UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE CAMPECHE
Técnico Superior Universitario en Mecatrnica!
PROCESOS PRODUCTIVOS Uni"a" II! Varia#$es Varia#$es "e Proceso! Proceso! Varia#$es Varia#$es "e instru%entacin!
A$u%no& Ru' Ga#rie$ Ga$$e(os )ae*a +, A Pro-esor& M!I!A Mart.n "e /! Mun(u.a G%e*! CICLO 01+2 3 01+4 156 Octu#re6 01+2 1
INDICE Introducción………………………………………………………… Introducción…………………………… ………………………………………………..… …………………..…3 3 Objetivo. …………………………… ………………………………………………………… ……………………………………………………… …………………………3 3 Variables de instrumentación. …………………………………………………………… 4 Presión………………………………………………………… Presión……………………………… ……………………………………………….. ……………………...……4 .……4 Unidad de medida. ………………………………………………………...……… 9 Relación con los procesos. ……………………………………………..……… 1 !emperatura……………………………………………………………………...………1 Unidad de medida. medida. …………………… ……………………………… …………………… …………………… ………….……… .………… … 1" Relación con los procesos. …………………………………………..………… # $ivel…………………………………………………… $ivel………………………… ……………………………………………………… ………………………………….#1 …….#1 Unidad de ……………………………………………………………….#% Relación co n ……………………………………………………..#%
los
medida. procesos.
&lujo…………………………………………………… &lujo………………………… ……………………………………………………… ………………………………….#" …….#" Unidad de ……………………………………………………………….34 Relación co n ……………………………………………………..34
los
medida. procesos.
Resumen………………………………………………………… Resumen……………………………… …………………………………………………. ……………………….3% 3% 'uadro sinóptico……………………… sinóptico…………………………………………………… …………………………………………………3( ……………………3( )apa 39
mental……… mental………………… …………………… …………………… …………………… …………………… …………………… ………………… ………
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INDICE Introducción………………………………………………………… Introducción…………………………… ………………………………………………..… …………………..…3 3 Objetivo. …………………………… ………………………………………………………… ……………………………………………………… …………………………3 3 Variables de instrumentación. …………………………………………………………… 4 Presión………………………………………………………… Presión……………………………… ……………………………………………….. ……………………...……4 .……4 Unidad de medida. ………………………………………………………...……… 9 Relación con los procesos. ……………………………………………..……… 1 !emperatura……………………………………………………………………...………1 Unidad de medida. medida. …………………… ……………………………… …………………… …………………… ………….……… .………… … 1" Relación con los procesos. …………………………………………..………… # $ivel…………………………………………………… $ivel………………………… ……………………………………………………… ………………………………….#1 …….#1 Unidad de ……………………………………………………………….#% Relación co n ……………………………………………………..#%
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&lujo…………………………………………………… &lujo………………………… ……………………………………………………… ………………………………….#" …….#" Unidad de ……………………………………………………………….34 Relación co n ……………………………………………………..34
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Resumen………………………………………………………… Resumen……………………………… …………………………………………………. ……………………….3% 3% 'uadro sinóptico……………………… sinóptico…………………………………………………… …………………………………………………3( ……………………3( )apa 39
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'onclusión………………………………………………………… 'onclusión…………………………… ………………………………………………….. ……………………..4 4 *iblio+ra,-a……………………………………………… *iblio+ra,-a…………………… ……………………………………………………… ………………………………..41 …..41
INTRODUCCION os procesos productivos no es el simple se+uimiento de pasos para poder alterar la ,orma de los insumos /ue se utili0an dentro de este se+uimiento debemos tomar en cuenta los distintos ,actores /ue se presentan durante dic2o proceso. os ,act os ,actore oress /u /ue e se pres present entan an du duran rante te el proce proceso so son de dema masi siad ados os asas- /u /ue e 2ablaremos solo de las variables en este tema 2ablaremos sobre las variables de instrumentación. l cual jue+a un papel importante durante el proceso. stas variables se relacionan con las mediciones /ue se reali0an durante el proceso estas variables son a/uellas con las cuales nos audan a medir los distin distintos tos ,actor ,actores es present presentes es durant durante e la creaci creación ón de los insumo insumos s a sean sean de manera ,-sica o de manera administrativa. ntre las variables /ue m5s destacan de la instrumentación se encuentran las variables de presión temperatura nivel ,lujo. as cuales son las /ue est5n m5s presentes presentes en la creación de productos a /ue de manera +eneral son los /ue se presentan en la maor-a de los distintos procesos /ue e6isten actualmente.
O)/ETIVO 'on esta 'on esta inve invest sti+ i+ac ació ión n se pret preten ende de cono conoce cerr cu5l cu5les es son son las las vari variab able less de instrumentación dando un concepto +eneral de las variables e in,ormación m5s a ,ondo de cada una de ellas. 3
7e conocer5 las unidades de medida de las variables presentando una tabla o ,órm ,órmul ulas as de conv convers ersió ión n en entr tre e las las dist distin inta tass un unid idad ades es con el ,in ,in /u /ue e el lect lector or aprenda a reali0ar conversiones de dic2a variable. 87olo en caso /ue se presenten m5s de una unidad de medida. :dem5s se presentara como es /ue dic2as variables se encuentran en los procesos productivos dando un ejemplo sencillo aun/ue realmente se encuentran en m5s de un lu+ar durante el proceso. 7e mencionara una breve e6plicación de cómo encontrarlo durante el proceso productivo productivo pero dando la su,iciente su,iciente in,ormación in,ormación acerca de las variables variables para /ue el lector pueda en un ,uturo poder identi,icar las variables de instrumentación en los procesos productivos.
Varia#$es Varia#$es "e instru%entacin s el +rupo de elementos /ue sirven para medir convertir transmitir controlar o re+istrar variables de un proceso con el ,in de optimi0ar los recursos utili0ados en ;ste. s el conocimiento de la correcta aplicación de los e/uipos encaminados para apoar al usuario en la medición re+ulación observación trans,ormación o,recer se+uridad etc. de una variable dada en un proceso productivo.
Presin a pres presió ión n se de de,i ,ine ne como como ,ue uer0 r0a a por unidad de 5rea. Para describir la in,luencia sobr sobre e el comp compor orta tami mien ento to de un ,lui ,luido do usual usualme ment nte e es m5s m5s conve conveni nient ente e usar usar la presión /ue la ,uer0a. a unidad est5ndar de pres presió ión n es el Pasc Pascal al el cua cual es un $e
a presión es la ma+nitud escalar /ue relaciona la ,uer0a con la super,icie sobre la cual act=a es decir e/uivale a la ,uer0a /ue act=a sobre la super,icie. 'uando
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sobre una super,icie plana de 5rea A se aplica una ,uer0a normal F de manera uni,orme la presión P viene dada de la si+uiente ,orma>
n un caso +eneral donde la ,uer0a puede tener cual/uier dirección no estar distribuida uni,ormemente en cada punto la presión se de,ine como>
?onde es un vector unitario normal a la super,icie en el punto donde se pretende medir la presión. a de,inición anterior puede escribirse tambi;n como>
?onde> es la ,uer0a por unidad de super,icie. es el vector normal a la super,icie. es el 5rea total de la super,icie S.
Presin A#so$uta s la presión de un ,luido medido con re,erencia al vac-o per,ecto o cero absoluto. a presión absoluta es cero =nicamente cuando no e6iste c2o/ue entre las mol;culas lo /ue indica /ue la proporción de mol;culas en estado +aseoso o la velocidad molecular es mu pe/ue@a. ster termino se creó debido a /ue la presión atmos,;rica varia con la altitud muc2as veces los dise@os se 2acen en otros pa-ses a di,erentes altitudes sobre el nivel del mar por lo /ue un t;rmino absoluto uni,ica criterios.
Presin At%os-érica
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l 2ec2o de estar rodeados por una masa +aseosa 8aire al tener este aire un peso actuando sobre la tierra /uiere decir /ue estamos sometidos a una presión 8atmos,;rica la presión ejercida por la atmós,era de la tierra tal como se mide normalmente por medio del barómetro 8presión barom;trica. :l nivel del mar o a las alturas pró6imas a este el valor de la presión es cercano a 14." lbApl+# 8113%Bpa disminuendo estos valores con la altitud.
Presin Mano%étrica 7on normalmente las presiones superiores a la atmos,;rica /ue se mide por medio de un elemento /ue se de,ine la di,erencia entre la presión /ue es desconocida la presión atmos,;rica /ue e6iste si el valor absoluto de la presión es constante la presión atmos,;rica aumenta la presión manom;trica disminueC esta di,erencia +eneralmente es pe/ue@a mientras /ue en las mediciones de presiones superiores dic2a di,erencia es insi+ni,icante es evidente /ue el valor absoluto de la presión puede abstenerse adicionando el valor real de la presión atmos,;rica a la lectura del manómetro. a presión puede obtenerse adicionando el valor real de la presión atmos,;rica a la lectura del manómetro. Presión :bsoluta D Presión )anom;trica E Presión :tmos,;rica.
