b)

Y como Ka = Kb, haciendo R2 / R1 = 1, R3 puede ajustarse a un valor igual a x para que el galvanómetro no indique tensión.

El montaje de cuatro hilos (figura d) se utiliza para obtener la mayor precisión posible en la medida, como es el caso de los convertidores digitales de temperatura o la calibración de patrones de resistencia en el laboratorio.

La medición automática clásica de la resistencia y por lo tanto de la temperatura se lleva a cabo mediante instrumentos auto equilibrado que utilizan un circuito de puente de Wheatstone. La sonda la sonda de la resistencia está conectada al puente mediante un circuito de tres hilos. Si el puente está desequilibrado la señal de error en forma deTensión continua que aparece en (AA) es convertida a una tensión alterna (BB) y ampliamente en tensión (CC) y potencia (DD), para excitar el motor de equilibrio E. Este se mueve en la dirección adecuada para equilibrar el puente el puente a través del brazo móvil del reóstato que al mismo tiempo acciones los mecanismos asociados de indicación, registro y control

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El puente de capacidad utiliza su condensador variable cuya posición está calibrada en función de la temperatura, alimentándose el circuito con la tensión alterna estabilizada de un oscilador. Es parecido al circuito de puente de Wheatstone en que, ante una señal de error el amplificador alimenta el motor de equilibrio que acciona el controlador variable.

La adición de un convertidor o transductor con transmisión de datos vía bus a la sonda de resistencia permite obtener un trasmisor inteligente un trasmisor inteligente con la posibilidad del cambio automático del sensor o del campo de medida, la obtención por hardware o por software de puente de Wheatstone o de capacidades de diferentes características, etc.

3.9 CALIBRACIÓN DE INSTRUMENTIS PARA MEDICIÓN DE TEMPERATURA.

Para la calibración de instrumentos de temperatura se emplean baños de temperatura entere ellos encontramos:

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CALIBRADOR DE BLOQUE METALICO.

Consiste en un bloque metálico consiste en un bloque metálico calentado por resistencias con un controlador de temperatura de exactitud +- 2°C adecuado para aplicaciones de alta temperatura (-25°C a 1200°C). El control se realiza con aire comprimido, lo que permite reducir la temperatura desde 1200°C a la temperatura ambiente en unos 10 – 15 minutos.

Este calibrador tiene sus orificios de inserción para introducir un termopar patrón y la sonda de temperatura a comprobar.

CALIBRADOR DE BAÑO DE ARENA.

Consiste en un depósito de arena muy fina que contiene tubos de inserción para la sonda de resistencia o el termómetro patrón y para las sondas de temperatura a comparar. La arena caliente es mantenida en suspensión por medio de una corriente de aire, asegurando así la distribución uniforme de temperatura lo largo de los tubos de inserción.

CALIBRADOR DE BAÑO DE LÍQUIDO.

Consiste en un tanque de acero inoxidable lleno de líquido con un agitador incorporado, un termómetro parón sumergido y un controlador de temperatura que actúa sobre un conjunto de resistencias calefactoras. Se utilizan varios tipos de fluidos dependiendo de la temperatura de trabajo, tricloroetileno (de -80°C a temperatura ambiente), etilenglicol y agua (de -20°C a temperatura ambiente), aceite fluido y aceite de silicona (de ambiente a 260°C) y sales (de 220°C a 700°C).

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UNIDAD: IV MEDICIÓN DE NIVEL.

4. OBJETIVOS DE LA UNIDAD.

El alumno diferenciará, la operación y montaje de los instrumentos de medición de nivel, con aplicación de los principios fundamentales tales como: el Principio de Arquímedes, y Presión hidrostática.

4.1 MEDICIÓN DE NIVEL CON CRISTAL: TUBULAR, PLANO, TRANSPARENTE, REFLEJANTE, CARACTERÍSTICAS, APLICACIONES.

CARACTERISTICAS.

Este consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados a bloque metálico y cerrado por prensaestopas que están unidas al tanque generalmente mediante tres válvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo para impedir el escape del líquido en caso de ruptura del cristal y una de purga.

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Los niveles son de vidrio son susceptibles de ensuciarse por las características del líquido que miden que en el nivel se puede apreciar claramente. Entre los líquidos que presentan este inconveniente figuran el caramelo y los líquidos pegajosos.

El nivel del líquido permite sólo una indicación local, si bien pueden emplearse espejos para lecturas a distancias limitadas o bien utilizar cámara de televisión para mayores distancias de trasmisión.

APLICACIONES.

Se emplea normalmente para presiones hasta de 7 bar. Temperatura máxima de fluido 200°C, es seguro y preciso.

Los niveles de vidrio con camisa se utilizan para calefacción o refrigeración en el caso de productos muy viscosos o volátiles o cuando las temperaturas del proceso son inferiores a 0°C.

Para presiones más elevadas alrededor de 150 atm. El cristal es grueso, de sección rectangular y está protegido por una armadura metálica. En otros tipos de de medidor de nivel la lectura se efectúa con cristal a reflexión o bien por trasparencia.

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4.2 NIVEL POR MANÓMETRO, FLOTADOR, POR DIAFRAGMA, DE IMÁN, POR BURBUJEO CARACTERÍSTICAS, RANGOS, APLICACIONES.

NIVEL POR MANÓMETRO.

CARACTERISTICAS.

Consiste en sensor de presión suspendido de la parte superior del tanque e inmerso en el líquido, transmitiendo la señal de 4 – 0 mA c.c. o una señal digital, a través de un cable que acompaña al de suspensión. La trasmisión o indicación del nivel a través de la comunicación de RS – 232 permite contactar con la interface de un operador.El sensor mide la presión debida a la altura del líquido h que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento.

El campo de medida del instrumento corresponderá:

0 – h . ρ .g Pascal

Donde:

h = altura de el líquido en m ρ = densidad de líquido en kg/m3 g = 9.8m/s2

RANGOS.

Tanques altos, la precisión en porciento de la escala es +- 1%, con una presión máxima a la atmosférica y una temperatura máxima del fluido de 60 °C

APLICACIONES.

Solo se pueden utilizar en tanques abiertos y fluidos limpios, su costo es económico.

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NIVEL POR BURBUJEO.

CARACTERISTICAS.

Este tipo de medidor emplea un tubo sumergido en el líquido a cuyo a través se hace burbujear aire mediante un rotámetro con un regulador de caudal incorporado. La presión del aire en la tubería equivale a la presión hidrostática ejercida por la columna del líquido, es decir, al nivel. El regulador de caudal permite mantener un caudal de aire constante a través de líquido independientemente del nivel. La tubería empleada suele ser de ½ ″ con el extremo biselado para una fácil formación de las burbujas de aire.La tubería de menor diámetro tipo capilar reducirá el tiempo de respuesta, pero en el caso de tanques pequeños y cambios de nivel rápidos, producirá un error en la medida provocado por la pérdida de carga del tubo. El nivel, se mide mediante un manómetro de fuelles o un transductor de presión cuyo campo de medida corresponde a la presión máxima ejercido por el líquido. El manómetro puede ser colocado hasta distancias de 200 m.

RANGOS.

Trabaja a una precisión en % de escala de 1%, a una presión máxima de 400 bar. Y una temperatura de 200°C

APLICACIONES.

Se utiliza para líquidos muy corrosivos o sólidos en suspensión y en emulsión. No se recomienda su empleo cuando el fluido de purga perjudica al líquido y para fluidos altamente viscosos donde el burbujeo formado por el aire o del gas de purga presenta el riesgo de no separarse rápidamente del tubo. Requiere de un mantenimiento contante para evitar contaminación del líquido.

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Es barato y versátil.

NIVEL DE IMÁN

CARACTERISTICAS.

El flotador acoplado magnéticamente tiene un tubo largo guía sellado, situado verticalmente en el interior del tanque. Dentro del tubo, una pieza magnética sigue al flotador en su movimiento y mediante un cable y un juego de poleas arrastra el índice de un instrumento situado en la parte superior del tanque. El instrumento puede además puede ser trasmisor neumático electrónico o digital. La conexión magnética consta de un tubo conteniendo un flotador, dotado de un imán que orienta una serie de cintas magnéticas dispuestas en el exterior y a lo largo del tubo. A medida que el nivel sube o baja, las cintas giran, como tienen colores distintos en su anverso y reverso, visualizan directamente el nivel del tanque.

