Capítulo 1. Conceptos Básicos de Control. Control Automático

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1 Capítulo 1 Conceptos Básicos de Control A lo largo de la historia el hombre se ha sentido fascinado por maquinarias y dispositivos capaces de imitar las funciones y movimiento de los seres vivos. En la era contemporánea la producción industrial se ha caracterizado principalmente por la optimización de los procesos empleando avances tecnológicos de la comunicación y el control a fin de lograr productos a bajo costo y alta calidad, capaces de cumplir con los estándares exigidos por el mercado. Las diversas formas de automatizar los procesos y servicios se realizan a través del uso de sensores, controladores y actuadores facilitando la producción y minimizando los recursos humanos. La tecnología actual permite supervisar y controlar diversas industrias del tipo productivo o manufacturero en tiempo real. En nuestro país el control y la automatización a través de la electrónica han experimentado un cambio importante en la mayoría de las industrias, para ampliar y mantener su posición en los respectivos campos de acción. Control Automático Se entiende por control automático, el mantener estable una variable de proceso mediante un dispositivo, por lo general electrónico, cuyo valor deseado está almacenado en la memoria de éste y al recibir la señal de la variable controlada realiza los cálculos y estima la acción sobre la variable manipulada, corrigiendo y estabilizando el sistema de control. Este dispositivo eléctrico conocido como controlador, se encuentra en el mercado bajo la denominación de PLC (Controlador Lógico Programable), controlador de lazo digital (microcontrolador) y PC (computadora personal). Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 1

2 Sistemas de Control Para mostrar de una manera más fácil un sistema de control (figura 1) se tomará como ejemplo un proceso típico de intercambio de calor. Figura 1 Intercambiador de Calor Si el Intercambiador de Calor (proceso), fuese manejado solamente por un hombre; sería como se detalla en la figura 2. Figura 2 Control de un Intercambiador de Calor por una Persona Al analizar el control manual de la figura 2, donde el operador mide la temperatura de salida, compara el valor deseado, calcula cuanto más abrirá la Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 2

3 válvula de vapor y hace las correcciones correspondientes; así las funciones básicas del control manual realizado por un ser humano son: Medir Comparar Calcular Corregir Luego los fundamentos de un sistema de control automático deben de provenir de las funciones básicas del control manual realizadas por un ser humano. Elementos de un Sistema de Control Un sistema de control automático simple, generalmente cuenta con los siguientes elementos: sensor, proceso, controlador y actuador (figura 3). Figura 3 Diagrama de Bloques de un Control Automático Variable Controlada Es el parámetro más importante del proceso, debiéndose mantener estable (sin cambios), pues su variación alteraría las condiciones requeridas en el sistema. Su monitoreo a través de un sensor es una condición importante para dar inicio al control. Al analizar el ejemplo mostrado del intercambiador de calor, se observa la intención de calentar agua a través del vapor, para lo cual se deberá tener en cuenta las diversas variable de proceso como son los flujos de vapor y agua, las presiones de vapor y las temperaturas del agua; pero, la más importante Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 3

4 del sistema es la temperatura de salida del agua, por lo tanto la Variable Controlada. Variable Manipulada Es el parámetro a través del cual se debe corregir las perturbaciones del proceso, colocándose un actuador para lograr estabilizar el sistema. En el ejemplo del intercambiador de calor, quien proporciona mayor o menor cantidad de energía al sistema es el ingreso de vapor, por lo tanto la variable a manipular será el flujo de ingreso de vapor. Variable Perturbadora Es el parámetro desestabilización del sistema por cambios repentinos afectando el proceso. En el ejemplo, la variable perturbadora está representada por el flujo de entrada de agua fría, si por una baja de tensión se altera el funcionamiento de la bomba de suministro de agua, provocaría un menor ingreso de flujo al proceso originando la desestabilización del sistema. Variable Medida Es todo parámetro del proceso requerido para conocer su valor, y que por lo tanto deberá ser monitoreado, no siendo necesariamente la más importante para controlar el sistema, pero si para mantener un registro de data. Sensor o Elemento Primario de Medición Los sensores son los elementos primarios de medición de variables del proceso, siendo algunos usados para lectura e indicación y otros para transformar la variable medida en una señal eléctrica. Los más usados en la industria son los de nivel, de presión, de temperatura, de flujo y de proximidad entre otros. Esta señal va hacia la entrada del controlador para ser comparada con el valor de referencia o set- point determinando el error y la acción de control. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 4

5 Tipos de Sensores De Contacto o No Contacto Los sensores pueden ser clasificados de diversas maneras. Una forma común y simple es dividir los sensores en dos categorías: de contacto o no contacto. Los sensores de contacto realizan la medida contacto físico con el producto; por ejemplo los sensores de boyas para medir el nivel de un tanque. Un sensor de no contacto se basa en las propiedades físicas de los materiales para realizar su medida; típicamente son menos propensos a fallas. Su uso se ve limitado por la característica del material a medir o por la gran interferencia en el ambiente de instalación, ocasionando malas lecturas. Un ejemplo de este tipo de sensor es el medidor de flujo ultrasónico. Digital o Analógico Otra forma de clasificar los sensores es por el tipo de señales de salida; éstas pueden ser de tipo digital o analógico. Los sensores digitales trabajan en dos estados: encendido (on) o apagado (off). Muchas aplicaciones implican tener conocimiento de la ausencia o presencia de algo. Los sensores analógicos proporcionan medidas continuas, pudiendo ser utilizadas en diversos aspectos de la operación, como son el nivel, la presión, temperatura y el flujo, caracterizándose por funcionar en un rango de 4 a 20 ma. Controlador El controlador es un instrumento para detectar los desvíos existentes entre el valor medido por un sensor y el valor deseado o set-point programado por un operador, emitiendo una señal de corrección hacia el actuador como se observa en la figura 4. Los controladores pueden ser del tipo manual, neumático ó digital (electrónico). Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 5

6 Figura 4 Control Automático Actuador o Elemento Final de Control Los actuadores son los elementos finales de control y tienen por función, alterar el valor de la variable manipulada con el fin de corregir o limitar la desviación del valor controlado, respecto al valor deseado. Los fabricantes actualmente proveen una serie de actuadores tales como motores, válvulas, relés y conmutadores (swicthes). Los actuadores pueden ser de diversos tipos: Proceso Eléctricos Neumáticos Hidráulicos El término proceso para los fines de control, significa el equipo a automatizar en donde se estabiliza la variable de control, a través de los sensores, actuadores y controladores. Características Dinámicas de las Variables de Proceso Es necesario determinar las características dinámicas de las variables de un proceso para conocer las perturbaciones que desestabilizan el sistema. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 6

7 Inercia Es la propiedad de los cuerpos por la tienden a no variar del estado estacionario sin la intervención de una fuerza extraña. Resistencia y Capacidad Las partes del proceso tendientes a almacenar masa o energía son denominadas capacidad y las partes con cualidades para resistir la transferencia de energía o masa son denominadas resistencia. Atraso de Transporte Otro factor importante para la dinámica de procesos incluye el movimiento de masas entre dos puntos y es denominado atraso de transporte o tiempo muerto. Respuesta de los Procesos frente a una Perturbación La respuesta de un proceso a una determinada perturbación están casi siempre caracterizadas por dos constantes: una constante de tiempo () y una ganancia estática. La ganancia es la amplificación o atenuación de la perturbación en el interior del proceso y no tiene interferencia con las características de tiempo de respuesta. La constante de tiempo es la medida necesaria para ajustar un sistema de una perturbación en la entrada y puede ser expresada como: resistenci a capacidad Señales Una señal se define como una cantidad física variando con el tiempo, el espacio o cualquier otra variable independiente. Señales Eléctricas Las señales eléctricas pueden representar su información clasificándolas en: Señales Analógicas Señales Digitales Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 7

8 Los equipos para medir las señales analógicas y digitales pueden ser: Los polímetros, miden tensión o corriente Las impedancias, miden resistencias y capacidades Las sondas lógicas, indican si se encuentra en el nivel (0 ó 1). Señales Analógicas También denominada señal continua, se caracteriza por tomar cualquier valor dentro de unos determinados márgenes y llevar la información en su amplitud. Figura 5 Señal Analógica Señales Digitales Estas señales toman un número finito de niveles o estados entre un máximo y un mínimo. Las más utilizadas son las binarias, teniendo dos niveles asignados a los números binarios 0 y 1. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 8

9 Figura 6 Señal Digital Señal Neumática Se define como la variación física a través de la compresión o expansión de un fluido gaseoso generalmente el aire en un determinado tiempo. Se usa principalmente para la actuación sobre elementos finales de control tales como válvulas y pistones, entre otros. Señal Hidráulica Es la variación de la presión de un fluido líquido como aceites de alta viscosidad con respecto al tiempo. Se emplea principalmente en elementos finales de control donde se requieren fuerza considerable, como el caso de compuertas y pistones entre otros. Señales de Sonido Es el movimiento vibratorio de los cuerpos en una frecuencia determinada generando una onda al desplazarse a través de un fluido. Se aplica frecuentemente en la transmisión de información audible tal como el caso de alarmas. Sistemas de Control Automático El objetivo de cualquier estrategia de control es mantener una variable llamada controlada próxima a un valor deseado conocido como punto de ajuste (set-point). El término regularización es utilizado para describir la acción de control de agentes de perturbación del estado de equilibrio de la variable controlada. Un sistema de control, solamente puede llegar a la regulación, aplicando en oposición a las fuerzas perturbadoras llamadas cargas, correcciones Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 9

10 equivalentes en una o más variables denominada manipulada. La variable controlada permanecerá estable en el proceso, mientras se encuentre en estado estacionario. Este equilibrio puede ser alcanzado usualmente por distintos sistemas de control clásico o moderno. Sistemas de Control Clásico Sistemas de Control de Lazo Abierto Se denominan sistemas de control de lazo abierto cuando la salida no tiene efecto sobre la acción de control. En estos casos, no se compara la salida con la entrada de referencia. Por lo tanto, para cada entrada de referencia corresponde una condición de operación fija. Así, la precisión del sistema depende de la calibración y del operador cuya función será la del controlador. En presencia de perturbaciones, un sistema de control de lazo abierto no cumple función reguladora, ya que no tiene forma de conocer el resultado del control efectuado o salida del proceso. En la práctica el control de lazo abierto sólo se utiliza si la relación entre la entrada y la salida es conocida y si no se presentan perturbaciones tanto internas como externas significativas. Sistema de Control de Lazo Cerrado Se denomina sistema de control de lazo cerrado a aquel que frente a una perturbación, reduce la diferencia entre la salida del sistema y el valor deseado o set point, realizando el control de forma automática. Sistemas de Control Moderno Control Adaptativo Es un método en el cual la respuesta de un controlador varía automáticamente basado en los cambios de las condiciones dentro del proceso y puede emplearse en diversas aplicaciones, como por ejemplo en el control del ph. Control Difuso Este control utiliza la lógica difusa a través de conceptos de inteligencia artificial, para convertir una muestra de la señal real a números difusos, para tratarlos luego según las reglas de inferencia y las bases de datos, Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 10

11 determinados en las unidades de decisión, permitiendo así la estabilización del sistema sin la necesidad de fijar un punto de referencia (set-point). Redes Neuronales Artificiales Están diseñadas para actuar como lo hace el cerebro humano, conectando la red entre los elementos de la forma más sencilla para poder ser entrenados, y realizar funciones complejas en diversos campos de aplicación. Instrumentación Electrónica La instrumentación industrial es la parte de la electrónica, principalmente analógica, que se encarga del diseño y manejo de los aparatos electrónicos, sobre todo para su uso en mediciones. La instrumentación electrónica se aplica en el sensado y procesamiento de la información proveniente de variables física y químicas, a partir de las cuales se realiza el monitoreo y control de procesos, empleando dispositivos y tecnologías electrónicas. Sensores Un sensor es un elemento que se encarga que transformar la variación de la magnitud a medir en una señal eléctrica. Los sensores se pueden dividir en: Pasivos: los que necesitan un aporte de energía externa. Resistivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de su resistencia eléctrica. Un ejemplo puede ser un termistor, que sirve para medir temperaturas. Capacitivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de la capacidad de un condensador. Un ejemplo es un condensador con un material en el dieléctrico que cambie su conductividad ante la presencia de ciertas sustancias. Inductivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de la inductancia de una bobina. Un ejemplo puede ser una bobina con el núcleo móvil, que puede servir para medir desplazamientos. Activos: los que son capaces de generar su propia energía. A veces también se les llama sensores generadores. Un ejemplo puede ser un transistor en el que la puerta se sustituye por una membrana permeable sólo a algunas sustancias (IsFET), que puede servir para medir concentraciones. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 11