Vac.o 7e re,iere a presiones manom;tricas menores /ue la atmos,;rica /ue normalmente se miden mediante los mismos tipos de elementos con /ue se miden las presiones superiores a la atmos,;rica es decir por di,erencia entre el valor desconocido la presión atmos,;rica e6istente. os valores /ue corresponden al vac-o aumentan al acercarse al cero absoluto por lo +eneral se e6presa a modo de cent-metros de mercurio 8cmF+ metros de a+ua etc. ?e la misma manera /ue para las presiones manom;tricas las variaciones de la presión atmos,;rica tienen solo un e,ecto pe/ue@o en las lecturas del indicador de vac-o. 7in embar+o las variaciones pueden lle+ar a ser de importancia /ue todo el intervalo 2asta lle+ar al cero absoluto solo comprende "G mmF+.
Presin a#so$uta ' re$ativa
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n determinadas aplicaciones la presión se mide no como la presión absoluta sino como la presión por encima de la presión atmos,;rica denomin5ndose presión relativa presión normal presión de +au+e o presión manom;trica. 'onsecuentemente la presión absoluta es la presión atmos,;rica 8 P a m5s la presión manom;trica 8P m 8presión /ue se mide con el manómetro.
Presin 7i"rost8tica e 7i"ro"in8%ica n un ,luido en movimiento la presión 2idrost5tica puede di,erir de la llamada presión 2idrodin5mica por lo /ue debe especi,icarse a cu5l de las dos se est5 re,iriendo una cierta medida de presión.
Presin "e un (as n el marco de la teor-a cin;tica la presión de un +as es e6plicada como el resultado macroscópico de las ,uer0as implicadas por las colisiones de las mol;culas del +as con las paredes del contenedor. a presión puede de,inirse por lo tanto 2aciendo re,erencia a las propiedades microscópicas del +as> Para un +as ideal con N mol;culas cada una de masa m movi;ndose con una velocidad aleatoria promedio vrms contenido en un volumen c=bico V las part-culas del +as impactan con las paredes del recipiente de una manera /ue puede calcularse de manera estad-stica intercambiando momento lineal con las paredes en cada c2o/ue e,ectuando una ,uer0a neta por unidad de 5rea /ue es la presión ejercida por el +as sobre la super,icie sólida. a presión puede calcularse entonces como
8+as ideal ste resultado es interesante si+ni,icativo no solo por o,recer una ,orma de calcular la presión de un +as sino por/ue relaciona una variable macroscópica observable la presión con la ener+-a cin;tica promedio por mol;cula 1/2 mv rms² /ue es una ma+nitud microscópica no observable directamente. $ótese /ue el producto de la presión por el volumen del recipiente es dos tercios de la ener+-a cin;tica total de las mol;culas de +as contenidas. 7
Propie"a"es "e $a presin en un %e"io -$ui"o
)anómetro. 1. a ,uer0a asociada a la presión en un ,luido ordinario en reposo se diri+e siempre 2acia el e6terior del ,luido por lo /ue debido al principio de acción reacción resulta en una compresión para el ,luido jam5s una tracción. #. a super,icie libre de un l-/uido en reposo 8 situado en un campo +ravitatorio constante es siempre 2ori0ontal. so es cierto solo en la super,icie de la !ierra a simple vista debido a la acción de la +ravedad constante. 7i no 2a acciones +ravitatorias la super,icie de un ,luido es es,;rica por tanto no 2ori0ontal. 3. n los ,luidos en reposo un punto cual/uiera de una masa l-/uida est5 sometida a una presión /ue es ,unción =nicamente de la pro,undidad a la /ue se encuentra el punto. Otro punto a la misma pro,undidad tendr5 la misma presión. : la super,icie ima+inaria /ue pasa por ambos puntos se llama super,icie e/uipotencial de presión o super,icie isob5rica.
Presin co%o Densi"a" "e Ener(.a a Presión de un ,luido puede considerarse como una medida de la ener+-a por unidad de volumen. Para una ,uer0a ejercida sobre un ,luido se puede ver de la de,inición de presión> a aplicación m5s obvia es para la presión 2idrost5tica de un ,luido donde la presión se puede usar como densidad de ener+-a junto con la densidad de ener+-a cin;tica la densidad de ener+-a potencial en la ecuación de *ernoulli. a otra cara de la moneda es /ue la densidad de ener+-a por otras causas puede ser e6presada convenientemente como una HpresiónH e,ectiva. Por ejemplo la densidad de ener+-a de las mol;culas del disolvente /ue lleva a la ósmosis se e6presa como presión osmótica. a densidad de ener+-a /ue mantiene a una estrella sin colapsar se e6presa como la presión de radiación. 8
Ener(.a Cinética "e 9$ui"os a ener+-a cin;tica de un ,luido en movimiento es m5s =til en aplicaciones de la ecuación de *ernoulli cuando se e6presa en ener+-a cin;tica por unidad de volumen. 'uando la ener+-a cin;tica es la de ,luidos en condiciones de ,lujo laminar a trav;s de un tubo 2a /ue tener en cuenta el per,il de la velocidad para evaluar la ener+-a cin;tica. : trav;s de la sección transversal de ,lujo la ener+-a cin;tica se calcula utili0ando el promedio de la velocidad al cuadrado /ue no es lo mismo /ue elevar al cuadrado la velocidad media. 6presada en t;rminos de velocidad m56ima vm en el centro del ,lujo.
Ener(.a Potencia$ "e 9$ui"o a ener+-a potencial de un ,luido en movimiento es m5s =til en aplicaciones de la ecuación de *ernoulli cuando se e6presa como ener+-a potencial por unidad de volumen a densidad de ener+-a de un ,luido se puede e6presar en t;rminos de esta densidad de ener+-a potencial junto con densidad de ener+-a cin;tica la presión de ,luido.
Me"i"a "e $a presin! Man%etro Para medir la presión empleamos un dispositivo denominado manómetro. 'omo : * est5n a la misma altura la presión en : en * debe ser la misma. Por una rama la presión en * es debida al +as encerrado en el recipiente. Por la otra rama la presión en : es debida a la presión atmos,;rica m5s la presión debida a la di,erencia de alturas del l-/uido manom;trico.
Uni"a" "e %e"i"a a presión atmos,;rica media es de 11 3#% pascales 8113 Pa a nivel del mar donde 1 :tm D 113#% bar D 113#% Pa D 133 +,AcmJ 1 m.c.a D 9(1 Pa. Unidades de presión sus ,actores de conversión Pascal bar $AmmJ pAmJ pAcmJ 1 Pa 1#L1 1 1K% 1KG 1# K4 8$AmJD 1 bar 81$Acm 1% 1 1 1# 1# J D 1 1G 1 1 1#L1 1# 9
atm !orr P7I 9("L1 " 14% K% % 3 9("
"%
14%3G
9("
"% 14%%3G
$AmmJ D 1 pAmJ 9(1 D 1 pAcmJ 9(1614 D 1 atm 8"G 113#% !orr D 1 !orr 8mmF+ 1333# D 1 P7I 8libra A G(94"%" pul+ada #9 cuadrad a D
% 9(1L1 K%
9(1L1KG 1
9(1
9(1
113#% 113
1K4
9G(L1 "3 14## K4 G
1 1
9G(
"3G
14##94
133 133
1
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1
1933G
133 1333#L1 13G 3# K4
13G61K 13#61K 3
3
G(94 "31( "31 G(4 %1"1 G(94 1 ( ( (( G 49
as obsoletas unidades manométricas de presión como los mil-metros de mercurio est5n basadas en la presión ejercida por el peso de al+=n tipo est5ndar de ,luido bajo cierta +ravedad est5ndar. as unidades de presión manom;tricas no deben ser utili0adas para propósitos cient-,icos o t;cnicos debido a la ,alta de repetibilidad in2erente a sus de,iniciones. !ambi;n se utili0an los mil-metros de columna de a+ua.
Re$acin con procesos l control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación se+uras. 'ual/uier recipiente o tuber-a posee cierta presión m56ima de operación de se+uridad variando este de acuerdo con el material la construcción. as presiones e6cesivas no solo pueden provocar la destrucción del e/uipo si no tambi;n puede provocar la destrucción del e/uipo adacente ponen al personal en situaciones peli+rosas particularmente cuando est5n impl-citas ,luidos in,lamables o corrosivos. Para tales aplicaciones las lecturas absolutas de +ran precisión con ,recuencia son tan importantes como lo es la se+uridad e6trema. Por otro lado la presión puede lle+ar a tener e,ectos directos o indirectos en el valor de las variables del proceso 8como la composición de una me0cla en el proceso de destilación. n tales casos su valor absoluto medio o controlado con precisión de +ran importancia a /ue a,ectar-a la pure0a de los productos poni;ndolos ,uera de especi,icación. 10
Te%peratura a temperatura es una ma+nitud re,erida a las nociones comunes de calor medible mediante un termómetro. n ,-sica se de,ine como una ma+nitud escalar relacionada con la ener+-a interna de un sistema termodin5mico de,inida por el principio cero de la termodin5mica. )5s espec-,icamente est5 relacionada directamente con la parte de la ener+-a interna conocida como Mener+-a cin;ticaN /ue es la ener+-a asociada a los movimientos de las part-culas del sistema sea en un sentido traslacional rotacional o en ,orma de vibraciones. : medida de /ue sea maor la ener+-a cin;tica de un sistema se observa /ue ;ste se encuentra m5s McalienteNC es decir /ue su temperatura es maor. n el caso de un sólido los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones de las part-culas en sus sitios dentro del sólido. n el caso de un +as ideal monoatómico se trata de los movimientos traslacionales de sus part-culas 8para los +ases multiatómicos los movimientos rotacional vibracional deben tomarse en cuenta tambi;n. l desarrollo de t;cnicas para la medición de la temperatura 2a pasado por un lar+o proceso 2istórico a /ue es necesario darle un valor num;rico a una idea intuitiva como es lo ,r-o o lo caliente. )ultitud de propiedades ,isico/u-micas de los materiales o las sustancias var-an en ,unción de la temperatura a la /ue se encuentren como por ejemplo su estado 8sólido l-/uido +aseoso plasma su volumen la solubilidad la presión de vapor su color o la conductividad el;ctrica. :s- mismo es uno de los ,actores /ue in,luen en la velocidad a la /ue tienen lu+ar las reacciones /u-micas. a temperatura se mide con termómetros los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas /ue dan lu+ar a unidades de medición de la temperatura. n el 7istema Internacional de Unidades la unidad de temperatura es el elvin 8B la escala correspondiente es la escala Belvin o escala absoluta /ue asocia el valor Mcero elvinN 8 B al Mcero absolutoN se +rad=a con un tama@o de +rado i+ual al del +rado 'elsius. 7in embar+o ,uera del 5mbito cient-,ico el uso de otras escalas de temperatura es com=n. a escala m5s e6tendida es la escala 'elsius llamada Mcent-+radaNC en muc2a menor medida pr5cticamente solo en los stados Unidos la escala &a2ren2eit. !ambi;n se usa a veces la escala Ranine 8R /ue establece su punto de re,erencia en el mismo punto de la escala Belvin el cero absoluto pero con un tama@o de +rado i+ual al de la &a2ren2eit es usada =nicamente en stados Unidos solo en al+unos campos de la in+enier-a.
