UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA POSTGRADO EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
ESPECIALIZACIÓN EN AUTOMATIZACIÓN E INFORMATICA INDUSTRIAL
INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL
POR OMAR BUSTILLOS PONTE
PUERTO LA CRUZ, NOVIEMBRE DEL 2001
UNIVERSIDAD DE
ESCUELA DE INGENIERIA Y CIENCIAS APLICADAS – DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA P!"ina 2
INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL
POR OMAR BUSTILLOS PONTE Prof. Omar Bustillos Ponte CIV
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INDICE
Descripci!
P"#i!$
Í!%ice I!&r'%(cci!
# $
C$p)&(*' + .
1% 11 12 12 12 1# 1# 1# 14 14 14 14 15 15 15 13 1 1 1$ 1$ 19 21
1.1 Introucción. 1.2 &e &e'n 'nic ició ión n e (a (ari ria) a)le. le. 1.# Cla Clasi' si'cac cación ión e las (ar (aria) ia)les les.. a. Vari Varia) a)le les s t* t*rmi rmica cas s ). Vari Varia) a)le les s e ra rai iac ació ión n c. Var Varia ia) )le les s e fu fuer er+a +a . Vari Varia) a)le les s e (e (elo loci cia a e. Var Variia) a)le les s e ca can nti tia a f. Var Varia ia)l )les es e ti tiem em,o ,o ". Vari Varia) a)le les s "e "eom om*t *tric ricas as -. Vari Varia) a)le les s e ,ro ,ro,i ,ie ea aes es f fsi sica cas s i. Vari Varia) a)le les s e co com, m,os osic ició ión n /u /um mica ica 0. Varia Varia)l )les es el el*c *ctri tricas cas 1.4 Clasi'cación ,or seal e e me meic ició ión. n. a. o o(i (imi mien ento to ). u uer er+a +a c. 6e 6ea ale les s el el*c *ctri trica cas s . 6e 6eale ales s e me meici ición ón e tie tiem,o m,o mo moula ulao o 1.5 Relación el instrumento 7 el control control e ,ro ,roces cesos os.. 1.3 6e 6eale ales s e me meici ición ón ,ar ,ara a las (ar (aria) ia)les les 1. 6i 6ist stem emas as e co cont ntro roll
C$p)&(*' , . 2.1 8r 8rro rore res s e me mei ici ción ón.. 2.2 &e &e'n 'nic ició ión n e err error. or. 2.# i,os 2.# i,os e meición. a. Co Com, m,ar arac ació ión n i irec recta ta ). A0 A0us uste te -a -ast sta a la i" i"ua ual la a c. Acc Acció ión n i irec recta ta e al al" "n n si siste stema ma fs fsic ico o 2.4 u uen ente tes s e er erro ror. r. a. Rui Ruio o en la las s me mei ici cion ones es ). iem,o ). iem,o e res,uesta c. ;i ;imi mita taci cion ones es e i ise seo o . 8rrores e o)s o)ser(a er(ació ción n 7 e int inter, er,reta retació ción n 2.5 Cl Clas asi' i'ca caci ción ón e lo los s erro errores res..
Prof. Omar Bustil los Ponte CIV
24 25 25 25 25 25 23 23 23 2 2$ 29 #%
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a. 8rro 8rrores res si sist stem em!t !tic icos os ). 8rrores cas casual uales es 2.3 2.3 ratamiento ratamiento estastico e los atos. atos. a. Pro Prome mei io o o me mei ia a ar arit itm* m*ti tica ca ). &e &es( s(ia iaci ción ón no norma rmali li+a +aa a c. 8rror ,ro)a)le e una meición sim,le . 8rro 8rrorr ,ro ,ro)a )a)l )le e e la me meia ia e. In Inte ter(a r(alo los s e co con' n'an an+a +a f. Valo Valores res si si"n "ni' i'ca cati ti(o (os s
#% #% #1 #2 #2 ## #4 #5 #
C$p)&(*' - .
4% #.1 * *to too os s e me mei ici ción ón.. 41 #.2 8
?u* es lo /ue e)e lo"rarse como resultao resultao e la meición@ 49
C$p)&(*' . . 4.1 e ei ici ción ón e el l instrumento. 4.2 8r 8rro rorr el ins instru trument mento o 4.# Alc Alcanc ance e s, s,an an.. 4.4 Inc Incerti ertium um)re )re e la mei meia a un uncert certain aint7. t7. 4.5 Re,eti)ilia. 4.3 Prec Precis isió ión n a accu ccura rac7 c7.. 4. ia)ilia. 4.$ Re,rouci)il Re,rouci)ilia ia o esta)i esta)ilia. lia. 4.9 6ensi) 6ensi)ilia ilia sens sensiti(it iti(it7. 7. 4.1% Resol Resoluci ución ón o is iscrim crimina inació ción. n. 4.11 Cam,o e meia. 4.12 8s,ac 8s,acio io muerto o )ana muerta &ea +one o ea )an. )a n. 4.1# m)ral. 4.14 &es &es,la ,la+am +amien iento to el cero. 4.15 &emora. 4.13 Hist* Hist*resis resis H7ste H7steresis. resis. 4.1 unc unció ión n e tr tran ansf sferen erenci cia. a. 4.1$ Cali)ración. 4.19 &eri(a. 4.2% em,eratura em,eratura e ser(icio. 4.21 Via til e ser ser(ic (icio. io.
C$p)&(*' / . 5.1 6eales.
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51 52 54 55 55 55 55 5 5 5$ 5$ 5$ 5$ 59 59 59 59 59 3% 3% 3% 3% 31 32
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5.2 i,os 5.2 i,os e seales. 5.# 6eal Analó"ica. 5.4 6eal &iscreta. 5.5 6eal 8l*ctrica. 5.3 6eal Deum!tica. 5. 6eal Hart. 5.$ 5.$ ransmisión ransmisión e la seal. 5.9 nia terminal remot rem ota a R R. . 5.1%ni 5.1% nia a e ló" ló"ica ica 7 ,rocesam ,roce samien iento to P;C P;C. . 5.11Dormas. 5.11 Dormas. a. Resumen Dorma I6AE65.1 ). Resumen Dorma I6AE65.2 c. Resumen Dorma I6AE65.#
33 33 33 33 33 33 3$ 3$ 39 39 % $9 9%
C$p)&(*' 0 .
99 1%% 1%% 1%2 1%# 1%4 1%$ 1%9 11% 11% 112
3.1 i,os 3.1 i,os e instrumentos. a. 6e"n la función ). 6e"n la (aria)le e ,roceso c. unci unciona onamie miento nto ana analó" ló"ico ico 7 i" i"ita itall 3.2 ;os ele element mentos os e un ins instru trumen mento. to. 3.# 8le 8lement mentos os act acti(o i(os s 7 ,as ,asi(o i(os. s. 3.4 3.4 ransuctores. ransuctores. 3.5 Con(ersores. 3.3 Con Con(ers (ersores ores &FA. 3. Con Con(ers (ersores ores AF& AF&..
C$p)&(*' 1.
114 115 113 113 11 11$ 11$ 11 $ 12% 124
.1 Princi,ios )!sicos e la ,resión. .2 i,os e instrumentos ,ara me meir ,resión. a. Ins Instru trumen mentos tos mec! mec!nic nicos os ). Ins Instru trumen mentos tos elec electrom tromec! ec!nic nicos os 7 ele electró ctrónic nicos os .# &escri &escri,ción ,ción e los instr instrumento umentos s e meir ,resión. a. Co Colu lumn mnas as e l l/u /ui io o ). In Inst stru rume ment ntos os el! el!st stic icos os c. ins instru trument mentos os elec electrón trónico icos s
C$p)&(*' 2.
1#3 1# 1# 1#$ 14%
$.1 e ei ici ción ón e =u =u0o 0o.. $.2 actores /ue afectan el =u0o e un =uio. a. Velocia el =uio ). ricció ricción n el =ui =uio o en con contac tacto to con la tu) tu)era era.. c. Viscosia el =u =ui io o . &ensia el =uio e. 8fectos e la ,resión ,resión 7 e la tem,eratura tem,eratur a el el =u =ui io o
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141 141 141 14# 14 #
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$.# e eio iores res e =u0 =u0o o ife iferenci renciale ales. s. a. Pl Plac acas as or ori' i'ci cio o ). ). u)o u)o Venturi Venturi c. c. o)era o)era . . u)o u)o Pitot e. e ei io orr e im im,a ,act cto o ar ar"e "ett $.4 eio eiores res e =u0o e es,la es,la+amien +amiento to ,osit ,ositi(o. i(o. $.5 e eio iores res e =u0 =u0o o e !rea (ar (aria) ia)le. le. $.3 eiores e =u0o e (olum*tricos. $. eiores e =u0o e =u0o m!sico. a. e eio iorr t*rmi t*rmico co ). eiores e =u0o ti,o Coriolis
14# 14$ 14 $ 151 15# 15# 154 15 4 155 15 159 13 13 139
C$p)&(*' 3.
11 12 12 14 15 13 13 19 1$2 1$5 1$3 1$ 1$ 1$9 19% 19% 191 192 192
9.1 e ei ici ción ón e ni ni(e (el. l. 9.2 i,os 9.2 i,os e instrumentos ,ara meir ni(el. 9.# *t *too oos s (is (isual uales es ,ar ,ara a me meici ición ón e ni(e ni(el. l. a. a. u)os u)os e (irio ). Ci Cint ntas as "r "ra aua uaa as s 9.4 lotaores. 9.5 &es,la+aores. 9.3 Ins Instru trumen mentos tos e ni( ni(el el e ti, ti,o o -i -irost rost!ti !tico. co. a. A,lica A,licación ción e trans transmisores misores e ni(el ). Otros m*to m*toos os -i -irost rost!ti !ticos cos 9. *t *too oos s elec electrón trónico icos s ,ar ,ara a mei meirr ni( ni(el. el. a. 6e 6ens nsore ores s e ni ni(el (el e ti ti,o ,o ca ca,a ,aci citi ti(o (o ). 6e 6ens nsore ores s e ni ni(el (el e ti ti,o ,o con conu uct cti( i(o o 9.$ *t *too oos s t*rmi t*rmicos cos ,ar ,ara a mei meirr ni(e ni(el. l. 9.9 6en 6ensore sores s e ni( ni(el el e ti,o ult ultras rasóni ónico. co. 9.1% 6en 6ensores sores e ni( ni(el el e ti, ti,o o fot fotoel oel*ct *ctric rico. o. 9.11 6en 6ensores sores e ni( ni(el el e ti, ti,o o ra raioa ioacti cti(o. (o. 9.12 6ensores e ni(el e ti,o microonas.
C$p)&(*' +4. 1%.1 eici eición ón e tem,era tem,eratura. tura. 1%.2 i,os e instrumentos ,ara meir tem,eraturas. a. a. ermómetros ermómetros e )ul)o ). ). ermómetros ermómetros )imet!licos c. c. ermo,ares ermo,ares c.1 ;e7es term termoel oel*ctr *ctrica icas s
194 195 195 193 2%% 2%% 2%1
c.2 Co Con( n(ers ersió ión n e (o (olt lta0 a0e e a te tem, m,era eratu tura ra c.# i,os c.# i,os e termo,ares c.4 c.4 ermo,o+os ermo,o+os c.5 Ins Instal talaci ación ón e term termo,a o,ares res
2%2 2%3 2% 2%$
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. ermómetros e resistencia e. ermistores f. Pirómetros e raiación
C$p)&(*' ++.
211 21# 214
11.1 Otras (aria)les 11.2 &irecciones e Internet
21 21$ 21$
5i6*i'#r$7)$
221
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INTRODUCCIÓN 8n
el
,resente
tra)a0o
se
muestra
el
material
i!ctico
e
la
materia
I!s&r(8e!&$ci! I!%(s&ri$* con los a(ances tecnoló"icos /ue est!n actualmente en el mercao en forma e is,ositi(os e meiciónG control 7 transmisiónG estos is,ositi(os son em,leaos en toas las inustrias e ,rocesoG tanto continuos como ,or lotesG ,ara mantener las es,eci'caciones el ,roucto entro e los lmites esta)lecios ,or las e
8l tra)a0o est! ,resentao tam)i*n en forma i"ital en un isco com,acto C& con arc-i(os .P&G e esta manera se ,uee ifunir económicamente el conocimiento e incluir otra informaciónG tal como ,ro"ramas reali+aos ,or ,ro(eeores ,ara c!lculo e (!l(ulas 7 otros is,ositi(os. 8l material /ue cu)re caa ca,tulo esta e<,uesto a continuación:
C$p)&(*' +. Introucción. &e'nición e (aria)le. Clasi'cación e las (aria)les. Clasi'cación ,or seal e meición. Relación el instrumento 7 el control e ,rocesos. Control a)ierto. Control cerrao.
C$p)&(*' ,. 8rrores e meición. &e'nición e error. i,os e meición. uentes e error. Clasi'cación e los errores. ratamiento estastico e los atos.
C$p)&(*' -. *toos e meición. 8
C$p)&(*' .. eición el instrumento. Alcance s,an. Incertium)re e la meia. uncertaint7. Re,eti)ilia. Precisión accurac7. ia)ilia. Re,rouci)ilia o esta)ilia. 6ensi)ilia sensiti(it7. Resolución o iscriminación. Cam,o e meia. 8s,acio muerto o )ana muerta &ea +one o ea )an. m)ral. &es,la+amiento el cero. &emora. Hist*resis H7steresis. unción e transferencia. Cali)ración. &eri(a. em,eratura e ser(icio. Via til e ser(icio.
C$p)&(*' /. 6eales. i,os e seales. 6eal Analó"ica. 6eal &i"ital. 6eal 8l*ctrica. 6eal Deum!tica. 6eal Hart. Ca,tación e la meia. Con(ersión e la meia en seal. ransmisión e la seal. nia terminal remota R. nia e ló"ica 7 ,rocesamiento P;C. Dormas.
C$p)&(*' 0. ;os elementos e un instrumento. 8lementos acti(os 7 ,asi(os. ransuctores Con(ersores AF&. Con(ersores &FA.
C$p)&(*' 1. Instrumentación ,ara meir ,resión. i,os e instrumentos ,ara meir ,resión. ransuctores e ,resión.
C$p)&(*' 2. Instrumentación ,ara meir =u0o. actores /ue afectan el =u0o e un =uio. i,os e meiores e =u0o.
C$p)&(*' 3. Instrumentación ,ara meir ni(el. i,os e instrumentos ,ara meir ni(el. 6elección e sensores e ni(el. A,licación e transmisores e ni(el.
C$p)&(*' +4. Instrumentación ,ara meir tem,eratura. i,os e instrumentos ,ara meir tem,eratura. ransuctores e tem,eratura. Caractersticas e termo,arG R&G termistor.
C$p)&(*' ++. Otras (aria)les /ue se ,ueen meir 7Fo etectar. &irecciones e Internet e inter*s.
Ca,tulo 1 Varia)les 7 seales e meición meición
C$p)&(*' + +9+ I!&r'%(cci!
oa inustria /ue mane0a ,rocesos re/uiere cuanti'car las cantiaes e ,rouctos /ue entran o salen e un reci,ienteG tu)era o sencillamente e un es,acio limitao ,or )ores (irtualesG en ,lantas e ,rocesos ,or lo "eneral -a7 /ue meir tam)i*n las ,ro,ieaes tem,eraturaG ,resiónG masaG ensiaG etc.. ;a meición e las cantiaes in(olucraas ,ermite controlar el ,rocesoG a"re"ano otro com,onente a la me+claG reucieno o incrementano la tem,eratura 7F o la ,resiónG en 'nG ,ermite tomar ecisiones acerca el ,aso si"uiente ,ara lo"rar un o)0eti(o. ;a cuanti'cación e las cantiaes se reali+a a tra(*s e is,ositi(os /ue emiten seales e,enientes ,or lo "eneral el cam)io en la cantia in(olucraaG e'ni*nose entonces la seal como un estimulo e
i"ura 1.1. Re,resentación "r!'ca e seales e a tiem,o continuo 7 ) tiem,o iscreto
+9, De:!ici! %e ;$ri$6*e
;as cantiaes o caractersticas /ue se mien las cuales sir(en e )ase e control se enominan (aria)lesG frecuentemente reci)en el nom)re e (aria)les e meiciónG (aria)les e instrumentación o (aria)les e ,roceso. 8
%1
Q = m ⋅ c p ⋅ ∆T
%2
+9- C*$si:c$ci! %e *$s ;$ri$6*es ;as caractersticas /ue se mienG las (aria)les e meiciónG se -an clasi'cao se"n el cam,o a la cual est!n eicaosG as entonces se ,ueen esta)lecer:
$9 V$ri$6*es &
Te8per$&(r$: 6e e'ne como la conición e un cuer,o o material /ue etermina la transferencia e calor -acia o ese otros cuer,os.
C$*'r espec):c': 8s la ,ro,iea e un cuer,o /ue e'ne la relación entre el cam)io e tem,eratura 7 la (ariación el ni(el e ener"a t*rmica.
V$ri$6*es %e e!er#)$ &
V$*'r c$*'r):c': Re,resenta la caracterstica e un material /ue etermina la cantia e ener"a t*rmica calor /ue se ,rouce o a)sor)e ,or un cuer,o sometio a coniciones es,ec'cas.
69 V$ri$6*es %e r$%i$ci! ;as (aria)les e raiación se re'eren a la emisiónG ,ro,a"ación 7 a)sorción e ener"a a tra(*s el es,acio o e al"n material en la forma e onas 7 ,or e
R$%i$ci! !(c*e$r: 8s la raiación asociaa con la alteración el ncleo el !tomo.
R$%i$ci!
e*ec&r'8$#!<&ic$:
8l
es,ectro
e
raiación
electroma"n*tica inclu7e la ener"a raiante ese la emisión a frecuencias e ,otencia ,asano ,or las )anas e transmisión e raio calor raianteG lu+ infrarro0aG (isi)le 7 ultra(ioleta 7 los ra7os J 7 cósmicos. na forma e raiación electroma"n*tica son los ra7os "amma ,roceentes e fuentes e suministro nucleares.
c9 V$ri$6*es %e 7(er=$ ;as (aria)les e fuer+a son a/uellas cantiaes fsicas /ue moi'can la ,osición relati(a e un cuer,oG la moi'cación ,uee incluir -asta la alteración e las imensiones en forma ,ermanente eformaciones ,l!sticas o en forma transitoria eformaciones el!sticasG las fuer+as ,ueen tener un car!cter est!tico ,eso ,ro,io o in!mico. ;as ,ueen ,roucir es,la+amientos 7Fo eformaciones linealesG =e
%9 V$ri$6*es %e ;e*'ci%$% 8stas (aria)les est!n relacionaas con la (elocia a la /ue un cuer,o se mue(e -acia o en irección o,uesta a un ,unto e referencia '0o. 8l tiem,o siem,re es uno e los com,onentes e la (aria)le (elociaG el t*rmino (elocia se asocia a un =uio a tra(*s el =u0o o caualG en caso e cuer,os se ,uee a,reciar la ra,ie+ con
/ue el cuer,o recorre una meia ,or unia e tiem,oG la meia ,uee ser lineal o an"ular. ;a (aria)le (elocia ,uee tam)i*n cam)iar en el tiem,o ano ori"en a otra (aria)le re,resentaa ,or la aceleración.
e9 V$ri$6*es %e c$!&i%$% ;as (aria)les e cantia se re'eren a la cantia total e material /ue e
79 V$ri$6*es %e &ie8p' ;as (aria)les e tiem,o son las meias el la,so transcurrioG es la uración e un e(ento en uniaes e tiem,oG la cantia e ,erioos /ue se re,iten en una unia e tiem,o se e'ne como la frecuenciaG la cual ,or lo "eneral se mie en Hert+.
#9V$ri$6*es #e'8<&ric$s 8stas se re'eren a la ,osición o imensión e un cuer,o. ;as (aria)les "eom*tricas est!n relacionaas con el est!nar funamental e lon"itu. 6e ,uee a,reciar como (aria)le la ,osición e un cuer,o con res,ecto a una referenciaG se ,uee imensionar un cuer,o tomano la istancia relati(a entre os ,untosG se ,uee eterminar la su,er'cie e un cuer,o ,artieno el !rea encerraa ,or al menos tres ,untos e istancias entre s conocia. 6e ,uee a,reciar la formaG el contorno se"n la locali+ación relati(a e un "ru,o e ,untos re,resentati(os e la su,er'cie /ue se mie. &entro e las (aria)les "eom*tricas e)e consierarse al ni(el e un l/uio o sólio re,resentao ,or la altura o istancia e se la referencia )ase.
>9 V$ri$6*es %e pr'pie%$%es 7)sic$s ;as (aria)les e ,ro,ieaes fsicas se re'eren a las ,ro,ieaes fsicas e sustanciasG sin consierar a/uellas /ue est!n relacionaas con la masa 7 la com,osición /umica. Por e0em,lo:
De!si%$% ? Pes' Espec):c': Por e'nición la ensia es la cantia e masa e una materia contenia en una meia e (olumen unitarioG mientras /ue el ,eso es,ec'co es la relación entre la ensia el material 7 la ensia el a"ua a coniciones es,eci'caas.
@(8e%$%: 8s la cantia e (a,or e a"ua en la atmósfera. ;a -umea a)soluta es el ,eso e a"ua en la unia e (olumenG en al"unas ocasiones se e<,resa en t*rminos e la ,resión el (a,or e
a"ua. ;a -umea relati(a es la relación entre la ,resión e
a"ua saturao a la misma tem,eratura. 8l contenio e -umea es la cantia e a"ua li)re /ue se encuentra en una sustancia.
Visc'si%$%: 8s la resistencia /ue ofrece un =uio a su eformación ,or corte.
C$r$c&er)s&ic$s es&r(c&(r$*es: 6on las ,ro,ieaes cristalinasG mec!nicas o metalr"icas e las sustancias. &ure+aG uctiliaG estructura metalr"icaG etc.
i9 V$ri$6*es %e c'8p'sici! ()8ic$ 6on las ,ro,ieaes /umicas e las sustancias referias a su com,osiciónG a su acie+ o alcalinia.
B9 V$ri$6*es e*
+9. C*$si:c$ci! p'r se$* %e 8e%ici!
Para la ma7ora e las meiciones e l cam)io en la (aria)le /ue se mie se transforma en el cam)io e al"una otra (aria)le seal e meiciónG la cual a su (e+ o,era el is,ositi(o e inicia la acción e control o ,uee con(ertirse en una seal e meición. As ,or e0em,loG la meición e =u0o utili+ano una ,laca ori'cio o un tu)o Venturi elemento ,rimario esarrolla una ,resión iferencial seal e meiciónG la cual ,uee o,erar irectamente un inicaorG re"istraor o ,uee con(ertirse en una se"una seal e meición neum!tica o el*ctrica /ue o,erar! al is,ositi(o. ;a seal analó"ica el*ctrica o neum!tica en los is,ositi(os moernos se con(ierte en una seal i"ital /ue a su (e+ ,uee en(iarse a una com,utaora u otro is,ositi(o e control. ;a seal analó"ica se remite a un transuctor /ue es un is,ositi(o /ue tiene la misión e reci)ir ener"a e una naturale+a el*ctricaG mec!nicaG acsticaG etc.G 7 suministrar otra ener"a e iferente naturale+aG ,ero e caractersticas
e,enientes e la /ue reci)ióG como e0em,lo: un con(ertior analó"ico E i"ital AF& C.
8l uso e seales e meición ,ermite la meición e toas las iferentes (aria)les meiante una com)inación e transuctores ,rimarios es,eciali+aosG 0unto con un nmero ,e/ueo e sistemas e res,uesta asociaos con un ,e/ueo nmero e seales e meición.
i"ura 1.2. Ciclo e a/uisición 7 tratamiento e seales e meición.
;as seales e meición se inclu7en entro e ie+ i(isiones sencillas:
$9 M';i8ie!&' oas las manifestaciones el (alor e la (aria)le meia est!n )asaas en al"una forma e mo(imientoG el cual es una entraa sin"ular a los transuctoresG controlaoresG com,utaoras 7 otros sistemas e res,uesta a la meición.
?
M';i8ie!&' 8ec"!ic': 8l es,la+amiento e un inicaorG ,lumilla e re"istro o e otro elemento sólio es la forma mas usual el efecto /ue se mie. 8l mo(imiento mec!nico lineal o an"ular se toma tam)i*n como un efecto e entraa a otros sistemas e res,uesta.
?
Desp*$=$8ie!&' *)(i%': 6e em,lea como manifestación en los termómetros con (!sta"o e (irioG los manómetros con tu)o e (irio 7 otros similares. am)i*n se em,lea como seal e transmisión en los sistemas e termómetro llenos e l/uio 7 e tu)o met!licoG 7 e n otros sistemas.
?
M';i8ie!&' %e (!$ *(= ' >$= %e e*ec&r'!es: 6e em,lea como manifestación en los oscilosco,iosG osciló"rafosG "al(anómetros e -a+ e lu+ 7 otros seme0antes. am)i*n se utili+a como elemento sensi)le e ,osición en al"unas a,licaciones one se re/uiere /ue la fuer+a e reacción el elemento sensi)le sea es,recia)le.
69 F(er=$ 8s un ti,o comn e seal utili+aa en la con(ersiónG transmisión 7 utili+ación e las meiciones. •
F(er=$ 8ec"!ic$ &'&$*: 6e usa con frecuencia como entraa e controlG como elemento e con(ersión en los is,ositi(os e fuer+as )alanceaas 7 ,ara la transmisión e seales a istancias meias en uniaes e lon"itu. 6e ,uee eri(ar 7 con(ertir en mo(imientoG o en ,resión iferencial o est!tica.
•
Presi!: ;a fuer+a ,or unia e !rea en los =uios es una seal e meición /ue em,lea ,ara la transmisión e la meición. 6e utili+a tanto como ,resión est!tica como la iferencial con (alores /ue (aran ese ,resiones iferenciales e ,ul"aas e a"uaG las cuales se esarrollan meiante una ,laca ori'cioG -asta ,resiones e 1.%%% 2
l).F,ul" esarrollaas en sistemas con termómetro lleno e "as 7 sellaos. ;as ,resiones neum!ticas /ue se ace,tan como est!nar son # a 15 l).F,ul" 2 ,oco usual e # a 2 l).F,ul" 2 ,ara la transmisión neum!tica e las seales e meición 7 control.
c9 Se$*es e*
•
Se$* %e ;'*&$Be ' c'rrie!&e: ;as seales e (olta0e o corriente tienen una relación '0a entre la (aria)le meia 7 la seal e (olta0e o e corriente.
•
Se$* %e re*$ci! %e ;'*&$Be ? c'rrie!&e: ;as seales e relación e (olta0e 7 corriente son a/uellas en /ue la relación entre el (olta0e 7 la corriente es la caracterstica si"ni'cati(a e la seal e meición. Cuano el cam)io en la (aria)le
/ue se mie ,rouce un cam)io e im,eancia en el circuito e meiciónG la relación entre el (olta0e 7 la corrienteG o entre los (olta0es o corrientes e entraa 7 e saliaG e'ne el (alor meio.
%9 Se$*es %e 8e%ici! %e &ie8p' 8'%(*$%' Para la transmisión e las meicionesG ,articularmente a "ranes istancias se utili+a cierto nmero e seales e tiem,o moulao el ti,o Ka)ierto L cerraoM. •
Se$* %e %(r$ci! %e (! p(*s': Neneralmente o,eran con la uración e un ciclo constante /ue (ara entre 1 7 15 se"unosG en one la relación entre el tiem,o /ue el circuito esta cerrao 7 el tiem,o en /ue el circuito se encuentra a)iertoG urante caa cicloG re,resenta el (alor e la (aria)le. ;as seales con uración e un ,ulso tam)i*n se utili+an ,ara la inte"raciónG sin /ue im,orte la istancia e transmisión.
•
Se$* %e 7rec(e!ci$: ;a seal e la frecuencia re,resenta el cam)io el (alor e la (aria)le /ue se mieG se em,lean con frecuencia ,ara la transmisión e la meiciónG ,articularmente so)re circuitos ,ortaores 7 circuitos raiotransmisores. ;a (elocia rotacional a (eces se transforma a frecuencia como seal e meiciónG sin /ue ten"a im,ortancia la istancia e transmisión.
•
Se$* %e 8'%(*$ci! %e p(*s's c*$;e: ;a seal e meición ,uee ser sim,lemente la cuenta el nmero e ,ulsos e ntro e cierto inter(alo e tiem,oG o ,uee ser una seal )inaria totalmente coi'caa
o
ecimal
)inaria.
;os
,ulsos
cla(e
se
utili+an
frecuentemente en las com,utaoras i"italesG en los re"istraores /ue o,eran con atos i"itales.
+9/ Re*$ci! %e* i!s&r(8e!&' ? e* c'!&r'* %e pr'ces's ;a '"ura 1.# muestra como es ,osi)le controlar el ,roceso e "iro e un motor al conocer la ,osición e salia sensaa ,or la (ariación e la ,osición e un cursor so)re una resistencia (aria)le. Otro forma sim,le es sensar la ,resión 7Fo tem,eratura e un ,roceso con las cuales se ,uee eterminar a ,artir e la
ecuación e estao la (aria)le e,eniente 7 com,arar el (alor o)tenio con un (alor e referencia set ,ointG e esta forma se ,uee alterar controlano con una (!l(ula la entraa e mas o menos (a,or /ue ar! incrementos e tem,eratura -asta alcan+ar el
(alor e referencia. am)i*n sim,lemente se ,uee leer e un termómetro una tem,eratura /ue au
i"ura 1.#. Ilustración el sensao e la (aria)le es,la+amiento.
+90 Se$*es %e 8e%ici! p$r$ *$s ;$ri$6*es ;a a)la 1 ilustra las (aria)les 7 las seales e meición a,ro,iaas ,ara caa casoG se inclu7en notas aclaratorias.
a)la 1. t Varia)les o o 7 seales e meición t
Varia)le
1 2 # 4 5 3 $ 9 1% 11 12 1# 14 15 13 1 1$ 19 2% 21 22 2# 24 25 23 2 2$ 29 #% #1 #2 ## #4
em,eratura Calor es,ec'co
Varia)le e ener"a Valor calor'co Raiación nuclear Raiación Varia)le fotom*tricas Varia)le acsticas
uer+a total omento o ,ar e Presión o (aco lu0o Ra,ie+ o (elocia Aceleración asa Peso
a t o N
1 4 4 4
Caractersticas Com,osición /umica Volta0e el*ctrico Corriente el*ctrica Resistencia el*ctrica Inuctancia el*ctrica Ca,acitancia el*ctrica Im,eancia el*ctrica
X
n e i m a z a o l d p i s e u q D í l
e d z o t a n h e i n u m s i e v e d o n o r o t M z c e u l l e e d
X
6eal e l a t o t a z r e u F X
o e j a t l o V e t n e i r r
n ó i s e r P
X
X
e d y s e j n e a e o t i l c o n a v l e c e t R n a e r i u r r o o s c l u
X
X
X X
X X
X X X X X X
X X X X
a i c n e u c e r F
e v a l c o s l u P
X
X
5 5 X X X X X X
X X X
X X X
X
O X X X X X
X O X X X
X
X
X X
X
2 X X X X
iem,o transcurrio
recuencia Posición &imensión Contorno Di(el &ensia 7 ,eso Humea Contenio e -umea Viscosia
n e i m i v o M o c i n á c e m
X
X
X
X
X X
X X X
X X X
X X X X
X
O X
X X X
6 6
3
X X X X X
X
X X
X
X X X X
X X
X
7 8 X X
X X
X X
O O X X X
X X X X X
X X X X X
X X X X X
X
X
X
X
X X
N'&$s $c*$r$&'ri$s %e *$ &$6*$ + 1. ;a tem,eratura se mie ,or raiación. oos los cuer,os raian 7 a)sor)en
ener"a e onas electroma"n*ticasG e,enieno e su tem,eraturaG la relación entre la tem,eratura 7 la raiación no im,lica el uso e al"n transuctorG sin em)ar"oG la raiación se em,lea ,ara meir la tem,eraturaG es,ecialmente ,ara las altas tem,eraturas. 2. ;a masa se mie casi siem,re ,or el efecto e la "ra(eaG ,or su ,eso. #. ;a -umea se mie ,or la tem,eratura el ,unto e roco. 8sto se a,lica a la
meición irecta e la tem,eratura el a"ua ,ura cu7a ,resión e (a,or es i"ual a la ,resión e (a,or /ue se (a a meir 7 tam)i*n a la ,resión el (a,or el cloruro e litio saturao en elementos saturaos con cloruro e litio. 4. Do e
calor'coG entro,aG ental,a 7 otras (aria)les similares. Cual/uiera e estas meiciones se eri(an e c!lculos )asaos en meiciones e otras (aria)lesG o se utili+a e/ui,o es,eciali+ao ,ara mantener constantes cierto nmero e conicionesG en tal forma /ue una e las (aria)lesG ,or lo "eneralG la tem,eraturaG se altere en una relación ,reeterminaa con res,ecto a los cam)ios e la (aria)le /ue se mie. 5. ;as (aria)les fotom*tricas 7 acsticas inclu7en i(ersas (aria)les iferentes. 8l
elemento sensi)le ,ara la ma7ora e las (aria)les fotom*tricas es al"n ti,o e foto cela. 8l elemento sensi)le ,ara muc-as e las (aria)les acsticas es cierto ti,o e micrófono. Am)as tienen salias analó"icas el*ctricas. ;a relación entre la (aria)leG el elemento sensi)leG el e/ui,o asociao 7 la seal e meiciónG (ara con la meición en ,articular. 3. ;a imensión 7 el contorno e'nios como la ,osición relati(a entre (arios ,untosG
casi siem,re se mien en t*rminos e una ,osición en /ue el ,unto seleccionao e la imensión o contorno mantiene cierta relación ,reeterminaa con res,ecto a un ,unto e referencia en la ,osición el sistema e meición. . ;as (aria)les /ue se re'eren a las caractersticas estructurales inclu7en un "ru,o
tan (ariao 7 am,lio e tales factores /ue se -ara emasiao e
(aria)les e la nota anterior.
