instrumentación básica de medida y control

Instrumentacin bsica de medida y control

Luis Garca Gutirrez

Instrumentacin bsica

de medida y control

Luis Garca Gutirrez

Ttulo: Instrumentacin bsica de medida y control. PDF

Autor: Luis Garca Gutirrez

AENOR (Asociacin Espaola de Normalizacin y Certificacin), 2014

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ISBN: 978-84-8143-858-1

Edita: AENOR

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ndice

Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1. Dispositivos de medida de presin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2. Medida de presin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.2.1. Manmetros de columna de lquido . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2.2. Detectores de presin de tipo mecnico . . . . . . . . . . . . . . 171.2.3. Detectores de presin de tipo elctrico . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.2.3.1. Detectores piezoresistivos . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.2.3.2. Detectores de capacitancia diferencial . . . . . . . . 21

1.2.4. Transmisores de presin de equilibrio de fuerzas . . . . . . . . 231.2.5. Transmisores de presin diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.2.5.1. Aplicaciones de medida de presin diferencial . . 281.2.5.1.1. Medida de obstruccin en recipientes

de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.2.5.1.2. Medida de presin positiva . . . . . . . 291.2.5.1.3. Medida de presin absoluta . . . . . . 291.2.5.1.4. Medida de vaco . . . . . . . . . . . . . . 301.2.5.1.5. Medidas deductivas . . . . . . . . . . . . 31

1.3. Accesorios de presin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.3.1. Distribuidor de tres vlvulas (manifold) . . . . . . . . . . . . . . . 311.3.2. Amortiguador de pulsaciones de presin . . . . . . . . . . . . . 331.3.3. Aplicaciones de diafragmas de aislamiento en medidas

de presin remotas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341.3.4. Purgadores de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

1.4. Fallos y anomalas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.4.1. Sobrepresin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.4.2. Lneas de deteccin defectuosas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381.4.3. Prdida de suministro de energa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

1.5. Idoneidad proceso/instrumento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2. Dispositivos de medida de caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.2. Modalidades de medida de caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.3. Detectores de caudal basados en la presin . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.4. Conceptos tericos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.5. Detectores de presin diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.5.1. Placa con orificio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.5.1.1. Situacin de las tomas de presin . . . . . . . . . . . 492.5.1.2. Ventajas e inconvenientes de las placas con orificio 51

2.5.2. Tubo Venturi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.5.3. Tobera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.5.3.1. Tobera como detector de presin diferencial . . . . 532.5.3.2. Tobera como detector de velocidad snica de un gas 54

2.5.4. Tomas de presin en un codo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.5.5. Tubo Pitot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.5.6. Tubo Annubar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572.5.7. Detector de tipo placa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572.5.8. Cono en V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.5.9. Cua segmental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.5.10. Instalacin apropiada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.6. Extractor de raz cuadrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.7. Rel de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3. Dispositivos de medida de nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.2. Presin hidrosttica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.3. Medida de nivel en recipientes abiertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.4. Medida de nivel en recipientes cerrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.4.1. Sistema de medida de nivel en recipiente cerrado

con rama seca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6 Instrumentacin bsica de medida y control

3.4.2. Sistema de medida de nivel en recipiente cerrado con rama hmeda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.5. Compensacin de nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.5.1. Supresin de cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.5.2. Elevacin de cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.6. Sistema de medida de nivel por burbujeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763.6.1. Aplicacin del sistema de burbujeo en un recipiente abierto . . 763.6.2. Aplicacin del sistema de burbujeo en un depsito cerrado . . 77

3.7. Efecto de la temperatura y la presin en la medida de nivel . . . . . . . 78

4. Dispositivos de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.2. Detector de temperatura de resistencia (RTD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.2.1. Ventajas, inconvenientes y modalidades de fallo de un RTD . . 83

4.3. Termopar (T/C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.3.1. Ventajas, inconvenientes y modalidades de fallo de un

termopar (T/C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.4. Pocillos trmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.5. Termostato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.5.1. Cilindros de presin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.5.2. Tiras bimetlicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

5. Tcnicas de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

5.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

5.2. La importancia del control de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925.2.1. Proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925.2.2. Control de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5.2.2.1. Disminuir la variabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925.2.2.2. Aumentar la eficacia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935.2.2.3. Garantizar la seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.3. Teora bsica de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945.3.1. El lazo de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.3.1.1. Tres cometidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945.3.2. Trminos de control de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.3.2.1. Variable de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965.3.2.2. Valor deseado (setpoint) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