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a temperatura es una propiedad ,-sica /ue se re,iere a las nociones comunes de calor o ausencia de calor sin embar+o su si+ni,icado ,ormal en termodin5mica es m5s complejo. !ermodin5micamente se 2abla de la velocidad promedio o la ener+-a cin;tica 8movimiento de las part-culas de las mol;culas siendo de esta manera a temperaturas altas la velocidad de las part-culas es alta en el cero absoluto 8 B las part-culas no tienen movimiento. : menudo el calor o el ,r-o percibido por las personas tiene m5s /ue ver con la sensación t;rmica 8ver m5s abajo /ue con la temperatura real. &undamentalmente la temperatura es una propiedad /ue poseen los sistemas ,-sicos a nivel macroscópico la cual tiene una causa a nivel microscópico /ue es la ener+-a promedio por la part-cula. actualmente al contrario de otras cantidades termodin5micas como el calor o la entrop-a cuas de,iniciones microscópicas son v5lidas mu lejos del e/uilibrio t;rmico la temperatura solo puede ser medida en el e/uilibrio precisamente por/ue se de,ine como un promedio.
a temperatura est5 -ntimamente relacionada con la ener+-a interna con la entalp-a de un sistema> a maor temperatura maores ser5n la ener+-a interna la entalp-a del sistema. a temperatura es una propiedad intensiva es decir /ue no depende del tama@o del sistema sino /ue es una propiedad /ue le es in2erente no depende ni de la cantidad de sustancia ni del material del /ue este compuesto.
La te%peratura en $os (ases Para un +as ideal la teor-a cin;tica de +ases utili0a mec5nica estad-stica para relacionar la temperatura con el promedio de la ener+-a total de los 5tomos en el sistema. ste promedio de la ener+-a es independiente de la masa de las part-culas lo cual podr-a parecer contra intuitivo para muc2os. l promedio de la ener+-a est5 relacionado e6clusivamente con la temperatura del sistema sin embar+o cada part-cula tiene su propia ener+-a la cual puede o no corresponder con el promedioC la distribución de la ener+-a 8 por lo tanto de las velocidades de las part-culas est5 dada por la distribución de )a6
?onde n n=mero de moles R constante de los +ases ideales. n un +as diatómico la relación es>
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l c5lculo de la ener+-a cin;tica de objetos m5s complicados como las mol;culas es m5s di,-cil. 7e involucran +rados de libertad adicionales los cuales deben ser considerados. a se+unda le de la termodin5mica establece sin embar+o /ue dos sistemas al interactuar el uno con el otro ad/uirir5n la misma ener+-a promedio por part-cula por lo tanto la misma temperatura. n una me0cla de part-culas de varias masas distintas las part-culas m5s masivas se mover5n m5s lentamente /ue las otras pero aun as- tendr5n la misma ener+-a promedio. Un 5tomo de $eón se mueve relativamente m5s lento /ue una mol;cula de 2idró+eno /ue ten+a la misma ener+-a cin;tica. Una manera an5lo+a de entender esto es notar /ue por ejemplo las part-culas de polvo suspendidas en un ,lujo de a+ua se mueven m5s lentamente /ue las part-culas de a+ua. Para ver una ilustración visual de ;ste 2ec2o vea este enlace. a le /ue re+ula la di,erencia en las distribuciones de velocidad de las part-culas con respecto a su masa es la le de los +ases ideales. n el caso particular de la atmós,era los meteorólo+os 2an de,inido la temperatura atmos,;rica 8tanto la temperatura virtual como la potencial para ,acilitar al+unos c5lculos.
Sensacin tér%ica s importante destacar /ue la sensación t;rmica es al+o distinto de la temperatura tal como se de,ine en termodin5mica. a sensación t;rmica es el resultado de la ,orma en /ue la piel percibe la temperatura de los objetos Ao de su entorno la cual no re,leja ,ielmente la temperatura real de dic2os objetos Ao entorno. a sensación t;rmica es un poco compleja de medir por distintos motivos> •
l cuerpo 2umano re+ula su temperatura apro6imadamente constante 8alrededor de 3G% '.
•
l cuerpo 2umano produce calor constantemente /ue es el residuo de la di+estión de los alimentos /ue in+iere. se calor sirve para mantener la temperatura antes dic2a para ello debe disipar el sobrante en el ambiente. o
o
o
para
mantenerla
7i las condiciones del entorno 2acen /ue las p;rdidas sean i+uales a la producción el cuerpo siente bienestar t;rmico. 7i las condiciones del entorno 2acen /ue las p;rdidas de calor superen a la producción el cuerpo siente ,r-o. 7i las condiciones impiden /ue el calor sobrante se disipe el cuerpo siente calor.
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•
as p;rdidas o +anancias dependen de varios ,actores no solo de la temperatura seca del aire. o
o
o
o
7e produce intercambio por convección. l aire en contacto con la piel se calienta asciende siendo sustituido por aire m5s ,resco /ue a su ve0 se calienta. 7i el aire es m5s caliente ocurre al rev;s. Por transmisión. a piel en contacto con cuerpos m5s ,r-os cede calor. 7i son m5s calientes recibe calor. Por radiación. a piel intercambia calor por radiación con el entorno> si la temperatura radiante media del entorno es m5s ,r-a /ue la de la piel se en,r-a si es al contrario se calienta. Por evapotranspiración. :l evaporarse el sudor o la 2umedad de la piel o de las mucosas se produce una p;rdida de calor siempre debida al calor latente de evaporación del a+ua.
Por todo ello la sensación de comodidad depende de la incidencia combinada de los ,actores /ue determinan estos cuatro tipos de intercambio> temperatura seca temperatura radiante temperatura 2=meda 8/ue se@ala la capacidad del aire para admitir o no la evaporación del sudor la velocidad del aire 8/ue incide sobre la convección la evaporación del sudor. a incidencia en las p;rdidas de la transmisión es pe/ue@a salvo /ue la piel o parte est; en contacto con objetos ,r-os 8pies descal0os asiento ,r-o con poca ropa de abri+o....
Te%peratura seca 7e llama temperatura seca del aire de un entorno 8o m5s sencillamente> temperatura seca a la temperatura del aire prescindiendo de la radiación calor-,ica de los objetos /ue rodean ese ambiente concreto de los e,ectos de la 2umedad relativa de los movimientos de aire. 7e puede obtener con el termómetro de mercurio respecto a cuo bulbo re,lectante de color blanco brillante se puede suponer ra0onablemente /ue no absorbe radiación.
Te%peratura ra"iante a temperatura radiante tiene en cuenta el calor emitido por radiación de los elementos del entorno. 7e toma con un termómetro de +lobo /ue tiene el depósito de mercurio o bulbo encerrado en una es,era o globo met5lico de color ne+ro para asemejarlo lo m5s posible a un cuerpo ne+ro as- absorber la m56ima radiación.
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as medidas se pueden tomar bajo el sol o bajo la sombra. n el primer caso se tendr5 en cuenta la radiación solar se dar5 una temperatura bastante m5s elevada. !ambi;n sirve para dar una idea de la sensación t;rmica. a temperatura de bulbo ne+ro 2ace una ,unción parecida dando la combinación de la temperatura radiante la ambiental.
Te%peratura 7:%e"a !emperatura de bulbo 2=medo o temperatura hmeda es la temperatura /ue da un termómetro bajo sombra con el bulbo envuelto en una mec2a de al+odón 2=medo bajo una corriente de aire. a corriente de aire se produce mediante un pe/ue@o ventilador o poniendo el termómetro en un molinete 2aci;ndolo +irar. :l evaporarse el a+ua absorbe calor rebajando la temperatura e,ecto /ue re,lejar5 el termómetro. 'uanto menor sea la 2umedad relativa del ambiente m5s r5pidamente se evaporar5 el a+ua /ue empapa el pa@o. ste tipo de medición se utili0a para dar una idea de la sensación t;rmica o en los psicrómetros para calcular la 2umedad relativa la temperatura del punto de roc-o.