+91 Sis&e8$s %e c'!&r'*
Al"unas a,licaciones e los instrumentos e meia ,ueen caracteri+arse ,or tener esencialmente una función e monitori+ación. ;os termómetrosG )arómetros 7 anemómetros sir(en ,ara ese
,ro,ósitoG sim,lemente inican la conición el meio am)iente 7 sus lecturas no sir(en como función e control en sentio orinarioG al i"ual los meiores e a"uaG "as 7 electricia el -o"ar cuentan las cantiaes /ue se consumen e esos =uios ,ara ,oer cancelar el monto a ,a"ar ,or el usuario. 8n el caso e las em,resas /ue tra)a0an con elementos raioacti(osG sus tra)a0aores e)en lle(ar consi"o una ,elcula /ue sir(e ,ara acusar la e<,osición acumulati(a el ,ortaor. oos estos elementos e meición re,ortan )ene'ciosG ,ero no sir(en ,ara ,oer controlar ,rocesos in!micos como los em,leaos -o7 ,or cual/uier inustria. 8n este casoG al sistema e control se le llama e la+o a)iertoG e0em,lo e ello esta ilustrao en la '"ura 1.4G el elemento 'nal e control ,uee ser una (!l(ula /ue se a)re o cierra cuano se esea controlar el =uio. Cuano se esea controlar un ,rocesoG se e)e reali+ar una com,aración e las meias e salia (aria)le controlaa con las referencias eseaa 7 a0ustar entonces las (aria)les e entraa ,ara ,oer alcan+ar la meta eseaa. ;a '"ura 1.5 ilustra un ciclo e la+o cerrao.
ALTERACIONES
8DRA&A &8 8D8RNIA FO A8RIA;
VARIAB;8 CODRO;A&A
PROCESO
8;88DO &8 CODRO; IDA;
ID6R8DO &8 8&I&A
i"ura 1.4. ;a+o a)ierto e control.
A;8RACIOD86 8DRA&A &8 8D8RNIA FO A8RIA;
VARIAB;8 CODRO;A&A
PROCESO
8;88DO &8 CODRO; IDA;
ID6R8DO &8 8&I&A
CONTROLADOR
VA;OR &868A&O &8 ;A VARIAB;8 CODRO;A&A 68 POID
i"ura 1.5. ;a+o cerrao e control.
Ca,tulo 2 8rrores e meición
C$p)&(*' , ,9+Err'res %e 8e%ici! ;a ,resencia uni(ersal e lo incierto en las meiciones fsicas e)e reconocerse como ,unto e ,artia en el tratamiento e los errores en los sistemas e meición. 8l error e -ace ,resente ,or el sistema e meición ao,tao 7 ,or los ,atrones em,leaos ,ara la cali)ración el instrumento e meia.
,9,De:!ici! %e err'r ;a ma"nitu e cual/uier cantia fsica /ue se esea meir estar! inte"rao ,or un (alorG formao en cierta unia seleccionaa e forma aecuaa 7 e un (alor num*rico asociao. As ,or e0em,loG en la meición e tem,eratura se ,uee seleccionar o CG el (alor num*rico ,uee ser 11% /ue e,ener! e la uniaG si se selecciona CG la ma"nitu meia ser! 11% C. 8l "rao e falla en cuanto a es,eci'car e
,9-Tip's %e 8e%ici! Cuano se consieran 7 (aloran los errores e meiciónG es e utilia mantener en mente el es/uema e meición em,leaoG a continuación se escri)en al"unos e los ti,os e meición mas comunes:
$9 C'8p$r$ci! %irec&$ ;a meición ,uee consistir e la com,aración entre la cantia /ue se mie con un ,atrón e la misma naturale+a fsica. 8n tales casosG la relación entreG o la iferencia el ,atrón con res,ecto a la ma"nitu esconocia es lo /ue se etermina. Como e0em,lo: 8l ,uente e Q-eatstone ,ara eterminar el (alor e una resistencia en t*rminos e una resistencia 7 e una relación c onocia.
69 AB(s&e >$s&$ *$ i#($*%$% na ma"nitu conocia se a0usta meiante cantiaes conocias -asta /ue se i"uala a la esconocia. 80em,lo: &eterminación e la masa ,or meio e una )alan+a /umicaG en el*ctrica se a,lica el ,otenciómetro ,ara eterminar (olta0e.
c9
Acci! %irec&$ %e $*#! sis&e8$ 7)sic'
Al"una ,ro,iea e la (aria)le /ue se mie es la /ue se utili+a ,ara o,erar un sistema inicaor aecuao 7 su ma"nitu se lee en una escala a,ro,iaa. 80em,lo: ;a ma"nitu e la corriente el*ctrica ,uee meirse a ,artir el ,ar e torsión /ue se ,rouce en el sistema mó(il e un am,ermetro 7 el (alor se lee consierano la e=e
,9.F(e!&es %e err'r Cual/uiera /ue sea el es/uema e meición /ue se utiliceG el (alor num*rico asi"nao como resultao e la meición ,ara escri)ir la ma"nitu e la (aria)le meia tenr! cierto error e ma7or o menor "raoG es ecir e
$9 R(i%' e! *$s 8e%ici'!es 8l ruio es cual/uier seal /ue no transmite nin"una información e utilia. ;as ,ertur)aciones e
,roceenciaG en muc-os casos e)en em,learse 'ltros e car!cter electrónico. ;os ruios ,ueen "enerarse en:
1. 8l sistema sensi)le ,rimario 2. 8l canal e comunicación o unión intermeia #. 8l elemento inicaor el sistema
69 Tie8p' %e resp(es&$ 8l tiem,o e res,uesta en un sistema e meición a una seal tam)i*n ,uee contri)uir a la incertium)re e la meición. 6i la seal no es constante en su (alorG resultar! el retraso e la res,uesta el sistema en cuanto a la inicación cu7o (alor e,ene e una secuencia e (alores el meio estimulante entro e cierto inter(alo e tiem,o. 80em,lo: ?uien esee meir los cam)ios e tem,eratura en el am)iente e la c!mara e com)ustión e un motor reci,rocante no ,or! em,lear un termómetro ,or su )a0a ca,acia e res,uesta. Consi*rese un sistema sim,le formao ,or un inicaor e ,resión consistente en unos fuelles conectaos a la fuente e ,roceencia e la ,resión ,or meio e un tu)o e ,e/ueo i!metroG ,or el tu)o e)e =uir "as /ue incrementar! la ,resión el fuelle 7 lo -ar! e<,anirse. al sistema e meición se conoce como un sistema e ,rimer orenG 7a /ue su res,uesta in!mica ,uee e<,resarse ,or meio e una ecuación iferencial e ,rimer oren. 8sta res,uesta se muestra en la '"ura 2.1 a ,ara un cam)io en una eta,a 7 e<,resarse ,or las ecuaciones 2.1 7 2 .2 si"uientes:
d θ T dt + θ = θ
2.1
f
TU1
θ = θ
− f
−1
e
T
YW X
2.2
V
7 la '"ura 2.1 ) ,ara un cam)io lineal 7 e<,resarse ,or las ecuaciones 2.# 7 2.4 si"uientes: d θ + θ = T dt Kt
2.#
θ = K (t − T )+ KT e−1T
2.4
Para am)os ti,os e cam)ioG la ecuación e res,uesta contiene un t*rmino transitorio /ue escri)e la res,uesta inicial 7 un t*rmino e estao uniforme (alor asintótico e la cur(a e res,uesta /ue
escri)e el com,ortamiento el sistema es,u*s e un inter(alo /ue es lar"o com,arao con el tiem,o e res,uesta . ;a inicación el sistema es una función e su tiem,o e res,uestaG as como e los cam)ios e la (aria)le /ue se mie.
i"ura 2.1. Res,uestas e un sistema e meición.
8n el caso e situaciones o sistemas mas com,licaosG la solución re/uiere e an!lisis a,ro
C9 Li8i&$ci'!es %e %ise' ;as limitaciones 7 efectos en el iseo 7 construcción e los sistemas e meición tam)i*n constitu7en factores e incertium)reG as ,or e0em,loG en los sistemas /ue ,oseen
,artes
mec!nicasG
la
fricción
contri)u7e
con
cierto
"rao
e
amorti"uamientoG en los sistemas no aislaos un cam,o ma"n*tico ,uee tam)i*n ,uee ser factor e alteraciónG en e/ui,os /ue re/uieren un cam)io e ener"a ,ro(eniente e la misma fuente /ue se esea meirG el (alor e la (aria)le /ue se mie /uear! afectaa ,or esta ltimaG en los sistemas /ue em,lean ener"a ,ro(eniente e otra fuente e suministro au
elemento el sistema con la acción e la (aria)le /ue se mieG e0em,lo e ello es la ,resencia e una ,laca ori'cio en un tu)o /ue trans,orta un =uioG en
is,ositi(os el*ctricos se ,uee o)ser(ar este fenómeno al meir la corriente el*ctrica en un circuito e )a0a resistenciaG 7a /ue el miliam,ermetro introuce una resistencia aicional 7 ,uee alterar el (alor meio e la corriente. ;a transmisión e la información ese el elemento sensi)le -acia el inicaor ,uee ser afectaa ,or cual/uiera o ,or toos los si"uientes ti,os e errores:
•
Atenuación e la seal al ser consumia o a)sor)ia en el canal e comunicación.
•
&istorsión e la seal a causa e la atenuaciónG resonancia o fenómenos e retaro selecti(os en los i(ersos com,onentes e la seal.
•
P*rias ,or fu"as.
Otra e las limitaciones en los sistemas e meición son ,roucios ,or el eterioro e)io al es"aste fsico o /umico /ue ,uee ocasionar cam)ios en la res,uesta o
%9 Err'res %e '6ser;$ci! ? %e i!&erpre&$ci! ;os errores ,ersonales en la o)ser(aciónG inter,retación 7 re"istro e los atos son fuente e incertium)re en cuanto a las meiciones. A continuación se escri)en errores comunes en los sistemas e meición:
•
Err'res %e p$r$*$Be: 8n el caso e is,ositi(os e toma e atos ,or un o,eraorG es ifcil no cometer errores e ,arala0eG ,ues e,enieno e la ,osición relati(a el o,eraor res,ecto al cristal la lectura tenr! istintos (alores. 8l "rao el error e,ener! e la altura el o,eraor 7 el seno el !n"ulo entre la (isual 7 la ,er,enicular al cristal el is,ositi(o.
•
I!&erp'*$ci! *i!e$* %e esc$*$s: Cuano la escala el is,ositi(o esta i(ia en su)i(isiones relati(amente "ranes 7 es necesario a,reciar un (alor entre las os su)i(isiones e,ener! e una inter,olación entre los (alores e
•
I!(e!ci$ pers'!$* %e* '6ser;$%'r: Al"unos o,eraores ,ueen a,reciar /ue el inicaor se encuentra e
su)i(isionesG
inicaor se es,la+a li"eramente 7a la
,ero
cuano
el
a,reciación e,ener! e la e<,erienciaG e tal manera /ue os o,eraores ,ueen ar (alores istintos a una misma meia.
•
E(i;'c$ci'!es: ;as fallas en el li)ro e anotaciones e)ias a la escritura incorrecta e un "ito o trans,osición e "itos son errores el o)ser(aor.
,9/C*$si:c$ci! %e *'s err'res Al eterminar la ma"nitu e la incertium)re o error en el (alor asi"nao a una cantia resultante e una meiciónG es necesario esta)lecer la iferencia entre os clases e error:
$9 Err'res sis&e8"&ic's 8l error sistem!tico es a/uel /ue se re,ite constantemente caa (e+ /ue se reali+a el e<,erimento. no e estos es e)io a la cali)ración efectuosa el sistema e meición o al cam)io en el sistema /ue ,ro(o/ue cierta es(iación entre la meia a,reciaa 7 el (alor real. ;os errores sistem!ticos los ,uee ,ro(ocar la ,*ria o en(e0ecimiento e los resortes 7 iafra"mas en los sistemas e meición e ,resiónG tam)i*n se ,uee o)ser(ar la reucción e ,otencia e un ma"neto e)io al c-o/ue o cam)io causao con el tiem,o. ;os errores sistem!ticos son ifciles e a,reciarG ,ara (alorarlos se e)en com,arar (alores e'nios en a/uellos ,ar!metros e la (aria)le /ue se mie /ue est!n )a0o el control el o,eraor 7 utili+ar cuano es ,osi)le iferentes instrumentos 7Fo ,ro"ramas e cali)ración 7 certi'cación ,ermanente. A (eces es ,osi)le meir al"o cu7a ma"nitu se conoce con ,recisiónG tal meición constitu7e una com,ro)ación el sistema e meición 7 sir(e e a7ua ,ara la (aloración e los errores sistem!ticos.
69 Err'res c$s($*es ;os errores casuales son a/uellos /ue se ,resentan en forma acciental 7 cu7a ma"nitu 7 si"no =ucta e tal moo /ue no ,ueen ,reecirse a ,artir el conocimiento el sistema e meición 7 e las coniciones en /ue se efecta la meición.
8n la meición e cual/uier cantia fsicaG las o)ser(aciones est!n in=uias ,or una cantia e factoresG los cuales se enominan ,ar!metros e meición. ;as o)ser(aciones re,etias e la ma"nitu e cierta cantia ,ueen iferir como resultao e la falla el is,ositi(o. 6i se su,one
/ue los i(ersos ,ar!metros /ue se encuentran fuera el control el o,eraor 7 los resiuos incontrola)les e a/uellos ,ar!metros /ue el o,eraor trata e mantener '0os actan en una forma com,letamente al a+ar la teora e la ,ro)a)ilia ,uee em,learse ,ara eucir al"unos resultaos e utilia. ;a com)inación e las circunstancias /ue ,rouce "ranes es(iaciones el (alor o)ser(ao con res,ecto al (alor (eraero se ,resentan con menos frecuencia /ue a/uellos /ue causan ,e/ueas es(iaciones 7 caa in=uencia ,uee su,onerse /ue * lu"ar tanto a una es(iación ,ositi(a como a una ne"ati(a. 8n consecuenciaG la tenencia "eneral e los efectos ,ertenecientes a toas las in=uencias ser! el e cancelarse con al"una otra en lu"ar e ser aiti(a. 6i toos los errores e meición fueran consistentes con las le7es e la ,ro)a)iliaG ,ora es,erarse /ue el (alor (eraero e una cantia fuera el ,romeio e un nmero in'nito e o)ser(aciones. ;a ta)la 2.1 inica una clasi'cación ,ara las istintas fuentes e ,roceencia el error con res,ecto al ti,o e error /ue se ,rouce. a)la 2.1. i,os 7 fuentes e ,roceencia e los errores e meición uente e ,roceencia el error Ruio
iem,o e res,uesta ;imitaciones e iseo 8ner"a e interacción ransmisión &eterioro
In=uencia el meio
i,o e Casual
6istem!tico
Neneralmente
Puee ser
Pocas (eces
Casi siem,re
Dormalmente
Al"unas
Puee
Dormalment
Al"unas (eces
Dormalment
Pocas (eces
Dormalment
Dormalmente
Puee ser
,90Tr$&$8ie!&' es&$%)s&ic' %e *'s %$&'s Cuano la toma e atos se reali+a e forma continua los atos es,or!icos no tienen tratamientoG se is,one e ,roceimientos estasticos /ue -acen ,osi)le esta)lecerG a ,artir e "ru,os limitaos e atosG el (alor mas ,ro)a)le e la cantiaG la incertium)re ,ro)a)le e una sola o)ser(ación 7 los lmites ,osi)les e incertium)re el me0or (alor /ue ,uee eri(arse e los atos. 6e a,lica la teora e la ,ro)a)ilia ,ara lo"rar las si"uientes realiaes:
$9 Pr'8e%i' ' 8e%i$ $ri&8<&ic$ A ,artir e un e0em,lo se esta)lecer! la meia aritm*tica e una serie e meiciones e la lon"itu e un elementoG las a,ro
;ectura BG mm
&iferenciaG
$G$
#G1
41G
3G4
25G4
42G
92G1
5%G#
41G
53G$
14G$
42G
$$G1
43G%
42G
5%G5
$G3
41G
4G
#2G
42G
$2G4
4%G5
41G
31G3
19G1
42G
35G4
2#G3
41G
lon"itu o)ser(aaG
Promeio aritm*tico e los (alores o)ser(aos:
X =
∑ x = 419,7 n
10
= 41,97 mm
69 Des;i$ci! !'r8$*i=$%$ na e las me0ores meias e la is,ersión e un con0unto e o)ser(acionesG es a,licar la es(iación normali+aa e<,resaa ,or la ecuació n si"uiente:
σ =
n
2 m
2.5
6i se toma la iferencia entre caa una e las o)ser(aciones el e0em,lo ,re(io 7 la meia o ,romeio aritm*tico se calcula el (alor e m o (alor e la es(iación ,articular con res,ecto a la meia el "ru,oG estos (alores est!n re,resentaos en la a)la 2.#G los c!lculos si"uientes eterminan la es(iación normali+aa )asao en la ecuación 2.5:
σ =
44G1% 1% 2 = 0,21 mm 1%
a)la 2.# m
2m < 1%2
E
G29
%G%#
%G%9
E
2G$9
%G%#
%G%9
%G1#
1G39
%G%
%G49
%G%#
%G%9
E
%G49
%G5#
2$G%9
E
2G$9
∑=
c9
Err'r pr'6$6*e %e (!$ '6ser;$ci! si8p*e
44G1%
8l error ,ro)a)le e una o)ser(ación sim,le se e' ne como la es(iación res,ecto el "ru,o ,ara el cual la ,ro)a)ilia e /ue sea e
nmero e o)ser(aciones es "raneG la es(iación ,ro)a)le e una o)ser(ación sim,le con res,ecto a la meia esta aa ,or la ecuación 2.3:
2.3
r = ±0,6745 σ
&one Z re,resenta la es(iación normali+aa ,re(iamente calculaaG a,licano (alores
a la ecuación 2.3 se o)tiene /ue: r
= ±0,6745 ⋅ 0,21 = ±0,15 mm
A-ora )ien si el nmero e o)ser(aciones es ,e/ueoG se ,uee a,licar la ecuación 2.
r = ±0,6745
2
m n 1
2.
%9 Err'r pr'6$6*e %e *$ 8e%i$ 8ste se e'ne con la e<,resión 2.$ como la cantia R en /ue la meia e un "ru,o e o)ser(aciones ,uee es,erarse /ue i'eraG con una ,ro)a)ilia el 5%SG e la meia e un con0unto in'nito tomao en las mismas coniciones e meia. &e)e a,licarse la ecuación 2.9 si el nmero e o)ser(aciones es "rane.
R =
2.$
r
n
R = ±0,6745
a2
2.9
n
8n el e0em,lo anteriorG el error ,ro)a)le e la meia e ie+ o)ser(aciones esta ao ,or el (alor si"uiente:
± 0,15 r R = n = 1% = ±0,05 mm
e9 I!&er;$*'s %e c'!:$!=$ eiante el an!lisis estastico e los atos es ,osi)le esta)lecer un inter(alo e es(iación el (alor meioG entro el cual cierta fracción e toos los (alores ,uee es,erarse /ue /uee incluia. 8ste inter(alo se enomina Kinter(alo e con'an+aM 7 la ,ro)a)ilia e /ue el (alor e una o)ser(ación seleccionaa al a+ar /uee entro e este inter(alo se llama Kni(el e con'an+aM. 8n caso e /ue el nmero e o)ser(aciones sea "rane 7 e /ue sus errores sean casuales istri)ución normal e los erroresG los i(ersos inter(alos e con'an+a alreeor el (alor meio [ ser!n como se inica en la a)la 2.4 e<,uesta a continuación: a)la 2.4. Valores el ni(el e con'an+a 7 el inter(alo e con'an+a ,ara un nmero e o)ser(aciones "rane.
Ni;e* %e c'!:$!=$
I!&er;$*' %e c'!:$!=$ V$*'res *'c$*i=$%'s 7(er$ %e* i!&er;$*' %e
%G5%
µ ± 0,67 σ
1 en 2
%G
%$µ ± 1,282 σ
1 en 5
%G9%
µ ± 1,645 σ
1 en 1%
%G95
µ ± 1,960 σ
1 en 2%
%G99
µ ± 2,576 σ
1 en 1%%
%G999
µ ± 3,291 σ
1 en 1%%%
6i el nmero e o)ser(aciones es ,e/ueo 7 la es(iación normali+aa Z es esconocia con e
2
dm (n − 1)
S=
2.1%
8n el e0em,lo anteriorG relacionao con la meición e la lon"itu e un elementoG s \
%G22 mm.G los
inter(alos e con'an+a e una
o)ser(ación
,articular
corres,onientes a iferentes ni(eles e con'an+a son: Di(el e con'an+a
%G5%
%G9%
%G95
%G99
Inter(alo e
±%G1
±%G4%
±%G5
±%G
Para el ,romeio el "ru,o 41G9 los inter(alos e con'an+a corres,onientes son: Inter(alo e
±%G%
±%G1
±%G1
±%G2
Como conclusiónG el (alor ,romeio 41G9 /ue se eterminó a ,artir e las ie+ o)ser(aciones reali+aasG ,ora es,erarse /ue se encontrara con una ,ro)a)ilia el 5%SG entro el inter(alo e %G%5 mm con res,ecto a la meia e un nmero in'nito e o)ser(aciones. Para el ni(el e con'an+a e 99S ,uee esta)lecerse /ue la meia o)ser(aa 7 la meia teórica i'eren en no mas e %G2# mm. a)la 2.5 actores ,ara esta)lecer el inter(alo e con'an+a cuano el nmero e o)ser(aciones es ,e/ueo.
Otros ,untos /ue e)en estuiarse con frecuencia en el tratamiento e atos son los si"uientes: 1. 8liminación e atos 2. Com,aración e ,romeios #. Pro,a"ación e errores 4. ;e7 e istri)ución normal
79 V$*'res si#!i:c$&i;'s Al calcular o esta)lecer los resultaos e una meiciónG es im,ortante /ue los (alores re"istraos inclu7an too lo /ue sea información til. Con frecuenciaG tam)i*n es im,ortante e
re,resentar el ,unto e incertium)re. Aun/ue no e
me0or e los casos /ueara locali+ao entre 24G2 7 24G4G mientras /ue ,ara el ,eor e los casos estara entre 2#G# 7 25G#.
2. Ci7r$s #*'6$*es: Al reonear un nmeroG el ltimo "ito retenio e)e
aumentarse en una unia cuano el ,rimer "ito eliminao sea ma7or /ue 5G o cuano sea 5 se"uio e "itos iferentes e cero. 8l ltimo "ito no e)e cam)iarse cuano el "ito eliminao sea menor /ue 5. AsG en caso e /uerer reonear el nmero 24G#52 a tres cifras si"ni'cati(asG e)er! inicarse en la forma 24G4G mientras /ue el nmero 24G#49 e)e inicarse como 24G#. #. Cer's si#!i:c$&i;'s: Para e(itar confusiones 7 ,or con(eniencia en la
multi,licación 7 en la i(isiónG los ceros /ue no sean si"ni'cati(osG ,ero /ue solo sir(en ,ara inicar la locali+ación el ,unto ecimalG no e)en utili+arse en el nmero esta)lecio. 8s mas aecuao inicar la locali+ación el ,unto ecimal en forma e<,onencialG ,ara lo cual se utili+a la ,otencia ,ro,ia e 1%. As ,or e0em,loG el nmero 12 5%% se encuentra inicao en forma am)i"ua. &e este moo no se sa)e si son tres o cinco las cifras si"ni'cati(as /ue e
retener en caa factor solamente el nmero e "itos /ue ,rou+ca en tal o,eración un factor o "rao e incertium)re no ma7or /ue la incertium)re en el factor con el mnimo e cifras si"ni'cati(as. 6ieno asG el ,roucto e 1%#G24 7 $G1 e)e inicarse como 1%#<$G1\$#4G#. 8n esta o,eraciónG el factor $G1 se conoce solo con una a,ro
1%#G24
J
$G1
\
$#3G24
1%#G2
J
$G1
\
$#5G92
1%#
J
$G1
\
$#4G#
5. A%ici! ? s(s&r$cci!: 8n estas o,eraciones no es necesario retener nin"n
"ito en el resultao cu7a ,osición con res,ecto al ,unto ecimal se encuentre a la erec-a e la ltima cifra si"ni'cati(a en cual/uiera e los
nmeros /ue entren en la o,eración. As ,or e0em,loG 24G# 7 2G1%2 e)en sumarse como: 24G#^2G1\23G4.
3. C8p(&'s 8$!($*es: A los efectos e reali+ar las o,eracionesG se
recomiena el em,leo e calculaoras electrónicasG el formato e,ener! e los "itos necesarios mantener en la ,antalla. 8n ocasiones se recomiena o,erar con lo"aritmosG ,ara lo cual no es necesario retener en la mantisa ma7or nmero e "itos e los /ue sean si"ni'cati(os en el factor num*rico corres,oniente.
. O6&e!ci! %e pr'8e%i's: Al o)tener el ,romeio e cuatro o mas nmerosG
,uee retenerse un "ito aicional en com,aración con los ,ertenecientes a los (alores ,articulares 7 consierarlo /ue tiene cierta si"ni'cancia ,osi)le.
$. Í!%ice %e precisi!: 8l nmero /ue re,resenta el nice e ,recisión nunca
e)e esta)lecerse con mas e os cifras si"ni'cati(as.
Ca,tulo # *toos e meición
9C$p)&(*' -9+ M<&'%'s %e 8e%ici! ;os m*toos ,ara la meición e (aria)les ,ro,orcionan i(ersos "raos e funcionamiento en la instrumentación a,licaa. Con frecuenciaG el o)0eto ,rinci,al e las meiciones se utili+a como )ase ,ara el control autom!tico e al"n ,roceso e o,eración. As como muestra las inustrias e ,rocesos continuos ,etroleraG ,etro/umicaG "eneración e ener"a el*ctricaG manufactura e ,a,elG a,licaciones e la ener"a nuclearG ela)oración e alimentos /ue constitu7en e0em,lo el control autom!tico. 8n caso e inustrias e ,rocesos ,or lotes )atc- no continuos tam)i*n se re/uiere al"n "rao e control /ue ,uee ser o no automati+ao. 8l si"ni'cao e una meición suele estar afectao ,or os factores:
?ue tan )ien re,resenta la meición a la car acterstica o conición /ue su,uestamente se mie. 8sto es la re,resentación 7 e
?ue si"ni'ca esta meición en cuanto a la o,eración real el ,roceso o sea cual es el sentio e la meición ,ara el ,roceso.
;a meición o)tenia solo ,or! tener si"ni'cao -asta el ,unto en /ue el elemento ,rimario se encuentre e<,uesto a una conición o caracterstica. Como e0em,loG es el caso e la o)tención e una tem,eraturaG el (alor /ue se mie es el corres,oniente a la ,orción sensi)le a7acente al elemento ,rimario e meición. 8n la +ona e meición e)e e(itarse fenómenos como la estrati'caciónG formación e ca(iaes muertas ,untos estacionariosG ,untos calientes ,or lo tanto el ,roceso e selección el sitio e u)icación el elemento ,rimario es e (ital im,ortancia. ;os m*toos e meición est!n ntimamente unios a las (aria)lesG 7a /ue esta ltima e)e ser transformaa en una seal aecuaa ,ara su inicaciónG re"istro o control.
;a ma7ora e las meiciones se reali+an con el au
estar alreeor e los mecanismos em,leaos ,ara la meición e (olta0eG resistencia el*ctricaG inuctanciaG ca,acitancia e inuctancia. na "ran cantia e meiciones el*ctricas se reali+an meiante circuitos enominaos ,uentesG a continuación se mencionan al"unos: Puente e Q-eatstone
Puente e inuctancia
Puente e ca,acitancia
Puente e resistencia
;a '"ura #.1 ilustra un ,uente e Q-eatstone )!sico em,leao ,ara meir tem,eraturasG la metoolo"a usaa ,ara el mane0o el is,ositi(o se etallar! en el tema corres,oniente a meición e tem,eratura. 8stos is,ositi(os el*ctricos o,eran con corriente alternaG otros con corriente irecta 7 otros con am)os ti,os e corriente. 8n el caso e un termo,ar o termocu,laG mien la corriente irecta el termo,ar transformano el es)alance el circuito en corriente alterna ,ara la am,li'cación 7 o,eración e los mecanismos e )alanceo.
i"ura #.1. Puente e Q-eatstone em,leao ,ara meir tem,eraturas. Por lo "eneralG los ,uentes ,ueen o,erars e en os formas iferentesG a sa)er: •
Como un circuito e e=e
•
Como un circuito e )alance a cero: en estosG los (alores el*ctricos el ,uente se lle(an a la conición e )alance en tal forma /ue no =u7a corriente a tra(*s el
mecanismo etector. 8n la ma7ora e los casosG el sistema e )alanceo es totalmente automati+aoG aun/ue en los la)oratorios 7 al"unas inustrias los ,re'eren manuales. ;os circuitos e meición ,ueen clasi'carse e la si"uiente manera:
•
eición irecta el (olta0e meiante mili(oltmetros.
•
eición el (olta0e meiante ,otenciómetros e e=e
•
eición el (olta0e meiante ,otenciómetros e ) alance a cero.
Para el )alanceo e los circuitos ,uente se -an esarrollao i(ersos m*toosG a continuación se -ace mención a al"unos e ellos: •
6istema icrosen.
•
6istema &7namaster.
•
6istema Bro_n 8lectroni.
•
6istema 6tranucer.
•
6istema &7nalo".
•
6istema 8lectros7n.
•
6istema 6,eeoma<.
•
6istemas e )alanceo sin "al(anómetros.