7ndice

5.3.2.3. Variable medida, variable de proceso y variable manipulada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

5.3.2.4. Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975.3.2.4.1. Magnitud del error . . . . . . . . . . . . . 985.3.2.4.2. Duracin del error . . . . . . . . . . . . . 985.3.2.4.3. Velocidad de cambio del error . . . . . 98

5.3.2.5. Desviacin (offset) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985.3.2.6. Perturbacin de carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 995.3.2.7. Algoritmo de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 995.3.2.8. Control manual y control automtico . . . . . . . . . 995.3.2.9. Lazo de control abierto y lazo de control cerrado 100

5.4. Equipo y tecnologa del lazo de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025.4.1. Elementos primarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025.4.2. Transductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025.4.3. Convertidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025.4.4. Transmisor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025.4.5. Seales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

5.4.5.1. Seal neumtica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.4.5.2. Seales analgicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.4.5.3. Seales digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.4.6. Indicadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1045.4.7. Registradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055.4.8. Controladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

5.4.8.1. Controladores lgicos programables (PLC) . . . . . 1055.4.8.2 Sistemas de control distribuido (DCS) . . . . . . . . . 106

5.4.9. Elementos finales de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1075.4.10. Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

6. Acciones de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

6.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

6.2. El controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1096.2.1. Controladores discretos o discontinuos . . . . . . . . . . . . . . . 1106.2.2. Controladores escalonados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116.2.3. Controladores continuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

6.3. Ajuste del controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1126.3.1. Ganancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112


6.4. Accin de control todo/nada (on/off control) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136.4.1. Resumen de la accin de control todo/nada . . . . . . . . . . . 115

6.5. Accin de control proporcional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.6. Accin de control integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

6.7. Accin de control derivada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

6.8. Resumen de los trminos P (proporcional), I (integral) y D (derivado) . 1256.8.1. Modo de control proporcional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1256.8.2. Modo de control integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1256.8.3. Modo de control derivado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1266.8.4. Respuesta grfica de las acciones P, I y D . . . . . . . . . . . . . 1276.8.5. Respuestas a un momentneo escaln y retorno . . . . . . . . 128

7. Lazos de control de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

7.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

7.2. Lazos de control de una sola variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1297.2.1. Lazo de control en ciclo cerrado (feedback control) . . . . . . 129

7.3. Ejemplos de lazos de control de una sola variable . . . . . . . . . . . . . . 1307.3.1. Lazo de control de presin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1307.3.2. Lazo de control de caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1317.3.3. Lazo de control de nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1327.3.4. Lazo de control de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

7.4. Lazos avanzados de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1337.4.1. Lazos de mltiples variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1337.4.2. Control en ciclo abierto (feedforward control) . . . . . . . . . . 1347.4.3. Control en ciclo abierto (feedforward) ms control en ciclo

cerrado (feedback) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1357.4.4. Control en cascada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1357.4.5. Control discontinuo (batch control) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1367.4.6. Control de porcentaje (ratio control) . . . . . . . . . . . . . . . . . 1367.4.7. Control selectivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1377.4.8. Control fuzzy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

Bibliografa y normativa de referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

9ndice

Introduccin

Instrumentacin es la ciencia de la medida y del control. Las aplicaciones de estaciencia abundan en la industria, la investigacin, y la vida diaria. En este libro seexponen algunos de los principios fundamentales de la instrumentacin industrial.

Desde luego, el primer paso es la medicin. Si no se puede medir alguna cosa, real-mente sera intil intentar su control.

Para medir la magnitud en la que estamos interesados, es evidente que se necesita un dis-positivo de medida que detecte esa magnitud y genere una seal que la represente y latransmita a un dispositivo de indicacin o control, donde tiene lugar una accin humanao automatizada. Si la accin de control es automatizada, el dispositivo de control envauna seal a un dispositivo final de control que influye sobre la magnitud medida.

El dispositivo de control puede ser un controlador, mientras que el dispositivo final decontrol puede ser una vlvula de control, un motor elctrico, un calentador elctrico, etc.

La conexin entre el dispositivo de medida y el dispositivo final de control es unsistema fsico que se denomina proceso. Esto podra representarse, de forma sen-cilla, mediante el diagrama mostrado en la figura I.1.