RANGOS.

Por ser un instrumento de flotador tiene un campo de medida de 0 – 10 m con una precisión en % en la escala de +- 1 -2 %, una presión máxima de 400 bar. Una temperatura máxima de del fluido de 250°C.

APLICACIONES.

Cuando las presione son altas y bajas temperaturas. Cuando es preciso evitar el escape de gases tóxicos, líquidos inflamables, etc. Los líquidos son sucios o viscosos (asfalto, residuos de vacío, crudos etc.). Control de nivel de una caldera pequeña.

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4.3 POR DESPLAZADOR, TUBO DE TORSIÓN, CARACTERÍSTICAS RANGOS, APLICACIONES.

Consiste en un flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión unido rígidamente al tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla que trasmite el movimiento de giro a un trasmisor exterior al tanque.

El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente por el ángulo de rotación de su extremo libre es directamente al fuerza aplicada, es decir al momento ejercido por el flotador. El movimiento angular del extremo libre del tubo de torsión es muy pequeño, del orden de los 9°. El tubo proporciona además un cierre estanco entre el flotador y el exterior del tanque (donde se dispone el instrumento receptor del par trasmitido). Según el principio de Arquímedes, el flotador sufre un empuje hacia arriba que viene dado por la fórmula:

F = S H ρ g

Donde:

F = empuje del líquido S = sección del flotador H = altura sumergida del flotador g = 9,8 m/s2

El momento del la barra de torsión es:

M = (SH ρ g - P). l

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Donde:

l = brezo de torsión P = peso del flotador

RANGOS.

Este tipo de medidores de nivel tienen un campo de medida de 0 – 25 m, una precisión de % en la escala de +-0,5% una presión máxima de 100 bar. Y una temperatura de 170°C.

APLICACIONES. Este tipo de instrumentos se utilizan básicamente en servicios con fluidos sucios y temperaturas elevadas.

También en la medida de de interfaces entre dos líquidos inmiscibles de distinta densidad (por ejemplo agua y aceite).

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4.4 POR PRESIÓN DIFERENCIAL, EN RECIPIENTES ABIERTOS, PRESURIZADORES, CARACTERÍSTICAS, RANGOS, APLICACIONES.

CATACTERISTICA.

Este medidor de presión diferencial consiste en un diafragma en contacto con líquido, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo del tanque. En el tanque abierto esta presión es proporcional a la altura del líquido en ese punto y a su peso específico. Es decir que:

P = H ρ g

Donde:

P = presión H = altura de líquido sobre el instrumento ρ = densidad del líquido g = 9.8

RANGOS.

Tiene un capo de medida de 0 – 10 m, su presión en % de la escala es de +- 0,15% a 0,5%, su presión máxima es de es de 150 bar y un temperatura máxima de 200°C.

APLICACIONES.

Se pueden utilizar para medir interfase de líquidos.

4.5 CALIBRACIONES, CON COLUMNA DE AGUA Y AIRE COMPRIMIDO.

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La calibración de los instrumentos de nivel basados en la presión hidrostática se realiza en forma análoga a los instrumentos de presión, transformando la altura de líquido al valor correspondiente de la presión a simular.

Es preciso tener en cuente las condiciones particulares del transmisor, es decir, si se instalará en un tanque abierto o cerrado y si dispone de resorte de supresión o de elevación para corregir la condensación en el lado de baja presión del instrumento, o compensar su instalación en un esquema de cota muy inferior a la base delo tanque.

UNIDAD: V MEDICIÓN DE FLUJO

5. OBJETIVO DE LA UNIDAD.

El alumno verificará los instrumentos utilizados en la medición de flujo, considerando los principios de diseño, fabricación e instalación, así como los método de y normas apropiados.

5.1 MEDICIÓN POR MÉTODO DIRECTO – DE DESPLAZAMIENTOPOSITIVO; DE RUEDAS OVLADAS – DE DICO OSILANTE DE LÓBULO DE FLUJO MAGNÉTICO DE TURBINA.

Los medidores de desplazamiento positivo miden el caudal en volumen contando o integrando volúmenes separados del líquido.

Las partes mecánicas del instrumento se mueven aprovechando la energía del fluido y dan lugar a una pérdida de carga. La precisión depende de los huelgos entre las partes móviles u las fijas y aumenta con la calidad de la mecanización y con el tamaño del instrumento.

MEDIDOR DE RUEDAS OVALADAS.

Estos medidores responden de dos ruedas ovales que engranan entre sí y tienen un movimiento de giro debido a la presión diferencial creada por el líquido que actúa alternadamente sobre cada una de las ruedas.

Su exactitud es de +- 0,5% del caudal total. Los tamaños varían de ½ a 3.

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Presión máxima de 100 bares, Temperatura máxima de 180 ° C, sus materiales de construcción son metal, tiene un costo relativo medio, tiene una ventaja que la medida es prácticamente independiente de variaciones en la densidad y la viscosidad del líquido.

MEDIDOR DE DISCO OSILANTE

Dispone de una cámara circular con un disco plano móvil dotado de una ranura en la que está intercalada una placa fija. El paso del flujo origina el balanceo del disco, movimiento que se trasmite a un a un ten de engranajes.

Se utiliza industrialmente en la medición de caudales de agua fría, agua caliente, aceite y líquidos alimenticios, la presión es de +- 1 – 2 %. El caudal máximo es de 600 l/min y se fabrica para pequeños tamaños de tubería.

Trabaja con una presión entre 10 – 150, una temperatura máxima de 120°C, su material de construcción es de metal, tiene in costo relativo bajo, tiene una ventaja es barato.

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5.2 MEDICION POR MÉTODO INDIRECTO – DE PLACA DE ORIFICIO, TOBERA, TUBO VETURÍ, CRACTERISTICAS RANGOS,APLICACIONES. DE FLOTADOR, DE DIAFRAGMA DE FUELLE – DE CAMPANA INVERTIDA, CAMPANA, ROTAMETRO.

PLACA DE ORIFICIO.

La placa de orificio es una placa perforada instalada en la tubería. Con dos tomas conectadas una en la parte anterior y la otra en la posterior de la placa. Captando la presión diferencial la cual es proporcional es proporcional al cuadrado del caudal.

Tomas de bridas es bastante utilizada por que su instalación es cómoda ya que las tomas están taladradas en las bridas que soportan la placa y situadas a 1ʺ de distancia de la misma.

Tomas en la vena contraída están situadas en un punto donde la vena alcanza su diámetro más pequeño, lo cual depende de la razón de diámetro y se presenta aproximadamente a ½ Ø de la tubería. La toma anterior se sitúa a 1Ø de la tubería.

Tomas radiales, son parecidas a las tomas de ventana contraída, pero fijado siempre las tomas anterior y posterior a 1 y ½ Ø de la tubería, respectivamente.

Toma en la cámara anular estás están situadas inmediatamente antes y después del diafragma y requieren el empleo de una cámara anular especial. Se emplean mucho en Europa.

Tomas en la tubería, la toma anterior y posterior están situadas a 2 ½ y 8 Ø, respectivamente. Se emplean cuando se desea aumentar el intervalo de medida de un medidor de caudal dado. La situación de las tomas están en un lugar menos sensible a la medida.

Las placas de orificio de la placa pueden ser:

Concéntricos Excéntrico Segmentado

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El concéntrico tiene un pequeño orificio de purga para los pequeños arrastres sólidos o gases que puede llevar el fluido.

El excéntrico y segmentado esto permiten medir caudales con de flujos que contengan una pequeña cantidad de sólidos y de gases. La precisión obtenida con la placa es de orden de +- 1% a +- 2%.

Trabaja a una presión máxima de 400 bar, a una temperatura máxima 500°C, se utiliza en líquidos, vapores, y también para gases, sus materiales de construcción son de metales y plásticos, su costo es bajo, tiene una ventaja es simple y económico.

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TOBERA.