-9, E$c&i&(% %e* i!s&r(8e!&' na (e+ /ue el instrumento e meición ,rimario se encuentra montao en forma satisfactoria con res,ecto al ,rocesoG >?u* tan )ien corres,one la salia el instrumento con el elemento ,rimario@ Consierano e l e0em,lo el termómetroG >/u* tan cercana se encuentra la tem,eratura inicaa a la tem,eratura real el elemento ,rimario@ 8sta ,re"unta concerniente a la e
Por lo "eneralG el aumento e e
es,eci'caciones im,r!cticas /ue inican un funcionamiento i'cultoso 7 con frecuencia innecesarioG no sólo an lu"ar a costos iniciales
e
i"ura #.2. )icación e e lementos ,rimarios e meición e tem,eratura
;a '"ura #.2 ilustra la u)icación e los elementos ,rimarios e meición e tem,eratura e un =uio /ue sale e un intercam)iaor e calorG la cual se mie ,or meio e un termómetro e resistencia colocao en un termo,o+o 7 meiante un se"uno termómetro e resistencia e alta (elocia locali+ao irectamente en el (a,or e a"ua. 8n este caso la tem,eratura el =uio /ue =u7e -acia fuera el intercam)iaor e calor es la (aria)le /ue se mie. Por lo "eneral se em,lean os sistemas e meición reunancia se,araosG uno e ellos un termómetro con(encional montao en un cas/uillo est!nar sumer"io en la lnea el otro es un termómetro e resistencia e alta (elocia e ti,o es,ecial sumer"io irectamente
en la corriente ,ara is,oner e una res,uesta r!,ia a la tem,eratura e la corriente.
i"ura #.#. Resultaos o)tenios con el controlaor a0ustao ,ara utili+arse con el termómetro e )a0a (elocia
-9- E7ec&' %e* re&$r%' %e* i!s&r(8e!&' e! *$ resp(es&$ %i!"8ic$9 ;a '"ura #.# muestra los resultaos e em,lear un termómetro con'nao en un cas/uillo re,resenta )a0a (elocia e res,uestaG la '"ura ) muestra el efecto el controlaor so)re el (!sta"o e la (!l(ulaG se ,ueen o)ser(ar cur(as continuas con cam)ios nota)les 0usto one se inician cam)ios en la tem,eraturaG el retaro e)io al cas/uillo ,rouce unos cam)ios sua(es en el controlaorG mientras /ue la '"ura #.4 muestra los resultaos el control con u na res,uesta r!,ia al em,lear un termómetro e resistencia u)icao irectamente en la corriente el (a,or e a"uaG la '"ura ) muestra mo(imientos continuos el (!sta"o e la (!l(ula. 8n t*rminos "enerales el retraso en la meición es ,articularmente ,eli"rosoG ,ues la inesta)ilia /ue se ,resenta con el cam)io e la (aria)le meia no se corri"e con la ,rontitu necesaria 7 cuano se em,lean estrate"ias mas r!,ias los mo(imientos
e la (!l(ula resultan e
am,litues in!micas mas e
i"ura #.4. Res,uesta el sistema utili+ano la meición e alta (elocia.
-9. I!&erpre&$ci! %e *$ 8e%ici!9 A continuación a tra(*s e unos sencillos e0em,los se ilustrar! la inter,retación real e la meición es,eci'ca con res,ecto a la o,eración el ,roceso en /ue se a,lica.
$9 Te8per$&(r$ %e* ;$p'r %e $#($ c'8' 8e%i%$ %e *$ c$*i%
%$ n caso sim,leG o sea la meición e la tem,eratura el (a,or e a"ua ,roceente e una caleraG es una meición irecta e la calia. Conocieno las caractersticas el =uio e
,roceso (a,or e a"ua seco con una
,e/uea ,ro,orción e
(a,or
so)recalentaoG la tem,eraturaG ,resión 7 el "raiente e ,resión a tra(*s el ori'cio o e la to)era e =u0o como meición ,rimaria el =u0oG las caractersticas el (a,or e a"ua e salia /uean com,letamente e'nias. ;a tem,eratura se mie irectamente. ;a meición ,or lo comn se re"istra 7 tam)i*n se a,lica a un sistema e control ,ara mantener la tem,eratura a cierto (alor re/uerio ,ara las coniciones e o,eración en ,articular. Dótese /ue la tem,eratura ,or s misma es e inter*s. 8l so)recalentamientoG /ue ,or lo "eneralG es e "ran im,ortanciaG se eri(a a ,artir e la meición e la tem,eratura 7 e la ,resión. 8l =u0o se calcula a ,artir el "raiente e ,resión a tra(*s el ori'cioG corre"io tanto ,or tem,eratura como ,or ,resión.
69 Te8per$&(r$ %e c'!%e!s$ci! %e* ;$p'r %e $#($ c'8' 8e%i%$ %e* c'!&e!i%' %e >(8e%$% e! e* p$pe* n se"uno e0em,lo e la a,licación e la tem,eratura consiste en la meición e la tem,eratura e conensación el (a,or e a"ua utili+ao ,ara el secao el ,a,el en la m!/uina e ela)oración el mismo. 8n este casoG el o)0eti(o raica en el secao el ,a,elG en tal forma /ue el contenio e -umea el ,roucto 'nal se encuentre a cierto ni(el re/uerio. ;a tem,eratura se a0usta e acuero con al"una eterminación ine,eniente el contenio e -umea. 8n esta o,eraciónG la tem,eratura e conensación el (a,or e a"ua no es en s una meia el contenio e -umea el ,a,elG sino m!s )ien e las coniciones e ,roceso relacionaas ,or inferencia con la calia el ,roucto. ;a constancia 7 la re,eti)ilia e la meición son e im,ortancia ,ero el (alor a)soluto es e ,oco inter*s relati(amente. 8s comn este ti,o e meición e las coniciones e ,roceso.
Cual/uier cam)io en la tem,eratura ,rouce el cam)io corres,oniente /ue ,uee ,reecirse en cuanto al contenio e -umea. a /ue la meición e la tem,eratura el (a,or e a"ua es sencillaG se"ura 7 e relati(o )a0o costoG se le utili+a ,ara el control el contenio e -umea. 8n la o,eración normalG la tem,eratura se a0usta cuano se re/uiere cierto cam)io en el contenio e -umea. 6in em)ar"oG el contenio e -umea e la -o0a e,ene no sólo e la tem,eraturaG sino tam)i*n e otro con0unto e (aria)lesG inclu7eno la li)erta e mo(imiento e la car"a e alimentación suministraa a la ma/uinariaG conición e la ,rensa e 'eltro 7 e otras (aria)les e meición i"ualmente
i'cultosas. 8n consecuenciaG la meición 7 el control e la tem,eratura e los secaores es e utiliaG ,ero ,or s mismas no son su'cientes ,ara lo"rar la calia e ,roucto eseaa. 8sto es t,ico e las meiciones ,or inferencia en /ue se mie la conición el ,roceso en lu"ar e las caractersticas el ,roucto.
;a eterminación el contenio e -umea real e la -o0a ,uee lle"ar a tomar una "ran (ariea e formas. &e moo t,icoG es ,osi)le /ue el o,eraor 0u+"ue sim,lemente el contenio e -umea `,al,ano` la -o0a. Por otra ,arteG el contenio e -umea ,uee eterminarse continuamente meiante la meición e la constante iel*ctricaG la cualG a su (e+G se cali)ra en función e eterminaciones "ra(im*tricas e la -umea.
c9 L$ &e8per$&(r$ e! *$ 8e%ici! %e* (B' %e #$ses n tercer ti,o e a,licación e la meición e la tem,eratura se encuentra en la meia el =u0o e "ases. 8n la ,roucción 7 istri)ución e "asesG la meición se efecta en t*rminos e ,ies # en coniciones normales. Consierano el -ec-o e /ue la ma7ora e las estaciones meioras e "as ,ueen mane0ar cientos e millones e ,ies# ,or aG es e(iente lo im,r!ctico e is,oner e este "as en las coniciones normales e tem,eratura 7 ,resión atmosf*ricaG 7 lue"o ,roceer a la meición (olum*trica. 8l Re,orte Do. # e la American Nas AssociationG o sea el ,atrón comnG e<,resa el =u0o total e "as como resultao e una serie e cóm,utos. 8
8s e -acerse notar el contraste entre la meición el =u0o e "as 7 la meición el contenio e -umea en el ,a,el. 8n caa uno e *stos se tiene /ue e
#
en coniciones
normales. Por el contrarioG en la manufactura el ,a,el e
ma7or e (aria)les /ue afectan el contenio e -umeaG ,ero la tem,eratura es casi la nica (aria)le /ue ,uee meirse con facilia. AsimismoG es la (aria)le /ue se mani,ula 7 meiante la cual se mantiene la calia el ,roucto 'nal en el (alor re/uerio. a /ue muc-as
e las otras (aria)les /ue in=u7en en el contenio e -umea no ,ueen meirse no es ,osi)le eterminar el (alor real el contenio e -umea. 6in em)ar"oG la meición e la tem,eratura suministra un ,roceimiento e utilia ,ara la o,eración e secao el ,a,el. 8l mismo ra+onamiento "eneral es e a,licación a otras meiciones. ;os ,ro)lemas /ue /uean im,licaos en al"unas e las eterminaciones analticas e ma7or com,le0ia re/uieren e un estuio muc-o m!s etallao ,ara lo"rar la a,reciación com,leta el si"ni'cao e al"unas e las meiciones. Do o)stanteG es ,osi)le la a,licación e los mismos ,rinci,ios "enerales. ;a im,ortancia raica en el -ec-o e /ueG -acieno caso omiso e la meiciónG el si"ni'cao en cuanto a la o,eración e)e com,renerse claramente como )ase ,ara la selecciónG a,licación e inter,retación e los (alores resultantes e la meición.
-9/ HUE ES LO UE DE5E LOGRARSE COMO RESULTADO DE LA MEDICIÓNJ Para cual/uier meición es,ec'caG la res,uesta a esta ,re"unta /uea im,lcita en el si"ni'cao )!sico e la meición. Cuano e
e(iente /ue muc-as e las meiciones son e utilia. 8n otros casos se re/uiere e un 0uicio )alanceao en cuanto a lo /ue se esea lo"rar como resultao e una meición ,articular en t*rminos e me0ora e caliaG aumento en la ,roucti(iaG reucción e los costos e manufacturaG 7 as sucesi(amenteG en
com,aración e too lo incluio ,ara o)tener la meición re/ueria. 8l as,ecto relacionao con el criterio a menuo es e im,ortancia cuano la selección e)e efectuarse entre la meición e una cantia sim,le 7 e reali+ación sencillaG /ue sólo est* relacionaa inirectamente con el (alor re/uerioG 7 con una meición m!s com,licaa 7 e ma7or costo /ue ten"a una correlación m!s irecta con el (alor eseao. ;as consieraciones usuales e me0or caliaG ma7or cantiaG 7 reucción e los costos e mano e o)raG son e(ientes 7 se -an reconocio como satisfactorias. 8n muc-os casosG la se"uria es una función irecta e la meición en too momentoG consierano ese la inicación e e
Ca,tulo 4 eición el instrumento
C$p)&(*' . .9+ Me%ici! %e* i!s&r(8e!&' ;os ,rocesos inustriales e
relación ,reeterminaaG o )ien "uarano una relación eterminaa con otra (aria)le.
8l sistema e control /ue ,ermite este mantenimiento e las (aria)les ,uee e'nirse como a/uel /ue com,ara el (alor e la (aria)le o conición a controlar con un (alor eseao 7 toma una acción e corrección e acuero con la es(iación e
i"ura 4.1. Bucle a)ierto e re"ulación
i"ura 4.2. Bucle cerrao e re"ulación 8n am)os casos se o)ser(a /ue e
.9, Err'r %e* i!s&r(8e!&' 8s la iferencia al"e)raica entre el (alor leo o transmitio ,or el instrumento 7 el (alor real e la (aria)le meia. 6i el ,roceso est! en coniciones e r*"imen ,ermanente e
el
llamao
error
estático.
8n
coniciones
in!micas
el
error
(ara
consiera)lemente e)io a /ue los instrumentos tienen caractersticas comunes a los sistemas fsicos: a)sor)en ener"a el ,roceso 7 esta transferencia re/uiere cierto tiem,o ,ara ser transmitiaG lo cual a lu"ar a retaros en la lectura
el a,arato. 6iem,re /ue
las coniciones sean in!micasG e
llamao error
dinámico iferencia entre el (alor instant!neo e la (aria)le 7 el inicao ,or el
instrumento: su (alor e,ene el ti,o e =uio el ,rocesoG e su (elociaG el elemento ,rimario termo,arG )ul)o 7 ca,ilarG e los meios e ,rotección (ainaG ,o+oG cas/uilloG etc. 8l
error medio el instrumento es la meia aritm*tica e los errores en
caa ,unto e la meia eterminaos ,ara toos los (alores crecientes 7 ecrecientes e la (aria)le meia.
.9- A*c$!ce Ksp$! 8s la iferencia al"e)raica entre los (alores su,erior e inferior el cam,o e meia el instrumento. 8n el instrumento e tem,eratura e la '"ura 4.#G su (alor es e 2%% C.
.9. I!cer&i%(86re %e *$ 8e%i%$ K(!cer&$i!&? 6on los errores /ue e
.9/ Repe&i6i*i%$% Krepe&e$6i*i&? ;a re,eti)ilia es la ca,acia e re,roucción e las ,osiciones e la ,luma o el nice el instrumento al meir re,etiamente (alores i*nticos e la (aria)le en las mismas coniciones e ser(icio 7 en el mismo sentio e (ariaciónG recorrieno too el cam,o. 6e consiera en "eneral su (alor m!
.90 Precisi! K$cc(r$c? ;a ,recisión es la tolerancia e meia o e transmisión el instrumento 7 e'ne los lmites e los errores cometios cuano el instrumento se em,lea en coniciones normales e ser(icio. Ha7 (arias formas ,ara e<,resar la ,recisión: a) T$!&' p'r cie!&' %e* $*c$!ce. 80em,lo: en el instrumento e la '"ura 4.#G ,ara
una lectura e 15% C 7 una ,recisión e %G5 S el (alor real e la tem,eratura
estar! com,renio entre 15% %G5 J 2%%F1%% \ 15% 1G es ecirG entre 149 7 151 C b) Direc&$8e!&e e! (!i%$%es %e *$ ;$ri$6*e 8e%i%$. 80em,lo: Precisión e
1C
c)T$!&' p'r cie!&' %e *$ *ec&(r$ e7ec&($%$. 80em,lo: Precisión e 1 S e 15% C
es ecir
1G5 C d) T$!&' p'r cie!&' %e* ;$*'r 8"i8' %e* c$8p' %e 8e%i%$. 80em,lo: Precisión
e : %G5 S e #%% C \ 1G5 C
i"ura 4.#. &e'niciones e los instrumentos
e) T$!&' p'r cie!&' %e *$ *'!#i&(% %e *$ esc$*$. 80em,lo: 6i la lon"itu e la
escala el instrumento e la '"ura 4.# es e 15% mm.G la ,recisión e %G5 S re,resentar! %G5 mm. en la escala.
;a ,recisión (ara en caa ,unto el cam,o e meia si )ienG el fa)ricante la es,eci'ca en too el mar"en el instrumento inicano a (eces su (alor en al"unas +onas e la escala. Por e0em,lo: un manómetro ,uee tener una ,recisión e 1 S en toa la escala 7 e %G5 S en la +ona central. Cuano se esea o)tener la m!
.91 Fi$6i*i%$% eia e la ,ro)a)ilia e /ue un instrumento contine com,ort!nose entro e lmites es,eci'caos e error a lo lar"o e un tiem,o eterminao 7 )a0o coniciones es,eci'caas. &e esta formaG si el renimiento es,eci'cao ,ro,orciona una lectura e un 2S cuano se reali+a una meiaG entonces el instrumento ,ro,orcionar! este ni(el e e
.92 Repr'%(ci6i*i%$% ' es&$6i*i%
%$ Ca,acia e re,roucción e un instrumento e las meias re,etiti(as e la lectura o seal e salia ,ara el mismo (alor e la (aria)le meia alcan+ao en am)os sentiosG en las mismas coniciones e ser(icio 7 a lo lar"o e un ,eroo e tiem,o eterminao. Por e0em,loG un (alor
re,resentati(o sera %G2 S el alcance e la lectura o seal e salia a lo lar"o e un ,eroo e #% as.
.93 Se!si6i*i%$% Kse!si&i;i&? 8s la ra+ón entre el incremento e la lectura 7 el incremento e la (aria)le /ue lo ocasionaG es,u*s e -a)erse alcan+ao el estao e re,oso. Viene aa en tanto ,or ciento el alcance e la meia. 6i la sensi)ilia el instrumento e tem,eratura e la '"ura 4.# es e %G%5 S su (alor ser! e %G%5 J 2%%F1%% \ %G1 C. Ha7 /ue sealar /ue no e)e confunirse la sensi)ilia con el t*rmino e +ona muerta son e'niciones )!sicamente istintas /ue antes era f!cil confunir cuano la e'nición inicial e la sensi)ilia era valor mínimo en que se ha de modifcar la variable para
apreciar un cambio medible en el índice o en la pluma de registro del instrumentod.
Sensibilidad =
Cambio en la lectura de la escala del instrumento Cambio en la cantidad que se esta midiendo
.9+4 Res'*(ci! ' %iscri8i!$ci! a"nitu e los cam)ios en escalón e la seal e salia e<,resaos en tanto ,or ciento e la salia e toa la escala al ir (ariano continuamente la meia en too el cam,o. 8s tam)i*n el "rao con /ue el instrumento ,uee iscriminar (alores e/ui(alentes e una cantia.
.9++ C$8p' %e 8e%i%$ Kr$!#e 8s,ectro o con0unto e (alores e la (aria)le meia /ue est!n com,renios entro e los lmites su,erior e inferior e la ca,acia e meia o e transmisión el instrumento (iene e<,resao esta)lecieno los os (alores e
.9+, Esp$ci' 8(er&' ' 6$!%$ 8(er&$ K%e$% ='!e ' %e$% 6$!% 8s el cam,o e (alores e la (aria)le /ue no -ace (ariar la inicación o la seal e salia el instrumentoG es ecirG /ue no ,rouce su res,uesta. Viene aa en tanto
,or ciento el alcance e la meia. Por e0em,lo: en el instrumento e la '"ura 4.# es e %G1 SG es ecirG e %G1 J 2%%F1%% \ %G2 C.
.9+- U86r$*
Cuano la ma"nitu o)0eto e meia aumenta "raualmente ,artieno e ceroG es ,osi)le /ue ten"a /ue alcan+ar un ni(el mnimo antes e /ue el instrumento res,ona 7 ,ro,orcione una lectura ,erce,ti)le.
.9+. Desp*$=$8ie!&' %e* cer' Ocurre cuano la meia cero no coincie con el cero e la escalaG lo normal es /ue sin sensar nin"una (aria)leG se e)e leer cero el instrumento. 8ste ,ro)lema ,uee cam)iar con el tiem,o. &e esta formaG ,or e0em,loG un meior /ue ten"a un a su a"u0a en la marca ceroG un mes m!s tare ,uee inicar una lectura menor /ue cero a ,esar e /ue no -a sio utili+ao ,ara reali+ar nin"una meia.
.9+/ De8'r$ Cuano la ma"nitu /ue est! sieno meia cam)iaG ,uee transcurrir un cierto tiem,oG llamao tiem,o e res,uestaG antes e /ue el instrumento e meia res,ona a ic-o cam)io.
.9+0 @is&
.9+1 F(!ci! %e &r$!s7ere!ci$
8s la relación matem!ticaG "r!'ca o ta)ular entre las e<,resiones función e tiem,o e las seales e salia 7 e entraa a un sistema o elemento. 8/ui(ale tam)i*n al cociente e las transformaas e ;a,lace e las funciones e res,uesta 7 e e
.9+2 C$*i6r$ci!
8s el ,roceso e colocar marcas en un (isuali+aor o com,ro)ar un sistema e meias se"n unos est!naresG cuano el transuctor se encuentra en un meio e'nio.
.9+3 Deri;$ 8s una (ariación en la seal e salia /ue se ,resenta en un ,eroo e tiem,o eterminao mientras se mantienen constantes la (aria)le meia 7 toas las coniciones am)ientales. 6e suelen consierar la eri(a e cero (ariación en la seal e salia ,ara el (alor cero e la meia atri)ui)le a cual/uier causa interna 7 la eri(a t*rmica e cero (ariación en la seal e salia a meia ceroG e)ia a los efectos nicos e la tem,eratura. ;a eri(a e st! e<,resaa usualmente en ,orcenta0e e la seal e salia e la escala total a la tem,eratura am)ienteG ,or uniaG o ,or inter(alo e (ariación e la tem,eratura. Por e0em,loG la eri(a t*rmica e cero e un instrumento en coniciones e tem,eratura am)iente urante 1 mes fue e %G2 S el alcance.
.9,4 Te8per$&(r$ %e ser;ici' 8s el cam,o e tem,eratura en el cual se es,era /ue tra)a0e el instrumento entro e los lmites e error es,eci'caos.
.9,+ Vi%$ &i* %e ser;ici' 8s el tiem,o mnimo urante el cual se a,lican las caractersticas e ser(icio continuo e intermitente el instrumento sin /ue se ,resenten cam)ios en su com,ortamiento m!s all! e tolerancias es,eci'caas.
Ca,tulo 5 6eales
C$p)&(*' / /9+Se$*es ;os conce,tos e seales 7 sistemas a,arecen en una (ariea mu7 am,lia e cam,osG las ieas 7 t*cnicas asociaas con estos conce,tos 0ue"an un ,a,el im,ortante en !reas tan i(ersas e la ciencia 7 tecnolo"a como comunicacionesG aeron!utica 7 astron!uticaG iseo e circuitosG acsticaG sismolo"aG in"eniera )iom*icaG sistemas e "eneración 7 istri)ución e ener"aG control e ,rocesos /umicos 7 ,rocesamiento e (o+. 6i )ien la naturale+a fsica e las seales 7 sistemas /ue a,arecen en estas isci,linas tan i(ersas ,ueen ser iametralmente iferentesG toos ellos tienen en comn os caractersticas )!sicas. ientras /ue las seales son funciones e una o m!s (aria)les ine,enientes 7 contienen información acerca e la naturale+a o com,ortamiento e al"n fenómenoG los sistemas res,onen a seales ,articulares ,roucieno otras seales. ;os (olta0es 7 corrientes como funciones el tiem,o en un circuito el*ctrico son e0em,los e sealesG 7 el circuito esG en sG un e0em,lo e un sistemaG el cualG en este casoG res,one a los (olta0es 7 corrientes /ue se le a,lican. Por citar otro e0em,loG cuano el conuctor e un automó(il ,resiona el ,eal el aceleraorG el automó(il res,one incrementano la (elocia el (e-culo. 8n este casoG el sistema es el automó(ilG la ,resión so)re el ,eal el aceleraor es la entraa el sistemaG 7 la (elocia el automó(il la res,uesta. n ,ro"rama e com,utaora ,ara el ia"nóstico autom!tico e electrocario"ramas ,uee
ser
consierao
como
un
sistemaG
/ue
tiene
como
entraa
un
electrocario"rama i"itali+ao 7 como salia ,rouce estimaciones e ,ar!metros como el ritmo cariaco. na c!mara es un sistema /ue reci)e lu+ irecta e iferentes fuentes 7Fo re=e0aa ese los o)0etosG 7 ,rouce una foto"rafa. 8n la "ran (ariea e conte
casosG se ,resenta un sistema es,ec'co 7 e)e ser caracteri+ao con etalle ,ara entener cómo res,oner! a i(ersas entraas.
Otra clase mu7 im,ortante e a,licaciones en las /ue a,arecen los conce,tos 7 t*cnicas el an!lisis e seales 7 sistemas son a/uellas en las /ue se esea moi'car las caractersticas e un sistema aoG /ui+! a tra(*s e la selección e seales e entraa es,ec'cas o com)inano el sistema con otros sistemas. n e0em,lo e esta clase e a,licaciones es el control e ,lantas /umicasG un !rea en "eneral referia como control e ,rocesos. 8n esta clase e a,licacionesG un con0unto e sensores mien las seales fsicasG como tem,eraturaG -umeaG ,ro,orciones /umicas 7 otrasG 7 con )ase en estas meicionesG un sistema re"ulaor "enera seales e control ,ara re"ular el ,roceso /umico en marc-a. n se"uno e0em,lo est! relacionao con el -ec-o e /ue al"unos a(iones e caractersticas mu7 a(an+aas son re,resentati(os e sistemas in-erentemente inesta)lesG en otras ,ala)rasG sus caractersticas aeroin!micas son tales /ue s in seales e control iseaas en forma cuiaosaG seran inmane0a)les. anto en este casoG como en el e0em,lo anterior el control e ,rocesosG el conce,to conocio como retroalimentación 0ue"a un ,a,el ,rinci,al. 8n al"unos e los e0em,los mencionaosG las seales (aran e forma continua en el tiem,oG mientras /ue en otrosG su e(olución se escri)e sólo en ,untos iscretos el tiem,o. Por e0em,loG en la restauración e anti"uas "ra)aciones e auio el inter*s son las seales e auio /ue (aran en forma continua. Por otro laoG el cierre iario el ,romeio el nice )urs!til esG ,or su ,ro,ia naturale+aG una seal /ue e(oluciona en ,untos iscretos en el tiem,o es ecirG al cierre e caa a. 8n lu"ar e una cur(a como una funón e una (aria)le continuaG el ,romeio el nice )urs!til al cierre es una secuencia e nmeros asociaa con instantes en tiem,o iscreto en los /ue est! es,eci'caa. 8sta istinción en la escri,ción )!sica e la e(olución e seales 7 e los sistemas /ue res,onen 7 ,rocesan estas seales conuce e forma natural a os marcos ,aralelos ,ara el an!lisis e seales 7 sistemasG uno ,ara fenómenos 7 ,rocesos /ue son escritos en t ie8p' c'!&i!('G 7 otro ,ara a/uellos /ue son escritos en &ie8p' %iscre&'. ;os conce,tos 7 t*cnicas asociaosG tanto con las seales 7 sistemas e tiem,o continuo como las seales 7 sistemas e tiem,o iscretoG tienen una am,lia -istoria 7 se encuentran mu7 relacionaos. 6in em)ar"oG -istóricamenteG e)io a /ue en el ,asao sus a,licaciones -an sio mu7 iferentesG la ma7or ,arte e su estuio 7 esarrollo se -a reali+ao en forma se,araa. ;as seales 7 sistemas e tiem,o continuo tienen fuertes races en los ,ro)lemas asociaos con la fsica 7G en el ,asao recienteG con los circuitos el*ctricos 7 las comunicaciones. ;as t*cnicas e seales 7 sistemas e tiem,o iscreto tienen fuertes races en el an!lisis num*ricoG en la estasticaG 7 en el
an!lisis e series e tiem,o asociaas con a,licaciones como el an!lisis e atos económicos 7 emo"r!'cos. A lo lar"o e las ltimas *caas las isci,linas e seales 7 sistemas e tiem,o continuo 7 e tiem,o iscreto se -an entrela+ao caa (e+ m!s 7 sus a,licaciones -an lle"ao a estar mu7
interrelacionaas. na "ran moti(ación ,ara esta interrelación -an sio los im,resionantes a(ances en la tecnolo"a el esarrollo e sistemas 7 e la "eneración e seales. 8n es,ec'coG el esarrollo tan r!,io e com,utaoras i"itales e alta (elociaG e circuitos inte"raosG 7 e t*cnicas ,ara la fa)ricación e com,le0os is,ositi(os electrónicos e alta ensiaG -a -ec -o caa (e+ m!s (enta0oso
consierar
el
,rocesamiento
e
seales
e
tiem,o
continuo
re,resent!nolas con muestras es,aciaas a inter(alos i"uales en el tiem,o es ecirG con(irti*nolas a seales e tiem,o iscreto. 8s un -ec-o nota)le /ue con relati(as restriccionesG una seal e tiem,o continuo se ,uee re,resentar en su totalia meiante un con0unto e muestras en ,articular. Ha7 os ti,os )!sicos e sealesG e &ie8p' c'!&i!(' 7 e &ie8p' %iscre&'. 8n el caso e las seales e tiem,o continuo la (aria)le ine,eniente es continua 7 entonces estas seales est!n e'nias ,ara una sucesión continua e (alores e la (aria)le ine,eniente. Por otra ,arteG las seales e tiem,o iscreto est!n sólo e'nias en tiem,os iscretos 7G en consecuencia ,ara estas sealesG la (aria)le ine,eniente toma sólo un con0unto e (alores iscretos. na seal e (o+ como una función el tiem,o 7 la ,resión atmosf*rica como una función e la altitu son e0em,los e seales e tiem,o continuo. 8l nice &o_ ones semanal el mercao e (alores es un e0em,lo e una seal e tiem,o iscretoG la cual se ilustra en la '"ura 5.1. Otros e0em,los e seales e tiem,o iscreto ,ueen encontrarse en estuios emo"r!'cos e ,o)lación en los cuales (arios atri)utosG tales como in"reso ,romeioG nice e criminalia o ilo"ramos e ,escao ca,turaoG se ta)ulan contra (aria)les. 8n esta materiaG In"eniera e la eición se e)en resaltar las seales ca,turaas ,or sensores /ue au
i"ital a tra(*s e con(ersores AF&C /ue e)en estar u)icaos en sitios mu7 ,ró
ienti'car con un 4 7 la ,resencia e cual/uier (alor ser! la re,resentación el +G ,or lo tantoG no im,orta si el (alor el (olta0e o lu+ lle"a isminuioG su ,resencia si"ni'ca la unia 7 su ausencia un cero.
i"ura 5.1. 80em,lo e una seal e tiem,o iscreto. nice &o_ ones semana l el mercao e (aloresG ese el 5 e enero e 1929 -asta el 4 e enero e 19#%. ;a '"ura 5.2 ilustra la secuencia em,leaa ,ara la transformación e la seal analó"ica 7 su ,rocesamiento ,osterior en las estaciones e tra)a0o.
i"ura 5.2. ases e una seal analó"ica ,ara su ,osterior tratamiento en una estación e tra)a0o
/9,Tip's %e se$*es 8n el ,!rrafo anterior se comentó acerca e las seales 7 su ti,oG ,ara resumir )!sicamente se reconocen las seales como analó"icas las cuales a su (e+ ,ueen ser continuas o iscretasG las seales analó"icas ,ara ,oer ser trataas ,or com,utaoras re/uieren e su con(ersión a seales i"itales.
/9-Se$* $!$*#ic$ 6e e'ne como funciones continuasG como una "r!'ca e (olta0e contra tiem,oG o es,la+amiento contra ,resión.
/9.Se$* %iscre&$ Consiste en un nmero e ,ulsos iscretos 7 iscontinuos cu7a relación e tiem,o contiene información referente a la ma"nitu o naturale+a e la cantia. n e0em,lo lo ilustra la '"ura 5.1
/9/Se$* e*
/90Se$* !e(8"&ic$ Como su nom)re lo inica una seal neum!tica em,lea aire como salia el instrumento e meición. ;a ,resión est!nar est! en el ran"o e # a 15 ,si.
/91Se$* @$r& ;as seales K@ARTM Hi"-_a7 Aressa)le Remote ransucerM es un ,rotocolo e comunicación /ue funciona con atos i"itales /ue se transmiten a lo lar"o e una seal analó"ica e 4 a 2% mAG sin interferir la seal analó"ica. Aem!sG ,ermite
comunicación )iireccionalG ,osee la moalia i"ital /ue ,ermite conectar -asta 15 instrumentos a un solo ca)le esta seal ,ermite mane0ar -asta 253 (aria)les en caa is,ositi(o e cam,o.
Por muc-os aosG el est!nar e comunicación ,ara e/ui,os e ,rocesos autom!ticosG -a sio '0ao en una seal e corriente analó"ica en miliam,erios mA. ;a seal e corriente en mAG (aria entre 4 7 2% mA en ,ro,orción a la (aria)le /ue se est* miieno. E! (!$ $p*ic$ci! &)pic$ *$ se$* %e . 8A c'rresp'!%er)$ $*
*)8i&e i!7eri'r %e* r$!#' %e c$*i6r$ci! 8ie!&r$s (e ,4 8A c'rresp'!%er" $* *)8i&e s(peri'r9 Si (! sis&e8$ es&$ c$*i6r$%' %e 4 $ +44 Psi e!&'!ces (!$ se$* $!$*#ic$ %e +, 8A K/4 %e* R$!#' c'rresp'!%er)$ $ /4 Psi9 Virtualmente toos los sistemas utili+an este est!nar internacional ,ara comunicar (aria)les e ,roceso. 8s necesaria la con(ersión e seales analó"ica e los sensoresG )ien sean el ti,o e Cela e Car"a o ,or Variación e Ca,acitancia en seales i"italesG ,ara ,oer tanto com,arar con las a)las en memoriaG /ue ,ermiten a0ustar 7 com,ensar ,or efectos tales como la em,eratura Patrones e Cali)raciónG como e'nir la cali)ración el instrumento entro e la Ran"o)ilia el sensor. ;os ransmisores con esta -a)ilia son los llamaos TRANSMISORES INTELIGENTES 7 ,ara ,oer Confgurarlos, se necesita e'nir un sistema e comunicación.
