Guia Del Profesor - Ins_ind_i

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INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL I

GUÍA DEL PROFESOR SECRETARÍA DE EDUCACIÓN PÚBLICA SUBSECRETARÍA DE EDUCACIÓN SUPERIOR E INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA SUBSISTEMA DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS COORDINACIÓN GENERAL DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS ELABORÓ:

APROBÓ:

Revisión no. 0.

GRUPO DE DIRECTORES DE LA CARRERA DE ELECTRÓNICA Y AUTOMATIZACIÓN

REVISÓ:

COORDINACIÓN GENERAL DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS

FECHA DE ENTRADA EN VIGOR:

Fecha de revisión: septiembre, 2001.

Página 1 de 38

COMISIÓN ACADÉMICA NACIONAL DEL ÁREA ELECTROMECÁNICA INDUSTRIAL SEPTIEMBRE 2001

F-CADI-SA-MA-24-GP-A

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I. DIRECTORIO DR. REYES TAMES GUERRA SECRETARÍO DE EDUCACIÓN PÚBLICA DR. JULIO RUBIO OCA SUBSECRETARIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR E INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA DR. ARTURO NAVA JAIMES COORDINADOR GENERAL DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS RECONOCIMIENTOS ING. SERGIO B. BORREGO ESQUIVEL

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE COAHUILA

ING. CONRADO FLORES GUTIÉRREZ

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE COAHUILA

ING. JOSÉ ARTURO HERNÁNDEZ GARCÍA

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE COAHUILA

ING. JORGE JUÁREZ IBARRA

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE TORREON

INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL I D.R. 

2001

ESTA OBRA, SUS CARACTERÍSTICAS Y DERECHOS SON PROPIEDAD DE LA: COORDINACIÓN GENERAL DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS (CGUT) FRANCISCO PETRARCA No. 321, COL. CHAPULTEPEC MORALES, MÉXICO D. F. LOS DERECHOS DE PUBLICACIÓN PERTENECEN A LA CGUT. QUEDA PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN PARCIAL O TOTAL POR CUALQUIER MEDIO, SIN AUTORIZACIÓN PREVIA Y POR ESCRITO DEL TITULAR DE LOS DERECHOS. ISBN (EN TRÁMITE) IMPRESO EN MÉXICO.

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III. ÍNDICE

CONTENIDO 1. 2. 3. 4. 5.

PORTADA DIRECTORIO Y RECONOCIMIENTOS ÍNDICE INTRODUCCIÓN DE LA ASIGNATURA DESARROLLO DE UNIDADES TEMÁTICAS UNIDAD I. CONCEPTOS BASICOS DE METROLOGÍA UNIDAD II.

PAGINA 1 2 3 4 5

INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN

INDUSTRIAL UNIDAD III.

SIMBOLOGÍA Y DIAGRAMAS DE PROCESO E

6

INSTRUMENTACIÓN UNIDAD IV. VARIABLES DE PROCESO 6. 7. 8.

REFERENCIAS GLOSARIO ANEXOS (FIGURAS, TABLAS, ETC.) 8.1 Evaluación del curso, taller, materiales. 8.2 Resultados Finales de evaluación del aprendizaje

IV. INTRODUCCIÓN DE LA ASIGNATURA. Página 3 de 152

La asignatura de instrumentación industrial I contempla los principios fundamentales de la instrumentación industrial, los aspectos de normalización y simbología empleada en los diagramas de proceso, las variables de proceso más comunes y el principio básico de operación de los sensores empleados para cada una de ellas y los conceptos de la Metrología, todo ello, con la finalidad de aplicarlos en los procesos industriales y expresar la información confiablemente dentro de los intervalos establecidos. La interpretación de los principios y técnicas de medicino y control en variadles de procesos y la aplicación de estos conocimientos dentro de la industria, representa el medio para llegar ala máxima

eficiencia

y optimización

de los procesos trayendo como consecuencia

estabilidad en las variables del proceso, vida del equipo, calidad de los productos y mejoramiento en la economía. La creciente industrialización de nuestro país ha

traído como consecuencia

una

automatización de sus procesos cada día más compleja y no siendo nuestra tecnología suficiente para

cumplir nuestras necesidades, y es necesario

hacer una reflexión

necesitamos despertar el interés en los alumnos interesados en este campo, para continuar desarrollando la adaptación de tecnología hasta llegar a una propia para el beneficio de la industria mexicana. Colocar la instrumentación adecuada no es fácil, por que se requiere de experiencia además de bastos conocimientos en la materia, así se requiere conocer, que es medir, que es variable, cuantas formas de medir existen para cada una de las variables, cual es el equipo que se requiere para medir, cuales son y como funcionan cada una de las partes de ese equipo.

V. DESARROLLO DE UNIDADES TEMÁTICAS UNIDAD I. CONCEPTOS BASICOS DE METROLOGÍA. Página 4 de 152

INTRODUCCIÓN. El propósito de esta primera unidad de la asignatura de instrumentación industrial I es introducir a los alumnos en el conocimiento de las unidades básicas y derivadas del sistema internacional. Las reglas de escritura del sistema internacional Esta unidad esta integrada por 3 objetivos de aprendizaje que permitirán al alumno operar, practicar y aplicar los conceptos básicos de la metrología en la instrumentación industrial. TEMA 1 UNIDADES BÁSICAS DEL SISTEMA INTERNACIONAL (SI) OBJETIVO Y CRITERIO DE APRENDIZAJE 1. Usar las unidades básicas y derivadas del SI e inglés. 1.1 Aplicar las unidades básicas y derivadas del SI e inglés. TEMA 2. INTRODUCCIÓN A LA METROLOGÍA. OBJETIVO Y CRITERIO DE APRENDIZAJE 2. Aplicar los conceptos básicos de Metrología (Reproducibilidad, Repetibilidad, Patrón de Medición, Calibración, etc.). 2.1 Establecer los conceptos básicos de Metrología (Reproducibilidad, Repetibilidad, Patrón de Medición, Calibración, etc.). TEMA 3. ITERPRETACIÓN DE INCERTIDUMBRES EN LAS MEDICIONES. OBJETIVO Y CRITERIO DE APRENDIZAJE 3. Interpretar los conceptos de desviación, su clasificación y principales fuentes de incertidumbre en las mediciones. 3.1 Ilustrar los conceptos de desviación, su clasificación y principales fuentes de incertidumbre en las mediciones. DEMOSTRACIÓN DE HABILIDADES PARCIALES (RESULTADOS DE APRENDIZAJE) 1.1.1 Emplear las unidades básicas y derivadas del SI e inglés, con sus equivalencias entre ellos. 2.1.1Practicar los conceptos básicos de Metrología (Reproducibilidad, Repetibilidad, Patrón 3.1.1USAR LOS CONCEPTOS BÁSICOS DE DESVIACIÓN SU CLASIFICACIÓN Y PRINCIPALES FUENTES DE INCERTIDUMBRE EN LAS MEDICIONES. de Medición, Calibración, etc.).

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TEMA 1. UNIDADES BÁSICAS DEL SISTEMA INTERNACIONAL (SÍ). Objetivo de Aprendizaje: Página 6 de 152

1. Usar las unidades básicas y derivadas del SI e inglés. Criterio de aprendizaje: 1.1 Aplicar las unidades básicas y derivadas del SI e Inglés. Sistemas de unidades:

Los conceptos fundamentales usados en física, como: Longitud, masa, tiempo y fuerza, tienen unidades relacionadas de acuerdo al sistema utilizado, las unidades pueden presentarse en 3 formas diferentes como son: a) sistema internacional (SI) b) sistema ingles (F P S) y c)el sistema (C G S). En la siguiente tabla tenemos los diferentes sistemas de unidades, las formulas utilizadas en física y sus conversiones en los diferentes sistemas de unidades.

SISTEMA DE UNIDADES Peso W=m * g

SIST. INTERNACIONAL MKS

CGS

SISTEMA INGLES Pie, Libra, Seg

W= Kg(m/s²) W = Newton

W = gr (Cm/s²) W = Dinas

W=Slug(ft/ s²) W= Lbƒ

Kg

gr

Slug

m

cm

Seg

Seg

V=m/s

V = Cm / s

Aceleración

a = m / s²

a= Cm / s²

Fuerza F = m * a Gravedad (g)

F= Kg(m / s²) 9.81 m / s²

F=grs(Cm / s²) 981 Cm / s²

Masa

( m)

Longitud Distancia ( L ) Tiempo ( t ) Velocidad V= d / t

ft

Seg V= Ft / s a= Ft / s² F=slug(Ft / s² ) 32.2 Ft / s²

MÚLTIPLOS Y SUBMULTIPLOS EN EL SI

El sistema internacional de unidades se utilizan en forma extensa debida a que se pretende convertirlo en el estándar de medidas mundial. En consecuencia, las reglas para su uso y parte de la terminología que es relevante en la mecánica. Se presentará a continuación. PREFIJOS

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Cuando una cantidad numérica es muy grande o muy pequeña, las unidades que se utilizan para definir su tamaño pueden modificarse por medio del uso de prefijos, algunos prefijos se ilustran en la tabla siguiente. Múltiplos 1 000 000 000 1 000 000 1 000

Forma exponencial 109 106 103

Prefijo giga mega kilo

Símbolo SI G M K

Submúltiplos 0.001 0.000 001 0.000 000 001

Forma exponencial 10 -3 10 -6 10 -9

Sufijo mili micro nano

Símbolo SI m  n

Sistema Internacional de unidades: Introducción. La observación de un fenómeno es en general incompleto a menos que dé lugar a una información cuantitativa. Para obtener dicha información se requiere la medición de una propiedad física. Así, la medición constituye una buena parte de la rutina diaria del físico experimental. La medición es la técnica por medio de la cual asigna un número a una propiedad física, como resultado de una comparación de dicha propiedad con otra similar tomada como patrón, la cual se ha adoptado como unidad. Unidades SI básicas. Magnitud Nombre Símbolo Longitud metro m Masa kilogramo Kg Tiempo segundo s Intensidad de corriente eléctrica ampere A Temperatura termodinámica kelvin K Cantidad de sustancia mol mol Intensidad luminosa candela cd Unidad de longitud: El metro es la longitud de trayecto recorrido en el vacío por metro (m) la luz durante un tiempo de 1/299 792 458 de segundo. Unidad de masa El kilogramo (Kg) es igual a la masa del prototipo internacional del kilogramo Unidad de tiempo El segundo (s) es la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133. Unidad de El ampere (A) es la intensidad de una corriente constante intensidad de que manteniéndose en dos conductores paralelos, rectos, de corriente eléctrica longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a Página 8 de 152

Unidad temperatura termodinámica

de

Unidad de cantidad de sustancia

Unidad de intensidad luminosa

una distancia de un metro uno de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2.10-7 newton por metro de longitud. El kelvin (K), unidad de temperatura termodinámica, es la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. Observación: Además de la temperatura termodinámica (símbolo T) expresada en kelvin, se utiliza también la temperatura Celsius (símbolo t) definida por la ecuación t = T - T0 donde T0 = 273,15 K por definición. El mol (mol) es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12. Cuando se emplee el mol, deben especificarse las unidades elementales, que pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones u otras partículas o grupos especificados de tales partículas. La candela (cd) es la unidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 1012 hertz y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 watt por estereorradián.

Unidades SI suplementarias. Magnitud Nombre Símbolo Expresión en unidades SI básicas Ángulo plano Radián rad mm-1= 1 Ángulo sólido Estereorradián sr m2m-2= 1 Unidad de ángulo plano El radián (rad) es el ángulo plano comprendido entre dos radios de un círculo que, sobre la circunferencia de dicho círculo, interceptan un arco de longitud igual a la del radio. Unidad de ángulo sólido El estereorradián (sr) es el ángulo sólido que, teniendo su vértice en el centro de una esfera, intercepta sobre la superficie de dicha esfera un área igual a la de un cuadrado que tenga por lado el radio de la esfera.

Unidades SI derivadas Las unidades SI derivadas se definen de forma que sean coherentes con las unidades básicas y suplementarias, es decir, se definen por expresiones algebraicas bajo la forma de productos de potencias de las unidades SI básicas y/o suplementarias con un factor numérico igual a1. Varias de estas unidades SI derivadas se expresan simplemente a partir de las unidades SI básicas y suplementarias. Otras han recibido un nombre especial y un símbolo particular. Página 9 de 152

Si una unidad SI derivada puede expresarse de varias formas equivalentes utilizando, bien nombres de unidades básicas y suplementarias, o bien nombres especiales de otras unidades SI derivadas, se admite el empleo preferencial de ciertas combinaciones o de ciertos nombres especiales, con el fin de facilitar la distinción entre magnitudes que tengan las mismas dimensiones. Por ejemplo, el hertz se emplea para la frecuencia, con preferencia al segundo a la potencia menos uno, y para el momento de fuerza, se prefiere el newton metro al joule. Unidades SI derivadas expresadas a partir de unidades básicas y suplementarias. Magnitud Superficie Volumen Velocidad Aceleración Número de ondas Masa en volumen Velocidad angular Aceleración angular Unidad de velocidad

Nombre Símbolo metro cuadrado m2 metro cúbico m3 metro por segundo m/s metro por segundo cuadrado m/s2 metro a la potencia menos uno m-1 kilogramo por metro cúbico kg/m3 radián por segundo rad/s radián por segundo cuadrado rad/s2 Un metro por segundo (m/s o m s-1) es la velocidad de un cuerpo que, con movimiento uniforme, recorre, una longitud de un metro en 1 segundo Unidad de aceleración Un metro por segundo cuadrado (m/s2 o m s-2) es la aceleración de un cuerpo, animado de movimiento uniformemente variado, cuya velocidad varía cada segundo, 1 m/s. Unidad de número de Un metro a la potencia menos uno (m-1) es el ondas número de ondas de una radiación monocromática cuya longitud de onda es igual a 1 metro. Unidad de velocidad Un radian por segundo (rad/s o rad s-1) es la angular velocidad de un cuerpo que, con una rotación uniforme alrededor de un eje fijo, gira en 1 segundo, 1 radián. Unidad de aceleración Un radian por segundo cuadrado (rad/s2 o rad s-2) angular es la aceleración angular de un cuerpo animado de una rotación uniformemente variada alrededor de un eje fijo, cuya velocidad angular, varía 1 radián por segundo, en 1 segundo. Unidades SI derivadas con nombres y símbolos especiales. Magnitud

Nombre

Frecuencia hertz Fuerza newton Presión pascal Energía, trabajo, joule cantidad de calor Potencia watt Cantidad de coulomb

Expresión en Expresión en Símbolo otras unidades unidades SI SI básicas Hz s-1 N m kg s-2 Pa N m-2 m-1 kg s-2 J

Nm

m2 kg s-2

W C

J s-1

m2 kg s-3 sA Página 10 de 152

electricidad carga eléctrica Potencial eléctrico fuerza electromotriz Resistencia eléctrica Capacidad eléctrica Flujo magnético Inducción magnética Inductancia Unidad de frecuencia Unidad de fuerza Unidad de presión

Unidad de energía, trabajo, cantidad de calor Unidad de potencia, flujo radiante Unidad de cantidad de electricidad, carga eléctrica Unidad de potencial eléctrico, fuerza electromotriz Unidad de resistencia eléctrica

Unidad de capacidad eléctrica

Unidad de magnético Unidad de magnética

flujo

inducción

Unidad de inductancia

volt

V

W A-1

m2 kg s-3 A-1

ohm  V A-1 m2 kg s-3 A-2 farad F C V-1 m-2 kg-1 s4 A2 weber Wb Vs m2 kg s-2 A-1 2 tesla T Wb m kg s-2 A1 henry H Wb A-1 m2 kg s-2 A-2 Un hertz (Hz) es la frecuencia de un fenómeno periódico cuyo periodo es 1 segundo. Un newton (N) es la fuerza que, aplicada a un cuerpo que tiene una masa de 1 kilogramo, le comunica una aceleración de 1 metro por segundo cuadrado. Un pascal (Pa) es la presión uniforme que, actuando sobre una superficie plana de 1 metro cuadrado, ejerce perpendicularmente a esta superficie una fuerza total de 1 newton. Un joule (J) es el trabajo producido por una fuerza de 1 newton, cuyo punto de aplicación se desplaza 1 metro en la dirección de la fuerza. Un watt (W) es la potencia que da lugar a una producción de energía igual a 1 joule por segundo. Un coulomb (C) es la cantidad de electricidad transportada en 1 segundo por una corriente de intensidad 1 ampere. Un volt (V) es la diferencia de potencial eléctrico que existe entre dos puntos de un hilo conductor que transporta una corriente de intensidad constante de 1 ampere cuando la potencia disipada entre estos puntos es igual a 1 watt. Un ohm () es la resistencia eléctrica que existe entre dos puntos de un conductor cuando una diferencia de potencial constante de 1 volt aplicada entre estos dos puntos produce, en dicho conductor, una corriente de intensidad 1 ampere, cuando no haya fuerza electromotriz en el conductor. Un farad (F) es la capacidad de un condensador eléctrico que entre sus armaduras aparece una diferencia de potencial eléctrico de 1 volt, cuando está cargado con una cantidad de electricidad igual a 1 coulomb. Un weber (Wb) es el flujo magnético que, al atravesar un circuito de una sola espira produce en la misma una fuerza electromotriz de 1 volt si se anula dicho flujo en un segundo por decaimiento uniforme. Una tesla (T) es la inducción magnética uniforme que, repartida normalmente sobre una superficie de 1 metro cuadrado, produce a través de esta superficie un flujo magnético total de 1 weber. Un henry (H) es la inductancia eléctrica de un circuito Página 11 de 152

cerrado en el que se produce una fuerza electromotriz de 1 volt, cuando la corriente eléctrica que recorre el circuito varía uniformemente a razón de un ampere por segundo. Unidades SI derivadas expresadas a partir de las que tienen nombres especiales Magnitud

Nombre

Símbolo

Expresión en unidades SI básicas

Viscosidad dinámica

pascal Pa s m-1 kg s-1 segundo Entropía joule por J/K m2 kg s-2 K-1 kelvin Capacidad térmica másica joule por kilogramo J(kg K) m2 s-2 K-1 kelvin Conductividad térmica watt por W(m K) m kg s-3 K-1 metro kelvin Intensidad del campo volt por V/m m kg s-3 A-1 eléctrico metro Unidad de viscosidad Un pascal segundo (Pa s) es la viscosidad dinámica dinámica de un fluido homogéneo, en el cual el movimiento rectilíneo y uniforme de una superficie plana de 1 metro cuadrado, da lugar a una fuerza retardatriz de 1 newton, cuando hay una diferencia de velocidad de 1 metro por segundo entre dos planos paralelos separados por 1 metro de distancia. Unidad de entropía Un joule por kelvin (J/K) es el aumento de entropía de un sistema que recibe una cantidad de calor de 1 joule, a la temperatura termodinámica constante de 1 kelvin, siempre que en el sistema no tenga lugar ninguna transformación irreversible. Unidad de capacidad Un joule por kilogramo kelvin (J/kg K) es la térmica másica capacidad térmica másica de un cuerpo homogéneo de una masa de 1 kilogramo, en el que el aporte de una cantidad de calor de un joule, produce una elevación de temperatura termodinámica de 1 kelvin. Unidad de conductividad Un watt por metro kelvin (W m/K) es la térmica conductividad térmica de un cuerpo homogéneo isótropo, en la que una diferencia de temperatura de 1 kelvin entre dos planos paralelos, de área 1 metro cuadrado y distantes 1 metro, produce entre estos planos un flujo térmico de 1 watt. Unidad de intensidad del Un volt por metro (V/m) es la intensidad de un campo eléctrico campo eléctrico, que ejerce una fuerza de 1 newton sobre un cuerpo cargado con una cantidad de electricidad de 1 coulomb. Página 12 de 152

Unidades definidas a partir de las unidades SI, pero que no son múltiplos o submúltiplos decimales de dichas unidades. Magnitud Ángulo plano

Tiempo

Nombre vuelta

Símbolo

Relación 1 vuelta = 2 rad

grado minuto de ángulo segundo de ángulo minuto hora día

º ' " min h d

(/180) rad ( /10800) rad ( /648000) rad 60 s 3600 s 86400 s

Unidades en uso con el Sistema Internacional cuyo valor en unidades SI se ha obtenido experimentalmente. Magnitud Nombre Masa unidad de masa atómica Energía electronvolt

Símbolo u eV

Valor en unidades SI 1,6605402 10-27 kg 1,60217733 10-19 J

Múltiplos y submúltiplos decimales Factor 1018 1015 1012 109 106 103 102 101

Prefijo exa penta tera giga mega kilo hecto deca

Símbolo E P T G M k h da

Factor 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18

Prefijo deci centi mili micro nano pico femto atto

Símbolo d c m u n p f a

Sistema Inglés de Unidades El sistema inglés de unidades o sistema imperial, es aún usado ampliamente en los Estados Unidos de América y, cada vez en menor medida, en algunos países con tradición británica. Debido a la intensa relación comercial que tiene nuestro país con los EUA, existen aún en México muchos productos fabricados con especificaciones en este sistema. Ejemplos de ello son los productos de madera, tornillería, cables conductores y perfiles metálicos. Algunos instrumentos como los medidores de presión para neumáticos automotrices y otros tipos de manómetros frecuentemente emplean escalas en el sistema inglés. El CENAM promueve el empleo del Sistema Internacional en todas las mediciones en el país. No obstante, reconociendo la presencia del sistema inglés en nuestro medio es conveniente ofrecer referencias sobre los factores de conversión de estas unidades al Sistema Internacional. A diferencia de este último, no existe una autoridad única en el mundo que tome decisiones sobre los valores de las unidades en el sistema inglés. De hecho, algunas unidades tienen valores diferentes en diversos países. Para el usuario mexicano, por nuestra estrecha Página 13 de 152

relación con los EUA, tal vez la referencia más conveniente es la aceptada en ese país. Por el CENAM de Internet del National Institute of Standards and Technology (NIST), laboratorio nacional de metrología de los EUA, para obtener información confiable sobre él.