La tobera se instala en la tubería con dos tomas, una anterior y la otra en el control de la sección más pequeña. La tobera permite caudales 60% superiores a los de la placa - orificio en las mismas condiciones de servicio. Su pérdida de carga es de 30% a 80% de la presión diferencial. Pude emplearse para fluidos que arrastran sólidos en pequeñas cantidades, si bien, si estos sólidos son abrasivos, pueden afectar la precisión del elemento. El costo de la tobera es de 8 a 16 veces el de un diafragma y su exactitud es del orden de +- 0,95% a +- 1,5%.

TUBO VENTURI.

El tubo venturi permite la medición de caudales 60% superiores a los de la placa de orificio en las mismas condiciones de servicio y con una pérdida de carga de sólo 10 a 20% de la presión diferencial. Posee una gran precisión y permite el paso de fluidos con un porcentaje relativamente grande de sólidos, si bien los sólidos abrasivos influyen en su forma afectando la exactitud de la medida. El costo del tubo venturi es elevado, del orden de 20 veces el de un diafragma y su precisión es del orden de 0,75%. Trabaja a una presión máxima de 400 y una temperatura máxima de 500 ° C, se pueden utilizar en líquidos, vapores, y gas, Materiales de construcción metales y plástico, costo alto esa es una desventaja, tiene una ventaja precisión.

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ROTAMETRO.

El rotámetro es un elemento de área variable se caracterizan por el cambio de área que se produce entre el elemento primario en movimiento y el cuerpo del medidor. Pueden

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asimilarse a una placa - orificio cuyo diámetro interior fuera variable dependiendo del caudal y de la fuerza de arrastre producida por el fluido.

Los rotámetros son medidores de caudal. En donde el flotador está en equilibrio entre su peso, la fuerza de empuje del fluido sobre el flotador. El caudal depende del peso específico del líquido, de su viscosidad y de los valores de la sección interior del tubo, ya que la misma cambia según sea el punto de equilibrio del flotador. El rotámetro tiene una precisión en toda la escala 1 – 2 %, presión máxima de 400 bar, temperatura máxima 250°C sirve para líquido, vapor, gas, material de construcción de metal, plástico y vidrio. Su costo es bajo, es simple económico y preciso, tiene una desventaja con el golpe de ariete le causa daño.

5.3 NORMAS – ESPECIFICACIONES, INSTRUCCIONES DE INSTALACIÓN DE LOS ELEMENTOS PRIMARIOS.

Para el cálculo de los diafragmas, tobera y tubos venturi se utilizan normas variadas, entre las cuales se encuentran las siguientes:

ISO 5167 – 1980 Medidas del flujo de fluido por medio de placas – orificio, toberas o tubos venturi, insertados en conductores de sección circular.

Normas ASME 19.5 – Aowmeter Computación Handbook.

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Norma A.P.I. 2530 – septiembre 1985 para gas natural. Norma AGA -3 y AGA -7- Gas Measurement Commite Report,

American Gas Associación, Cleveland, Ohio.

En estas normas se indican las pérdidas de carga de los elementos y las condiciones de instalación en tramos rectos de de tubería con distancia mínima a codos, válvulas, etc.

Consultar normas.

5.4 LA RAIZ CUADRADA Y LA INTEGRACIÓN.

Se indico que en la placa de orificio varía de acuerdo a la raíz cuadrada de la presión diferencial a través del orificio; esta presión diferencial es medida por un dispositivo sensitivo a la presión diferencial como el manómetro, un diafragma etc. El dispositivo de presión diferencial convierte la señal en una lectura equivalente.

Si el instrumento mide la presión diferencial, la lectura también será una presión diferencial. Ahora bien, si se va a determinar el flujo, la lectura se efectúa en proporción a la raíz cuadrada de la diferencial.

El instrumento forma parte del problema de raíz cuadrada solamente cuando su respuesta se evalué de tal manera que se vea la lectura de la raíz cuadrada de la presión diferencial que mide. La placa de orificio es una de la soluciones del problema de La raíz cuadrada. También se existen otros métodos de resolver el problema de La raíz cuadrada.

METODOS PARA COMPENSAR LA RAIZ CUADRADA.

Papel y lápiz. Gráficas de raíz cuadrada. Desplazado res de raíz cuadrada Mecanismos de raíz cuadrada.

Papel y Lápiz.

Este método es raramente utilizado, ya sea en registradores o indicadores industriales. Aún las personas que utilizan instrumentos deben de estar familiarizados con este método de comparación de la raíz cuadrada.

Recuérdese que la ecuación de flujo básica es:

Flujo = CA √2gh

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Esta ecuación nos dice que le flujo varía de acuerdo a la raíz de la columna diferencial h.

GRAFICA DE RAÍZ CUADRADA.

El uso del extractor de raíz cuadrada hace posible registrar, indicar y transmitir el flujo en unidades que son iguales en todo el rango total.

Las cartas usadas en estos instrumentos de registro tienen divisiones iguales. Los instrumentos que emplean el desplazador u otro mecanismo de raíz cuadrada son denominados compensadores de raíz cuadrada.

MECANISMOS DE RAÍZ CUADRADA.

Se considerará un mecanismo de raíz cuadrada a cualquier mecanismo que relaciona la raíz cuadrada de una señal de entrada a una de salida lineal (igualmente dividida). Dichos mecanismos se usan frecuentemente en la medición de flujos, ya sea en la sección de medición del instrumento o en la lectura. Esta, aunque todavía no se considera, es la lectura total de unidades acumuladas que han pasado a través del orificio. Los dispositivos que realizan esto son los integradores. Los integradores usados en instrumentos no compensados, requieren un mecanismo de raíz cuadrada en alguna parte de su diseño.

El mecanismo de raíz cuadrada es por lo regular una leva diseñada de tal manera que el radio en un punto determinado sobre la leva varía de acuerdo a la raíz cuadrada de número de grados a ese punto.

Ejemplo. Cuando la leva gira 50°, el radio será de 0,1 x 501/2 o aproximadamente 0,7″ donde 0,1 es una constante de la leva.

Cuando la leva gira 80°, el radio será de 0,1 x 801/2 o aproximadamente 0,9ʺ.Cuando la leva gira 21°, el radio será de 0,1 x 211/2 que corresponden a un radio de 0,45 ʺ.

INTEGRADORES.

El problema de determinar el flujo total cuando se usa un instrumente diferencial es algo más que complicado, en el que tanto el tiempo como la razón de flujo se tiene que tomar en consideración.

Por lo regular la solución es medir el flujo usando los medidores convencionales y adicionales al instrumento de medición un integrador que acopla la posición de la plumilla con una medición del tiempo. Hay cuatro cosas que el integrador debe hacer:

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1.- Anotar las unidades de tiempo.2.- Conocer donde está la plumilla o sea, el integrador debe estar adaptado para sentir la razón de flujo.3.- Multiplicar esta razón por cada unidad de tiempo.4.- Sumar y ver cada una de las respuestas obtenidas en el 3er. Paso.

COMPONENTES

Como una consecuencia de las anteriores consideraciones, un integrador como el utilizado en los medidores diferenciales está compuesto por 3 partes.

1.- Un mecanismo que acopla la plumilla y el integrador.2.- Un mecanismo de tiempo que realiza la función de conteo. Puede también alimentar los mecanismos que perciben la posición de la pluma.3.- El mecanismo de suma y conteo que indica el flujo total.

ARREGLOS.

El arreglo más general para los indicadores es el siguiente:

Un motor gira continuamente a una velocidad determinada y conocida. Un seguidor acopla este motor a una posición de un ciclo fijo. Esta posición es una función de la posición de la pluma. O sea que, si la pluma estuvo en el 80 % de la carta, entonces el seguidor acopla al motor para el 80% del ciclo fijo. El seguidor en turno, maneja un mecanismo de conteo que registra las vueltas del seguido. Como el número de vueltas del seguidor está determinado por el período que el seguidor acopla al motor y como el período y la posición de la plumilla están relacionadas, entonces debido a la plumilla se registra una cuenta en el contador que es una función de la razón del flujo. Este contador muestra el total de unidades medidas. Estas unidades se obtienen multiplicando la razón del flujo por un período de tiempo. (Tiempo del ciclo fijado).

5.5 ECUACIONES DE MEDICIÓN DE FLUJO TABLAS DE FACTORES PRÁCTICOS.

Instrumentos de presión diferencial.

Formula general

Los elementos de presión diferencial se basa en la diferencia de presiones provocado por el estrechamiento en la tubería por donde circula el fluido (líquido, gas, vapor).