8l ,rotocolo e Comunicación HARG ,ara instrumentos e cam,o los rasmisores e Presión son Instrumentos e Cam,oG e
con
instrumentos
e
cam,o
Inteligentes.
HAR
,ermite
comunicación i"ital ireccional a lo lar"o e los conuctores e la seal analó"ica 4 E 2% mAG sin alterar su inte"ria. 8sto ,ermite /ue los (alores e ,resión sean transmitios con una seal e 4 E 2% mAG mientras /ue al mismo tiem,o se intercam)ie información aicional con el ransmisor Con'"uración el ransmisorG Cali)raciónG &ia"nósticoG etc.. 8n el ,rotocolo HAR la seal i"ital se transmite ,or meio e os frecuencias ini(iualesG 12%% H+ 7 22%% H+G re,resentano res,ecti(amente )its 1 7 %. 8l seno e la ona e frecuencia se so)re,one en la corriente irecta. 8l tiem,o e res,uesta es e a,ro
8l Protocolo HARG se comunica a 12%% ),sG sin interrum,ir la seal e 4 E 2% mA 7 le ,ermite al aestro en una a,licación resiente tener os o m!s actuali+aciones ,or se"uno e los
Instrumentos e Cam,o escla(os. Como la seal i"ital 6g es e fase continuaG no -a7 interferencia con la seal 4 " 2% mA.
8ntonces HAR es un ,rotocolo el ti,o aestro E 8scla(osG lo /ue si"ni'ca /ue los instrumentos e cam,o o seaG los 8scla(osG sólo -a)lan cuano el aestro les -a)la. 8sto no si"ni'ca /ue no se ,uea esta)lecer una comunicación ti,o BR6G con un sólo ransmisor el cual est! transmitieno continuamente. 8n este caso la actuali+ación es e # a 4 (eces ,or se"uno. 8sto ,ermite comunicación e cam,o BiireccionalG aem!s e -acer ,osi)le el intercam)io e informaciónG mas all! e la Varia)le e ProcesoG ese 7 -acia el instrumento e cam,o Inteli"ente. 8sta es la ra+ón ,or la cual este ti,o e comunicación se -a7a im,uesto estimaos 1.4 millones e a,aratos con -a)ilia HAR se -an instalao munialmenteG 7a /ue -a me0orao su)stancialmente la e'ciencia e ,lantas alreeor el muno. 8sto e<,lica el ,or/u* la funación HARG /ue comen+ó ,or un ,uao e fa)ricantes e e/ui,osG /ue esea)an estanari+ar la comunicación entre sus instrumentos e cam,oG se -a7a con(ertio en una or"ani+ación cu7o irectorio est! com,uesto ,or (arias ecenas e manufacturerasG lle"ano an a fa)ricar sus comunicaoresG a ,esar e ser una cor,oración sin 'nes e lucro. ;a unación e Comunicación HARG a,o7a a la inustria en "eneralG 7 a sus miem)rosG como la fuente o'cial e información a ni(el munial en lo /ue a ecnolo"a HAR se re'ere.
/92Tr$!s8isi! %e *$ se$* 6e em,lean los transmisores ,ara ca,tar la (aria)le e ,roceso a tra(*s e un sensor o elemento ,rimario 7 la transmiten a istancia a un instrumento rece,tor inicaorG re"istraorG controlaor o una com)inación e estos. ;os transmisores ,ueen ser neum!ticos o electrónicosG e,enieno e elloG la seal ser! e # a 15 ,si o e 4 a 2% mA. 8l elemento ,rimario ,uee ser o no ,arte inte"ral el transmisor.
/93U!i%$% &er8i!$* re8'&$ KRTU
6on uniaes /ue tienen ,or función reco"er toa la información e los instrumentos instalaos en cam,o 7 transmitir los atos a la nia erminal aestro G locali+aas en las salas e control o las salas e
,lataforma e comunicación corrientes analó"icasG seales e la+os i"itales 7Fo cual/uier re e comunicación i"ital.
/9+4 U!i%$% %e *#ic$ ? pr'ces$8ie!&' KPLC
8l sistema el P;C KPr'#r$88$6*e L'#ic C'!&r'**erM consiste en una unia central /ue reco"e toas las seales e entraas ló"icas e los ,rocesos e la ,lantaG ,osee un sistema e ,rocesaor centralG el cual e sta formao ,or uno o m!s micro,rocesaores /ue le an renimiento a la seal 7 le a7ua al o,eraor e la ,lanta a iri"ir toos los ,rocesos /ue est!n enla+aos al sistema. 8sta es,eci'cación es re/uisito "en*rico e un sistema e P;CG a continuación se an etalles e los re/uerimientos ,ara im,lantar un sistema e control en una ,lanta e ,roceso real one los ,rocesos son iri"ios ,or un sistema e P;C: •
;os ia"ramas e control e ,roceso.
•
;os etalles e meia 7 funciones e control.
•
;os ia"ramas la+o.
•
8l ,ro"rama el instrumento.
•
8l ia"rama el )lo/ue e sistema.
•
8l suministro e ener"a.
•
6istema conectao a tierra.
/9++ N'r8$s 8l ,ro7ecto e sistemas instrumentaos e control e ,rocesos re/uiere el au
Binar7 ;o"ic &ia"rams for Process O,erations 19# so)re sm)olos e o,eraciones )inarias e ,rocesosG 7 e I6AE65.# Nra,-ic 67m)ols for &istri)ute ControlF6-are &is,la7 InstrumentationG ;o"ic an
Com,uter
67stems 19$2G so)re sm)olos e sistemas e micro,rocesaores con control com,artio. Ha7 /ue sealar /ue estas normas no son e uso o)li"atorio sino /ue constitu7en una recomenación a se"uir en la ienti'cación e los instrumentos en la inustria.
Res(8e! N'r8$ ISAS/9+ Neneraliaes A Caa instrumento e)e ienti'carse con sistema e letras /ue lo clasi'/ue
funcionalmente. na ienti'cación re,resentati(a es la si"uiente: TRC
2A
Primera
;etras
Dmero
;etra
sucesi(as
el )ucle
6u'0o Do se usa
Ienti'caci
Ienti'caci
ón
ón el
B 8l nmero e letras funcionales ,ara un instrumento e)e ser mnimoG no e
e cuatro. Para ello con(iene: a
&is,oner las letras en su)"ru,os. Por e0em,loG un transmisor re"istraor e relación e cauales con un interru,tor e alarma e relación e cauales ,uee ienti'carse con os crculos uno con RE# 7 el otro 6E#.
) 8n un instrumento /ue inica 7 re"istra la misma (aria)le meia ,uee
omitirse la letra I inicación. c
;os )ucles e instrumentos e un ,ro7ecto o secciones e un ,ro7ecto e)en ienti'carse con una secuencia nica e nmeros. hsta ,uee em,e+ar con el nmero 1 o cual/uier otro nmero con(enienteG tal como #%1 o 12%1 /ue ,uee incor,orar información coi'caa tal como !rea e ,lanta.
6i un )ucle ao tiene m!s e un instrumento con la misma ienti'cación
funcionalG es ,referi)le aair un su'0oG e0em,lo VE2AG VE2BG VE2CG etc.G o 8E 25E1G 8E25E2G 8E25E#G etc. 8stos su'0os ,ueen aairse o)eecieno a las si"uientes re"las:
1.
&e)en em,learse letras ma7sculas. AG BG CG etc.
2.
8n un instrumento tal como un re"istraor e tem,eratura multi,unto /ue im,rime nmeros ,ara ienti'cación e los ,untosG l os elementos ,rimarios ,ueen numerarse 8E25E1G 8E25E2G 8E25E#G etc*tera.
#.
;as su)i(isiones interiores e un )ucle ,ueen esi"narse ,or su'0os formaos ,or letras 7 nmeros.
4.
n instrumento /ue reali+a os o m!s funciones ,uee esi"narse ,or toas sus funciones. Por e0em,loG un re"istraor e caual RE2 con ,luma e ,resión PRE4 se esi"na ,referentemente RE2FPRE4 o )ien RE un re"istraor e ,resión e os ,lumas como PREF$ 7 una (entanilla e alarma ,ara tem,eratura alta 7 )a0a como AHF;E9.
5.
;os accesorios ,ara instrumentos tales como rot!metros e ,ur"aG 'ltros manorreuctores
7
,otes
e
sello
/ue
no
est!n
re,resentaos
e<,lcitamente en un ia"rama e =u0oG ,ero /ue necesitan una ienti'cación ,ara otros usos e)en tenerla e acuero con su función 7 e)en em,lear el mismo nmero el )ucle /ue el el instrumento asociao. Alternati(amenteG los accesorios ,ueen em,lear el mismo nmero e ienti'cación /ue el e sus instrumentos asociaosG ,ero con ,ala)ras aclaratorias si ello es necesario. Por consi"uienteG una )ria ,ara una ,lacaEori'cio 8E e)e esi"narse como JE o )ien como 8E )ria. n rot!metro re"ulaor e ,ur"a asociao con un manómetro PIE$ e)e ienti'carse como ICVE$G ,ero ,uee tam)i*n marcarse PIE$ ,ur"a. na sona em,leaa con un termómetro IE9 ser! QE9G o )ienG IE9 sona.
AB;A 5.1. ;etras e Ienti'cación
1 Varia)le meia # A An!lisis 4 B ;lama /uemaor C Conucti(ia & &ensia o ,eso 8 ensión f.e.m.
;etras
;etra e
unción e unción e salia moi'cació lectura . . . . . . . . . Alarma ............ . . . . . . . . . ;i)re 1 ;i)re 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control &iferencial . ............ . . . . . . . . . . . ......... ............ 8lemento
;etra e moi'cación
............. ;i)re 1 ............. ............. .............
Relación # ,rimario ............ ............. . . . . . . . . . . ......... ............ ............. . ......... . . . . . . . . . . . . Alto 3 1# 14 Virio $ . . . . . . . . . . ........... ............. I Corriente el*ctrica . . . . . . . . . . . .. 8<,loración . Potencia ............ ............. . . . . . . . . . Inicación ............. 8stación e g iem,o 9 o . . control inicaor ; Di(el ......... . . . . . . . . . . . . Ba0o 3 1# 14 ........... . . . . . . . . . Humea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . eio o . . intermeio 3 D ;i)re 1 . . . . . . . . . ;u+ ,iloto ;i)re ;i)re O ;i)re 1 . . . . . . . . . 1% ............ ............. P Presión o (aco ......... ...... .... ............ ............. ? Cantia Inte"ración . ............ ............. R Raiacti(ia ......... ............ ............. 6 Velocia o frecuencia 6e"uria ;i)re Interru,tor ............. . . . . . . . . . Ori'ci ............. ransmisió em,eratura .o . no ultifunción1 . . . . . . . . . ultifunción11 Punto e ulti(aria)le 5 1 . ,rue)a V Viscosia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V!l(ula ............. Q Peso o uer+a Re"istro ......... ............ ............. J 6in clasi'car 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6in clasi'car 6in clasi'car . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rel* o ............. ;i)re 1 com,utaor . . . 8lemento 'nal ......... ............. Posición e control sin . . Caual N Cali)re H anual
Ver ,ró
1. Para
cu)rir las
esi"naciones
no normali+aas
/ue
,ueen em,learse
re,etiamente en un ,ro7ecto se -an ,re(isto letras li)res. 8stas letras ,ueen tener un si"ni'cao como ,rimera letra 7 otro como letra sucesi(a. Por e0em,loG la letra D ,uee re,resentar como ,rimera letra el móulo e elasticia 7 como sucesi(a un oscilosco,io. 2. ;a letra sin clasi'car JG ,uee em,learse en las esi"naciones no inicaas /ue
se utilicen sólo una (e+ o un nmero limitao e (eces. 6e recomiena /ue su si"ni'cao '"ure en el e
relación o ? inte"ración o cual/uier com)inación e las mismas cam)ia su si"ni'cao ,ara re,resentar una nue(a (aria)le meia. Por e0em,loG los instrumentos &I 7 mien os (aria)les istintas: la tem,eratura iferencial 7 la tem,eraturaG res,ecti(amente. 4. ;a letra A ,ara an!lisisG a)arca toos los an!lisis no inicaos en la ta)la 5.1G /ue
no est!n cu)iertos ,or una letra li)re. 8s con(eniente e'nir el ti,o e an!lisis al lao el sm)olo en el ia"rama e ,roceso. 5. 8l em,leo e la letra como multi(aria)le en lu"ar e una com)inación e
,rimeras letrasG es o,cional. 3. 8l em,leo e los t*rminos e moi'caciones altoG meioG )a0oG meio o
intermeio 7 e<,loraciónG es ,referi)le ,ero o,cional. . 8l t*rmino se"uriaG e)e a,licarse sólo a elementos ,rimarios 7 a elementos
'nales e control /ue ,rote0an contra coniciones e emer"encia ,eli"rosas ,ara el e/ui,o o el ,ersonal. Por este moti(oG una (!l(ula autorre"ulaora e ,resión /ue re"ula la ,resión e salia e un sistemaG meiante el ali(io o esca,e e =uio al e
una (isión irecta no cali)raa el ,roceso. 9. ;a letra inicación se re'ere a la lectura e una meia real e ,roceso. Do se
a,lica a la escala e a0uste manual e la (aria)le si no -a7 inicación e *sta. 1%. na lu+ ,iloto /ue es ,arte e un )ucle e control e)e esi"narse ,or una
,rimera letra se"uia e la letra sucesi(a ;. Por e0em,loG una lu+ ,iloto /ue inica
un ,eroo e tiem,o terminao se esi"nar! g;. 6in em)ar"oG si se esea ienti'car una lu+ ,iloto fuera el )ucle e controlG la lu+ ,iloto ,uee esi"narse en la misma forma o )ien alternati(amente ,or una
letra nica ;. Por e0em,loG una lu+ ,iloto e marc-a e un motor el*ctrico ,uee ienti'carse 8;G su,onieno /ue la (aria)le meia aecuaa es la tensiónG o )ien J;G su,onieno /ue la lu+ es e
letrasG es o,cional. 12. 6e su,one /ue las funciones asociaas con el uso e la letra sucesi(a se
e'nir!n en el e
(aria)le meiaG no a los e la serial a menos /ue se ini/ue e otro moo. Por e0em,loG una alarma e ni(el alto eri(aa e una seal e un transmisor e ni(el e acción in(ersa e)e esi"narse ;AH incluso aun/ue la alarma sea actuaa cuano la seal cae a un (alor )a0o. 14. ;os t*rminos alto 7 )a0oG cuano se a,lican a (!l(ulasG o a otros is,ositi(os e
cierre a,erturaG se e'nen como si"ue: #lto:
inica /ue la (!l(ula est!G o se a,ro
Ba$o: enota /ue se acerca o est! en la ,osición com,letamente cerraa.
;a '"ura 5.# ilustra los sm)olos a em,lear en los ,lanos 7 i)u0os e re,resentación e instrumentos en los ,rocesos inustriales.
i"ura 5.#. 6im)olo"a a em,lear en ,lanos 7 i)u0os e re,resentación e instrumentos en ,rocesos inustriales. Ver a)la 5.2G nota e llamaa con .
AB;A 5.2. A)re(iaturas su"erias ,ara re,resentar el ti,o e alimentación o )ien e ,ur"a e =uios *
AS
Alimentación e aire
j
ES
Alimentación el*ctrica
j
GS
Alimentación e "as
j
HS
Alimentación -ir!ulica
j
NS
Alimentación e nitró"eno
SS
Alimentación e (a,or
W
Alimentación e a"ua
j j
jj
8l sm)olo se a,lica tam)i*n a cual/uier seal /ue em,lee "as como meio e transmisión. 6i se em,lea un "as istinto el aire e)e Ienti'carse con una nota al lao el sm)olo o )ien e otro moo.
jjj ;os fenómenos electroma"n*ticos inclu7en calorG onas e raioG raiación nuclear 7 lu+.
8n las ,ró
Res(8e! N'r8$ ISAS/9, 8sta norma lista los sm)olos ló"icos /ue re,resentan o,eraciones e ,roceso )inarias reali+aas ,or cual/uier clase e -ar_areG sea el*ctricoG neum!ticoG -ir!ulico u otro. ;a e
•
P'sici! $6ier&$: Posición /ue est! 1%% S a)ierta.
•
P'sici! !' $6ier&$: Posición /ue es menor e 1%% S a)ierta.
•
P'sici! cerr$%$: Posición /ue es O S a)ierta.
•
P'sici! !' cerr$%$: na ,osición /ue es ma7or /ue O S a)ierta.
•
P'sici! i!&er8e%i$: na ,osición es,eci'caa /ue es ma7or e O S 7 menor e 1%% S a)ierta.
•
P'sici! !' i!&er8e%i$: na ,osición es,eci'caa /ue es su,erior o inferior a la ,osición intermeia es,eci'caa.
8n un sistema ló"ico /ue ten"a un estao e entraa eri(ao e moo inferencial o inirectoG ,uee ,resentarse una conición /ue conu+ca a una conclusión errónea. Por e0em,loG la su,osición e /ue e
De:!ici'!es 8n la ta)la /ue a,arece en las ,!"inas anteriores se re,resentan 7 e'nen los sm)olos ló"icos los sm)olos con tres entraas AG B 7 C son t,icos e funciones ló"icas con cual/uier nmero e os o m!s entraas. 8n las ta)las e (eraG O inica la no e
Res(8e! N'r8$ ISAS/98l o)0eto e esta norma es ocumentar los instrumentos formaos ,or orenaoresG controlaores ,ro"rama)lesG mini orenaores 7 sistemas a micro,rocesaor /ue is,onen e control com,artioG (isuali+ación com,artia 7 otras caractersticas e interfase. ;os sm)olos re,resentan la interfase con los e/ui,os anteriores e la instrumentación e cam,oG e la instrumentación e la sala e control 7 e otros ti,os e -ar_are. 8l tama tamao o e los los sm) sm)ol olos os e)e e)e ser ser conf confor orme me a la nor norma I6A I6AE65. E65.1G 1G a la /ue /ue com,lementa.
S)86'*'s %e ;is($*i=$ci! %e* c'!&r'* %is&ri6(i%' Qc'8p$r&i%' 1. Accesi)le normalmente al o,eraorEinicaor Fcontrolaor Fre"istrao o ,unto e alarma. 1 1 2 # 4
Visua isuali li+a +aci ción ón com, com,ar arti tia a..
Visuali+ación 7 control com,artios. Acceso limitao a la re e comunicaciones. Interfase el o,eraor en la re e comunicaciones.
2. &is,ositi(o e interfase au
2 # 4
montao normalmente en la consola ,rinci,al el o,eraor. Controlaor e reser(a o estación manual. 8l acceso ,uee estar limitao a la re e comunicaciones. Interfase el o,eraor (a la re e comunicaciones.
#. Do accesi)le normalmente al o,eraor. 1 Controlaor cie"o com,artio. 2 Visuali+ación com,artia instalaa en cam,o. # C!lculoG aconicionamiento e la seal en 4 5 3
controlaor com,artio. Puee estar en la re e comunicaciones. Dormalmente o,eración cie"a. Puee ser alterao ,or la con'"uración.
S)86'*'s %e* 'r%e!$%'r A utili+ar cuano los sistemas inclu7en com,onentes ienti'caos como orenaoresG iferentes e un ,rocesaor inte"ral /ue e
5. Dormalmente no accesi)le al o,eraor. 1 Interfase entraa F salia. 2 C!lculo F aconicionamiento e seal #
entro e un orenaor. Puee usarse como controlaor cie"o o como móulo e c!lculo e soft_ar so ft_are. e.
S)86'*'s %e c'!&r'* *#ic' ? sec(e!ci$* 3. 6m)olo "eneral. Para com,le0os no e'nios interconectano control ló"ico secuencial (er I6A L65.1
. Control istri)uio interconectano controlaores ló"icos con
funciones ló"icas )inarias o secuenciales. 1 Pa/uete e controlaor ló"ico ,ro"rama)le o controlaores ló"icos i"itales inte"rales con el e/ui,o e control istri)uio. 2 Do accesi)le normalmente al o,eraor.
$. Control istri)uio interconectano un controlaor ló"ico con
funciones ló"icas )inarias o secuenciales. 1 Pa/uete e controlaor ló"ico ,ro"rama)le o controlaores ló"icos i"itales inte"rales con el e/ui,o e control istri)uio. 2 Accesi)le normalmente al o,eraor. o,eraor.
9. C!lculo F aconicionamiento e seal. 1 Para ienti'cación e )lo/ues consulte I6AE65.1
2
#
S)86'*'s c'8(!es 1%. Re el sistema.
ta)la 2 K&esi"naciones e funciones ,ara rel*sM. Para re/uerimientos e c!lculos am,liosG use la esi"nación KCM. 8scri)a aclaraciones en ocumentación su,lementaria. tili+ao en com)inación con (!l(ulas e al i(io se"n I6AE 65.1.
sao ,ara inicar una re e soft_areG s oft_areG o coneis&ric's ;os re"istraores con(encionalesG tales como los e "r!'co e )anaG se mostrar!n e acuero con I6AE65.1. 8n los re"istraores asi"na)les utilice el sm)olo 1. 8l almacenamiento en masa e lar"o ,la+o e una (aria)le e ,roceso meiante memorias i"itales como cintaG iscoG etc.G e)e re,resentarse e acuero con los sm)olos e (isuali+ación e control istri)uio F 1
com,artio o sm)olos e orenaor e esta normaG e,enieno e la locali+ación el a,arato.
I%e!&i:c$ci! ;os cói"os e ienti'cación e esta norma e)en cum,lir con I6AE65.1 con las si"uientes aiciones. A*$r8$s %e s'7&$re ;as alarmas e soft_are ,ueen ser ienti'caas situano letras e esi"nación e la ta)la 1.1 e I6AE65.1 en las lneas e seal e entraa o e salia e los controlaoresG o e otro com,onente es,ec'co inte"ral el sistema. Ver Alarmas /ue a,arecen ,osteriormente. C'!&i#i%$% %e *'s s)86'*'s Pueen unirse os o m!s sm)olos ,ara e<,resar los si"ni'caos si"uientesG aem!s e los mostraos en I6AE65.1. Comunicación entre los instrumentos asociaosG ,or e 0em,loG -ilos 1. e cone
Ca,tulo 3 Instrumentos e meición
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C$p)&(*' 0 09+ Tip's %e i!s&r(8e!&'s ;os instrumentos se ,ueen clasi'car se"n la función /ue reali+an 7 se"n la (aria)le e ,roceso /ue e(aluar!nG ,or lo tanto: a.
•
6e"n la 7(!ci!G los instrumentos se a"ru,an en:
I!s&r(8e!&'s cie#'s: 8stos son a/uellos /ue no tienen inicación (isi)le e la (aria)le. Ha7 /ue -acer notar /ue son cie"os los instrumentos e alarmaG tales como ,resostatos 7 termostatos interru,tores e ,resión 7 tem,eratura res,ecti(amente /ue ,oseen una escala e
•
I!s&r(8e!&'s i!%ic$%'res: 8stos is,onen e un nice 7 e una escala "rauaa en la /ue ,uee leerse el (alor e la (aria)le. 6e"n la am,litu e la escala se i(ien en inicaores conc*ntricos 7 e
•
I!s&r(8e!&'s re#is&r$%'res: 8stos re"istran con tra+o continuo o a ,untos la (aria)leG 7 ,ueen ser circulares o e "r!'co rectan"ular o alar"ao se"n sea la forma el "r!'co. ;os re"istraores e "r!'co circular suelen tener el "r!'co e 1 re(olución en 24 -oras mientras /ue en los e "r!'co rectan"ular la (elocia normal el "r!'co es e unos 2% mm.F-ora.
•
E*e8e!&'s pri8$ri's: 8llos est!n en contacto con la (aria)le 7 utili+an o a)sor)en ener"a el meio controlao ,ara ar al sistema e meición una inicación en res,uesta a la (ariación e la (aria)le controlaa. 8l efecto ,roucio ,or el elemento ,rimario ,uee ser un cam)io e ,resiónG fuer+aG ,osiciónG meia el*ctricaG etc. Por e0em,lo: en los elementos ,rimarios e tem,eratura e )ul)o 7 ca,ilarG el efecto es la (ariación e ,resión el =uio /ue los llena 7 en los e termo,ar se ,resenta una (ariación e fuer+a electromotri+.
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•
Tr$!s8is'res: 8stos ca,tan la (aria)le e ,roceso a tra(*s el elemento ,rimario 7 la transmiten a istancia en forma e seal neum!tica e mar"en # a 15 ,si li)ras ,or
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,ul"aa cuaraa o electrónica e 4 a 2% mA e corriente continua. ;a seal neum!tica e # a 15 ,si e/ui(ale a %G2%3 E 1G%## )ar %G21 E 1G%5 g".Fcm2 ,or lo cualG tam)i*n se em,lea la seal en uniaes m*tricas %G2 a 1 )ar %G2 a 1 g".Fcm2. AsimismoG se em,lean seales electrónicas e 1 a 5 mA c.c.G e 1% a 5% mA c.c. 7 e O a 2% mA c.c.G la seal normali+aa es e 4E2% mA c.c. ;a seal i"ital
utili+aa
en al"unos transmisores inteli"entes
es a,ta
irectamente ,ara orenaor. 8l elemento ,rimario ,uee formar o no ,arte inte"ral el transmisor el ,rimer caso lo constitu7e un transmisor e tem,eratura e )ul)o 7 ca,ilar 7 el se"uno un transmisor e caual con la ,laca ori'cio como elemento ,rimario. •
Tr$!s%(c&'res: 8stos reci)en una seal e entraa función e una o m!s cantiaes fsicas 7 la con(ierten moi'caa o no a una seal e salia. 6on transuctoresG un rel*G un elemento ,rimarioG un transmisorG un con(ertior PPFI ,resión e ,roceso a intensiaG un con(ertior PPFP ,resión e ,roceso a seal neum!ticaG etc.
•
C'!;er&i%'res: 8stos son a,aratos /ue reci)en una seal e entraa neum!tica #E15 ,si o electrónica 4E2% mA c.c. ,roceente e un instrumento 7 es,u*s e moi'carla en(an la resultante en forma e seal e salia est!nar. 80em,lo: un con(ertior PFI seal e entraa neum!tica a seal e salia electrónicaG un con(ertior IFP seal e entraa el*ctrica a seal e salia neum!tica. 8ste ltimo t*rmino es "eneral 7 no e)e a,licarse a un a,arato /ue con(ierta una seal e instrumentos.
•
Recep&'res: 8stos reci)en las seales ,roceentes e los transmisores 7 las inican o re"istran. ;os rece,tores controlaores en(an otra seal e salia normali+aa a los (alores 7a inicaos #E15 ,si en seal neum!ticaG o 4E2% mA c.c. en seal electrónicaG /ue actan so)re el elemento 'nal e control.
•
C'!&r'*$%'res: 8stos com,aran la (aria)le controlaa ,resiónG ni(elG tem,eratura con un (alor eseao 7 e0ercen una acción correcti(a e acuero con la es(iación. ;a (aria)le controlaa la ,ueen reci)ir irectamenteG como controlaores locales o )ien inirectamente en forma e seal neum!ticaG electrónica o i"ital ,roceente e un transmisor.
•
E*e8e!&' :!$* %e c'!&r'*: 8ste reci)e la seal el controlaor 7 moi'ca el caual el =uio o a"ente e control. 8n el control neum!ticoG el elemento suele ser una (!l(ula neum!tica o un ser(omotor neum!tico /ue efectan su carrera com,leta e # a 15 ,si %G2E1 )ar. 8n el control electrónico la (!l(ula o el ser(omotor anteriores son accionaos a tra(*s e un con(ertior e intensia a ,resión IFP o seal i"ital a ,resión /ue con(ierte la seal
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electrónica e 4 a 2% mA c.c. o i"ital a neum!tica #E15 ,si. 8n el control el*ctrico el elemento suele ser una (!l(ula motori+aa /ue efecta su carrera com,leta
accionaa ,or un ser(omotor el*ctrico. ;as seales neum!ticas #E15 ,si o %G2E1 )ar o %G2E 1 g".Fcm2 7 electrónica 4E2% mA c.c. ,ermiten el intercam)io entre instrumentos e la ,lanta. Do ocurre as en los instrumentos e seal e salia i"ital transmisoresG controlaores one las seales son ,ro,ias e caa suministraor. ).
6e"n la ;$ri$6*e %e pr'ces'G los instrumentos se clasi'can en:
Instrumentos e caualG ni(elG ,resiónG tem,eraturaG ensia es,ec'coG
7
,eso
-umea 7 ,unto e rocoG (iscosiaG ,osiciónG (elociaG ,HG
conucti(iaG frecuenciaG fuer+aG tur)ie+G etc. Esta clasifcación corresponde
específcamente al tipo de las se%ales medidas siendo independiente del sistema empleado en la conversión de la se%al de proceso . &e este mooG un transmisor neum!tico e tem,eratura el ti,o e )ul)o 7
ca,ilarG es un
instrumento e tem,eratura a ,esar e /ue la meia se efecta con(irtieno las (ariaciones e ,resión el =uio /ue llena el )ul)o 7 el ca,ilar el a,arato rece,tor e la seal neum!tica el transmisor anterior es un instrumento e tem,eraturaG
si )ienG al ser rece,tor neum!tico lo ,oramos consierar
instrumento e ,resiónG caualG ni(el o cual/uier otra (aria)leG se"n fuera la seal meia ,or el transmisor corres,oniente un re"istraor ,otenciom*trico ,uee ser un instrumento e tem,eraturaG e conucti(ia o e (elociaG se"n sean las seales meias ,or los elementos ,rimarios e termo,arG electroos o namo. AsimismoG esta clasi'cación es ine,eniente el nmero 7 ti,o e transuctores e
el instrumento
'nal. As ocurre en el caso e un transmisor electrónico e ni(el e 4 a 2%
mA
c.c.G un rece,tor controlaor con salia e 4E2% mA c.c.G un con(ertior intensiaE ,resión IFP /ue transforma la seal e 4E2% mA c.c. a neum!tica e #E15 ,si 7 la (!l(ula neum!tica e control toos estos instrumentos se consieran e ni(el.
8n la esi"nación el instrumento se utili+a en el len"ua0e comn las os clasi'caciones e<,uestas anteriormente. e este mooG se consieran instrumentos tales como transmisores cie"os e ,resiónG controlaores re"istraores e tem,eraturaG rece,tores inicaores e ni(elG rece,tores controlaores re"istraores e caualG etc.
8n la '"ura 3.1 ,ueen (erse la re,resentación e los i(ersos instrumentos escritos.
i"ura 3.1. Re,resentación instrumentación
c9
e
instrumentos
en
un
ia"rama
e
F(!ci'!$8ie!&' $!$*#ic' ? %i#i&$* 8s ,osi)leG aem!sG clasi'car la forma en /ue ,ueen e0ecutarse las funciones )!sicas enfocano la atención a la naturale+a continua o iscreta e las seales /ue re,resenta la información. ;as seales /ue (aran en forma continua 7 /ue ,ueen tomar una in'nia e (alores en cual/uier inter(alo aoG se llaman seales analó"icas los is,ositi(os /ue ,roucen esas seales se llaman is,ositi(os analó"icos. 8sto es ri"urosamente cierto en un sentio macroscó,icoG 7a /ue toos los efectos fsicos se con(ierten en iscretos en consieraciones atomsticas. 8n contrasteG las seales /ue (aran en ,asos iscretos 7 ,ueen as tomar solamente un nmero 'nito e (alores iferentesG se escri)en como seales i"itales los a,aratos /ue ,roucen estas seales se llaman a,aratos i"itales. ;a ma7ora e los a,aratos e meia actuales son el ti,o analó"ico. 8st! aumentano
la
im,ortancia
e
los
instrumentos
i"italesG
/ui+!
,rinci,almente e)io al uso creciente e las com,utaoras i"italesG tanto en los sistemas e reucción e atos como en los autom!ticos e control.
