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Ingeniería Mecánica 1

Introducción a la Instrumentación Industrial

Donal Gildardo Estrada Cifuentes1, Jorge Iván Cifuentes Castillo2

[email protected] [email protected]

1 Estudiante del curso de instrumentación mecánica de la Escuela de Mecánica,

Universidad de San Carlos de Guatemala, 01012 2 Catedrático del curso de instrumentación mecánica de la Escuela de Mecánica,

Universidad de San Carlos de Guatemala, 01012

Abstract

Industrial instrumentation is a discipline of metrology, along with control, seeks to measure, monitor and control industrial processes of a business, this in order to ensure the quality, costs with poor quality related and optimize resources. An important component is the control instrumentation, which uses transmitters to create feedback loops that allow the system to minimize errors, especially those associated with human intervention. The transmitters may be pneumatic, electric or radio, depending on the specific needs of the control loop. There are several variables to be measured in an industrial plant, among them are: flow, pressure, temperature and level. Also to ensure the reliability and accuracy of the instruments periodic calibration of pressure gauges, flow meters, thermometers, etc. is necessary. Keywords: Industrial Instrumentation, Fluid, Transmitters, Meters, Flow, Temperature, Pressure, Level, Calibration, Mechanical Engineering.

Resumen

La instrumentación industrial es una disciplina de la metrología que, junto con el control, busca medir, monitorear y controlar los procesos industriales de una empresa, esto con el fin de regular la calidad, los costos asociados a la mala calidad y optimizar los recursos. Un componente importante en la instrumentación es el control, el cual utiliza transmisores para crear lazos que permitan retroalimentar el sistema y reducir al mínimo los errores, especialmente los asociados a la intervención humana. Los transmisores pueden ser neumáticos, eléctricos o de radio, dependiendo de las necesidades específicas del lazo de control. Existen diversas magnitudes que deben ser medidas en una planta industrial, entre ellas destacan: caudal, presión, temperatura y nivel. Asimismo para garantizar la confiabilidad y exactitud de los instrumentos se hace necesaria la calibración periódica de los manómetros, caudalímetros, termómetros, etc.


Palabras clave: Instrumentación Industrial, Fluidos, Transmisores, Medidores, Caudal, Temperatura, Presión, Nivel, Calibración, Mecánica, Ingeniería. Objetivos 1. Determinar la importancia de la

instrumentación y el control en las plantas de producción.

2. Establecer la relación entre optimización y un buen sistema de control en caudales para la industria.

3. Nombrar criterios necesarios para seleccionar un buen instrumentos de medición, ya sea en temperatura, nivel o presión.

1. Introducción La instrumentación industrial surge como respuesta a la necesidad de controlar los procesos industriales. En una planta los procesos industriales pueden ser de distinta naturaleza, pero generalmente se requiere el control de determinadas magnitudes como temperatura, presión, flujo, conductividad, etc. (Enríquez, 2012). Según Enríquez (2012): “Sistema de control se puede definir como: ‘un sistema que compara el valor de una variable a controlar con un valor deseado y cuando existe una desviación, efectúa una acción de corrección sin que exista intervención humana’”. De forma general, un sistema de control se compone de:

• Una unidad de medida • Un indicador • El registrador • Un elemento final de control • El propio proceso a controlar

Dichos elementos integran lo que se denomina el lazo de control, donde el mismo puede ser cerrado o abierto (Enríquez, 2012).

Figura 1. Sistema de lazo de control abierto.

Fuente: Enríquez, G. (2012). 2. Conceptos básicos y generales de instrumentación Algunos conceptos generales extraídos de la norma ANSI / ISA 5.1 revisión 2009: a. Instrumentación primaria: consiste en

medir, monitorear, controlar, o calcular los dispositivos y funciones de equipos y sus funciones inherentes y de software que incluyen: transmisores, registradores, controladores, válvulas de control, seguridad auto-accionado y dispositivos de control y funciones de software.

b. Instrumentación secundaria: consiste en medir, monitorear o el control de dispositivos y equipo que incluyen: medidores de nivel, medidores de presión, termómetros y reguladores de presión.