12 A veces también se puede aprovechar una característica no deseada de un elemento, como la dependencia de la temperatura en los semiconductores, para usar estos elementos como sensores. Acondicionadores La señal de salida de un sensor no suele ser válida para su procesado. Por lo general requiere de una amplificación para adaptar sus niveles a los del resto de la circuitería. En algunos casos, puede que la salida del sensor no sea lineal o incluso que ésta dependa de las condiciones de funcionamiento (como la temperatura ambiente o la tensión de alimentación) por lo que hay que linealizar el sensor y compensar sus variaciones. La compensación puede ser hardware o software. Otras veces la información de la señal no está en su nivel de tensión, puede que esté en su frecuencia, su corriente o en algún otro parámetro, por lo que también se pueden necesitar demoduladores, filtros o convertidores corriente-tensión. Un ejemplo clásico de acondicionador es el puente de Wheatstone, en el que se sustituyen una o varias impedancias del puente por sensores. A continuación típicamente se coloca un amplificador. Por último, entre el acondicionador y el siguiente paso en el proceso de la señal puede haber una cierta distancia o un alto nivel de ruido, por lo que una señal de tensión no es adecuada al verse muy afectada por estos dos factores. En este caso se debe adecuar la señal para su transporte, por ejemplo transmitiendo la información en la frecuencia o en la corriente (por ejemplo el bucle de 4-20mA). Transductor Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente de salida. El nombre del transductor indica cual es la transformación que realiza, aunque no necesariamente la dirección de la misma. Es un dispositivo usado principalmente en las ciencias eléctricas para obtener la información de entornos físicos a señales o impulsos eléctricos o viceversa. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 12

13 Digitalización Para un procesado de la señal eficaz hay que convertir la señal en digital. La instrumentación también estudia la conversión analógica-digital, así como la conversión digital-analógica. Por otra parte también pueden usarse técnicas de multiplexado de señales en el caso que haya más de una para medir. Instrumentación Virtual La instrumentación virtual consiste en la emulación de instrumentos físicos mediante el empleo de equipos de computación. En estos casos, el computador recaba la información correspondiente de la variable a medir y muestra la información por pantalla, en muchos casos semejando el comportamiento de un instrumento físico. Algunos programas especializados en este campo son LabVIEW y Agilent-VEE (antes HP-VEE), y algunos buses de comunicación populares son GPIB, RS- 232, USB, etc. Características y Parámetros de los Instrumentos Industriales de Medición Escala Completa de Salida Es la diferencia algebraica entre las señales eléctricas de salida medidas con el máximo estímulo de entada y el mínimo estímulo de entrada. Debe incluir toda desviación de la función de transferencia lineal Exactitud En instrumentación se denomina exactitud a la capacidad de un instrumento de medir un valor cercano al valor de la magnitud real. Exactitud implica precisión, pero no al contrario. Esta cualidad también se encuentra en instrumentos generadores de magnitudes físicas, siendo en este caso la capacidad del instrumento de acercarse a la magnitud física real. Es la razón de la máxima desviación de un valor representado por el sensor, con respecto al valor ideal. Normalmente viene expresado en porcentaje. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 13

14 Ejemplo Un sensor de desplazamiento lineal debería, idealmente, generar un milivoltio por cada milímetro de desplazamiento. Sin embargo en un experimento, un desplazamiento de 10,5 mm, produjo una salida 10,5 mv. Considerando sólo este valor, se esperaría que el desplazamiento hubiera sido de 10,5 mm, Esta desviación indica una exactitud de ±5%. Precisión En instrumentación se denomina precisión a la capacidad de un instrumento de dar el mismo resultado en mediciones diferentes realizadas en las mismas condiciones. Es un parámetro relevante, especialmente en la investigación de fenómenos físicos, ámbito en el cual los resultados se expresan como un número más una indicación del error máximo estimado para la magnitud. Ejemplo Se está midiendo un voltaje conocido de 100 V. Se toman cinco lecturas con cierto voltímetro y los valores encontrados son 104, 103, 105, 103 y 105 V respectivamente. Ya que la desviación máxima del instrumento con respecto al valor real (100 V) es de 5 V, entonces se tiene que la exactitud es de ±5%. Como la desviación máxima con respecto a la media de las lecturas es de 1 V, entonces la precisión es de ±1%. Idealmente un instrumento es exacto y preciso con medidas todas cercanas entre sí y a la vez, cercanas al valor deseado. Algunos de los factores que falta de exactitud y precisión incluyen: Variaciones en los materiales Imprecisiones humanas en la fabricación Errores de diseño Tolerancias en la fabricación Condiciones ambientales Error de Calibración Es la inexactitud permitida por el fabricante, que debe darse como especificación del dispositivo. Histéresis La histéresis es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado. En instrumentación, es la desviación de la señal de salida del sensor en un punto Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 14

15 específico de la señal de entrada, cuando se le aproxima al punto desde direcciones opuestas Ejemplo Un termómetro al medir un objeto que se encuentra a 50 C arroja una lectura de 49 C cuando el objeto se está calentando y de 51 C cuando se está enfriando. En este caso se dice que la histéresis es de ±1 C. No Linealidad Es aplicable sólo a los casos donde la función de transferencia puede ser aproximada por una recta, y consiste en la máxima desviación de una función de transferencia real con respecto a la aproximación real. Se mide en términos de la no linealidad máxima y se expresa como un porcentaje de la deflexión de escala completa. Sensibilidad La sensibilidad de un dispositivo electrónico, es la mínima magnitud en la señal de entrada requerida para producir una determinada magnitud en la señal de salida, dada una determinada relación señal a ruido, u otro criterio especificado. Se representa como la razón de cambio entre la salida del sensor y el estímulo. Resolución Es el cambio más pequeño de la variable medida, que un sensor es capaz de detectar. Se define como el mayor cambio en la entrada que puede ocurrir sin cambio correspondiente en la salida. La resolución está relacionada con la precisión con la cual se realiza la medida. Zona Muerta Es el área de valores de la variable medida, que no hace variar la indicación del instrumento. Campo de Medida Es el conjunto de valores de la variable medida, que están comprendidas dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medición o Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 15

16 transmisión del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos. Ejemplo El campo de medida de un termómetro es de 100 a 300 C Alcance Es la diferencia algebraica entra los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. Ejemplo El campo de medida del termómetro citado en el ejemplo anterior es de 200 C Saturación Es el área de valores de la variable medida, donde el instrumento ha sobrepasado su capacidad máxima de operación por lo que se presenta un comportamiento distinto a la operación normal y por lo tanto, no confiable. Repetibilidad Es la capacidad de un instrumento para reproducir la misma lectura al leer valores idénticos de la variable bajo las mismas condiciones. Ejemplo Un manómetro con precisión de 1 psi que mide una presión de 25 psig y entrega lectura de 25,5, 26, 24,3 y 24 psig se dice que tiene una operación repetible. Si arrojase una lectura de 27 psig estaríamos frente a una falta de repetibilidad, a menos que se demuestre que existe un problema de histéresis. Error Es la diferencia entre el valor leído por el instrumento y el valor de la variable medida. Ruido Son señales impuras que afectan a las diferentes señales del sistema de medición. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 16

17 Linealidad Es la proporción directa y libre de errores con equivalencias de alta calibración Elevación de Cero Es la cantidad con que el valor cero de la variable supera al valor inferior del campo de medida. Supresión de Cero Es la cantidad de desfase que hay por debajo del valor inferior del rango Temperatura de servicio Es la temperatura de trabajo del instrumento Rango Es el campo de medida para cualquier número de valores que siempre deben estar entre un límite superior e inferior, según las especificaciones del instrumento. Vida Útil de Servicio Es el tiempo durante el cual se espera que el instrumento funcione de acuerdo con las especificaciones del fabricante. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 1 Página 17

18 Capítulo 2 Medición de Presión Definiciones Básicas La presión es definida como la fuerza por unidad de área, ejercida por un fluido líquido o gas en cualquier superficie. Típicamente se realizan tres tipos de medición de presión: Presión Absoluta es la presión tal y como fue definida anteriormente. Representa la diferencia de presión entre el punto de medición y el vacío perfecto donde la presión es cero. Presión Relativa es la diferencia de presión entre el punto de medida y el ambiente. En realidad la presión ambiente (atmosférica) puede variar, pero sólo la diferencia de presión es lo que interesa en la medida de presión relativa. Presión Diferencial es la diferencia de presión entre dos puntos, uno de los cuales funciona como la referencia. En la realidad ambas presiones pueden variar, pero lo que importa es la diferencia de presión. Unidades de Presión y Conversión La principal unidad de medida de la presión es el pascal (Pa), que está definido como un newton por pulgada cuadrada (Nm -2 ). Un pascal es una unidad de presión muy pequeña; por esa razón, se emplean múltiplos del pascal (kilopascal [kpa] y megapascal [MPa]) para representar altas presiones. En los Estados Unidos la unidad de medida comúnmente usada para la presión es la libra de fuerza por pulgada cuadrada (psi), la cual equivale a aproximadamente 6,9 kpa. Adicionalmente, para las presiones absoluta, relativa y diferencial se especifican psia, psig y asid respectivamente. Sin embargo, esta diferenciación sólo se hace con esta unidad de medida. Otra unidad de medida para la presión es el milímetro de mercurio a 0 C (mm Hg) o la pulgada de agua a 4 C (in H 2 O), las cuales expresan la presión en Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 2 Página 18

19 términos de la altura de una columna de líquido estático. La presión está referida a la que se ejercería en la base de la columna de líquido debido a su peso de acuerdo con la ecuación que se muestra a continuación: p g h donde es la densidad del líquido, g es la aceleración de la gravedad y h es la altura de la columna. La tabla 2.1 muestra los valores de conversión de las unidades de medida más comúnmente utilizadas para representar la presión. Tabla 2.1 Tabla de Conversión de Unidades de Presión Unidad kpa psi in H 2 O cm H 2 O in Hg mm Hg mbar kpa 1, , , ,2000 0, , ,0000 psi 6, , , ,3100 2, , ,9500 in H 2 O 0, , , , , , ,49100 cm H 2 O 0, , , , , , ,98060 in Hg 3, , , ,5300 1, , ,8600 mm Hg 0, , , , , , ,33300 mbar 0, , , , , , ,00000 kpa: kilopascal psi: libra de fuerza por pulgada cuadrada in H 2 O: pulgada de agua a 4 C cm H 2 O: centímetro de agua a 4 C in Hg: pulgada de mercurio a 0 C mm Hg: milímetro de mercurio a 0 C mbar: milibar Principios de Medición Dado que la presión es definida como la fuerza por unidad de área, la manera más directa de medirla es aislarla un área en un elemento mecánico elástico para que la fuerza actúe sobre ella. La deformación del elemento sensor produce desplazamientos y tensiones que pueden ser detectadas con gran precisión para obtener una medida calibrada de la presión. Esto constituye la base de todos los sensores de presión disponibles comercialmente en la actualidad. En concreto, los requerimientos básicos para un elemento sensor de presión son un medio para aislar dos presiones de fluidos uno que será medido y otro que se usará como referencia y una porción elástica que permita convertir la diferencia de presión en deformación del elemento sensor. Existen diversos tipos de elementos sensores de presión, que pueden ser agrupados en diafragma, fuelle y tubo. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 2 Página 19

20 Sensores de Presión tipo Diafragma En este caso el dispositivo elástico es una membrana ondulada. El fluido es dirigido de tal manera que entre en contacto con la superficie constituida por la membrana, la cual traduce la presión de éste en un movimiento cuyo desplazamiento es proporcional a la magnitud de la presión. Figura 2.1 Sensores de Presión de Diafragma Sensores de Presión tipo Fuelle Estos sensores fueron desarrollados a partir de la necesidad de medir presiones muy bajas. Estos sensores son los más exactos cuando se miden presiones entre los 0,5 y 75 psig. Sin embargo, combinados con resortes apropiados, son capaces de medir presiones sobre los psig. Figura 2.2 Sensor de Presión de Fuelle El fuelle está hecho de una sola pieza metálica colapsable, que tiene dobleces profundos formados a partir de un tubo de paredes muy delgadas. El diámetro del fuelle va de los 0,5 a las 12 pulgadas y puede tener hasta 24 dobleces. La presión del sistema es aplicada al volumen interno del fuelle. Las variaciones en la presión, ocasionan que el fuelle se expanda y contraiga. El movimiento del fuelle es entonces convertido en una señal eléctrica o es conectado directamente a un dispositivo indicador. Dentro de los límites de elasticidad del fuelle, la relación entre incremento en la carga y la deflexión Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 2 Página 20