Como la calculaora i"ital tra)a0a solo con seales i"italesG cual/uier información /ue se le suministre e)e ser en la forma i"ital. ;a salia e la com,utaora tiene tam)i*n
forma i"ital. AsG cual/uier comunicación con la com,utaora en el e
09, L's e*e8e!&'s %e (! i!s&r(8e!&' 8s ,osi)le 7 con(eniente escri)ir tanto la o,eración como el renimiento "rao en /ue se a,ro
,resenta en la '"ura 3.2. i"ura 3.2. 8lementos acti(os e un instrumento o sistema ,ara meir 8l ia"rama e la '"ura 3.2 re,resenta una ,osi)le is,osición e los elementos acti(os en un instrumento e inclu7e toas las funciones )!sicas /ue se consieran necesarias ,ara la escri,ción e cual/uier instrumentó. 8l elemento sensor ,rinci,al
es el /ue ,rimero reci)e ener"a el meio meio 7 ,rouce una salia /ueG e al"n mooG e,ene e la cantia meia. 8s im,ortante notar /ue un instrumento siem,re e
meia resulta siem,re alteraa en el acto e la meiaG sieno la causa e /ue una meia ,erfecta resulte teóricamente im,osi)le. ;os )uenos instrumentos se ,ro7ectan e manera /ue isminu7an al mnimo este efectoG ,ero est! siem,re ,resente en menor o ma7or "rao. ;a seal e salia el elemento sensor ,rinci,al es al"una (aria)le fsicaG como un esalo0amiento o un (olta0e. Para /ue el instrumento e0ecute la función eseaaG ,uee ser necesario con(ertir esta (aria)le en otra m!s aecuaaG sin e0ar e conser(ar el contenio e información e la seal ori"inal. n elemento /ue e0ecuta una función as se llama elemento e con(ersión (aria)le. &e)e notarse /ue no toos los instrumentos necesitan incluir un elemento e con(ersión (aria)le mientras /ue al"unos re/uieren (arios. Aem!sG los `elementos` e /ue se -a)la son elementos acti(osG no fsicos. 8s ecirG la '"ura 3.2 muestra un instrumento cu7os elementos acti(os -an sio claramente se,araos en )lo/uesG lo cual ,uee -acer ,ensar /ue el a,arato fsico se ,uee se,arar con ,recisión en su)con0untos /ue e0ecutan las funciones es,ec'cas mostraas. 8n "eneralG este no es el caso ,or e0em,loG una ,ie+a es,ec'ca e utilera ,uee e0ecutar (arias funciones )!sicas.
Al e0ecutar su ,ro,io tra)a0oG un instrumento ,uee re/uerir /ue una seal re,resentaa ,or al"una (aria)le fsica se mani,ule e al"una manera. Por mani,ulación se entieneG es,ec'camenteG un cam)io en (alor num*rico e acuero con al"una re"la e'niaG ,ero conser(ano la naturale+a fsica e la (aria)le. AsG un am,li'caor electrónico ace,ta una seal e ,e/ueo (olta0e como entraa 7 ,rouce una seal e salia /ue es tam)i*n un (olta0eG ,ero es un nmero constante e (eces ma7or /ue la entraa. n elemento /ue e0ecuta esta función se llamar! elemento e mani,ulación (aria)le. Do es necesario /ue in(aria)lemente un elemento e mani,ulación (aria)le si"a a un elemento e con(ersión (aria)le ,uee ,receerloG a,arecer en otro lu"ar en la caenaG o no a,arecer el too. Cuano los elementos funcionales e un instrumento est!n en realia se,araos materialmenteG es necesario transmitir los atos e uno a otro. Al elemento /ue e0ecuta esta función se le llama elemento transmisor e atos. Puee ser tan sencillo como un co0inete 7 un e0eG o tan com,licao como un sistema e telemetraG ,ara transmitir ,or raio seales e los ,ro7ectiles es,aciales al e/ui,o e tierra.
6i la información referente a la cantia meia se (a a comunicar a los seres -umanos ,ara monitori+aciónG control o an!lisisG e)e ,onerse en una forma /ue ,uea reconocer al"uno e los ór"anos e los sentios. 8l elemento /ue e0ecuta esta función e `&r$%(cci!` se llama elemento
e ,resentación. 8sta función inclu7e la sim,le inicación e un nice mo(i*nose en una escalaG 7 tam)i*n el re"istro e una estilo"r!'ca mo(i*nose en una -o0a e re"istro. ;a inicación 7 el re"istro ,ueen tam)i*n efectuarse en elementos iscretos en (e+ e en forma continua. ientras /ue la ma7ora e los instrumentos se comunican con la "ente ,or meio el sentio e la (istaG el uso e otros sentios es com,ati)leG como el oo 7 el tacto. 8n al"unos m*toos e re"istro ,ueen ,resentarse los atos e manera /ue no sean a,recia)les irectamente ,or los sentios -umanos. n e0em,lo i"no e mencionar es la "ra)aora e cinta ma"n*tica. 8n este casoG se re/uieren los instrumentos aecuaos ,ara e
en"ranes ,ara am,li'car el mo(imiento e la manecilla. ;a escala 7 la manecilla sir(en ,ara la ,resentación e atos.
i"ura 3.#. anómetro 7 la ienti'cación e sus elementos.
i"ura 3.4. ermómetro e ,resión.
09- E*e8e!&'s $c&i;'s ? p$si;'s na (e+ /ue se -an ienti'cao ciertas funciones )!sicas comunes a toos los instrumentosG es o,ortuno (er la ,osi)ilia e -acer al"unas "enerali+aciones e cómo ,ueen e0ecutarse estas funciones. na e estas "enerali+aciones es la /ue se re'ere a la ener"a. Al e0ecutar cual/uiera e las funciones "enerales inicaas en la '"ura 3.2G un com,onente fsico ,uee actuar como transuctor acti(o o como transuctor ,asi(o. A/uellos com,onentes en los /ue la ener"a e salia la ,ro,orciona casi en su totalia la seal e entraa se llaman comnmente transuctores ,asi(os. ;as seales e entraa 7 e salia ,ueen estar formaas ,or ener"a e la misma forma am)as ,ueen ser mec!nicas o ,uee -a)er con(ersión e ener"a cam)iano e
una forma a otra e mec!nica a el*ctrica 8n muc-a literatura t*cnica el t*rmino transuctor se restrin"e a los is,ositi(os en los /ue -a7 con(ersión e
ener"aG ,eroG a0ust!nose a la e'nición /ue e este t*rmino a el iccionarioG no se -ar! esta restricción. Por otra ,arteG el transuctor acti(oG tiene una fuente au
i"ura 3.5. 6er(omecanismo ,ara instrumentos
09. Tr$!s%(c&'res
Otro transuctor acti(o e "ran im,ortancia ,r!cticaG el ser(omecanismo e instrumentosG se muestra en forma sim,li'caa en la '"ura 3.5. 8ste es en realia un sistema e instrumentos formao e com,onentesG al"unos e los cuales son transuctores ,asi(os 7 otros transuctores acti(os. 6in em)ar"oG cuano se
consiera como entiaG con (olta0e e entraa e i 7 esalo0amiento e salia < oG satisface la e'nición e un transuctor acti(o 7 con(iene consierarlo
as. 8l o)0eto e este a,arato es -acer /ue el mo(imiento < o si"a las (ariaciones el (olta0e ei en forma ,ro,orcional. Como el ,ar motor es ,ro,orcional al (olta0e e error eeG es claro /ue el sistema ,uee estar en re,oso solamente si e e es cero. 8sto ocurre solo cuano ei \ esl como esl es ,ro,orcional a
09/ C'!;ers'res ;a con(ersión AF& 7 &FAG el ,rinci,io e funcionamiento e los orenaores est! )asao en el muno e la ló"ica )inaria e los circuitos en los /ue sólo son tenios en cuenta os ni(eles e tensión: el ni(el alto /ue se -ace corres,oner matem!ticamente en ló"ica ,ositi(a a un uno 7 el ni(el )a0o /ue se -ace corres,oner a un cero. Con estos os ni(eles funcionan la totalia o,eracional e los com,utaoresG microsG micro,rocesaores 7 ,erif*ricos. ;os ,ro"ramas son tam)i*n transformaos en ltimo t*rmino a ceros 7 unos ,ara ser introucios en memoria. &e lo ic-o se euce /ue ifcilmente un orenaor ,ora tomar contacto con el am,lio muno analó"ico /ue le roeaG ,or e0em,loG ,ara ,rocesar tem,eraturasG tensiones o cual/uier otro ,ar!metro analó"icoG con un nmero ineterminao e ni(eles e a- la necesia e la con(ersión analó"icoEi"ital AF& o i"italE analó"ica &FA como ,aso intermeio o interfa+ entre el muno e lo ló"ico 7 el muno e lo analó"ico.
090C'!;ers'res DQA 8n la con(ersión &FA a caa (alor )inario e la entraa le corres,one un ni(el e tensión a la salia. 8
un rec-a+o m!
a)unantes en el am)iente 7 /ue ,er0uican 7 alteran la ,recisión. 8n nuestra escri,ción funcional e un &FA ,rescinimos e estas ,rotecciones en aras e una ma7or sim,licia. Con(ertir un ato en )inario a un ni(el analó"ico no es m!s /ue atri)uir un (alor e tensión a caa (alor )inario asG el ran"o e (alores en -e
estas
resistenciasG
se
a,licaran
los
(alores
)inarios
O
a
consecuti(amente se o)ser(ara una ram,a ascenente e 13 escalonesG caa uno e los escalones se corres,onera con un (alor )inario. O)s*r(ese /ue los (alores e las resistencias si"uen en oren in(erso al (alor el e<,onente )inario e las salias el re"istro. Por el mismo ,roceimiento se ,uee continuar la re resisti(aG si se esea ma7or ,recisión -acen falta m!s escalones 7G ,or eneG m!s )its. Para ma7or com,rensión (*anse las '"uras 3.3 7 3.. am)i*n ,uee efectuarse ,or otro ,roceimiento enominao re resisti(a RG 2R. 8n este sistema a caa )it e salia se le conecta una resistencia e (alor 2RG al otro e
e(ientemente ser! el (alor o)le e R. 8ste sistema tiene la (enta0a res,ecto al sistema e resistencias ,oneraas /ue em,lea nicamente os (alores istintos e resistenciasG sieno R un (alor cual/uiera. ;a salia analó"ica se toma es,u*s e la resistencia en serie el )it e ma7or ,eso. 8l sistema ,osee un re"istro e cuatro )its /ue ,uee ser car"ao con cual/uier (alor )inario. 8n sus salias se conecta la re RG 2R. 8n la salia e la re se encontrar! instant!neamente el (alor analó"ico e tensión corres,oniente al ato -e
&ao /ue el re"istro e nuestro e0em,lo es e cuatro )itsG la re RG 2R ser! ca,a+ e entre"ar -asta 13 ni(eles istintos e tensión. 6i se car"aran e forma consecuti(a en el re"istro los (alores -e
i"ura 3.3. 8n la con(ersión &FA a caa (alor )inario e la entraa le corres,one un ni(el e tensión en la salia.
i"ura 3.. Con(ersor i"ital analó"ico &FA ,or el sistema e resistencias ,oneraas
091C'!;ers'res AQD ;a con(ersión analó"icaEi"ital consiste en con(ertir (alores analó"icos en i"itales. 8n esencia es el ,roceso in(erso a la con(ersión i"italEanaló"ica. 8n la con(ersión AF& a caa (alor e la entraaG o me0orG a caa mar"en e (alores analó"icos le corres,one un (alor i"ital a la saliaG ao /ue entro el citao mar"en e
(alores analó"icos /ue le corres,onen a caa (alor )inario e saliaG el is,ositi(o siem,re tomar! uno e ellosG lo /ue esta)lece una cierta im,recisión en la
con(ersión ,or lo /ue siem,re se le atri)u7e a *sta el error e 1 "itoG lo /ue eterminaG entre otras ra+ones e iseoG /ue si se esea ma7or ,recisión -a)r! /ue aumentar el nmero e )its e salia en la con(ersiónG atri)u7*nosele siem,re al )it e menor ,eso el error constante e 1.
Ca,tulo eición e la ,resión
C$p)&(*' 1
19+ Presi! ;a ,resión se e'ne como fuer+a e0ercia so)re una su,er'cie ,or unia e !rea. 8n in"enieraG el t*rmino ,resión se restrin"e "eneralmente a la fuer+a e0ercia ,or un =uio ,or unia e !rea e la su,er'cie /ue lo encierra. &e esta maneraG la ,resión P e una fuer+a istri)uia so)re un !rea AG se e'ne como:
.1
8
Calia el ,rouctoG la cual frecuentemente e,ene e cie rtas ,resiones /ue se e)en mantener en un ,roceso.
Por se"uriaG como ,or e0em,loG en reci,ientes ,resuri+aos one la ,resión no e)e e
8n a,licaciones e meición e ni(el.
8n a,licaciones e meición e =u0o.
i"ura .1. i,os e ,resión
8n el sistema Internacional e niaesG la unia e meia e ,resión es el Pascal PaG /ue se e'ne como la fuer+a e0ercia ,or un De_ton D so)re un !rea e un metro cuarao m2. O seaG Pa \ DFm2. 8sta es una unia e ,resión mu7 ,e/ueaG ,ero el ilo ,ascal gPaG 1.%%% PaG ,ermite e<,resar f!cilmente los ran"os e ,resión comnmente m!s usaos en la inustria ,etrolera. Otras e las uniaes utili+aas son el gilo"ramo ,or centmetro cuarao g".Fcm 2 li)ras ,or ,ul"aa cuaraa Psi )arG 7 otros. 8n la ta)la .1 se ,resentan los factores e con(ersión entre las uniaes e ,resión m!s comunes.
a)la .1. actores e con(ersión ,ara uniaes e ,resión. Multiplique
$ulg
g.!"#
$si
At#%s&er a
'ar
g.!"#2 $si
1G%%%%
14G22%
%G93$
%G9$%3
2$G93%
9$G%3%
%G%%#
1G%%%%
%G%3$%4
%G%3$9
2G%#3%
3G$45%
At#%s&era
1G%##2
14G393
1G%%%%
1G%1#2
29G92%
1%1G#25%
'ar
1G%19
14G5%#
%G9$392
1G%%%%
29G5#%
1%%G%%%%
%G%#45
%G4912
%G%##42
1G%%%%
#G#$34
%G%1%1
%G145%
%G%%9$3
%G%##$ 3 %G%1%%
%G295#
1G%%%%
por
$ulg .
I()$ASCA
2
.
I()$ASCA (
8n este ca,tulo se estuiar!n los ,rinci,ales m*toos o ,rinci,ios mec!nicos 7 electromec!nicos utili+aos en la meición e ,resión. am)i*n se -ar! una )re(e escri,ción so)re interru,tores 7 transmisores e ,resión.
19,I!s&r(8e!&'s p$r$ 8e%ici! %e *$ presi!
$9 I!s&r(8e!&'s 8ec"!ic's
;os instrumentos mec!nicos utili+aos ,ara meir ,resión cu7as caractersticas se resumen en la ta)la .2G ,ueen clasi'carse en:
C'*(8!$s %e L)(i%':
anómetro e Presión A)soluta. anómetro e u)o en . anómetro e Po+o. anómetro e u)o Inclinao. anómetro i,o Cam,ana.
I!s&r(8e!&'s E*"s&ic's : u)os Bouron.
uelles. &iafra"mas.
69 I!s&r(8e!&'s e*ec&r'8ec"!ic's ? e*ec&r!ic's ;os instrumentos electromec!nicos 7 electrónicos utili+aos ,ara meir ,resión ,ueen clasi'carse en: •
eiores e 8sfuer+o 6train Na"es
•
ransuctores e Presión Resisti(os
•
ransuctores e Presión Ca,aciti(os
•
ransuctores e Presión a"n*ticos
•
ransuctores e Presión Pie+oel*ctricos
a)la .2. Princi,ales caractersticas e los instrumentos ,ara meir ,resión.
C$8p' %e 8e%i%$ '
E$c&i&(
Tip' %e i!s&r(8e!&' u)o en
2%b12% cm H2O
%G5b1G%
anómetro e ,o+o
1%b#%% cm H2O
%G5b1G%
u)o inclinao
1b12% cm H2O
%G5b1G%
anómetro cam,ana
%G5b1%% cm H2O
%G5b1G%
Bouron sim,le
%G5b3%% "Fcm2
2G%
Bouron es,iral
%G5b25%% "Fcm2
1G5
Bouron -elicoial
1G5
uelle
%G5b5%%% "Fcm2 1% cm H2Ob2
&iafra"ma
5 cm H2Ob2
1G5
ransuctor resisti(o
%G5b#5% "Fcm2
%G5
ransuctor ca,aciti(o
%b42% "Fcm
2
%G2
ransuctor ma"n*tico
%b%% "Fcm2
%G2
ransuctor
%b#5% "Fcm2
%G2
R$!#' Óp&i8'
2
% K
2G%
19- Descripci! %e *'s i!s&r(8e!&'s %e 8e%ir presi! $9 C'*(8!$s %e *)(i%' 8stos instrumentos se conocen ,rinci,almente como K M$!8e&r'sM. 8n ellos la ,resión a,licaa se )alancea contra una columna e l/uio. ;a forma m!s sim,le consiste e un tu)o (ertical sellao en un e
a
)
i"ura .2. a anómetro e ,resión a)solutaG ) anómetro e tu)o en KM
8stos instrumentos encuentran su ma7or a,licación en la)oratorios 7 como ,atrones ,ara cali)ración e otros instrumentos e ,resión. 8l l/uio utili+ao e,ene el ran"o e ,resión a meirG ,ero "eneralmente se em,lea a"uaG com,uestos or"!nicos 7 mercurio. A continuación se mencionan (arios ti,os e meiores e columnas e l/uio: •
M$!8e&r' p$r$ 8e%ici! %e Presi! A6s'*(&$: es sim,lemente un tu)o en `` /ue tiene un e
&one P : Presión A)soluta :
- : &iferencia e altura en los os cuer,os
el tu)o s" : Nra(ea es,ec'ca el l/uio
•
M$!8e&r' %e &(6' e! U: se utili+a ,ara meir ,resión iferencial. Consiste en un tu)o en forma e `` lleno e l/uio. 8n caa una e las ramas el tu)o se a,lica una ,resión. ;a iferencia e altura el l/uio en las os ramas es ,ro,orcional a la iferencia e ,resiones. n es/uema caracterstico ,uee (erse en la '"ura .2 ).
•
M$!8e&r' %e P'=': en este ti,o e manómetro una e las columnas el tu)o en `` -a sio sustituia ,or un reser(orio o ,o+o e "ran i!metroG e forma tal /ue la ,resión iferencial es inicaa nicamente ,or la altura el l/uio en la rama no eliminaa el tu)o ``. n e0em,lo es mostrao en la '"ura .# a.
a
)
i"ura .#. a anómetro e ,o+oG ) anómetro e tu)o inclinao
•
M$!8e&r' %e T(6' I!c*i!$%': se utili+a ,ara meiciones e ,resiones iferenciales ,e/ueas. 8n este ti,o e manómetroG la rama el tu)o e menor i!metro esta inclinaa con el o)0eto e o)tener una escala ma7orG 7a /ue en este caso - \ ; sen G '"ura .# ).
•
M$!8e&r' %e Tip' C$8p$!$: este ti,o e sensor es una cam,ana in(ertia entro e un reci,iente /ue contiene un l/uio sellante. ;a cam,ana est! ,arcialmente sumer"ia en el l/uio. ;a seal e ma7or ,resión se a,lica so)re el interior e la cam,ana in(ertia la seal e menor ,resión se a,lica so)re el interior el reci,iente /ue contiene el l/uio. 8l mo(imiento (ertical e la cam,ana es ,ro,orcional al iferencial e ,resión. Para un )alance est!tico ,uee utili+arse la si"uiente ecuación:
.#
&one:
gr
: Constante el resorte
-
: &es,la+amiento e la
cam,ana A : rea el interior e la cam,ana P2EP1 : &iferencial e ,resión
69 I!s&r(8e!&'s e*"s&ic's 8
•
u)os Bouron.
•
uelles.
•
&iafra"mas.
B!sicamente est!n iseaos )a0o el ,rinci,io /ue esta)lece la e=e
inican los iferentes ti,os e instrumentos el!sticosG sus ran"os ó,timos e o,eración 7 ,recisión.
•
T(6's 5'(r%'!: uncionan )a0o el si"uiente ,rinci,io mec!nico: un tu)o enrollaoG cerrao ,or un e
l/uio )a0o ,resión. Cuano el enrollao `Coil` se iserta correctamente 7 el material utili+ao tam)i*n es el correctoG la eformación /ue sufre el tu)oG e)io a la ,resión a,licaaG es altamente re,etiti(aG ,uieno el sensor ser cali)rao ,ara ,roucir ,recisiones /ue en muc-os casos alcan+an %G%5S el s,an. al como se muestra en la '"ura .4G el mo(imiento el e
•
T(6' 5'(r%'! &ip' C: se utili+an ,rinci,almente ,ara inicación local en meiores e ,resiónG /ue est!n conectaos irectamente so)re reci,ientes e ,roceso 7 tu)eras.
•
T(6' 5'(r%'! e! Espir$*: se constru7en enrollano el tu)oG e sección trans(ersal ,lanaG en una es,iral e (arias (ueltas en (e+ e formar un arco e 2% como en el ti,o KCM. 8ste arre"lo a al es,iral un ma7or "rao e mo(imiento ,or unia e cam)io en la ,resión si se com,ara con el tu)o Bouron ti,o `C`.
•
T(6' 5'(r%'! @e*ic'i%$*: se constru7e e forma similar al tu)o en es,iralG ,ero enrollano el tu)o en forma -elicoial.
i"ura .4. Princi,io e o,eración el tu)o Bouron
Ap*ic$ci'!es: los tu)os Bouron se utili+an como instrumentos e meición irecta 7 como instrumentos e ,resión en ciertos ti,os e controlaoresG transmisores 7 re"istraores. 8l ti,o e Bouron utili+ao se etermina ,rinci,almente ,or el es,acio is,oni)le en la ca0a el instrumento. Como una re"la "eneralG el tu)o Bouron ti,o KCMG es el menos sensi)le 7 el es,iral es el m!s sensi)le.
Ve!&$B$s ? %es;e!&$B$s: entre las (enta0as 7 es(enta0as e los meiores e ,resión e tu)o Bouron se inclu7en:
•
Ve!&$B$s Ba0o costo. Construcción sim,le.
Co)ertura e ran"os )a0os 7 altos. na )uena relación ,recisiónFcosto. uc-os aos e e<,eriencia en su a,licación.
•
Des;e!&$B$s P*ria e ,recisión ,or e)a0o e 5% ,si". sualmente re/uieren am,li'caciónG la cual introuce -ist*resis.
•
F(e**es: n fuelle ,uee e'nirse como un tu)o =e
es,la+amiento el fuelle 7 la ,resión a,licaaG es ,r!ctica comn colocar un resorte entro el fuelleG tal como se muestra en la '"ura .5. ;a utili+ación e un fuelle con un resorte tiene (arias (enta0as: el ,roceimiento e cali)ración se sim,li sim,li'caG 'caG 7a /ue el a0uste a0uste se -ace nicamen nicamente te so)re so)re el resort resorte. e. n resort resorte e construio a ,artir e un material esta)le ,resentar!
esta)ilia ,or un lar"o tiem,oG lo cual es esencial en cual/uier com,onente. Cuano se re/uiere meir ,resión a)soluta o iferencial se utili+an mecanismos es,eciales formaos ,or os fuellesG uno e los cuales acta como com,ensación
o referencia. i"ura .5. anómetro e tiro el ti,o e fuelle
;os fuelles ,ueen ser met!licos o no met!licos. ;os ran"os t,icosG cuano se utili+an fuelles e )ronce o e acero ino
Ap*ic$ci'!es: los fuelles se utili+an en a,licaciones e meición e ,resión a)soluta 7 meición e ,resión iferencial. Aem!sG son ,arte im,ortante en instrumentos tales como transmisoresG controlaores 7 re"istraores.
•
,rinci ci,i ,io o e o,era o,eraci ción ón es simi simila larr al e los los fuell fuelles esGG ,ero ,ero su Di$7r$#8$s: 8l ,rin construcción es iferente. 8l iafra"ma es un isco =e
m!s m!s
no met!licos. 8ntre los materiales materiales
util utili+ i+a aos os se encue encuent ntran ran::
)ron )ronceG ceG co)r co)reE) eE)er erili ilioG oG acer acero o
ino
elemento conocio como Kc!,sulaMG '"ura .3.). na Kc!,sulaM est! formaa ,or os iafra"mas unios alreeor e su ,eriferia. 8
)
a
i"ura .3. &iafra"mas
Ap*ic$ci'!es: los iafra"mas se em,lean en meición e )a0as ,resiones 7 (aco 7 en meiciones e ,resión a)soluta 7 iferencial.
c9 I!s&r I!s&r(8 (8e!& e!&'s 's e*ec e*ec&r &r!ic !ic's 's na es(enta0a comn /ue ,resentan los instrumentos mec!nicosG es el m*too utili+ao ,ara transmitir el mo(imiento el elemento e meición e ,resión a un inica inicaorG orG tal como un ,unter ,untero o o una ,lumilla ,lumilla.. n esla)ón esla)ón mec!nico mec!nicoGG sufre sufre e es"asteG tiene un alto "rao e -ist*resisG lo cual limita la ,recisiónG (elocia e res,uesta 7 re,eti)ilia e la meición. ;os a(ances en la tecnolo"a electrónica -an ao la res,uesta a este ,ro)lemaG sensano electrónicamente el mo(imiento el elemento e meición e ,resión. 8l resultao e esto es: res,uesta muc-o m!s r!,iaG menor es"aste e -ist*resisG me0or com,ensación e la tem,eraturaG 7 una saliaG la cu!l es una seal el*ctrica ,ro,orcional al mo(imiento el elemento e ,resión. 8sta seal ,uee ser a,licaa 7 conicionaa lue"o ,ara /ue rena los re/uerimientos el sistema e control.
;a ma7ora e los instrumentos electroma"n*ticos e ,resiónG incor,oran uno e los instrumentos ,rimarios e meición e ,resión iscutios ,re(iamente instrumentos el!sticos. 8l -ec-o e /ue
la ener"a el ,roceso sea transformaa en una seal el*ctricaG a ,artir e un mo(imiento mec!nicoG -ace /ue a estos instrumentos se les * el nom)re e KTr$!s%(c&'resM. 8ntre estos instrumentos electroma"n*ticos utili+aos ,ara meir ,resión se ,ueen mencionar:
•
6train Na"es o 8stensómetros.
• ransuctores Resisti(os. • ransuctores Ca,aciti(os. • ransuctores a"n*ticos. • ransuctores Pie+oel*ctricos.
;a ma7ora e los transuctores e ,resión mencionaos anteriormenteG utili+an un circuito el*ctrico )!sicoG conocio como circuito e ,uente Q-eatstone. Al"unas caractersticas e un circuito e ,uente e Q-eatstone son: ;a '"ura . muestra un ia"rama )!sico e un circuito e un ,uente e Q-eatstone.
;os
cuatro
elementos
el
,uente
,ueen
ser
inuctanciasG
ca,acitaores o resistencias. Para la meición e ,resiónG "eneralmente se utili+an resistencias. 8n cual/uiera e estos casosG un ,e/ueo cam)io en una e las resistencias el ,uente ,rouce un cam)io instant!neo el (olta0e a tra(*s e los e
.4
6i las resistencias e los cuatro elementos el ,uente son afectaas ,or la tem,eratura en la misma formaG cual/uier cam)io tiene a )alancearlas e(itano errores inucios ,or (ariaciones en la tem,eraturaG los cualesG e otro mooG se etectaran como un cam)io en la ,resión.
i"ura .. Puente e Q-eatstone
6i la salia e un sensor e ,resión se transmite a una e las ramas el ,uenteG el es)alance resultante en el (olta0e e)io a una (ariación e ,resiónG ,uee ser am,li'caoG escalao 7 cali)rao en uniaes e ,resión. Ciertos semiconuctoresG tales como la siliconaG son ,ie+oresisti(os cam)ios en la resistencia e)io a esfuer+o. &e este moo las resistencias e un circuito el ,uente e Q-eatstone ,ueen ser im,lantaasG o `ifunias` en un circuito mu7 ,e/ueo c-i,. 6i esto se conecta a,ro,iaamente a un sensor e ,resión ti,o iafra"maG ,ro,orcionar! una seal analó"ica re,etiti(aG ,ro,orcional a la ,resión a,licaa al iafra"ma.
•
S&r$i! G$#e KG$*#$s Es&e!s'8<&ric$s: los transuctores e ,resión ti,o 6train Na"e ,ro,orcionan un meio con(eniente 7 con'a)le ,ara meir ,resión e "ases 7 l/uios. 6on es,ecialmente aecuaos ,ara ser utili+aos en sistemas (iscosos 7 corrosi(os. n 6train Na"e "al"a estensom*tricaG es un mecanismo /ue utili+a el cam)io e la resistencia el*ctrica e un alam)re o elemento semiconuctor e resistenciaG sometio a esfuer+oG ,ara meir ,resión. 8l 6train Na"e cam)ia un mo(imiento mec!nico en una seal el*ctrica cuano la resistencia (ara ,or com,resión o tensión. 8l cam)io en la resistencia es una meia e la ,resión /ue ,rouce la istorsión mec!nica. ;a '"ura .$ ilustra el ,rinci,io e o,eración e un 6train Na"e.
a
) i"ura .$. Princi,io e o,eración e un sensor con 6train "a"e.
Ine,enientemente el ti,o e 6train Na"e utili+aoG casi siem,re se em,lea un circuito el*ctrico con un ,uente e Q-eatstone. ;a (ariación en la resistencia cam)ia el (olta0e e salia el ,uente. 8sta seal frecuentemente re/uiere com,ensación ,or cam)ios en la tem,eratura el ,roceso. 8l m*too m!s comn ,ara reali+ar esta com,ensaciónG es utili+ano una resistencia e com,ensación en el ,uente e Q-eatstone.
Ve!&$B$s:
u7 )uena e
Do sensi)le a "ol,es 7 (i)ración. Ran"o entre 1% 7 1%.%%% ,si. 8
8fecto e tem,eratura es,recia)le si se com,ensa.
Des;e!&$B$s: ;imitaciones ,or alta tem,eratura. Re/uiere com,ensación ,or tem,eratura. Re/uiere fuente e ,oer e
Tr$!s%(c&'res resis&i;'s: 8stos transuctores o,eran )a0o el ,rinci,io e /ue un cam)io en la ,resión ,rouce un cam)io en la resistencia el elemento sensor. 8st!n constituios ,or un elemento el!stico tu)o BouronG fuelleG iafra"maG el cual -ace (ariar la resistencia e un ,otenciómetro en función e la ,resión. ;a '"ura .9 muestra os ti,os e transuctores resisti(os. 8n uno e ellos el elemento sensor lo constitu7e un fuelle 7 el otro un iafra"ma. ;a '"ura .1% muestra un ti,o e transuctor resisti(o en el cual no se utili+a un elemento el!stico como sensor.
i"ura .9. ransuctores resisti(os e fuelle 7 iafra"ma
i"ura .1%. ransuctor resisti(o e tem,eratura
8n este casoG la (ariación en la resistencia se ,rouce ,or una (ariación en la tem,eratura. 8l ,rinci,io e o,eración es el si"uiente: se -ace ,asar corriente el*ctrica a tra(*s e un 'lamento colocao en una c!mara ,resuri+aa ,or efecto e esta corriente el 'lamento se calienta. ;a tem,eratura el 'lamento 7 ,or consi"uiente su resisti(ia (aran in(ersamente con la ,resión el "as. 8l elemento sensor est! constituio ,or os )ul)os o c!maras ,resuri+aas: una e meiciónG 7 otra e referencia. 8l elemento resisti(o est! constituio ,or un 'lamento e ,latino o tun"steno. 8ste ti,o e meior se ,uee utili+ar ,ara meir ensiaG ,resión o (elocia e "ases. 6u construcción es sim,le 7 no re/uiere e am,li'cación.
•
Tr$!s%(c&'res C$p$ci&i;'s: ;a '"ura .11 muestra un sensor e ,resión /ue utili+a ca,acitancias en (e+ e resistencias como elementos el ,uente e Q-eatstone. 8n este casoG el elemento sensor es un iafra"ma /ue est! en contacto con la ,resión el ,roceso. Cuano la ,resión a,licaa ,rouce una e=e
8stos transuctores ,ueen censar ,resiones )a0asG se usan frecuentemente en transmisores e ,resión manom*trica as como iferencial 7 en a,licaciones e meición e ,resiónG =u0o 7 ni(el.