Le' cero "e $a ter%o"in8%ica :ntes de dar una de,inición ,ormal de temperatura es necesario entender el concepto de e/uilibrio t;rmico. 7i dos partes de un sistema entran en contacto t;rmico es probable /ue ocurran cambios en las propiedades de ambas. stos cambios se deben a la trans,erencia de calor entre las partes. Para /ue un sistema est; en e/uilibrio t;rmico debe lle+ar al punto en /ue a no 2a intercambio neto de calor entre sus partes adem5s nin+una de las propiedades /ue dependen de la temperatura debe variar. Una de,inición de temperatura se puede obtener de la e cero de la termodin5mica /ue establece /ue si dos sistemas : * est5n en e/uilibrio t;rmico con un tercer sistema ' entonces los sistemas : * estar5n en e/uilibrio t;rmico entre s-. 1 ste es un 2ec2o emp-rico m5s /ue un resultado teórico. a /ue tanto los sistemas : * ' est5n todos en e/uilibrio t;rmico es ra0onable decir /ue comparten un valor com=n de al+una propiedad ,-sica. lamamos a esta propiedad temperatura. 7in embar+o para /ue esta de,inición sea =til es necesario desarrollar un instrumento capa0 de dar un si+ni,icado cuantitativo a la noción cualitativa de ;sa propiedad /ue presuponemos comparten los sistemas : *. : lo lar+o de la 2istoria se 2an 2ec2o numerosos intentos sin embar+o en la actualidad 15
predominan el sistema inventado por :nders 'elsius en 1"4# el inventado por illiam !2omson 8m5s conocido como lord Belvin en 1(4(.
Se(un"a $e' "e $a ter%o"in8%ica !ambi;n es posible de,inir la temperatura en t;rminos de la se+unda le de la termodin5mica la cual dice /ue la entrop-a de todos los sistemas o bien permanece i+ual o bien aumenta con el tiempo esto se aplica al Universo entero como sistema termodin5mico. a entrop-a es una medida del desorden /ue 2a en un sistema. ste concepto puede ser entendido en t;rminos estad-sticos considere una serie de tiros de monedas. Un sistema per,ectamente ordenado para la serie ser-a a/uel en /ue solo cae cara o solo cae cru0. 7in embar+o e6isten m=ltiples combinaciones por las cuales el resultado es un desorden en el sistema es decir /ue 2aa una ,racción de caras otra de cruces. Un sistema desordenado podr-a ser a/uel en el /ue 2a 9 S de caras 1 S de cruces o G S de caras 4 S de cruces. 7in embar+o es claro /ue a medida /ue se 2acen m5s tiros el n=mero de combinaciones posibles por las cuales el sistema se desordena es maorC en otras palabras el sistema evoluciona naturalmente 2acia un estado de desorden m56imo es decir % S caras % S cruces de tal manera /ue cual/uier variación ,uera de ese estado es altamente improbable. Para dar la de,inición de temperatura con base en la se+unda le 2abr5 /ue introducir el concepto de m5/uina t;rmica la cual es cual/uier dispositivo capa0 de trans,ormar calor en trabajo mec5nico. n particular interesa conocer el planteamiento teórico de la m5/uina de 'arnot /ue es una m5/uina t;rmica de construcción teórica /ue establece los l-mites teóricos para la e,iciencia de cual/uier m5/uina t;rmica real.
:/u- se muestra el ciclo de la m5/uina t;rmica descrita por 'arnot el calor entra al sistema a trav;s de una temperatura inicial 8a/u- se muestra como ! " ,lue a trav;s del mismo obli+ando al sistema a ejercer un trabajo sobre sus alrededores lue+o pasa al medio ,r-o el cual tiene una temperatura ,inal 8 ! # .
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n una m5/uina t;rmica cual/uiera el trabajo /ue esta reali0a corresponde a la di,erencia entre el calor /ue se le suministra el calor /ue sale de ella. Por lo tanto la e,iciencia es el trabajo /ue reali0a la m5/uina dividido entre el calor /ue se le suministra>
81 ?onde $ ci es el trabajo 2ec2o por la m5/uina en cada ciclo. 7e ve /ue la e,iciencia depende solo de %i de %& . a /ue %i %& corresponden al calor trans,erido a las temperaturas ! i ! & es ra0onable asumir /ue ambas son ,unciones de la temperatura>
8# 7in embar+o es posible utili0ar a conveniencia una escala de temperatura tal /ue
83 7ustituendo la ecuación 83 en la 81 relaciona la e,iciencia de la m5/uina con la temperatura>
84 Fa /ue notar /ue para ! & D B la e,iciencia se 2ace del 1 S temperaturas in,eriores producen una e,iciencia a=n maor /ue 1 S. a /ue la primera le de la termodin5mica pro2-be /ue la e,iciencia sea maor /ue el 1 S esto implica /ue la m-nima temperatura /ue se puede obtener en un sistema microscópico es de B. Reordenando la ecuación 84 se obtiene>
8% :/u- el si+no ne+ativo indica la salida de calor del sistema. sta relación su+iere la e6istencia de una ,unción de estado S de,inida por> 8G ?onde el sub-ndice indica un proceso reversible. l cambio de esta ,unción de estado en cual/uier ciclo es cero tal como es necesario para cual/uier ,unción de 17
estado. sta ,unción corresponde a la entrop-a del sistema /ue ,ue descrita anteriormente. Reordenando la ecuación si+uiente para obtener una de,inición de temperatura en t;rminos de la entrop-a el calor> 8" Para un sistema en /ue la entrop-a sea una ,unción de su ener+-a interna ' su temperatura est5 dada por> 8( sto es el rec-proco de la temperatura del sistema es la ra0ón de cambio de su entrop-a con respecto a su ener+-a.
Uni"a" "e %e"i"a as escalas de medición de la temperatura se dividen ,undamentalmente en dos tipos las relativas las absolutas. os valores /ue puede adoptar la temperatura en cual/uier escala de medición no tienen un nivel m56imo sino un nivel m-nimo> el cero absoluto.3 )ientras /ue las escalas absolutas se basan en el cero absoluto las relativas tienen otras ,ormas de de,inirse. Relativas •
Trado 'elsius 8'. Para establecer una base de medida de la temperatura :nders 'elsius utili0ó 8en 1"4# los puntos de ,usión ebullición del a+ua. 7e considera /ue una me0cla de 2ielo a+ua /ue se encuentra en e/uilibrio con aire saturado a 1 atm est5 en el punto de ,usión. Una me0cla de a+ua vapor de a+ua 8sin aire en e/uilibrio a 1 atm de presión se considera /ue est5 en el punto de ebullición. 'elsius dividió el intervalo de temperatura /ue e6iste entre ;stos dos puntos en 1 partes i+uales a las /ue llamó +rados cent-+rados '. 7in embar+o en 194( ,ueron renombrados +rados 'elsius en su 2onorC as- mismo se comen0ó a utili0ar la letra ma=scula para denominarlos. n 19%4 la escala 'elsius ,ue rede,inida en la ?;cima 'on,erencia de Pesos )edidas en t;rminos de un sólo punto ,ijo de la temperatura absoluta del cero absoluto. l punto esco+ido ,ue el punto triple del a+ua /ue es el estado en el /ue las tres ,ases del a+ua coe6isten en e/uilibrio al cual se le asi+nó un valor de 1 '. a ma+nitud del nuevo +rado 'elsius se de,ine a partir del cero absoluto como la ,racción 1A#"31G del intervalo de temperatura entre el punto triple del a+ua el cero absoluto. 'omo en la 18
nueva escala los puntos de ,usión ebullición del a+ua son ' 1 ' respectivamente resulta id;ntica a la escala de la de,inición anterior con la ventaja de tener una de,inición termodin5mica. •
Trado &a2ren2eit 8&. !oma divisiones entre el punto de con+elación de una disolución de cloruro amónico 8a la /ue le asi+na valor cero la temperatura normal corporal 2umana 8a la /ue le asi+na valor 1. s una unidad t-picamente usada en los stados UnidosC erróneamente se asocia tambi;n a otros pa-ses an+losajones como el Reino Unido o Irlanda /ue usan la escala 'elsius.
•
Trado R;aumur 8R; Re R. Usado para procesos industriales espec-,icos como el del alm-bar.
•
Trado Rmer o Roemer. n desuso.
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Trado $e
•
Trado eiden. Usado para calibrar indirectamente bajas temperaturas. n desuso.
•
Trado ?elisle 8? n desuso.