21 del fuelle es lineal. Los fuelles deben ser construidos de tal manera que el movimiento ocurra en compresión. Por lo tanto, en la práctica, el fuelle siempre tiene un resorte que se le opone y las características de deflexión será la que resulte de las fuerzas ejercidas por el resorte y el fuelle. Sensores de Presión tipo Tubo de Bourdon El sensor tipo tubo de Bourdon es uno de los instrumentos más antiguos para la medición de presión. El tubo de Bourdon consiste en un tubo de paredes delgadas curvado o torcido a lo largo que presenta una sección transversal ovalada. EL tubo está sellado en un de sus extremos, y tienen a enrollarse o desenrollarse cuando es sometido a una presión en su interior. En general, los tubos de Bourdon están diseñados para medir altas presiones. Figura 2.3 Sensor de Presión tipo Tubo de Bourdon La presión aplicada en el interior ocasiona una distensión en la sección transversal plana por lo que tienen a desenrollarse. Debido a que el tubo está firmemente fijado en uno de sus extremos, la otra punta del tubo traza un movimiento curvo que resulta en un cambio de la posición angular con respecto al centro. El movimiento de la punta puede ser usado para desplazar un indicador o para ser convertido en una señal eléctrica equivalente Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 2 Página 21

22 Método de Detección Se requiere de un método de detección que convierta la deformación del elemento sensor en una lectura de presión. La forma más simple es amplificar el movimiento mecánicamente y adosar un indicador sobre una escala graduada. Algunos de los más antiguos sensores de presión empleaban un tubo de Bourdon que actuaba sobre una resistencia variable (potenciómetro). Otra solución es utilizar el desplazamiento del tubo de Bourdon para mover un núcleo magnético dentro de una bobina para variar su inductancia. En los sensores de presión piezoeléctricos, la tensión asociada a la deformación del elemento sensor es convertido en electricidad utilizando un cristal piezoeléctrico. Este tipo de sensor es de gran utilidad cuando se miden eventos transitorios de alta presión. Sensores de Presión Capacitivos Está técnica permite la construcción de sensores de presión de alta exactitud (menos de 0,1%) que pueden ser diseñados para cubrir un amplio rango de presiones. El principio de funcionamiento de estos sensores es el siguiente. Un diafragma de metal o silicio es usado con el elemento sensor y constituye uno de los electrodos del condensador. El otro electrodo, que es estacionario, está típicamente construido a partir de una capa de metal sobre un substrato cerámico o de vidrio. Cuando se aplica una presión el diafragma se reflecta lo que cambia el espacio entre los electrodos y por ende la capacitancia. En el diseño capacitivo diferencial, el diafragma sensor está colocado en el medio de dos electrodos estacionarios. Al aplicarse una presión, una de las capacitancias disminuye mientras que la otra aumenta. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 2 Página 22

23 Figura 2.4 Sensor Capacitivo Diferencial Sensores de Presión Piezoresistivos Los sensores de presión piezoresistivos son los más usados actualmente. El efecto piezoresistivo se refiere al cambia en la resistencia eléctrica que sufre un material cuando es sometido a presión o tensión. Sensores de Presión a base de Microchips de Silicio Los sensores de presión a base de microchips de silicio se refieren a una clase de sensores de presión que emplean técnicas de circuitos integrados para construir elementos sensores de diafragma en un chip de silicio. Las galgas de tensión hechas de resistencias difuminadas de silicio están típicamente integradas a diafragmas que convierten la deflexión inducida en una variación de la resistencia eléctrica. Consideraciones en el Uso de Sensores de Presión Los instrumentos de presión son sensibles a las variaciones en la presión atmosférica que rodea el detector. Esto es especialmente importante cuando el detector se encuentra ubicado en un ambiente cerrado. Las variaciones en la presión que circunda al sensor ocasionan que la presión indicada cambie. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 2 Página 23

24 Esto reduce la exactitud del instrumento y debe ser considerado al momento de su instalación y mantenimiento. La temperatura ambiente afecta la exactitud y confiabilidad de la detección de presión. Las variaciones en la temperatura ambiente afectan directamente la resistencia de los componentes en la circuitería del instrumento, afectando por ende la calibración del equipo. El efecto de las variaciones de temperatura es reducido por el diseño de la circuitería y mantenimiento la instrumentación para detección de presión en el ambiente apropiado. La presencia de humedad afecta a la mayoría de los equipos eléctricos, en especial a los electrónicos. Una alta humedad puede causar condensación dentro del equipo. La condensación puede ocasionar cortocircuitos, aterramiento, corrosión que a la larga dañará los componentes. Los efectos de la humedad son controlados mantenimiento el equipo en el ambiente apropiado. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 2 Página 24

25 Capítulo 3 Medición de Temperatura La Medida de la temperatura constituye una de las mediciones más comunes e importantes efectuadas en los procesos industriales, estableciéndose sus limitaciones según el tipo de aplicación, la precisión, velocidad de captación, distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador necesario. Se utiliza una gran variedad de transductores para medir temperatura, algunos de cuales la convierten directamente en una señal eléctrica y otros se emplean en combinación con un transductor. Los transductores de temperatura más comunes son: Bandas Bimetálicas Termopares Detectores de temperatura resistivos (RTD) Termistores Sensores de semiconductor Pirómetros de radiación Los metales puros tienen un coeficiente de resistencia de temperatura positivo bastante constante, por lo que el factor de proporcionalidad entre la resistencia y la temperatura es una línea recta. Al usar un alambre de metal puro para la medición de temperatura, se le refiere como detector resistivo de temperatura o RTD (Resistive Temperature Detector). Termómetros de Vidrio Este instrumento posee un depósito de vidrio el cual contiene un fluido, cuyo cuerpo se dilata por acción de calor, expandiéndose a través del tubo capilar graduado, para medir la temperatura en las unidades señaladas por el termómetro. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 3 Página 25

26 Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son: Mercurio: desde -35 C hasta 280 C Pentano: desde -200 C hasta 20 C Alcohol: desde -110 C hasta 50 C Tolueno: desde -70 C hasta 100 C Figura 3.1 Termómetro de Vidrio Banda o Cinta Bimetálica Este sensor se construye por medio de dos cintas de metales diferentes unidas. Debido a la diferencia en los coeficientes de expansión térmica de los dos metales, el calentamiento de toda la cinta origina una mayor expansión longitudinal en una de ellas; como las cintas están soldadas a lo largo de toda su extensión, toda la cinta se doblará en la dirección del metal que se expande menos. La extensión del doblamiento es proporcional al cambio de temperatura. Si un extremo de la cinta esta sujeto firmemente, mientras el otro esta libre, la magnitud del doblamiento se puede emplear para indicar el cambio de temperatura. Esto se puede lograr uniendo un transductor de posición al extremo libre de la cinta y calibrar su desplazamiento de acuerdo con los cambios de temperatura. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 3 Página 26

27 Figura 3.2 Termómetro Bimetálico Las ventajas al trabajar del termómetro bimetálico incluyen: Rápida respuesta e indicación exacta de la temperatura. Estructura maciza y fuerte para trabajar en condiciones difíciles. Fácil lectura. Simple y conveniente calibración La exactitud de medición no es afectada por los cambios de ambiente en su cubierta. El visor puede instalarse lejos del punto de medición. Se puede aplicar en ambientes corrosivos y de alta presión. Precisión de ± 1 % Estos transductores también pueden ser empleados como interruptores, utilizando los movimientos de la cinta para activar o desactivar equipos y su rango de aplicación varía desde los -2.3 C hasta 285 C. Termocuplas Las termocuplas, también llamados comúnmente termopares, se utilizan extensamente, ofreciendo un amplio rango de temperaturas y una construcción robusta. No precisan alimentación de ningún tipo y su reducido precio los convierte en una opción muy atractiva para grandes sistemas de adquisición de datos. Sin embargo, para superar algunos de los inconvenientes inherentes a los termopares y obtener resultados de calidad, es importante entender la naturaleza de estos dispositivos. Principio de Funcionamiento El comportamiento de un termopar se basa en la teoría del gradiente, según la cual los propios hilos constituyen el sensor. Cuando se calienta uno de los Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 3 Página 27

28 extremos de un hilo, se produce una tensión en función del gradiente de temperatura desde uno de los extremos del hilo al otro (de acuerdo con el coeficiente de Seebeck, que es una constante de proporcionalidad que varía de un metal a otro). Metal A Juntura de Referencia Flujo de corriente Juntura de Medición Metal B Llama Figura 3.3 Representación a la Juntura en una Termocupla El sensor es un circuito formado por dos cables distintos unidos en ambos extremos, desarrollando un voltaje proporcional a la diferencia de temperaturas en las dos uniones a las cuales se les conoce como juntura de medición y juntura de referencia. Figura Termocupla Clasificación La clasificación de las termocuplas ha sido establecida por la ANSI, tomando en cuenta la respuesta de voltaje versus temperatura, el desempeño en el medio ambiente y la vida útil. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 3 Página 28

29 Tabla 3.1 Tipos de Termocuplas Tipos Materiales Aplicación ( F) mv B Platino 30% Rodio (+) Platino 6% Rodio (-) ,007 a 13,499 C Tungsteno 5% Renio (+) Tungsteno % Renio (-) E Cromel (Cr-Ni) (+) Constantan (Cu-Ni) a 75,12 (-) J Acero (+) Constantan (-) ,52 a 50,05 K Cromel (+) Alumel (-) ,51 a 51,05 N Nicrosil (+) Nisil (-) R Platino 13% Rodio (+) Platino (-) a 18,636 S Platino 10% Rodio (+) Platino (-) a 15,979 T Cobre (+) Constantan (-) ,28 a 20,80 Detectores de Temperatura Resistivos (RTD) El cambio en la resistencia de un metal hace posible medir la temperatura a través del paso de corriente eléctrica. La construcción clásica de un detector de temperatura resistivo consiste en una bobina de alambre delgado de cobre, níquel o platino fijado a un bastidor de soporte. También se fabrican depositando una película delgada de platino sobre un substrato de cerámica. Estos RTD s requieren menos platino y son más baratos. Los RTD s se caracterizan por tener una excelente linealidad en el rango de operación. Para trabajos a baja temperatura se emplean resistencias de carbón. Cuando se necesita bajo costo se emplean cobre y níquel, pero con la desventaja de una linealidad reducida. Los rangos de los RTD's varían entre los 10 ohmios para los modelos de jaula y varios miles de ohmios para los RTD's de película metálica. Para detectar cambios de resistencia presentes en los RTD's se emplean puentes de Wheatstone. La aplicación de este sensor, se realiza en cualquier actividad industrial y los rangos de temperaturas, según el material utilizado son: Platino: -200 a 650 ºC Cobre : -100 a 260 ºC Níquel: -100 a 205 ºC Película de platino: -50 a 550 C Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 3 Página 29

30 Figura 3.5 RTD Ventajas Comportamiento lineal en amplio rango de operación Amplio rango de temperatura, aplicación para altas temperaturas Fácil de intercambiar (estándar) Buena estabilidad a altas temperatura Alta relación señal a ruido; buena exactitud y permite grandes distancias entre el sensor y el equipo de medición Desventajas La magnitud de la corriente debe ser inferior a 5 ma para no causar un aumento de temperatura en el RTD Baja sensibilidad Alto costo Afectado por choques y vibraciones Termistores Los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado con una curva característica lineal cuando la temperatura es constante. Los termistores se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros circuitos de medida de resistencia. En intervalos amplios de temperatura, los termistores tienen características no lineales. Son de Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 3 Página 30