Ve!&$B$s:
u7 )uenos ,ara meir ,resiones )a0as.
Construcción r"ia.
Do es afectao ,or (i)ración.
Des;e!&$B$s: 6ensi)les a la tem,eratura.
6e re/uiere electrónica aicional ,ara ,roucir una seal e salia est!nar. Re/uiere fuente e ,oer e
i"ura .11. ransuctor e ,resión ca,aciti(o
i"ura .12. ransuctor e inuctancia
?
Tr$!s%(c&'res 8$#!<&ic's: 8
?
ransuctores e Inuctancia Varia)le: tili+an una )o)ina con un ncleo ma"n*tico mó(il. ;a inuctancia en la )o)ina (ara ,ro,orcionalmente se"n la ,osición /ue ocu,e el ncleo entro e la )o)ina. &e este mooG (ariaciones e ,resión so)re el sensor ,roucen cam)ios en la ,osición el ncleoG lo /ue a la (e+ ori"ina un cam)io en la inuctancia '"ura .12. 8ste ti,o e sensor -a (enio sieno utili+ao ,ara etectar ,e/ueos es,la+amientos e c!,sulas 7 otros instrumentos.
?
ransuctores e Reluctancia Varia)le: 8n este caso e
Ap*ic$ci'!es: estos transuctores se utili+an en al"unos instrumentos ,ara meición e ,resión a)solutaG manom*trica 7 iferencialG 7 en a,licaciones e meiciónG =u0o 7 ni(el. am)i*n se utili+an en ciertos con(ertiores ,resiónF(olta0e.
i"ura .1#. ransuctor e reluctancia (aria)le
?
Tr$!s%(c&'res pie='e*
contactos
met!licos. 8l elemento
sensor est!
formao
,or cuatro
,ie+oresistencias i"uales ifunias o ensam)laas en la su,er'cie el iafra"ma el"ao e silicona. Contactos e oro en la su,er'cie el iafra"ma e silicona ,ro(een la cone
i"ura .14. ransuctor ,ie+oel*ctrico
;os transuctores e ,resión estuiaos anteriormente ,ueen ser utili+aos ,ara meir ,resiones a)solutasG iferenciales o manom*tricas. 8n la ta)la .2 se resumen los ran"os e o,eración 7 e
i"ura .15. onta0e t,ico e un transmisor e ,resión
i"ura .13. Ca)leao t,ico e un transmisor e ,resión
i"ura .1. onta0e e un transmisor e ,resión
i"ura .1$. Vista e<,lotaa e un transmisor e ,resión
Ca,tulo $ eición e =u0o
C$p)&(*' 2 29+Me%ici! %e (B' ;a meición e =u0o es uno e los as,ectos m!s im,ortantes en el control e ,rocesos e -ec-oG )ien ,uee ser la (aria)le m!s comnmente meia. 8
eiores iferenciales Hea eters.
•
eiores e es,la+amiento ,ositi(o.
•
eiores e !rea (aria)le.
•
eiores (olum*tricos.
•
eiores e =u0o m!sico.
;a a)la $.1 muestra las caractersticas ,rinci,ales e (arios ti,os e meiores e =u0o utili+aos comnmente en la inustria ,etrolera 7 la a)la $.2 los ti,os e transuctores.
29,F$c&'res (e $7ec&$! e* (B' %e (! (i%' $ &r$;
;a (elocia.
•
;a fricción el =uio en contacto con la tu)era.
•
;a (iscosia.
•
;a ensia "ra(ea es,ec'ca.
•
;a tem,eratura.
•
;a ,resión.
a.
Ve*'ci%$% %e* (i%' V
n =uio en una tu)era se ,uee mo(er e acuero a un ,atrón e =u0o eterminaoG e,enieno en alto "raoG e su (elocia. 8stos ,atrones e =u0o se conocen como KlaminarM 7 Ktur)ulentoM. 8l =u0o laminar es referioG al"unas (ecesG como un =u0o (iscoso /ue se istin"ue ,or /ue las mol*culas el =uio si"uen tra7ectorias ,aralelas cuano el =uio se mue(e a tra(*s e la tu)eraG tal como se muestra en la '"ura $.1. 8l =u0o tur)ulentoG ,or otra ,arteG se caracteri+a ,or ,atrones err!ticos e)io a /ue la tur)ulencia crea remolinos /ue mue(en las mol*culas el =uio a lo lar"o e tra7ectorias irre"ularesG tal como se muestra en la '"ura $.1. 8l t*rmino e (elociaG cuano se a,lica al =u0o e =uio en tu)eras se re'ere a la (elocia ,romeio el mismo =uio. 6e e)e utili+ar la (elocia ,romeio 7a /ue la (elocia el =uio (ara a tra(*s e la sección trans(ersal e la tu)era. a)la $.1. Caractersticas e los meiores e =u0o
a)la $.2. i,os e transuctores
i"ura $.1. i,os e =u0o en una tu)era
69 Fricci! %e* (i%' e! c'!&$c&' c'! *$ &(6er)$ ;a fricción e la tu)era reuce la (elocia el =uioG ,or lo tantoG se consiera un factor ne"ati(o. &e)io a esta fricciónG la (elocia el =uio es menor cerca e la ,are /ue en el centro e la tu)eraG mientras m!s lisa es la tu)eraG menor es el efecto e la fricción so)re la (elocia el =uio. ;a ecuación e &arc7 ,ermite calcular la ,*ria ,or fricción en ,ie e =uio.
$.1
&one: & : &i!metro e la tu)era ,ies. ; : ;on"itu e la tu)era ,ies.
V : Velocia el =uio ,iesFse".. f : actor e fricción e ann7. " : Constante e la "ra(ea #2G1 ,iesFse" 2 ó 9G$ m.Fse"2.
8l factor e fricción 7 es una función el nmero e Re7nols 7 e la ru"osia e la tu)era.
c.
Visc'si%$% %e* (i%'
Otro factor /ue afecta la (elocia e un =uio es la (iscosia . ;a (iscosia es una meia cuantitati(a e la tenencia el =uio a resistir la eformación. ;os =uios /ue =u7en li)remente tienen (iscosiaes )a0as los =uios /ue ,arecen resistir a =uir li)remente tienen (iscosiaes altas. ;a (iscosia se mie en uniaes e centi,oiseG c, \ "rs. F cm. se". la cual es referia como una unia e (iscosia a)soluta. Otro ti,o e (iscosia llamaa (iscosia cinem!tica se e<,resa en uniaes e centistoes. 6e o)tiene i(iieno los centi,oises ,or la "ra(ea es,ec'ca el =uio. Al"unos meiores e =u0o se cali)ran ,ara un (alor e la (iscosia el =uio /ue ,asa ,or el meior. 6i la (iscosia cam)iaG tam)i*n lo -ace el factor e cali)raciónG afectano la e
%9 De!si%$% %e* (i%' KGr$;e%$% espec):c$ ;a ensia e una sustancia se e'ne como su ,eso ,or unia e (olumen. ;a ensia e los l/uios cam)ia consiera)lemente con la tem,eraturaG mientras /ue los cam)ios ,or (ariaciones en la ,resión son es,recia)les. ;a ensia e los "ases
7 (a,ores es ma7ormente afectaa ,or los cam)ios en la ,resión 7 la tem,eratura. uc-as meiciones e =u0o se reali+an so)re la )ase e meiciones e (olumenG e moo /ue la ensia el =uio e)e ser conocia o meia ,ara eterminar la (eraera masa e =u0o.
;a "ra(ea es,ec'ca 6" e un =uio es la relación e su ensia con res,ecto a una ensia ,atrón. 8l ,atrón ,ara l/uios es el a"ua
\ 1 "r.Fcm# a 4 C 7 1
atm. 8l ,atrón ,ara "ases es el aire \ 1G29 "r.F lt a %C 7 1 atm. 6e -a eterminao /ue los factores e =u0o m!s im,ortantes ,ueen ser correlacionaos 0untos en un factor aimensional llamao el N8er' %e Re?!'*%sG el cual escri)e el =u0o ,ara toas las (elociaesG (iscosiaes 7 i!metros e tu)era. 8n "eneralG el Dmero e Re7nols e'ne la relación e la (elocia el =uio en función e su (iscosia. 8l nmero e Re7nols se e<,resa a tra(*s e la si"uiente ecuación: $.2
&one Re : Dmero e Re7nols :
& : &i!metro interno e la tu)era : &ensia el =uio
µ:
Viscosia el =uio
A )a0as (elociaes o altas (iscosiaesG R e es )a0o 7 el =uio =u7e en forma e sua(es ca,as o l!minasG con la (elocia m!s alta en el centro e la tu)era 7 (elociaes )a0as cerca e la ,are e la tu)era one las fuer+as (iscosas lo retienen. 8ste ti,o e =u0o es llamao (B' *$8i!$r 7 est! re,resentao ,or Dmeros e Re7nols Re menores /ue 2.%%%. na caracterstica si"ni'cati(a el =u0o laminar es la forma ,ara)ólica e su ,er'l e (elocia como ,uee (erse en la '"ura $.2.
i"ura $.2. Caractersticas e la (elocia el =uio
A altas (elociaes o )a0as (iscosiaes el =uio se escom,one en tur)ulentos remolinos con la misma (elocia ,romeio en toa la tu)era. 8n este K=uio tur)ulentoM el ,er'l e (elocia tiene una forma muc-o m!s uniforme. 8l =u0o tur)ulento est! re,resentao ,or Dmeros e Re7nols ma7ores /ue 4.%%%. 8n la +ona e transición con Dmero e Re7nols entre 2.%%% 7 4.%%% el =u0o ,uee ser laminar o tur)ulento.
e9
E7ec&'s %e *$ presi! ? %e *$ &e8per$&(r$ %e* (i%'
;os efectos e la ,resión 7 la tem,eratura 7a -an sio escritos en el an!lisis /ue se -i+o so)re la ensia 7 la (iscosia. 8l m*too m!s comn e meición e =u0oG es ecirG el m*too e iferencial e ,resiónG su,one /ue tanto la ,resión como la tem,eratura ,ermanecen constantes. 8n al"unas a,licaciones esta su,osición es (!lia. 8n otras es necesario -acer com,ensación ,or cam)ios en la ,resión 7Fo tem,eratura el =uio.
29-Me%i%'res %e (B' %i7ere!ci$*es ;os meiores e =u0o e ti,o iferenciales son los m!s comnmente utili+aos. 8ntre ellos ,ueen mencionarse: la ,laca e ori'cioG el tu)o VenturiG el tu)o PitotG la to)era 7 el meior e im,acto ar"et. 8stos mien el =u0o e un =uio inirectamenteG creano 7 miieno una ,resión iferencial ,or meio e una o)strucción al =u0o. 8l ,rinci,io e o,eración se )asa en meir la caa e ,resión /ue se ,rouce a tra(*s e una restricción /ue se coloca en la lnea e un =uio en mo(imientoG esta caa e ,resión es ,ro,orcional al =u0o. ;a ,ro,orcionalia es una relación e ra+ cuaraaG en la cual el =u0o es ,ro,orcional a la ra+ cuaraa el iferencial e ,resión. 8sta relación -ace /ue la meición e =u0os menores el #%S el =u0o m!
pri8$ri' se c$*c(*$ ? se se*ecci'!$ %e $c(er%' $* (i%' ? *$s c$r$c&er)s&ic$s
%e* pr'ces'. 6e -an esarrollao ecuaciones /ue toman en cuenta casi toos los factores /ue afectan la meición e =u0o a tra(*s e una restricción. ;a ecuación )!sica a ,artir e la cual fueron esarrollaas estas ecuacionesG es la ecuación e Bernoulli.
i"ura $.#. Caa e ,resión a tra(*s e una restricción omano como referencia la '"ura $.# si P 1G PcG V1G Vc son las ,resiones a)solutas 7 (elociaes en la +ona antes e la restricción 7 en la (ena contracta res,ecti(amente 7 si A 7 $ son el !rea trans(ersal e la tu)era 7 e la restricción res,ecti(amente al a,licar la ecuación e Bernoulli entre estos os ,untosG resulta:
$.#
Reorenano t*rminosG /uea la ecuación $.4
$.4
6i se -ace a H_: el iferencial e ,resión efecti(a meia en uniaes e altura mm H2OG ,ul"aas H2OG etc.G entonces:
$.5
7
$.3
Como el =u0o ?1 es i"ual al =u0o a tra(*s e la restricciónG entonces ? 1\ ?cG con lo cual se tiene:
$.
Reem,la+ano en la ecuación $.3 el (alor e V 1G entonces:
$.$
&e la ecuación $.$ se es,e0a a V cG /ueano:
$.9
$.1%
&one : &i!metro el ori'cio :
& : &i!metro e la tu)era
Para e<,resar el =u0o en uniaes e (olumen o ,esoG se su,one /ue el !rea a la cual la (elocia es i"ual a Vc es el !rea e la restricción el elemento ,rimario e meición. $.11
&one: ?t : lu0o teórico : Relación e i!metros F& 8n t*rminos el =u0o m!sico se ,uee escri)ir la ecuación si"uiente:
$.12
Para corre"ir las ecuaciones $.11 7 $.12 7 e<,resar el =u0o como (B' re$* 7 no como =u0o teóricoG se e)e introucir un factor e corrección )asao en atos e<,erimentales conocio como coefciente de descarga C
$.1#
Al introucir el coe'ciente e escar"a en las ecuaciones $.11 7 $.12 se o)tienen:
$.14
$.15
Como C 7 como:
son constantes ,ara un mismo con0unto e conicionesG ,ueen a"ru,arse
$.13
&one g es el coe'ciente e escar"aG inclu7eno el factor e a,ro
se conoce comnmente como 7$c&'r %e
Reem,la+ano el (alor e g en las ecuaciones $.14 7 $.15G resultan:
$.1 $.1$
;as ecuaciones $.1 7 $.1$ se a,lican )!sicamente ,ara cual/uier restricciónG ,ero est!n limitaos a =u0os incom,rensi)les. Al em,lear uniaes consistentes estas ecuaciones se con(ierten en:
$.19
$.2%
H_ : &iferencial e ,resión efecti(a en ,ul"aas
&one e H2O :
: &i!metro el ori'cio en ,ul"aas
: &ensia el =uio en l).F,ie#
C'rrecci! p$r$ #$ses ? ;$p'res: cuano la meición se -ace ,ara "ases o (a,oresG otro factor e corrección `` e)e ser a,licao ,ara corre"ir la ecuación el =uio al ,asar ese una re"ión e alta ,resiónG a una e )a0a ,resión. 8n ,lacas e ori'cio el factor e e<,ansión se etermina en forma e<,erimental. ;a ecuación e =u0o ,ara "ases 7 (a,ores es:
$.21
;as ecuaciones $.14G $.15 7 $.21 se a,lican ,ara cual/uier ti,o e restricción. ;a a,licación e estas ecuaciones ,ara meiores e =u0o comerciales re/uiere factores e corrección aicionales. Actualmente e
;a instalación correcta e toos los meiores e =u0o iferencialesG re/uiere la e
i"ura $.4. Re/uerimientos mnimos e tu)era recta ,ara colocar ,lacas ori'cio
Para el c!lculo e ,lacas ori'cios iafra"mas se recomienan como referencia o)li"atoria las Dormas: ?
/+01+324 Me%i%$ %e* (B' %e (i%'s p'r 8e%i' %e p*$c$s'ri:ci' &'6er$s ' &(6's Ve!&(ri i!ser&$%'s e! c'!%(c&'s %e secci! circ(*$r9 International Or"ani+ation for 6tanari+ationG Nine)raG 6ui+a.
?
ASME +39/ W F*'8e&er C'8p(&$&i'! @$!%6''9 American 6ociet7 for ec-anical 8n"ineersG De_ orG 191
?
A9 P9 I9 ,/-4 W Sep&ie86re +32/ p$r$ #$s !$&(r$*9
?
Pri!cip*e $!% Pr$c&ice '7 F*' Me&er E!#i!eeri!#9 ;. g. 6,in 19$
?
N'r8$s AGA- ? AGA1 – G$s Me$s(re8e!& C'88i&&ee Rep'r& L American Nas AssociationG Cle(elanG O-io.
;a referencia Creus 6.G Antonio. INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL p en la ,!"ina 124 muestra el listao e un ,ro"rama Basic ,ara el c!lculo e elementos i,rimó"enos se"n la Dorma I6O /+01+324 el cual se recomiena como ,arte e las -erramientas t*cnicas /ue e)e tener un In"eniero ec!nicoG al"unos ,ro(eeores suministran ,ro"ramas ,ara c!lculos -ir!ulicos como a,o7o a sus ,rouctos.
$9 P*$c$s 'ri:ci'
;a ,laca e ori'cio esta constituia ,or una ,laca el"aa ,erforaaG la cual se instala en la tu)era utili+ano )rias es,ecialesG las ,lacas ori'cio se muestran en la '"ura $.5.
i"ura $.5. i,os e ,lacas ori'cios iafra"mas
Neneralmente se constru7e e acero ino
?
omas so)re la )ria: es el ti,o m!s comnmente utili+aoG '"ura $.3 a. 8n este caso las tomas est!n talaraas so)re las )rias /ue so,ortan la ,laca 7 est!n situaas a una istancia e 1 ,ul"aa e la misma. 8ste ti,o e tomas no se recomiena ,ara i!metros e tu)era menores e os ,ul"aas 2MG e)io a /ue la (ena contracta ,uee estar a menos e 1 ,ul"aa e la ,laca e ori'cio.
i"ura $.3 a &is,osición e las tomas e ,resión iferencial con tomas en la )ria
•
omas en la (ena contracta: locali+aos a una istancia e 1 D & \ i!metro nominal e la tu)era a"uas arri)a e la ,lacaG 7 1F2 D a"uas a)a0o e la ,lacaG o sea so)re la (ena contractaG '"ura $.3 ). 6in em)ar"oG el ,unto e la (ena contracta (ara con la relación e i!metros %QDG ,rouci*nose errores en la
meición si se cam)ia el i!metro el ori'cio. i"ura $.3 ) &is,osición e las tomas e ,resión iferencial en la (ena contracta
•
omas en la tu)era: est!n locali+aas a una istancia e 2 1F2 D a"uas arri)a 7 $
D a"uas a)a0o e la ,lacaG '"ura $.3 c. ien la ,*ria e ,resión ,ermanente a tra(*s e un ori'cio. 8ste ti,o e tomas re/uiere ma7or cantia e tramos rectos e tu)eras.
i"ura $.3 c &is,osición e las tomas e ,resión iferencial en la tu)era
8l ori'cio e la ,laca ,uee ser e tres ti,osG '"ura $.5: conc*ntricoG e
a,licaciones e l/uios lim,iosG e )a0a (iscosia ,ara la ma7ora e los "ases 7 (a,or a )a0a (elocia. ;a relación el i!metro el ori'cio con res,ecto al i!metro interno e la tu)era se llama Krelación )etaM
\ %QD. Para la ma7ora e las a,licacionesG esta relación
e)e estar entre %G2% 7 %G%.
;os (alores ó,timos e est!n entre %G4 7 %G3. Para una misma (elocia e =u0o una alta relación )eta ,rouce menor caa e ,resión /ue una )a0a relación. ;a ,r!ctica normal en el iseo e una ,laca e ori'cio es la e su,oner un iferencial e ,resión H _ est!nar 80em,lo: 1%% ,ul"aas e columna e a"uaG 7 lue"o calcular el i!metro el ori'cio ,ara la m!
69 T(6' Ve!&(ri 8l tu)o Venturi cl!sico est! caracteri+ao ,or su entraa con(er"ente 7 salia i(er"enteG tal como
se muestra en la '"ura $.. i"ura $.. u)o Venturi
;a ,resión interna se mie en su sección e entraaG la cual tiene el mismo i!metro /ue la tu)era. ;ue"o si"ue una sección e transiciónG en la cual el i!metro interno se reuce -asta el i!metro
e la sección e la "ar"anta. ;a ,resión est!tica se mie en la sección e la "ar"antaG la cual se imensiona ,ara ,roucir un iferencial e ,resión eseao a una eterminaa tasa e =u0o. 8n la sección e salia el tu)o VenturiG el i!metro e la "ar"anta incrementa "raualmente -asta -acerse i"ual al i!metro e la tu)era. 8l tu)o Venturi se utili+a ,ara meir =u0o e l/uios 7 "asesG cuano se /uiere minimi+ar la ,*ria e ,resión. 6u meior ,uee mane0ar entre un 25 7 5%S ma7or =u0o /ue una ,laca e ori'cioG ,ara i!metros e tu)era 7 ,*rias e ,resión com,ara)les. Do tiene ,artes mó(iles 7 no e
q %G5. Para =uios com,resi)les se tiene la si"uiente
limitación. $.22
8
i"ura $.$. o)era
c9 T'6er$
;a to)era ,ue consierarse como una (ariación el tu)o Venturi. ;a a)ertura e la to)era es una restricción el,tica tal como se muestra en la '"ura $.$. ;as tomas e ,resión se locali+an a,ro
%9 T(6' Pi&'& n tu)o Pitot mie os ,resiones simult!neamente: ,resión e im,acto P t 7 ,resión est!tica Ps. ;a unia ,ara meir la ,resión e im,acto es un tu)o con el e
i"ura $.9. u)o Pitot
;a ,resión iferencial meia a tra(*s el tu)o Pitot ,uee calc ularse utili+ano la ecuación e BernoulliG 7 resulta ser ,ro,orcional al cuarao e la (elocia el =uio:
$.2#
$.24
Cam)ios en los ,er'les e (elocia el =u0o ,ueen causar errores si"ni'cati(os. Por esta ra+ón los tu)os Pitot se utili+an ,rinci,almente ,ara meir =u0o e "asesG 7a /ue en este casoG los cam)ios en la (elocia el =u0o no re,resentan un incon(eniente serio. ;os tu)os Pitot tienen limitaa a,licación inustrial e)io a /ue ,ueen o)struirse f!cilmente con las ,artculas /ue ,uea tener el =uio.
e9 Me%i%'r %e i8p$c&' T$r#e& 8l ltimo esarrollo e inter*s en meiores iferenciales es el meior e im,acto '"ura $.1%. Puee ser (isto como una ,laca e ori'cio instalaa al re(*s. 8n realiaG
el
elemento
,rimario
es
un
isco
sólio
circular
montao
,er,enicularmente al =u0o 7 sus,enio al ni(el el e0e e la tu)era ,or una )arra e fuer+a controlaa ,or un sistema electrónico o neum!tico. 8ste sistema mie la fuer+a e im,acto so)re el iscoG la cual se e<,resa ,or la ecuación $.25.
$.25
&one:
C : Coe'ciente e arrastre ra"G eterminao e<,erimentalmente en la)oratorio.
: &ensia el =uio.
V : Velocia ,romeio el =uio. A : rea el isco.
&e acuero al teorema e BernuolliG esta fuer+a iG es ,ro,orcional a la iferencia entre la ,resión total 7 la ,resión est!ticaG e tal manera /ue el caual ? (G ,uee o)tenerse una (e+ m!s ,or la relación e ra+ cuaraa.
8ste ti,o e meior es a,ro,iao ,ara =u0os KsuciosM 7 e )a0o nmero e Re7nolsG one el elemento ,rimario cl!sico no es aecuao tam)i*n ,ueen usarse ,ara l/uios lim,ios 7 "as natural. na (e+ efectuaa su cali)ración 7 aecuaa instalaciónG el meior e im,acto ,ro(ee )uena e
i"ura $.1%. eior e im,acto.
29.Me%i%'res %e (B' %e %esp*$=$8ie!&' p'si&i;' ;os meiores e es,la+amiento ,ositi(o son is,ositi(os /ue se,aran la corriente e =u0o en se"mentos (olum*tricos ini(iuales. n (olumen conocio e =uio se asla mec!nicamente en el elemento el meiorG 7 es ,asao ese la entraa e este -asta su saliaG llenano 7 (aciano alternaamente los com,artimientos o c!mara el meiorG '"ura $.11. ;as ,artes mec!nicas el meior se mue(en a,ro(ec-ano la ener"a el =uio. 8l (olumen total e =uio /ue ,asa a tra(*s el meior en un ,eroo e tiem,o aoG es el ,roucto el (olumen e la muestra ,or el nmero e muestras. ;os meiores e =u0o e es,la+amiento ,ositi(o frecuentemente totali+an irectamente el =u0o en un contaor inte"ralG ,ero tam)i*n
,ueen "enerar una salia e ,ulso /ue ,uee ser lea localmente o transmitia a una sala e control.
i"ura $.11. eior e isco oscilante
;os meiores e es,la+amiento ,ositi(o se aa,tan e
•
&isco oscilante
•
Pistón oscilante
• •
i,o rotación Pistón reci,rocante
;a ma7ora e estos meiores se utili+an en a,licaciones ,ara l/uiosG sin em)ar"oG e
iferentes formasG ,ero solamente os ti,osG el e isco oscilante 7 el e en"rana0e ti,o ó(alo ser!n escritos en estos a,untes. 8l meior e isco oscilante utili+a una c!mara e meición cilnrica entro e la cual se ,rouce el mo(imiento oscilante o ti,o )am)oleo el isco al ,asar el =u0oG ,ermitieno la rotación el e0e. 8l mo(imiento el e0e es transmitio a un ma"neto el cual se usa ,ara mo(er una ma"neto e
i"ura $.12. Princi,io e o,eración el meior e en"rana0e ti,o o(alo
29/Me%i%'res %e (B' %e "re$ ;$ri$6*e ientras /ue la ,laca e ori'cio mantiene una restricción constante al =u0oG 7 la caa e ,resión resultante aumenta al aumentar el =u0oG el rot!metro (ara el !rea e la restricción ,ara mantener una caa e ,resión constante.
n rot!metro esta constituio ,or un tu)o (ertical e !rea interna (aria)leG a tra(*s el cual se mue(e el =u0o en sentio ascenenteG '"ura $.1#. n =otaorG )ien sea esf*rico o cónicoG /ue tiene
una ensia ma7or /ue la el =uioG crea un ,asa0e anular entre su m!
i"ura $.1#. Princi,io e o,eración el rot!metro ;a ca,acia e un rot!metro se calcula en )ase al =u0o e aire e/ui(alente ,ara ser(icios e "as o (a,or 7 en )ase al =u0o e a"ua e/ui(alente ,ara ser(icios e l/uio. ;os fa)ricantes ,ro,orcionan las ta)las e ca,acia ,ara (arios i!metros e tu)os 7 ,ara iferentes ti,os e =otaorG )asaos en =u0os e a"ua 7 aire a coniciones est!nar. 8l =u0o actual el =uio a ser meio con el rot!metroG e)e con(ertirse a ",m e a"ua e/ui(alente o a scfm e aire e/ui(alente ,ara ,oer utili+ar las ta)las e ca,acia aas ,or el fa)ricanteG 7 as seleccionar el tamao correcto el rot!metro. Para -acer esta con(ersión e)en utili+arse las si"uientes ecuaciones: Para l/uios $.23
Para "as $.2
&one :
6N : Nra(ea es,ec'ca el "as a coniciones est!nar o, : em,eratura a)soluta a coniciones e o,eraciónG R Po, : Presión a)soluta a coniciones e o,eraciónG ,sia # : &ensia el =uio a coniciones e o,eraciónG "r.Fcm
: &ensia el =otaor re/uerio
290Me%i%'res %e (B' ;'*(8<&ric's n meior e (elociaG utili+ao ,ara meir =u0o (olum*tricoG ,uee e'nirse como un meior en el cual la seal el elemento ,rimario es ,ro,orcional a la (elocia el =uio. tili+ano la ecuación: $.2$ &one :
? : asa e =u0o. V : Velocia el =uio. A : rea trans(ersal e la tu)era.
Puee o)ser(arse /ue la seal "eneraa es lineal con res,ecto al =u0o (olum*trico. ;os meiores e ti,o (olum*tricos son menos sensi)les a las (ariaciones en el ,er'l e (elocia el =uioG cuano se les com,ara con los meiores e =u0o e ti,o iferencial. &e)io a /ue e
•
Me%i%'res &ip' &(r6i!$: n meior ti,o tur)ina esta constituio ,or un rotor con as,as o -*lices instalao entro e un tramo recto e tu)eraG a
meioresG un is,ositi(o e )o)ina ma"n*ticaG colocao fuera e la tu)eraG etecta la rotación e las as,as el rotor. A meia /ue caa as,a el rotor ,asa ,or la )o)inaG
se "enera un ,ulso e (olta0e en la )o)ina. 8l nmero total e ,ulsos es ,ro,orcional a la cantia total e =uio /ue ,asa a tra(*s el rotorG mientras /ue la frecuencia e los ,ulsos es ,ro,orcional a la tasa e =u0o.
i"ura $.14. eior e =u0oG ti,o tur)ina
am)i*n se utili+an etectores e raio frecuencia ,ara sealar el mo(imiento e las as,as. 8n este casoG una seal e alta frecuencia es a,licaa so)re ia )o)ina. A meia /ue las as,as rotanG la seal e alta frecuencia es moulaaG am,li'caa 7 retransmitia. n etector e alta frecuencia tiene la (enta0a e /ue no o)staculi+a el rotor como lo -ace el etector ma"n*tico. ;a ')ra ó,tica tam)i*n -a sio utili+aa ,ara etectar la rotación e las as,as. 8ste sistema o,era ,or meio e la lu+ re=ectaa e las as,as el rotor. 8l meior ti,o tur)ina es aecuao ,ara meir =u0os e l/uiosG "ases 7 (a,ores 7 es es,ecialmente til en sistemas e me+clas en la inustria el ,etróleo. 8s uno e los meiores m!s e
f
Dmero e ,ulsos ,or se"uno ? : asa e =u0o en ",m.
:
g : Pulsos ,or "alón
8n la selección e un meior ti,o tur)ina se e)e tener en cuenta el ti,o e =uio 7a /ue los a"entes corrosi(osG sucioG sólios 7 la acción erosi(a el =uio ,uee aar el mecanismo el meior. AsG estos meiores son limitaos a =uios lim,ios -aci*nose o)li"atorio el uso e colaores 7 e una instalación a,ro,iaa. •
Me%i%'r %e F*(B' %e Tip' E*ec&r'8$#!<&ic': 8l meior e =u0o ma"n*ticoG '"ura $.15G re,resenta uno e los meiores e =u0o m!s =e
8 : uer+a electromotri+ em. resultanteG (oltios g : Constante e ,ro,orcionalia
$.#%
& : &istancia entre electroos V : Velocia
el =uio i"ura $.15. eior e =u0o ti,o electroma"n*tico
;a (elocia lineal se reem,la+a ,or el =u0o (olum*trico ? ,ara -acerla m!s til en a,licaciones e meición e =u0o. X A9 VG one A es el !rea trans(ersal e la tu)era. 6ustitu7eno en la ecuación anterior resulta: $.#1
8sta ecuación emuestra la relación lineal /ue e
micro
siemens
,or
centmetro
µ6Fcm.