:bsolutas as escalas /ue asi+nan los valores de la temperatura en dos puntos di,erentes se conocen como escalas a dos puntos. 7in embar+o en el estudio de la termodin5mica es necesario tener una escala de medición /ue no dependa de las propiedades de las sustancias. as escalas de ;ste tipo se conocen como esca$as a#so$utas o esca$as "e te%peratura ter%o"in8%icas . 'on base en el es/uema de notación introducido en 19G" en la 'on,erencia Teneral de Pesos )edidas 8'TP) el s-mbolo de +rado se eliminó en ,orma o,icial de la unidad de temperatura absoluta. 7istema Internacional de Unidades 87I •
Belvin 8B l elvin es la unidad de medida del 7I. a escala elvin absoluta parte del cero absoluto de,ine la ma+nitud de sus unidades de tal ,orma /ue el punto triple del a+ua es e6actamente a #"31G B. 3
7istema an+losajón de unidades 19
•
Ranine 8R o Ra. scala con intervalos de +rado e/uivalentes a la escala &a2ren2eit cuo ori+en est5 en Q4%9G" &. n desuso.
as si+uientes ,órmulas asocian con precisión las di,erentes escalas de temperatura>
;e$vin
Gra"o Ce$sius
Gra" Gra" Gra Gra" Gra"o o o "o o 9a7ren7e Ran De$is$ it %ur er ton e BD BD 8Ro Q $ "% Re E E E #"31 #"3 #"31 % 1% % 'D ' D 8Ro Q ' D $ "% Re BD
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Re$acin con procesos a temperatura es una de las variables de maor importancia en los procesos industriales por medio de ella se dan numerosos procesos /u-micos en los /ue predomina la ener+-a calor-,ica como a+ente catali0ador o simplemente como a+ente modi,icador de al+unas propiedades ,-sicas de +ases l-/uidos.
Nive$ l nivel es una variable importante para al+unas industrias en otras es indispensable tales como la del papel la del petróleo por mencionar al+unas. os instrumentos para la medición de nivel var-an en complejidad de acuerdo con la aplicación su di,icultad. n la selección correcta de un instrumento para la medición de nivel intervienen en maor o menor +rado los si+uientes ,actores> • • •
Ran+o de medición. $aturale0a del ,luido /ue va a ser medido. 'ondiciones de operación.
os instrumentos /ue se mencionan a continuación cubren pr5cticamente todas las aplicaciones de medición de nivel. stos se aplican b5sicamente en # ,ormas> medición de nivel en tan/ues abiertos tan/ues cerrados. 'uando el caso lo re/uiere controladores. 'uando las distancias entre el punto de medición el lu+ar donde /ueremos la lectura son mu +randes nos podemos au6iliar con transmisores.
Méto"o "e Co$u%na "e Vi"rio 6iste otro m;todo de medición de niveles /ue es mu sencillo denominado H);todo de 'olumna de VidrioH este m;todo se usa para depósitos abiertos
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cerrados normalmente la mirilla es de vidrio mide el nivel de l-/uidos en ,orma visual a=n con ,luctuaciones e6iste un operador /ue controla el nivel del l-/uido dentro de los limites esco+idos se+=n la aplicación un deposito alto an+osto permite reali0ar mediciones m5s e6actas con respecto al volumen de los depósitos m5s bajos anc2os.
Recipiente Abierto
Recipiente Cerra"o l nivel de cristal consiste en un tubo de vidrio con sus e6tremos conectados a blo/ues met5licos cerrados por prensaestopas /ue est5n al tan/ue +eneralmente mediante tres v5lvulas dos de cierre de se+uridad en los e6tremos del tubo para impedir el escape del l-/uido en caso de rotura del cristal una pur+a. l nivel de cristal normal se emplea para presiones 2asta de " +Acm #. : presiones m5s elevadas el cristal es +rueso de sección rectan+ular est5 prote+ida por una armadura met5lica. a lectura del nivel se e,ect=a con un cristal a re,le6ión o bien por transparencia. 22
n el primer caso el vidrio en contacto con el l-/uido est5 provisto de ranuras lon+itudinales /ue act=an como prismas de re,le6ión indicando la 0ona del l-/uido con un color oscuro casi ne+ro la 0ona superior en contacto con el vapor de color claro. n la lectura por transparencia empleada para apreciar el color caracter-sticas las inter,aces del l-/uido ;ste est5 contenido entre dos placas de vidrio planas paralelas /ue permiten ver directamente el nivel mejor5ndose la apreciación visual al acoplar una l5mpara de iluminación al sistema. Para maor se+uridad las v5lvulas de cierre incorporan una pe/ue@a bola /ue act=a de retención en caso de rotura del vidrio. os niveles de vidrio son susceptibles de ensuciarse por las caracter-sticas del l-/uido /ue miden impidiendo /ue el nivel pueda apreciarse claramente. ntre los l-/uidos /ue presentan este inconveniente ,i+uran el caramelo los l-/uidos pe+ajosos. l nivel de vidrio permite sólo una indicación local si bien pueden emplearse espejos para lectura a distancias limitadas o bien utili0ar c5maras de televisión para maores distancias de transmisión. 7u ventaja principal es la +ran se+uridad /ue o,rece en la lectura del nivel del l-/uido pudiendo controlar con ellos la lectura de los otros tipos de aparatos de nivel
LOS 9LOTADORES EN LA MEDICI?N DE NIVEL 'uando se necesita una indicación o un re+istro de la medición se usan m;todos /ue ten+an ,lotador cinta en depósitos cerrados al vac-o o bajo presión /ue se deben tener sellados se usan ,lotadores con bra0o de torsión ,lotadores de jaula ,lotadores ma+n;ticos acoplados a dispositivos 2idr5ulicos el ,lotador se debe construir de tal ,orma /ue ,lote dentro del l-/uido a medir esto si+ni,ica /ue la densidad del ,lotador debe ser menor a la del l-/uido /ue lo sostiene.
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Medición con Flotador y Palanca
ste m;todo de medición utili0a un cuerpo 2ueco 8,lotador el cual ,lota sobre la super,icie del l-/uido variando su posición de acuerdo a los cambios de nivel el ,lotador act=a sobre un indicador por medio de palancas su ran+o est5 limitado por la dimensión del bra0o de las palancas.
Medición con Flotador y Cinta
n este caso el ,lotador act=a al mecanismo indicador por medio de una cinta /ue se enrolla sobre un carrete cil-ndrico un contrapeso mantiene tensa la cinta usando este m;todo el ran+o de medición a no es una limitante las limitaciones en una medición de nivel con ,lotador cinta palancas o cadenas son se+=n las variaciones del nivel /ue se va a medir en el depósito o en la columna 2idrost5tica en particular para controlar el nivel en ,orma remota se montan relevadores /ue ,uncionen como pilotos sobre el eje +iratorio /ue lleva la cadena o la cinta se debe utili0ar un contrapeso para mantener tensa la cadena o la cinta con,orme el
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,lotador se eleva o desciende con el nivel del medio /ue se est5 midiendo la rotación del eje se trans,orma en indicaciones por medios neum5ticos 2idr5ulicos el;ctricos o electrónicos para usarse en e/uipos remotos para convertir el movimiento an+ular en una se@al medible los ,lotadores se sujetan a una rueda dentada /ue 2ace +irar el eje el ran+o m56imo de nivel es el ran+o multiplicado por dos es decir el doble de la lon+itud del bra0o para un arco de 1( desde el nivel vac-o 2asta el nivel lleno para mediciones pr5cticas el arco /ue describa el bra0o no debe sobrepasar los G para obtener una respuesta lineal satis,actoria en la medición. os instrumentos de ,lotador consisten en un ,lotador situado en el seno del l-/uido conectado al e6terior del tan/ue indicando directamente el nivel. a cone6ión puede ser directa ma+n;tica o 2idr5ulica. l ,lotador conectado directamente est5 unido por un cable /ue desli0a en un jue+o de poleas a un -ndice e6terior /ue se@ala sobre una escala +raduada. s el modelo m5s anti+uo el m5s utili0ado en tan/ues de +ran capacidad tales como los de ,uelQo-l. !iene el inconveniente de /ue las partes est5n e6puestas al ,luido pueden romperse de /ue el tan/ue no puede estar sometido a presión. :dem5s el ,lotador debe mantenerse limpio. l ,lotador acoplado ma+n;ticamente desli0a e6teriormente a lo lar+o de un tubo +u-a sellado situado verticalmente en el interior del tan/ue. ?entro del tubo una pie0a ma+n;tica si+ue al ,lotador en su movimiento mediante un cable un jue+o de poleas arrastra el -ndice de un instrumento situado en la parte superior del tan/ue. l instrumento puede adem5s ser un transmisor neum5tico o el;ctrico. n tan/ues pe/ue@os el ,lotador puede adaptarse para actuar ma+n;ticamente sobre un transmisor neum5tico o el;ctrico dispuesto en el e6terior del tan/ue permitiendo as- un control de nivelC una aplicación t-pica la constitue el control de nivel de una caldera de pe/ue@a capacidad de producción de vapor. l ,lotador acoplado 2idr5ulicamente act=a en su movimiento sobre un ,uelle de tal modo /ue var-a la presión de un circuito 2idr5ulico se@ala a distancia en el receptor el nivel correspondiente. Permite distancias de transmisión de 2asta "% metros puede emplearse en tan/ues cerrados. 7in embar+o re/uiere una instalación calibración complicadas posee partes móviles en el interior del tan/ue. Fa /ue se@alar /ue en estos instrumentos el ,lotador puede tener ,ormas mu variadas estar ,ormado por materiales mu diversos se+=n sea el tipo de ,luido. os instrumentos de ,lotador tienen una precisión de ± % S. 7on adecuados en la medida de niveles en tan/ues abiertos cerrados a presión o al vac-o son 25
independientes del peso espec-,ico del l-/uido. Por otro lado el ,lotador puede a+arrotarse en el tubo +u-a por un eventual depósito de los sólidos o cristales /ue el l-/uido pueda contener adem5s los tubos +u-a mu lar+os pueden da@arse ante olas bruscas en la super,icie del l-/uido o ante la ca-da violenta del l-/uido en el tan/ue.