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REGLAS DE USO PARA LOS DIFERENTES SISTEMAS DE UNIDADES:

1. Nunca se escribe un símbolo pluralizado con “s”. Puesto que se confundiría con la unidad segundo (s). 2. Los símbolos siempre se escriben con letras minúsculas. Con las siguientes excepciones: los símbolos de los prefijos más grandes mostrados en la tabla anterior, giga y mega, se escriben en mayúscula, G, M, respectivamente. 3. Las cantidades que se encuentran definidas por unidades que son múltiplos de otra están separadas por un punto para evitar confusión con la notación de prefijo, como se indica en N = Kg. m/s² es igual a Kg. m s². Mientras que un ms será igual a (mili – segundo). 4. El exponente representado por una unidad que tiene un prefijo se refiere tanto a la unidad como al prefijo. Por ejemplo, N² = (N) ² = N. N, de la misma forma, mm² = (mm) ² = mm . mm. 5. Cuando se lleven acabo cálculos, se deben representar los números en términos de sus unidades base o derivadas convirtiendo los prefijos a potencias base 10. El resultado final deberá expresado en un prefijo. 6. No se deberá usar prefijos compuestos; es decir ks (kilo- micro- segundo) deberá ser expresado en como ms(mili- segundo) 7. Aunque no se expresan en múltiplos de 10, el minuto, etcétera, permanecen como múltiplos del segundo para propósitos prácticos. Además, la medición de ángulos planos se realiza utilizando radianes(rad). En física se utilizara con frecuencia que 180 =  rad. Reglas para expresar una medida y su error: Toda medida debe de ir seguida por la unidad, obligatoriamente del Sistema Internacional de Unidades de medida. Cuando un físico mide algo debe tener gran cuidado para no producir una perturbación en el sistema que está bajo observación. Por ejemplo, cuando medimos la temperatura de un cuerpo, lo ponemos en contacto con un termómetro. Pero cuando los ponemos juntos, algo de energía o "calor" se intercambia entre el cuerpo y el termómetro, dando como resultado un pequeño cambio en la temperatura del cuerpo que deseamos medir. Así, el instrumento de medida afecta de algún modo a la cantidad que deseábamos medir Además, todas las medidas están afectadas en algún grado por un error experimental debido a las imperfecciones inevitables del instrumento de medida, o las limitaciones impuestas por nuestros sentidos que deben de registrar la información. 1.-Todo resultado experimental o medida hecha en el laboratorio debe de ir acompañada del valor estimado del error de la medida y a continuación, las unidades empleadas. Por ejemplo, al medir una cierta distancia hemos obtenido 297±2 mm. De este modo entendemos que la medida de dicha magnitud está en alguna parte entre 295 mm y 299 mm. En realidad, la expresión anterior no significa que se está seguro de que el valor verdadero esté entre los límites indicados, sino que hay cierta probabilidad de que esté ahí. Página 16 de 152

2.- Los errores se deben dar solamente con una única cifra significativa. Únicamente, en casos excepcionales, se pueden dar una cifra y media (la segunda cifra 5 ó 0). 3.-La última cifra significativa en el valor de una magnitud física y en su error, expresados en las mismas unidades, deben de corresponder al mismo orden de magnitud (centenas, decenas, unidades, décimas, centésimas). 

Expresiones incorrectas por la regla 2 24567±2928 m 23.463±0.165 cm 345.20±3.10 mm



Expresiones incorrectas por la regla 3. 24567±3000 cm 43±0.06 m 345.2±3 m



Expresiones correctas 24000±3000 m 23.5±0.2 cm 345±3 m 43.00±0.06 m

Resultado de aprendizaje: 1.1.1 Emplear las unidades básicas y derivadas del SI e Inglés con sus equivalencias entre ellos. Tarea #1 Realice las siguientes conversiones entre unidades del SI. a) 12,3 km Cm b) 101 324 Pa MPa c) 0,000 214 3 m m d) 0,000 723 W mW e) 31,602 s s f) 0,124 K mK g) 115 000 V kV h) 310 040  M i) 149 597 600 km Gm j) 69,205 kA MA k) 214 g/cm3 kg/m3 l) 9,806 65 m/s2 cm/s2 m) 240 km/h m/s

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Efectúe las siguientes conversiones entre Sistema Internacional de Unidades y Sistema Inglés. a) 6 280 ft m b) 0,5 in mm c) 17 mm in d) 170 lb Kg e) 6 ft 3 in m f) 42 gal m3 g) 3/8 in mm h) 10 ft3 m3 i) 105 hp W j) 80 mi/h m/s k) 24 fl oz (onzas fluidas) ml l) 1 958 201 km2 mi2 m) 243 Btu J n) 50 mils mm2 o) 2 1/2 in mm p) 3 214 kcal J Práctica #1. METROLOGÍA Y CALIDAD. 1. INTRODUCCIÓN: El desarrollo de esta práctica permitirá al alumno comprender la cultura metrológica y sus implicaciones con la calidad de los productos 2. OBJETIVO: Que el alumno comprenda los conceptos metrológicos fundamentales y sus implicaciones para la calidad de los productos 3. MARCO TEÓRICO:    

Para la realización de esta práctica el alumno se deberá involucrar en los conocimientos del concepto Metrología El alumno deberá tener conocimiento del significado del concepto Calidad. El alumno deberá tener conocimiento del significado de la Ruta Hacia la Calidad El alumno deberá comprender los conceptos de planear, hacer ejecutar, Verificar y ajustar

4.DESARROLLO DE LA PRÁCTICA: 1. Material a utilizar:     

Manuales de calidad. Manuales de las Normas oficiales de México. Hojas en Blanco. Cartulina. Material de escritura,(Pintarrones, lápices, acetatos, gises.y borradores) Página 18 de 152

2. Procedimiento de la Práctica: 

Formar un equipo de 5 alumnos y asignarles los siguientes temas a desarrollar: a.- La cultura Metrológica b.- La Importancia de la Metrología en las mediciones c.- La Metrología en los Países del Primer Mundo (vista como cultura).



Se deberá exponer mediante acetatos cartulinas y material necesario para su compresión



El Profesor deberá guiar a los alumnos y asesorar ante cualquier duda que se presente



Una vez que se llevo a cabo la exposición por parte de los integrantes del equipo, se deberá preguntar a los alumnos su opinión sobre lo expuesto.



Ilustrar con un ejemplo tangible: se deberá pedir a los alumnos que formen cuatro equipos.

Los dos primeros equipos deberán de fabricar una caja de cartón sin utilizar normas de medición, los otros dos equipos deberán apegarse a normas especificas para hacer una caja de las mismas dimensiones. Al hacer la exposición se debe establecer una comparación entre los resultados obtenidos por los equipos que trabajaron con una norma de medición y aquellos que no lo hicieron. 5. RESULTADOS OBTENIDOS: Cuestionario: 1. ¿Qué entiendes por cultura Metrológica? 2. ¿Qué importancia tiene la Metrología en el Progreso de México? 3. ¿Qué relación tiene la Metrología con la Calidad? 4. ¿Qué entiendes por la Ruta Hacia la Calidad? 5. ¿Qué sucede si México no participa en los sistemas de calidad con los demás Países? 6. ¿Por qué actualmente no tiene sentido concebir un estado que no admita mejoras? 7. ¿Consideras que es importante que el Sector Productivo de México se les lleve la cultura Metrológica? 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Página 19 de 152

TEMA 2. INTRODUCCIÓN A LA METROLOGÍA. Objetivo de aprendizaje: 2. Aplicar los conceptos básicos de metrología (reproducibilidad, repetibilidad, patrón de medición, calibración, etc.) Criterio de aprendizaje: 2.1. Establecer los conceptos básicos de metrología (reproducibilidad, repetibilidad, patrón de medición, calibración, etc.) Campo de medida Alcance Error Precisión Zona muerta Sensibilidad Repetibilidad Histéresis Reproducibilidad Los instrumentos de control empleados en las industrias de proceso tales como química, petroquímica, alimenticia, metalúrgica, energética, textil, papel, etc. , tienen su propia terminología; los términos empleados definen las características propias de medida y de control y las estáticas y dinámicas de los diversos instrumentos utilizados: Indicadores, registradores, controladores, transmisores y válvulas de control. La terminología empleada se ha unificado con el fin de que los fabricantes, los usuarios y los organismos o entidades que intervienen directa o indirectamente en el campo de la instrumentación industrial empleen el mismo lenguaje. Las definiciones de los términos empleados se relacionan con las sugerencias hechas por la SAMA ( Scientific Apparatus Markers Association) en su norma PMC 20, e ISA (Instrument Society of America) Norma S 5.1. Campo de medida (Range) Espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los limites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión de un instrumento. Alcance (Span) Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. Error Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida. Si el proceso esta en condiciones de régimen permanente existe el llamado error estático, en condiciones dinámicas el error varia considerablemente debido a que los instrumento tienen características comunes a los sistemas físicos: Absorben energía Página 20 de 152

del proceso y esta transferencia requiere cierto tiempo para ser transmitida, lo cual da lugar a retardos en la lectura del aparato. Siempre que las condiciones sean dinámicas existirá en mayor o menor grado el llamado error dinámico ( diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el indicado por el instrumento): Su valor depende del tipo de fluido del proceso, su velocidad, del elemento primario ( termopar, bulbo y capilar), de los medios de protección ( vaina), etc. El error medio del instrumento es la media aritmética de los errores en cada punto de la medida determinados para todos los valores crecientes y decrecientes de la variable medida. Precisión. La precisión es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento y define los limites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio. Zona muerta (dead zone o dead band) Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que no produce su respuesta. Sensibilidad (sensitivity) Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. Repetibilidad (repeatibility) La repetibilidad es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del índice del instrumento al medir repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo. Histéresis (hysteresis) La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos ascendente y descendente Otros términos. Empleados en las especificaciones de los instrumentos: Campo de medida con elevación de cero Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es mayor que el valor inferior del campo. Campo de medida con supresión de cero Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es menor que el valor inferior del campo. Elevación de cero Es la cantidad con que el valor cero de la variable supera el valor inferior del campo. Supresión de cero Es la cantidad con que el valor inferior del campo supera el valor cero de la variable. Deriva. Es una variación en la señal de salida que se presenta en un periodo de tiempo determinado mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las condiciones ambientales. Página 21 de 152

Fiabilidad. Medida de la probabilidad de que un instrumento continúe comportándose dentro de los limites especificados de error a lo largo de un tiempo determinado y bajo condiciones especificadas. Resolución Magnitud de los cambios en escalón de la señal de salida (expresados en % de la salida de toda la escala) al ir variando continuamente la medida en todo el campo. Resolución infinita. Capacidad de proporcionar una señal de salida progresiva y continua en todo el campo de trabajo del instrumento. Ruido. Cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseada que modifica la transmisión, indicación o registro de los datos deseados. Linealidad. La aproximación de una curva de calibración a una línea recta especifica. Linealidad basada en puntos. Falta de linealidad expresada en forma de desviación máxima con relación a una línea recta que pasa a través de los puntos dados correspondientes al cero y al 100% de la variable medida. Estabilidad. Capacidad de un instrumento para mantener su comportamiento durante su vida útil y de almacenamiento especificado. Temperatura de servicio. Campo de temperaturas en el cual se espera que trabaje el instrumento dentro de limites de error especificados. Vida útil de servicio tiempo mínimo especificado durante el cual se aplican las características de servicio continuo e intermitente del instrumento sin que se presenten cambios en su comportamiento mas allá de tolerancias especificadas. Reproducibilidad. Capacidad de reproducción de un instrumento de las medidas repetitivas de la lectura o señal de salida para el mismo valor de la variable medida alcanzado en ambos sentidos, en las mismas condiciones de servicio y a lo largo de un período de tiempo determinado.

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Respuesta frecuencial Variación con la frecuencia de la relación de amplitudes señal de salida /variable medida (y de la diferencia de fases entre la salida y la variable medida)para una medida de variación senoidal aplicada a un instrumento de un campo establecido de frecuencias de la variable medida. Patrones de medición: Página 23 de 152

Clasificación de los patrones. Un patrón de medición es una representación física de una unidad de medición. a).- patrones internacionales b).- patrones primarios c).- patrones secundarios d).- patrones de trabajo Los patrones internacionales : Se definen por acuerdos internacionales, los patrones internacionales se evalúan y verifican periódicamente con mediciones absolutas en términos de las unidades fundamentales estos patrones se encuentran en la oficina internacional de pesas y medidas. Patrón primario (básicos): Se encuentran en los laboratorios nacionales en diferentes partes de mundo, estos representan unidades fundamentales y algunas de las unidades mecánicas, eléctricas y derivadas, se califican independientemente por medio de mediciones absolutas en cada uno de los laboratorios nacionales. Patrones secundarios: Son los patrones básicos de referencia que se usan en los laboratorios industriales de medición. Estos patrones se conservan en la industria particular interesada y se verifican localmente con otros patrones de referencia en el área. A partir de estas 7 unidades de base se establecen las demás unidades de uso practico, conocidas como unidades derivadas (Patrón secundario), asociadas a magnitudes tales como: velocidad, Aceleración, fuerza, presión, energía, tensión, resistencia eléctrica, etc. Patrones de trabajo: Son las herramientas principales en un laboratorio de mediciones. Es utilizan para verificar y calibrar la exactitud y comportamiento de las mediciones efectuadas en las aplicaciones industriales. Las definiciones de las unidades de base adoptadas por la Conferencia General de Pesas y Medidas son las siguientes: El metro (m) se define como la longitud de la trayectoria recorrida por la luz en él vació en un lapso de 1/299792458 de segundo. El kilogramo (Kg) se define como la masa igual a la del prototipo internacional del kilogramo. El segundo (s) se define como la duración de 9192631770 periodos de radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado base del átomo de cesio 133. El ampere (A) se define como la intensidad de una corriente constante que mantenida en dos conductores paralelos, rectilíneos de longitud infinita, de sección circular despreciable colocados a un metro de distancia entre sí en él vació produciría entre estos conductores una fuerza igual a 2x10-7 Newton por metro de longitud. El kelvin (K) se define como la fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua El mol (mol) se define como la cantidad de materia que contiene tantas unidades elementales como átomos existen en 0.012 kg de carbono 12. La candela (cd) se define como la intensidad luminosa en una dirección dada de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540x10 12 hertz y cuya intensidad energética en esa dirección es de 1/683 watts por esterradián. Página 24 de 152

Trazabilidad . Propiedad del resultado de las mediciones efectuadas con un instrumento o con un patrón tal que puede relacionarse con patrones nacionales e internacionales mediante una serie de comprobaciones ininterrumpidas con todas las incertidumbres determinadas. Incertidumbre. Es la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida. Resultado de aprendizaje 2.1.1 Practicar los conceptos básicos de Metrología (reproductividad, repetibilidad, patrón de medición, calibración, etc.). Tarea #2. Investigar los campos de aplicación de la metrología, y exponer su punto de vista en cuanto a los métodos de medición que conciernen a la metrología legal. Práctica #2. EL PROCESO DE MEDICIÓN. INTRODUCCIÓN: El alumno comprenderá que la actividad puede conceptualizarse como una interacción cuyo resultado es un valor del mensurando. Para ello, se necesita un elemento sensor del mensurando, usualmente sigue un proceso a la señal emitida por el sensor cuyo resultado es exhibido para conocimiento de la medición, por parte del alumno.

1. OBJETIVO: Que el alumno comprenda la importancia del proceso de medición, para realizar las mediciones con un menor grado de incertidumbre.

2. MARCO TEÓRICO: El alumno deberá comprender y entender los siguientes conceptos:  Alcance  Intervalo  Resolución  Valor de una División de la Escala  Linealidad  Deriva  Histéresis  Magnitud de Influencia Condiciones de Referencia  Incertidumbre  Exactitud  Error de Medición  Corrección

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DESARROLLO DE LA PRÁCTICA: 3. Equipo a utilizar:    

Manómetros. Termómetros Multímetros Rotámetros

4. Procedimiento de la Práctica:    

Determine el Alcance del manómetro, termómetro, multímetro y rotámetro Determine el Intervalo del manómetro, termómetro, multímetro y rotámetro Determine la Resolución del manómetro, termómetro, multímetro y rotámetro Determine el Valor de una División de la Escala del manómetro, termómetro, multímetro y rotámetro

Una vez obtenido todos los valores, vaciarlos en la tabla 1,2, 3 y 4, respectivamente  El Profesor deberá guiar a los alumnos y asesorar ante cualquier duda que se presente Características de los Manómetros Unidades Alcance

Intervalo

Resolución

Valor de una División de la Escala

Tabla 1 Características de los Termómetros

Valor de una Unidades Alcance Intervalo Resolución División de la Escala

Tabla 2 Características de

Valor de una Página 26 de 152

los Multímetros

Unidades Alcance Intervalo Resolución

División de la Escala

Tabla 3

Características de los Rotámetros

Unidades

Alcance Intervalo Resolución

Valor de una División de la Escala

Tabla 4 5. RESULTADOS OBTENIDOS: Cuestionario: ¿Qué importancia tiene determinar en los manómetros, termómetros y rotámetros, el alcance? ¿ Qué importancia tiene en determinar en los manómetros, termómetros, rotámetros, el intervalo? ¿ Qué importancia tiene en determinar en los manómetros, termómetros, rotámetros, la resolución? ¿ Qué importancia tiene en determinar en los manómetros, termómetros, multímetros, rotámetros, el valor de una división de la escala? ¿ Qué importancia tiene en determinar en los instrumentos de medición, el alcance, el intervalo, la resolución y el valor de una división de la escala?

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

Página 27 de 152

TEMA 3. INTERPRETACIÓN DE INCERTIDUMBRES EN LAS MEDICIONES. Objetivo de aprendizaje: 3.

Interpretar los conceptos de desviación, su clasificación y principales fuentes de incertidumbre en las mediciones

Criterio de aprendizaje: 3.1

Ilustrar los conceptos de desviación, su clasificación y principales fuentes de incertidumbre en las mediciones.

ANALISIS DE ERROR. Error: En general tiene dos componentes, tomando en cuenta que los errores accidentales o por descuido han sido evitados. Las componentes son: 1.- La componente sistemática o contable. 2.- La componente aleatoria.

1.- Componente Sistemática ( contable o fija ): Las principales razones por las que se introduce un error fijo son las siguientes: a.-) Por utilizar un método inadecuado de medición. Esto es no seleccionar adecuadamente la instrumentación, ya sea por su rango, su material o algún otro factor. b.-) Errores estáticos o dinámicos; Causados por medio ambiente desfavorable, los factores más comunes por las que se introduce un error por esta causa son: ruido excesivo en el medio, campos electromagnéticos y electrostáticos y por vibración de los edificios y tableros. c.-) Errores de calibración original: Pueden ser en la calibración del Serró, multiplicación o rango y de angularidad. d.-) Errores humanos: Como puede ser el Tomar lecturas equivocadas, errores de paralaje o aritméticos. Estos errores pueden ser evitados o corregidos tan pronto como sean detectados. 2.-Componente Aleatorios. Están sujetos a causas aleatorias y fortuitas y deben ser tratadas por métodos estadísticos. Esta forma de considerar a estos errores es tratada enseguida.

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Calculo de la medida de la extensión del error esperado. Considerando a F = Frecuencia de ocurrencia Si tenemos N observaciones, se puede cuantificar esto, en N resultados en regiones de ancho X ( = Delta). La ( F ) frecuencia de ocurrencia de que el resultado Xn donde n =1,2,… N se encuentre en cada región dada es simplemente el número de veces que X cae dentro de esa región. Generalmente se expresa como la frecuencia relativa F / N la cual puede ser graficada como una función de X. Para valores pequeños de n, esta característica consiste de una serie de niveles cada uno de ancho X y es conocido como histograma. Una gráfica lineal que une todos los centros superiores de los niveles del histograma es conocida como gráfica de distribución de frecuencia. Idealmente se considera que al hacer N muy grande y que X tienda a Zero, el histograma tiene una forma continua. Gráfica ideal de un histograma: Idealmente Lim N 

x

X 

Probabilidad o Frecuencia de ocurrencia

F

Distribución de frecuencia

Histograma

X X -d

 Desviación Fig. 4.1 Histograma

+d

Donde: Página 29 de 152

X = Media Aritmética  = Valor verdadero N = Numero de lecturas Cuando los errores son puramente aleatorios, los resultados X n de “n” observaciones sucesivas, son esparcidos a los lados del valor verdadero  con cerca de la mitad de los resultados arriba y la otra mitad debajo de . La media Aritmética de N observaciones.

X 

1 N

N

X n 1

n

Es el valor más probable de . . En el límite donde N tiende  ;  X tiende a . Así que tomando el promedio de un número grande de observaciones el error puramente aleatorio es eliminado. La desviación d se define como la diferencia de una observación dada de la medida de un conjunto de observaciones. X  X 2  X 3  ... X N _ X 1 dn = xn N -x Y la suma de todas las desviaciones, tomando en cuenta el signo tiende a cero. desviación absoluta de la media es definida como: 1 d N

La

N

d n 1

n

Una medida de la extensión del error esperado en cualquier observación es dada por la desviación raíz cuadrática media (r m s) o desviación típica estándar. Desviación típica  1 D  N

N

d n 1

1 2

2 n

 1    N

 

Desviación típica Estándar =

Varianza =

N

 x n 1

1 2



 x  2

n



Para más de 20 datos

Para valores grandes de N, D es llamada la desviación Estándar “” y su cuadrado  2 es conocido como la varianza o dispersión de X alrededor de  . Para menos de 20 datos: 

1 N  xn  x  2     N  1 n 1  

1 2

Página 30 de 152

Ejemplo: Se utiliza un transmisor de ΔP, para transmitir cierta cantidad de flujo, y la señal que se obtiene son las siguientes mediciones: ¿Cuál es la medida de la extensión del error esperado? Xn 1.2.3.4.5.6.7.8.9.-

6.47 6.48 6.51 6.58 6.45 6.49 6.50 6.46 6.54

ma. ma. ma. ma. ma. ma. ma. ma. ma.