;os
re/uerimientos
conucti(ia ,ueen iferir e un fa)ricante a otro ,ero 2 µ6Fcm.
mnimos
e
es a,ro
•
Me%i%'r %e (B' %e &ip' (*&r$s!ic': ;os meiores e =u0o e ti,o ultrasónico utili+an onas e sonio ,ara eterminar el =u0o e un =uio. n transuctor ,ie+oel*ctrico "enera ,ulsos e onasG los cuales (ia0an a la (elocia el sonioG a tra(*s el =uio en mo(imientoG ,ro,orcionano una inicación e la (elocia el =uio. 8ste ,rinci,io se utili+a en os m*toos iferentes e
$9 Me%i%'r (*&r$s!ic' %e (B' (e 8i%e e* &ie8p' %e ;i$Be %e *$ '!%$ (*&r$s!ic$: este ti,o e meior ultrasónico utili+a el m*too e meición el tiem,o e (ia0e e la ona e sonio. 8l meior o,era e la si"uiente manera: se colocan os transuctores en ,osición o,uestaG e moo /ue las onas e sonio /ue (ia0an entre ellos forman un !n"ulo e 45 con la irección el =u0o en la
tu)eraG '"ura $.13 9 i"ura $.13. eior e =u0o ti,o ultrasónico
;a (elocia el sonio ese el transuctor colocao a"uas arri)a A -asta el transuctor colocao a"uas a)a0o B re,resenta la (elocia in-erente el sonio en el l/uioG m!s una contri)ución e)io a la (elocia el =uio. &e una manera similarG la (elocia meia en la irección o,uesta B a A re,resenta la
(elocia in-erente el sonio en el l/uioG menos la contri)ución e)io a la (elocia el =uio. ;a iferencia entre estos os (alores se etermina electrónicamente 7 re,resenta la (elocia el =uioG la cual es irectamente ,ro,orcional al
=u0o el mismo =uio. 8l =u0o se etermina a ,artir el tiem,o meioG e<,resao ,or la ecuación:
$.#2
&one: t : iem,o e (ia0e e la ona e sonio Co : Velocia el sonio en el =uio en a"ua C o \ 1.4$1 mFs a 2%C : n"ulo entre la irección el =u0o 7 la irección e la ona e sonio ; : &istancia entre el transmisor 7 el rece,tor &es,e0ano la (elociaG se o)tiene:
$.##
Como la (elocia el sonio en el =uio ,uee (ariar con la tem,eratura 7 la ensia el =uioG normalmente se em,lean os series e ,ulsos e frecuencia conocia. ;a serie a"uas arri)a se resta e la serie a"uas a)a0o. ;a iferencia e frecuencias meias Df ) es una función irecta e la (elocia el =uioG 7 es ine,eniente e la (elocia el sonio. ;os transuctores ,ueen estar incor,oraos en un tramo recto e tu)eraG o ,ueen colocarse e
i"ura $.1. eior e =u0o ti,o ultrasónico ti,o &o,,ler ).E Me%i%'r (*&r$s!ic' &ip' D'pp*er. 8ste ti,o e meior tam)i*n utili+a os transuctores. 8n este caso est!n montaos en un mismo com,artimiento so)re un lao e la tu)era tal como se muestra en la '"ura $.1. na ona ultrasónica e frecuencia constante se transmite al =uio ,or meio e uno e los elementos. Partculas sólias o )ur)u0as ,resentes en el =uio re=ectan la ona e sonio -acia el elemento rece,tor. 8l ,rinci,io &o,,ler esta)lece /ue se ,rouce un cam)io en la frecuencia o lon"itu e ona cuano e
•
Me%i%'r %e (B' &ip' &'r6e**i!' KV'r&e: B!sicamente este ti,o e meior esta constituio ,or un o)0eto en forma e )arra /ue se coloca entro e la tu)era ,ara o)struir el =u0oG '"ura $.1$G lo /ue -ace /ue se ,rou+can tor)ellinos o remolinos a"uas a)a0o e la o)strucción.
i"ura $.1$. eior e =u0o ti,o tor)ellino Vorte<
;a +ona e remolinos es one el =uio se mue(e a ma7or (elocia si se com,ara con el resto e la corriente el =uio /ue la roea. &e)io a estoG se trata e una +ona e )a0a ,resión. ;os remolinos "eneraos a"uas a)a0o el o)0eto /ue ,rouce la o)strucciónG crean una +ona e )a0a ,resión en la corriente el =uio. ;a frecuencia e estos remolinos (órticesG es irectamente ,ro,orcional a la (elocia el =uio. Cerca el cuer,o /ue ,rouce la o)strucciónG se colocan sensores sensi)les a las =uctuaciones e ,resión /ue mien esta frecuencia la cual es ine,eniente e las ,ro,ieaes el =uio tenieno como nica limitación un (alor mnimo el nmero e Re7nols. ;a tasa e =u0o se etermina a ,artir e esta meición. &iferentes ti,os e sensores -an sio utili+aos ,ara etectar la frecuencia e los remolinosG entre *stos se inclu7en: transuctores ,ie+oel*ctricosG transuctores ma"n*ticosG transuctores sónicos 7 ')ra ó,tica. n iseo me0orao utili+a sensores e ti,o ca,aciti(oG los cuales son inmunes a las (i)raciones 7 son com,ati)les con la ma7ora e los =uios. ;os meiores e =u0o e ti,o tor)ellino ,ueen ser utili+aos ,ara meir =u0o e l/uiosG "ases o (a,oresG re/uieren tramos rectos e tu)era similares a los re/uerios ,or una ,laca e ori'cio con una relación
i"ual a %G%. Ba0o coniciones similares ,roucen una caa e
,resión /ue es a,ro
com,ortamiento oscilatorio escrito arri)a ,uee com,renerse a tra(*s el conce,to e la relación com,lementaria entre un a(ión im,ulsao ,or motores 0et 7 su estela. 8stos resultaos e<,erimentales 7 un an!lisis imensional con'rman la linealia e la relación entre la frecuencia 7 el =u0o (olum*trico entro el ran"o el nmero e Re7nolsG one el nmero e 6trou-al S ,uee ser consierao constanteG las ecuaciones si"uientes emuestran la relación entre la frecuencia e oscilación fG la (elocia el =uio 7 el nmero e 6trou-al.
$.#4
$.#5
$.#3
$.#
$.#$
291Me%i%'res %e (B' 8"sic' ;a necesia e tener meiores e =u0o m!s ,recisos en ,rocesos e transferencia e masaG -a incenti(ao el esarrollo e meiores e =u0o e masa. 8
$9 Me%i%'r &
8stos meiores "eneralmente son e os ti,os: unos /ue mien la (elocia e ,*ria e calor e un cuer,o caliente e)io al ,aso e una corriente e =uio a tra(*s e *l 7 otros /ue mien el incremento e tem,eratura e una corriente e =uio a meia /ue ,asa so)re o a tra(*s e un cuer,o caliente. 8n am)os casos el =u0o e masa se etermina a ,artir e las ,ro,ieaes fsicas el =uio tales como conucti(ia 7 calor es,ec'coG los cualesG entro e ciertos lmitesG son ine,enientes e la tem,eratura 7 ,resión. 6i las ,ro,ieaes t*rmicas el =uio /ue est!n sieno
meias son constantes 7 se conocenG la iferencia entre os lecturas e tem,eratura es ,ro,orcional al =u0o m!sico. 6i la a)sorción e calor en el lao e la ,are e la tu)era es es,recia)leG el )alance e ener"a el =uio se e<,resa ,or la si"uiente ecuación: $.#9
&one ? : Potencia :
t*rmica. : lu0o m!sico. c, : Calor es,ec'co a ,resión constante. a : em,eratura el =uio es,u*s el calentaor. ) : em,eratura el =uio antes el calentaor. R : Resistencia el calentaor. I : Corriente el*ctrica. ;a '"ura $.19 muestra los com,onentes e un sensor t*rmico utili+ao ,ara meir =u0o m!sico. 8n este iseo se colocan os etectores e tem,eratura R& e ,latinoG e
i"ura $.19. eior e =u0o m!sico ti,o t*rmico
8l elemento e calentamiento aumenta la tem,eratura en uno e los R& ,rouci*nose una iferencia e tem,eratura entre los R&G la cual es ma7or a cero =u0oG 7 isminu7e a meia /ue el
=uio ,asa a tra(*s el sensor enfriano la R& calentaa. ;os cam)ios en el =u0o afectan irectamente la isi,ación e calor 7 consecuentementeG la iferencia e tem,eratura entre los os R&. 8sta iferencia se con(ierte electrónicamente en una seal e salia lineali+aaG ,ro,orcionano una meición el =u0o m!sicoG e
69 Me%i%'r %e (B' &ip' C'ri'*is n o)0eto /ue se mue(e en un sistema e coorenaas /ue rota con una (elocia an"ularG e<,erimentar! una fuer+a e Coriolis ,ro,orcional a la masaG a la (elocia el o)0eto 7 a la (elocia an"ular el sistema. 8sta fuer+a es ,er,enicular a la (elocia el o)0eto 7 a la (elocia an"ular el sistema e coorenaas. 8n la nue(a "eneración e los meiores e CoriolisG comercialmente is,oni)lesG el =uio a la entraa el meior se i(ie entre os tu)os en forma e G los cuales tienen un i!metro menor /ue el e la tu)era el ,roceso. 8l =u0o si"ue la tra7ectoria cur(a e los tu)osG 7 con(er"e a la salia el meior. 8stos tu)os se -acen (i)rar a su frecuencia natural ,or meio e un mecanismo ma"n*tico. 6i en (e+ e -acerlos rotar continuamente los tu)os (i)ranG la ma"nitu 7 irección e la (elocia an"ular es alternaa. 8sto crea una fuer+a Coriolis alterna. 6i los tu)os en forma e son su'cientemente el!sticosG las fuer+as e Coriolis inucias ,or la masa el =uio ,roucen una ,e/uea eformación el!stica. A ,artir e ella se mie 7 calcula el =u0o e masa. ;a '"ura $.2% muestra la con'"uración e un meior ti,o Coriolis e)io a /ue la masa no cam)iaG el meior es lineal 7 no tiene /ue ser a0ustao ,ara (ariaciones en las ,ro,ieaes el l/uio. am)i*n elimina la necesia e com,ensar ,or (ariaciones en la ,resión 7 tem,eratura. 8ste meior es til es,ecialmente ,ara l/uios cu7a (iscosia (ara con la (elocia. ;a e
Neneralmente se em,lean con =uios l/uiosG aun/ue tam)i*n ,uee utili+arse con "ases secos 7 (a,or so)recalentao.
;a limitación ,rinci,al el uso e estos meiores est! en su alto costoG el cual ine,enientemente e sus )onaes "ran ,recisiónG ,uee -acer su a/uisición no atracti(a.
i"ura $.2%. eior e =u0o Coriolis
Ca,tulo 9 eición e ni(el
C$p)&(*' 3 39+Me%ici! %e !i;e* ;a meición el ni(el ,uee e'nirse como la eterminación e la ,osición e una interfase /ue e
39,Tip's %e i!s&r(8e!&'s p$r$ 8e%ir !i;e* Al i"ual /ue otras (aria)les e ,rocesoG el ni(el ,uee ser meio ,or m*toos irectos o m*toos inirectos. ;os m*toos e instrumentos utili+aos ,ara meición e ni(el ,ueen clasi'carse e la si"uiente manera:
*toos (isuales.
Instrumentos actuaos ,or =otaores. &es,la+aores. Instrumentos e ni(el e ti,o -irost!ticos.
*toos electrónicos.
*toos t*rmicos.
*toos sónicos.
Instrumentos fotoel*ctricos.
Instrumentos raioacti(os.
;a referencia CreusG Antonio. ID6R8DACID ID&6RIA;p ,lantea /ue los instrumentos e meición irecta se i(ien en: 6ona Cinta 7 ,lomaa Di(el e cristal Instrumentos e =otaor
ientras /ue los instrumentos /ue mien el ni(el a,ro(ec-ano la ,resión -irost!tica se i(ien en: eior manom*trico
eior e ti,o )ur)u0eo
eior e mem)rana
eior e ,resión iferencial e iafra"ma
;a citaa referencia clasi'ca tam)i*n a los instrumentos e meición e ni(el se"n las caractersticas el*ctricas el =uio en: eior resisti(o
eior ca,aciti(o
raiación eior conucti(o ultrasónico
eior e eior
eior e l!ser
8n las ta)las 9.1 7 9.2 se ,resentan cuaros com,arati(os /ue sir(en como una "ua ,ara la selección e meiores e ni(el. a)la 9.1 eiores e ni(el e l/uios Instru#ento
Ca#po $re"isi% n *e #e*i*a + es"ala
$resi% n
Te#peratur
#-i#
*el ui*o
a #,-i#a
0es1entaas anualG sin olas.
6ona
;imitao
%G5 mm
atm
3%
Cristal
K
K
15%
2%%
6in transmisión
lotaor
% b 1% m.
1b2S
4%%
25%
Posi)le a"arrotamiento
1S
atm
3%
1S
K
3%
1S
4%%
2%%
15%
2%%
Posi)le
8<,uesto a corrosión ;/uio conuctor
anom*trico em)rana Bur)u0eo
Altur a % b25 m. Altur a
an/ues a)iertos
an/ues a)iertosG =uios lim,ios an/ues a)iertos antenimientoG contaminación
3entaas
BaratoG ,reciso 6e"uroG ,reciso 6im,leG ine,enienteG Barato Barato BaratoG (ers!til
%G15S
Presión
%G# m.
b
Interfase l/uio
%G5S
&es,la+amiento
% b25 m.
%G5S
1%%
1%
Conucti(o
Ilimitao
E
%$2%%
Ca,aciti(o
%G3 m.
1S
$%b25 %
2%%b4% %
ltrasónico
%G# m.
1S
4%%
2%%
Recu)rimiento
electroo 6ensi)le a ensia
;!ser
%b2G5 m.
%b2G% m.
b
ro)ustoG Vers!til Resistencia corrosión oo ti,o e tan/ues 7 oo ti,o e
%G5S
Raiación
!cil lim,ie+aG
E
15%
uente raiacti(a
l/uios 7 sin
2G%S
l/uio
%G5S
oo ti,o e
b 2G%S
E
15%%
;!ser
l/uios 7 sin l/uio
a)la 9.2 Caractersticas e los meiores e ni(el e sólios
39-M<&'%'s ;is($*es p$r$ 8e%ici! %e !i;e* ;os m*toos (isuales ,ara meición e ni(el son las m!s anti"uas 7 sim,les. Do tienen ,artes mó(ilesG ,or lo tanto no est!n su0etas a fallas mec!nicas. 8ntre estos ti,os e meiores se ,ueen mencionar: los tu)os e (irio 7 las cintas "rauaas.
$9 T(6's %e ;i%ri'
;os meiores o tu)os e (irio ,ueen ser consieraos como manómetros en los cuales el ni(el alcan+a la misma ,osición /ue el ni(el entro el en(ase. ;a sim,licia e este instrumento lo -ace ,o,ular en a/uellas a,licaciones one se re/uiere una inicación local el ni(el. 8
i"ura 9.1. u)o e (irio trans,arente ,ara inicación e ni(el
8l tu)o ti,o re=e
en el =uioG -acieno /ue el (irio se (ea oscuro en la +ona cu)ierta ,or el l/uio. &e
esta maneraG un tu)o e re=e
i"ura 9.2. enómeno e refracción 7 re=e
69 Ci!&$s #r$%($%$s 8ste m*too ,ara meición e ni(el consiste en una cinta "rauaa con una ,esa /ue tiene una "ra(ea es,ec'ca ma7or /ue la el =uio /ue est! sieno meio. ;a cinta se -ace escener en el tan/ue /ue contiene el =uio 7 la su,er'cie mo0aa e la cinta ,ro(ee una inicación el ni(el el l/uio. 6u a,licación est! limitaa a tan/ues a)iertos a la atmósfera.
39.F*'&$%'res
;os instrumentos e meición e ni(el constituios ,or =otaoresG o,eran ,or el mo(imiento el =otaor. 8l ,rinci,io )!sico e =otación esta)lece /ue Kun cuer,o =otaorG sumer"io en un
l/uio es em,u0ao -acia arri)a ,or una fuer+a /ue es i"ual al ,eso el l/uio es,la+aoMG la ecuación utili+aa ,ara eterminar la fuer+a e =o tación is,oni)le es:
9.1
&one:
) : uer+a e =otación. Vf : Volumen el =otaor. 6" : Nra(ea es,ec'ca el l/uio.
8l =otaor se mue(e -acia arri)a 7 -acia a)a0o con los cam)ios en el ni(el el l/uio. 8ste mo(imiento el =otaor ,uee ser transformao ,or i(ersos meios en una acción e inicaciónG re"istro o control. Neneralmente son utili+aos ,ara meir interfases l/uioE"as 7 l/uioEl/uio. Comercialmente e
i"ura 9.#. Instrumento e meición e ni(el e ti,o =otaor
i"ura 9.4. Interru,tor ma"n*tico acti(ao ,or =otaor ;os e0em,los anteriores utili+an un mecanismo e multi,licación e la fuer+a ,alancaG e esta maneraG un =otaor ,e/ueo ,uee ser utili+ao en a,licaciones e )a0a "ra(ea es,ec'ca. Cam)iano o a0ustano la lon"itu e la ,alancaG se re"ula el ran"o e meición. ;a '"ura 9.# muestra un instrumento constituio ,or un =otaor 7 una cinta /ue acciona un inicaor 7 un contaor. n motor mantiene una tensión constante so)re la cinta. 8ste mecanismo ,uee ser e/ui,ao con interru,tores ,or alto 7 )a0o ni(el ,ara acti(ar alarmasG re"ulaores rel*sG (!l(ulasG solenoies 7 otros e/ui,os. 8
conectaa al reci,iente ,or meio e )rias. ;a '"ura 9.4 muestra iferentes es/uemas e cone
;os
interru,tores
e
ni(el
acti(aos
,or
=otaores
son
los
is,ositi(os
electromec!nicos m!s am,liamente utili+aos en la etección e ni(el e l/uio. 8l mantenimiento e estos e/ui,os es sencilloG son altamente con'a)les 7 utili+an una ,ro,iea el l/uio /ue "eneralmente es constante en la ma7ora e las a,licaciones.
Ve!&$B$s ? %es;e!&$B$s: la a,licación e =otaores ,ara meición 7 control e ni(el el l/uio ,resenta al"unas (enta0as 7 es(enta0asG mencionaas a continuación:
•
Ve!&$B$s: !cil instalación.
*too e meición ,ro)ao 7 con'a)le. Do re/uiere cali)ración. Aecuao ,ara a,licaciones en altas tem,eraturasG -asta 5#% C. Aecuao ,ara a,licaciones e altas ,resionesG -asta 5.%%% ,si". ur)ulencia 7 es,uma en la su,er'cie el l/uio no afectan e manera si"ni'cati(a la meición.
•
Des;e!&$B$s: 8l encostramiento o e,ósitos e materiales so)re el =otaor ,ueen im,eir la o,eración e al"unos =otaores. ;a e
39/Desp*$=$%'res ;a o,eración el es,la+aor est! )asaa en el ,rinci,io e Ar/umeesG el cual esta)lece /ue un cuer,o sumer"io en un l/uio ser! em,u0ao -acia arri)a ,or una fuer+a i"ual al ,eso el l/uio /ue *l es,la+a.
Cuano aumenta el ni(el el l/uio en el reci,ienteG el es,la+aor ,iere ,eso este ,eso es i"ual al ,eso el l/uio es,la+ao. Para relacionar la ,*ria e ,eso el es,la+aor con el ni(el el l/uio en el reci,ienteG normalmente se utili+an os ti,os e mecanismos. no e ellos utili+a una )arra e torsión so)re la cual est! so,ortao el es,la+aor. ;a ,*ria e ,eso el es,la+aorG ,or efecto el aumento el ni(el en el reci,ienteG -ace /ue (are la fuer+a e0ercia so)re la )arra e
torsiónG ,rouci*nose en esta un mo(imiento e rotación ,ro,orcional al cam)ioG en el ni(el e l/uio. ;a con(ersión el mo(imiento e rotación en la )arra e torsiónG en una seal ,ro,orcional a la (ariación el ni(elG ,uee -acerse neum!tica o electrónicamente. 8l otro mecanismo utili+a un resorte so)re el cual est! so,ortao el es,la+aor. A meia /ue el es,la+aor ,iere ,esoG la fuer+a e0ercia so)re el resorte isminu7e -acieno /ue este se mue(a. al mo(imiento se utili+a ,ara ,roucir una seal ,ro,orcional al ni(el o ,ara acti(ar un interru,tor. ;a fórmula utili+aa ,ara eterminar el alcance s,an e la fuer+a e =otación ,ara a,licaciones e ni(el e l/uio es:
9.2
&one: ) : Alcance 6,an e la uer+a e lotación I)f o De_ton V : Volumen total el es,la+aor ,ul" # o cm# ;_ : ;on"itu e tra)a0o el es,la+aor ,ul"aas o mm ; : ;on"itu total el es,la+aor ,ul"aas o mm B : Constante %G%#3 I)f F,ul". %9.$<1%
E#
#
DFcm 6" : Nra(ea es,ec'ca el =uio ;os es,la+aores se iferencian e los =otaoresG e)io a /ue en lu"ar e =otar so)re la su,er'cie el l/uioG est!n so,ortaos ,or )ra+os /ue les ,ermiten mu7 ,oco mo(imiento (ertical a meia /ue el ni(el cam)ia. oas las meiciones e ni(el /ue utili+an es,la+aores son e interfaseG 7a /ue la (aria)le meia es el ni(el entre os meios /ue tienen iferente "ra(ea es,ec'ca. ;a ma"nitu el mo(imiento el es,la+aor e,ene el cam)io e interfase 7 e la iferencia e "ra(ea es,ec'ca entre el meio su,erior e inferior.
8n a,licaciones e ni(el e l/uioG la meición se reali+a a meia /ue el l/uio (ara so)re la lon"itu total el es,la+aor. ;as lon"itues est!nares e es,la+aores (an ese %G# -asta # metros 11G$ -asta 11$ ,ul"aas. 8n a,licaciones e ni(el e interfaseG la meición se reali+a a meia /ue el ni(el e interfase entre os l/uios inmisci)les e iferente "ra(ea es,ec'caG (ara a lo lar"o e la lon"itu total el es,la+aor. ;os es,la+aores tam)i*n ,ueen ser
utili+aos ,ara meir ensia e l/uios en este caso la meición se reali+a con el es,la+aor com,letamente sumer"io.
i"ura 9.5. Interru,tor e ni(el ti,o es,la+aor
Al i"ual /ue los =otaoresG los es,la+aores tam)i*n se utili+an en a,licaciones e alarmas o control ONEOFF. 8n (e+ e un =otaor /ue acti(a un interru,tor en res,uesta a un cam)io en el ni(el e l/uioG los es,la+aores se conectan a un resorte ,or meio e un ca)le e sus,ensiónG tal como se muestra en la '"ura 9.5. 8l cam)io en la fuer+a e0ercia so)re el resorteG e)io a la ,*ria e ,eso el es,la+aorG acti(a un interru,tor el cual a la (e+ acti(a una alarma o arranca o ,ara una )om)a. am)i*n e
Ve!&$B$s ? %es;e!&$B$s: las (enta0as 7 es(enta0as en la a,licación e es,la+aores ,ara meición e ni(el son las si"uientes:
?
Ve!&$B$s: Instalación sencilla.
Princi,io e o,eración con'a)le 7 ,ro)ao. Cali)ración a0usta)le en cam,o. Permite meición continua. Ca,acia ,ara tra)a0ar a altas ,resiones 7 tem,eraturas 5.%%% ,si"F54%C. Do lo afectan la tur)ulencia ni la es,uma. ?
Des;e!&$B$s: 8s afectao ,or e,ósitos e materiales so)re el es,la+aor. ;a e
?
Ap*ic$ci'!es: eición e ni(el e l/uios e "ra(ea es,ec'ca constante. eición e interfase l/uioEl/uio. Control e )om)as. Interru,tores ,ara seal e alarma.
;a '"ura 9.3 se muestra al"unas a,licaciones e los es,la+aores.
390I!s&r(8e!&'s %e !i;e* %e &ip' >i%r's&"&ic' 8n los instrumentos e ni(el e ti,o -irost!ticoG el ni(el se mie ,or meio el ,eso /ue e0erce una columna e l/uio so)re el sensor e ,resión. ;a si"uiente relación e'ne la meición e ,resión e)io a una columna e l/uioG la cual ,uee ser con(ertia a altura el ni(el so)re u na lnea e referencia eterminaa: 9.#
&one:
P : Presión e)io a la columna e l/uio. 6" : Nra(ea es,ec'ca el l/uio. H : Altura el ni(el.
i"ura 9.3. A,licaciones e uso e los es,la+aores
8n este caso se su,one /ue la ensia el l/uio es constanteG sin em)ar"oG las (ariaciones en la tem,eratura ,ueen afectar consie ra)lemente la ensia el l/uio afectano la e
i"ura 9.. A,licaciones e uso e los transmisores e ,resión iferencial
i"ura 9.$. Corte e un móulo sensor cela e ,resión iferencial
i"ura 9.9. Ar/uitectura e un sistema e meición e un tan/ue
$9 Ap*ic$ci! %e &r$!s8is'res %e !i;e* ;os transmisores e ,resión manom*trica o iferencialG utili+aos ,ara meir ni(el e l/uioG mien la ,resión -irost!tica. 8sta ,resión es i"ual a la altura el l/uio so)re la cone
•
A,licación ,ara an/ues A)iertos:
8n tan/ues a)iertosG un transmisor e ,resión instalao cerca el fono el tan/ue meir! la ,resión corres,oniente a la altura el l/uio so)re *l. ;a cone
•
A,licación ,ara an/ues Cerraos: 8n tan/ues cerraosG la ,resión encima el l/uio afecta la ,resión meia en el fono. ;a ,resión en el fono el tan/ue es i"ual a la altura el l/uio multi,licaa ,or su "ra(ea es,ec'caG m!s la ,resión en el tan/ue. Para meir el ni(el realG la ,resión el tan/ue e)e rest!rsele a la meición. 8sto se -ace colocano una toma e ,resión en el to,e el tan/ue 7 conect!nola al lao e )a0a ,resión el transmisor. &e este mooG la ,resión el tan/ue se a,lica i"ualmente en los laos e alta 7 )a0a ,resión el transmisor. ;a ,resión iferencial resultante es ,ro,orcional a la altura el l/uio multi,licaa ,or la "ra(ea es,ec'ca. Cuano el "as /ue est! so)re el l/uio en el reci,ienteG ,uee conensar a la tem,eratura 7 ,resión e o,eraciónG en la tu)era e la toma e )a0a ,resión el transmisor se llenar! lentamente e l/uioG ,roucieno un error en la meición. Para eliminar este error ,otencialG la tu)era se llena con un =uio e referencia. 8l =uio e referencia ,roucir! una ,resión so)re el lao e )a0a ,resión el transmisorG -acieno necesario reali+ar una ele(ación e cero.
i"ura 9.1%. *too e )ur)u0eo ,ara meición e ni(el
69 O&r's 8<&'%'s >i%r's&"&ic's 8l *too e Bur)u0eo utili+a la (ariación e ,resión -irost!tica causaa ,or la columna e l/uio. &entro el reci,iente cu7o ni(el se /uiere meirG se instala una tu)era (ertical. 8l e
conecta a una fuente e aire re"ulaa 7 a un meior e ,resión. Cuano se (a a reali+ar una meición e ni(elG el aire e alimentación se a0usta e moo /ue la
,resión sea li"eramente su,erior /ue la ,resión e0ercia ,or la columna e l/uio. 8sto se consi"ue re"ulano la ,resión el aire -asta /ue se o)ser(an )ur)u0as salieno el e
i"ura 9.11. Com,onentes e un sensor ca,aciti(o
391M<&'%'s e*ec&r!ic's p$r$ 8e%ir !i;e* ;as t*cnicas electrónicas ,ara meición e ni(el est!n )asaas en los ,rinci,ios e ca,acitanciaG conucti(ia 7 resistencia. 8stos ,rinci,ios ,ueen ser a,licaos ,ara meir ni(el e l/uios o sólios. ;a selección el ,rinci,io e meición e,ene el meio a ser meioG e las coniciones e o,eraciónG e la con'"uración el reci,iente 7 el ti,o e funcionamiento re/uerio controlG alarmaG inicación.
$9 Se!s'res %e !i;e* %e &ip' c$p$ci&i;' ;a )ase e este m*too e meición raica en las caractersticas fsicas e un conensaor. ;a ca,acitancia e un conensaor e,ene e la se,aración entre los electroos o ,lacas `` e su su,er'cie `A` 7 e la constante iel*ctrica el material entre las ,lacas `8`.
9.4
n sensor e ni(el ti,o ca,aciti(o sir(e ,ara meir el ni(el e la ma7ora e los l/uios 7 sólios. 8l sensor est! constituio ,or un electroo o ,ro)eta e ca,acitancia /ue se introuce en el tan/ue. 8l cam)io en la ca,acitanciaG ,roucio ,or un aumento o isminución el ni(el en el reci,ienteG se mie utili+ano la ,ro)eta e ca,acitanciaG la cual est! conectaa a un circuito electrónicoG /ue ,uee ser un interru,tor e ni(el ,ara control ONOFF G o un transmisor e ni(el ,ara meición e ni(el continuo. 6i el l/uio es no conuctorG el ca,acitor est! formao ,or la ,ro)eta e ca,acitancia electroo ,rimario 7 la ,are el tan/ueG los cuales conforman las ,lacas el ca,acitor. 8l l/uio cu7o ni(el se /uiere meir acta como el iel*ctrico. A meia /ue el l/uio su)e entre el es,acio e las os ,lacasG se ,rouce una (ariación en la ca,acitancia la cual se monitorea 7 se utili+a ,ara ar una seal ,ro,orcional al ni(el. 8n esta a,licación e l/uios no conuctores la ,ro)eta e ca,acitancia e)e estar aislaa el*ctricamente el tan/ue. 6i el l/uio es conuctorG la ,ro)eta e ca,acitancia o electroo ,rimario se asla el*ctricamente el tan/ue 7 el l/uioG "eneralmente se utili+a una cu)ierta e te=ón so)re el electroo. 8n este casoG el l/uio acta como la se"una ,laca el ca,acitor 7 el aislante so)re el electroo ,rimario acta como el iel*ctrico. ;os ,ro)lemas m!s comunes /ue se ,resentan con este ti,o e meiores son: instalación incorrectaG encostramiento e la ,ro)etaG ,*ria el aislante 7 falsa seal causaa ,or es,uma. ;a '"ura 9.11 muestra los com,onentes 7 al"unas a,licaciones e los sensores e ni(el ca,aciti(o.
Ve!&$B$s ? %es;e!&$B$s: las (enta0as 7 es(enta0as m!s im,ortantes en la a,licación e sensores e ni(el Ca,aciti(os son:
?
Ve!&$B$s: Re/uieren mnimo mantenimiento.
Pueen ser utili+aos ,ara meición continua o ,untual. Valor eseao o 6et Point a0usta)le.
Com,ati)le con "ran cantia e l/uiosG ,ol(osG sóliosG loos materiales conucti(os 7 no conucti(os. Resistente a la corrosión con la ,ro)eta aecuaa. 6e a0ustan a cual/uier ti,o e reci,iente.
?
Des;e!&$B$s: Cam)ios en la constante iel*ctrica el materialG causan errores en la seal. Dormalmente re/uieren cali)ración en cam,o. &e,ósito e materiales altamente conuctores so)re la ,ro)etaG ,ueen afectar la e
69 Se!s'res %e !i;e* %e &ip' c'!%(c&i;'
;os sensores e ni(el e ti,o conucti(o ,ueen ser utili+aos ,ara ar seales e alarma ,or alto 7 )a0o ni(el. 6u a,licación est! limitaa a l/uios altamente conuctores tales como materiales a )ase e a"ua. ;a '"ura 9.12 ilustra la a,licación e un sensor e ni(el e ti,o conucti(o. 8l sistema consiste en instalar electroos en el tan/ue en los ,untos e etección e ni(elG ,ero aislaos el*ctricamente el tan/ue 7 alimentaos con una fuente e )a0o (olta0e. Cuano el l/uio en el reci,iente se ,one en contacto con el electrooG =u7e una corriente e )a0o (olta0e entre *ste 7 la ,are el tan/ue. ;a resistencia el*ctrica se mie utili+ano un ,uente e Q-eatstone. ;a resistencia es alta 1 o-m cuano el tan/ue est! (acoG ,ero tan ,ronto como el l/uio conuctor toca la ,ro)etaG la resistencia isminu7e. 8ste cam)io en la resistencia se am,li'ca 7 se utili+a ,ara o,erar un rel*.
i"ura 9.12. 6ensor e ni(el e ti,o conucti(o
;os sensores e ni(el e ti,o conucti(o tam)i*n ,ueen a,licarse ,ara meir el ni(el e interfase entre os l/uiosG uno e los cuales e)e ser conuctor. 80em,lo: Interfase aceite E a"ua.
392M<&'%'s &
;os sensores /ue utili+an este m*too est!n )asaos en la iferencia entre las caractersticas t*rmicas e los =uios. 6e utili+an como etectores e ni(el lmite e l/uios 7 sólios. Neneralmente consisten en un termistor calentao el*ctricamenteG instalao en el tan/ue. ;a tem,eratura el termistor 7 consecuentemente su resistencia el*ctricaG incrementa a meia /ue la conucti(ia t*rmica el =uioG en el cual esta sumer"ioG isminu7e. Pueen ser utili+aos ,ara etectar interfases l/uioE(a,orG e)io a /ue la conucti(ia t*rmica e los l/uios es muc-o ma7or /ue la e los (a,ores 7 est!n su0etos al encostramiento.