Deteccin

Dispositivo de medida

Dispositivo de control

Dispositivo finalde control

Proceso

Decisin Influencia

Figura I.1. Representacin de un proceso

Instrumentacin bsica de medida y control12

Como ejemplo de un sistema de medida y control, nada ms representativo que eltermostato de un hogar, encargado de controlar la temperatura del recinto bajoun proceso de control interno del aire. En este ejemplo, el termostato cumple,generalmente, dos funciones: deteccin y control; mientras el calentador ayuda acalentar mediante el incremento de la temperatura, y/o el acondicionador de aireextrae calor para disminuir la temperatura. La tarea de este sistema de control esmantener la temperatura del aire a un nivel confortable, tomando medidas tantoel calentador como el acondicionador de aire para corregir la temperatura si se alejadel valor deseado (setpoint).

De los componentes bsicos que integran el diagrama anterior, el ms importante,sin duda, es el dispositivo de medida. Por esta razn, los primeros cuatro captulosestn dedicados a exponer los dispositivos de medida de cuatro parmetrosfundamentales, como son: la presin, el caudal, el nivel y la temperatura. Y enlos captulos que siguen se estudiarn: las tcnicas de control, las acciones de controly los lazos de control de proceso.

1.1. Introduccin

La presin es una magnitud derivada del sistema internacional. Se define como elcociente entre una fuerza y una superficie.

La unidad de presin es el Pascal (Pa). Es la presin uniforme que, sobre unasuperficie plana de 1 m2, ejerce perpendicularmente a dicha superficie una fuerzatotal de 1 newton:

(1 Pa) P = F (1 N)/A (1 m2)

Antes de examinar cmo se detecta y mide la presin, hay que tener presente quela presin vara, dependiendo de la altitud sobre el nivel del mar, los frentesmeteorolgicos de presin y otras condiciones.

Por tanto, la medida de presin es relativa, y se establecen medidas de presin,como presin manomtrica o presin absoluta.

La presin manomtrica es la unidad de presin que encontramos en el trabajocotidiano, por ejemplo, los valores nominales de presin de los neumticos de losvehculos aparecen en presin manomtrica.

Un dispositivo de presin manomtrica indicar presin cero cuando se purguede aire hasta la presin atmosfrica, es decir, la presin manomtrica est referen-ciada con la presin atmosfrica. Este tipo de presin manomtrica se indica conuna (g) al final de la unidad de presin, por ejemplo, kPa (g).

La presin absoluta incluye el efecto de la presin atmosfrica con la presinmanomtrica. Se seala mediante una (a) al final de la unidad de presin, por

Dispositivos de medida de presin1

Escalaabsoluta

Presinatmosfrica

Vacoperfecto

101,3 kPa (a) 0 kPa (g)

0 kPa (a) 101,3 kPa (g)

Escalamanomtrica

Figura 1.1. Relacin entre presin absoluta y manomtrica

ejemplo, kPa (a). Un indicador de presin absoluta mostrar presin atmosfricacuando se ventea por completo a la atmsfera (no indicara cero de escala).

Presin absoluta = Presin manomtrica + Presin atmosfrica

La figura 1.1 muestra la relacin entre presin absoluta y presin manomtrica.Hay que advertir que el punto de base para la escala manomtrica es 0 kPa (g) opresin atmosfrica normalizada 101,3 kPa (a).

La mayora de las medidas de presin en una planta industrial son manomtricas,mientras que medidas de presin absoluta tienden a utilizarse donde las presionesse sitan por debajo de la presin atmosfrica.


1.2. Medida de presin

En muchos casos, la presin es la variable principal para un amplio campo demedidas de proceso. Realmente muchos tipos de medidas industriales se dedu-cen a partir de la presin, tales como: el caudal (midiendo la cada de presin atravs de una restriccin), el nivel de lquido (midiendo la presin creada poruna columna vertical de lquido), la densidad de lquido (midiendo la diferencia

de presin a travs de una columna de lquido de altura fija), e incluso la tempe-ratura (el caso de una cmara llena de fluido, donde la presin del fluido y sutemperatura se hallan directamente relacionadas), pueden deducirse de medidasde presin.

En los siguientes apartados se describen diferentes tcnicas para la medida depresin.