c. Instrumentación auxiliar: consta de

dispositivos y equipo que miden, controlan o calcular, y que son necesarios para el funcionamiento eficaz de los elementos primarios o secundarios; que incluyen: el cálculo de los dispositivos de purga, medidores, sistemas de manipulación de muestras, y los conjuntos de instrumentación de aire.

d. Controlador: un dispositivo que tiene una salida que varia para regular una variable controlada de una manera especifica.

e. Convertidor: Dispositivo que recibe señal de información desde un instrumento de una forma y envía una señal hacia una salida bajo otra forma.

f. Elemento final de control: El dispositivo que directamente controla el valor de la variable manipulada de un lazo de control a menudo resulta ser una válvula de control.

g. Instrumento: un dispositivo usado directa o indirectamente para medir y/o controlar una variable. El término incluye elementos primarios, elementos finales de control, dispositivos computacionales, y dispositivos eléctricos tales como anunciadores, interruptores y pulsadores.

h. Instrumentación: Una colección de instrumentos o su aplicación para el propósito de observar, medir, controlar o combinaciones de estas.

i. Sensor: parte de un lazo o un instrumento que primero detecta el valor de la variable de un proceso y que asume el valor correspondiente predeterminado para el estado de la salida. Se le conoce también como detector o elemento primario.

j. Interruptor: Dispositivo que conecta, desconecta, selecciona o transfiere

uno o más circuitos y no esta designado como un controlador, como un relé o como una válvula de control.

k. Transductor: término general para un dispositivo que recibe información de una o más formas de cantidades físicas, modificando esta información y/o su forma produciendo una señal de salida.

l. Transmisor: Dispositivo que detecta la variable de un proceso por medio de un sensor y tiene una salida cuyo valor en el estado estable varia como una función predeterminada de la variable del proceso. El sensor puede o no estar integrado al transmisor

2. Transmisores Un transmisor es un dispositivo que convierte una señal muy pequeña a una señal utilizable. Los transmisores usados en la industria generalmente utilizan señales eléctricas pequeñas como: microvoltios (µV), milivoltios (mV), miliamperios (mA) o frecuencia en señales mayores de tensión eléctrica, intensidad o frecuencia (0-10V ó 4-20mA). Generalmente un transmisor se vale de amplificadores operacionales para amplificar y linealizar la señal de salida (Enríquez, 2012). Los transmisores también pueden funcionar con señales neumáticas; de 3 a 15psi (0.21-1.05kg/cm2). El elemento primario puede formar o no parte integral del transmisor; el primer caso lo constituye un transmisor de temperatura de bulbo y capilar y el segundo un transmisor de caudal con la


placa orificio como elemento primario (Creus, 2011).

Transmisor Principio Exactitud Des-ventajas

Neumático Sistema tobera obturador y bloques amplifica-dores

±0.5 % Suscepti-bles a mal funciona-miento por partículas de polvo o aceite

Electrónico Detecto-res de inductan-cia, o transfor-madores diferen-ciales o barra de equilibrio de fuerza

±0.5 % No puede guardar señales

Digital Serie de impulsos en formas de bits (código binario)

Hasta ±0.1 %

Falta de normali-zación y respuesta frecuen-cial defectuo-sa

Radio Señales de 902 a 928 MHz en banda ISM modula-das en dispersión

Hasta ±0.1 %

Complica-ciones con regula-ciones estatales

Tabla 1. Tipos de Transmisores.

Fuente: Propia en base a información recopilada de Creus, A. (2011). 3. Medidores de flujo de fluidos 3.1. Medición de caudal Medir el caudal es necesario en la industria se hace por dos razones: contabilidad y

control de procesos. La primera atiende a la necesidad de medir la transferencia de fluido entre procesos, usuarios o entre suministrador y cliente. El segundo se utiliza para optimizar rendimientos en las unidades de producción aplicando balance de materia (Acedo, 2013). Existen diversos tipos de medidores de caudales, entre ellos:

• Medidores de área variable • Medidores por desplazamiento

positivo • Medidores másicos • Medidores por presión diferencial • Medidores electromagnéticos • Medidores tipo turbina (Acedo,

2013). 3.1.1. Medidores de área variable Los medidores de área variable, también conocidos como rotámetros, se basan en la relación entre la energía cinética y la energía de presión. En el rotámetro el área de restricción cambia al tiempo que el caudal, pero la presión diferencial se mantiene constante (Acedo, 2013).