10.- 6.52 ma. 6.50Ma. La desviación es la raíz cuadrada de la varianza y se representa con la letra S, es decir:

n

S=

 (xi - x)2 1/2 n-1 i =1

Resultado de aprendizaje. 3.1.1 Usar los conceptos básicos de desviación, su clasificación y principales fuentes de incertidumbre en las mediciones. La terminología empleada se ha unificado con el fin de que los fabricantes los usuarios y los organizamos o entidades que intervienen directa e indirectamente en el campo de la instrumentación industrial empleen el mismo lenguaje.

Practica # 3 COMO MEDIR BIEN. 1.

INTRODUCCIÓN:

El desarrollo de esta práctica permitirá al alumno comprender que el medir bien aumenta la confianza de los clientes, permite asegurar la calidad del producto disminuyendo los costos de no-calidad, apoya la eficiencia en el uso de los recursos, facilita la comparación en caso de controversia, apoya objetivamente las decisiones de mejora y ayuda a mantener el negocio. 2. OBJETIVO: Página 31 de 152

Que el alumno comprenda la importancia de saber medir bien, para obtener mejores resultados en la calidad de los productos de servicio. 3. MARCO TEÓRICO: El alumno deberá comprender que la incertidumbre No es un invento nuevo pues se ha usado el concepto desde hace muchos años, pero no se le había dado el énfasis que amerita hasta esta época cuando se ha percibido su importancia, por lo que se debe tener muy claro el significado de la Incertidumbre. Además deberá comprender que una de las características importantes de las mediciones es la Incertidumbre, por lo que las buenas mediciones cuentan a la Incertidumbre requerida entre sus especificaciones, es la Incertidumbre que se necesita. La Incertidumbre actual es la que podamos ofrecer y depende del sistema de medición completo incluyendo los equipos, procedimientos y personal. La Incertidumbre requerida depende de la variabilidad del mensurando y del riesgo. La variabilidad es cuantificada con las especificaciones o con la diferencia entre límites de control. El riesgo es el de confundir una medida aparentemente dentro de especificaciones cuando realmente está afuera. 4. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA: 1. Material a utilizar:    

Manuales de calidad. Manuales de las Normas oficiales de México. Un Vernier Un juego de Bloques, triangulares, rectangulares, circulares y cuerpo cuadrado.

2. Procedimiento de la Práctica:      

Con el Vernier tomar lectura de un bloque rectangular cada 5 min. y vaciar los datos en la tabla A. Con el Vernier tomar lectura de un bloque triangular cada 5 min. y vaciar los datos en la tabla B. Con el Vernier tomar lectura de un cuerpo circular cada 5 min. y vaciar los datos en la tabla C. Con el Vernier tomar lectura de un cuerpo cuadrado cada 5 min. y vaciar los datos en la tabla D El Profesor deberá guiar a los alumnos y asesorar ante cualquier duda que se presente. Todas las lecturas deberán ser tomadas bajo las mismas condiciones de trabajo, operación, y ambientales. Tabla de calibración A

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EQUIPO

Toma de lectura 1

Toma de lectura 2

Toma de lectura 3



Toma de lectura 4

Bloque rectangular 0 min 5min 10min 15min 20 min 25min  =

Tabla de calibración B EQUIPO

Toma de lectura 1

Toma de lectura 2

Toma de lectura 3



Toma de lectura 4

Bloque Triangular 0 min 5min 10min 15min 20 min 25min = = Tabla de calibración C EQUIPO

Toma de lectura 1

Toma de lectura 2

Toma de lectura 3



Toma de lectura 4

Cuerpo Circular 0 min 5min 10min 15min 20 min 25min = Página 33 de 152

= Tabla de calibración D EQUIPO

Toma de lectura 1

Toma de lectura 2

Toma de lectura 3



Toma de lectura 4

Cuerpo Cuadrado 0 min 5min 10min 15min 20 min 25min = = 5. RESULTADOS OBTENIDOS: Cuestionario: ¿Por qué se dice que se empieza a conocer un concepto cuando se cuantifica? ¿Se dice que la naturaleza nos impide conocer con certeza absoluta el valor verdadero de una magnitud, explique él por qué? ¿Por qué la Incertidumbre se estima y no se cuantifica? ¿El resultado de una medición contiene al menos dos cantidades, mencione cuales son? ¿El resultado de una medición depende de todo el sistema, explique él por qué? ¿Por qué las mediciones implican un costo dependiente de la incertidumbre? ¿Qué entiendes por Incertidumbre actual y requerida? 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

Practica final:

1.

INTRODUCCIÓN:

El alumno comprenderá que dos de las características más importantes como son, primeramente la Repetibilidad que se da manteniendo, el mismo procedimiento, observador, Página 34 de 152

instrumento, lugar, condiciones de uso y por otro lado la Reproducibilidad, que se da variando cualquiera de las siguientes condiciones, como principio de medición, método de medición, observador, instrumento, lugar, tiempo y condiciones de uso.

2.

OBJETIVO:

Que el alumno realice estudios de Repetibilidad y Reproducibilidad conocidos como estudios r&R, para separar los efectos debidos a la variabilidad propia del sistema de medición de aquellos debidos a otros factores.

3. MARCO TEÓRICO: El alumno deberá comprender y entender los siguientes conceptos:      

Repetibilidad Reproducibilidad Exactitud Error de medición Corrección Procedimiento

4. DESARROLLO DE LA PRACTICA Equipo a utilizar:    

Manómetros Termómetros Multímetros Rotámetros

Procedimiento de la Práctica: Para cada instrumento deberá obtener una hoja de cálculo, como la tabla 1  

Determine la repetibilidad de los instrumentos antes mencionados y los datos obtenidos vaciarlos en la tabla 1 Determine la reproducibilidad de los instrumentos antes mencionados y los datos obtenidos vaciarlos en la tabla 1 Una vez obtenido todos los valores, vaciarlos en la tabla 1



El Profesor deberá guiar a los alumnos y asesorar ante cualquier duda que se presente

Con los datos de los instrumentos de medición vaciarlos en las tablas 1, 2, 3, 4 respectivamente. Página 35 de 152

réplica 1

1

Observador es (i) 2

3

2 3 4 5 n=5 yi 

s2 

1  y ij n i

y

1  yij  yi  2  n 1 i

s

2

y p



r

i

i

s

Repetibilidad 2

i

i

Sr =

p

W= 

yi  y



  i



yi  y 

2

 

Reproducibilidad

s2L 

réplica 1

1

Observador es (i) 2

2

w s r  p 1 n

3

2 3 4 5 n=5 Página 36 de 152

yi 

1  y ij n i

y

1  yij  yi  2 s2   n 1 i

s

2

y p



r

i

i

s

Repetibilidad 2

i

i

Sr =

p

yi  y

W= 



 

yi  y 

s

2

2







i

w s2r   p 1 n

L

Reproducibilidad SL =

Tabla 2

réplica 1

1

Observador es (i) 2

3

2 3 4 5 n=5 yi 

1  y ij n i

y

y

i

i

p Repetibilidad

s2 

1  yij  yi  2  n 1 i

s

2



r

s

2

i

Sr =

i

p

yi  y

W= 



  

i

yi  y 

2

 

Reproducibilidad

s

2

L

w s2r   p 1 n S = L

Tabla 3 Página 37 de 152

réplica 1

Observador es (i) 2

1

3

2 3 4 5 n=5 yi 

1  y ij n i

y

y

i

i

p Repetibilidad

s2 

1 2   yij  yi  n 1 i

s

2



r

s

2

i

Sr =

i

p

yi  y

W= 



  i



yi  y 

2

 

Reproducibilidad

s2L 

w s2r  p 1 n S = L

réplica 1

1

Observador es (i) 2

3

2 3 4 5 n=5

Página 38 de 152

yi 

s2 

1  y ij n i

1  yij  yi  2  n 1 i

yi  y

y

s

2

y p



r

i

i

s

Repetibilidad 2

i

i

Sr =

p

W= 



  i



yi  y 

2

 

Reproducibilidad

s

2

L

w s2r   p 1 n S = L

Tabla 4 5. RESULTADOS OBTENIDOS: Cuestionario: 1. ¿Qué importancia tiene determinar la repetibilidad de los instrumentos? 2. ¿Qué importancia tiene determinar la reproducibilidad de los instrumentos? 3.- ¿Explique por que la exactitud es un concepto cualitativo?

UNIDAD 2. INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL. INTRODUCCIÓN. Si analizamos nuestras actividades cotidianas, desde el momento que suena la alarma de un despertador y nos preparamos para desarrollar nuestras actividades diarias, así como encender un foco o escuchar el encendido o apagado del motor de la bomba, etc., nos auxiliamos de instrumentos que nos ayudan a desarrollar ciertas actividades oportunamente con eficacia, rapidez, etc. Página 39 de 152

De igual manera técnicos, ingenieros, electricistas, electrónicos, médicos, se auxilian de los instrumentos para llevar a cabo sus actividades diarias, con el objetivo de lograr un avance con la mayor eficiencia, calidad y volumen de producción. Es lógico pensar que para las industrias, sin importar el tamaño de estas, es imprescindible el uso de instrumentos industriales, para facilitar la manufactura de sus productos. Como consecuencia de la globalización de los mercados internacionales, se ha orillado a los países del tercer mundo a competir en el mercado con productos de calidad, precio y tiempo de entrega oportunos. ¿Qué es la instrumentación industrial? Es en conocimiento de la correcta aplicación de los equipos encaminados para apoyar al usuario en la medición, regulación, observación, transformación, control, ofrecer mecanismos de seguridad, etc., de una variable dada en un proceso productivo. Los instrumentos de control están universalmente aceptados. Hoy en día es inimaginable la existencia de una industria moderna sin instrumentos. Y, aunque existiera, las necesidades que crea el mercado de obtener productos y servicios terminados con las garantías de calidad exigidas y en la cantidad suficiente para que el precio obtenido sea competitivo, forzaría a modificar esta hipotética industria, incluyendo en la transformación subsiguiente la automatización del proceso mediante los instrumentos de medición y de control. En la industria se presenta pues repetidamente la necesidad de conocer y entender el funcionamiento de los instrumentos y el papel que juegan dentro del control de proceso. Así le ocurre al jefe o al operador del proceso, al estudiante, al técnico, al ingeniero y a cualquier persona que este relacionada o vaya relacionarse con el proceso, sin mencionar como es lógico al instrumentista o al técnico en instrumentos. Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de productos derivados del petróleo, de los productos de la industria cerámica, las centrales generadoras de energía, la siderurgia, los productos alimenticios, la industria textil, los tratamientos térmicos, la industria papelera, etc.

En todos estos procesos en necesario controla y mantener constante algunas magnitudes, tales como la presión, el flujo, el nivel, la temperatura, el Ph, la conductividad, la velocidad, la humedad, el punto de roció, etc. Los instrumentos de medición y de control permiten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas que las que el propio operador podría realizar. Esta unidad esta integrada por tres temas que permitirán al alumno establecer, interpretar y operar los conceptos básicos de la instrumentación industrial. Página 40 de 152

TEMA 1. CONCEPTOS Y DEFINICIONES. OBJETIVO Y CRITERIO DE APRENDIZAJE 1.

Utilizar la instrumentación empleada en los distintos procesos de control.

1.1

Usar la instrumentación empleada en los distintos procesos de control.

TEMA 2. SEÑALES ESTÁNDAR EN INSTRUMENTACIÓN. 2.

Emplear las señales estándar más usadas en instrumentación.

2.1

Usar las señales estándar más usadas en instrumentación.

TEMA 3. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS Y DINÁMICAS DE LA INSTRUMENTACIÓN. 3.

Interpretar de la información técnica (manuales, catálogos, etc.) de un instrumento de medición en general.

3.1

Utilizar las características y la información técnica (manuales, catálogos, etc.) de un instrumento de medición en general.

DEMOSTRACIÓN DE HABILIDADES PARCIALES (RESULTADOS DE APRENDIZAJES) 1.1.1 EMPLEAR LA INSTRUMENTACIÓN USADA EN LOS DISTINTOS PROCESOS DE CONTROL. 2.1.1 Interpretar las señales estándar mas usadas en instrumentación. 3.1.1 Registrar las características y la información técnica, (manuales, catálogos, etc.) de un instrumento de medición en general.

TEMA 1. CONCEPTOS Y DEFINICIONES: Objetivo de aprendizaje: 1. Utilizar la instrumentación empleada en los distintos procesos de control. Criterio de aprendizaje. 1.1 Usar la instrumentación empleada en los distintos procesos de control. Página 41 de 152

INTRODUCCIÓN. En los inicios de la era industrial, el operario llevaba a cabo un control manual de estas variables utilizando solo instrumentos simples, manómetros, termómetros, válvulas manuales, etc., control que era suficiente por la relativa simplicidad de los procesos. Sin embargo, la gradual complejidad con que estos se han ido desarrollando ha exigido su automatización progresiva por medio de los instrumentos de medición y de control. Estos instrumentos han liberado al operario de su función de actuación física directa en la planta y al mismo tiempo, le han permitido una labor única de supervisión y de vigilancia del proceso desde centros de control situados en el propio proceso o bien en salas aisladas separadas; así mismo, gracias a los instrumentos a sido posible fabricar productos complejos en condiciones de calidad y de características estables, condiciones que al operario le serian imposibles o difíciles de conseguir, realizando exclusivamente un control manual. Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categorías: procesos continuos y procesos discontinuos. En ambos tipos, deben mantenerse en general las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado fijo, bien en un valor variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, o bien guardando una relación determinada con otra variable. El sistema de control que permite este mantenimiento de las variables puede definirse como aquel que compara el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma una acción de corrección de acuerdo con la desviación existente sin que el operario intervenga. El sistema de control exige, para que esta comparación y subsiguiente corrección sean posibles, se incluya una unidad de medida, una unidad de control, el elemento final de control y el propio proceso. Este conjunto de unidades forman un bucle, loop, o lazo que recibe el nombre de lazo de control. El lazo o bucle puede ser abierto o cerrado.

Sistemas Abiertos: Son aquellos que no verifican o rectifican la salida del proceso, esto se refiere a que en estos tipos de sistemas únicamente van a controlar las diferentes variables antes del proceso o durante el mismo. Sistemas Cerrados: Son aquellos sistemas en donde el aparato de control verifica la salida del proceso. Para este tipo de sistemas se tiene mas control sobre el proceso. Página 42 de 152

Los sistemas cerrados se clasifican en 2 tipos: Sistemas Cerrados de Prealimentación: Son aquellos sistemas donde el elemento primario de medición ( este puede ser un termómetro o algún otro aparato) se encuentra instalado antes de entrar al proceso y el medio que estamos controlando. Sistemas Cerrados de Retroalimentación: Son aquellos sistemas en donde el elemento primario de medición, se encuentra en la salida del proceso y el medio que se esta controlando. Una combinación de ambos se conoce como mixto. Consideraciones y comentarios sobre la importancia de los instrumentos de medición y control en las operaciones industriales: Todas las operaciones de las plantas industriales dependen de la medida y el control de determinadas variables del proceso. Los instrumentos necesarios se han convertido en parte importante de las operaciones industriales y no se considera ya un equipo auxiliar. El control automático es de gran importancia para los procesos continuos, y el perfeccionamiento de estas operaciones y de su control han ido en gran parte parejos. En realidad, el control de los procesos se clasifica a menudo como una operación unitaria, y muy importante; así, sin métodos de control seguros, manuales o automáticos, las industrias de procesos no podrían trabajar. Y aunque las operaciones continuas pueden funcionar a veces con un mínimo de instrumentos para guiar a los operadores, es necesario resaltar que el funcionamiento de muchos procesos continuos modernos seria imposible sin una aportación adecuada de instrumentos. Los procesos continuos, como por ejemplo la refinación del petróleo así como la obtención de sus derivados, exigen que cada uno de sus pasos se lleve a cabo en condiciones rigurosamente controladas en todos los momentos. Por consiguiente, la aportación de instrumentos a las industrias de procesos no deben considerarse como una cosa conveniente, sino como una necesidad absoluta. Con el empleo de instrumentos de control automático se disminuye la mano de obra necesaria y, como consecuencia se reduce el costo de la mano de obra directa. La uniformidad en la producción y el control uniforme de las variables que intervienen en el proceso aumenta la capacidad del equipo así como la calidad de los productos obtenidos. Ahora bien, para poder tener una máxima utilidad de la instrumentación de las plantas, es necesario que un técnico experimentado, aparte de conocer el proceso, debe conocer a fondo cada uno de los instrumentos de medición y control que intervienen en este, lo cual comprende sus aplicaciones, limitaciones, manipulación operacional y además en un momento dado debe analizar y descubrir las fallas correspondientes y las propias de los instrumento de medición y control. Los instrumentos industriales comprenden dos clases generales, a saber, 1) los que miden, y 2) los que miden y controlan. Un instrumento de medida puede usarse por si solo o combinarse con un dispositivo controlador para formar lo que se llama un controlador automático. Si bien la mayoría de los instrumentos industriales se usan para fines de control, Página 43 de 152

no todos son automáticos, ya que muchos de los de medida se emplean principalmente como guía para el control manual.

1. Proceso / Punto de ajuste. 2. Variable controlada 3. Elementos primarios de medición. 4. Medio de medición. 5. Transmisor. 6. Señal de medición. 7. Controlador. 8. Punto de ajuste. 9. Señal controlada. 10.Elemento final de control. 11. Agente de control. 12.Variable manipulada Proceso: El o los equipos en los cuales la variable controlada va a ser contenida dentro de ciertos valores predeterminados. Variable de Proceso: Una cantidad o condición física o química sé varia en función del tiempo. Variable Controlada: Es una variable de proceso que es medida y/o controlada por un sistema de control. Fluido de Medición: Un fluido o energía que lleva la señal producida en el elemento primario o un receptor, que puede ser un indicador, un registrador, un transmisor, etc. Transmisor: Página 44 de 152

Un dispositivo que detecta la variable controlada a través de un elemento de estado estable varia como una función predeterminada de la variable controlada. Elemento Primario de Medición: Son aquellos que están en contacto directo con la variable a medir y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada. Señal de Medición: Señal producida en un transmisor por elementos primarios y que es medida en forma de presión, corriente, voltaje o energía electromagnética. Controlador Automático: Un dispositivo que mide el valor de una cantidad o condición variable y opera para mantenerla dentro de sus limites. Punto de Ajuste (Set-Point): Es el valor de la variable controlada que se desea mantener y es ajustado mecánicamente o por otro medio. Señal Controlada: También llamada salida del controlador, es una magnitud en presión (neumática), corriente o voltaje, obtenida como resultado de una operación en el controlador. Elemento final de control: Es la parte del circuito de control que directamente varia al agente de control (válvulas, servomotores, etc.).

Agente de Control: Material o energía del proceso que afecta el valor de la variable controlada y su cantidad es regulada por el elemento final de control. Variable Manipulada: Variable del agente de control que se opera por el elemento final de control y directamente cambia la energía del proceso. Error: Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de variable medida. Error Angular o de Linealidad: Aparece en el centro de la gama cuando las lecturas son ciertas al principio y al final de la escala.

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Error Dinámico: Siempre que las condiciones sean de cambio continuo existirá un error dinámico que se presentara en retrasos en la medición. Esto esta influido por el tipo de acoplamiento, los materiales, el proceso a medir, etc. Error de Multiplicación: Se presenta cuando incrementa o disminuye a lo largo de la escala. Error Estático: Error obtenido cuando el proceso esta en régimen permanente y la variable medida no cambia su valor. Error Lineal o de Cero: Es constante a lo largo de la escala. Errores de Medición: Se tienen dos familias de errores 1. Propios del sistema. 2. Por patrones falsos Los instrumentos de medición generalmente garantizan el 1% de precisión, cuando se requiere mayor precisión implica mayor costo, cuidar que el patrón cumpla con los requerimientos. Existen dos o tres tipos de fuentes

Ruidos de Medición Interno: Se pueden meter a nivel de elemento primario (termopar por ejemplo), en la transmisión es donde se introduce ruido ya que por ejemplo, el termopar mide bien pero en la transmisión se introducen ruidos que afectan la medición. a. En elementos primarios. b. En todo lazo de comunicación. c. EN elementos receptores (es donde existen más errores) Los errores más comunes son de interpretación y observación que son: paralaje, interpolación, conocimientos del operador. Ruidos Exteriores: Se deben a perturbaciones del medio ambiente (ondas de radio, efectos electromagnéticos). Todos los cables de instrumentación son blindados y torcidos para reducir la influencia externa al mínimo en las cajas de conexión se tienen problemas de mala conexión a tierra. Tiempo de Respuesta: Página 46 de 152

La mayoría de los instrumentos de medición están calibrados para que trabajen como sistemas de 2° orden critico (sistema electromecánico), la constante de tiempo del sistema, la mayoría de las variables físicas se calibran para tiempo critico pero aún así tienen atraso.

Resultado de aprendizaje 1.1.1 Emplear la instrumentación usada en los distintos procesos de control.

Ejercicio #1: Dada la siguiente figura identifique: la variable controlada, la variable manipulada, set-point, elemento final de control, elemento primario de medición, señal de transmisión, agente de control.