393Se!s'res %e !i;e* %e &ip' (*&r$s!ic' ;a '"ura 9.1# muestra el ,rinci,io e o,eración e un sensor e ni(el e ti,o ultrasónico no intrusi(o ,ara a,licaciones e ni(el continuo. 8n estos sensoresG se mie el tiem,o em,leao ,or el sonio en su tra7ecto ese un emisor -asta un rece,tor. 8l instrumento tiene un emisor /ue ,ro,orciona )re(es im,ulsos sónicos. 8stos im,ulsos son re=e0aos ,or la su,er'cie el material en el reci,iente 7 lle"an e nue(o al emisorG /ue acta a-ora como rece,tor. 8l tiem,o transcurrio es una meia e la istancia entre el material 7 el emisorErece,tor. n con(ertior electrónico ,ro,orciona la meia el ni(el. 8l instrumento ,uee incluir un se nsor e tem,eratura ,ara com,ensar los cam)ios en la tem,eratura el aire. Para a,licaciones e ni(el ,untual control ONOFF G alarmaG se utili+an interru,tores e ti,o intrusi(oG el ,rinci,io e o,eración e estos interru,tores es transmitir una ona ultrasónica ese un cristal ,ie+oel*ctrico a tra(*s e un es,acio "a,G e a,ro
Para a,licaciones e alto ni(el se utili+a un sensor es,ecial /ue oscila mientras est! seco. 8ste sensor utili+a la misma t*cnica e os cristalesG ,ero la iferencia consiste en /ue cuano el l/uio comien+a a cu)rir el sensorG la ener"a ultrasónica es a)sor)ia ,or el l/uio 7 la oscilación el sensor cesa.
i"ura 9.1#. Princi,io e o,eración e un sensor e ni(el ultrasónico
Ve!&$B$s ? %es;e!&$B$s: al"unas e las (enta0as 7 es(enta0as en la a,licación e sensores ultrasónicos son los si"uientes:
?
Ve!&$B$s: &is,oni)ilia e sensores no intrusi(os ,ara e(itar ,ro)lemas e corrosión 7 contaminación. eición continua 7 ,untual. Do ,osee ,artes mó(iles. enor mantenimiento. 6e utili+a ,ara l/uios 7 sóliosG conucti(os 7 no conucti(os.
?
Des;e!&$B$s: ;a meición ,uee ser afectaa ,or el mo(imiento el material en el tan/ue. ;a es,uma el l/uio ,uee a)sor)er la seal transmitia. ;a ,resencia e ,artculas o (a,or en el aire ,uee interferir la seal e los sensores e ti,o no intrusi(o.
39+4 Se!s'res %e !i;e* %e &ip' 7'&'e*
infrarro0a ese un ioo emisor e lu+ ; ,asa a tra(*s e un conuctor e lu+ ? 7 es re=ectao ,or su e
est! roeao e aireG "asG o (a,or. ;a lu+ re=ectaa es etectaa ,or un fototransistor P. Cuano el conuctor e lu+ es sumer"io en el l/uioG la refracción en el e
39++ Se!s'res %e !i;e* %e &ip' r$%i'$c&i;' 8n este ti,o e sensoresG una fuente raioacti(a emite un -a+ e ra7os "ammaG alfaG etc. /ue (ia0a a tra(*s el tan/ue 7 e su contenioG -asta un etector u)icao en el lao o,uesto. 8n el etector e
39+, Se!s'res %e !i;e* %e &ip' 8icr''!%$s Kr$%$r
n sensor e ni(el e ti,o microonas es un sensor no intrusi(o. 8l sistema e meición est! formao ,rinci,almente ,or un móulo electrónico e microonasG una antenaG sensores aicionales ,rinci,almente sensores e tem,eraturaG 7 una unia local o remota e inicación. 8l
,rinci,io e o,eración est! )asao en el cam)io e frecuencia e la seal e raar emitia -acia la su,er'cie el l/uio. ;a seal re=ectaa ,or la su,er'cie el l/uio en el reci,iente tiene una frecuencia iferente a la e la seal transmitia. 8sta iferencia e frecuencia es ,ro,orcional a la istancia /ue e
Ca,tulo 1% eición e tem,eratura
C$p)&(*' +4
+49+
Me%ici! %e &e8per$&(r$
8l cr*ito e la in(ención el termómetro se atri)u7e a Nalileo en el ao 1592. e0oras al iseo el termómetro e Nalileo fueron introucias ,or otros in(esti"aores utili+ano i(ersas escalas termom*tricasG toas ellas )asaas en os o m!s ,untos '0os. Do fue sino -asta el ao 1%%G cuano Na)riel a-ren-eit ,rou0o termómetros re,etiti(os 7 e
+49,
Tip's %e i!s&r(8e!&'s p$r$ 8e%ir &e8per$&(r$s
8
;a selección 7 es,eci'cación a,ro,iaa e un instrumento e tem,eraturaG e,ene muc-o el conocimiento e los iferentes ti,os e sensores is,oni)lesG e sus limitaciones 7 e consieraciones ,r!cticas.
A continuación se escri)en los ,rinci,ales ti,os e sensores utili+aos en la inustria ,etrolera ,ara la meición e tem,eratura. 8n esta escri,ción se inclu7en as,ectos tales como: ,rinci,io e funcionamientoG caractersticas 7 a,licaciones.
$9 Ter88e&r's %e 6(*6' ;os ermómetros e Bul)o e uso inustrial est!n iseaos ,ara ,ro(eer una inicación o re"istro e la tem,eratura a istancia el ,unto e meición. 8l sistema "eneralmente est! formao ,or un elemento sensiti(o a la tem,eratura Bul)o un elemento sensiti(o a los cam)ios e ,resión o (olumen BouronG uelleG &iafra"ma un meio ,ara conectar estos elementos tu)o ca,ilar 7 un mecanismo ,ara inicarG re"istrar o transmitir la seal relacionaa con la tem,eratura. ;a '"ura 1%.1 muestra un termómetro e )ul)o con un sistema ,ara inicación local. &e,enieno
el =uio /ue est! entro el )ul)oG estos termómetros se clasi'can e la si"uiente manera: 6istema Clase I )ul)o lleno e l/uioG e
altamente contaminante.
i"ura 1%.1. 8lementos e un termómetro e )ul)o
;os sistemas clase I 7 V o,eran )a0o el ,rinci,io e e<,ansión (olum*trica el l/uio con la tem,eratura 7 an una res,uesta a,ro
8ntre los l/uios utili+aos se encuentran mercurioG *terG
i"ura 1%.2. ermómetro clase I con sistema e com,ensación
;os sistemas e Clase II )ul)o lleno e (a,or o,eran )a0o el ,rinci,io el cam)io en la ,resión e (a,or e un l/uio (ol!til con la tem,eratura ano una relación no lineal entre la ,resión e (a,or 7 la tem,eratura. 8l ran"o e meición oscila entre E254 C 7 #15 C 7 e,ene el =uio utili+ao. 8stos sistemas a su (e+ se clasi'can en sistemas Clase IIAG IIBG IICG II& e,enieno e la tem,eratura a la cual o,eran. ;os sistemas Clase IIA est!n iseaos ,ara o,erar con la tem,eratura meia ma7or /ue la el resto el sistema t*rmico. &e)io a /ue el (a,or conensa en la ,arte m!s fraG el ca,ilar 7 el tu)o Bouron e)en ser llenaos con el l/uioG '"ura 1%.# a.
a
)
i"ura 1%.#. a 6istema Clase IIAG utili+ao ,ara meir tem,eratura ma7or /ue la tem,eratura am)ienteG ) 6istema Clase IIBG utili+ao ,ara meir tem,eratura menor /ue la tem,eratura am)iente
&e esta forma el ni(el e interfase ,ermanece en el )ul)o. ;os sistemas Clase IIB est!n iseaos ,ara o,erar con la tem,eratura meia menor /ue la el resto el sistema t*rmico. 8l (a,or en este caso tiene a conensar en el )ul)o ,or lo tanto el ca,ilar 7 el Bouron no e)en tener l/uio. 8l Bul)o e)e estar lleno -asta la mita a tem,eratura am)ienteG '"ura 1%.# ). ;os sistemas Clase IIC est!n iseaos ,ara o,erar a una tem,eratura ma7or o menor /ue la el resto el sistema t*rmico. 8s una com)inación e los sistemas IIA 7 IIB. ;a '"ura 1%.4 a muestra un termómetro e este ti,o. ;os 6istemas Clase II& est!n iseaos ,ara o,erar a una tem,eratura ma7orG menor o i"ual a la el resto el sistema t*rmico. 8l l/uio (ol!til es con'nao en el )ul)o ,or un l/uio transmisor no (ol!til el cual llena el ca,ilar 7 el BouronG '"ura 1%.4 ).
a
)
i"ura 1%.4. a 6istema Clase IICG ) 6istema Clase II&
;os sistemas Clase III )ul)o lleno e "asG o,eran )a0o el ,rinci,io el cam)io en la ,resión el "as con la tem,eratura. ienen una relación no lineal 7a /ue ,uee a,licarse la ;e7 e los Nases Ieales ,ara relacionar la tem,eratura con la ,resión. 8l
ran"o e meición e,ene el "as utili+ao 7 (a ese 2% C -asta 3% C. 8n la '"ura 1%.5 se muestran los iferentes com,onentes e un termómetro e "as.
i"ura 1%.5. ermómetro e "as Clase III
a)la 1%.1 Caractersticas ,rinci,ales e los termómetros e )ul)o
TI$)
(456I0)
3A$)R
&rincipio de
Cam)io en el
Cam)io en la ,resión
Clase
I
II
Fluido
;/uios or"!nicos
;/uios or"!nicosG
'ango
E1#% C b ^1#5 C
#lcance (span)
GAS Cam)io en la III Nases ,uros
E254 C b ^#15 C E2% C b ^3% C
25 C b ##% C
4% C b 215 C
,ama%o del sensor
as ,e/ueo
eian
a7or
E-ecto de elevación
Din"uno
Clase
Din"uno
Escala
niforme
Do niforme
niforme
&recisió
%G5 b 1S e
%G5 b 1S e 6,an
elocidad de respuesta
as lento
Costo comparativo
a7or
ín * á+
#plicación típica
Almacenamiento e ,rouctosG tu)eras
as r!,io Clase IIA oeraa enor Procesos e lotes Batc-G secaoresG
% C b 55% C
%G5 b 1S e oera a oera &uctos e aireG (a,orG -ornos
UNIVERSIDAD DE ORIENTE ESCUELA DE INGENIERIA Y CIENCIAS APLICADAS – POSTGRADO EN INGENIERÍA ELECTRICA P!"ina 2%%
69 Ter88e&r's 6i8e&"*ic's oos los metales se ilatan cuano son calentaos 7 la cantia e ilatación e,ene e la tem,eratura 7 el coe'ciente e ilatación e caa metal. 6i os l!minas e metal con coe'cientes e ilatación iferentes se funen la una a la otraG ocurre una istorsión al ser calentaos 7a /ue uno e los metales tratar! e ilatarse m!s /ue el otro. 8ste es el ,rinci,io e o,eración e los termómetros )imet!licos. Para uso inustrial como inicaor e tem,eraturaG la cinta )imet!lica "eneralmente se o)la en forma -elicoialG un e
i"ura 1%.3. 8lementos e un termómetro )imet!lico
c9
Ter8'p$res
8l termo,ar es uno e los sensores m!s comunes 7 sim,les usaos ,ara eterminar la tem,eratura e los ,rocesos. B!sicamenteG un termo,ar est! constituio ,or os metales iferentes tales como alam)res e -ierro 7 Constantan.
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8n 1$21 . . 6ee)ec escu)rió /ue cuano se a,lica calor a la unión e os metales iferentesG se "enera una fuer+a electromotri+ em.G la cual ,uee ser meia en el otro e
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os metales conuctores. 8ste es el ,rinci,io en el cual se )asa la meición e tem,eratura utili+ano termo,aresG '"ura 1%.. ;a Kunta e eiciónM o K0unta CalienteM es el e
siem,re 7 cuano 1 sea istinto e 2. i"ura 1%.. 8s/uema e un termo,ar
c9+ Le?es &er8'e*
;e7 e etales Intermeios: la incor,oración e un metal -omo"*neo al circuito e un termo,ar no cam)ia la Fe8. esarrollaa.
;e7 e em,eraturas Interiores: cuano las 0untas e os metales -omo"*neos iferentesG se mantienen a iferentes tem,eraturasG no es afectaa ,or los "raientes e tem,eratura a lo lar"o e los conuctores.
•
;e7 e etales Interiores: en un circuito formao ,or os metales -omo"*neos iferentesG /ue tienen las os 0untas a iferentes tem,eraturasG la Fe8. esarrollaa no es afectaa cuano un tercer metal -omo"*neo se a"re"a al circuitoG siem,re 7 cuano las tem,eraturas e sus os 0 untas sea la misma.
i"ura 1%.$. a ;e7 e los metales intermeiosG ) ;e7 e tem,eraturas interiores 7 c ;e7 e metales interiores
c9, C'!;ersi! %e ;'*&$Be $ &e8per$&(r$ ;a '"ura 1%.9 muestra la relación entre el (olta0e e salia (ersus tem,eratura ,ara los termo,ares m!s comunes. 6e ,uee o)ser(ar /ue no se mantiene una relación lineal entre la tem,eratura 7 el (olta0e. ;a con(ersión e este (olta0e a tem,eratura se e<,lica a continuación.
8l (olta0e "enerao ,or un termo,ar no ,uee meirse irectamenteG 7a /ue ,rimero e)e conectarse un (oltmetro al termo,arG 7 los ca)les el (oltmetro crean ellos mismos un nue(o circuito termoel*ctrico termo,ar. Consiere un (oltmetro conectao a un termo,ar co)reE Constantan i,o G como se muestra en la '"ura 1%.1%. ;o /ue se /uiere es /ue el (oltmetro ini/ue solamente el (olta0e V 1G /ue es el (olta0e e salia e la unta 1 ,ero al conectar el (oltmetro al termo,arG se formaron os 0untas met!licas aicionales 2 #. &e)io a /ue # es una 0unta co)reEco)reG no se crea una em. en esta 0unta wF # \ % ,ero 2 es una 0unta co)reEConstantanG la cual esarrolla una em. V 2 en o,osición a V1. ;a lectura resultante en el (oltmetro ser! la iferencia e tem,eraturas entre 1 7 2. Por lo tantoG la tem,eratura e 1 no ,uee conse"uirse a menos /ue ,rimero cono+camos la tem,eratura e 2. n meio ,ara eterminar la tem,eratura e es el e colocar la 0unta 2 en un )ao e -ielo como se muestra en la '"ura 1%.11G -acieno /ue su tem,eratura sea %C 7 esta)lecieno como la Kunta e ReferenciaM. A-oraG la lectura el (oltmetro ser!:
1%.1 1%.2 1%.# 1%.4 1%.5
6umano el (olta0e e la 0unta e referencia se -a referio la lectura V a %C. 8l ,unto e -ielo o ,unto e referencia a % C es utili+ao ,or el Dational Bureau of 6tanars DB6 como el ,unto e referencia funamental ,ara sus ta)las e termo,ares. &e este mooG se ,ueen utili+ar las ta)las DB6 7 con(ertir irectamente el (olta0e V a la tem,eratura 01. Casi en la totalia e los casos la meición el (olta0e "enerao ,or un termo,arG se reali+a a una tem,eratura ref iferente a la e la tem,eratura e referencia e % C. 8n este casoG al (olta0e leo en el (oltmetro -a)r! /ue sumarle el (olta0e /ue "e nerara un termo,ar similar ese la ref -asta la tem,eratura e referencia e % C. &e este
moo se KtraslaaM la 0unta e referencia ese ref -asta ref \ % CG ,ui*nose entonces utili+ar las ta)las DB6 e termo,aresG las cuales como se i0o anteriormente est!n )asaas en ref \ % C
i"ura 1%.9. Relación e (olta0e contra tem,eratura ,ara los termo,ares mas comunes
Do siem,re es ,osi)le mantener la 0unta e referencia a la tem,eratura eseaa ,ero si la tem,eratura e la 0unta e referencia se mie o se conoceG entonces es ,osi)le a,licar correcciones a la em. o)tenia. Para ase"urar una lectura ,recisaG muc-as termo,ares son instalaas con instrumentos /ue ,ro(een com,ensación autom!tica e la 0unta e referencia. 8n muc-os instrumentosG esto se reali+a -acieno ,asar corriente a tra(*s e una resistencia sensi)le a la tem,eraturaG la cual mie las (ariaciones en la tem,eratura e referencia 7 autom!ticamente ,ro(ee la em. necesaria ,ara la com,ensación.
i"ura 1%.1%. tili+ación e un (oltmetro ,ara meir la em. en un termo,ar
i"ura 1%.11. unta e referencia e
c9- Tip's %e &er8'p$res ;a ta)la 1%.2 muestra los ti,os e termo,ares comnmente m!s utili+aos en la inustria e ,rocesos. 8l ran"o inicao en la ta)la se re'ere al ran"o recomena)le. 8s ecirG el ran"o so)re el cual e
i"ura 1%.12. i,os e 0untas e un termo,ar
a)la 1%.2. i,os e termo,ares
Tipos *e ter#o"uplas
E
Metales C-romel
Ca'le *e ter#o"upla orao
Ro0o
Hierro
Blanco
Ro0o
Rango en /C E1%%b1%%% %b3%
[
C-romel ^ Alumel
E
Amarillo
Ro0o
%b1#3%
Tipos *e ter#o"uplas
R
Metales PlatinoE1#S Raio ^ Platino E
S T
?
PlatinoE1%S Raio
Ca'le *e ter#o"upla De"ro
Ro0o De"ro
^ Platino E
Ro0o
Co)re ^
A+u
Constantan E
l
Rango en /C %b1%%% %b15% E13%b4%%
unta 8<,uesta: un termo,ar con 0unta e<,uesta es a/uel en la cual la 0unta e meición est! e<,uesta al meio cu7a tem,eratura se /uiere meir. 8ste ti,o e 0unta es recomena)le ,ara meir tem,eraturas e "ases no corrosi(osG one se re/uiere una res,uesta r!,ia. ;a 0unta se e
?
unta sin aterrar: un termo,ar con 0unta sin aterrar es a/uel en la cual la 0unta e meición est! aislaa el*ctricamente e la ,rotección met!lica. 8sto es recomena)le cuano se mie tem,eratura en !reas one e
?
unta Aterraa: la 0unta aterraa com)ina las (enta0as e un tiem,o e res,uesta e
c9. Ter8'p'='s 8n la ma7ora e las a,licaciones e meición e tem,eratura no es recomena)le e<,oner el elemento sensor al =uio el ,roceso. ;a utili+ación e un termo,o+oG a ,esar e /ue introuce retaros en la meiciónG es recomena)le ,ara ,rote"er al elemento sensor e la corrosiónG erosión 7 altas ,resiones aem!s e ,ermitir su remoción o cam)io mientras la ,lanta o el ,roceso est! en o,eración. 8l termo,o+o ,uee tener (arias con'"uraciones 7 formas ,ara su monta0eG tal como se muestra
en la '"ura 1%.14. 8l termo,o+o ,uee ser e forma rectaG cónica o escalonaa. ;a forma e cone
;a lon"itu e inserción KM e un termo,o+oG es la istancia ese el e
i"ura 1%.1#. Inserción e inmersión e un termo,o+o
c9/ I!s&$*$ci! %e &er8'p$res
;as instalaciones inustriales e termo,ares "eneralmente est!n constituias ,or el termo,ar con su termo,o+oG ni(el e e
i"ura 1%.14. i,os e ermo,o+os
i"ura 1%.15. ermo,ar con ca)e+al e cone
A los efectos e reali+ar una )uena instalación el termo,arG se e)e tener e n cuenta los factores si"uientes: Cone
C'!ei! %e *$ (!&$: 8
?
Desc$*i6r$ci!: ;a escali)ración es el ,roceso e alteración e las caractersticas fsicas el ca)le e termo,arG e moo /ue no re,rouce los (alores aos ,or la DB6 entro e lmite lmitess es,eci'c es,eci'cao aos. s. ;a escali escali)ra )ración ción ,uee ,uee ,rou ,roucirs cirse e ,or la ifusi ifusión ón e ,artculas atmosf*ricas entro el metal causaa ,or -a)er sometio el termo,ar a tem,eraturas e
?
R(i%': ;os circuitos e termo,ares est!n su0etos a tres. ti,os ,rinci,ales e ruio: est!ticoG ma"n*tico 7 comn. 8l ruio est!tico es causao ,or un cam,o el*ctrico raiao ,or una fuente e (olta0e /ue est* sieno aco,laa ca,aciti(amente en el circuito el termo,ar. ;a me0or forma ,ara e(itar el ruio est!tico es colocano el circuito entro e una ,antallaG la cual asla el ,ar e ca)les el termo,ar e la in=uencia e
tra(*s e ellas. ;a ma7ora e los termo,ares utili+aas son el ti,o KaterraosM esto esG la 0unta e meición est! conectaa fsica 7 el*ctricamente al termo,o+o en el cual est! instalaa. Cuano el circuito e tierra tierra o ,antalla e un termo,ar o cual/uier o)0eto met!lico cercano tal como el conuitG )ane0aG etc. est! a un ,otencial
iferente el e la 0unta e meiciónG =u7en corrientes en el ca)le e e
Me%ici! %e Te8per$&(r$s Pr'8e%i' ? Di7ere!ci$s %e Te8per$&(r$s: Para meir la tem,eratura ,romeio e un ,roceso o e/ui,o se ,ueen usar termo,ares conectaos en ,aralelo. 8l (olta0e en el instrumento es el ,romeio e los (olta0es "eneraos ,or caa uno e los termo,ares conectaos en ,aralelo. 8ste (olta0e es la suma e los (olta0es ini(iuales i(iio ,or el nmero e term termo,a o,arres. oos oos los los term termo, o,ar ares es e)en e)en ser el el mism mismo o ti,o ti,o 7 e)e e)en n ser ser conectaos utili+ano los ca)les e e
%9 Ter88e&r's %e resis&e!ci$ KRTD 8l ,rinci,io e o,eración e los etectores e tem,eratura ti,o resistencia R&G est! est! )asa )asao o en el -ec-o -ec-o e /ue /ue la resis resiste tenc ncia ia el*ct el*ctri rica ca e los los meta metales les (ar (ara a irectamente con la tem,eratura. ;a ma"nitu e este cam)io frente a 1 C e cam)i cam)io o en la tem, tem,era eratu tura raGG se cono conoce ce como como el Kcoe' Kcoe'ci cient ente e e resi resist stenc encia ia e tem,eraturaM a. Para la ma7ora e los metales ,urosG este coe'ciente es constante entro e un ran"o e tem,eratura. 8l cam)io en la resistencia es una función el coe'ciente e resistencia e tem,eratura 7 ,uee ser e<,resao ,or la e cuación: 1%.3
&one:
Rt : Resistencia en O-ms O -ms a la tem,eratura . RO : Resistencia en O-ms a la tem,eratura e referencia "eneralmente % C.
: Coe'ciente e resistencia e tem,eratura.
;os metales comnmente utili+aos en el iseo e etectores e resistencia son: ,latino el cual tiene un coe'ciente e %G%%#92 O-msF O-ms C 7 se utili+a ,ara meir tem,eraturas en el ran"o e E23# C a ^ 545 CG 7 n/uelG el cual tiene un coe'ciente e %G%%3# O-msF O-ms CG utili+ao ,ara meir tem,eraturas en el ran"o e E19% C a ^ #1% C. Otros materiales utili+aos s on: ,lataG tun"stenoG co)re 7 oro. ;as caractersticas ,rinci,ales e los elementos utili+aos como etectores e resistenciaG est!n listaos en la ta)la 1%.#. a)la a)la 1%.# Caractersticas e los elementos m!s utili+aos como RTD
Material
Coef"iente *e Te#peratura 7a8 entre 9/ : ;99 /C
Resisti1i*a* Resisti1i*a* a 9/C \)<#s "#.
Rango =til *e Te#peratura
/C
Platino
%G%%#92
9G$1
E22% b ^$5%
Pt Co)re
%G%%4#
1G529
E % b ^15%
%G%%3$1
5G91
E1%% b ^#%%
Di/uel Di
;a construcción inustrial el R& es ,r!cticamente i*ntica a la e los termo,aresG en su a,ariencia e
?
8n un circuito )!sico e os ca)les se utili+a ,rinci,almente el ti,o e cone
?
8l ti,o e #E-ilos es el normali+ao. ;os ca)les /ue conectan el R& al circuito e meición tienen resistencias cu7os efectos 7a mencionaosG tienen a cancelarse.
?
;a con'"u con'"ura raci ción ón e 4E-i 4E-ilo losG sG es ecir ecirGG os os -ilos -ilos m!s m!s la+o la+o e com, com,en ensa sació ciónG nG ,ro,orciona ma7or e
6i los cuatro cuatro -ilos son el mismo i!metroG i!metroG lon"itu lon"itu 7 materialG materialG 7 est!n su0etos a los mismos cam)ios e tem,eratura am)ienteG 7 los os ,ares e -ilos est!n en ,ares o,uestos el circuito el ,uente e Q-eatstoneG la resistencia e los ca)les no tiene nin"n efecto so)re la meición e la resistencia el R&. 8n este ti,o e con'"uraciónG los cuatro -ilos est!n conectaos al R&G os en caa e
e9 Ter8is&'res ;os ermistores son semiconuctores electrónicos con un coe'ciente e tem,eratura e resistencia ne"ati(o e (alor ele(aoG ,or lo /ue ,resentan unas (ariaciones r!,ias r!,ias 7 e
1%.
&one Rt : Resistencia en o-mios a la tem,eratura a)soluta t :
RO : Resistencia en o-mios a la la tem,eratura a)soluta e referencia O : Constante entro e un inter(alo moerao e tem,eraturas As como el R&G el termistor es tam)i*n una resistencia sensi)le a la tem,eraturaG mientras /ue el termo,ar es el transuctor e tem,eratura m!s (ers!til 7 el R& es
el m!s esta)leG el termistor es el m!s sensi)le. ;os ermistores "eneralmente est!n constituios e materiales semiconuctores. ;a ma7ora e los ermistores tienen un coe'ciente e tem,eratura ne"ati(o esto esG su
resistencia isminu7e al aumentar la tem,eratura. ;a ma7ora e los ermistores e<-i)en "ranes coe'cientes e tem,eratura lo /ue les ,ermite etectar cam)ios mnimos en la tem,eraturaG 7 una res,uesta altamente no lineal. ;a '"ura 1%.13 muestra la (ariación el (olta0e o la resistencia en función e la tem,eratura ,ara termo,aresG R& 7 ermistores. 8n esta '"ura ,uee notarse /ue mientras el termo,ar 7 el R& e<-i)en una res,uesta m!s o menos linealG los ermistores ,roucen una res,uesta no lineal.
i"ura 1%.13. Com,aración e (ariación e (olta0e o resistencia contra tem,eratura Otro ti,o e con'"uración e 4 -ilos se utili+a ,ara meiciones e alta ,recisión. 8n este ti,o e circuitoG los cuatro -ilos conectan al sensor os en caa e
79 Pir8e&r's %e r$%i$ci!
;a ma7ora e las meiciones e tem,eratura se reali+an colocano el sensor entro e un termo,o+o en contacto con el meio cu7a tem,eratura se /uiere meir. 6in em)ar"oG el contacto el sensor con el meio es ifcil o im,r!ctico cuano el o)0eto se est! mo(ienoG el am)iente es corrosi(oG a)rasi(oG est! a una tem,eratura
e
coniciones es m!s con(eniente utili+ar un sensor /ue no entra en contacto con el o)0eto o el meio. 8stos sensores son los Pirómetros e Raiación. a)la 1%.4 Com,aración entre elementos e meia e tem,eratura
INSTRUMENTO VENTAAS
8ROCP;A 6im,le Ro)usta 8conómica
R& as !s as lineal /ue las
8RI6OR 6eal e salia R!,io eición a os as sensi)le
&iferentes formas
Ran"os altos e tem,eratura Do re/uiere fuente e
DESVENTAAS
Do lineal
Costosa
Do lineal
Ba0o (olta0e
;enta
em,eratura
Re/uiere enos esta)le enos sensi)le
limitaa
Re/uiere r!"il fuente e Poca (ariación Re/uiere fuente en la e ,oer Resistencia Auto a)soluta )a0a Auto calentamiento
;os ,irómetros e raiación ,ermiten meir tem,eratura sin contacto fsico con el meio. 8sto es ,osi)le e)io a /ue toos los o)0etos emiten ener"a raianteG sieno la intensia e esta raiación ,ro,orcional a la tem,eratura. ;a meición e tem,eratura utili+ano ,irómetros e raiación est! )asaa en la le7 /ue esta)lece /ue: Kentre os cuer,os /ue est!n a iferentes tem,eraturasG e
&one g : Constante e Bolt+mann : 5G5 < 1% E5 er" F se" F :
cm2 g 4. ) : em,eratura el cuer,o caliente g. a : em,eratura el cuer,o fro g. ;a raiación es un fenómeno onulatorio an!lo"o a la lu+ 7 ocu,a un lu"ar e'nio en el es,ectro. ;os ,irómetros /ue res,onen a toas las lon"itues e ona 7 ,or lo tanto o,eran )a0o la ecuación e 6tefanEBolt+mannG se enominan Pir8e&r's %e
R$%i$ci! T'&$*. Otra clase e ,irómetros /ue utili+an solamente )anas an"ostas e lon"itu e ona en el es,ectro (isi)leG se conocen con el nom)re e Pir8e&r's
Óp&ic's. Por lo tanto un ,irómetro e raiación total es no selecti(oG mientras /ue un ,irómetro ó,tico es selecti(o. Otro ti,o e ,irómetro /ue es ,arcialmente selecti(o se enomina Pir8e&r' %e R$%i$ci! P$rci$*.
Ca,tulo 11 Otras (aria)les
C$p)&(*' ++ ++9+ O&r$s ;$ri$6*es 8l tema e eición e (aria)les es sumamente e
++9,
Direcci'!es %e I!&er!e&
8l cam,o e la meición e (aria)les est! ntimamente li"ao con la Instrumentación 7 6istemas e ControlG ,or lo /ue se mencionan cierta cantia e SITES relacionaos con el tema en la a)la 11.1. a)la 11.1 &irecciones e Internet
C$8p' %e $cci! Si&i' ?Q' %irecci! e*ec&r!ic$ ransmisores e ,osición: ___.mEs7stem.com infoxmEs7stem.com
___.tecor,.com ___.no(us.com.)r Varios: ___._ia.com maretin"x_ia.com.)r 7oo"a_aE7sa.com.)r icomx7oo"a_aE 7sa.com.)r ___.7ca.com
___.transcat.com ___.asieee.com ___.ome"a.com asxome"a.com infoxome"a.com ___.ome"a7ne.com ___.relionE controls.com
V!l(ulas e control: ___.resser.comFinstruments masoleilan.)rxresser.c om ___.limitor/ue.com ___.a))E control(al(es.com
Actuaores e (!l(ulas: ___.rotor.com infoxrotor.com Presión a)soluta: ___.fo<)oro.comFmeasurements mcostainxfo<)oro.co m V!l(ulas e control microE=o_: ___.samsonE
usa.com samsonxsamsonEusa.com
Cat!lo"o e controlaores: ___.tti"lo)al.com salesxtti"lo"al.com ransmisores: ___.mooreE solutions.com
ransmisores e ni(el: ___.re
___.consiliumus.com ___.)inmaster.com infoxma"netron.com 6ensores e instrumentos: ___.sense.com.)r (enasxsense.com.)r
eiores e ,resión ,ressure "au"e: ___.ameteus".com 6_itc-es 7 transmisores: ___.ueonline.com V!l(ulas: ___.asco(al(e.com V!l(ulas 7 accesorios (al(es y 'ttin"s: resultsx-amE let.co.il V!l(ulas solenoies: ___.,lastomatic.com infox,lastomatic.com ___.,arer.comFinstrumentation
6ensores e efecto Hall: ___.mele
Controlaores e (!l(ulas: ___.(alte.com
___.=o_ser(e.com
___.to,_or<.com ransmisores e ,resión e cer!mica: ___.enress.com 6ensores e es,la+amiento l!ser: ___.acuit7researc-.com
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