Figura 2. Forma simplificada de un rotámetro.

Fuente: Acedo, J. (2013).


En el rotámetro, la posición de equilibrio de las fuerzas indica el caudal, donde las fuerzas de arrastre e impacto provocan el ascenso del flotador y el propio peso el descenso. Estos instrumentos son aptos para caudales pequeños y limpios (Acedo, 2013). 3.1.2. Medidores por desplazamiento positivo Llamados genéricamente como contadores, debido a que cuentan el número de volúmenes desplazados en un tiempo determinado, donde dicho volumen unitario es conocido (Acedo, 2013). En estos instrumentos las medidas se obtienen de forma directa, son aptos para fluidos muy viscosos, no necesitan alimentación eléctrica y miden un amplio rango de caudal. En contraparte, limitan el caudal, se dañan por sobrevelocidad y no son aptos para fluidos abrasivos o sucios (Acedo, 2013).

Figura 3. Medidor de desplazamiento positivo de ruedas ovales forma Bopp

Reuther. Fuente: Bopp & Reuther Messtechnik (2011).

3.1.3. Medidores másicos Como su nombre lo indica, miden el caudal en unidades de masa sobre tiempo (kg/h, lbm/s). Los medidores másicos se pueden basar en:

• Volumen, presión y temperatura • Momento angular por fluido en

sentido axial debido a un sistema rotor-estator

• Efecto Coriolis y la segunda ley de Newton (Acedo, 2013).

Estos medidores ofrecen muy buena exactitud, un rango amplio de medidas, un bajo conste de mantenimiento y la lectura se hace de forma directa. Como desventajas están los altos costos de la instalación y el equipo en sí mismo, no se puede utilizar con gases o vapor y hay pérdida de carga media (Acedo, 2013).

Figura 4. Medidor másico bajo

principio Coriolis, Micro Motion Elite de la firma Emerson.

Fuente: Micro Motion Inc. (2015). 3.1.4. Medidores por presión diferencial Es el método más usado en la industria y se encuentran varios tipos de elementos basados en este principio: placas de


orificio, tubos Venturi, toberas, tubos Pitot, tubos Annubar, etc. (Acedo, 2013). Esencialmente se basan en la ecuación de Bernoulli y usar un estrechamiento o garganta para provocar una subida de presión (Cromer, 1986) 3.1.4. Medidores electromagnéticos

Figura 5. Esquema general de un medidor electromagnético.

Fuente: Comisión Nacional del Agua (s.f.). Estos medidores se basan en el principio de Faraday, que establece que la fuerza electromotriz inducida en un elemento conductor es directamente proporcional a la velocidad de dicho conductor. El líquido hace la función de conductor y el medidor cuenta con bobinas que generan un campo magnético. Se utilizan con caudales altamente conductores, muy viscosos y abrasivos, pero que no se encuentren en fase de gas (Acedo, 2013). 3.1.5. Medidores de tipo turbina Esencialmente es un rotor con álabes que rota perpendicularmente a la dirección del fluido; usando un detector magnético se cuentan el número de veces que el álabe

corta el fluido y se determina entonces la velocidad y el caudal. No es útil con fluidos sucios y muy viscosos, necesita una periódica calibración y el exceso de velocidad lo puede dañar (Acedo, 2013). 4. Medidores de presión 4.1. Definición de presión Según Cromer (1986): “la presión es la fuerza por unidad de superficie que se ejerce perpendicularmente, sobre una superficie”. Las dimensionales de la presión son fuerza por unidad de superficie. En el Sistema Internacional la dimensional es el pascal (Pa), que representa un newton por metro cuadrado (N/m2). Otras unidades de medición son la libra por pulgada cuadrada (psi), el torr o milímetro de mercurio (mmHg) y el bar (Cromer, 1986). 4.2. Instrumentos para medir la presión 4.2.1. Barómetro