TEMA 2. SEÑALES ESTÁNDAR EN INSTRUMENTACIÓN. Objetivo de aprendizaje: 2. Emplear las señales estándar mas usadas en instrumentación. Página 47 de 152

Criterio de aprendizaje: 2.1 Usar las señales estándar mas usadas en instrumentación. INTRODUCCIÓN. La razón de estandardizar las gamas de las señales de salida de los instrumentos es poder interconectar éstos ya sea de diversas marcas y uniformizarlos, esto permite a los receptores recibir señales de cualquier variable, sin importar la gama de esas variables puesto que todos los instrumentos poseerán salidas comunes.

Gamas Eléctricas

Gamas Neumáticas

1 a 5 ma DC

3 a 15 lb/plg2 (0.21 a 0.5 Kg/cm2)

4 a 20 ma DC

3 a 30 lb/plg2 (0.21 a 2.1 Kg/cm2)

10 a 50 ma DC

Figuran a continuación los símbolos a emplear en los planos y dibujos de representación de instrumentos en los procesos industriales. *Se sugieren las siguientes abreviaturas para representar el tipo de alimentación

(o bién purga de fluidos). AS Alimentación de aire. (Air Supply) ES Alimentación Eléctrica. (Electric Supply) GS Alimentación de gas. (Gas Supply) HS Alimentación hidráulica. (Hidraulic Supply) Página 48 de 152

NS Alimentación de nitrógeno. (Nitrogen Supply) SS Alimentación de vapor. (Steam Supply) WS Alimentación de agua. (Water Supply) **El símbolo también se aplica también a cualquier señal que emplee gas como medio de transmisión. Si se emplea un gas distinto del aire debe identificarse con una nota al lado del símbolo o bien de otro modo. *** Los fenómenos electromagnéticos incluyen calor, ondas de radio, radiación nuclear y luz. *Se sugieren las siguientes abreviaturas para representar el tipo de alimentación (o bien purga de fluidos).

Resultado de aprendizaje 2.1.1 Interpretar las señales estándar mas usadas en instrumentación: Investigación # 2: Con lo hasta ahora estudiado, instrumente el diagrama del intercambiador de la figura. Al instrumentar un control de proceso, una de las decisiones más importantes y difíciles es la selección de los instrumentos, sus señales, su configuración, las características dinámicas de un sistema de control están definidas por el tiempo y la trayectoria que sigue la señal de la variable sigue después una perturbación del sistema. Este tiempo y trayectoria están influenciados grandemente por las características dinámicas del instrumento de medición, lo cual es quizá la parte más importante de un sistema de control.

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TEMA 3. Página 50 de 152

CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS Y DINÁMICAS DE LA INSTRUMENTACIÓN. Objetivo de aprendizaje. 3. Interpretar de la información técnica (manuales, catálogos, etc. ) de un instrumento de medición en general. Criterio de aprendizaje 3.1 Utilizar las características y la información técnica (manuales, catálogos, etc. ) de un instrumento de medición en general. INTRODUCCIÓN. Los instrumentos industriales pueden realizar las siguientes funciones: 1.- Captar o sensar una variable. 2.- Acondicionar una variable dada. 3.- Trasmitir una variable. 4.- Controlar una variable. 5.- Indicar la magnitud de una variable. 6.- Totalizar una variable. 7.- Registrar una variable. 8.- Convertir una variable. 9.- Alarmar por magnitud una variable. 10.- Interrumpir o permitir una secuencia dada. 11.- Trasmitir una señal. 12.- Amplificar una señal. 13.- Manipular una variable del proceso, etc. Clasificar los instrumentos industriales, implica entrar a un tema muy amplio, ya que se requiere un conocimiento tanto teórico como practico en la aplicación industrial de estos equipos. De acuerdo a la experiencia trataremos de hacer algunas clasificaciones en forma breve y lo mas explicito posible: Se considerara dos clasificaciones básicas: la primera relacionada con la función del instrumento y la segunda con la variable del proceso. A).- En función del instrumento: De acuerdo con la función del instrumento, obtenemos las formas siguientes: Instrumentos ciegos, son aquellos que no tienen indicación visible de la variable. Hay que hacer notar que son instrumentos ciegos de alarma, tales como, presostatos y termostatos (interruptores de presión y de temperatura respectivamente) que poseen una escala exterior Página 51 de 152

con un índice de selección de la variable, ya que solo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador al cruzar la variable el valor seleccionado. Son también instrumentos ciegos, los trasmisores de flujo, nivel y temperatura sin indicación. Los instrumentos indicadores, disponen de un índice y de una escala en la que puede leerse el valor de la variable. Según la amplitud de la escala se dividen en indicadores concéntricos y excéntricos. Existen también indicadores digitales que muestran la variable en forma numérica con dígitos. Instrumentos registradores, registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de grafico rectangular o alargado según sea la forma de la grafica. Los registradores de grafico circular suelen tener el grafico de una revolución cada 24 horas mientras que en los de grafico rectangular la velocidad normal es de unos 20 mm/hora. Elementos primarios de medición, están en contacto con la variable a medir y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada. Trasmisores, captan la variable de proceso a través del elemento primario y la trasmiten a distancia en forma de señal neumática de margen de 3 a 15 Psi (libras por pulgada cuadrada) o eléctrica de 4 a 20 ma. de corriente directa. El elemento primario puede formar parte o no del trasmisor; el primer caso lo constituye un trasmisor de temperatura y capilar y el segundo un trasmisor de flujo con placa orificio. Transductor, son los elementos que reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida. Son transductores, un elemento primario, un relé, un trasmisor, etc. Convertidores, son aparatos que reciben una señal de entrada neumática o eléctrica procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar. Conviene señalar que a veces se confunde convertidor con transductor. Este ultimo termino es general y no debe aplicarse a un aparato que convierta una señal de instrumentos. Receptores, reciben las señales procedentes de los trasmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada a los valores ya indicados 3 – 15 psi en señal neumática, o 4 – 20 ma c.d. en señal eléctrica que actúan sobre el elemento final de control. Controladores, compara la variable controlada (presión, nivel, temperatura, flujo) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva y de acuerdo con la desviación. La variable controlada la pueden recibir directamente, como controladores locales o bien indirectamente en forma de señal eléctrica o neumática procedente de un trasmisor. Elemento final de control, recibe la señal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. En el control neumático, el elemento suele ser una válvula neumática o un servomotor neumático en donde efectúan su carrera completa de 3 – 15 Psi. En el control eléctrico la válvula o el servomotor anteriores son accionados a Página 52 de 152

través de un convertidor de corriente a presión (I/P) que convierta la señal eléctrica de 4 a 20 ma.c.d. a neumática 3 – 15 Psi. En el control eléctrico el elemento suele ser una válvula motorizada que efectúa su carrera completa accionada por un servomotor eléctrico. B).- En función de la variable del proceso: De acuerdo con la variable del proceso, los instrumentos se dividen en instrumentos de flujo, nivel, presión, temperatura, densidad y peso especifico, humedad y punto de rocío, posición, Ph, conductividad, frecuencia, turbidez, etc. Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas siendo independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de proceso. De este modo, un trasmisor neumático de temperatura del tipo bulbo y capilar, es un instrumento de temperatura a pesar de que la medida se efectúa convirtiendo las variaciones de presión del fluido que llena el bulbo y el capilar; el aparato receptor de la señal neumática del trasmisor anterior es un instrumento de temperatura, si bien, al ser receptor neumático lo podríamos considerar instrumento de presión, flujo, nivel o cualquier otra variable, según fuera la señal medida por el trasmisor correspondiente. Un registrador potenciométrico puede ser un instrumento de temperatura, de conductividad o de velocidad, según sean las señales medidas por los elementos primarios de termopar, electrodos o dinamo. Así mismo, esta clasificación es independiente del numero y tipo de transductores existentes entre el elemento primario y el instrumento final. Así ocurre en el caso de un trasmisor electrónico de nivel de 4 a 20 ma.c.d., un receptor controlador con salida de 4 – 20 ma.c.d.,un convertidor intensidad – presión (I/P) que transforma la señal de 4 – 20 ma.c.d. a neumática de 3 – 15 psi y la válvula neumática de control; Todos estos instrumentos se consideran de nivel. En la designación del instrumento se utilizan en el lenguaje común las dos clasificaciones expuestas. Y de este modo, se consideran instrumentos tales como transmisores ciegos de presión controladores registradores de temperatura, receptores indicadores de nivel, receptores controladores registradores de caudal, etc. Resultado de aprendizaje 3.1.1 Registrar las características y la información técnica (manuales, catálogos, etc.) de un instrumento de medición en general Ejercicio #2: Señale en el diagrama del intercambiador de calor de la figura los instrumentos necesarios para el control, indicación y registro del proceso que se detalla., Así mismo mencione los elementos necesarios para el sistema de protección y seguridad en el proceso.

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Práctica # 5: Identificación de las características de los instrumentos. 1.-INTRODUCCIÓN. Al desarrollar esta práctica, el alumno se familiarizará más, con los conceptos de las características estáticas y dinámicas de los instrumentos, y con el uso del equipo de prueba y calibración. 2.-OBJETIVO. Aprender a identificar las diferentes características de instrumentación, para seleccionarla adecuadamente según su aplicación, aprender y familiarizarse con el uso de equipo e instrumentos de medición, prueba y calibración. 3.-MARCO TEORICO. Para realizar esta practica, se deben involucrar los conceptos generales obtenidos de la unidad temática N0. 1 y 2 como son los puntos 1.usar las unidades básicas del S.I. e Inglés, 1. identificar la instrumentación en los distintos procesos de control y 3.1 utilizar las características y la información técnica (manuales, catálogos, etc.) de un instrumento de medición en general. Página 54 de 152

También se debe tener el conocimiento previo del manejo y funcionamiento de equipo como: osciloscopio, multímetro y generador de funciones. 4.-DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. 4.1.-Material y equipo a utilizar: Termómetro de vidrio de mercurio de -20 a 100 0C. Termómetro bimetálico de -100 a 1500C. Manómetro de Bourdon de 0 a 2 Kg/cm2 (0 – 30 Psi). Manómetro de Bourdon de 0 a 11 Kg/cm2 (0 – 160 Psi). Dos recipientes metálicos (tinas). Una parrilla eléctrica. Mangueras y conexiones. Agua y/o aceite. Un osciloscopio. Un Multímetro. Un generador de funciones o generador de señales. Un calibrador neumático (W & T). Una balanza de pesos muertos. Alimentación de aire regulado. 4.2.- Procedimiento de la practica: a).- Características de los medidores de presión y uso apropiado del equipo. b).- Explicación general del uso y funcionamiento del equipo de prueba y calibración de prueba y calibración: Calibrador neumático (W & T) y de la balanza de pesos muertos. Conectar los manómetros a los equipos como se indica en el diagrama.

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3.- Aplicar presión a los 2 manómetros según su rango, y determinar o definir las características de los Manómetros 1.- Características físicas: - tamaño del manómetro (carátula). - Tipo y medida de la conexión. - Material del Bourdon. A.- Características Estáticas y Dinámicas del instrumento (manómetro). Determinar: - rango - span - resolución - exactitud - respuesta al escalón. B.- Características de los sensores de temperatura. (del termómetro de vidrio de Hg y de termómetro bimetálico) Determinar las características de los Sensores: Características Físicas: Tamaño de los Sensores (longitudes). Tipo y medida de conexión. Características Estáticas y Dinámicas: Rango (span) Resolución Exactitud (tomando como patrón el termómetro de Hg) respuesta al escalón. Uso de la parrilla eléctrica para el calentamiento del fluido y medición de temperatura usando el termómetro de vidrio de Hg. como sensor patrón.

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LECTURAS: TERMOMETRO DE VIDRIO Hg

TERMOMETRO BIMETALICO

La respuesta al escalón se obtiene al cambiar inmediatamente de un recipiente con fluido frío al recipiente con fluido caliente y viceversa. C.-) Características de los equipos electrónicos. 1).- Explicación general del uso y funcionamiento del equipo electrónico de prueba y calibración. Osciloscopio Generador de funciones. Multímetro. 2).-Conectar el equipo y encenderlo.

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3).-Tomando como señal patrón la indicada por el generador de funciones en su display de salida: 1. - Determinar las características estáticas y dinámicas del osciloscopio y voltímetro. Rango (Span). Resolución Exactitud 5.- RESULTADOS OBTENIDOS: Entregar la tabla de valores obtenidos entre: a) La señal proporcionada por el calibrador neumático y la medida por el manómetro. b) La señal aplicada en la balanza de pesos muertos y la medida por el manómetro. c) La señal medida por el termómetro de vidrio de mercurio y el termómetro bimetálico. d) La señal proporcionada por el generador de funciones y la medida por el osciloscopio el y el multímetro (valor RMS). e) Resumir y anotar las características que se obtuvieron de los diferentes instrumentos. 6.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

Práctica # 6 Final : TRANSMISIÓN DE SEÑAL EN LA INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS. 1. INTRODUCCIÓN: En todo proceso industrial es importante comprender las señales de los instrumentos e identificar sus posibles fallas debido a una mala transmisión o recepción del propio instrumento. El diagrama que presenta esta practica viene a ser un pequeño ejemplo de la instrumentación de procesos, y sus señales de transmisión, por lo cual será un forma de comprender y simular un proceso real. 2. OBJETIVO: Que el alumno identifique las señales más comunes de los instrumentos del diagrama, para simular un rastreo de fallas en instrumentos, en un proceso real. 3. MARCO TEÓRICO: El alumno deberá tener pleno conocimiento en el uso de los símbolos y nomenclatura de la I.S.A.  Señales Electrónicas  Señales Neumáticas  Señales Hidráulicas  Señales de Tubo capilar Página 58 de 152



Señales Electromagnéticas

4. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA: 1. Equipo que se utiliza:  Diagrama 2. Procedimiento de la practica: El alumno con los conocimientos adquiridos de la simbología deberá de identificar las señales que envían los instrumentos de la Fig. 1 Deberá de simular como rastrea una señal de un instrumento a otro Deberá de distinguir la señal una de otra.

Diagrama que nos muestra la Instrumentación y señales de equipo utilizado en una Central Ciclo Combinado 5. RESULTADOS OBTENIDOS: 1. ¿Qué ventajas tiene el simular el rastreo de señales? 2. ¿Qué señales son las más comunes? 3. Identifique la lógica de operación de la PCV 101, y explique su funcionamiento, anexando el reporte a la practica. 

Proponga un diseño donde se involucren elementos finales de control con electroválvulas y accesorios, con la simbología I.S.A.

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

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UNIDAD 3. SIMBOLOGÍA Y DIAGRAMAS DE PROCESOS. INTRODUCCIÓN.

En instrumentación y control se emplea un sistema especial de símbolos, con el objeto de transmitir más efectivamente sus ideas, como su información. Es indispensable en el diseño, selección, operación y mantenimiento de sistemas de control. Un sistema de símbolos ha sido estandarizado por la ISA ( Sociedad de Instrumentistas de América. L a siguiente información es de la norma: ANSI / ISA-S5.1-1984 (R 1992) Las necesidades de varios usuarios cuando sus procesos son diferentes. La norma reconoce estas necesidades, proporcionando métodos de simbolismos alternativos. Se Página 60 de 152

mantienen varios ejemplos agregando la información o simplificando simbolismos, según se desee. Los símbolos de equipo en el proceso no son parte de esta norma, pero se incluyen para ilustrar aplicaciones de símbolos de la instrumentación. APLICACIÓN DE LA INDUSTRIA.

La norma es conveniente para el uso en la química, petróleo, generación de electricidad, aire acondicionado, refinando metales, y otros procesos industriales. Ciertos campos, como la astronomía, navegación, y medicina, usan instrumentos muy especializados, diferentes a los instrumentos de procesos industriales convencionales. Se espera que la norma sea flexible, lo bastante para encontrarse muchas de las necesidades de campos especiales. APLICACIÓN EN ACTIVIDADES DE TRABAJO.

Para la norma es conveniente para usar siempre cualquier referencia de un instrumento o de una función de sistema de control se requiere para los propósitos de simbolización e identificación. Pueden requerirse tales referencias para los usos siguientes, así como otros: a. b. c. d.

Bocetos del plan Ejemplos instrucción Papeles técnicos, literatura y discusiones Diagramas de sistemas de instrumentación, diagramas de vuelta, diagramas lógicos

e. f. g. h. i. j.

Descripciones funcionales Diagramas de flujo: procesos, mecánicos, ingeniería, sistemas, que conducen por tuberías (el proceso) e instrumentación. Dibujos de construcción Especificaciones, ordenes de compra, manifiestos, y otras listas Identificación (etiquetado) de instrumentos y funciones de control Instalación, operación, e instrucciones de mantenimiento, dibujos, y archivos

Los documentos del proceso de medida y control (quien tiene una cantidad razonable de conocimiento del proceso) para entender los medios de medida y mando del proceso. El conocimiento detallado de un especialista en la instrumentación no es un requisito previo a esta comprensión. APLICACIÓN A CLASES DE INSTRUMENTACIÓN Y FUNCIONES DE INSTRUMENTOS. El simbolismo y métodos de identificación proporcionados en esta norma son aplicables a todas las clases de medida del proceso e instrumentación de control. Ellos no-solo son aplicables a la descripción discreta de instrumentos y sus funciones, pero también para describir las funciones análogas de sistemas que son “ despliegue compartido”, “control compartido”, “control distribuido” y “control por computadora”. El tema de simbología y diagramas de procesos se subdivide en tres temas, los cuales son: Página 61 de 152

TEMA 1: SÍMBOLOS EN INSTRUMENTOS DE CAMPO. OBJETIVO Y CRITERIO DE APRENDIZAJE.

1.

Localizar los instrumentos a través de su simbología.

1.1 Explicar la simbología de instrumentos de acuerdo a normas ISA y SAMA. TEMA 2: NOMENCLATURA, LECTURA DE DIAGRAMAS DE PROCESOS Y COLOCACIÓN DE INSTRUMENTOS. OBJETIVO, CRITERIO Y RESULTADO DE APRENDIZAJE.

2. Aplicar la simbología en un diagrama de proceso y su correspondiente codificación. 2.1

Explicar la simbología y nomenclatura de los diferentes instrumentos industriales.

TEMA 3: SÍMBOLOS DE ELEMENTOS DE PROCESOS. OBJETIVO, CRITERIO Y RESULTADO DE APRENDIZAJE.

3. 3.1

Distinguir los elementos de procesos, de sistemas y diagramas. Presentar diferentes procesos físicos con sus correspondientes diagramas.

DEMOSTRACIÓN DE HABILIDADES PARCIALES (RESULTADOS DE APRENDIZAJE)

1.1.1 Localizar diferentes instrumentos en un plano de diferentes procesos industriales. 2.1.1 Emplear la simbología y nomenclatura en la realización de un plano de procesos. 3.1.1 Obtener un diagrama a partir de un proceso físico.

TEMA1. SÍMBOLOS EN INSTRUMENTOS DE CAMPO. Objetivo de aprendizaje:

1.

Localizar los instrumentos a través de su simbología.

Criterio de aprendizaje: Página 62 de 152

1.1

Explicar la simbología de instrumentos de acuerdo a normas ISA y SAMA.