1.2.1. Manmetros de columna de lquido

Un dispositivo muy sencillo para medir la presin es el manmetro, un tubo enforma de U lleno de fluido, donde una presin aplicada de gas hace que la alturadel fluido se desplace de modo proporcional a la presin aplicada. Aqu la presinse mide en unidades de altura de lquido, por ejemplo, mm de agua, mm demercurio, etc. Como se puede apreciar en la figura 1.2, un manmetro es funda-mentalmente un instrumento de medida de presin diferencial, que indica la dife-rencia entre dos presiones mediante un desplazamiento en altura de la columna delquido.

151. Dispositivos de medida de presin

Figura 1.2. Manmetro de tubo en U

Presin aplicada(superior)

Presin aplicada(inferior)

LquidoAltura

Tubo transparente quepermite ver lacolumna de lquido

Es totalmente aceptable ventear sencillamente un tubo de un manmetro, y utili-zarlo como un instrumento indicador de presin, comparando la presin aplicadaen un tubo frente a la presin atmosfrica del otro.

Figura 1.3. Lectura de la columna de lquido en un manmetro en U

Leer aqu

CL

Leer aqu

CL


Figura 1.4. Diferentes tipos de manmetros

a) Manmetro de tubo en U

c) Manmetro inclinado

Cubeta

Presin aplicada

La altura de la columna de lquido en un manmetro de esta clase, y segn el lquido,siempre debera interpretarse en la lnea central de columna de lquido, indiferentea la forma del menisco del lquido, tal como se muestra en la figura 1.3.

Existen una gran variedad de formas para este tipo de manmetros, siendo la msusual la de tubo en U, de tipo cubeta o cisterna, y de tipo inclinado, tal como semuestra en la figura 1.4.

Venteado

b) Manmetro de cubeta

Presin aplicada

Cubeta

VenteadoVenteado

Presin aplicada

Figura 1.6. Diafragma

Los manmetros de tubo en U son baratos, y se fabrican generalmente en plsticotransparente, mientras que los manmetros de cubeta son la pauta para bancos decalibracin, y se construyen de cubeta metlica y tubos de vidrio.

Hay que sealar que tambin puede medirse la presin absoluta si una de las tomasde presin se conecta a una cmara sellada al vaco.

En los manmetros inclinados, el rea de la seccin transversal de la columna delquido en la cubeta es mucho ms grande que en el tubo transparente, por lo que elcambio de la altura del lquido dentro de la cubeta es normalmente despreciable. Enlos casos donde la diferencia es significativa, el espacio entre las divisiones sobre laescala del manmetro puede aparecer inclinado para compensar. Los manmetrosinclinados se utilizan para medir muy bajas presiones, debido a su mayor resolucin.

1.2.2. Detectores de presin de tipo mecnico

Los detectores de presin de tipo mecnico comprenden: fuelle, diafragma y tuboBourdon. Cada uno de estos dispositivos convierte una presin de fluido en unafuerza. Si est libre de sujeciones, las propiedades elsticas naturales del elementoproducirn un movimiento proporcional a la fuerza aplicada.

El fuelle, tal como se muestra en la figura 1.5, se asemeja a un acorden, pero fabri-cado de membranas metlicas tubulares dispuestas en forma de espiral. Aumentandola presin dentro del fuelle, se produce un alargamiento en la direccin de la flecha.

El diafragma es un disco delgado de material que se comba hacia afuera, bajo la influen-cia de una presin de fluido. Muchos diafragmas se fabrican de metal, lo que les ofreceuna calidad similar a la de un resorte. Sin embargo, algunos diafragmas se fabricanintencionadamente con materiales con poca tensin, de forma que el efecto resorte seadespreciable, utilizndose conjuntamente con mecanismos externos que producen lanecesaria fuerza compulsiva para evitar daos a causa de la presin aplicada.

En la figura 1.6 se muestra, de forma esquemtica, un diafragma.


Figura 1.5. Fuelle

Fuerza Fuerza

Fuelle Diafragma

Presin aplicada Presin aplicada

El diafragma acta con rapidez al aplicarse la presin. Sin embargo, el movimientode desplazamiento no llega a ser tan grande como el producido por el fuelle.

La mayora de los transmisores utilizan un diafragma como elemento detector depresin.

El tubo Bourdon posee una forma circular, con seccin transversal oval, y se fabricacon aleaciones metlicas. En la figura 1.7 se muestra un tpico tubo Bourdon.