M@TODO DEL TU)O )UR)U/A os sistemas de burbujeo o de pur+a continua reali0an la medición de nivel midiendo la presión re/uerida para /ue un ,lujo constante de aire ven0a la presión 2idrost5tica de un l-/uido al salir el aire lo 2ace a manera de burbujeo de a2- el nombre del sistema. Ha presión en el tubo es i+ual a la presión 2idrost5tica causada por el nivel si se mide la presión dentro del tubo se obtiene la medición del nivelH este m;todo se puede utili0ar en recipientes abiertos o cerrados la entrada del manómetro se monta por encima del nivel m56imo del recipiente para /ue los sedimentos no se acumulen en el tubo de cone6ión. ste sistema de medición de tipo burbuja emplea un tubo sumer+ido en el l-/uido a trav;s de ;l se 2ace burbujear aire mediante un rot5metro con un re+ulador de caudal incorporado la presión del aire en la tuber-a e/uivale a la presión 2idrost5tica ejercida por la columna del l-/uido la presión de aire en la tuber-a se mide mediante un transmisor de presión /ue puede calcularse para distancias de 2asta # metros.
Uni"a" "e %e"i"a ste m;todo es uno de los m5s anti+uos de los m5s simples para la medición continua de nivel de l-/uidos contenidos en un tan/ue o vasija 8olla. 7e usa solamente cuando se re/uiere indicación local directa sobre el proceso cuando el l-/uido es 8apreciablemente limpio. as mirillas los manómetros de vidrio consisten simplemente en un vidrio transparente o tubo pl5stico 8transparente adjunto al tan/ueC de tal manera /ue la cabe0a del l-/uido en el tubo sea i+ual al nivel del l-/uido en el tan/ue. Una escala calibrada marcada en el tubo o colocada dentro de este nos proporciona un medio conveniente para leer el nivel en pl+s pies cm mts o unidades de volumen> +alones pies3 m3 etc.
Re$acin con procesos! ?entro de los procesos industriales la medición el control de nivel se 2ace necesario cuando se pretende tener una producción continua cuando se desea mantener una presión 2idrost5tica cuando un proceso re/uiere de control medición de vol=menes de l-/uidos oC bien en el caso m5s simple para evitar /ue un l-/uido se derrame la medición de nivel de l-/uidos dentro de un recipiente 26
parece sencilla pero puede convertirse en un problema m5s o menos di,-cil sobre todo cuando el material es corrosivo o abrasivo cuando se mantiene a altas presiones cuando es radioactivo o cuando se encuentra en un recipiente sellado en el /ue no conviene tener partes móviles o cuando es pr5cticamente imposible mantenerlas el control de nivel entre dos puntos uno alto otro bajo es una de las aplicaciones m5s comunes de los instrumentos para controlar medir el nivel los niveles se pueden medir mantener mediante dispositivos mec5nicos de ca-da de presión el;ctricos electrónicos. os instrumentos mec5nicos de medición control de niveles o car+as 2idrost5ticas incluen dispositivos visuales e indicadores el dispositivo m5s simple para medir niveles es una varilla +raduada /ue se pueda insertar en un recipiente la pro,undidad real del material se mide por la parte mojada de la varilla este m;todo es mu utili0ado para medir el nivel en los tan/ues de una +asolinera este m;todo es simple pero e,ectivo no es mu pr5ctico sobre todo si el material es tó6ico o corrosivo a /ue el individuo /ue lo aplica tiene /ue estar de pie sobre la abertura manejando la varilla con las manos. n la industria la medición de nivel es mu importante tanto desde el punto de vista del ,uncionamiento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuado de materias primas o de productos ,inales.
9$uo! &lujo m5sico es la medición directa de una variación de masa en el tiempo considerando las condiciones del proceso. &lujo m5sico es e/uivalente al ,lujo volum;trico multiplicado por la densidad 8)D 6 r. 'omo la presión temperatura cambien el volumen cambia causando un cambio en la densidadC pero sin embar+o la masa permanece constante. Para obtener una estandari0ación en la medición de +as se utili0an presión temperatura a condiciones est5ndar. a ,orma como un +as es medido se llama condición :'!U: o real utili0an ?os unidades como :'&) 8pies c=bicos por minuto a condiciones de operación sin embar+o como vimos el volumen cambia cuando la temperatura presión cambian aun/ue la masa permanece constante. :s- /ue es necesario estandari0ar el volumen utili0ando condiciones donde la densidad es ,ijaC unidades como 7'&) 8pies c=bicos por minuto a condiciones est5ndar o su e/uivalente m;trico $')F 8metros c=bicos por 2ora a condiciones normales. !eniendo uno de estos =ltimos vol=menes es ,5cil pasar a ,lujo m5sico simplemente multiplicando por la densidad a condiciones est5ndar 8r7!? /ue es la /ue normalmente encontramos en tablas.
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CONDICIONES REALES O ACTUALESTANDAR NORMALES Presión : las /ue se encuentra PD 14." P7I:. PD 1.13 bar 814." P7I: !emperatura el ,luido !D " W & 8#1W' !D W' 83# W& s importante saber /ue la entrada m5s cr-tica para 2acer compensación es la presión. a /ue un cambio de temperatura de a 1 W& var-a la densidad acerca del 1 S mientras /ue un cambio de % a 1 psia var-a la densidad cerca del #%S. )uc2as veces se conoce la +ravedad especi,ica del +as la cual es la relación entre la densidad del +as la densidad del aire a condiciones est5ndar 8."49bA,tX. Otro ,actor /ue in,lue en la medición de +as es Y ,actor de compresibilidad el cual se de,ine como> el volumen ocupado por el +as real dividido por el volumen ocupado por la misma masa de un +as teóricamente per,ecto teniendo el mismo peso molecular el cual est5 a la misma temperatura presión. 7i el +as real act=a como +as ideal entonces Y es 1. ?e lo contrario debe ser considerado para 2allar la densidad del +as como en la si+uiente ,ormula> ?ensidad D Psia 6 8peso mol. A 8Y Z RZ !a
7i la densidad se /uiere en lbA,tX entonces> RD1."3 !aD 8W&E4G Peso mol.D 8+rAmol del compuesto. os +ases deben ser siempre medidos como ,lujo volum;trico a condiciones est5ndar en unidades como 7'&) o ,lujo +ravim;trico en unidades como bA2. n cuanto a los l-/uidos se pueden medir a condiciones reales como :'&) o +ravim;tricas bA2r pero nunca a condiciones est5ndar. a viscosidad de un ,luido es la 2abilidad para resistir cambios de ,orma. sta es el resultado de la ,ricción interna del ,luido causada por las ,uer0as entre las mol;culas. Puesto /ue el movimiento molecular est5 relacionado con la temperatura la viscosidad es tambi;n ,unción de la temperatura. a viscosidad absoluta en Pas 8pascales por se+undo es de,inida como> la viscosidad absoluta del ,lujo laminar de un ,luido 2omo+;neo entre dos placas paralelas planas con una lon+itud de separación de 1 metro con una di,erencia de velocidad de 1mAs en la cual e6iste una ,uer0a de 1 Pascal.
9actores in-$u'entes en $os -$ui"os
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a viscosidad como se de,inió es una propiedad de los ,luidos a trav;s del n=mero Renolds es posible conocer los e,ectos de la viscosidad. Para n=meros Renolds menores de #3 es decir ,lujos laminares la viscosidad tiene un +ran e,ectoC )ientras /ue en ,lujos turbulentos Re[3 2a mu pocas limitaciones debido a la viscosidad. Principalmente la viscosidad a,ecta la medición de ,luidos l-/uidos a /ue puede aumentar el ran+o m-nimo /ue mide un instrumento 2aci;ndolo impreciso para medir ,lujos bajos. l e,ecto de la viscosidad en los +ases es mu poco apreciable. os sólidos no deseables presentes en el ,luido pueden alterar la medición real de ,lujo 2asta lle+ar a destruir los medidores a /ue alcan0an +randes velocidades como en caso de los +ases. *urbujas de aire presentes en l-/uidos son ,recuentemente causa de una mala medición a /ue los medidores de ,lujo miden volumen total sin darse cuenta de /ue part-culas +aseosas est5n presentes en el ,luido. a ru+osidad de la tuber-a tambi;n a,ecta el per,il de velocidad por tanto e6iste un ,actor de ru+osidad. os e,ectos de la corrosión pueden ser solo evitados por una apropiada selección del material. $ormalmente e6isten materiales resistentes como el acero ino6idable Fastello Platino !itanio carbón. !odo depende de la compatibilidad del material con respecto al ,luido. Presión de vapor de un l-/uido la cual es la presión en el punto de ebullición del l-/uido a temperatura de operación. 7i la presión de operación de un l-/uido es menor o i+ual a la presión de vapor del mismo entonces el l-/uido cambia a estado +aseoso ,ormando cavidades de vapor si esto ocurre a altas velocidades en otro punto de la tuber-a m5s adelante la presión de operación es maor a la presión de vapor entonces estas cavidades o bolsas de +as se condensan r5pidamente c2ocan con las partes met5licas causando da@osC ,enómeno conocido como cavitación. l a+ua puede cambiar de estado a G(W& .339 psi 8presión de vapor del a+ua. a presión de vapor de un l-/uido aumenta con la temperatura. Para +aranti0ar /ue la presión de operación sea siempre maor a la presión de vapor de un l-/uido se puede aplicar la si+uiente ,ormula> Psm[ 1.3 Pv E #.G Pd Psm> Presión en la sección de medición. Pv> presión de vapor del li/uido Pd> ca-da de presión a trav;s del medidor.