DEFINICIONES:

Para un mejor entendimiento de la norma, se tienen las siguientes definiciones: ACCESIBLE: Este termino se aplica a un dispositivo o función que puede ser usado o visto por un operador con el propósito de controlar el desempeño de las acciones de control; como ejemplo: cambios en el set - point, transferencia auto - manual o acciones de encendido y apagado. ALARMA: Es un dispositivo o función que detecta la presencia de una condición anormal por medio de una señal audible o un cambio visible discreto, o puede tratarse de ambas señales al mismo tiempo, las cuales tienen el fin de atraer la atención. ASIGNABLE: Este termino se aplica a una característica que permite el cambio (o dirección) de una señal de un dispositivo a otro sin la necesidad de la activación de un switch o algún otro elemento. ESTACION AUTO - MANUAL: Termino empleado como sinónimo de estación de control. BALÓN: Se emplea como sinónimo de burbuja. DETRÁS DEL PANEL: Este termino se refiere a la posición de un instrumento, el cual ha sido montado en un panel de control, pero no es normalmente accesible al operador. BINARIO: Termino aplicado a una señal o dispositivo que tiene solo dos posiciones o estados discretos. Cuando es usado en su forma más simple, como en “ señal binaria” (lo que es opuesto a señal analógica), el termino denota en estado de “ encendido – apagado” o de “ alto – bajo”. BOARD: Termino en ingles el cual se interpreta como sinónimo de panel. BURBUJA: Símbolo circular usado para detonar e identificar el propósito de un instrumento o función. Puede contener una etiqueta con un número. Es también sinónimo de balón. DISPOSITIVO COMPUTABLE O DE COMPUTO: Dispositivo o función que emplea uno o mas cálculos u operaciones lógicas o ambas, y transmite uno o mas resultados a la s señales de salida. CONFIGURABLE: Termino aplicado a un dispositivo o sistema cuyas características funcionales pueden ser seleccionadas a través de un programa o de otros métodos. Página 63 de 152

CONTROLADOR: Dispositivo de una salida que varia para regular una variable de control de una manera específica. Un controlador manual varia su salida automáticamente en respuesta a una entrada directa o indirecta de un proceso variable. Un controlador manual es una estación manual de carga y sus salida no depende de una medida de un proceso variable pero puede variarse solamente por medio de un procedimiento manual. ESTACION DE CONTROL: Una estación de carga manual también proporciona un control en el cambio de manual a automático de los modos de control dentro de un lazo de control, a esto también se le conoce como estación auto – manual. BANDA PROPORCIONAL: La gama de valores a través de los cuales la variable controlada debe cambiar para causar que el elemento final de control se mueve de un extremo a otro. VÁLVULA DE CONTROL: Es un dispositivo, el mas comúnmente usado, que actúa manualmente o por si mismo, que directamente manipula el flujo de uno o mas procesos. CONVERTIDOR: Es un dispositivo que recibe información en determinada manera de un instrumento y transmite una señal de salida en otra forma. Un convertidor es también conocido como un transductor, de cualquier forma, transductor es un término general, y su uso para conversión de señales no es recomendable. DIGITAL: Termino aplicado a una señal o dispositivo que usa dígitos binarios para representar valores continuos o valores discretos. SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDOS: Sistema el cual, mientras es funcionalmente integrado, consiste de subsistemas los cuales pueden ser físicamente separados y colocarse en una forma remota unos de otros. ELEMENTO FINAL DE CONTROL: Dispositivo que controla directamente los valores de la variable manipulada en un lazo de control. Generalmente el elemento final de control es una válvula de control. FUNCION: Propósito que debe cumplir un dispositivo de control. IDENTIFICACIÓN: Secuencias de letras o dígitos, o ambos, usados para señalar un instrumento en particular o un lazo. INSTRUMENTACIÓN: Colección de instrumentos o sus aplicaciones con el fin de observar mediciones, controles, o cualquier combinación de estos. LOCAL: Es la localización de un instrumento que no esta dentro ni sobre un panel o consola, ni esta montado en un cuarto de control. Los instrumentos locales están comúnmente en el ámbito de un elemento primario o un elemento de control, la palabra “campo” es un sinónimo muy usado con local. PANEL LOCAL: Que no esta en un panel central, los paneles locales están comúnmente en el ámbito de subsistemas de plantas o subareas. El termino instrumento local de panel no puede ser confundido con instrumento local. Página 64 de 152

LAZO: Combinación de uno o más instrumentos o funciones de control que señalan el paso de uno a otro con el propósito de medir, transmitir, o controlar las variables de un proceso. ESTACION MANUAL DE CARGA: Dispositivo o función que tiene un ajuste de salida manual que es usado con un actuador o como mas dispositivos. La estación no proporciona un cambio entre un modo de control automático o manual de un lazo de control. La estación puede tener indicadores integrados, luces u otras características. Esto es normalmente conocido como estación manual o cargador manual. MEDIDA: Determinación de la existencia o magnitud de una variable. MONITOR: Termino general para un instrumento o sistema de instrumentos usados para la medición o conocer la magnitud de una o mas variables con el propósito de emplear la información en determinado momento. El termino monitor no es muy especifico, algunas veces significa analizador, indicador, o alarma. LUZ DEL MONITOR: Sinónimo de luz piloto. PANEL: Estructura que tiene un grupo de instrumentos montados sobre ella. El panel puede consistir de una o varias secciones, cubículos, consolas o escritorios. MONTADO EN PANEL: Termino aplicado a un instrumento que esta montado sobre un panel o consola y es accesible para el operador en uso normal. LUZ PILOTO: Es una luz que indica cual numero o condiciones normales de un sistema o dispositivo existe. Una luz piloto es también conocida como una luz monitor de monitor. ELEMENTO PRIMARIO: Sinónimo de sensor. PROCESO: Es cualquier operación o secuencia de operaciones que involucran un cambio de energía, estado, composición, dimensión, u otras propiedades que pueden referirse a un dato. VARIABLE DE PROCESO: Cualquier propiedad variable de un proceso. El termino variable de proceso es usado como un estándar para la aplicación a todas las variables. PROGRAMA: Secuencia de acciones que definen el nivel de las salidas como un arreglo de las relaciones al establecimiento de las entradas. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE: Un controlador, usualmente con entradas y salidas múltiples que contienen un programa alterable, es llamado de esta manera o comúnmente como PLC. RELAY: Dispositivo cuya función es pasar información sin alterarla o solo modificarla en determinada forma. Relay es comúnmente usado para dispositivos de computo. SENSOR: Parte de un lazo o instrumento que primero detecta el valor de una variable de proceso y asume una correspondencia, predeterminación, y estado inteligente o salida. El sensor puede ser integrado o separado de un elemento funcional o de un lazo. Al sensor también se le conoce como detector o elemento primario. Página 65 de 152

SET POINT: El set point o punto de referencia puede ser establecido manualmente, automáticamente o programado. Su valor se expresa en las mismas unidades que la variable controlada. SWITCH: Dispositivo que conecta, desconecta, selecciona, o transfiere uno o mas circuitos y no esta diseñado como un controlador, un relay o una variable de control. TRANSDUCTOR: Termino general para un dispositivo que recibe información en forma de uno o mas cuantificado físicos, modificadores de información y/o su forma si requiere, y produce una señal de salida resultante. Dependiendo de la aplicación un transductor puede ser un elemento primario, un transmisor un relay, un convertidor u otro dispositivo. Porque el termino transductor no es especifico, su uso para aplicaciones especificas no es recomendado. TRANSMISOR: Dispositivo que detecta la variable de un proceso a través de un sensor y tiene una salida la cual varia su valor solamente como una función predeterminada de la variable del proceso. El sensor puede estar o no integrado al transmisor. Resultado de aprendizaje: 1.1.1 Localizar diferentes instrumentos en un plano de diferentes procesos industriales. Práctica #7: Localización de instrumentos y señales de los mismos. INTRODUCCIÓN: En todo proceso industrial es importante comprender las señales de los instrumentos e identificar los mismos ya que sus posibles fallas debido a una mala transmisión o recepción del propio instrumento podrá dar lugar a tener errores en el control y la estabilidad del proceso. El diagrama que presenta esta práctica viene a ser un pequeño ejemplo de la instrumentación, por lo cual será una forma de comprender y simular un proceso real. 1. MATERIAL: Diagramas 2. OBJETIVO: Que el alumno identifique las señales más comunes de los instrumentos, para simular un rastreo de fallas en instrumentos, en un proceso real. 3. PRERREQUISITOS: Página 66 de 152

El alumno deberá tener pleno conocimiento en el uso de los símbolos y nomenclatura de la simbología ISA. 

Señales electrónicas.



Señales neumáticas.



Señales hidráulicas.



Señales de tubo capilar.



Señales electromagnéticas.

4. PROCEDIMIENTO: El alumno con los conocimientos adquiridos de la simbología deberá de identificar las señales que envían los instrumentos de las figuras; deberá simular como rastrea una señal de un instrumento a otro; deberá de distinguir una señal de otra.

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5. RESULTADOS OBTENIDOS: ¿Qué ventajas tiene el simular el rastreo de señales?. ¿Qué señales son las más comunes en los procesos industriales?. Proponga un diseño donde se involucren elementos finales de control en un sistema de generación de vapor (calderas). 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

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TEMA 2. NOMENCLATURA, LECTURA DE DIAGRAMAS DE PROCESOS Y COLOCACIÓN DE INSTRUMENTOS. Objetivo de aprendizaje: 2. Aplicar la simbología en un diagrama de proceso y su correspondiente codificación. Criterio de aprendizaje: 2.1 Usar la simbología y nomenclatura de los diferentes instrumentos industriales. SÍMBOLOS Y NÚMEROS DE INSTRUMENTACIÓN. La indicación de los símbolos de varios instrumentos o funciones han sido aplicados en las típicas formas. El uso no implica que la designación o aplicaciones de los instrumentos o funciones estén restringidas en ninguna manera. Donde los símbolos alternativos son mostrados sin ninguna preferencia, la secuencia relativa de los números no implica una preferencia. La burbuja puede ser usada para etiquetar símbolos distintivos, tal como aquellos para válvulas de control. En estos casos la línea que esta conectando la burbuja con el símbolo del instrumento esta dibujado muy cerca de él, pero no llega a tocarlo. En otras situaciones la burbuja sirve para representar las propiedades del instrumento. Un símbolo distintivo cuya relación con el lazo es simplemente aparentar que en un diagrama no necesita ser etiquetado individualmente. Por ejemplo una placa con orificio o válvula de control que es parte de un sistema más largo no necesita ser mostrado con un numero de etiqueta en un diagrama. También, donde hay un elemento primario conectado a otro instrumento en un diagrama, hace uso de un símbolo para representar que el elemento primario en un diagrama puede ser opcional. Los tamaños de las etiquetas de las burbujas y de los símbolos de los misceláneos son los tamaños generalmente recomendados. Los tamaños óptimos pueden variar en donde o no es reducido el diagrama y dependiendo el número de caracteres seleccionados apropiadamente acompañados de otros símbolos de otros equipos en un diagrama. Las líneas de señales pueden ser dibujadas en un diagrama enteramente o dejando la parte apropiada de un símbolo en cualquier ángulo. La función de los diagramas de bloque y los números de las etiquetas podrían ser siempre mostrados con una orientación horizontal. Flechas direccionales podrían ser agregadas a las líneas de las señales cuando se necesite aclarar la dirección del flujo. La aplicación de flechas direccionales facilita el entendimiento de un sistema dado. Eléctrico, neumático o cualquier otro suministro de energía para un instrumento no se espera que sea mostrado, pero es esencial para el entendimiento de las operaciones de los instrumentos en un lazo de control. Página 70 de 152

En general, una línea de una señal representara la interconexión entre dos instrumentos en un diagrama de flujo siempre a través de ellos. Pueden ser conectados físicamente por mas de una línea.

La secuencia en cada uno de los instrumentos o funciones de un lazo están conectadas en un diagrama y pueden reflejar el funcionamiento lógico o la información acerca de un flujo, algunos de estos arreglos no necesariamente corresponderán a la secuencia de la señal de conexión. Un lazo electrónico usando una señal analógica de voltaje requiere de un cableado paralelo, mientras un lazo que usa señales de corriente analógica requiere de series de interconexión. El diagrama en ambos casos podría ser dibujado a través de todo el cableado, para mostrar la interrelación funcional claramente mientras se mantiene la presentación independiente del tipo de instrumentación finalmente instalado. El grado de los detalles para ser aplicado cada documento o sección del mismo esta enteramente en la discreción del usuario de la conexión. Los símbolos y designaciones en esta conexión pueden diseñarse para la aplicación de un hardware o en una función en especifico. Los sketches y documentos técnicos usualmente contienen simbolismo simplificado e identificación. Los diagramas de flujo de un proceso usualmente son menos detallados que un diagrama de flujo de ingeniería. Los diagramas de ingeniería pueden mostrar todos los componentes en línea, pero pueden diferir de usuario a usuario en relación a los detalles mostrados. En ningún caso, la consistencia puede ser establecida para una aplicación. Los términos simplificado, conceptual y detallado aplicado a los diagramas donde se escoge la presentación a través de la sección de un uso típico. Cada usuario debe establecer el grado de detalle de los propósitos del documento específico o del documento generado. Es común en la practica para los diagramas de flujo de ingeniería omitir los símbolos de interconexión y los componentes de hardware que son realmente necesarios para un sistema de trabajo, particularmente cuando la simbolización eléctrica interconecta sistemas. Un globo o circuito simboliza a un instrumento aislado o un instrumento discreto, para el caso donde el círculo esta dentro de un cuadrado, simboliza un instrumento que comparte un display o un control. Los hexágonos se usan para designar funciones de computadora. Para terminar el los controles lógicos programables PLC, S se simbolizan con un rombo dentro de un cuadrado. NÚMERO DE INDENTIFICACION DE LOS INSTRUMENTOS O NÚMEROS TAG Cada instrumento o función para ser designada esta diseñada por un código alfanumérico o etiquetas con números. Página 71 de 152

La parte de identificación del lazo del número de etiqueta generalmente es común a todos los instrumentos o funciones del lazo. Un sufijo o prefijo puede ser agregado para completar la identificación.

1° Letra Variable medida(3)

Letra de Modificación

A. Análisis (4) B. Llama (quemador) C. Conductividad D. Densidad o Diferencial (3) Peso especifico E. Tensión (Fem.) F. Caudal Relación (3) G. Calibre H. Manual I. Corriente Eléctrica J. Potencia K. Tiempo

2° Letra Función de lectura pasiva Alarma Libre (1)

Función de Salida

Letra de Modificación

Libre (1)

Libre (1)

Control

Elemento Primario Vidrio (8) Alto (6)(13) (14) Indicación o indicador (9)

Exploración (6)

L. Nivel

Estación de Control Luz Piloto (10)

M. Humedad

N. Libre(1) O. Libre(1) P. Presión o vacío Q. Cantidad Integración (3) R. Radiactividad S. Velocidad o Seguridad (7) frecuencia T. Temperatura

Libre Orificio Punto de prueba

Libre

Bajo (6)(13) (14) Medio o intermedio (6) (13) Libre

Registro Interruptor Transmisión o transmisor Página 72 de 152

U. Multivariable (5) V. Viscosidad W. Peso o Fuerza X. Sin clasificar (2) Y. Libre(1)

Z. Posición

Multifunción (11)

Multifunción (11)

Multifunción (11)

Válvula Vaina Sin clasificar

Sin clasificar

Sin clasificar

Relé o Sin clasificar compensador (12) Elemento final de control sin clasificar

1.

Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente en un proyecto se han previsto letras libres. Estas letras pueden tener un significado como primera letra y otro como letra sucesiva. Por ejemplo, la letra N puede representar como primera letra el modelo de elasticidad y como sucesiva un osciloscopio.

2.

La letra sin clasificar X, puede emplearse en las designaciones no indicadas que se utilizan solo una vez o un numero limitado de veces. Se recomienda que su significado figura en el exterior del circulo de identificación del instrumento. Ejemplo XR-3 Registrador de Vibración.

3.

Cualquier letra primera se utiliza con las letras de modificación D (diferencial), F (relación) o Q (interpretación) o cualquier combinación de las mismas cambia su significado para representar una nueva variable medida. Por ejemplo, los instrumentos TDI y TI miden dos variables distintas, la temperatura diferencial y la temperatura, respectivamente.

4.

La letra A para análisis, abarca todos los análisis no indicados en la tabla anterior que no están cubiertos por una letra libre. Es conveniente definir el tipo de análisis al lado del símbolo en el diagrama de proceso.

5.

El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinación de primera letra, es opcional.

6.

El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o intermedio y exploración, es preferible pero opcional.

7.

El termino seguridad, debe aplicarse solo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o el personal).

Por este motivo, una válvula autorreguladora de presión que regula la presión de salida de un sistema mediante el alivio o escape de fluido al exterior, debe ser PCV, pero si esta misma válvula se emplea contra condiciones de emergencia, se designa PSV. La designación PSV Página 73 de 152

se aplica a todas las válvulas proyectadas para proteger contra condiciones de emergencia de presión sin tener en cuenta las características de la válvula y la forma de trabajo la colocan en la categoría de válvula de seguridad, válvula de alivio o válvula de seguridad de alivio. 8.

La letra de función pasiva vidrio, se aplica a los instrumentos que proporciona una visión directa no calibrada del proceso (mirillas).

9.

La letra indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso, No se aplica a la escala de ajuste manual de la variable si no hay indicación de ésta.

10.

Una luz piloto que es parte de un bucle de control debe designarse por una primera letra seguida de la letra sucesiva I. Por ejemplo, una luz piloto que indica un periodo de tiempo terminado se designara KI. Sin embargo, si se desea identificar una luz piloto fuera del bucle de control, la luz piloto puede designarse en la misma forma o bien alternativamente por una letra única I.

11.

Por ejemplo, una luz piloto de marcha de un motor eléctrico puede identificarse. EL, suponiendo que la variable medida adecuada es la tensión, o bien XL. Suponiendo que la luz es excitada por los contactos eléctricos auxiliares del arrancador del motor, o bien simplemente L.

12.

El empleo de la letra U como multifunción en lugar de una combinación de otras letras es opcional.

13.

Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirán en el exterior del símbolo del instrumento cuando sea conveniente hacerlo así.

14.

Los términos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a valores de la variable medida, no a los de la señal a menos que se indique de otro modo. Por ejemplo, una alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor de nivel de acción inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor bajo.

15.

Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre apertura, se definen como sigue:

Alto: indica que la válvula esta, o se aproxima a la posición de apertura completa. Bajo: Denota que se acerca o esta en la posición completamente cerrada. Resultado de aprendizaje: 2.1.1 Emplear la simbología y nomenclatura en la realización de un plano de procesos. Ejercicio #3. Con lo hasta ahora visto, instrumente elabore un diagrama del compresor del área de laboratorio de instrumentación.

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TEMA 3: SÍMBOLOS DE ELEMENTOS DE PROCESOS. Objetivo de aprendizaje:

3. Distinguir los elementos de procesos, de sistemas y diagramas. Criterio de aprendizaje: 3.1 Presentar diferentes procesos físicos con sus correspondientes diagramas. REGISTRO DE LOS INSTRUMENTOS: Se debe tener un registro separado para cada instrumento del sistema donde se especifique como mínimo. 

Su número de serie.



El nombre de la persona responsable para su calibración.



La frecuencia de calibración requerida.



La fecha de la ultima calibración.



Resultados de la calibración.

Estos documentos deben estar en el mismo manual del instrumento DOCUMENTACIÓN DE LOS SISTEMAS DE MEDICIÓN Y SU CALIBRACIÓN: Todos los sistemas de medición y calibración implementados deben estar documentados, en el caso de pequeñas compañías toda información relevante debe estar contenida dentro de un manual, mientras que una empresa grande generalmente es apropiado tener volúmenes separados cubriendo procedimientos corporativos y divisionales. NUMERO DE IDENTIFICACIÓN TIPICO (NUMERO TAG) TIC 103 T103 TIC T IC

 Identificación del instrumento o número de etiqueta  Identificación de lazo  Numero de lazo  Identificación de funciones  Primera letra  Letras sucesivas

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NUMERO DE IDENTIFICACIÓN EXPANDIDO

10-PHA-5A 10 A

  

Numero de etiqueta Prefijo opcional Sufijo opcional

Nota: los guiones son optativos como separadores El número de lazo del instrumento puede incluir información codificada, tal como la designación del área de la planta que lo designe. Esto también es posible para series específicas de números para designar funciones especiales. Cada instrumento puede ser representado en diagramas por un símbolo. El símbolo puede ser acompañado por un número de etiqueta. IDENTIFICACION FUNCIONAL. La identificación funcional de un instrumento o su equivalente funcional consiste de letras, las cuales se muestran en la tabla 1 e incluyen una primera letra (designación de la media o variable inicial) y una o más letras sucesivas (identificación de funciones). La identificación funcional de un instrumento esta hecha de acuerdo a su función y no a su construcción. Un registrador de diferencia de presión usado para medir flujo se identifica como FR; un indicador de presión y un switch actuado a presión conectado a la salida de un transmisor de nivel neumático están identificados por LI y LS, respectivamente. En un lazo de instrumentos, la primera letra de una identificación funcional es seleccionada de acuerdo a la medida y a la variable inicial y no de acuerdo a la variable manipulada. Una válvula de control varía el flujo de acuerdo a lo dictaminado por el controlador de nivel, eso es una LV . La sucesión de las letras en la identificación de las letras llega a ser con una primera letra seleccionada de acuerdo a la tabla. Una modificación de las letras puede ser usada, si se requiere, en adición a una o más letras sucesivas; por ejemplo, TDAL contiene dos modificaciones. La variable medida D cambia a una nueva variable T, como diferencia de temperatura. La letra L restringe la lectura de la función A, alarma, para representar solamente una alarma baja.

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La secuencia de identificación de las letras llega a ser con una primera letra seleccionada de acuerdo a la tabla 1. Las letras de funciones pasivas o activas siguen cualquier orden, y las letras de la salida funcional siguen a está en cualquier frecuencia, excepto en la salida de la letra C (control) precede la salida de la letra V (valve), por ejemplo: PCV (válvula controladora de presión). Un dispositivo de función múltiple puede ser simbolizado en un diagrama por muchas burbujas como haya variables medidas, salidas y/o funciones. Un controlador de temperatura con switch puede ser identificado por dos burbujas una con la inscripción TIC-3 y una con la inscripción TSH-3. El instrumento podría estar designado como TIC-3/TSH-3 para todos los usos y sus referencias. El numero para las letras funcionales agrupadas en un instrumento pueden mantenerse con un mínimo de acuerdo al ajuste del usuario. El número total de las letras contenidas en un grupo no pueden exceder de cuatro.

IDENTIFICACION DEL LAZO. La identificación del lazo consiste en la primera letra y un número. Cada instrumento en un lazo tiene asignado a él mismo número de lazo y, en caso de una numeración paralela, la misma primera letra. Cada lazo de instrumentos tiene un único número de identificación de lazo. Un instrumento común a dos o mas lazos podría cargar la identificación del lazo al cual se le considere predominante. La numeración de los lazos pueden ser paralela o serial. La numeración paralela involucra el inicio de una secuencia numérica para cada primera letra nueva, por ejemplo: TIC-100, LIC 100, AL- 100, etc. La numeración serial involucra el uso de secuencias simples de números para proyectar amplias secciones. Una secuencia de numeración de un lazo puede realizarse con uno o Página 77 de 152

cualquier otro numero conveniente, tal como 001, 301 o 1201. El numero puede incorporarse al código de operación; de cualquier manera su uso es recomendado. Si un lazo dado tiene mas de un instrumento con el mismo identificador funcional, un sufijo puede ser añadido al numero del lazo, por ejemplo: FV-2ª, FV.2B, FV-2C, etc., o TE-25-1, TE25-2, etc. Esto puede ser mas conveniente o lógico en un instante dado para designar un par de transmisores de flujo, por ejemplo, como FT-2 y FT-3 en vez de FT-2Ay FT-2B. Los sufijos puede ser asignados de acuerdo a los siguientes puntos: 1).-

Se pueden usar sufijos tales como A, B, C, etc.

2).-

Para un instrumento tal como un multipunto que registra los números por puntos de identificación, el elemento primario puede ser numerado TE-25-1, TE-25-2, TE-25-3, etc., correspondiendo al punto de identificación del numero.