Figura 1.7. Tubo Bourdon

Bajo la influencia de la presin interna, el tubo Bourdon intenta enderezarse haciaafuera en su forma original, antes de ser curvado en el proceso de fabricacin.

El tubo Bourdon puede elaborarse en forma espiral o helicoidal para conseguirmayor movimiento y, por tanto, una mayor resolucin de medida.

La mayora de los manmetros utilizan un tubo Bourdon como elemento detectorde presin.

En la figura 1.8 se muestra, de forma esquemtica, el mecanismo del manmetrodel tubo Bourdon.

Hay que advertir que el fuelle, el diafragma y el tubo Bourdon pueden igualmenteutilizarse para medir la presin diferencial o presin absoluta, adems de la presinmanomtrica. Para estas funciones, es necesario someter el otro lado de cada ele-mento de deteccin de presin a cualquier otra presin aplicada, en el caso de medidade presin diferencial, o a una cmara de vaco, en el caso de una presin absoluta.

En la figura 1.9 se observa que el fuelle, el diafragma y el tubo Bourdon puedenutilizarse como elementos detectores de presin diferencial.

El problema radica en cmo extraer el movimiento mecnico del elemento detec-tor de presin a un mecanismo externo, tal como una aguja indicadora, asegurando

FuerzaTubo Bourdon

Presin aplicada


una buena hermeticidad de presin. En mecanismos de manmetros esto no implicaun problema, debido a que un lado del elemento detector de presin tiene queexponerse a la presin atmosfrica, y de esta manera ese lado se encuentra siempredisponible para una conexin mecnica.

Figura 1.8. Mecanismo del manmetro de tubo Bourdon

1.2.3. Detectores de presin de tipo elctrico

Existen varias tecnologas para la conversin de presin de fluido en una seal elctricacomo respuesta. Estas tecnologas forman la base de los transmisores de presinelectrnicos, unos dispositivos para medir la presin de fluido y transmitir esainformacin mediante seales elctricas analgicas y digitales.

Figura 1.9. Mecanismos detectores de presin diferencial

Tubo Bourdon

Aguja indicadora

Presin aplicada

Presin aplicada

Presin aplicada

Presin aplicada

Presin aplicada

Presin aplicada

Presin aplicada

Punto de giro

Uni

n

Sector dentadoPin diferencial

Tubo Bourdon

Figura 1.10. Galga extensimtrica (strain gauge) y circuito elctrico

Cuando la probeta se tensa o comprime por la aplicacin de una fuerza, los con-ductores de la galga extensimtrica se deforman de manera similar. La resistenciaelctrica de cualquier conductor es proporcional a la relacin entre la longitud y elrea de la seccin transversal (R l/A), lo que significa que la deformacin detensin aumentar la resistencia elctrica, incrementndose simultneamente lalongitud y disminuyendo el rea de la seccin transversal. En cambio, la deforma-cin por compresin disminuir la resistencia elctrica, y simultneamente dismi-nuir la longitud y se incrementar el rea de la seccin transversal.

Si se pega una galga extensimtrica sobre un diafragma se obtendr un dispositivo quecambia la resistencia cuando se aplica una presin. La presin fuerza al diafragma adeformarse, lo que sucesivamente origina que la galga extensimtrica cambie suresistencia. Midiendo esta variacin de resistencia puede deducirse el valor de lapresin aplicada al diafragma.


Entre estos detectores de presin de tipo elctrico se encuentran los sensorespiezoresistivos (strain gauge) y los sensores de capacitancia diferencial.

1.2.3.1. Detectores piezoresistivos

Piezoresistivo significa resistencia sensible a la presin, o bien una resistencia cuyovalor cambia con la presin aplicada. La galga extensimtrica (strain gauge) es unejemplo clsico de un elemento piezoresistivo. En la figura 1.10 aparece, de formaesquemtica, una galga extensimtrica sobre una probeta y el circuito elctrico.