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El teorema de Bernoulli (Altura cinética +altura de presión + altura potencial = constante) en una tubería horizontal.

Sea Pa, Pc y Va, Vc las presiones absolutas y en la zoma anterior a la placa donde el fluido llena todo el conductor y en la vena contraída respectivamente, y Sa, Sc son las secciones correspondientes, resulta:

V a2 + Pa = VC

2 + Pc

2 ρ 2 ρ

Q = A V ; Aa Va = Ac Vc

Por lo tanto tenemos la formula simplificada de caudal:

Qv = k √H

Donde:

k = constante que depende de los diámetros de al tubería.H = diferencia de alturas de presión del flujo o presión diferencial

Área variable rotámetro.

QV = C AW √2g Vf (ρF –ρ1) ρ 1 Af

Donde: C = Coeficiente de descargaAw = Sección interior del tubog = GravedadVf = Volumen del flotador ρf = Peso específico del flotadorρ1 = Peso específico del fluidoAf = Área de la sección del flotador

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Se acostumbra a referir los caudales del líquido o del vapor y gas a sus equivalentes en agua y aire respectivamente,

Qagua = Qlíquido √ ρ1 0.704 m3/h ρf - ρ 1

Qaire = Qgas . √ ρg T . 760 . 8,04 Nm3 /min. 228 p ρ f

Qaire (Nm2 /minuto) = Qvapor (Kg/minuto) 2.56 √Vg/ ρ f

Donde:

Q líquido = m3 / hQgas = Nm3/ min.ρg = Peso específico del gas referido al aire a 15°C y 760 mmHgρ1 = Peso específico del fluidoT = Temperatura absoluta de gas (273 + t)P = Presión absoluta del gas en mmHg (P+760)Vg = Volumen especifico del vapor de agua en las condiciones de servicio.

Se considera un flotador de acero inoxidable 316 de peso específico 8.04.

En la medición del caudal en canales abiertos se utilizan vertederos que provocan una diferencia de altura del líquido en el canal entre la zona anterior del vertedero y su punto más bajo.

El caudal es proporcional a esta diferencia de altura según la fórmula.

Q = K l Hn

Donde:

Q = Caudal en m3/ sK = Constante que depende del tipo de vertederol = Achura de al garganta del vertedero en mH = Diferencia de altura en m

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n = Exponerte que depende del tipo de vertedero.

CONSTANTES CRITICAS DE GASES

ELEMENTOS Presión critica – Po Temperatura crítica –To CoeficienteIsotrópico x(CP / Cv)

Psia Bars (abs) °F °C

Ácido acéticoAcetonaAcetilenoAireAmoniacoArgónBencenoButanoDióxido de carbonoMonóxido de carbonoTetra cloruro de carbonoCloroEtanoAlcohol etílico Etileno Éter etílicoFlúorHelioHeptanoHidrogenoAcido clorhídricoIsobutanoAlcohol isopropilicoMetanoAlcohol metílicoNitrógenoOxido nitrosoOctanoOxigenoPentano

841691911547

16,387057015291072514661111871792774252236732,239418811995447796731156492154362730485

58,047,662,937,8113,048,648,436,574,035,545,677,049,564,051,236,025,32,2927,213,082,637,553,746,479,634,072,725,050,433,5

61245597

-222270-18855230788

-2185412919046950383-247-450513-400124273455-117464-23399565-182387

32223536

-141132-12228915331

-1392831443224310195-155-268267-240-50-134235-83240-14737296-119197

1,241,411,311,67

1,101,301,40

1,19

1,241,13

1,66

1,41

1,311,2031,140

1,40

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FenolFosgenosPropanoPropilenoRefrigerante 12Refrigerante 22Dióxido de azufreAgua

88982361766158271311423206

61,356,742,645,640,149,278,8221,0

786360207198234207315705

419184979211297157374

1,33

1,30

MATERIALES COMUNES DE FLOTADORES NORMALES

Aluminio 2,72Bronce 8,78Durimet 8,02Monel 8,84Níquel 8,91Goma 1,2

Inox.303 7,92Inox.316 8,4

Hastelloy B 9,24Hastelloy C 8,94

Plomo 11,38Tantalio 16,60Teflón 2,2Titanio 4,50

MATERIALES COMUNES DE FLOTADORES ESFERICOS

Vidrio de borosilicato 2,20Aluminio 2,72

Zafiro 4,03Inox.304 7,72Inox.316 8,04Monel 8,84

Carboloy 14,95

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Tantalio 16,60

CONSTANTES DE VERTEDERO PARSHALL

k l(m) l (pies) n2,32 0,076 ¼ 1,5472,5 0,152 ½ 1,5802,34 0,228 ¾ 1,5302,26 0,305 1 1,2222,31 0,457 1 ½ 1,5402,34 0,609 2 1,5502,39 0,914 3 1,5662,42 1,219 4 1,578

UNIDAD: VI TRASMISORES

6. OBJETIVO DE LA UNIDAD.

El alumno comprobará el funcionamiento de los trasmisores de mayor utilización en la industria.

6.1 TRASMISORES EN GENERAL, RELEVADORES, AMPLIFICADORES, CONVERTIDORES, TRASDUCTORES.

Un trasmisor es un instrumento que capta la variable en proceso y la trasmite a distancia a un instrumento indicador o controlador, pero en realidad es eso y mucho más, la función primordial de ese dispositivo es tomar cualquier señal para convertirla en una señal estándar adecuada para el instrumento receptor, es así como un trasmisor capta

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señales tanto de un sensor como de un transductor, aclarando siempre que todo transmisor es transductor más no puede ser un transmisor.

Las señales estándar pueden ser neumáticas (3 y 15psi), electrónicas (4 a 20 mA o de 0 a 5 voltios) y digitales que entregan (0 o 5 voltios para 0 o 1 respectivamente).

Transmisión de datos analógicos y digitales

TRANSMISIÓN ANALOGICA

Los datos analógicos toman valores continuos.

Una señal analógica es una señal continua que se propaga por ciertos medios.

La transmisión analógica es una forma de transmitir señales analógicas (que pueden contener datos analógicos o datos digitales).

El problema de la transmisión analógica es que la señal se debilita con la distancia, por lo que hay que utilizar amplificadores de señal cada cierta distancia.

TRANSMISIÓN DIGITAL

Los digitales toman valores discretos valores discretos

Los datos digitales se suelen representar por una serie de pulsos de tensión que representan los valores binarios de la señal.

La transmisión digital tiene el problema de que la señal se atenúa y distorsiona con la distancia, por lo que cada cierta distancia hay que introducir repetidores de señal.

Últimamente se utiliza mucho la transmisión digital debido a que:

La tecnología digital se ha abaratado mucho.

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

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

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

RELEVADORES.

Un relé es un sistema mediante el cual se puede controlar una potencia mucho mayor con un consumo en potencia muy reducido. TIPOS DE RELÉS:

Relés electromecánicos: A. Convencionales.

B. Polarizados.

C. Reed inversores.

D. Relés híbridos.

E. Relés de estado sólido.

ESTRUCTURA DE UN RELÉ

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En general, podemos distinguir en el esquema general de un relé los siguientes bloques:

Circuito de entrada, control o excitación.

Circuito de acoplamiento.

Circuito de salida, carga o maniobra, constituido por:

circuito excitador.

Dispositivo conmutador de frecuencia.

protecciones.

CARACTERÍSTICAS GENERALES

Las características generales de cualquier relé son: El aislamiento entre los terminales de entrada y de salida.

Adaptación sencilla a la fuente de control.

Posibilidad de soportar sobrecargas, tanto en el circuito de entrada como en el de salida.

Las dos posiciones de trabajo en los bornes de salida de un relé se caracterizan por:

En estado abierto, alta impedancia.

En estado cerrado, baja impedancia.

Para los relés de estado sólido se pueden añadir: Gran número de conmutaciones y larga vida útil.

Conexión en el paso de tensión por cero, desconexión en el paso de intensidad por cero.

Ausencia de ruido mecánico de conmutación.

Escasa potencia de mando, compatible con TTL y MOS.

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insensibilidad a las sacudidas y a los golpes.

Cerrado a las influencias exteriores por un recubrimiento plástico.