3).-

Las subdivisiones de un lazo pueden ser designadas serialmente alternadas con letras como sufijos y números.

Un instrumento que desempeña dos o mas funciones pueden ser designado por todas sus funciones, por ejemplo un registrador de flujo FR-2 con una presión PR-4 puede ser designado FR-2/PR-4. Y dos registradores de presión pueden ser PR-7/8, y una ventana como anunciador común para alarmas de altas y bajas temperaturas puede ser TAHL-21. Los accesorios de instrumentación tales como medidores de presión , equipo de aire, etc.,que no están explícitamente mostrados en un diagrama, pero que necesitan una designación para otros propósitos pueden ser etiquetados individualmente de acuerdo a sus funciones y podría usarse la misma identificación del lazo como estos sirven directamente al lazo. La aplicación de una designación no implica que el accesorio deba ser mostrado en el diagrama. Alternativamente los instrumentos pueden ser usados con el mismo numero de etiqueta con el cual ha sido asociado el instrumento, pero aclarando las palabras agregadas. Las reglas para la identificación a los instrumentos y accesorios. Un usuario u operador puede identificar a estos por otros medios.

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Ejemplos de algunos diagramas de lazos de control y su respectiva simbología:

interruptor de fin de carrera accionado cuando la válvula cierra a una posición prede-terminada.

con línea de presión. montaje en línea. manómetros con sello.

manómetro elemento de presión de galga extensometrica conectado a un trans-misor indicador de presión .

Indicador de radioactividad.

Transmisor de rodillo.

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Alarmas de sistemas de instrumentos.

Transmisor de caudal con elemento de temperatura de compensación.

Resultado de aprendizaje: 3.1.1 Obtener un diagrama a partir de un proceso físico. Práctica # 8:

Interpretación de señales neumáticas y electrónicas en los instrumentos y elementos finales de control automático así como la simbología de los instrumentos mismos. 4. INTRODUCCIÓN: Las señales dentro de un proceso industrial donde se controla variables tales como temperatura, flujo, nivel y presión son de suma importancia, y representan la comunicación de los elementos primarios, transmisión, el control y los elementos finales de control. Es importante recomendar que una buena comunicación entre estos instrumentos para facilitar la operación y reduciendo las oscilaciones y fallas que pudiesen presentarse durante su operación. 5. OBJETIVO: Que el alumno identifique las señales de los instrumentos transmisores y transductores que envían señales a los posicionadores en una línea de producción, para determinar la característica de apertura de las válvulas de control automático. 6. PRERREQUISITOS: Al instrumentar un control de proceso, una de las decisiones más importantes y difíciles en la selección de los instrumentos, sus señales, su configuración, las características dinámicas, Las señales dentro de un proceso industrial donde se controla variables tales como temperatura, flujo, nivel y presión son de suma importancia, y representan la comunicación de los elementos primarios, transmisión, el control y los elementos finales de control.

Es importante recomendar que una buena comunicación entre estos instrumentos para facilitar la operación y reduciendo las oscilaciones y fallas que pudiesen presentarse durante su operación. Página 80 de 152

7. MARCO TEÓRICO: Para la realización de esta práctica se debe tener conocimiento del sistema de control interpretando la variable a controlar. Se deberá tener conocimientos en planos, neumáticos y electrónicos, permitiéndole interpretar el sistema, así como las señales de 4-20 ma., 3-15 Psi, además de los conocimientos adquiridos sobre la nomenclatura y simbología ISA NOM S5.1. 8. PROCEDIMIENTO: Con lo hasta ahora estudiado, y de acuerdo a la NORMA ISA – S5.1 (R1992), elabore un diagrama del sistema de las figuras; instrumente un sistema de quemador a fuego directo; mencione algunas aplicaciones de procesos en donde intervengan las variables temperatura y flujo, instruméntelos utilizando para ello la simbología por Ud. Conocida ISA y SAMA. Elabore un reporte de ello. Proponga un lazo de control cerrado, para mantener controlada al menos tres variables, ver Fig. 1

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5. RESULTADOS OBTENIDOS: Entregar los diagramas de control propuesto; conteste el siguiente cuestionario, enfatizando los nuevos conceptos adquiridos: Cuestionario: 1. ¿Qué sucede si el PDT envía una señal desajustada? 2. ¿Qué sucede si se elimina el transductor? 3. ¿Qué pasa si en vez de colocar un PDT colocamos un controlador neumático de nivel? 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

PRACTICA FINAL

Exposición: El alumno realizará una exposición sobre la simbología y diagramas de procesos

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UNIDAD 4. VARIABLES DE PROCESO: INTRODUCCIÓN. A través del tiempo el hombre ha sentido la necesidad de medir y clasificar todo cuanto le rodea, desde las distancias intergalácticas, hasta el tamaño de un átomo. Era de esperarse que después de encontrar el vacío lleno y poder producirlo, el siguiente paso fuera medirlo, con lo cual podría calcularse la cantidad de partículas que se manejarían en el contenedor, y de esta manera controlar la atmósfera adecuada para los propósitos del caso. Con la posible excepción de la temperatura, la presión es probablemente la variable mas importante en los procesos que debe ser medida y controlada. Podemos considerar el vacío como una presión negativa. La importancia que tiene la medición de la presión puede ser comprendida fácilmente, sí se hace notar que en algunos procesos, un cambio de temperatura de medio grado centígrado, puede resultar en un cambio de presión de 65 a 90 cms. De agua. En estos casos, por supuesto, el control del proceso por medio de la presión, resulta mucho mas exacto. La medida de temperatura constituye una de las mediciones más comunes y más importantes que se efectúan en los procesos industriales. Las limitaciones del sistema de medida quedan definidas en cada tipo de aplicación por la precisión, por la velocidad de captación de la temperatura, por la distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento medidor, registrador o controlador necesario; es importante señalar que es esencial una comprensión clara de los distintos métodos de medida con sus ventajas y desventajas propias para lograr una selección optima del sistema mas adecuado. En los procesos continuos, la industria ha ido exigiendo el desarrollo de instrumentos capaces de medir el nivel de sólidos en puntos fijos o de forma continua, en particular en los tanques o silos destinados a contener materias primas o productos finales. Algunos detectores de nivel de punto fijo proporcionan una medida en uno o varios puntos fijos determinados. La medición del flujo se utiliza en la industria y en el comercio para dos propósitos fundamentales: 1).- Contabilidad. 2).- Proporcionar la base para el control de los procesos y operaciones, en especial aquellos de naturaleza continua. La transición entre las operaciones intermitentes y continuas ha estimulado el uso de los mecanismos de medición de flujo continuo.

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La medición del flujo ha sido el tema durante muchos años en los trabajos intensos de investigación del tipo ingeniería y muchos de los aspectos de dicho tema han alcanzado cierto grado razonable de madurez y estandarización en cuanto a la parte relacionada con la ingeniería, situación que nos es común para muchas de las ramas derivadas de la instrumentación. Sin embargo, continuamente se desarrollan nuevos conceptos acerca de la medición del flujo, lo cual ha originado la necesidad de una evaluación casi constante de los métodos y de aplicaciones ya establecidas. TEMA 1: PRESIÓN. OBJETIVOS Y CRITERIO DE APRENDIZAJE. 1. 1.1

Diagnosticar el instrumento de presión adecuado para las diferentes aplicaciones de un proceso. Examinar la simbología de instrumentos de acuerdo a normas ISA y SAMA.

TEMA 2: FLUJO. OBJETIVO Y CRITERIO DE APRENDIZAJE. 2. 2.1

Diagnosticar el instrumento de flujo adecuado para las diferentes aplicaciones de un proceso. Examinar la simbología de instrumentos de acuerdo a normas ISA y SAMA.

TEMA 3: NIVEL. OBJETIVO Y CRITERIO DE APRENDIZAJE. 3. 3.1

Diagnosticar el instrumento de nivel adecuado para las diferentes aplicaciones de un proceso. Determinar la simbología de instrumentos de acuerdo a normas ISA y SAMA.

TEMA 4: TEMPERATURA. OBJETIVO, CRITERIO Y RESULTADO DE APRENDIZAJE. 4. de 4.1

Diagnosticar el instrumento de temperatura adecuado para las diferentes aplicaciones un proceso. Determinar la simbología de instrumentos de acuerdo a normas ISA y SAMA.

DEMOSTRACIÓN DE HABILIDADES PARCIALES (RESULTADOS DE APRENDIZAJE) 1.1.1. Analizar diversos instrumentos industriales de presión. 2.1.1. Analizar diversos instrumentos industriales de flujo. 3.1.1. Analizar diversos instrumentos industriales de nivel. 4.1.1 Analizar diversos instrumentos industriales de temperatura.

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TEMA 1: PRESIÓN. Objetivo de aprendizaje: 1. Diagnosticar el instrumento aplicaciones de un proceso.

de

presión

adecuado

para

las

diferentes

Criterio de aprendizaje: 1.1 Examinar la simbología de instrumentos de acuerdo a normas ISA y SAMA. INTRODUCCIÓN. El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras. Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad variando este, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, sí no también puede provocar la destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos. Para tales aplicaciones, las lecturas absolutas de gran precisión con frecuencia son tan importantes como lo es la seguridad extrema. Por otro lado, la presión puede llegar a tener efectos directos o indirectos en el valor de las variables del proceso (como la composición de una mezcla en el proceso de destilación). En tales casos, su valor absoluto medio o controlado con precisión de gran importancia ya que afectaría la pureza de los productos poniéndolos fuera de especificación. La presión puede definirse como una fuerza por unidad de área o superficie, en donde para la mayoría de los casos se mide directamente por su equilibrio directamente con otra fuerza, conocidas que puede ser la de una columna liquida un resorte, un embolo cargado con un peso o un diafragma cargado con un resorte o cualquier otro elemento que puede sufrir una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión. La relación de los diferentes tipos de presión se expresa en los siguientes apartados: Definición, unidades de medida, aplicaciones, clasificación de los instrumentos de medición de presión y sus principios de operación. Instrumentos de medición primaria: Tubo de Bourdon, diafragmas y fuelles. Balanzas de pesos muertos y columnas de líquido. Instrumentos de medición secundaria e industrial: Dispositivos de tipo electrónico como por ejemplo: las Galgas extensiométricos, potenciómetros y sensores indicativos. Página 85 de 152

Presión Absoluta: Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las moléculas lo que indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o la velocidad molecular es muy pequeña. Este termino se creo debido a que la presión atmosférica varia con la altitud y muchas veces los diseños se hacen en otros países a diferentes altitudes sobre el nivel del mar por lo que un termino absoluto unifica criterios.

Presión Atmosférica: La presión atmosférica es la fuerza ejercida en una unidad de superficie de la tierra, debido al peso de la atmósfera. Esta varia dentro de limites relativamente cortos, el hecho de estar rodeados por una masa gaseosa (aire), y al tener este aire un peso actuando sobre la tierra, quiere decir que estamos sometidos a una presión (atmosférica), la presión ejercida por la atmósfera de la tierra, tal como se mide normalmente por medio del barómetro (presión barométrica). Al nivel del mar, se le considera un valor estándar de 1 kg/cm 2, equivalente a la presión requerida para sostener una columna de mercurio de 760 mm Hg; 14.7 lb/plg 2; O 29.92 pulgadas columna de agua, disminuyendo estos valores con la altitud. La mayor parte de los instrumentos utilizados para medir la presión, indican la diferencia entre la presión de un liquido encerrado y la de la atmósfera. Si la presión medida es mayor que la de la atmósfera, la diferencia indicada es conocida como presión manométrica. Si a la lectura de la presión manométrica se agrega la de la presión atmosférica, el resultado indicara presión absoluta. Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica. En 1643, Evangelista Torricelli fabricó el barómetro de mercurio y tiempo después Otto von Guericke creó la bomba de aire. La combinación de estos dos experimentos fue llevada a cabo antes de 1660 por Robert Boyle, dando como resultado la máquina boyleana, que es considerada como el primer medidor de presiones subatmosféricas. Boyle logró obtener una presión de aproximadamente 6 mm Hg (6 torr), y su diseño experimental fue durante dos siglos la única forma disponible para medir vacío. (Figura 1).

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Figura 1 Medidor de mercurio (Hg) de Boyle. Barómetro de Torricelli cuyo recipiente de Hg. estaba al vacó en un vaso de cristal.

Presión Manométrica: Son normalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por medio de un elemento que se define la diferencia entre la presión que es desconocida y la presión atmosférica que existe, sí el valor absoluto de la presión es constante y la presión atmosférica aumenta, la presión manométrica disminuye; esta diferencia generalmente es pequeña mientras que en las mediciones de presiones superiores, dicha diferencia es insignificante.

Vacío: Se refiere a presiones manométrica menores que la atmosférica, que normalmente se miden, mediante los mismos tipos de elementos con que se miden las presiones superiores a la atmosférica, es decir, por diferencia entre el valor desconocido y la presión atmosférica existente. Los valores que corresponden al vacío aumentan al acercarse al cero absoluto y por lo general se expresa a modo de centímetros de mercurio (cm Hg.), metros de agua, etc. De la misma manera que para las presiones manométrica, las variaciones de la presión atmosférica tienen solo un efecto pequeño en las lecturas del indicador de vacío. La presión menor que la de la atmósfera es algunas veces denominada vacío, el equivalente en presión absoluta puede ser determinado por substracción del valor mostrado por el indicador de vacío de la presión atmosférica señalada por el barómetro. Sin embargo, las variaciones pueden llegar a ser de importancia, que todo el intervalo hasta llegar al cero absoluto solo comprende 760 mm Hg. El siguiente paso significativo en la producción de un medidor óptimo, fue en 1874, cuando McLeod presentó un dispositivo basado en la posibilidad de comprimir el volumen de gas a una proporción conocida.

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Usando una columna de mercurio, consiguió que las altas presiones pudieran ser medidas con facilidad, mientras que las bajas se podían calcular con la ayuda de la ley de Boyle. Técnicamente, el medidor funciona en un intervalo de 1 a 10 -6 torr. (Figura 2).

Figura 2. Medidor de presión de McLeod. Se ha desarrollado desde entonces otro tipo de medidores de presión; éstos varían no sólo en forma o tamaño, sino sobre todo en el concepto teórico en el cual se basan. Por ejemplo, el medidor de presión creado por Langmuir usa una fibra de cuarzo que debe oscilar en el gas, y la disminución de amplitud en dichas oscilaciones nos da la medida de la presión del gas. Este dispositivo trabaja en un intervalo de presión entre 10 -2 y 10-7 torr. (Figura 3).

Figura 3. Medidor de Langmuir. El medidor de Pirani, diseñado en 1906, nos da una medida de la presión a través de la variación de la conductividad térmica del gas. Página 88 de 152

Este dispositivo consta de un filamento metálico suspendido en un tubo en el sistema de vacío y conectado a una fuente de voltaje o corriente constante. El alambre puede ser de tungsteno u otro material cuya resistencia varíe mucho con la temperatura. Al aumentar el vacío, se reduce la pérdida de calor por conducción a través del gas y aumenta la temperatura y la resistencia del conductor, que se mide con un aparato adecuado. (Figura 4). En el apéndice A se describen mayores detalles históricos y tecnológicos.

Figura 4. Medidor de Pirani. En la selección de un medidor de presión es importante considerar de antemano el tipo de sistema con el cual se cuenta, el trabajo a realizarse, y las condiciones necesarias para medir la presión. Una manera sencilla de elegir el medidor adecuado a nuestros propósitos es tomar en cuenta los siguientes cinco puntos: 1) El intervalo de presión para el cual es requerido el medidor. 2) ¿Qué es importante saber?, La presión parcial de cada componente del gas o la presión total. 3) Considerar si la lectura del medidor depende del tipo de gas existente en la cámara. 4) La exactitud necesaria al medir. 5) El tipo de montadura del medidor. Para dar una idea de la variedad de medidores que existen y los diferentes intervalos de presión en que trabajan, en la figura 5 presentamos una gráfica con tales datos. Página 89 de 152

En general, se acostumbra llamar barómetros a los instrumentos que sirven para medir la presión atmosférica, y manómetros a los que miden la presión de cualquier líquido, gas o vapor.

Figura 5. Intervalos de presión en los medidores de vacío.

La presión es definida como la fuerza ejercida contra una superficie dada; también puede definirse ya sea como la magnitud de la fuerza aplicada al área en cuestión, o como la altura a la cual se alzaría una columna de un liquido cualquiera. Un émbolo buzo cuya sección transversal tenga una área de un centímetro cuadrado, al cual se le haya colocado un peso de un kilo. Asumiendo que el embolo no pese nada, la fuerza ejercida hacia abajo será por lo tanto, de un kilo por centímetro cuadrado, lo que hace que el nivel del liquido baje en el cilindro del embolo, al mismo tiempo que se eleva en los tubos verticales comunicados al mismo. El liquido se elevará en los tubos verticales hasta que la fuerza ascendente ejercida por el liquido contenido en el cilindro del embolo iguale a la fuerza descendente aplicada al mismo. Se muestran los valores comparativos de algunas de las unidades comúnmente usadas para medir la presión. Página 90 de 152

Tomando una libra por pulgada cuadrada como punto de comparación, puede notarse que un pie de agua, una pulgada de mercurio y media libra por pulgada cuadrada, son valores bastante cercanos. Estos son algunos de los diferentes términos usados en la industria, relacionados con la presión. El artefacto más antiguo, y al mismo tiempo uno de los más exactos, es el tubo en U, éste se usa como patrón para establecer la precisión de todos los modelos de instrumentos medidores de presión. En una forma mas simple, este consiste de un tubo de vidrio doblado en firma de U y lleno de agua, mercurio, aceite o cualquier otro liquido de gravedad especifica conocida, hasta la marca cero de la escala. Cuando la presión es aplicada a través del tubo de hule flexible, el nivel del liquido en ese brazo baja, mientras que en el otro, esta abierto a la atmósfera, sube hasta que el aumento de altura iguala la presión aplicada al tubo flexible. La diferencia de nivel del líquido medido en la escala indica la presión. Psi In. C. In. C. Atm. Kg./Cm2 Cm. mm. Bar Pa Agua de Hg. C. C. Agua Hg. Psi 1 27.68 2.036 0.0680 0.0703 70.31 51.72 0.0689 7.14X 102 In. C. 0.0361 1 0.0735 0.0024 0.0025 2.540 1.868 0.0024 2.56X Agua 102 In. C. Hg.

0.4912

13.6

1

0.0334

0.0345

34.53

25.4

0.0333

3.45X 103

Atm.

14.7

406.79

29.92

1

1.033

1033

760

1.0131

1.01X 105

Kg./Cm2 14.22

393.7

28.96

0.9678

1

1000

735.6

0.98

9.81X 104

Cm. C. Agua

0.0142

0.3937

0.0289

9.6X10-4

0.0010

1

0.735 5

0.001

100

mm C. Hg.