Probeta

Circuito elctrico

V excitacin

Straingauge

R1 R2

R3

V

Figura 1.11. Detector de presin diafragma/galga extensimtrica

1.2.3.2. Detectores de capacitancia diferencial

Este detector de presin, tambin de tipo elctrico, funciona basndose en el principiode la capacitancia diferencial. En este diseo, el elemento detector es un diafragmametlico tenso, situado entre dos superficies metlicas fijas, formando una pareja com-plementaria de capacitancias. Un fluido de relleno, usualmente un compuesto lquidode silicona, transmite movimiento desde los diafragmas de aislamiento al diafragma

1. Dispositivos de medida de presin 21

El sistema clsico de galga extensimtrica, representado en la figura 1.10, est fabri-cado con metal, tanto la probeta como la galga extensimtrica. Dentro de sus lmi-tes elsticos, muchos metales presentan buenas caractersticas elsticas. Sin embargo,los metales estn sujetos a fatiga durante ciclos repetidos de esfuerzo (tensin ycompresin), y aparecer la fluencia si la deformacin plstica supera su lmite els-tico. Esto es una fuente usual de error en instrumentos de presin piezoresistivosmetlicos. Si hay sobrepresin, tienden a perder exactitud debido al deterioro de laelasticidad y a elementos de la galga extensimtrica.

Las tcnicas modernas de fabricacin han hecho posible la elaboracin de galgas exten-simtricas fabricadas con silicona en sustitucin del metal. La silicona posee unas carac-tersticas de elasticidad muy lineales en su margen estrecho de movimiento, as comouna elevada resistencia a la fatiga. Cuando una galga extensimtrica de silicona essobrecargada se inutiliza totalmente, en lugar de aparecer la fluencia como en el caso delas galgas extensimtricas metlicas. Esto se considera un resultado mejor, ya que indicaclaramente la necesidad de sustituir el sensor, mientras que el sensor metlico puede darla falsa impresin de actuacin continua despus del evento de sobrecarga.

De ese modo, la mayora de los instrumentos de presin, basados en sensorespiezoresistivos, utilizan galgas extensimtricas de silicona para detectar la deforma-cin de un diafragma, debido a la presin aplicada del fluido. En la figura 1.11 semuestra un detector de presin diafragma/galga extensimtrica.

Diafragma Strain gauge

Presin aplicada

Figura 1.12. Detector de capacitancia diferencial

Cualquier diferencia de presin a travs de la clula causar que el diafragma flexioneen la direccin de la presin ms baja. El diafragma detector es un elemento elsticofabricado con precisin, cuyo propsito es que su desplazamiento sea una funcinprevisible de la fuerza aplicada. La fuerza aplicada en este caso puede ser solo unafuncin de actuacin de presin diferencial contra el rea superficial del diafragma,conforme a la ecuacin: F = P A. En este caso, se tienen un par de fuerzas originadaspor dos presiones de fluido actuando una contra la otra, de modo que la ecuacinanterior puede escribirse de nuevo, y as describir la fuerza resultante como una fun-cin de la presin diferencial (P1 P2) y el rea superficial del diafragma: F = (P1 P2) A.Puesto que el rea del diafragma es constante, y la fuerza est previsiblemente relacio-nada con el desplazamiento del diafragma, lo que se necesita ahora para deducir lapresin diferencial es medir exactamente el desplazamiento del diafragma.

La funcin secundaria del diafragma, como una placa de dos capacitors, proporcionaun mtodo adecuado para medir el desplazamiento. Puesto que la capacitancia entreconductores es inversamente proporcional a su distancia de separacin, la capacitan-cia sobre el lado de baja presin se incrementar, mientras que la capacitancia sobreel lado de alta presin disminuir, segn se contempla en la figura 1.13.

Un circuito detector de capacitancia conectado a esta clula utiliza una seal deexcitacin de elevada frecuencia (AC), para medir la diferencia en capacidad entrelas dos mitades, transformndola en seal (DC), que finalmente es la seal de salidaal instrumento de presin.


detector, y tambin se duplica como dielctrico eficaz para los dos capacitors, talcomo se muestra en la figura 1.12.

Terminales de salida

Aislamiento slido

Diafragma de aislamientoDiafragma de aislamiento

Diafragma detectorFluido relleno de silicona

PresinPresin

Figura 1.13. Mtodo de medida del desplazamiento del diafragma

Figura 1.14. Balanza de laboratorio


Estos sensores de presin son muy exactos, estables y robustos. La estructura slidalimita el movimiento de los dos diafragmas de aislamiento, de tal forma que el diafragmadetector pueda moverse sin sobrepasar el lmite elstico. Esto proporciona a la capaci-tancia diferencial una excelente resistencia a los desperfectos por sobrepresin.