METODOS DE MEDICION! 29
6isten muc2os m;todos para medir ,lujos en la maor-a de los cuales es imprescindible el conocimiento de al+unas caracter-sticas b5sicas de los ,luidos para una buena selección del mejor m;todo a emplear. stas caracter-sticas incluen viscosidad densidad +ravedad espec-,ica compresibilidad temperatura presión las cuales no vamos a detallar a/u-. *5sicamente e6isten dos ,ormas de medir el ,lujo> el caudal el ,lujo total. l caudal es la cantidad de ,luido /ue pasa por un punto determinado en cual/uier momento dado. l ,lujo total de la cantidad de ,luido por un punto determinado durante un periodo de tiempo espec-,ico. Veamos a continuación al+unos de los m;todos empleados para medir caudal.
MEDICI?N POR PRESI?N DI9ERENCIAL Utili0a dispositivos /ue ori+inan una presión di,erencial debido al paso de un ,luido por una restricción. a ra0ón de 2acer esto es /ue el caudal es proporcional a la ra-0 cuadrada de la di,erencia de presiones entre dos puntos antes despu;s de la restricción. Uno de estos elementos es la placa Q ori,icio o placa per,orada. :ll- el ,luido su,re una disminución de su presión la cual es m-nima en el punto denominado Hvena contractaH. 7i bien es cierto la presión tiende a recuperarse e6iste al ,inal una p;rdida de presión. Una placaQ ori,icio se coloca en una tuber-a sujeta entre dos bridas. a ,orma ubicación del a+ujero son el ras+o distintivo de tres tipos de este dispositivo> la placa conc;ntrica la e6c;ntrica la se+mentalC la selección de al+unas de ;stas depende de las caracter-sticas del ,luido a medir. 6isten tres tipos de tomas de presiones a ambos lados del elemento primario> tomas de bridas tomas de tuber-a tomas de vena contracta. I+ualmente a/u- las caracter-sticas del ,luido in,luir5n en la elección de al+una de estas. !-picamente se utili0a un transmisor de presión di,erencial para la toma de las presiones el env-o de una se@al /ue represente al ,lujo. : esta se@al sin embar+o se le debe e6traer la ra-0 cuadrada para obtener una respuesta lineal con respecto al ,lujo. :nti+uamente se empleaban instrumentos especiales para tal ,in. Fo esta es una ,unción de so,t
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+randesC es m5s preciso /ue la placaQori,icio pero es considerablemente m5s costoso m5s di,-cil de instalar.
Un promedio entre la placaQori,icio el tubo Venturi es la tobera de ,lujo la cual asemeja la mitad de un tubo Venturi por donde entra el ,luidoC este dispositivo es tan preciso como el tubo Venturi pero no tan costoso ni di,-cil de instalar. as tomas de presión utili0adas para el tubo Venturi est5n situadas en los puntos de m56imo m-nimo di5metro de tuber-a. Para el caso de la tobera se ubican se+=n recomendaciones del ,abricante. Otro elemento primario para medir ,lujo por el m;todo de presión di,erencial es el !ubo Pilot el cual en su ,orma m5s simple consiste en un tubo con un ori,icio pe/ue@o en el punto de medición 8impacto. 'uando el ,luido in+resa al tubo su velocidad es cero su presión es m56ima. a otra presión para obtener la medida di,erencial se toma de un punto cercano a la pared de la tuber-a. Realmente e\ tubo Pilot mide velocidad de ,luido no caudal adem5s no necesariamente el ,luido debe estar encerrado en una tuber-a. Podr-a por ejemplo ser usado para medir el ,lujo del a+ua de un r-o o ,lujo de aire ai ser suspendido desde un avión.
MEDIDORES DE BREA VARIA)LE 7e distin+uen de los anteriores en /ue en a/uellos e6iste una variación de presión mientras el 5rea permanece constante. :/u- sin embar+o lo /ue permanece constante es la presión di,erencial +racias a la su,iciente variación del 5rea. Uno de estos es el rot5metro el cual consta de un tubo cónico vertical /ue encierra un ,lotadorC ;ste dependiendo del caudal toma una posición en el tubo /ue aumenta o disminue el tama@o del 5rea as- mantiene la presión constante. Una escala +raduada dentro del tubo estar5 calibrada en unidades de presión as- tener una lectura directa de la misma.
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os rot5metros se pueden ,abricar con tubos de vidrio metal pl5stico. stos dos =ltimos se utili0an cuando el ,luido es mu corrosivo o mu oscuro para permitir la colocación de una escala interna. n esos casos se usa un se+uidor ma+n;tico relacionado a un im5n colocado en el ,lotador interno as- transmitir mec5nicamente la variación del caudal a un indicador.
MEDIDORES MAGN@TICOS Utili0an la le de inducción de &arada /ue establece /ue cuando una corriente pasa por un conductor e6iste un campo ma+n;tico en dirección transversal al mismo se crea un potencial el;ctrico proporcional a la corriente. n la aplicación para medir caudal se coloca un tubo aislado el;ctricamente con un par de electrodos montados a ambos lados del tubo rasantes con el ,luido. Unas bobinas el;ctricas se colocan alrededor del tubo de modo tal de +enerar un campo ma+n;tico en un plano perpendicular tanto al eje del cuerpo del voltaje de salida es proporcional a la velocidad promedio del ,luidoC no interesa si este es laminar o turbulento. :dem5s es independiente de la viscosidad densidad temperatura presión. 7i bien es cierto se re/uiere /ue el ,luido ten+a cierta conductividad m-nima la se@al de salida no var-a con el aumento de la conductividad lo cual es una ventaja. n aplicaciones en donde es necesario medir ,lujo de masa se puede lo+rar esto midiendo la densidad del ,luido multiplicando las dos se@ales.
MEDIDOR A TUR)INA
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Un instrumento de este tipo consiste de una rueda de turbina de precisión montada en cojinetes de una porción de tuber-a una bobina electroma+n;tica colocada en la pared de la tuber-a causa el +iro de la turbina a una velocidad /ue var-a directamente con el caudal del ,luido de proceso. a interrupción del campo ma+n;tico con cada paso de cada 2oja de la turbina produce un pulso el;ctrico. a ,recuencia de estos pulsos determina la velocidad del ,luido.
MEDIDOR DE V?RTICE a ,orma de medición es parecida a la d; la turbina. 7in embar+o a/u- un dispositivo ,ijo a la entrada de la tuber-a similar a una 2;lice +enera un movimiento rotatorio al ,luido. Otro dispositivo se encar+a posteriormente de restablecer el caudal ori+inal al ,luido. a oscilación de ;ste en el punto de medición es proporcional al caudal. stas oscilaciones producen variaciones de temperatura en un sensor colocado en el 5rea variaciones /ue lue+o se convierten en pulsos de voltaje /u; son ampli,icados ,iltrados trans,ormados en ondas cuadradas para ser lue+o in+resados a un contador electrónico. 6isten otros medidores de caudal como son el de placa de impacto /ue mide ,lujo sumando la ,uer0a /ue el ,luido desarrolla sobre un HblancoH /ue es una placa de discoC esta ,uer0a es proporcional a la ra-0 cuadrada del ,lujo los de ultrasonido /ue emplean un transmisor un receptor 8a veces instalados en el mismo recept5culo para medir la desviación en ,recuencia en la se@al del transmisor debido a la velocidad del ,luido. n los casos de medición de caudal en canales abiertos se pueden mencionar la represa la tobera abierta los vertederos en donde b5sicamente se mide nivel de ,luido /ue var-aC al pasar por estos dispositivos. Un po0o /uieto adacente al 33
canal tiene un sensor de nivel 8+eneralmente un ,lotador cua posición vertical var-a en ,unción del caudal.
MEDIDORES DE 9LU/O TOTAL ?entro de este tipo de dispositivos se tienen los denominados medidores de despla0amiento positivo los cuales separan la corriente de ,lujo en incrementos volum;tricos individuales cuentan dic2os incrementos. os medidores son ,abricados de modo tal /ue cada instrumento volum;trico es conocido en ,orma precisa la suma de estos incrementos da una medida mu apro6imada1 del volumen total /ue pasa a trav;s del medidor. a maor-a de los medidores de despla0amiento positivo son de tipo mec5nico usado principalmente para medir cantidades totales del ,luido a ser trans,erido a menudo se asocian a otros dispositivos para lo+rar acciones de indicación re+istro o control. ntre los m5s utili0ados ,i+uran los de disco oscilante pistón oscilante cicloidal oval birrotor etc. os medidores de ,lujo de masa en sus diversos tipos los computadores de ,lujo constituen 2o en d-a una muestra del avance de la tecnolo+-a en la medición de esta variable. l medidor tipo 'oriolis es un ejemplo de los primeros. :/u- el ,luido ,luendo a trav;s de un tubo vibrante causa una de,le6ión en el tubo proporciona\ al ,lujo de masa. stos medidores tienen +ran e6actitud.