31 pequeño tamaño y su tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor, variando de fracciones de segundo a minutos. Figura Figura Montaje 3.6 de Termistores Comerciales Los termistores encuentran su principal aplicación en la compensación de temperatura, como temporizadores y como elementos sensibles en vacuómetros. Los termistores, son detectores resistivos fabricados normalmente de semiconductores cerámicos, que ofrecen una impedancia más alta que los RTD. La reducción de los errores provocados por los hilos conductores, hacen bastante factible el uso de la técnica de dos hilos. Su propiedad de presentar un gran cambio de resistencia con un pequeño cambio de temperatura, permite obtener medidas de alta resolución y reduce el impacto de la resistencia de los hilos conductores. Por otra parte la baja masa térmica del termistor, minimiza la carga térmica en el dispositivo sometido a prueba. El inconveniente del termistor es su falta de linealidad, siendo necesaria la implementación de un algoritmo de linealización. Transductores de Temperatura basados en Semiconductores Existen muchos dispositivos basados en la sensibilidad térmica de los semiconductores. Los tres tipos más comunes son las resistencias semiconductoras volumétricas, los diodos y los circuitos integrados. Resistencias Semiconductoras Volumétricas Son dispositivos semiconductores sencillos. Varían su resistencia con un coeficiente positivo de temperatura de 0,7% por C. Trabajan en un rango de temperaturas desde los -65 C hasta los 200 C siendo razonablemente lineales (±0.5%). Tienen el aspecto de resistencias de ¼ W y su resistencia nominal va desde 10 hasta 10 k con tolerancias de 1% a 20%. Son Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 3 Página 31

32 dispositivos de bajo costo. Tiene como desventaja, se debe a los efectos del propio calentamiento. Diodos Semiconductores Su principio de funcionamiento se basa en la proporcionalidad del voltaje de juntura del diodo a la temperatura del mismo. Para los diodos de silicio, este factor de proporcionalidad es de -2.2 mv/ C. El rango de temperaturas de este sensor va desde los -40 C hasta 15 C. Son muy utilizados por su bajo costo, linealidad y rápida respuesta. Tienen como desventaja, que dos diodos del mismo tipo pueden tener diferentes valores iniciales de voltaje de juntura, por lo que es necesario la inclusión de circuitos de calibración. Circuitos Integrados Este tipo de transductor es altamente lineal y su porcentaje de error puede llegar a ser de hasta 0.05% (según el rango de temperatura). Por trabajar con corriente, no es afectado por el ruido; el calentamiento propio es despreciable. Puede ser utilizado como sensor remoto de temperatura, ay que las caídas en la línea son pequeñas. Pirómetros de Radiación Los pirómetros de radiación se basan en la ley de Stefan-Boltzman (K), donde la intensidad de energía radiante (w) emitida por la superficie de un cuerpo, aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (T) del mismo. Desde el punto de vista de medición de temperaturas industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde las 0,1 micras para las radiaciones ultravioletas, hasta 12 micras para las radiaciones infrarrojas. La radiación visible ocupa un intervalo entre la longitud de onda 0,45 micras para el valor violeta hasta 0,70 micras para el rojo. Los pirómetros de radiación total miden la temperatura captando toda o parte de la energía emitida por un cuerpo. Los pirómetros ópticos miden la temperatura de un cuerpo en función de la radiación luminosa emitida. Pirómetros Ópticos Los pirómetros ópticos manuales se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 3 Página 32

33 Pueden ser de dos tipos, que incluyen corriente variable ó constante en la lámpara y variación del brillo de la imagen de la fuente. Filtro Lampara de comparacion Persiana Persiana Lente Temperatura demasiado baja Temperatura correcta Ventanilla de enf oque Lente Ventanilla de enf oque Lampara de enf oque Figura 3.7 Pirómetros Ópticos Temperatura demasiado alta Los pirómetros ópticos automáticos consisten en un disco rotativo para modular la radiación del objeto y la de una lámpara estándar incidiendo en un fototubo multiplicador. Éste envía una señal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua, convenientemente acondicionada para modificar la corriente de alimentación de la lámpara estándar hasta coincidir con el brillo de la radiación del objeto y de la lámpara. En algunos modelos, el acondicionamiento de señal se realiza con un microprocesador permitiendo alcanzar una precisión de ±0,5% en la lectura. El pirómetro dirigido sobre una superficie incandescente no proporciona una temperatura verdadera si la superficie no es perfectamente negra. Superf icie del objeto que se esta examinando Filamento del pirometro Figura 3.8 Principio de Funcionamiento del Pirómetro Óptico de Desaparición de Filamento Pirómetro de Radiación Total El pirómetro de radiación total, está formado por una lente de pirex, silicio o fluoruro de calcio, que concentra la radiación del objeto caliente en una Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 3 Página 33

34 termopila formada por varios termopares de Pt-Pt/Rh, de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa los hace muy sensible a pequeñas vibraciones de la energía radiante, y muy resistentes a vibraciones o choques. La parte de los termopares expuesta a la radiación está ennegrecida, para aumentar sus propiedades de absorción y proporcionar la fuerza electromotriz máxima (FEM). Objeto Lente Termopila TR Figura 3.9 Pirómetro de Radiación Total La fuerza electromotriz máxima proporcionada por la termopila, depende de la diferencia de temperatura entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión fría. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro (temperatura ambiente). La compensación de ésta se lleva a cabo utilizando una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro y colocada en su interior para igualar la temperatura de este cuerpo. Al aumentar la temperatura ambiente, aumenta el valor de la resistencia de la bobina de níquel, compensado la pérdida de la fuerza electromotriz máxima de la termopila para calentar el cuerpo del instrumento. En los bornes de la termopila va conectado un cable de cobre que llega hasta el instrumento. La compensación descrita se utiliza para temperatura ambiente máxima de 120 C. Para temperaturas mayores, se emplean dispositivos de refrigeración por aire o por agua, disminuyendo la temperatura de la caja en unos 10 a 40 C por debajo de la temperatura ambiente. En la medición de bajas temperaturas, la compensación se efectúa utilizando además una resistencia termostática adicional, manteniendo constante la temperatura de la caja en unos 50 C, valor mayor a la temperatura ambiente y lo suficientemente baja como para no reducir apreciablemente la diferencia de temperatura útil. La relación entre la fuerza electromotriz máxima generada y la temperatura del cuerpo es independiente de la distancia entre el cuerpo y la lente, siempre Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 3 Página 34

35 que la imagen de la superficie del cuerpo emisor de la radiación cubra totalmente la unión caliente de la termopila. El fabricante normaliza la relación entre las dimensiones del objeto y su distancia al lente, para garantizar buenas condiciones de lectura. Las lentes de pirex se utilizan en el campo de temperaturas de 850 a 1750 C, las de sílice fundido en el intervalo de 450 a 1250 C y las de fluoruro de calcio con un ángulo de enfoque ancho para captar la mayor cantidad posible de energía, de 50 a 200 C. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 3 Página 35

36 Capítulo 4 Medición de Tensión y Carga Esfuerzo y Deformación (Stress and Strain) El esfuerzo y deformación son utilizados para describir la carga y deformación sobre materiales sólidos. El esfuerzo () es la fuerza aplicada (F), dividida por la sección transversal (A). La deformación resultante () es el cambio en la longitud (L) dividida por la longitud inicial L. Una barra se estira en la dirección de una fuerza que la hala (deformación longitudinal L ) y se contrae en la dirección perpendicular a la fuerza (deformación transversal t ). Cuando la deformación no es muy grande, muchos materiales sólidos se comportan como un resorte lineal: el desplazamiento es proporcional a la fuerza aplicada. Si la misma fuerza es aplicada a un material más grueso, el resorte es más rígido y el desplazamiento es menor. Esto lleva a una relación entre fuerza y desplazamiento que dependen de las dimensiones físicas del material. Otras propiedades del material, tales como densidad y calor específico, deben ser definidas de tal manera que sean independientes de la forma y tamaño de la pieza. Las propiedades elásticas de un material están definidas en términos de esfuerzo y deformación. En el rango lineal de la respuesta del material, el esfuerzo es proporcional a la deformación. La relación entre esfuerzo y deformación de una barra bajo tensión es un constante de elasticidad conocida como módulo de Young (E). La relación negativa de la deformación transversal y longitudinal se conoce como relación de Poisson (v). La fuerza puede ser aplicada a un material de tal manera que cause distorsión en lugar de elongación. Una fuerza aplicada tangente a la superficie dividida por la sección transversal es como una deformación tangente (). Esta distorsión puede ser medida por el ángulo del cambio producido. Los cambios en la temperatura también producen deformación, llamada expansión térmica. En la mayoría de los materiales, la deformación térmica aumenta con la temperatura. Dentro de un rango limitado de temperatura, la relación entre la deformación térmica y la temperatura es lineal. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 4 Página 36

37 Se usan varios tipos de sensores para medir deformación. Estos incluyen galgas piezoresistivas, galgas piezoeléctricas, galgas de fibra óptica, materiales birrefringentes y malla de Moiré. Cada tipo de sensor requiere de un acondicionamiento especial de la señal. La selección del mejor medidor de deformación incluye aspectos tales como la geometría del elemento a medir, la temperatura, la rata de esfuerzo, frecuencia, magnitud, costos, complejidad, exactitud, resolución espacial, resolución temporal, sensibilidad a la deformación transversal, sensibilidad a la temperatura y complejidad del acondicionamiento de la señal. Principio de Operación Galgas Piezoresistivas Estas galgas incluyen un delgado substrato aislante, una película o malla de cables (usualmente constantan) unidos a un substrato, cables que conectan la malla y circuito para medición de resistencia, en un encapsulado aislante. La malla está orientada de tal forma que la deformación comprima las piernas de la malla longitudinalmente. Esto hace que el sensor sea sensible principalmente a deformación longitudinal, no obstante siempre habrá algo de sensibilidad a la deformación transversal. Figura 4.1 Galga Piezorresistiva La relación entre el cambio de resistencia y la deformación viene dada por la ecuación: Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 4 Página 37

38 R R G L L Donde R/R es el cambio relativo de resistencia, G es el factor del sensor y es la deformación. El sensor responde a la deformación promedio sobre el área cubierta por la malla. El cambio de la resistencia es también sensible a la temperatura. Si la temperatura cambia durante el período de medición, es necesario hacer una corrección que permita distinguir entre la respuesta a la deformación y la respuesta térmica. La respuesta del sensor a la deformación longitudinal, deformación transversal y cambio en la temperatura viene dada por la ecuación: R R G G G T L L t t T Donde G L, G t y G T son la sensibilidad longitudinal, transversal y térmica respectivamente. La contribución de la temperatura debe ser eliminada en los casos en que la medición se haga en ambientes con temperatura cambiante. Este esquema es llamado de auto compensación térmica (STC) y se logra seleccionando un material piezoresistivo cuya respuesta térmica pueda ser cancelada por la deformación térmica inducida por la temperatura en el material medido. Los fabricantes de estos sensores especifican números STC que corresponden al coeficiente de expansión térmico de la mayoría de los materiales. Galgas Piezoresistivas Semiconductoras Estos sensores de deformación, al igual que el caso anterior, reflejan un cambio en su resistencia eléctrica como respuesta a la deformación, pero con una relación un orden de magnitud mayor. El acoplamiento entre resistencia y temperatura es grande, por lo que deben ser compensados por temperatura. Las galgas semiconductoras son usadas típicamente para fabricar celdas de carga. Son frágiles y requiere de gran precaución en su uso. Galgas Piezoeléctricas Los sensores de deformación piezoeléctricos son condensadores de placas paralelas cuya propiedad dieléctrica varía como respuesta a la deformación. Cuando cambia la polarización, se produce una carga proporcional a la Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 4 Página 38

39 deformación. Estos sensores son de relativamente bajo costo pero no muy exactos. Son buenos para medición dinámica pero no para cuantitativa. Además, tienen a drenar carga a través del instrumento de medición, por lo que en mediciones semi-estáticas, la señal tiende a decaer con una constante de tiempo que depende de la impedancia del instrumento de medición. Los sensores de cuarzo son muy exactos, pero también pierden carga a través del instrumento de medición. Las constantes de tiempo pueden ser bastante largas (desde segundos hasta horas) con electrómetros y amplificadores de carga. Galgas de Fibra Óptica Estos sensores son interferómetros en miniatura. Muchos de los disponibles comercialmente, están basados en el interferómetro de Fabry-Perot. Este interferómetro es capaz de medir cambios en el tamaño de una cavidad muy pequeña. Este sensor incluye una fuente de luz láser, fibra óptico monomodo, acoplador, la cavidad que mide deformación y un foto detector. La luz sale del diodo láser, pasa a través de la fibra óptica, a través del acoplador y llega a la cavidad. El final de la fibra es el equivalente a un espejo semitransparente. Parte de la luz es reflejada de regreso y parte es transmitida. La luz que cruza la cavidad es reflejada desde el otro extremo, de regreso a la fibra donde se recombina con el rayo reflejado. Los dos rayos tienen una diferencia de fase, que guarda relación con el doble de la longitud de la cavidad. El rayo recombinado pasa a través del acoplador y llega al foto detector. Si los dos rayos reflejados están en fase, habrá una interferencia constructiva. Si están fuera de fase, la interferencia será destructiva. Una deformación en la cavidad ocasionará un desfasaje en los rayos. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 4 Página 39