Figura 5. Un barómetro. Fuente: Himmelblau, D. (2002). Sirve para medir la presión atmosférica. Lo componen un tubo de vidrio recto, de longitud superior a 76 cm, cerrado por un


extremo. Se llena el tubo de mercurio y luego se invierte introduciéndolo en una cubeta de mercurio, lo que provoca que descienda el Hg a partir del extremo cerrado. El instrumento se basa en el principio de la presión hidrostática (Cromer, 1986). 4.2.2. Manómetro de Bourdon Es un instrumento con un indicador de medida que se puede construir para medir presiones bajas o altas. El más común es el Bourdon ‘C’: consiste en un tubo metálico, cerrado en un extremo y al que se curva en forma de letra C; dicho extremo, también llamado punta, se conecta a una aguja indicadora mediante un sistema multiplicador mecánico. El otro extremo, abierto, está unido rígidamente a un soporte (Cromer, 1986). La sección del tubo es oval. Al aumentar la presión dentro del tubo, la sección se hace más circular y hace que el tubo se ponga ligeramente más recto. El sistema multiplicador mecánico transforma el pequeño movimiento de la punta del tubo en un gran movimiento de la aguja (Cromer, 1986). Parte de la circunferencia se divide en los números correspondientes a las alturas observadas en un buen barómetro, entonces el aparato queda graduado y en disposición de funcionar (Fernández, 2012).

Figura 6. Dispositivos de manómetros

de Bourdon para medir la presión; Bourdon ‘C’ y Bourdon espiral.

Fuente: Himmelblau, D. (2002). 4.2.3. Manómetro aneroide

Figura 7. Barómetro. Fuente: Cromer, A. (1986). Es un barómetro mecánico compacto consistente en una cámara flexible, la cual se cierra herméticamente al vacío. La presión exterior comprime la cámara y la magnitud de dicha compresión es directamente proporcional a la presión del aire ambiente. Al contraerse o dilatarse la cámara, mueve un multiplicador mecánico conectado a una aguja que a su vez señala una escala calibrada y graduada con un barómetro (Cromer, 1986). 4.2.4. Instrumentos de medida eléctricos


Hay dispositivos capaces de producir una señal eléctrica proporcional a la presión que se les aplica. Dicha señal es procesada electrónicamente y se transforma en una señal de lectura directa (dial o digital). Su nombre común es transductores de presión y son muy útiles por su versatilidad (Cromer, 1986). Dentro de estos instrumentos están los basado en el efecto piezoeléctrico, descubierto por los esposos Curie. Ciertos cristales, como el cuarzo y el titanato de bario, liberan carga eléctrica cuando se someten a compresión o tracción unidimensional a lo largo de los ejes cristalinos apropiados (Stewart, 1972). 5. Medidores de temperatura 5.1. Definición de temperatura Himmelblau (2002), quien a su vez parafrasea a Maxwell, afirma: “la temperatura de un cuerpo es una medida de su estado térmico considerado como su capacidad para trasferir calor a otros cuerpos”. 5.2. Instrumentos para medir la temperatura Para medir la temperatura existe una amplia gama de instrumentos, los cuales usan una escala absoluta (kelvin o Rankine) o una escala relativa (Celsius o Fahrenheit).

Figura 8. Instrumentos preferidos de acuerdo al rango de temperatura a

medir. Fuente: Himmelblau, D. (2002). 5.2.1. Termómetro bimetálico Este tipo de termómetros, Creus (2011) afirma: “Se fundamentan 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 láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices”.


Figura 9. Termómetro bimetálico. Fuente: Creus, A. (2011). 5.2.2. Termómetro de resistencia eléctrica La corriente que pasa por un circuito a un voltaje de alimentación constante depende de la magnitud de la resistencia eléctrica. Al elevar la temperatura, la resistencia eléctrica aumenta y por tanto la magnitud de la corriente que circula es menor; esta variación de intensidad sirve para medir la temperatura (Hopp, 1994).