0.0193

0.5353

0.0393

13X10-4

13X10-4

13X10 1

1.33X10 133

-4

-3

Bar

14.5

Pa

0.14X10- 0.39X10 0.29X10- 9.87X10- 10.2X 3 -2 3 6 10-6

408

29.99

0.987

1.02

1000

750

1

1.0X 105

0.01

0.007 5

1.0X 10- 1 5

El uso de este tipo de manómetros no es muy conveniente debido a que su lectura no es tan fácil como en los manómetros de puntero, sin embargo, aún son empleados en la industria. Página 91 de 152

En los trabajos de laboratorio cuando se requiere mucha exactitud, se emplean como patrones para la calibración de los manómetros. La industria usa una gran variedad de elementos para medir la presión y la elección del tipo de elemento que debe de usarse, depende primordialmente de la gama dentro de la cual va a efectuarse la medición. Algunos de los diferentes elementos son mostrados gráficamente. La naturaleza del medio en el que va a efectuarse la medición, interviene tanto en la selección del elemento como en el material usado en su construcción. Para la medición de presión o vacío de pocos centímetros de agua, los manómetros comúnmente usados son: el tubo inclinado, el tipo de diafragma el de campana invertida. El tubo inclinado es similar al tubo en “U”, con la diferencia de que uno de sus brazos esta en posición inclinada en lugar de estar vertical. Aun cuando el liquido en el brazo vertical sea abatido una distancia pequeña, en el brazo inclinado se proyectara a una distancia considerable a lo largo del tubo, para que las diferencia en niveles pueda equilibrar la presión aplicada. Esto facilita la lectura de amplitudes cortas. El diámetro del brazo vertical debe ser proporcionalmente mayor que el del brazo inclinado o la escala graduada para compensar los cambios de nivel. El manómetro de diafragma es usado para medir presiones de 2.5 a 250 cm. De agua y su mecanismo se ilustra en la parte superior. el diafragma esta hecho de cuero que se a tratado con aceite para asegurar su flexibilidad por largo tiempo. Este esta generalmente opuesto a una muelle el cual es deflexionado en proporción directa a la presión aplicada. Un encadenamiento une al muelle con el mecanismo del puntero, haciendo que este se mueva a lo largo de la escala. En la figura, se muestra un mecanismo con diafragma metálico similar al anteriormente descrito. El diafragma es de latón a de cualquier otro metal flexible, lo cual lo hace mas compacto. Un buen ejemplo de un instrumento del tipo campana invertida, es el controlador de baja presión. Dos campanas invertidas. Ambas están suspendidas de los extremos opuestas de un balancín. Para medir presión diferencial se usan dos campanas, a cada una de las cuales son conducidas las presiones por medio de tubería a los extremos opuestos al balancín. La presión estática puede ser medida por una sola campana, con un contrapeso suspendido del otro extremo del balancín. En este instrumento no se usan resortes. El cero y la amplitud se ajustan por medio del brazo correspondiente y el contrapeso que se encuentra en el brazo de ajuste de amplitud. El ajuste a cero se hace moviendo el brazo lateralmente hasta que el puntero descanse en la posición correspondiente al cero de la escala, cuando el instrumento no esta conectado a ninguna fuente de presión. La porción inclinada del brazo en la que se encuentra el contrapeso, queda entonces en posición vertical. Después de que el ajuste a cero se ha hecho, el instrumento es conectado a una fuente de presión cuyo valor sea igual al valor total de la escala. Una vez hecho esto el peso del ajuste Página 92 de 152

de amplitud se mueve a lo largo de la ranura del brazo hasta que el puntero descanse en la marca correspondiente al valor total de la escala. Cuando el puntero se encuentra en esta posición, la porción inclinada del brazo se encuentra en posición horizontal. Este instrumento puede ser suministrado con amplitudes tan pequeñas como 5 mm. C. de agua la amplitud amas grande disponible es de 5 cm. C. de agua. Sin embargo, se puede suministrar para presiones diferenciales de 7.6 cm. siempre y cuando la presión o el vacío no excedan de 5 cm. Para presiones de 13 cm. a 230 cm. C. de agua se puede utilizar. Una unidad que se encuentra en la parte posterior del instrumento y contiene un resorte y un fuelle. El fuelle es de latón o bronce debido a lo profundo de sus pliegues, presenta una gran superficie, por lo que la fuerza desarrollada es igual a la que se puede lograr con las unidades del tipo diafragma del mismo diámetro. La calibración del rango de presión se hace por medio de un resorte el cual se encuentra en la parte externa del fuelle y por lo tanto no queda expuesto a la acción corrosiva del medio que esta siendo medido. Para vacío y rangos combinados, también se requiere un resorte interno, debido a que el material de que esta hecho el fuelle no es apropiado para lograr una calibración precisa. Debido a su tamaño, esta unidad debe ser montada en la parte posterior de la caja del instrumento. Para rangos de 230 cm. C. De agua a 1150 cm. C. de agua o aproximadamente 0.23 kg/cms 2 a 1.14 kg/cms2, se emplea ordinariamente una unidad de resorte y fuelle mas pequeño. Esta unidad, por su tamaño, puede ser instalada en el interior de la caja del instrumento; tanto la operación como la apariencia externa del instrumento, son idénticas a la del modelo anteriormente descrito. Para la medición de vacío, se emplea un tipo diferente de unidad de resorte y fuelle. La principal diferencia entre esta y la unidad previamente mostrada, consiste en que la presión existente en el espacio comprendido entre el fuelle y la cubierta, es reducida, permitiendo a la presión atmosférica ensanchar el fuelle. Para medir la presión de fluidos que puedan corroer al latón, o para rangos mayores de 1.25 kg./cm2, se pueden surtir unidades con fuelles de acero inoxidable. La amplitud mínima para fuelles de acero inoxidable es de 0 a 1 kg./cm.2, y la máxima, de 0 a 2.8 kg./cm.2. Para presiones cuya amplitud varíe de 0 a 1.25 kg./cm.2, o de 0 a 28 kg./cm.2 se usa una espiral de bronce, que no es mas que un tubo aplanado y enrollado en forma de espiral. Su extremo interno va firmemente asegurado a la caja del instrumento, mientras que el extremo externo queda libre y únicamente queda adherido un brazo calibrado. La presión es aplicada al extremo interno y hace que la espiral tienda a desenrrollarse con el resultado que el extremo libre de la espiral gire en sentido contrario al de las manecillas del reloj. La espiral ha sido diseñada para que cuando la presión alcance el valor máximo de la escala, el extremo libre se mueva a través de un ángulo aproximado de 32º. Para rangos más altos hasta 280 kg/cm2, se usan espirales de acero, cuya construcción es similar a la de las espirales de bronce. Para medición de ambientes corrosivos se usan Página 93 de 152

espirales de acero inoxidable con amplitudes mínimas de 0 a 3.5 kg/cm 2, y máximas de 0 a 280 kg/cm2. La apariencia exterior de los instrumentos actuados por medio de espiral, es la misma que la de los actuados por medio de fuelle, descritos anteriormente. El tubo Bourdon, es probablemente el elemento más antiguo y el más ampliamente usado por la industria para medir la presión. Es un tubo de pared delgada, que ha sido aplastado en dos lados diametralmente opuestos, de modo que un corte transversal del mismo, tiene una forma aproximadamente elíptica u oval. Una vez hecho esto se dobla de modo que forme un arco. Cuando se aplica una presión a la terminal abierta del tubo, este tiende a restablecer su forma circular original, haciendo que el tubo trate de enderezarse y al hacerlo así su extremo libre se mueve lo suficiente para actuar un sector y un piñón dentados, los cuales tienen como objeto amplificar el movimiento del tubo. Al piñón dentado va montado el puntero, de modo que cualquier movimiento del extremo del tubo produce un desplazamiento correspondiente del puntero. Los metales que se usan para los tubos de Bourdon son muy variados dependiendo del servicio para el cual han sido construidos. Los mas comúnmente usados son: Bronce fosforado, cobre aleado con berilio, acero, acero inoxidable y acero de aleación. El metal mas ampliamente usado para presiones bajas, es el bronce fosforado, mientras que para presiones hasta de 70kg/cm2, se usa acero de aleación. Después que el tubo de Bourdon es doblado para formar un arco recibe un tratamiento térmico cuidadoso para (envejecer) el metal y prevenir una deformación permanente cuando es sometido a un esfuerzo prolongado. Los extremos de los tubos de Bourdon hechos de bronce, pueden ser soldados, ya sea con soldadura de baja temperatura o con soldadura de plata, mientras que los tubos de acero usados para presiones arriba de 7 kg/cm 2, tiene la pared lo suficientemente gruesa, que permite hacerle rosca en los extremos. Para medir presión de fluidos corrosivos los tubos de Bourdon de acero inoxidable son recomendados. Esto implica un pequeño sacrificio en la precisión, ya que sus propiedades elásticas no son tan buenas como las del acero tratado térmicamente. Debido a que los movimientos de la extremidad del tubo de Bourdon son muy pequeños, es necesario amplificarlos, para obtener lecturas fácilmente visibles. Esta amplificación es obtenida por medio del sector dentado y del piñón que son movidos por el sistema articulado conectado a la extremidad. Es necesario que los dientes de estos engranes estén cuidadosamente pulidos ya que cualquier irregularidad en sus contornos causara un error apreciable. Como se dijo anteriormente la presión puede ser manométrica o absoluta. La presión manométrica es definida como la diferencia entre la presión medida y la ejercida por la atmósfera. Si la presión medida es menor que la de la atmósfera, nos dará una lectura negativa que es conocida como vacío. Un indicador de vacío mide la diferencia entre la presión atmosférica y la presión reducida que existe en el recipiente en que se efectúa la medición. Página 94 de 152

El valor promedio aceptado para la presión absoluta ejercida por la atmósfera es de 760 mm de mercurio, o 1 kg/cm2. Bajo condiciones ordinarias, una lectura de 760 mm. de mercurio en un medidor de vacío indicaría un vacío perfecto. La presión atmosférica sin embargo varia constantemente, y en procesos donde es necesario mantener una presión absoluta uniforme, el uso del medidor de vacío no es satisfactorio, ya que es necesario hacer repetidas lecturas con el barómetro para corregir las indicaciones del medidor su uso no es recomendable particularmente en los casos en que es necesario un control automático. El medidor de presión absoluta fue producido para llenar las necesidades de procesos como el mencionado. La apariencia exterior del medidor de presión absoluta es idéntica a la de los instrumentos actuados por espiral o fuelle. El conjunto de resorte y fuelle de la parte superior es evacuado hasta lograr el mayor vacío posible y sellado, mientras que el conjunto de la parte inferior esta abierto a la atmósfera cuando el instrumento no esta en uso. La parte inferior de la unidad sellada y la parte superior del fuelle inferior están unidas a la misma placa, la cual es libre de moverse verticalmente. Los otros extremos de estas unidades están sujetos a unas piezas fundidas, las cuales son mantenidas en posición fija una con relación a la otra. Cuando la presión atmosférica aumenta, asumiendo que el fuelle inferior sigue abierto a la atmósfera, el fuelle superior se comprime ligeramente, haciendo que la placa movible suba, este movimiento es transmitido mecánicamente a la pluma o el puntero. La escala de este instrumento es inversa, es decir, el cero de la escala esta en el extremo derecho y el valor máximo en el izquierdo y, por lo tanto, cuando la presión atmosférica aumente, el puntero se moverá hacia la izquierda mostrando una lectura mayor. Cuando el fuelle inferior es conectado a una fuente de vacío, su presión interna es reducida, y la presión atmosférica exterior hace que se contraiga. La placa móvil baja debido, por una parte a la presión reducida que existe en este fuelle inferior y por otra, a la presión que se ejerce en el resorte en la unidad sellada. Esto hace que el puntero se mueva hacia el extremo derecho de la escala. En esta forma, la posición del puntero es automáticamente corregida por cambios en la presión atmosférica, por lo tanto, no es necesario aplicar ningún factor de corrección para obtener las lecturas de presión. La gama mínima de este instrumento ( con fuelle de latón) es de 0 a 100 mm absolutos de mercurio, mientras que la máxima es de 0 a 1.75 kg/cm 2 absolutos. Cuando se va a trabajar bajo condiciones corrosivas, este instrumento se puede surtir con fuelles de acero inoxidable. El rango mínima es de 0 a 200 mm absolutos de mercurio y la máxima es de 0 a 152 cms absolutos de mercurio. La interpretación eléctrica de la presión y otras fuerzas mecánicas se basa en el principio de operación del medidor de tensión o esfuerzo y pueden ser medidas presiones de 0.7 kg/cm 2 a 3500 kg/cm2 por este metido, usando un potenciómetro electrónico como instrumento de medición. Un cilindro hueco que lleva unas conexiones eléctricas para formar un puente de Wheastone es usado como elemento primario, como lo muestra la figura 16.

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Cuando ni es aplicada ninguna presión al interior del cilindro, el circuito se encuentra en balance, la corriente fluirá por igual a través de ambas ramas y ninguna fuerza electromotriz será transmitida al potenciómetro electrónico. Ahora bien, sí la celda es conectada a una fuente de presión, el puente se desbalanceará y una señal proporcional, al esfuerzo a que es sometido el cilindro, será transmitida al instrumento. Frecuentemente es necesario medir presiones tan bajas como un micrón ( 0.001 mm) de mercurio; primordialmente estas mediciones tan bajas se requieren en la elaboración de alimentos, medicamentos e industria química, por lo que los nuevos tipos de instrumentos de medición han sido desarrollados. Entre estos se encuentran los manómetros térmicos a base de resistencias y termopares. Ambos operan bajo el principio de que la perdida de calor de un alambre caliente varia de acuerdo con los cambios de presión a los que esta sujeto. Las variaciones en perdida de calor, con respecto a los cambios de presión, son relativamente grandes cuando se miden presiones de un milímetro absoluto de mercurio. El manómetro de resistencia, tiene un tubo sellado a una presión menor de un micrón y lleva en su interior una resistencia; esto forma la celda de compensación. La celda de medición la constituye otro tubo con una resistencia similar a la anterior y su extremo abierto es conectado a la fuente cuya presión es medida. Las resistencias de estas celdas, forman dos circuitos derivados de lo que fundamentalmente es un puente de Wheastone. Cuando la corriente es aplicada a este circuito, la resistencia cambia con las variaciones de temperatura. La temperatura es gobernada por la perdida del calor del filamento de la celda de medición, la cual es proporcional a la presión que existe en la misma. Estos cambios de resistencia desbalancean el circuito, y la fuerza electromotriz debida al desbalance, es aplicada a un potenciómetro electrónico, en el cual la presión es leída directamente en micrones. El manómetro térmico a base de termopares, su operación también depende de la relación que existe entre la perdida de calor con respecto a cambios de presión. Hay cuatro filamentos calentados por la corriente de las cuatro bobinas secundarias de un transformador. Dos filamentos se encuentran en la cámara de referencia, la cual se encuentra sellada a una presión menor de un micrón. Los otros dos filamentos están en la cámara de medición, que lleva una conexión al proceso cuyo vacío se va a medir. En la cámara de referencia hay dos termopares conectados en serie, cada uno midiendo la temperatura de uno de los elementos. También se encuentran otros dos termopares similares en la cámara de medición, conectados de la misma manera. Los termopares de la cámara de medición están conectados en oposición a los de la cámara de referencia. La diferencia entre la fuerza electromotriz generada por los dos pares de termopares, cuando es medida por el potenciómetro electrónico nos da una medición directa de la presión absoluta a la cual es conectado el manómetro. Página 96 de 152

En la medición de vacíos extremosos ( de 0 a 1 micrón de mercurio absoluto) el manómetro de ionización, es el único instrumento disponible. Cuando los electrones emitidos por un filamento caliente bombardean las moléculas de los residuos de un gas de un sistema evacuado, las moléculas ionizadas resultantes permiten que la corriente eléctrica fluya entre los electrodos. La proporción del flujo de iones formados por la disociación es una medición directa de la cantidad de gas presente, y consecuentemente de la presión absoluta. La corriente resultante del flujo de iones es preamplificada, y luego medida por un potenciómetro electrónico. Las unidades de medición eléctrica aquí descritas usan un potenciómetro electrónico para medir el resultado producido y traducirlo a lecturas de presión o vacío. Resultado de aprendizaje: 1.1.1 Analizar diversos instrumentos industriales de presión. Practica # 9: Medición e Identificación de los diferentes tipos de presión. INTRODUCCIÓN: La ejecución de esta práctica ayudará al alumno a familiarizarse con la relación que existe entre la señal de entrada y la salida de un instrumento y de un sistema. OBJETIVO: Identificar los diferentes tipos de presión y medir diferentes presiones en distintos rangos. Que el alumno se familiarize con los elementos primarios de medición directa de la variable presión, las diferentes unidades para ésta, conocer y aplicar los conocimientos para determinar y entender los procesos industriales en donde interviene; resolver problemas téorico – prácticos de la variable presión y su comportamiento en los lazos o bucles de control de los procesos industriales. MARCO TEORICO: - En la realización de esta práctica, se involucran los conceptos generales obtenidos del tema 1: Definición de presión y sus diferentes tipos, Instrumentos de medición secundaria e industrial, Determinación de instrumentos adecuados para la toma de lecturas de presión en un proceso industrial. Conocer el manejo de equipo de prueba y calibración neumático e hidráulico (Calibrador neumático y balanza de pesos muertos). Observar el montaje, desmontaje, métodos de verificación y procesos de mantenimiento para medidores de presión. Principios hidráulicos, neumáticos y eléctricos de los sensores de presión de tipo directo e indirecto.

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DESARROLLO DE LA PRÁCTICA: Material y equipo a utilizar: -

Fuente de alimentación de aire regulada Manómetro de 0-2 Kg/cm2 (0-30 psi.) Manómetro de 0-4 Kg/cm2 (0-60 psi.) Un recipiente (tina) Un manómetro en “U” Un manómetro inclinado Un calibrador neumático ( W  T) Una balanza de pesos muertos Mangueras y conexiones

Procedimiento de la práctica. a).- Medición de presión manométrico. 1.- Con la balanza de pesos muertos aplicar una presión de 2 Kg/cm 2 al manómetro de rango 0 - 4Kg/cm2. 2.- Con el calibrador neumático, aplicar una señal de 1 Kg/cm 2 al manómetro de 0-2 Kg/cm2.

Calibrador Neumático W & T Selector Controles Conexiones

PC

PI AS

PI

Balanza de pesos Muertos.

Diagrama N° 1 3.- Coloca una conexión “T” en la tubería de agua de la red y medir la presión a la que se distribuye. b).- Medición de Vacío: 1.- Chequeo de calibración (puesta en cero) del manómetro en “U”. 2.- Con una conexión (manguera) succionar con una bomba de vacío (o succión de la persona), tapar la pierna y medir el vacío logrado (directamente en la “U”).

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c).- Medición de P 1.- Conectar el manómetro en “U” al calibrador neumático. 2.- Aplicar una P por medio del calibrador neumático al manómetro en “U”. Ejemplo: P1 = 2500 mm H2O. P2 = 1700 mm H2O. La diferencial de presión (P) medida deberá ser de 800 mm H2O. 3.- Aplicar una P pequeña ejemplo. P1 =2000 mm H2O y P2 = 1900 mm H2O Tratar de medir exactamente la P en el tubo “U”. 4.- Cambiar el tubo en “U” por el “U” inclinado, medir la presión diferencial (P) y comentar las diferencias observadas.

TEMA 2: FLUJO. Objetivo de aprendizaje. 2. un

Diagnosticar el instrumento de flujo adecuado para las diferentes aplicaciones de proceso.

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2.1

Examinar la simbología de instrumentos de acuerdo a normas ISA y SAMA.

Un fluido es una sustancia incapaz de resistir esfuerzos o fuerzas de corte sin desplazarse. Los fluidos se clasifican generalmente en líquidos y gases. Un liquido esta sometido a fuerzas intermoleculares que lo mantienen unido de tal manera que su volumen es definido pero su forma no. Cuando se vierte un liquido dentro de un recipiente, ocupará dentro de éste un volumen igual al suyo propio sin importar la forma del recipiente. Los líquidos son ligeramente comprensibles y su densidad varia poco con la temperatura o la presión. Un gas, por otra parte, consta de partículas en movimiento que chocan unas con otras y tratan de dispersarse del tal modo que un gas no tiene forma ni volumen definidos y llenara completamente cualquier recipiente en el cual se coloque. Para una masa dada o sistema de un gas, la presión, la temperatura, y el volumen que ocupa, se relacionan por medio de la ley de los gases, o sea, la ecuación apropiada del estado del gas. Características de los fluidos: Muchas de las mediciones industriales de la velocidad del flujo están basadas en el efecto del cambio de velocidad causado por una restricción al flujo en la tubería. El modelo del flujo antes, en y después de la restricción es de importancia primordial, ya que prácticamente todas las mediciones utilizan formulas o constantes empíricas. Para asegurar la reproducción de los resultados de las pruebas que definen estas constantes, los modelos de flujo en la instalación industrial deben de ser los mismos en comparación con los de la instalación de prueba. Por esto tiene importancia el que los usuarios de tales medidores comprendan los factores que influyen en los modelos de flujo. Flujo laminar o viscoso: Supóngase que una hoja delgada y rígida se sumerge en el cuerpo de un liquido. En caso de que el líquido empiece gradualmente a fluir, pasando por la hoja a baja velocidad, se forma un modelo de desorden a lo largo de la hoja, el cual muestra que las partículas individuales del liquido tienden a fluir en trayectorias paralelas a la corriente del flujo principal. El fluido actúa como si estuviera fluyendo a modo de hojas o laminas delgadas individuales; siendo asi, este tipo de flujo se conoce como flujo laminar o viscoso. Flujo turbulento: A medida que aumenta la velocidad, se comienzan a formar pequeños remolinos a lo largo de las superficies de la hoja. Lo cual esta ocasionado por la resistencia de fricción de dicha hoja estos remolinos están arrollados con respecto a las superficies de la hoja y mantienen su forma a distancias considerables después del extremo de la hoja. Cuando la velocidad se aumenta mas, los remolinos tienden a entremezclarse hasta que se hace evidente que el flujo ya no es laminar y que existe un flujo cruzado considerable entre las laminas anteriores. Toda semejanza con la progresión anterior desaparece y las partículas individuales adquieren movimientos desordenados en todas direcciones. Tal flujo se conoce con el nombre de flujo turbulento. Velocidad promedio en las tuberías: En un tubo circular es posible el mismo fenómeno, el cual esta modificado por el efecto de restricción de las paredes del tubo. Los experimentos han demostrado que, a bajas velocidades, el fluido actúa como si fluyera a modo de corrientes tubulares individuales, en Página 100 de 152

los que la corriente mas cercana a la pared del tubo tiene cero (0) de velocidad, y que dicha velocidad aumenta progresivamente a mediad que las capas concéntricas se aproximan mas al centro en donde la velocidad es máxima. Con tal flujo laminar, para el cual el esfuerzo cortante es independiente del grado de corte, el esquema de velocidad resultante es una parábola. La velocidad promedio del fluido que fluye calculada matemáticamente es, por lo tanto, la mitad de la velocidad máxima. En este caso los resultados experimentales y las observaciones concuerdan bastante bien con el análisis matemático de las fuerzas implicadas. A medida que aumenta la velocidad en el conducto, las corrientes en forma de tubo comienzan a entremezclarse, lo cual se convierte en flujos cruzados y turbulencia. A cierta velocidad relativamente indeterminada, el movimiento de las partículas individuales del fluido se vuelve totalmente desordenado y el flujo adquiere un estado de gran turbulencia, siendo esta de tal grado que se presenta la imposibilidad de analizar las fuerzas matemáticamente. Los resultados experimentales muestran que la velocidad promedio, cuando existe el flujo turbulento, es una proporción de gran magnitud con respecto a la velocidad máxima, variando desde 0.78 hasta 0.89, dependiendo esto de: 1).- La velocidad. 2).- El tamaño del tubo. 3).- La densidad y la viscosidad del fluido. 4).- La rugosidad del tubo. Número de Reynolds: En el año de 1883, Sir Osborne Reynolds, un científico inglés propuso un criterio de gran utilidad para las condiciones de flujo prevalecientes en los tubos lisos, habiéndose presentado dicho criterio a la Royal Society por medio de un articulo. Este criterio, el cual se conoce con el nombre de numero de Reynolds, correlaciona los factores que afectan el flujo del fluido de la siguiente manera: Rd = DV /  En donde: Rd = Numero de Reynolds

D = Diámetro del tubo

V = Velocidad promedio del flujo en el tubo  = Densidad del fluido  = Viscosidad absoluta del fluido

 Todos en unidades consistentes.