40 Figura 4.2 Sensor de Deformación basado en Interferómetro Fabry-Perot Sensor de Película Birrefringente Estos sensores proporcionan todo un campo de medida para deformación. Los materiales birrefringentes tienen como propiedad, que la luz lo atraviesa a diferente velocidad según la dirección en que esta incida. Esto significa que si la luz es polarizada en una dirección particular y es hecha pasar a través del material birrefringente, si la dirección rápida está alineada con el vector del campo eléctrico, la luz pasará más rápido que si la dirección lenta es la que está alineada con el vector del campo eléctrico. Este efecto puede ser utilizado para producir interferencia óptica. En algunos materiales la birrefringencia es producida por deformación. Las direcciones rápida y lenta corresponden a la dirección de la deformación principal, y la cantidad de birrefringencia está relacionada con la magnitud de la deformación. Un componente del vector del campo eléctrico viaja más rápido que el otro; emergerán con diferencia de fase. Esto cambia la amplitud relativa y rota la polarización de la luz. Si no hay birrefringencia, no hay luz que pase a través del segundo polarizador. En la medida en que aumenta la birrefringencia con la deformación, aumenta la cantidad de luz que pasa. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 4 Página 40

41 Figura Polariscopio Sensores de Mallas de Moiré La interferencia Moiré es otra técnica que proporciona todo un campo de medición, pero que computa desplazamiento en lugar de deformación. Esta técnica está basada en la interferencia que se obtiene cuando dos placas transparentes son cubiertas franjas equiespaciadas. Si las placas son colocadas una sobre la otra, estas pueden ser alineadas de tal manera que pase luz a través de ellas. Si una de las placas es deformada, la separación entre las franjas podría ser mayor. Esto implicaría que en algunas regiones la luz pasaría a través de las placas y en otras no. Las bandas iluminadas y oscuras proveen información acerca del desplazamiento producido. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 4 Página 41

42 Capítulo 5 Medición de Vibración y Aceleración La aceleración es medida por acelerómetros, como un parámetro importante para la medición absoluta de movimiento y la detección de vibración e impactos. Los acelerómetros están disponibles comercialmente en una amplia variedad de rangos y tipos que se ajustan a los diferentes requerimientos y aplicaciones. Pueden ser configurados como sensores activos o pasivos. Un acelerómetro activo (por ejemplo, piezoeléctrico) proporciona una salida sin requerir de alimentación (eléctrica) externa, mientras que uno pasivo sólo produce cambios en sus propiedades eléctricas (por ejemplo, capacitivo), por lo que requiere de alimentación externa. La selección del tipo de sensor (activo o pasivo) es muy importante ya que los sensores activos no pueden sirven para operaciones en modo dc o estáticas; para mediciones estáticas se emplean sensores pasivos. En general, los acelerómetros son utilizados, por las siguientes razones: Poseen un amplio rango de frecuencia desde cero hasta valores muy altos. Es fácil medir aceleraciones sostenidas La aceleración es importante de medir, ya que las fuerzas destructivas están más frecuentemente relacionadas con aceleración que con velocidad o desplazamiento El desplazamiento y velocidad pueden ser fácilmente obtenidas integrando la aceleración con circuitos electrónicos Los acelerómetros pueden ser clasificados de muchas maneras: De deflexión o balance nulo Dinámicos o cinéticos Mecánicos o eléctricos La mayoría de los acelerómetros industriales son clasificados como de deflexión o de balance nulo. Los utilizados en medición de vibración e impacto son típicamente del tipo deflexión mientras que los utilizados para detección de movimiento en vehículos y aviones para propósitos de Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 5 Página 42

43 navegación, pueden ser de cualquiera de los dos tipos. En general, los de balance nulo se emplean cuando se requiere de una exactitud extrema. Figura 5.1 Acelerómetro sísmico de deflexión Existen muchos tipos diferentes de acelerómetros por deflexión. Su principio de operación es siempre básicamente el mismo, difiriendo en detalles menores tales como el resorte empleado, el método de amortiguación y el tipo de transductor de desplazamiento empleado. Los acelerómetros pueden ser clasificados como dinámicos o cinéticos. En el primer caso la medición se basa en determinar la fuerza que es necesaria para hacer que la masa sísmica siga el movimiento de la carcasa. El cinético basa su funcionamiento en medir el movimiento (tiempo de recorrido) de la masa sísmica; este tipo es utilizado para aplicaciones muy especiales como por ejemplo en naves espaciales. Para propósitos prácticos, los acelerómetros pueden ser clasificados en mecánicos y eléctricos, dependiendo de si la medición se basa en propiedades mecánicas o fuerzas eléctricas o magnéticas. Los acelerómetros deben ser calibrados para la medición de aceleración, vibración e impacto. Los métodos de calibración se pueden clasificar en estáticos y dinámicos. La calibración estática consiste en someter al sensor a uno o varios niveles de aceleración constante. La calibración dinámica es realizada utilizando un sacudidor electrodinámico. Este dispositivo está diseñado para oscilar en movimiento sinusoidal con frecuencia y amplitud variables. Características Dinámicas del Acelerómetro Esta sección está referida a las propiedades físicas de la medición de aceleración, vibración e impacto donde un acelerómetro puede ser utilizado. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 5 Página 43

44 Las vibraciones pueden ser periódicas, aleatorias estacionarias, aleatorias no estacionarias y transitorios. Vibraciones Periódicas En las vibraciones periódicas, el movimiento de un objeto describe un comportamiento oscilatorio, que puede ser representado por una forma de onda sinusoidal: x( t) X sen( wt) pico Donde x(t) es el desplazamiento en función del tiempo, w es la frecuencia angular y X pico es el máximo desplazamiento desde el punto de referencia. La velocidad del objeto está representada por la rata de cambio del movimiento: u( t) dx dt wx pico cos( wt) U pico sen wt 2 Donde u(t) es la velocidad dependiente del tiempo y U pico la velocidad máxima. La aceleración del objeto es la rata de cambio de la velocidad: a( t) du dt 2 w X pico sen( wt) A pico sen( wt ) Donde a(t) es la aceleración dependiente del tiempo y A pico es la aceleración máxima. De las ecuaciones anteriores se deduce que las formas de onda básicas y el período de la vibración permanece igual en aceleración, velocidad y desplazamiento; sin embargo, la velocidad está adelantada 90 y la aceleración otros 90. En la realidad, las vibraciones pueden ser periódicas pero no necesariamente sinusoidales. Sin son periódicas pero no sinusoidales, pueden ser expresadas como una combinación de curvas sinusoidales, descritas por la serie de Fourier. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 5 Página 44

45 Vibraciones Aleatorias Estacionarias Las vibraciones aleatorias se presentan frecuentemente en la realidad, donde constituyen ciclos irregulares de movimiento que nunca se repite de la misma manera. Teóricamente, se requiere de un tiempo infinitamente largo para registrar suficiente información como para obtener una descripción completa de la vibración; sin embargo, es posible utilizar métodos estadísticos y teoría de probabilidades para analizar la vibración tomando muestras representativas. Para estos casos se emplean herramientas matemáticas tales como las distribuciones de probabilidad, densidad de probabilidad, espectro de frecuencia, correlación cruzada y auto correlación, transformada digital (numérica) de Fourier, análisis espectral, valor RMS y filtrado digital (numérico). Transitorios e Impactos Es muy frecuente la necesidad de medir vibraciones de corta duración y aparición repentina. Las vibraciones transitorias o de impacto pueden ser descritas en términos de fuerza, aceleración, velocidad o desplazamiento. En el caso de transitorios aleatorios e impactos, al análisis se hace empleando métodos estadísticos y la transformada de Fourier. Vibraciones Aleatorias no Estacionarias En este caso, las propiedades estadísticas de las vibraciones cambian con el tiempo. Se emplean métodos tales como promediado del tiempo y otras técnicas estadísticas, para el análisis de estas vibraciones. Tipos de Acelerómetros Los acelerómetros pueden ser clasificados, según su principio de funcionamiento, en: Electromecánicos Piezoeléctricos Piezoresistivo Capacitancia diferencial De galga extensiométrica Sísmico Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 5 Página 45

46 Inercial Fuerza electrostática Microacelerómetros Acelerómetros Electromecánicos Los acelerómetros electromecánicos (servo o de balance nulo) basan su funcionamiento en la retroalimentación. En esos instrumentos, una masa sensible a la aceleración, es mantenida muy cerca de una posición neutral o de cero desplazamiento, a través de la medición y realimentación de su movimiento. Una fuerza magnética proporcional es generada, que se opone al movimiento de la masa desplazada del punto neutral. Este método cuenta con la ventaja de tener buena linealidad y eliminar el efecto de la histéresis (cuando se le compara con los acelerómetros que emplean resortes). Los acelerómetros pueden ser: De bobina magnética Inductivo Acelerómetros Piezoeléctricos Los acelerómetros piezoeléctricos son ampliamente utilizados para medición (de propósito general) de aceleración, impacto y vibración. Son básicamente transductores de movimiento con señales de salida de gran amplitud y (comparativamente hablando) tamaño pequeño. Figura 5.2 Acelerómetro Piezoeléctrico El dispositivo emplea una masa en contacto directo con un dispositivo piezoeléctrico (o cristal). Cuando un movimiento variable es aplicado al Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 5 Página 46

47 acelerómetro, el cristal experimenta una fuerza de excitación variable (F= ma) que ocasiones que una carga eléctrica q se desarrolle en él: q d F d ma ij ij Donde q es la carga y d ij es el coeficiente piezoeléctrico del material. La salida del material piezoeléctrico es dependiente de sus propiedades mecánicas. Los dos materiales piezoeléctricos más utilizados son el plomo-zirconio-titanio (PZT) y el cuarzo. Ambos son materiales auto-generadores que producen grandes cargas eléctricas considerando su tamaño. El coeficiente del PZT es cerca de 150 veces el del cuarzo, por lo que su sensibilidad (y en consecuencia menor tamaño) es significativamente mayor. Son utilizados principalmente en medición de vibraciones de media a alta frecuencia. Acelerómetros Piezoresistivos Los acelerómetros piezoresistivos son esencialmente galgas extensiométricos semiconductoras con gran sensibilidad. Una mejor sensibilidad es crítica en la medición de vibración, ya que permite la miniaturización del acelerómetro. La mayoría de los acelerómetros piezoresistivos emplean dos o cuatro galgas activas, conectadas en un puente de Wheatstone. Se emplean resistencias de ultra-precisión en la circuitería de control de la sensibilidad, balanceo y compensación de los efectos de la temperatura. Estos dispositivos son especialmente utilizados para detectar vibraciones de baja frecuencia. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 5 Página 47

48 Figura 5.3 Acelerómetro Piezoresistivo Acelerómetros de Capacitancia Diferencial Los acelerómetros de capacitancia diferencial están basados en el principio de cambio de la capacitancia en proporción a la aceleración aplicada. Vienen en varias formas y tamaños. En uno de los tipos, la masa sísmica del acelerómetro constituye la parte móvil (condensador variable) de un oscilador eléctrico. Ele sistema se caracteriza por tener una frecuencia nominal cuando no está sometido a perturbación. Si el instrumento es acelerado, la frecuencia varía del punto nominal, dependiendo de la dirección de la aceleración. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 5 Página 48