RELÉS ELECTROMECÁNICOS

Están formados por una bobina y unos contactos los cuales pueden conmutar corriente continua o bien corriente alterna. Vamos a ver los diferentes tipos de relés electromecánicos.

RELÉS DE TIPO ARMADURA

Son los más antiguos y también los más utilizados. El esquema siguiente nos explica prácticamente su constitución y funcionamiento. El electroimán hace vascular la armadura al ser excitada, cerrando los contactos dependiendo de si es N.O ó N.C (normalmente abierto o normalmente cerrado).

RELÉS DE NÚCLEO MÓVIL

Estos tienen un émbolo en lugar de la armadura anterior. Se utiliza un solenoide para cerrar sus contactos, debido a su mayor fuerza atractiva (por ello es útil para manejar altas corrientes).

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RELÉ TIPO REED O DE LENGÜETA

Formados por una ampolla de vidrio, en cuyo interior están situados los contactos (pueden ser múltiples) montados sobre delgadas láminas metálicas. Dichos contactos se cierran por medio de la excitación de una bobina, que está situada alrededor de dicha ampolla.

RELÉS POLARIZADOS

Llevan una pequeña armadura, solidaria a un imán permanente. El extremo inferior puede girar dentro de los polos de un electroimán y el otro lleva una cabeza de contacto. Si se excita al electroimán, se mueve la armadura y cierra los contactos. Si la polaridad es la opuesta girará en sentido contrario, abriendo los contactos ó cerrando otro circuito (ó varios)

RELÉS DE ESTADO SÓLIDO

Un relé de estado sólido SSR (Solid State Relay), es un circuito electrónico que contiene en su interior un circuito disparado por nivel, acoplado a un interruptor semiconductor, un transistor o un tiristor. Por SSR se entenderá un producto construido

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y comprobado en una fábrica, no un dispositivo formado por componentes independientes que se han montado sobre una placa de circuito impreso.

ESTRUCTURA DEL SSR:

Circuito de Entrada o de Control:

Control por tensión continua: el circuito de entrada suele ser un LED (Fotodiodo), solo o con una resistencia en serie, también podemos encontrarlo con un diodo en anti paralelo para evitar la inversión de la polaridad por accidente. Los niveles de entrada son compatibles con TTL, CMOS, y otros valores normalizados (12V, 24V, etc.). Control por tensión Alterna: El circuito de entrada suele ser como el anterior incorporando un puente rectificador integrado y una fuente de corriente continua para polarizar el diodo LED.

ACOPLAMIENTO.

El acoplamiento con el circuito se realiza por medio de un opto acoplador o por medio de un transformador que se encuentra acoplado de forma magnética con el circuito de disparo del Triac. CIRCUITO DE CONMUTACIÓN O DE SALIDA.

El circuito de salida contiene los dispositivos semiconductores de potencia con su correspondiente circuito excitador. Este circuito será diferente según queramos conmutar CC, CA.

AMPLIFICADORES.

Son circuitos que se utilizan para aumentar (amplificar) el valor de la señal de entrada (generalmente muy pequeña) y así obtener una señal a la salida con una amplitud mucho mayor a la señal original.

Algunas veces la amplificación puede causar que la señal a la salida del amplificador salga distorsionada cauda por una amplificación muy grande. Hay que tomar en cuenta que un amplificador no puede tener en su salida niveles de voltaje mayores a los que la fuente de alimentación le puede dar.

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El tipo mas común de amplificador es el amplificador electrónico, usado en casi todos los equipos electrónicos, como emisores y receptores de radio y televisión, ordenadores, equipo de comunicación. Instrumentos musicales, etc.

Un amplificador electrónico es un dispositivo para incrementar la corriente, voltaje o la potencia de una señal. El amplificador realiza esta función tomando potencia de la fuente de alimentación y controlando la salida para hacer coincidir la forma de onda de la señal de entrada con la de salida, pero con una amplitud mayor.

TIPOS DE AMPLIFICADORES.

Diferencial Operacional De instrumentación

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL.

Se llama amplificador diferencial a un amplificador cuya salida es proporcional al a diferencia entre sus dos entradas (Vi + y Vi -). El amplificador diferencial (o par diferencial) suele construirse con dos transistores que comparten la misma conexión de emisor, por la que se inyecta una corriente de polarización. La base de los transistores son las entradas (I+ e I-), mientras que los colectores son las salidas. Si se tiene una salida también diferencial, Se puede duplicar la ganancia del par con un espejo de corriente entre los dos colectores.

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APLICACIONES.

Se emplean en calculadores analógicas y en mezcladores, están basados en pares diferenciales. APLIFICADORES OPERACIONAL.

Es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene capacidad de manejo de señal desde f = 0 Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante; tiene además limites de señal que van desde el orden de los nV, hasta una docena de voltio (especiación también definida por el fabricante). Loas amplificadores operacionales se caracterizan por su entrada diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 105 equivalentes a 100 dB.

El amplificador operacional es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con una fuente positiva y negativa, la cual permite que tenga excursiones por arriba como por debajo tierra (o el punto de referencia que se considere)

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APLICACIONES.

Calculadoras analógicas, filtros, preamplificadores y buffers de audio y video, reguladores.

AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACION

Este es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común. La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicado por un factor. Este amplificador se usa para medir pequeños voltajes diferenciales superpuestos sobre un voltaje de modo común, más grane que el diferencial, se llama también amplificador de error o amplificador de puente. Estos instrumentos se colocan en la etapa de entrada de un instrumento electrónico, se utiliza para aumentar la sensibilidad del circuito.

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APLICACIONES.

Se utiliza para amplificar señales eléctricas biológicas (ejemplo en electrocardiogramas) como partes de circuitos para proporcionar alimentación a corriente constante, en fuentes de alimentación.

CONVERTIDORES.

Convertidor: Es un dispositivo que recibe información en determinada manera de un instrumento y transmite una señal de salida en otra forma. Un convertidor es también conocido como transductor, de cualquier forma, transductor es un término general, y su uso para conversión de señales no es recomendado.

Convertidor digital analógico o DAC, dispositivo para convertir los datos digitales en señales de corriente o de tensión analógica, o sea, dispositivo que convierte una entrada digital (generalmente binaria) a una señal analógica (generalmente voltaje o carga eléctrica). También conocidos como DAC (acrónimo de Digital to Analogue Converter) se utilizan profusamente en los reproductores de discos compactos (CD), en los reproductores de sonido y de cintas de vídeo digitales, y en los equipos de

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procesamiento de señales digitales de sonido y de vídeo. La mayoría de los DAC utilizan alguna forma de red reos tatica. Los datos digitales se aplican a los reóstatos en grupos de bits. Las resistencias varían en proporciones definidas; el flujo de corriente de cada uno está directamente relacionado con el valor binario del bit recibido.

Un conversor analógico-digital es un dispositivo electrónico capaz de convertir un voltaje determinado en un valor binario, en otras palabras, este se encarga de transformar señales análogas a digitales (formada por ceros y unos).

Muestreo: El muestreo (en inglés, sampling) consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de onda. La velocidad con que se toman esta muestra, es decir, el número de muestras por segundo, es lo que se conoce como frecuencia de muestreo.

Retención (En inglés, Hold): Las muestras tomadas han de ser retenidas (retención) por un circuito de retención (Hold), el tiempo suficiente para permitir evaluar su nivel (cuantificación). Desde el punto de vista matemático este proceso no se contempla ya que se trata de un recurso técnico debido a limitaciones prácticas y carece, por tanto, de modelo matemático.

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Cuantificación: En el proceso de cuantificación se mide el nivel de voltaje de cada una de las muestras. Consiste en asignar un margen de valor de una señal analizada a un único nivel de salida. Incluso en su versión ideal, añade, como resultado, una señal indeseada a la señal de entrada: el ruido de cuantificación.

Codificación: La codificación consiste en traducir los valores obtenidos durante la cuantificación al código binario. Hay que tener presente que el código binario es el más utilizado, pero también existen otros tipos de códigos que también son utilizados.

**Durante el muestreo y la retención, la señal aun es analógica puesto que aún puede tomar cualquier valor. No obstante, a partir de la cuantificación, cuando la señal ya toma valores finitos, la señal ya es digital.