1.2.4. Transmisores de presin de equilibrio de fuerzas

Una tecnologa importante para toda clase de medida continua es el sistema autoequi-librado, ya que compensa continuamente una cantidad ajustable contra una cantidaddetectada, llegando a ser la cantidad ajustable una indicacin de la cantidad detectadauna vez conseguido el equilibrio. Un sistema usual de equilibrio manual es el tipo debalanza utilizado en los laboratorios para medir la masa, tal como se muestra en lafigura 1.14.

Terminales de salida

Masas conocidas Masa desconocida

Aislamiento slido

Diafragma de aislamientoDiafragma de aislamiento

Baja presinAlta presin


Segn queda reflejado en la figura, la masa desconocida es la cantidad afectada ylas masas conocidas, la cantidad ajustable. Un tcnico del laboratorio pone en elplatillo izquierdo de la balanza las masas necesarias para conseguir el equilibrio, yentonces suma el total de las masas depositadas en el plato para determinar lacantidad de masa desconocida.

Este sistema es perfectamente lineal, debido a que estas balanzas de equilibrio sonutilizadas usualmente en el trabajo cientfico. El mecanismo de la balanza es muysencillo, y lo nico que necesita la aguja indicadora para leer con exactitud es unacondicin de equilibrio, es decir, igualdad entre masas.

Si la tarea de equilibrio se transmite a un mecanismo automtico, la cantidad ajus-table cambiar y se ajustar continuamente cuando se requiera equilibrar la cantidaddetectada, de ese modo llega a ser una representacin de esa cantidad detectada. Enel caso de instrumentos de presin, la presin se convierte fcilmente en fuerza,actuando sobre el rea superficial de un elemento detector, como un diafragmao un fuelle. Puede generarse una fuerza compensadora para suprimir exactamenteel proceso de fuerza de presin, creando un instrumento de presin de equilibriode fuerzas. Como en el caso de la balanza de laboratorio, un instrumento industrialdesarrollado sobre el principio de equilibrar una cantidad detectada con una canti-dad ajustable ser intrnsecamente lineal, lo que es una tremenda ventaja si hay unpropsito de medida.

En la figura 1.15 se muestra un diafragma de un transmisor de presin neumticode equilibrio de fuerzas, basado en el modelo 13A de Foxboro, equilibrando unapresin diferencial con una presin de aire ajustable, que se convierte en una sealde salida neumtica.

La presin diferencial se detecta mediante una cpsula de tipo diafragma rellena delquido, que transmite fuerza a una barra de fuerza. Si la barra de fuerza se muevefuera de su posicin, debido a esta fuerza aplicada, un mecanismo (integrado porun deflector y una tobera muy sensibles) lo detecta y provoca que un amplificadorneumtico (rel) enve una presin de aire diferente a un fuelle. El fuelle presionacontra la barra de margen, la cual pivota para contrarrestar el movimiento inicialde la barra de fuerza. Cuando el sistema vuelve al equilibrio, la presin de airedentro del fuelle ser una representacin lineal directa de la presin del fluido deproceso aplicada a la cpsula de tipo diafragma.

Con unas modificaciones mnimas en el diseo de este transmisor de presin, basadoen el diseo del transmisor de presin diferencial electrnico modelo E13 (actualmenteobsoleto) de Foxboro, puede convertirse el equilibrio de fuerzas de neumtico aelectrnico, tal como se muestra en la figura 1.16.

Figura 1.15. Transmisor de presin diferencial neumtico de Foxboro modelo 13A

Figura 1.16. Transmisor de presin diferencial electrnico de Foxboro modelo E13


Fuerza(detectada)

Barr

a de

fuer

za

Flexible

Rel

Fuelle

Amplificador

Cp

sula

Flex

ible

Deflector

Flexible

Barra de margen

Fuerza(ajustable)

Fuerza(ajustable)

Fuerza(ajustable)

Fuerza(ajustable)

Fuerza(detectada)

Cp

sula

Flex

ible

Fuerza(detectada)

Tobera

Margen de la rueda(punto de apoyo)

Barra de margen

Seal de salida

Tornillo del cero

Tornillo del cero

Seal de salida(10-50 mA)

Bobina de fuerza

Entrada debaja presin

Entrada dealta presin

Entrada debaja presin

Entrada dealta presin

Membrana de cierre(punto de apoyo)