Figura 10. Termómetro formado por un hilo fino de platino enrollado por

fusión en una varilla de vidrio. Fuente: Hopp, V. (1994). 5.2.3. Termopar o termocupla Este instrumento se basa en el efecto Peltier y efecto Thomson. El primero dice: “cuando pasa una corriente eléctrica a

través de la unión de dos metales existe una liberación o absorción de calor en la unión, dependiendo del flujo de la corriente”. Por su parte, el efecto Thomson establece: “en un hilo único cuyos extremos se mantienen a diferente temperatura, la densidad de electrones varia de un punto a otro” (Acedo, 2013).

Figura 11. Instalación de un termopar: (1) par termoeléctrico, (2) conexión del elemento, (3) línea de compensación,

(4) punto de comparación de temperaturas, (5) conductor de cobre,

(6) instrumento de medida y (7) resistencia de ajuste.

Fuente: Hopp, V. (1994). Para la construcción de un termopar, se requiere que el mismo esté encapsulado en un tubo de material apropiado que lo proteja del ambiente, normalmente acero inoxidable. Asimismo, la unión caliente del termopar puede estar unida al extremo de la funda de protección o aislada ésta, para que no exista comunicación a masa o tierra de la planta.

Tipo Materiales Rango normal

J Hierro-Constantan -190 a 760 ºC T Cobre -Constantan

Cobre-(Cobre-Níquel) -200 a 370 ºC

K Cromel-Alumel (Cromo-Níquel)-(Aluminio-Níquel)

-190 a 1260 ºC

E Cromel-Constantan -100 a 1260 ºC

S (90 % Platino + 10 % Rodio)-Platino

0 a 1480 ºC


R (87 % Platino + 13 %

Rodio)-Platino 0 a 1480 ºC

Tabla 2. Varios tipos de termopares

dependiendo los materiales utilizados (puros o aleaciones).

Fuente: Acedo, J. (2013). 5.2.4. Termómetro de vidrio Según Creus (2011): “el termómetro de vidrio consta de un depósito de vidrio que contiene un líquido, por ejemplo mercurio o alcohol etílico, y que al calentarse, se expande y sube en el tubo capilar.”

Figura 12. Medida de la temperatura por dilatación de un líquido al

caletarse. Fuente: Hopp, V. (1994). 6. Medidores de Nivel 6.1. Conceptos básicos 6.1.1. Autorregulación Es una reacción que forma parte del proceso que le permite el establecimiento del equilibrio o estado estacionario del mismo (Acedo, 2013). 6.1.2. Capacidad

Se define como la medida máxima, en cantidad de materia o energía, que puede ser almacena y se mide en unidades de cantidad; masa y volumen. (Acedo, 2013). 6.1.3. Capacitancia Acedo (2013) afirma que: “capacitancia es el cambio necesario de materia o de energía para realizar un cambio unitario en una variable de referencia”. En un tanque de agua a presión atmosférica, es equivalente al área superficial del líquido. 6.2. Instrumentos para medida de nivel 6.2.1. Tubo indicador de vidrio Se basa en el principio que recipientes comunicados, los niveles de líquido tienen siempre la misma altura, siempre que se cumplan las condiciones: mismo líquido, misma temperatura y misma presión (Hopp, 1994). Para su construcción, según Hopp (1994): “En la pared lateral del recipiente se coloca entre dos bridas un tubo de vidrio en el que, por comunicación, el nivel alcanza la misma altura que en el interior del recipiente. Por medio de dos válvulas, arriba y abajo, se pueden obturar las bridas y cambiar el tubo de vidrio.” Es un sistema sencillo pero no apto para transmisión a distancia.


Figura 13. Líquido en un recipiente con

tubo indicador de vidrio. Fuente: Hopp, V. (1994). 6.2.2. Flotador Funciona bajo el fundamento teórico de que un cuerpo liviano flota un líquido, si el nivel del líquido asciende en un recipiente, el cuerpo flotante también. Para realizar la medición, se conecta el flotador por medio de una cuerda o elemento mecánico conector a un instrumento indicador ubicado en el exterior del recipiente (Hopp, 1994).