Tipos de conversores usuales

De aproximaciones sucesivas: Es el empleado más comúnmente, apto para aplicaciones que no necesitan grandes resoluciones ni velocidades. Debido a su bajo coste se suele integrar en la mayoría de micro controladores permitiendo una solución de bajo coste en un único chip para numerosas aplicaciones de control. El conversor realiza una búsqueda dicotómica del valor presente en la entrada. Su principal carencia es el elevado tiempo de conversión necesario.

Flash: este conversor destaca por su elevada velocidad de funcionamiento. Está formado por una cadena de divisores de tensión y comparadores, realizando la conversión de manera inmediata en una única operación. Su principal desventaja es el elevado costo.

Sigma-delta: Tienen una velocidad máxima de conversión baja pero a cambio poseen una relación señal a ruido muy elevada, la mayor de todos.

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Convertidor flash

Convertidor aproximaciones sucesivas

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TRANSDUCTORES.

La palabra “transductor” tiene varias aceptaciones. En el sentido de metrología significa “elemento sensor”. Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente de salida. (Por ejemplo, fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.). Puede decirse que un transductor es u equipo que traduce una señal mecánica (presión, velocidad, posición,..) a una eléctrica (tensión, corriente o impedancia). Algunos de los transductores utilizados con más frecuencia son los calibradores de tensión (utilizados para medir la fuerza y la presión), los termopares (temperaturas), los velocímetros (velocidad).

TIPOS DE SEÑAL

Se denomina señal a una variable de un sistema físico que puede ser medida. Las señales pueden o no tener variación con el tiempo, distinguiendo así señales dinámicas (AC) y estáticas (DC). Así a su vez, las señales dinámicas pueden estudiarse en el dominio del tiempo o en el de la frecuencia.

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Convertidor sigma-delta

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Las señales que utilizan los transductores son 2 tipos y son:

Transductores analógicos.

Los transductores analógicos proporcionan una señal analógica continua, por ejemplo voltaje o corriente eléctrica. Esta señal puede ser tomada como el valor de la variable física que se mide. Transductores digitales.

Los transductores digitales producen una señal de salida digital, en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas. En una u otra forma, las señales digitales representan el valor de la variable medida.

CARACTERISTICAS

Cuando se trabaja con transductores, para poder extraer las mejores y más precisas conclusiones acerca de los resultados es necesario conocer sus principales características.

Exactitud: La exactitud de la medición debe ser tan alta como fuese posible. Se entiende por exactitud que le valor verdadero de la variable se pueda detectar sin errores sistemáticos positivos o negativos en la medición. Sobre varias mediciones de la variable, el promedio de error entre el valor real y el valor detectado tendera a ser cero.

Precisión: La precisión de la medición debe ser tan alta como fuese posible. La precisión significa que existe o no una pequeña variación aleatoria en la medición de la variable. La dispersión en los valores de una serie de mediciones será mínima.

Velocidad de respuesta: El transductor debe ser capaz de responder a los cambios de la variable detectada en un tiempo mínimo. Lo ideal sería una respuesta instantánea.

Rango: Expresa los valores extremos de la variable a medir. Hay rango de entrada y otro de salida.

Span: Expresa la variación máxima tanto en la entrada como en la salida.

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Sensibilidad: Expresa la relación existente entre la variación de la entrada y la variación de salida. Se trata de la pendiente de la curva de calibración.

EJEMPLOS Y ESQUEMAS

Un micrófono es un transductor electroacústico que convierte la energía acústica (vibraciones sonoras: oscilaciones en la presión del aire) en energía eléctrica (variaciones de voltaje).

Un altavoz también es un transductor electroacústico, pero sigue el camino contrario. Un altavoz transforma la corriente eléctrica en vibraciones sonoras.

Los teclados comunes que transforman el impulso de los dedos sobre las membranas y éstas generan el código de la tecla presionada.

El sistema de alarma de un automóvil, el cual transforma los cambios de presión dentro del vehículo a la activación de dicha alarma. Algunas de estas son termistores, galgas extensiométricas, piezoeléctricos, termostatos, etc.

Ventilador.

Estufa domestica.

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6.2 TRASMISORES; MECÁNICOS, ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS.

TRASMISOR MECANICO.

Entre los trasmisores mecánicos poleas, una cadena, una leva etc.

TRASMISOR ELECTRICO.

El transmisor eléctrico se comporta esencialmente como una resistencia variable intercalada en un circuito que contiene una fuente de tensión continua, y un receptor con su carga correspondiente.

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Existen varios tipos de circuitos corriente-corriente y corriente-tensión según que el receptor capte corriente o tensión, respectivamente, y además, los receptores pueden estar en paralelo o en serie en el circuito.

La longitud de la línea entre el transmisor y el receptor dependerá de los valores de resistencia de carga del receptor, de la independencia del receptor y de la f.e.m. de la fuente de alimentación (suele ser de 24 V c.c. o de 42 V c.c.). Sin embargo, no se presentan generalmente problemas de limitación de longitud a no ser que la distancia que separa el transmisor del receptor sea de varios kilómetros o bien que existan varios receptores conectados a un solo transmisor.

TRASMISOR ELECTRÓNICO.

Los transmisores electrónicos en forma analógica a los neumáticos, emplean generalmente un elemento de medida, para captar mecánicamente la variable de proceso.

Los transmisores electrónicos representativos son generalmente de equilibrio de fuerzas; el elemento de medición (tubo Bourdon, espiral, fuelle), ejerce una fuerza sobre una barra rígida que es equilibrada por la fuerza electromagnética de una unidad magnética. Un detector de inductancia o un transformador diferencial detecta la posición de equilibrio y, a través de un circuito oscilador, se completa un circuito de realimentación que varia la corriente de salida de 4 – 20 mA c.c. e forma proporcional al intervalo de la variable del proceso.

6.3 PARTES Y CIRCUITOS ELEMENTALES ELECTRÓNICOS, OSILADORES.

Un oscilador es un dispositivo capaz de convertir la energía de corriente continua en corriente alterna a una determinada frecuencia. Tienen numerosas aplicaciones: generadores de frecuencias de radio y de televisión, osciladores locales en los receptores, generadores de barrido en los tubos de rayos catódicos, etc.

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A) onda sinusoidal. B) onda cuadrada. C) onda tipo diente de sierra

La mayoría de los equipos electrónicos utiliza para su funcionamiento señales eléctricas de uno de estos tres tipos: ondas sinusoidales, ondas cuadradas y ondas tipo diente de sierra. Los osciladores son circuitos electrónicos generalmente alimentados con corriente continua capaces de producir ondas sinusoidales con una determinada frecuencia. Igualmente, los multivibradores son circuitos electrónicos que producen ondas cuadradas. Este tipo de dispositivos, es utilizado ampliamente en conmutación.

Los generadores de frecuencia son, junto con los amplificadores y las fuentes de alimentación, la base de cualquier circuito electrónico analógico. Son utilizados para numerosas aplicaciones entre las que podemos destacar las siguientes: como generadores de frecuencias de radio y de televisión en los emisores de estas señales, osciladores maestros en los circuitos de sincronización, en relojes automáticos, como osciladores locales en los receptores, como generadores de barrido en los tubos de rayos catódicos y de televisores, etc.

OSCILADORES

Los osciladores son generadores que suministran ondas sinusoidales y existen multitud de ellos. Generalmente, un circuito oscilador está compuesto por: un "circuito oscilante", "un amplificador" y una "red de realimentación".

Esquema de un circuito oscilante

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Supóngase un circuito compuesto por un condensador y una inductancia conectados en paralelo. En primer lugar, se conecta el condensador a una batería. Entonces, comienza a circular corriente eléctrica que va a provocar que el condensador se cargue. Llegado este momento, la corriente eléctrica dejaría de circular y el condensador se encontraría totalmente cargado. A continuación es movido el interruptor y se conecta el condensador con la inductancia. En este mismo instante, la bobina, en principio, se opone al paso de la corriente. Sin embargo, comienza a circular corriente de forma progresiva haciendo que el condensador se descargue y creando un campo magnético en la bobina. Al cabo de cierto tiempo, la corriente eléctrica comienza a cesar de forma progresiva y, por lo tanto, el campo magnético se reduce. Se crea entonces una tensión inducida en la bobina que hace que el condensador se cargue de nuevo, pero esta vez con la polaridad contraria. Una vez que el condensador se encuentra totalmente cargado vuelve a estar como al principio, aunque esta vez con el condensador cargado de forma inversa a como estaba antes. Comienza otra vez el proceso de descarga progresiva del condensador sobre la inductancia y de nuevo vuelve a cargarse el condensador. Puede verse cómo es un vaivén de corriente de un elemento a otro. Esto es lo que se conoce como circuito oscilante. Para poder entender mejor este proceso se han esquematizado los pasos en la ilustración correspondiente.