Fuerza(detectada)

Sensor de equilibrio

Margen de la rueda(punto de apoyo)

Barr

a de

fuer

za

Membrana de cierre(punto de apoyo)

Suministro de aire


La presin diferencial se detecta mediante el mismo tipo de cpsula de tipodiafragma rellena de lquido, que transmite fuerza a una barra de fuerza. Si labarra de fuerza se mueve fuera de su posicin, debido a esta fuerza aplicada, unsensor electromagntico muy sensible lo detecta y origina que un amplificadorelectrnico enve una corriente elctrica a una bobina de fuerza. La bobina defuerza presiona contra la barra de margen, la cual pivota para contrarrestar elmovimiento inicial de la barra de fuerza. Cuando el sistema recupera el equili-brio, la corriente de miliamperios a travs de la bobina de fuerza ser una repre-sentacin directa y lineal de la presin del fluido de proceso aplicada a la cpsulade tipo diafragma.

Una ventaja distinta de los instrumentos de presin de equilibrio de fuerzas,adems de su inherente linealidad, es la obligacin de movimiento del elementosensible. A diferencia de un transmisor moderno de presin basado en undiafragma (que cuenta con caractersticas elsticas del diafragma para convertirpresin en fuerza y de ah en movimiento o desplazamiento), que es detectado ytransformado en una seal electrnica, un transmisor de equilibrio de fuerzasacta mejor cuando el diafragma es poco firme y ni siquiera tiene caractersticaselsticas. Con la fuerza de la presin del fluido de proceso se consigue el equili-brio mediante la aplicacin de una presin de aire ajustable o una corriente elc-trica ajustable, no por la tensin natural de un elemento elstico. Esto hace queun instrumento de equilibrio de fuerzas sea mucho menos susceptible a errores,a causa de la fatiga del metal o a cualquier otra degradacin de las caractersticaselsticas.

Por desgracia, los instrumentos de equilibrio de fuerzas tambin tienen desventajassignificativas. Los mecanismos de equilibrio de fuerzas tienden a ser volumi-nosos, y convierten la vibracin externa en fuerza de inercia que aade ruido a laseal de salida. Adems, la cantidad de energa elctrica necesaria para proporcio-nar un adecuado equilibrio de fuerzas en un transmisor electrnico de equilibriode fuerzas es tal que resulta casi imposible limitar por debajo el nivel necesario paraalcanzar la seguridad intrnseca, es decir, la posibilidad de que el instrumentodescargue una chispa y produzca ignicin en atmsferas explosivas.

1.2.5. Transmisores de presin diferencial

Uno de los instrumentos de medida de presin ms habituales y tiles en la indus-tria es el transmisor de presin diferencial (DP).

Este dispositivo detecta la diferencia de presin entre dos entradas, emitiendo unaseal de salida que representa esa presin con relacin al margen calibrado.

Figura 1.17. Representacin de un transmisor de presin diferencial

Transmisor neumtico DP Transmisor electrnico DP

Mecanismode equilibriode fuerzas

Alta presin

Alojamiento de la cpsulade tipo diafragma

Baja presin Alta presinH L H L Baja presin

Suministro de aire Electrnica

CablesSeal de salida de aire

Alojamiento de la cpsulade tipo diafragma

Los transmisores de presin diferencial pueden representarse de forma sencillacomo se demuestra en la figura 1.17.

De igual modo, el elemento ms frecuente de deteccin utilizado en los modernostransmisores DP modernos es el diafragma. Un lado de este diafragma recibe lapresin del fluido de proceso en la conexin de entrada de alta presin, mientrasque en el otro lado recibe la presin del fluido de proceso en la conexin de entradade baja presin. Cualquier diferencia de presin entre estas dos tomas de presinda lugar a que el diafragma flexe a partir de su posicin normal de reposo. Esteflexamiento se convierte en una seal de salida, mediante diferentes tecnologas,dependiendo del fabricante y modelo del transmisor.

En la figura 1.18 se muestra un esquema del transmisor, dependiendo de la posi-cin del diafragma.

Diafragma flexaa la derecha

Diafragma enposicin reposo

Diafragma flexaa la izquierda

Iguales presiones aplicadas alas conexiones de alta y baja

Sealaumenta

Sealdisminuye

H L

Palta Pbaja Palta Pbaja>

instrumentación básica de medida y control

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