Figura 14. Medida de nivel por flotador, de izquierda a derecha: (a) indicador sobre escala graduada (b)

movimiento de un núcleo de hierro en el campo de un imán (c) variación de

una resistencia eléctrica. Fuente: Hopp, V. (1994). 6.2.3. Presión diferencial Se basa en la presión hidrostática, por lo tanto no mide el nivel sino la presión ejercida por la columna del líquido y por tanto se infiere la altura del líquido sobre el plano de referencia utilizando: la presión debida a la carga del líquido y la densidad del líquido. (Acedo, 2013).

Figura 15. Instalación típica de un medidor por presión hidrostática, en

un tanque abierto a la atmósfera. Fuente: Acedo, J. (2013). 6.2.4. Por insuflación Una variación de la presión diferencial, es la medida por borboteo. La presión necesaria para provocar borboteo en un líquido en un tanque depende de: la densidad del líquido y la altura de éste sobre el extremo inferior del tubo que produce la presión (Hopp, 1994). En la práctica para provocar el borboteo se usa una sonda y es necesario que exista un flujo continuo de aire a través del líquido (Acedo, 2013).

Figura 16. Instalación típica por diferencia de presión usando nivel de

borboteo. Fuente: Acedo, J. (2013).


6.2.5 Otros métodos

Método Principio Usos Termopar Diferencia de

temperatura del líquido y el ambiente

Productos sucios, parafinosos o pesados

Cristales de reflexión

Prismas de vidrio templado estriados que aprovechan las leyes de reflexión y refracción

La presión que se mide es muy superior o muy inferior a la atmosférica

Flotador con tubo de torsión

Elemento cilíndrico flotante conectado a un eje de torsión cuya rotación detecta y envía el sistema de transmisión

Enviar transmisión a distancia

Tabla 3. Métodos varios para

medidores de nivel. Fuente: Propia en base a información recopilada de Acedo, J. (2013). 7. Nociones generales de calibración de instrumentos La calibración se hace necesaria para reducir el error en los instrumentos. Creus (2011) asegura que: “Se considera que un instrumento está bien calibrado cuando, en todos los puntos de su campo de medida, la diferencia entre el valor real de la variable y el valor indicado, o registrado o transmitido, está comprendido entre los límites determinados por la exactitud del instrumento”. Los instrumentos se ajustan, esencialmente, para reducir los siguientes errores:

• Error de cero • Error de multiplicación • Error de angularidad

Para la calibración de instrumentos de presión se utilizan manómetros patrón, los cuales a su vez son ajustador por medio de un calibrador de peso muerto (Muñoz & Rojas, 2004). En caudal, depende del tipo de instrumento a calibrar. Los de presión diferencial se usa una columna de Hg y un compresor. Los rotámetros no pueden calibrarse y los medidores volumétricos instalando otro medidor en paralelo. Para los medidores másicos de lectura directa se calibran asegurando un caudal masa constante y un cronómetro (Creus, 2011). Para nivel, la calibración es análoga a los medidores de caudal. Para la calibración de instrumentos de temperatura, en Creus (2011): “se emplean baños de temperatura (calibradores de bloque metálico, de baño de arena y de baño de liquido), hornos, comprobadores potenciométricos y de puente de Wheatstone y comprobadores universales”. 8. Problemas resueltos 8.1. Ejemplo sobre manómetro diferencial (Himmelblau, 2002) Al medir el flujo de fluidos en una tubería, se puede utilizar un manómetro diferencial como se muestra en la figura:


para determinar la diferencia de presión a través de una placa de orificio. La tasa de flujo se puede calibrar empleando al caída de presión observada. Calcule la caída de presión 𝑝" − 𝑝$ en pascales para el manómetro mostrado. Solución En este problema no podemos ignorar la densidad del agua sobre el fluido del manómetro. Aplicaremos la ecuación:

𝑝" − 𝑝$ = 𝜌' − 𝜌 𝑔𝑑 ya que las densidades de los fluidos que están sobre el fluido del manómetro son iguales. 𝑝" − 𝑝$

= 1.10 − 1.0010-𝑘𝑔𝑚$

9.807𝑚𝑠$ 22

∗ 106-𝑚 1𝑁 − 𝑠$

𝑘𝑔 −𝑚 1𝑃𝑎 −𝑚$

𝑁

𝑝" − 𝑝$ = 21.6 𝑃𝑎 8.2. Ejemplo sobre termopar (Rolle, 2011) Convertir una medición de 3.100 milivoltios (mV) obtenida con un termopar de cromel-alumel en grados Celsius y en grados Fahrenheit.