49 Figura 5.4 Acelerómetro Capacitivo Diferencial Acelerómetro de Galga Extensiométrica Los acelerómetros de galga extensiométrico están basados en las propiedades resistivas de los conductores eléctricos. Si un conductor es comprimido, su resistencia se altera debido a cambios dimensionales y de sus propiedades piezoresistiva. Esto indica que la resistividad del conductor depende de la presión mecánica a la que es sometido. Acelerómetros Sísmicos Los acelerómetros sísmicos hacen uso de una masa sísmica que está suspendida por un resorte o un leva dentro de un marco (de soporte) rígido. El marco que sostiene la masa sísmica está firmemente unido a la fuente de vibración que quiere ser medida. Cuando el sistema vibra, la masa tiende a permanecer en una posición fija de tal manera que el movimiento puede ser medido con el desplazamiento relativo entre la masa y el marco (de soporte). Este desplazamiento es medido por un transductor apropiado para su posterior procesamiento. Aunque es imposible que la masa sísmica permanezca absolutamente estática, para determinadas frecuencias puede ser satisfactoriamente considerado como una referencia de posición. Seleccionando apropiadamente la masa, el resorte y el amortiguador, es posible la utilización de este dispositivo para medición de aceleración o desplazamiento. En general grandes masas son aconsejables para medición de desplazamiento mientras que las (relativamente) pequeñas son más convenientes para vibración. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 5 Página 49

50 Figura 4.6 Acelerómetro de Potenciómetro Acelerómetros Inerciales Los acelerómetros inerciales son aquellos donde la fuerza requerida para limitar el movimiento de la masa en presencia de vibración, es provista por un sistema inercial como por ejemplo un giro péndulo, rotor de vibración o cuerda vibratorio entre otros. Acelerómetro de Realimentación de Fuerza Electrostática Estos acelerómetros están basados en la ley de Coulomb entre dos electrodos cargados. Ellos miden el voltaje en términos de la fuerza requerida para sostener un electrodo móvil dentro de un área, masa y separación conocida de un electrodo móvil. Microacelerómetros Están basados en tecnología integrada de procesamiento (circuito integrado) que es usada para fabricar estructuras electromecánicas tridimensionales. El primer acelerómetro de este tipo fue desarrollado en Selección, Rango y Capacidad de Sobrecarga La selección de un acelerómetro es tarea que requiere de enorme precaución, para conseguir que cumpla las exigencias de una determinada aplicación. Aunque la variedad de acelerómetros es grande, desde el punto de vista de la aplicación, pueden ser clasificados en dos grupos principales. El primer grupo es el de los de propósito general, ofrecidos con variadas sensibilidades, frecuencias, escalas, capacidad de sobrecarga y opciones de conexión Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 5 Página 50

51 eléctrica y mecánica. El segundo tipo es de aplicaciones especiales, que poseen características que los hacen destinados a casos particulares. Entre las características a considerar al momento de seleccionar un acelerómetro están el rango de frecuencia, la sensibilidad, la masa y rango dinámico, la respuesta axial, las condiciones ambientales tales como la temperatura y ruido entro otros. Rango de Frecuencia La medición de aceleración está normalmente confinada al uso de la porción lineal de la curva de respuesta. La respuesta está limitada en baja y alta frecuencia, por la frecuencia natural de resonancia. Como aproximación práctica, la frecuencia máxima se puede establecer en un tercio la frecuencia de resonancia del acelerómetro (menos de 1 db de linealidad), aunque el rango de medición del acelerómetro sea típicamente mayor (hasta ½ o 2/3 de la frecuencia de resonancia). La frecuencia máxima puede ser fijada en un valor mayor, si la linealidad es menos importante (por ejemplo, 3 db) como en el caso de medición de condiciones internas en máquinas, donde la repetibilidad es más importante que la linealidad. Sensibilidad, Masa y Rango Dinámico Idealmente, mientras mejor sea la sensibilidad, mejor será el sensor. Sin embargo, en la práctica existe compromiso entre la sensibilidad y la frecuencia, el rango, la capacidad de sobrecarga y el tamaño. La masa del acelerómetro es importante cuando se emplea para medir vibraciones en objetos pequeño y/o livianos. El acelerómetro no debe añadir masa (significativa) ya que esto interferirá con la medición. Como regla general, la masa del acelerómetro no debe rebasar un décimo de la masa efectiva de la porción de la estructura donde se instala. El rango dinámico del acelerómetro debe estar ajustado a los niveles mínimo y máximo de aceleración del objeto medido. Los acelerómetros de propósito general suelen ser lineales desde los g hasta los g. Existen acelerómetros especiales capaces de medir hasta g. Respuesta Transitoria Los impactos están caracterizados por la liberación repentina de energía en la forma de pulsos de corta duración que exhiben diversas formas y tiempos de Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 5 Página 51

52 subida; poseen contenidos con grandes magnitudes y variedad de frecuencias. En aplicaciones donde se involucran transitorios e impactos, las frecuencias baja y alta deben estar limitadas por el fenómeno conocido como desplazamiento de cero y repicado, respectivamente. El desplazamiento es causado por la no linealidad y la resistencia natural que exhibe el acelerómetro a regresar a su posición de reposo. El repicado es causado por componentes de alta frecuencia cerca de la frecuencia de resonancia. La frecuencia operacional debe estar confinada al rango lineal. Rango de Medición y Capacidad de Sobrecarga La mayoría de los acelerómetros son capaces de hacer mediciones tanto en dirección positiva como negativa. Normalmente están diseñados con una cierta capacidad de sobrecarga. Estos aspectos deben ser considerados al momento de hacer la selección. Condiciones Ambientales En la selección e implementación de acelerómetros, conviene considerar condiciones ambientales tales como rango de temperatura, transitorios de temperatura, ruido en el cableado, campos magnéticos, humedad y ruido acústico entro otros. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 5 Página 52

53 Capítulo 6 Medición de Nivel Los sensores de nivel de líquidos pueden trabajar con base en mediciones directas tales como la sonda, cinta y plomada, instrumentos con flotador, nivel de cristal, o con base a medidas indirectas o inductivas como los de membrana y de presión; También se pueden utilizar las propiedades conductivas de los líquidos para realizar mediciones; en este caso los sensores podrán ser capacitivos, conductivos, resistivos y de radiación, entre otros. El nivel de un tanque es a menudo empleado para calcular el volumen de líquido contenido, empleando para ello el área de la sección transversal, así como la masa, cuando se conoce la densidad. Tipos de Sensores de Nivel Según la característica de medición: Sensores de medición directa Instrumentos basados en la presión hidrostática Instrumentos basados en desplazamiento Instrumentos basados en la emisión de rayos gamma Sensores de ionización química Transductores conductor - electrolítico Transductores potencial electrolítico Según el tipo de material sensado: Líquidos Sólidos Según el tipo de medición: De punto fijo De nivel continuo Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 6 Página 53

54 Medición de Nivel de Líquidos Para la medición de nivel de líquidos se emplean sensores de medición directa, basados en presión hidrostática, de desplazamiento, basados en propiedades eléctricas, por ultrasonido y radioactivos. Sensores de Medición Directa Medidor de Sonda El medidor de sonda consiste en una varilla o regla graduada de longitud conveniente para ser introducida en el tanque. La determinación del nivel se efectúa por lectura directa de la longitud mojada por el líquido. Otro sistema parecido es el medidor de cinta graduada y plomada siendo usada cuando la regla graduada tenga un difícil acceso al fondo del tanque. Medidor de Nivel de Tubo de vidrio Consiste en un tubo de vidrio graduado con sus extremos conectados al tanque, el cual se llena del líquido a ser medido siguiendo el principio de vasos comunicantes. Figura 6.1- Sensor de Nivel de Tubo de Cristal De Flotante Estos instrumentos se basan en la utilización de un flotador que va a estar sometido tanto a la fuerza de la gravedad y como a la de oposición del liquido. Un sistema flotante simple usa un brazo rígido que indica el nivel del líquido a través de ángulo, el cual puede ser medido por un transductor de posición (potenciómetro) Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 6 Página 54

55 Figura 6.2 Sensor de Nivel basado en Flotante Sensores basados en Presión Hidrostática Medidor Manométrico El medidor manométrico mide la presión debida a la altura del líquido con respecto al eje del instrumento. (a) h P (b) h aparente P Figura 6.3 Medidor de Presión Manométrica Medidor de Burbujeo Emplea un tubo sumergido en el líquido a través del cual se hace burbujear aire. La presión del aire en la tubería equivale a la presión hidrostática ejercida por la columna de líquido (nivel del líquido). El manómetro puede colocarse a distancias de hasta 200 metros. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 6 Página 55

56 DPI Nivel Máximo Nivel Minimo Tubo de cobre 1/4" OD Alimentación Rotámetro con regulador caudal Extremo biselado Medición de nivel Al receptor a) Tanque abierto b) Tanque cerrado Figura 6.4 Medidor Tipo Burbujeo Sensor Basado en Desplazamiento Consisten en un flotador parcialmente sumergido en el líquido, conectado mediante un brazo a un tubo de torsión que está unido rígidamente al tanque. El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el ángulo de rotación de su extremo libre es directamente proporcional a la fuerza aplicada. Esta fuerza está definida por el empuje (E) que ejerce el flotador hacia arriba según el principio de Arquímedes. E g s h Donde E es el empuje g es el peso específico del líquido s es la sección del flotador h es la altura sumergida del flotador Sensores Basados en Propiedades Eléctricas Medidor de Nivel Conductivo Consiste en uno o varios electrodos y un relé eléctrico o electrónico, que opera cuando el líquido toca los electrodos. La impedancia mínima es del orden de los 20 MW/cm y la tensión de alimentación es alterna para evitar la oxidación debido a la electrólisis; cuando el líquido toca los electrodos se cierra el circuito electrónico y circula una corriente segura del orden de los 2 ma. Típicamente el relé electrónico dispone de un sistema de retardo, que impide su disparo debido a ondulación en el nivel del líquido o ante cualquier Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 6 Página 56

57 perturbación momentánea. El instrumento se emplea como una alarma de control de nivel de alta o baja. Figura 6.5 Medidor de Nivel Conductivo Medidor Capacitivo Mide la capacitancia del condensador formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes del tanque. La capacitancia del conjunto depende linealmente del nivel. En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacitancia total del sistema se compone del fluido y de las conexiones superiores. En líquidos conductores, el electrodo está aislado usualmente con teflón, interviniendo capacitancias adicionales entre el material aislante y el electrodo. Instrumentos Basados en Ultrasonido Se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y el retorno del eco a un receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque. Los sensores trabajan típicamente a una frecuencia de 20 KHz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión un medio de gases o vapores y se reflejan en la superficie del líquido. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 6 Página 57

58 Figura 6.6 Disposición de Detectores por Ultrasonido En las aplicaciones de alarma, los sensores vibran a una frecuencia determinada, que se amortigua cuando son alcanzados por el líquido. En el caso de indicación continua, la fuente ultrasónica genera impulsos y determina el tiempo que le toma a la onda ir y regresar una vez haya rebotado contra la superficie del líquido. Figura 6.7 Sensor Ultrasónico Sensores Basados en Emisión de Rayos Gamma Consiste en un emisor de rayos gamma que se monta verticalmente a un lado del tanque y con un contador Geiger que transforma la radiación gamma recibida, en una señal eléctrica de corriente continua. Este sistema se emplea en tanques de difícil o peligroso acceso. Medición de Nivel de Sólidos Para la medición de nivel de sólidos, se distinguen los sensores que determinan niveles fijos y los de medición continua. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 6 Página 58

59 Detector de Nivel Fijo Los sensores de nivel fijo tienen como aplicación típica mantener el nivel de un sólido entre dos puntos mínimo y máximo, en cada uno de los cuales hay un detector. Cuando el material descienda más abajo del detector inferior, este pone en marcha automáticamente la maquinaria de alimentación del producto, llenándose el tanque hasta alcanzar el detector ubicado en el nivel alto, instante en el cual se detiene el llenado del tanque. El ciclo se repite continuamente. Detector de Diafragma Esta unidad emplea un diafragma flexible, el cual esta expuesto al material sólido en un tanque de almacenamiento. En cuanto al nivel de sólidos se eleva, la presión causada por el peso del material sólido, fuerza al diafragma contra un mecanismo de contrapesos, el que actúa mecánicamente sobre un interruptor. Este interruptor puede energizar una alarma o cierta maquinaria. Figura 6.8 Medidor de Nivel de Sólidos tipo Diafragma El material del diafragma puede ser tela, goma, neopreno o fibra de vidrio. Tiene como ventajas su bajo costo y que puede emplearse en tanques cerrados, sometidos a baja presión. Detector de Cono Suspendido Esta unidad consiste en un interruptor que se encuentra dentro de una caja a prueba de polvo, del cual se suspende el cono. Cuando el nivel de material sólido se eleva y se pone en contacto con el cono, éste actúa sobre el interruptor que puede hacer funcionar una alarma u otro dispositivo eléctrico. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 6 Página 59