Funcionamiento de un circuito oscilante

Este circuito oscilante podría ser un oscilador si fuese capaz, por sí solo, de mantener su oscilación indefinidamente. Sin embargo, en la realidad existe una pérdida de energía que hace que la corriente oscilante se vaya atenuando cada vez más hasta llegar a desaparecer. Esto es debido a que la inductancia posee una cierta resistencia óhmica que hace que con el paso de la corriente se vaya perdiendo cada vez una pequeña cantidad de energía convirtiéndose en calor.

UNIDAD: VII TEORÍA DEL CONTROL.

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7. OBJETIVO DE LA UNIDAD.

El alumno comprobará la teoría del control automático mediante las acciones de los controles.

7.1 MODELOS DE CONTROL: DE DOS POSICIONES, PROPORCIONAL, PROPORCIONAL MÁS INTEGRAL MÁS DERIVADO. Se define modo de control, a la acción correctiva del controlador sobre el elemento final de control para hacer que la variable controlada, se mantenga en el valor deseado, señal de referencia o punto de ajuste.

Los modos de control más sencillos y que cubren la mayor parte de los requerimientos de los procesos actuales, son:

1.- Dos posiciones.2.- Control proporcional.3.- Control integral, 4.- Acción derivativa.

Pudiéndose combinar los tres últimos.

Proporcional más integral más derivativo.Proporcional más integral.Proporcional más derivativo.

1.- CONTROL DE DOS POSICIONES.

En esta forma de control el elemento final de control va de un extremo a otro o sea que recorre toda su carrera, que dando en una de sus dos posiciones extremas, o todo abierto o todo cerrado, en la regulación todo o nada.

El control de acción puede ser:

Controlador de acción directa, al aumentar el valor de la variable se cierra la válvula.Controlador de acción inversa, al aumentar el valor de la variable se abre la válvula.

Cuando: P = Constante igual a o.5, y la acción del control es directa.

Si E > P; Y = 100%; X es negativa.

Si E< P; Y = O% es positiva, según se muestra a continuación.

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En donde:

Y = Señal controlada de salida del control o posición del elemento final de control, en (%) (Generalmente válvula automática de diafragma).

X = Desviación o error = (P-E).

E = Posición de la variable controlada.

P = Punto de ajuste, set-point o señal de referencia.

Cuando:

P = constante igual a 0.5, y la acción de control es inversa, como se observa a continuación.

Si E > P; Y = 0%; X es negativa

Si E< P; Y = 100%; X es positiva.

CONTROL PROPORCIONAL

En este control existe una relación lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento final de control (dentro de la banda proporcional). Es decir, la válvula se mueve el mismo valor por cada unidad de desviación.

Ejemplo. Considerando si el punto de consigna es 50°C y cuyo intervalo de actuación es de 0 – 100 °C. Cuando la variable controlada está de 0°C o menos, la válvula está totalmente abierta; a 100°C o más está totalmente cerrada y de 0 a 100°C la posición de la válvula es proporcional al valor de la variable controlada. Por ejemplo, a 25°C está abierta en un75% y 50°C en un 50%.

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El grado de ajuste del controlador proporcional viene da definido por la ganancia.

Ganancia.Es la relación entre la relación entre la variación de la señal de entrada procedente del elemento primario o del trasmisor

Banda proporcional.Es el porcentaje del campo de medida de la variable que la válvula necesita para efectuar una carrera completa, es decir pasa de completamente abierta a completamente cerrada

CONTROL PROPOCIONAL MÁS INTIGRAN MÁS DERIVADO.

Es la unión de las tres acciones proporcional, integral y derivado forman un instrumentó controlador que presenta las siguientes características, tomando el ejemplo el controlador de temperatura el intercambiador de calor, donde suponemos que se presenta un cambio de carga por aumento de la descarga de el agua caliente.

1.- La acción proporcional cambia la posición de la válvula proporcionalmente a la derivación de la variable con respecto al punto de consigna.La señal proporcional mueve la válvula siguiendo fielmente los cambios de temperatura Multiplicados por la ganancia.

2.- La acción integral mueve la válvula a una velocidad proporcional a la derivación con respecto al punto de consigna.La señal integral va sumando las áreas de diferencias entre la variable y el punto de consigna repitiendo la señal proporcional según sus minutos/repetición.

3.- La acción derivada corrige la posición de la válvula proporcionalmente a la velocidad de cambio de la variable controlada.La señal derivada es la pendiente (tangente) de la curva descrita por la variable de con

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lo que anticipa la posición de la válvula en el tiempo debida a la acción proporcional según el valor de minutos de anticipo.La señal llega a la válvula de control es en todo momento la suma de cada una de las señales de las acciones proporcional más integral más integral más derivada del controlador.

7.2 APLICACIONES DE LOS DIFERENTES MODOS DE CONTROL.

El control de dos posiciones, es el eléctrico, que se utiliza en; planchas, protección de trasformadores, generadores y motores eléctricos, etc.

En refinerías, por ejemplo: válvulas de seguridad, protección por sobre velocidad de compresores y otras máquinas rotatorias, protección contra incendios en calentadores, protecciones en plantas catalíticas por condiciones del proceso, en controle de nivel, etc.

El modo de control proporcional este se puede utilizar donde los nivele de agua pueden variar entre cero y 9metros. Ejemplo cuando se desea obtener una altura de agua de 5.0 m si el controlador cierra por completo la válvula cuando el agua rebasa una altura de 5.5. m y labre toda cuando el agua tiene una altura menor de 4.5 m. Cuando el error es de – 0.5 m la salida del controlador debe ser una apertura al 100% y cuando es de + 0.5 m la apertura es de 0%.

En el modo de control PID se puede aplicar en un generador de vapor de control paralelo.

Una señal de medición de la presión de vapor, un controlador que la compara con un punto de referencia y procesa el error y qué se envía una señal de control a los elementos finales de control, tanto del aire de combustión como de la alimentación del combustible. Como se indica en el siguiente diagrama de control tipo paralelo.

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7.3 DISPOSITIVOS DE CONTROL.

Entre los dispositivos de control encontramos los PLC, controladores microprocesadores, computadores, tarjetas electrónicas etc.

7.4 ELEMENTOS FINALES DE CONTROL.

Entre los elementos de control encontramos las electro válvulas, los relevadores, servomotores, motores a pasos etc. A continuación indicamos un ejemplo.

Válvula.

El elemento final de control, es la válvula de control, la cual está compuesta, como se observa en la figura por el servomotor.

Puede ser neumático o eléctrico, el servomotor neumático posiciona el vástago de la válvula según el equilibrio entre un resorte calibrado y la señal neumática de 3 – 15 psi (0,2 –1 kgf/cm2). Es el más empleado por sus características

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PID

CV CV

PTMedidor de Presión de Vapor

Controlador

Válvula de control de combustible

Válvula de Control de Aire de Combustible

CONTROL PARALELO

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Sobresalientes en cuanto a robustez, par motor elevado, simplicidad, flexibilidad y precio.

Pueden ser de acción directa, cuando al quedarse sin aire queda abierta y de acción inversa, cuando al quedarse sin presión de aire, queda cerrada.

Las partes internas de la válvula, son las piezas internas desmontables que están en contacto directo con el fluido. Se suele dar este nombre al obturador y a los asientos y en conjunto forman el órgano de control del caudal del fluido.

Cuerpo.

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7.5 POSICIONADORES.

Las fuerzas de desequilibrio que actúan en la válvula y hacen que el control sea errático e incluso inestable

Las fuerzas estudiadas en un servomotor neumático son:

1.- Fuerza de rozamiento del vástago al deslizarse a través de la empaquetadura, variable según que el vástago esté en movimiento o parado y según el estado de superficie.