Uni"a" "e %e"i"a *5sicamente el ,lujo puede ser medido como la relación de la masa por unidad de tiempo 8por ej.> B+A2r /ue corresponde al &lujo )5sico o mediante el &lujo Volum;trico /ue es la relación volumen por unidad de tiempo 8por ej.> )XA2r.
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a medición de ,lujo m5sico es m5s ideal a /ue su valor no depende de la presión temperatura de trabajo. os vol=menes de l-/uidos +eneralmente no son a,ectados por la presiónC sin embar+o la temperatura en al+unos casos puede causar /ue la medida necesite una corrección. l volumen corre+ido es> V#D V1 81 E +. ?!. + ]B^ _`> 'oe,iciente de e6pansión t;rmica. ! ]WB`> !emperatura
Re$acin con procesos! a medición de ,lujo constitue tal ve0 el eje m5s alto porcentaje en cuanto a medición de variables industriales se re,iere. $in+una otra variable tiene la importancia de esta a /ue sin mediciones de ,lujo ser-a imposible el balance de materiales el control de calidad a=n la operación de procesos continuos. 7iempre /ue se trabaja con un ,luido e6iste la necesidad de reali0ar un conteo de la cantidad /ue se transporta por un determinado punto dentro de un per-odo espec-,ico de tiempo para lo cual se utili0a medidores de ,lujo. a medición de ,lujo es uno de los m5s importantes aspectos cuando se re/uiere un óptimo control de un proceso din5mico. ?eterminar vol=menes en unidad de tiempo vol=menes totales permite a un sistema de control re+ular con alta precisión las cantidades de sustancias /ue van a con,ormar un productoC adem5s aumentar la e,iciencia de producción.
Resu%en! as variables de instrumentación son el +rupo de elementos /ue sirven para medir convertir transmitir controlar o re+istrar variables de un proceso con el ,in de optimi0ar los recursos utili0ados en ;ste. s el conocimiento de la correcta aplicación de los e/uipos encaminados para apoar al usuario en la medición re+ulación observación trans,ormación o,recer se+uridad etc. de una variable dada en un proceso productivo. ntre las cuales destacan presión temperatura nivel ,lujo. Presión> a presión se de,ine como ,uer0a por unidad de 5rea. Para describir la in,luencia sobre el comportamiento de un ,luido usualmente es m5s conveniente usar la presión /ue la ,uer0a. a unidad est5ndar de presión es el Pascal el cual es un $e
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Para un objeto descansando sobre una super,icie la ,uer0a /ue presiona sobre la super,icie es el peso del objeto pero en distintas orientaciones podr-a tener un 5rea de contacto con la super,icie di,erente de esta ,orma ejercer di,erente presión. ?ado /ue en el 7istema Internacional la unidad de ,uer0a es el ne P D dV+A7 dado /ue el volumen es el producto de la super,icie de la base por la altura 8V D 72 tenemos P D d72+A7 ue podemos simpli,icar /uedando> P D d+2 ue nos permite calcular la presión en ,unción de la densidad la intensidad del campo +ravitatorio la altura de la columna !emperatura> a !emperatura es una propiedad de la materia /ue est5 relacionada con la sensación de calor o ,r-o /ue se siente en contacto con ella. 'uando tocamos un cuerpo /ue est5 a menos temperatura /ue el nuestro sentimos una sensación de ,r-o al rev;s de calor. 7in embar+o aun/ue ten+an una estrec2a relación no debemos con,undir la temperatura con el calor.
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'uando dos cuerpos /ue se encuentran a distinta temperatura se ponen en contacto se producen una trans,erencia de ener+-a en ,orma de calor desde el cuerpo caliente al ,r-o esto ocurre 2asta /ue las temperaturas de ambos cuerpos se i+ualan. n este sentido la temperatura es un indicador de la dirección /ue toma la ener+-a en su tr5nsito de unos cuerpos a otros. a medida l instrumento utili0ado 2abitualmente para medir la temperatura es el termómetro. os termómetros de l-/uido encerrado en vidrio son los m5s popularesC se basan en la propiedad /ue tiene el mercurio otras sustancias 8alco2ol coloreado etc. de dilatarse cuando aumenta la temperatura. l l-/uido se aloja en una burbuja QbulboQ conectada a un capilar 8tubo mu ,ino. 'uando la temperatura aumenta el l-/uido se e6pande por el capilar as- pe/ue@as variaciones de su volumen resultan claramente visibles. scalas :ctualmente se utili0an tres escalas para medir la temperatura la escala 'elsius es la /ue todos estamos acostumbrados a usar el &a2ren2eit se usa en los pa-ses an+losajones la escala Belvin de uso cient-,ico. $ivel> n la industria la medición de nivel es mu importante desde el punto de vista de ,uncionamiento del proceso como del balance adecuado de materias primas o productos ,inales. os instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de l-/uidos sólidos. os medidores de nivel de l-/uidos trabajan midiendo directamente la altura del l-/uido sobre una l-nea de re,erencia mediante la presión 2idrost5tica el despla0amiento producido por el l-/uido contenido en un tan/ue de proceso o bien por las caracter-sticas el;ctricas del l-/uido. os instrumentos /ue utili0an las caracter-sticas el;ctricas del l-/uido se clasi,ican en> 1. #. 3. 4. %.
)edidor conductivo )edidor capacitivo )edidor ultrasónico )edidor de radiación )edidor l5ser
l medidor de nivel ultrasónico se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una super,icie re,lectante la recepción del eco del mismo en un receptor. l retardo en la captación del eco depende del nivel del estan/ue.
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stos tipos de medidores son adecuados para todos los estan/ues l-/uidos pueden ser construidos a prueba de e6plosión. :l+unas de sus desventajas consisten en /ue son sensibles a la densidad de los ,luidos de dar se@ales erróneas cuando la super,icie del l-/uido no es n-tida como en el caso de un l-/uido /ue ,orme espuma a /ue producen ,alsos ecos. &lujo> es la cantidad de ,luido /ue circula a trav;s de una sección del ducto 8tuber-a ca@er-a oleoducto r-o canal... por unidad de tiempo. $ormalmente se identi,ica con el ,lujo volum;trico o volumen /ue pasa por un 5rea dada en la unidad de tiempo. )enos ,recuentemente se identi,ica con el ,lujo m5sico o masa /ue pasa por un 5rea dada en la unidad de tiempo. *5sicamente el ,lujo puede ser medido como la relación de la masa por unidad de tiempo 8por ej.> B+A2r /ue corresponde al &lujo )5sico o mediante el &lujo Volum;trico /ue es la relación volumen por unidad de tiempo 8por ej.> )XA2r.
Cua"ro sinptico
Presión.
a presión se de,ine como ,uer0a por unidad de 5rea. a unidad est5ndar de presión es el Pascal el cual es un $e
!emperatura.
Variables de instrumentación.
$ivel .
&lujo .
s la cantidad de ,luido /ue circula a trav;s de una sección del ducto 8tuber-a ca@er-a oleoducto r-o canal... por unidad de tiempo.
Mapa
%enta$
Conc$usin! as variables de instrumentación presentan un papel importante durante la creación de los bienes servicio /ue distintas compa@-as +eneran aun/ue para muc2os empresarios trabajadores no lo toman como al+o sobresaliente en pocas palabras son variables /ue pasan desapercibidas no se detonan a +ran escala pero si al+una de estas variables lle+a a ,allar o se reali0a de una manera incorrecta puede lle+ar a alterar el proceso con una ma+nitud mu +rande.
Presion.
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a variables de instrumentación son a/uellas /ue nos audan a medir contar variables de controlar los procesos productivos 2a al+unos en los cuales no dependen lu!o.de estos otros en los instrumentaci Temperatura. directamente /ue si tal es el caso de procesos por lotes.
on.
ste proceso 2a variables /ue se deben tomar en cuenta en cada lote /ue se crea si una de estas variables se in+resa mal en el sistema se arruinar-a la creación no de un solo producto si no del lote entero. Otro proceso donde se presenta la constante observación de estas variables son los procesos continuos a /ue se debe vi+ilar el comportamiento de las m5/uinas los productos /ue se emplean durante la creación para as- evitar /ue ocurra un percance durante la producción. 'omo bien a sabemos /ue las variables de instrumentación son importantes durante la creación de bienes servicios a /ue +racias a ellos se puede +o0ar de una calidad del producto /ue se obtiene a /ue estas variables nos permiten dar un mantenimiento al proceso completo a /ue a trav;s de estos se cuida el ,uncionamiento de las m5/uinas de los insumos /ue se utili0an adem5s de /ue Nivel. a trav;s de las mediciones se crean los bienes servicios para crear o medir el producto ,inal /ue se entre+a a los clientes. n pocas palabras si no e6istieran estas variables los productos /ue se crean por las compa@-as no tendr-an una alta calidad. as ma/uinas tendr-an constantes aver-as a /ue no se vi+ilar-an el proceso presentar-a constantes errores durante la producción por errores en la medición de los insumos. ?e este modo damos por entendido la importancia /ue representan tomar en cuenta estas variables durante el proceso productivo a /ue de al+una u otra manera estas variables se relacionan en el proceso a sea de manera directa o indirecta de la producción de un bien o servicio.
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