60 Figura 6.9 Medidor de Nivel de Sólidos Tipo Cono Suspendido Detector de Paletas Rotativas Consiste en un motor síncrono en cuyo eje vertical, tiene acopladas paletas. Cuando el nivel de los sólidos llega a las paletas, las traba obligando al soporte del motor a girar en sentido contrario accionando a dos interruptores, uno como indicador de nivel y otro que desconecta el motor. Cuando el nivel baja y las paletas quedan libres para girar, un sistema de resortes libera los interruptores y hace que el motor vuelva a funcionar. Detectores de Nivel Continuo Medidores de Nivel de Peso Móvil Consiste en sostener un peso móvil con un cable, suspendido desde la parte superior de un silo, mediante poleas. El motor y el programador, situados al exterior del silo, establecen un ciclo de trabajo del peso. Cuando el material alcanza al peso, se activa el motor y lo sube, para luego bajarlo hasta que toque nuevamente el material; el ciclo se repite indefinidamente. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 6 Página 60

61 Figura 6.10 Medidor de Nivel de Sólidos tipo Peso Móvil Medidor Basado en Peso Este sistema consiste en pesar todo el tanque con el material incluido, lo cual permite medir el nivel indirectamente. Este tipo de solución es costoso; sin embargo, consigue lograr exactitudes de alrededor de 1%. Medidor Basado en Ultrasonido Esta técnica puede usarse tanto para detección de nivel fijo como de nivel continuo. Se dispone en forma horizontal para el primer caso y vertical para el segundo. En el primer caso, el receptor deja de recibir la onda emitida debido a la interferencia ejercida por el material, al llegar éste al nivel del sensor. En el segundo caso la medición se basa en el tiempo que toma la onda en viajar de ida y vuelta desde el emisor hasta el receptor, habiendo rebotado contra la superficie del material. Este tipo de sensores es adecuado para situaciones donde exista mucho polvo, humedad, humo y vibración; sin embargo, puede dar medidas falsas si la superficie del material no es regular. Alcanza precisiones de 1% y típicamente se construye a prueba de explosiones. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 6 Página 61

62 Figura 6.11 Medidor de Nivel de Sólidos por Ultrasonido Medidor Basado en Radiación Gamma Trabaja bajo el principio de que la radiación emitida se verá interferida por el sólido contenido en el tanque, de tal manera que el nivel es determinado con base en la cantidad de radiación captada por el receptor. Detector Fuente Figura 6.12 Medidor de Nivel de Sólidos basado en Radiación Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 6 Página 62

63 Capítulo 7 Medición de Flujo El flujo es una variable que indica cuan rápido se está moviendo un fluido; puede ser expresado como flujo volumétrico, flujo másico y velocidad de fluido. El flujo volumétrico (Q) se refiere al volumen de un fluido que pasa en un determinado lapso de tiempo (por ejemplo, metros cúbicos por segundo). El flujo másico está dado en unidades de masa por unidad de tiempo (por ejemplo, kilogramos por segundo). La velocidad del fluido es expresada en unidades de velocidad (por ejemplo, metros por segundo). Estas tres cantidades están relacionadas como se indica a continuación: Q: flujo volumétrico Qm: flujo másico = Q * (donde es la densidad del fluido) Qv: velocidad del fluido = Q/A (donde A es el área de la sección transversal) La diversidad de fluidos y propiedades hace necesaria una cuidadosa selección del tipo de sensor a utilizar. Desde el punto del principio básico de funcionamiento, los sensores de flujo se dividen en los instrusivos y los no instrusivos. Sensores de Flujo Instrusivos Los sensores de flujo intrusivos operan bajo el principio de colocar una restricción en la línea para ocasionar un diferencial de presión. Esta presión diferencial es entonces medida y convertida en medición de flujo. Las aplicaciones industriales de este tipo de medidores, incorporan líneas de transmisión neumáticas o eléctricas, para llevar la información a punto remoto del sitio de la medición. Es común que el instrumento indicador calcula la raíz cuadrada de la presión diferencial y la muestre en una escala lineal. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 7 Página 63

64 Existen dos elementos primordiales en un sensor de flujo intrusivo. El elemento primario está constituido por la restricción y el secundario, por el sensor de presión diferencial. Figura 7.1 Medición de Flujo Método Intrusivo La restricción en el paso del fluido ocasiona una presión diferencial alrededor de la restricción. Esta presión diferencial es medida por un manómetro de mercurio o por un detector de presión diferencial. A partir de esta medición, se calcula la rata de flujo con base en leyes físicas conocidas. Este tipo de medición se utiliza para determinar flujo volumétrico; sin embargo, el flujo másico se puede calcular a partir del flujo volumétrico conociendo o midiendo la temperatura y/o la presión del fluido. La temperatura y la presión del fluido afectan su densidad y por ende, la cantidad de masa de fluido que pasa por un determinado punto de la tubería. Si se compensa el flujo volumétrico contra cambios en la temperatura y/o presión, se puede obtener una medición de flujo másico real. La relación entre temperatura o presión y el flujo másico se expresa mediante cualquiera de las siguientes ecuaciones: m KA m KA P( P) P(1/ T) Donde m : tasa de flujo másico A: área de la sección transversal P: presión diferencial P: presión T: temperatura K: coeficiente de flujo Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 7 Página 64

65 El coeficiente de flujo es una constante del sistema basada en las características de construcción de la tubería y el tipo de fluido. El coeficiente de flujo en cada ecuación, tiene las unidades apropiadas para balancear la ecuación y proporcionar las unidades adecuadas para la tasa de flujo másico resultante. El área de la sección transversal de la tubería y la presión diferencial se usan para calcular el flujo volumétrico. Placa Orificio La placa orificio es el más simple método de restricción más simple usado en la medición de flujo. Las placas orificio son placas planas con espesores entre 1/16 y ¼ de pulgada. Típicamente son montadas utilizando bridas e instaladas en un tramo recto de la tubería para evitar las disturbancias propias de accesotes y válvulas. Existen tres tipos de placas orificio: concéntricas, excéntricas y segmental. Figura 7.2 Tipos de Placa Orificio La placa orificio es concéntrica es la más común de las tres. El orificio es equidistante (concéntrico) de las paredes internas de la tubería. El fluido al pasar a través de la placa orificio sufre un cambio en su velocidad, alcanzando su máximo valor; la presión por su parte, alcanza su valor mínimo. A medida que el fluido diverge para llenar completamente la tubería, la velocidad disminuye hasta su valor original. La presión se restaura hasta un valor de aproximadamente 60 a 80 por ciento de su valor original; la pérdida de presión es irrecuperable así que la presión de salida será siempre inferior a la de entrada. Se mide la presión a ambos lados de la placa, resultando en una presión diferencial que es proporcional a la tasa de flujo. Las placas orificio excéntricas y segmental son funcionalmente idénticas a la placa concéntrica. La parte circular de la placa segmental es concéntrica a la tubería. La porción recta elimina el contenido de materiales foráneos en el fluido, aguas arriba de la placa orificio cuando es montada en una tubería horizontal. La porción recta se coloca en la parte alta o en la parte baja, Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 7 Página 65

66 dependiendo del tipo de fluido, con el objeto de mejorar la exactitud de la medición. La placa orificio excéntrica tiene propiedades similares a la segmental. La relación entre el flujo volumétrico y la presión diferencia viene dada por la relación: Q k P 2 P 1 Donde medida Q: es el flujo volumétrico K: es una constante dada por la geometría del orificio y la unidad de P 2 : P 1 : es la presión de entrada es la presión de salida Las placas orificio tienen dos desventajas principales: Ocasionan caída de presión en la línea Están sujetos a erosión, lo que eventualmente causará inexactitud en la medición Las principales ventajas de la placa orificio están en su simplicidad de diseño, construcción, instalación y mantenimiento así como su versatilidad de uso para casi cualquier fluido (siempre que no tenga partículas en suspensión) Tubo Venturi El tubo venturi es el elemento para medición de flujo más exacto (calibrado apropiadamente). El tubo venturi tiene una entrada cónica convergente, una garganta cilíndrica y un cono divergente de recuperación. No tiene proyecciones dentro del fluido, esquinas abruptas o cambios súbitos en el contorno. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 7 Página 66

67 Figura 7.3 Tubo Venturi La sección de entrada del tubo decrece, ocasionando un aumento en la velocidad y una disminución en la presión. La baja presión es medida en el centro de la garganta cilíndrica, ya que es allí donde alcanza su menor valor y tanto la presión como la velocidad son constantes. El cono de recuperación permite el aumento de la presión de tal forma que la pérdida alcance un máximo de 25 por ciento (al menos 10 por ciento). La alta presión es medida aguas arriba del cono de entrada. La principal desventaja de este tipo de detección de flujo estriba en su alto costo inicial y dificultad en la instalación e inspección. Tubo de Flujo Dall El tubo de flujo dall tiene una relación presión a pérdida de presión mayor que la del tubo venturi. Es más compacto y es comúnmente usado en aplicaciones de gran flujo. El tubo consiste sección corta y recta de entrada, seguida de una abrupta reducción del diámetro interno. Esta sección de entrada es seguida de un cono convergente de entrada y de un cono divergente de salida. Los dos conos están separados por un espacio. La presión baja es medida en el área entre los dos conos. La presión alta es medida aguas arriba de la sección de entrada. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 7 Página 67

68 Figura 7.4 Tubo Dall El tubo dall está disponible en tamaños de van de mediano a muy grande. Para tamaños grandes, típicamente cuesta menos que su equivalente venturi. Este tipo de tubo tiene ocasiona una pérdida de presión de alrededor del 5 por ciento. La tasa de flujo y la caída de presión están relacionadas según se muestra en la ecuación: V K Donde P V : flujo volumétrico K: constante dada por las características de los elementos primarios P: presión diferencial Tubo Pitot El tubo pitot es otro elemento primario utilizado para producir presión diferencial y medir flujo. En su forma más simple, consiste en un tubo con una abertura en uno de sus extremos. El pequeño orificio es colocado de tal manera que hace frente al fluido en movimiento. La velocidad del fluido en la abertura del tubo cae a cero; esto provee la entrada de alta presión para el sensor de presión diferencial. La baja presión se mide aguas arriba de la posición del tubo pitot. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 7 Página 68

69 Figura 7.5 Tubo Pitot El tubo pitot mide la velocidad del fluido en lugar de la tasa de flujo. Sin embargo, la tasa de flujo volumétrico puede ser obtenida mediante la siguiente relación: V KAV Donde V : flujo volumétrico A: área de la sección transversal V: velocidad del fluido K: coeficiente de flujo (normalmente alrededor de 0,8) Los tubos pitot deben ser calibrados según el tipo de aplicación ya que no hay estandarización alguna. Este tipo de instrumento puede ser usado inclusive cuando no esté encerrado en un tubo o ducto. Vortex El flujómetro vortex es una técnica para medición de flujo de amplia aceptación en la industria. Su atractivo estriba en que auque no tiene partes móviles, produce una señal en frecuencia que varía linealmente con la tasa de flujo para un amplio rango de número de Reynolds. Su construcción es muy sencilla, provee exactitudes (1% o mejor) comparable a la de equipos más costosos y de más difícil mantenimiento y funciona bien tanto con líquidos como con gases. Comparado con la placa orificio, tiene mayor exactitud y rango de aplicación, no requiere de línea de impulso de presión, es menos susceptible a desgaste, y para medición de flujo volumétrico, no requiere compensación por densidad del fluido. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 7 Página 69