2.- Fuerza estática del fluido sobre el obturador, que depende de la presión diferencial existente, o sea, del grado de abertura de la válvula y de las presiones anteriores y posteriores de la misma.

El posicionador es un controlador proporcional de posición con punto de consigna procedente del controlador,

El posicionador compara la señal de entrada con la posición del vástago y si esto no es correcto (existe una señal de error) envía el aire al servomotor o bien lo elimina el grado necesario para que la posición del vástago corresponda exactamente o bien sea recibida. Proporcional a la señal neumática recibida.

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El posicionador neumático. Es un instrumento neumático del tipo de equilibrio de fuerzas. La fuerza ejercida por un resorte de margen, comprimido por una leve unidad al vástago de la válvula se equilibra contra la fuerza con la actúa un diafragma alimentado neumáticamente por un relé piloto.

7.6 SISTEMAS CONVENCIONALES.

Entre los sistemas convencionales encontramos.

Las herramientas analíticas la utilización de ecuaciones diferenciales ordinarias junto con criterios algebraicos para determinar la posición de las raíces de la ecuación característica asociada. Aplicando el criterio de Routh y Hurwitz el ingeniero determinaba la estabilidad o no de los sistemas.

Las herramientas matemáticas los métodos de Transformación de Laplace y Fourier y la descripción externa de los sistemas.

Entre los sistemas mecánicos encontramos los servomecanismos y los reguladores en el dominio frecuencial se realiza al obtenerse resultados sobre el diseño de amplificadores de señal realimentada.

Los sistemas eléctricos. Son los inductores capacitores y resistencias.

Los sistemas de flujo, el neumáticos y se transfirió a este campo del control la idea de utilizar el término de acción integral que se venía empleando desde tiempo en los sistemas mecánicos.

Los controladores neumáticos dando lugar así al regulador PID de 3 términos (Proporcional, Integral y Derivativo).

Los sistemas de control digital.

El microprocesador permite que llegue a ser rentable el dedicar un computador para el control de un solo proceso.

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7.7 SISTEMAS DE CONTROL DE DOS O MÁS ELEMENTOS.

Una aplicación de un sistema de control podría ser en un generador de vapor. En un generador de vapor, la fase líquida y la fase vapor del agua siempre está en contacto, ya sea en el domo superior de una unidad de tubos de agua o en la parte superior de los tubos de humo. El control del nivel de agua se puede hacer mediante sistemas auto operados, mediante el usos de los sistemas de control de uno, dos o tres elementos, lo que significa que los sistemas emplean uno, dos o tres sistemas de medición.

El sistema de control de un solo elemento utiliza únicamente la señal de medición del nivel del agua, la cual es enviada a un controlador para procesarla, primero, comparándola en un punto de referencia o un punto de control y luego, aplicando la señal resultante las acciones de control PID para, finalmente, generar una señal mecánica, neumática, eléctrica o electrónica que se enviada a una válvula de control que regula la entrada de agua del generador. En unidades pequeñas; este tipo de control es mas que suficiente, sobre los generadores de tubos de humo, pues estos tiene gran capacitancia en el recipiente principal y, por tanto, permite pequeñas desviaciones del nivel de agua sin afectar gran cosa la presión de vapor.

En el sistema de control de dos elementos, para la alimentación de agua, incorpora una señal y anticipación que siempre es la señal de medición del flujo de vapor. Es fácil entender que, si aumentamos el consumo o demanda de vapor , será necesario producir mas de este y así mismo se deberá alimentar mas agua del generador para poder mantener constante el nivel de ella puesto que si no se hace así, el agua entra a evaporarse tomara de la propia reserva en el recipiente. En el caso contrario, si se deja de consumir y producir vapor y se sigue alimentando la misma cantidad de agua al generador, irá quedando un sobrante de la misma y su nivel en la caldera aumentara.

Durante las pruebas de combustión se determina la cantidad de agua necesaria para ca nivel de producción de vapor, reflejada a la apertura requerida de la válvula de control de agua de alimentación y después solo es necesario calibrar los instrumentos para que se de la apertura de dicha válvula en beneficio de usar el flujo de vapor como señal de atención. Por otro lado, si a pesar de tener una señal de anticipación, el nivel de agua que sale de su punto de control entonces esta desviación se detecta otra vez con la comparación de la señal de nivel y su y su punto de control y se genera la corrección necesaria en el sistema.

Sistema de control de tres elementos. Partiendo de un estado de equilibrio de donde el nivel de agua es constante e igual o muy próximo al valor deseado , si en este momento se produce un cambio en la demanda de vapor , entonces la señal medida del nuevo consumo de vapor generara en el sistema una nueva señal ala válvula de control de la entrada de agua para que se abra o se cierre una cantidad predeterminada al abrirse o cerrarse la válvula de control cambia el flujo del agua y esta se compara con el nuevo flujo de vapor ;si ambos flujos son iguales , se mantiene la señal de control que se acaba de generar , pero si el flujo del agua nuevo resulta mayor o menor al flujo del vapor, se genera una corrección o ajuste para afinar la nueva señal de control. Final mente si a

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pesar de los dos ajustes previos, el nivel del agua cambia, entrara en acción la corrección del punto de control

En el sistema se muestra un sistema de 3 elementos. Si eliminamos la medición de flujo de agua el sistema cambia automáticamente a uno de 2 elementos. Si solo se deja como elemento de medición el nivel del agua y se elimina también el controlador que copara el flujo de vapor con el flujo de agua, el sistema se convierte en un sistema de 1 elemento.

7.8 CENTRALIZACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL. SISTEMAS COMPUTADORES, MICRO PROCESADORAS, TUBOS DE RAYOS CATÓDICOS (R.T.C)

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FT

PID

PID

M/A

POS=f(X)

VC

FT LT

Flujo de vapor

Flujo de Agua

Nivel de agua

Válvula de control de agua de alimentación

Sistema de control de agua deAlimentación de 3 elementos

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SISTEMAS COMPUTADORES.

Este sistema también llamado controlador digital contiene el procesador o microprocesador (o CPU – central process Unit) y la memoria principal, comunicados entre sí y con los periféricos (teclado, monitor, unidad de disco, ratón, impresora, plotter y módem), a través de los canales de señales o buses: el bus de datos, el bus de direcciones y el bus de control.

MICROPROCESADOR.

El microprocesador contiene:

La unida aritmética y lógica (ALU) que efectúa las operaciones aritméticas básicas y dispone de los operadores lógicos de comparación AND, GR, NOT, XOR, etc.

La unidad de control constituye el verdadero cerebro del ordenador y organiza el trabajo de la unidad aritmética y lógica, mediante los pulsos de frecuencia del reloj del microprocesador, que determina el tiempo de ejecución de las tareas confiadas al ordenador.

El bus de datos transfiere datos o instrucciones de modo bidireccional entre el microprocesador y la memoria principal (ROM y RAM)

El bus de direcciones parte del microprocesador indicando a la memoria principal la dirección exacta de la memoria donde están almacenados los datos.

Bus de control se encarga de transformar las señales de control que activan los componentes del ordenador en el momento adecuado, como si fueran estímulos nerviosos provocados y de corta duración.

La memorial principal del ordenador almacena los datos, instrucciones y resultados obtenidos en grupos de 8 bits, denominándose a cada grupo posición de memoria o byte (se pronuncia bait) que corresponde a 1 carácter, es decir, a una letra o número, símbolo, o espacio.

MEMORIA ROM.

Esta memoria de sólo lectura, que no puede ser modificada y no se borra al desconectar el operador, donde se guarda el sistema operativo que proporciona la interfaz entre el ordenador y el exterior.

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MEMORIA RAM.

La memoria RAM o memoria de acceso aleatorio que almacena los programas. Estos programas constituyen una especie de memoria aprendida o software.

Esta memoria es volátil, es decir, se borra al desconectar el ordenador. TUBOS DE RAYOS CATÓDICOS (R.T.C) Estos se utilizan principalmente en los monitores

BIBLIOGRAFIA.

INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL.ANTONIO CREUS SOLA.ED. ALFAOMEGA MARCOMBO.

INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL.HAROLD E. SOISSON.ED. LIMUSA.

MECATRÓNICASISTEMAS DE CONTROL ELECTRÓNICOEN INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA.W. BOLTON.ED. ALFAOMEGA.

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