Solución Para un termopar de cromel-alumel tipo K, 3.100 mV queda entre los elementos de 2.667 (a 150 ºF) y a 3.189 (a 200 ºF) de la tabla siguiente sobre fem térmica en mV:

La interpolación lineal se puede escribir como sigue: 𝑇 − 200 º𝐹150 − 200 º𝐹 =

3.100 𝑚𝑉 − 3.189 𝑚𝑉2.667 𝑚𝑉 − 3.189 𝑚𝑉

⟹ 𝑇− 200 = 150 − 200 0.624= 31.2

𝑇 = 168 º𝐹 Usando la ecuación de conversión de grados Fahrenheit a Celsius:

𝑇D =59 𝑇E − 32 = 76.0 º𝐶

8.3. Ejemplo sobre tubo Venturi (Cromer, 1986) En una tubería de agua de sección 𝐴 =50 𝑐𝑚$ se intercala un tubo Venturi de sección 𝐴I = 5 𝑐𝑚$. La diferencia de presiones entre la tubería y el tubo Venturi


resulta ser 2 ∗ 10J 𝑃𝑎. ¿Qué velocidad lleva el agua en la tubería?

Solución Tenemos que el diferencial de presión es:

𝑝 − 𝑝I = 2 ∗ 10J 𝑃𝑎 y la relación de áreas:

𝐴$

𝐴I$ =50 𝑐𝑚 $

5 𝑐𝑚 $ = 10 $ = 100

Luego según la ecuación derivada del principio de Bernoulli:

𝜈 =𝑝 − 𝑝′

12 𝜌

𝐴$𝐴I$ − 1

𝜈 =2 ∗ 10J 𝑃𝑎

12 (1000

𝑘𝑔𝑚-) 100 − 1

⇒ 𝜈 = 0.63𝑚/𝑠 El caudal por lo tanto es: 𝑄 = 𝐴𝜈 = (50 ∗ 106J 𝑚$)(0.63𝑚/𝑠)

= 3.18 ∗ 106- 𝑚-/𝑠 Conclusiones 1. Las plantas de producción necesitan

de la instrumentación y el control para

llevar el seguimiento de todos los procesos industriales, para así garantizar la calidad de cada unidad producida.

2. Al realizar la medición, monitoreo y control de caudales en una industria se pueden optimizar los procesos y reducir los costos asociados a la mala calidad.

3. De forma general, se puede establecer que los siguientes criterios para selección de un instrumento de medición: (1) definir la variable a medir, (2) tipo de instrumento (portátil, de campo o panel), (3) condiciones ambientales que rodeará al instrumento, (4) tipo de transmisión necesaria (lectura directa, inferencial o transmisión a distancia) e (5) intuición ingenieril.

Recomendaciones 1. Armar un equipo técnico (ingenieros

mecánicos, industriales, químicos y operarios experimentados) para definir el sistema de control a utilizar en la planta, considerando análisis de prefactibilidades y el ciclo de vida del proyecto.

2. Demostrar a la gerencia por medio de análisis de costos e ingeniería económica los beneficios económicos a corto y mediano plazo de implementar un proyecto de instrumentación y control industrial.

3. La intuición y experiencia del ingeniero es lo más importante al escoger un instrumento de medición, ya sea para presión, temperatura, nivel u otra variable. Asimismo, el aprovechamiento de nuevas tecnologías debe ser parte de los


criterios al momento de armar o reajustar lazos de control industrial, véase base de datos (DBMS) y era post-PC (smartphones y tablets).

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