70 Figura 7.6 Creación de Vórtices en un Tubo Su principio de operación está basado en los vórtices y remolinos que se producen en un fluido cuando se coloca un obstáculo en su trayectoria. El número de vórtices producidos en un lapso de tiempo (frecuencia de vórtice o shedding frequency) guarda relación directa con la velocidad del fluido. El número (adimensional) de Strouhal, St, es utilizado para describir la relación entre la frecuencia vórtice y la velocidad del fluido. St Donde f d U f: frecuencia de vórtice (shedding frequency) d: ancho del cuerpo del obstáculo U: velocidad del fluido Cuando se presentan los vórtices como consecuencia del obstáculo en la trayectoria del fluido, dicho obstáculo oscila como resultado de los campos de velocidad y presión en su alrededor. La forma de medición consiste en colocar sensores de presión o velocidad que transformen estos campos oscilantes en una señal eléctrica a partir de la cual se determine la frecuencia vórtice. Flujómetros de Área Variable El término flujómetros de área variable se refiere a aquellos medidores en que el área disponible para el paso del fluido (a través del medidor) varía con la velocidad de éste. El más importante de estos flujómetros es el rotámetro. Rotámetro El rotámetro es un medidor simple y robusto que se usa tanto para gases como líquidos, y es ampliamente utilizado para tubos con diámetros inferiores a los 100 milímetros. En su forma básica, el rotámetro consiste en un tubo de vidrio cónico transparente conteniendo un flotante (frecuentemente de acero inoxidable) que sube por el tubo en la medida en que aumenta la rata del flujo, hasta que se obtiene un balance entre la fuerza Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 7 Página 70

71 gravitacional, flotabilidad y roce del flotante. La rata de flujo es linealmente proporcional a la altura del flotante en el tubo y es determinada con sólo leer el nivel de la parte superior del flotante. Figura 7.7 Corte Transversal de un Rotámetro El flotante está típicamente formado por la combinación de secciones cónicas y cilíndricas; sin embargo, para tubos de diámetro muy pequeños con frecuencia se emplean flotantes esféricos. Las geometrías más complejas pueden reducir la sensibilidad a la viscosidad del fluido. Figura 7.8 Geometría del Flotante Las ventajas del rotámetro incluyen simplicidad, robustez, confiabilidad y baja caída en la presión. Medidor de Paleta Móvil El medidor de paleta móvil es un dispositivo robusto que se puede usar para la medición de altas tasas de flujo en aquellos casos donde los requerimientos de exactitud son muy exigentes; pueden ser usados para medir líquidos con impurezas. Contiene una paleta que cierra el tubo cuando el flujo es cero (mantenido en esa posición por un resorte o peso). El flujo Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 7 Página 71

72 hace que la paleta se abra, hasta que la fuerza dinámica del flujo se balancee con la fuerza de restauración ejercida por el resorte o peso. El ángulo de palera es proporcional a la tasa de flujo, y puede ser mostrado por un indicador conectado al eje de la paleta sobre una escala calibrada. La resistencia ejercida por la paleta depende de su posición y es por ende dependiente de la tasa de flujo (o número de Reynolds); se requiera calibración cada vez que cambie el fluido a medir. Una aplicación importante de este dispositivo, es la medición del flujo de aire en motores de inyección directa. Figura 7.9 Medidor de Paletas Móviles Flujómetro de Turbina Axial Los flujómetros de turbina axial modernos, instalados y calibrados correctamente, son dispositivos confiables que proporcionan la mayor exactitud disponible para cualquier sensor de flujo volumétrico, tanto para líquidos como para gases. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 7 Página 72

73 Figura 7.10 Flujómetro de Turbina Axial El mejor rendimiento d este tipo de sensor se obtiene cuando se usa en flujos de gases o líquidos limpios, acondicionados y estables con baja viscosidad cinemática; son lineales para flujos con turbulencias subsónicas. Sensores de Flujo No Instrusivos Flujómetro Electromagnético El medidor electromagnético de flujo es similar en su operación a un generador. El rotor del generador es reemplazado por un tubo colocado entre los polos del imán, de tal manera que el paso del fluido en el tubo sea perpendicular al campo magnético. El paso del fluido a través del campo magnético induce una fuerza electromotriz que es perpendicular al campo magnético y al flujo. Esta fuerza electromotriz puede ser medida con la ayuda de electrodos en el tubo, conectados a un galvanómetro o equivalente. Para un campo magnético dado, se inducirá un voltaje que será proporcional a la velocidad promedio del fluido. El fluido deberá tener un cierto grado de conductividad eléctrica. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 7 Página 73

74 Figura 7.11 Flujómetro Electromagnético Flujómetro Ultrasónico Este dispositivo se basa en la detección de discontinuidades en el flujo, utilizando el desplazamiento Doppler de señales ultrasónicas reflejadas. Estas discontinuidades pueden ser sólidos en suspensión, burbujas o perturbaciones ocasionadas por remolinos turbulentos en el paso del fluido. El sensor es colocado en la externa del tubo; un rayo ultrasónico es transmitido a través de las paredes del tubo hacia el fluido. Un receptor (cristal piezoeléctrico) detecta las señales reflejadas por las disturbancias. Las señales emitida y recibida son comparadas; el desplazamiento de frecuencia será proporcional a la velocidad del flujo. Figura 7.12 Flujómetro Ultrasónico Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 7 Página 74

75 Elementos Finales de Control Concepto General Los elementos finales de control son aquellos dispositivos que se sitúan al final y que convierten los comandos de control en acciones que operan sobre el proceso con el objetivo de corregir las desviaciones observadas en el proceso. Válvulas de Control La válvula de control es uno de los elementos finales de control más comúnmente empleados. Consisten básicamente en un orificio de restricción variable y su función consiste en modular el caudal de un fluido del proceso. La señal de apertura o cierre de la válvula puede ser generada por ella misma (autorreguladora) o por un elemento externo (típicamente un controlador). Cuerpo de una Válvula de Control El cuerpo da la válvula de control, regula el paso del fluido en función de la función del obturador, siendo ésta modificada por el accionamiento del actuador. Las válvulas pueden ser de varios tipos según sea el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador. Las válvulas de movimiento lineal, en las que el obturador se mueve en la dirección de su propio eje se clasifican como se especifica a continuación. Válvulas de Globo Las válvulas de globo pueden ser de simple asiento, de doble asiento y de obturador equilibrado respectivamente. Las válvulas de simple asiento Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 8 Página 75

76 precisan de un actuador de mayor tamaño para que el obturador cierre en contra de la presión diferencial del proceso. Por lo tanto, se emplean cuando la presión del fluido es baja y se precisa que las fugas en posición de cierre sean mínimas. El cierre estanco se logra con obturadores provistos de una arandela de resina anti-adherente ó fluoropolímero. En la válvula de doble asiento o de obturador equilibrado la fuerza de desequilibrio desarrollada por la presión diferencial a través del obturador es menor que en la válvula de simple asiento. Por este motivo se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. En posición de cierre las fugas son mayores que en una válvula de simple asiento. Figura 8.1 Válvula de Globo Se emplean en todo tipo de aplicaciones y pueden ser usadas para líquidos, vapores, gases, sustancias corrosivas y pastas semilíquidas. Sus ventajas incluyen: Estrangulamiento eficiente con estiramiento y erosión mínimos del disco o asiento Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el tiempo y desgaste en el vástago y el bonete Control preciso de la circulación Disponible con orificios múltiples Como desventaja se tiene que presentan una gran caída en la presión y un costo relativamente alto. Los elementos a considerar para su especificación incluyen: Tipos de conexiones Tipo de disco Tipo de asiento Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 8 Página 76

77 Tipo de vástago Tipo de sello del vástago Tipo de bonete Capacidad nominal de presión Capacidad nominal de temperatura Válvulas en Ángulo Las válvulas en ángulo permiten tener un flujo de caudal regular sin mucha turbulencia, adecuada para disminuir la erosión cuando esta es considerable por las características del fluido o bien por la excesiva presión diferencial. El diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan, para trabajar con grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen sólidos en suspensión. Este tipo de válvulas se emplea generalmente para mezclar fluidos o bien para derivar de un flujo de entrada dos de salida. Las válvulas de de tres vías intervienen típicamente en el control de temperatura de intercambiadores de calor. Válvulas de Jaula Consiste en un obturador cilíndrico que desliza en una jaula con orificios adecuados a las características de caudal deseadas en la válvula. Se caracterizan por el fácil desmontaje del obturador y porque este puede incorporar orificios que permiten eliminar prácticamente el desequilibrio de fuerzas producido por la presión diferencial favoreciendo la estabilidad y el funcionamiento. Por este motivo, este tipo de obturador equilibrado se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. Como el obturador está contenido dentro de la jaula, la válvula es muy resistente a las vibraciones y al desgaste. Por otro lado, el obturador puede disponer de aros de resina anti-adherente ó fluoropolímero que, con la válvula en posición cerrada, asientan contra la jaula y permiten así un cierre hermético. Válvula de Compuerta Esta válvula efectúa su cierre con un disco vertical plano, o de forma especial, y que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su disposición, es adecuada generalmente para el control todo-nada, ya que en posiciones Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 8 Página 77

78 intermedias tiende a bloquearse. Tiene la ventaja de presentar muy poca resistencia al flujo del fluido cuando esta en posición de apertura total. Figura 8.2 Válvula de Compuerta Está recomendada para servicios con apertura total o cierre total, sin estrangulación donde el accionamiento sea poco frecuente, se requiera de resistencia mínima a la circulación y cantidades mínimas de fluido atrapadas en la tubería. Se emplea en servicios generales, aceite, petróleo, gas, aire, pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor, gases y líquidos no condensables y líquidos corrosivos. Sus ventajas incluyen: Alta capacidad Cierre hermético Bajo costo Diseño y funcionamiento sencillos Poca resistencia a la circulación Las desventajas comprenden: Control deficiente de la circulación Se requiere gran fuerza para su accionamiento Produce cavitación 1 con baja caída de presión Debe estar cubierta o cerrada por completo 1 La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un rápido desgaste de la superficie que origina este fenómeno Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 8 Página 78

79 La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco Válvula en Y Es adecuada como válvula de cierre y de control. Como válvula todo-nada se caracteriza por su baja perdida de carga y como válvula de control presenta una gran capacidad de caudal. Posee una característica de auto drenaje cuando esta instalada inclinada con un cierto ángulo. Se emplea usualmente en instalaciones criogénicas. Válvula de Cuerpo Partido Esta válvula es una modificación de la válvula de globo de simple asiento teniendo el cuerpo partido en dos partes entre las cuales esta presionado el asiento. Esta disposición permite una fácil sustitución del asiento y facilita un flujo suave del fluido sin espacios muertos en el cuerpo. Se emplea principalmente para fluidos viscosos y en la industria de alimentos. Válvula Saunders En esta válvula, el obturador es una membrana flexible que a través de un vástago unido a un servomotor, es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando así el paso del fluido. La válvula se caracteriza porque el cuerpo puede revestirse fácilmente de goma o plástico para trabajar con fluidos agresivos. Tiene la desventaja de que el servomotor de accionamiento debe ser muy potente. Se utiliza principalmente en procesos químicos difíciles, en particular en el manejo de fluidos negros o agresivos o bien en el control de fluidos conteniendo sólidos en suspensión. Válvula de Obturador Excéntrico Rotativo Consiste en un obturador de superficie esférica que tiene un movimiento excéntrico rotativo y que está unido al eje de giro por uno o dos brazos flexibles. El eje de giro sale al exterior del cuerpo y es accionado por un vástago conectado a un servomotor. El par de este es reducido gracias al movimiento excéntrico de de la cara esférica del obturador. Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 8 Página 79

80 La válvula puede tener un cierre estanco mediante aros de resina antiadherente ó fluoropolímero dispuestos en el asiento y se caracteriza por su gran capacidad de caudal, comparable a las válvulas mariposa y de bola y por su elevada perdida de carga admisible. Válvula de Mariposa En la válvula de mariposa, el cuerpo está formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira transversalmente un disco circular. La válvula puede cerrar herméticamente mediante un anillo de goma empotrado en el cuerpo. Un servomotor exterior acciona el eje del disco y ejerce su par máximo cuando la válvula está totalmente abierta, siempre que la presión permanezca constante. Figura 8.3 Válvula de Mariposa En la selección de la válvula es importante considerar las presiones diferenciales correspondientes a las posiciones de completa apertura y de cierre; se necesita una gran fuerza del actuador para accionar la válvula en caso de una caída de presión elevada. Las válvulas de mariposa se emplean para el control de grandes caudales de fluidos a baja presión. La válvula de mariposa es recomendada en casos de servicio de apertura o cierre total, servicio con estrangulación, accionamiento frecuente, se requiera de corte positivo para gases o líquidos, sólo se permita un mínimo de fluido atrapado en la tubería y se necesita que la caída de presión a través de la válvula sea baja. Se usa para servicio general, líquidos, gases, pastas semilíquidas y líquidos con sólidos en suspensión. Sus ventajas incluyen: Bajo peso, tamaño compacto y bajo costo Requiere poco mantenimiento Instrumentación Industrial Ramón Medina Capítulo 8 Página 80