En lo que respecta ha éste número, es de hacerse notar algunos aspectos de significancia. En primer lugar, es posible observar que cuando las unidades de medición son constantes, ya sean las del sistema inglés o del métrico, todas las dimensiones se cancelan. Siendo así, la relación de Reynolds constituye lo que se conoce como numero adimensional, para el cual el valor numérico es el mismo cualesquiera que sean las unidades.

Teorema de Bernoulli : Este importante teorema de la dinámica de fluidos, propuesto en 1738 por el físico suizo Daniel Bernoulli (1700 – 1782), es equivalente a la ley de la conservación de la energía cinética. El teorema de Bernoulli afirma que, en todo punto de un flujo fluido estacionario, la Página 101 de 152

suma de las energías cinética, potencial y de presión es constante para una determinada masa de fluido. Las ecuaciones prácticas que se aplican a la operación de ciertos tipos de mediciones de flujo han sido derivadas de dicho teorema, y las partes que siguen se desarrollan en términos del balance total de energía y del balance de energía cinética. Balance de energía. Considérese la unidad de peso (una libra masa) del fluido, y sea: G = masa velocidad, (lb/(s)(ft2 de sección transversal). g = aceleración local debida a la gravedad, ft/s 2. J = equivalente mecánico del calor, 778 ft-lb/Btu. P = presión estática absoluta, lb/ft2.  = energía interna, Btu/lb. V = velocidad lineal, ft/s. V = volumen específico, ft3/lb. Z = altura con respecto a un plano arbitrario de referencia, ft. Siendo así, la energía potencial del fluido con respecto al nivel del plano de referencia es Z ftlb/lb de fluido, y la energía cinética del fluido es V 2/2g ft-lb/lb. La energía total de la libra de fluido es, por lo tanto, J + Z + V2/2g ft-lb/lb. Ahora supóngase que el fluido fluye de manera uniforme a través de un aparato, en el que no hay acumulación o agotamiento de energía o de materia, y que todas las condiciones en la entrada y salida del aparato son estables. Así, la energía total de la muestra del fluido sólo puede ser alterada sí se realiza la aplicación de trabajo desde una fuente de suministro externa o, por ejemplo, permitiendo el flujo de calor hacia adentro o fuera de la muestra. En consecuencia, sí los subíndices 1 y 2 representan las condiciones a la entrada y a la salida, respectivamente, se obtiene: J2 + Z2 + (V2)2/2g - J1 + Z1 +(V1)2/2g = JQ + W En donde: Q = Calor recibido de fuentes de suministro externas al proceso, Btu/lb. W = Trabajo neto externo realizado en la libra del fluido mientras se encuentra dentro del aparato, ft-lb/lb. Parte del trabajo W se realiza en la libra de fluido mientras es empujado por el fluido que viene atrás para que pase por la entrada, otra cantidad de trabajo p 2 v2 es efectuado por el fluido en la porción de fluido que va adelante del anterior. Por lo tanto. W = p1 v1 – p2 v2 + W0 En la cual W0 = Trabajo suministrado por la maquinaria exterior a la libra promedio de fluido durante su paso a través del aparato, ft-lb/lb. La expresión resultante con frecuencia se denomina como forma de balance de energía del teorema de Bernoulli, o sea: J1 + Z1 + p1v1 + (V1)2/2g + JQ + W0 = J2 + Z2 + p2v2 + (V2)2/2g Página 102 de 152

MEDIDORES DE FLUJO: Principio de operación. El principio de operación de los medidores de flujo del tipo diferencial, se basa en la relación que existe entre la velocidad del fluido y la perdida de la presión, al pasar este a través de una restricción en la tubería. Esta relación se define simplemente él la siguiente forma: La perdida de presión causada por la restricción, es proporcional al cuadrado de la velocidad del fluido. La restricción, conocida como el elemento primario de medición, hace que el fluido se contraiga y ya que el flujo permanece constante, la velocidad de este aumenta al pasar por la restricción, y la presión estática disminuye al mismo tiempo según la ley de la conservación de la energía (teorema de Bernoulli). La diferencia entre las presiones antes y después de la restricción y llamada comúnmente “diferencia”, representa un índice de la velocidad del fluido. Para determinar el caudal del fluido, basta simplemente multiplicar el índice de velocidad por el área de la restricción, dando como resultado la ecuación básica para flujo: Q = CAV, en donde: Q = Cantidad de flujo. C = Coeficiente de descarga. A = Área de la restricción. V = Velocidad del fluido después de la restricción. La presión diferencial es medida y convertida a unidades de flujo por medio de un aparato secundario de medición. La forma más sencilla de este aparato es un tubo de vidrio en forma de U, y el flujo se determina midiendo la diferencia de altura entre las dos columnas de Mercurio. Este tubo de “U” es comúnmente conocido como “cuerpo medidor” ya que efectivamente mide la magnitud de la diferencial. El complemento de este cuerpo medidor es el “instrumento”, ya sea indicador, registrador, etc., el cual convierte las señales transmitidas por el cuerpo medidor, que pueden ser mecánicas, eléctricas o neumáticas, en las unidades deseadas. Si el cuerpo medidor esta conectado al instrumento por medio de un eje o algún otro medio mecánico, la combinación es conocida como medidor de flujo mecánico. Si el cuerpo medidor esta conectado al instrumento eléctricamente, se le llama medidor de flujo tipo eléctrico. Si el instrumento recibe impulsos neumáticos del cuerpo medidor se conoce como medidor de flujo con transmisión neumática (DIFFERENTIAL CONVERTER Y TEL – O –SET). Hay muchas combinaciones posibles con estos tres tipos de transmisión, entre las que se puede citar el caso de un medidor tipo mecánico provisto de un sistema de transmisión neumática conectado a un aparato receptor que puede estar instalado remotamente.

Elementos primarios de medición. Los elementos primarios de medición mas comúnmente usados, con los diferentes medidores de flujo son: Página 103 de 152

 Placa de Orificio.  Tubo de Venturi.  Tobera de Flujo.

Tubo de venturi. a) Mínima perdida de presión permanente. b) Requiere poco mantenimiento. c) Permite el paso de 1.6 veces más fluido que la placa de orificio bajo las mismas condiciones de operación. d) Es más difícil de instalar. e) El de mas costo.

Tobera de flujo. a) Mediana perdida de presión permanente. b) Requiere poco mantenimiento. c) Permite el paso de 1.6 veces más fluido que la placa de orificio bajo las mismas condiciones de operación. d) Se obtiene mayor diferencial que en el tubo de Venturi. e) Mayor costo que la placa de orificio y menor que el tubo de Venturi.

Placa de orificio. a) b) c) d) e)

Máxima perdida de presión permanente. Él mas comúnmente usado Mas fácil de instalar. Fácilmente reproducible. Requiere inspección periódica. El de mas bajo costo.

Tubo de venturi. Este elemento primario de medición se instala en la tubería en la misma forma que cualquier otro tubo del tipo común y corriente, pero su sección media tiene un diámetro más pequeño, llamado “Garganta”. Los diámetros de ambos extremos del Tubo de Venturi corresponden al diámetro interior de la tubería a la cual es conectado. El cuerpo cilíndrico del tubo entra en un cono de convergencia angular fija. Este cono entra a la sección media que forma la garganta y que tiene un diámetro más pequeño, que ha sido calculado y torneado con la presión. La garganta esta conectada a un cono de salida de divergencia angular fija y cuyo diámetro final corresponde al de la tubería. El cuerpo cilíndrico del Tubo de Venturi esta equipado con conexiones piezométricas en un anillo de presión antes de la garganta; a este anillo se conecta la toma de alta presión del cuerpo medidor. La garganta tiene un diseño similar para efectuar la conexión de baja presión al medidor. La diferencial de presión entre el cuerpo cilíndrico y la garganta, produce la diferencial en la cual se basa la medición de flujo. Se puede fabricar el tubo de Venturi y los otros elementos primarios de cualquier material para llenar los requisitos de la aplicación.

Tubo de venturi de inserción. Página 104 de 152

El tubo de Venturi de inserción es similar al antes descrito pero con ventajas adicionales, tales como poder medir el flujo a una presión extremadamente alta, evitando el costo excesivo de un tubo de Venturi clásico. El montaje de este tubo se hace por medio de un dispositivo especial que se fija entre dos bridas a la tubería y que sirve también como conexión de baja presión ya que tiene incorporadas las aberturas piezométricas y el anillo de presión de la garganta. La conexión de alta presión se hace directamente en la tubería, antes de la garganta y a una distancia aproximada de un diámetro de la tubería.

Tobera de flujo. Se puede describir este elemento primario como un tubo de Venturi de inserción, sin cono de salida. La falta de dicho cono aumenta la perdida de presión permanente.

Placa de orificio. La placa de orificio es él mas comúnmente usado de los elementos primarios, debido a su sencillez, bajo costo y facilidad para instalarse. Este elemento es una placa delgada de metal con una abertura generalmente redonda y concéntrica. La placa de orificio debe tener la resistencia necesaria para evitar deformaciones bajo presiones diferenciales ordinarias. Generalmente se usan placas de 1.58 mm. (1/16”) de espesor en las tuberías hasta de 10.16 cms. (4”) de diámetro, las placas de 3.175 mm. (1/8”) se usan en tuberías de 10.16 cms (4”) a 40.64 cms (16”), placas de 6.350 mm (1/4”) en tuberías de mas de 40.64 cms (16”). El lado de la placa correspondiente a la alta presión debe estar perpendicular al eje de la tubería y su borde torneado a escuadra para obtener los mejores resultados. El borde del orificio no debe tener un grueso mayor de 3.175 mm (1/8) y para placas con un orificio menor de 12.700 mm (1/2”), el grueso del borde no debe exceder de 1.588 mm (1/16”). Si para lograr esto es necesario biselar el borde, tendrá que hacerse en el lado de baja presión de la placa y a un ángulo no menor de 45º. Cualquier fluido, al pasar a través de un orificio. El menor diámetro de la corriente se obtiene en la vena – contracta, la cual corresponde al diámetro de la garganta en el tubo de Venturi y en la Tobera de flujo. Además de la placa de orificio concéntrico, existen otros dos tipos que son: a) Tipo excéntrico, en la cual el orificio esta fuera del centro. b) Tipo Segmental. c) Las placas excéntricas y segméntales se usan cuando el fluido lleva partículas en suspensión, las cuales tendrán a aglomerarse en el lado de alta presión en una placa con orificio concéntrico, ocasionando medidas erróneas. Página 105 de 152

Tomas de presión. Hay tres diferentes formas de instalar las derivaciones de presión cuando se usa la placa de orificio que son: De brida, de vena contracta y de tubería. Tomas de brida. En este tipo de derivación, las tomas de alta y baja presión, se conectan a las bridas directamente y a una distancia de 2.54 cm. en ambos lados de la placa de orificio respectivamente. Una vez que se han instalado, tanto la placa de orificio como las bridas, es necesario taladrar la tubería de tal modo que coincidan las perforaciones con las de las bridas que ya vienen hechas de fabrica. Otro tipo de bridas con rosca, las cuales tienen un tope interior que evita el paso de la tubería hasta las perforaciones de las tomas de presión y por consiguiente no hay necesidad de taladrar la tubería una vez que se han instalado. Las bridas, se fijan a la tubería soldándolas. En aplicaciones en donde la presión es muy alta, se usan las bridas con anillos de presión. Una variación de las tomas de brida conocidas como tipo de rincón. Este tipo es usado cuando se desea aprovechar la diferencial máxima a través del orificio. La distancia a la que se efectúa la máxima contracción de la vena con respecto a la placa de orificio, depende del tamaño de la tubería y de la relación de diámetro entre el orifico y la tubería. La toma de baja presión se sitúa en donde ocurre la contracción de la vena; la de alta presión se hace en un punto determinado por experiencia para obtener la presión estática verdadera. Tomas de tubería. La toma de alta presión se hace a una distancia de 2 ½ diámetros de la tubería tomando como referencia el lado correspondiente de la placa de orificio y la toma de baja presión se hace a partir del lado correspondiente al de baja presión de la misma placa y a una distancia de 8 diámetros de la tubería. En este caso, se mide únicamente la perdida por fricción. La presión diferencial a estas distancias es muy pequeña, lo cual hace posible la medición de un flujo grande con un medidor de diferencial pequeño. Estas conexiones son muy usadas en la medición de gas natural, y aún cuando tienen ciertas desventajas en su medición, ofrecen, en cambio, facilidad y bajo costo de instalación. A pesar de todo esto, las tomas de brida están desplazándolas gradualmente. Instalación de la placa de orificio. Al instalar una placa de orificio, deben tomarse varias precauciones: 1. La placa debe ser instalada en la dirección debida, es decir, con la parte biselada del orificio hacia el lado de la baja presión. En el caso de que se instalara con el bisel del orificio hacia el lado de alta presión, causaría una lectura errónea. Página 106 de 152

2. La placa debe centrarse con las bridas de tal modo que el orificio quede concéntrico a la tubería. Los empaques usados a cada lado de la placa, deben cortarse en cierta forma de mozos que no haya posibilidad de que obstruya el orificio. Las placas de orificio se hacen generalmente a la medida para que descansen en los tornillos de las bridas cuando se ponen por primera vez en su posición. Debido a que en la práctica los agujeros de las bridas pueden ser de 3.175 mm (1/8”) más grandes en diámetro que los tornillos, el orificio puede estar fuera de centro hasta 3.175 mm (1/8”), a menos que se tenga cuidado de centrarlo. Se obtienen mejores resultados en la medición de flujos, cuando el orificio es precedido de un tramo largo de tubería recta y seguido de cuando menos otro tramo recto equivalente a 5 diámetros de la tubería. Estas condiciones ideales no siempre pueden existir y por lo tanto se hace necesario determinar la longitud mínima de tubería recta indispensable para obtener resultados satisfactorios. Cuando el flujo se va acercando a la placa de orificio, debe fluir paralelo al eje de la tubería y con la menor turbulencia posible. Cualquier accesorio o dobles de la tubería, antes de la placa de orificio, será causa de inexactitud, particularmente tratándose de gases. La forma de eliminar estas causas de error, es dispones de un tramo ininterrumpido y suficientemente largo de tubería recta antes de la placa. Algunas veces esto no es posible y se hace necesario el uso de rectificadores de flujo – en la línea – antes de la placa. Estos rectificadores se pueden hacer de un numero de tubos pequeños ensamblados dentro de un tubo más grande. El tramo necesario de tubería recta antes del orificio, varia con la relación de diámetros y el tipo de accesorios que se encuentren en la línea. Otro punto que se debe tomar en consideración, son las tomas de alta y baja presión en la tubería. Las orillas de los agujeros de las tomas de presión deben de estar libres de rebabas en la parte interior del tubo y no deben dejarse cortantes, sino ligeramente redondeadas y pulidas con lija fina. Todas las líneas del orificio al cuerpo medidor, deben tener un desnivel mínimo de 2.54 cm. por cada 30.28 cm. de la tubería (1” por pie) y el diámetro no debe ser menor de 6.35 mm (1/4”), preferiblemente 1.27 cm. (1/2”). En muchos servicios industriales, las variaciones de flujo son tan grandes que las placas de orificio necesitan cambiarse frecuentemente para mantener la diferencial dentro de los limites razonables de exactitud del medidor. No obstante que la placa de orificio es la más fácil de cambiar de todos los elementos primarios, es sin embargo, imposible hacer este cambio, sin tener que interrumpir el flujo en la línea. Cualquier mecanismo de montaje del orificio o cualquier modificación del cuerpo del medidor que haga posible este cambio, sin suspender el paso del flujo en la línea, es de un valor incalculable. Hay dos formas para hacer dicho cambio: a) Usando un mecanismo especial para hacer dicho cambio. b) Por medio de los tubos de gama intercambiables en el cuerpo medidor. El mecanismo especial se asemeja a una válvula de compuerta y se instala en la línea de flujo en la misma forma que esta. Ha sido diseñado para permitir el cambio de la placa de orificio sin interrumpir el paso de flujo a través de la línea. Página 107 de 152

El uso de tubos de gama intercambiables en el medidor, da los mismos resultados que el mecanismo antes descrito. En el primer caso, el orificio se cambia para obtener la diferencial debida y en el segundo, la diferencial se cambia de acuerdo con el orificio usado. No es necesario interrumpir el flujo en la línea de los dos casos al hacer el cambio. Bridas para orificio. Hay cuatro tipos de bridas para orificios: Con rosca, soldadas, de anillo y tipo Van Stone. Tipo con rosca. Las bridas del tipo con rosca se atornillan en el extremo de la tubería. La placa de orificio y los empaques, se ponen entre las bridas atornillándose después estas para obtener una conexión a prueba de escape. Bridas soldadas. Estas se suministran en dos formas, tipo deslizable o superpuesto y tipo de unión o de ensamble. Se desliza sobre la tubería y se solda en la cara interior y en el cuello de la brida. El otro tipo, se ensambla entre la tubería y se solda a ésta. El orificio, en ambos casos, se instala entre las bridas como se describe en el párrafo anterior. Tipo de anillo. Estas bridas pueden ser soldadas o de rosca u tienen un empaque en forma de anillo comúnmente de hierro dulce. El empaque asienta en una ranura de la cara de cada brida y el orificio se pone dentro del empaque. Bridas “van stone”. El niple esta superpuesto a la cara interior de las bridas y es pulido para proporcionar un asiento al empaque. El otro extremo del niple se suelda a la tubería. Este tipo se usa para mediciones en las que exista una alta presión, generalmente con tomas de tubería o vena contracta. ELEMENTOS SECUNDARIOS DE MEDICION: El medidor del tipo diferencial tiene muchas ventajas, entre las cuales podemos mencionar: a) Lectura directa. Un medidor del tipo diferencial indica directamente el valor del flujo. Esto es importante en aplicaciones de control en procesos continuos. b) Costo. El precio del medidor no es afectado por las dimensiones o capacidad de la tubería, exceptuando el costo correspondiente a los diferentes tamaños de las placas de orificio. c) Resistencia a la corrosión. El problema de la corrosión excesiva puede resolverse fácilmente mediante el uso de placas de orificio hechas de metales especiales y de líquidos selladores en la tubería que va del orificio al cuerpo del medidor. d) Control. Los medidores diferenciales son ideales para el servicio de control automático. e) Indicación y registro remoto. Prestan magníficos servicios como indicadores o registradores a distancia, permitiendo el uso de tableros de control centralizado. f) Exactitud. Si la instalación, calibración y mantenimiento, se hacen en la forma correcta, son tan exactos como cualquier otro tipo de medidores comerciales. Página 108 de 152

Los medidores de flujo diferencial pueden ser divididos en dos clases: a) Medidores operados mecánicamente. b) Medidores operados eléctricamente. A los primeros se les denomina de este modo, debido a que el cuerpo medidor esta conectado al instrumento por medio de un eje o algún otro medio mecánico, y a los segundos, porque están conectados eléctricamente. En los medidores mecánicos, es posible obtener una transmisión remota, pero esta estaría limitada a una distancia máxima de 30.48 m. (100 ft.) para líquidos y de 15.24 m (50 ft.) para gases. En los medidores eléctricos, el elemento secundario (cuerpo transmisor), puede estar colocado a cualquier distancia del instrumento indicador, sin afectar su exactitud en la medición por lo que este instrumento es ideal para transmisión a largas distancias. Otro tipo de transmisión remota es la que se obtiene neumáticamente a distancias no mayores de 304 m (1000 ft.), usando un medidor mecánico en combinación con un sistema neumático, el cual, se instala junto al elemento primario. La presión de aire varia de 2 a 15 lb. Y el instrumento receptor o registrador de presión esta calibrado para los correspondientes cambios de presión. Medidores del tipo mecánico. El medidor mecánico Brown, es un tubo de “U” en el cual un flotador, operando sobre mercurio, transmite la presión diferencial a los elementos de indicación, tales como la pluma o el puntero del registrador. Medidores de tipo eléctrico. Los medidores del tipo eléctrico usan el mismo método de medición de los medidores del tipo mecánico, es decir, detectan la presión diferencial por medio de un manómetro. En el medidor de flujo del tipo eléctrico, el movimiento del flotador es transmitido eléctricamente del cuerpo medidor al instrumento indicador, por lo que el tipo eléctrico tiene algunas ventajas sobre el mecanismo, que son: a) El instrumento puede ser instalado a una gran distancia del cuerpo medidor. b) Es posible operar dos o más instrumentos con un solo cuerpo medidor. Estas combinaciones son de gran importancia en grandes procesos industriales para centralizar todas las indicaciones en un solo tablero.

Medidores de diferencial pequeña. Cuando se miden fluidos, tales como gas o aire, a una presión estática muy baja, es importante que la perdida permanente de presión, a través del elemento primario, se mantenga lo más baja posible. Se obtiene esto, por medio de unas relaciones de orificio grandes y medidores de baja diferencia muy sensibles. Se entiende por bajas diferenciales, las comprendidas entre 2.5 y 10 pulgadas de agua. El tipo de campana, es el que se usa generalmente para estas mediciones. El cuerpo medidor eléctrico de baja presión, usa el mismo principio del puente inductivo descrito previamente en el medidor de alta diferencial. Una campana es mantenida a flote por Página 109 de 152

el mercurio contenido en la parte inferior del cuerpo medidor. La toma de alta presión se conecta a la parte inferior de la campana, y la de baja presión, en la parte exterior. Bajo condiciones de operación, la diferencial creada al pasar el liquido a través del orificio, actuara tanto en el interior como en el exterior de la campana. Debido a que la presión en el interior en más grande que la aplicada al exterior, la campana subirá y al mismo tiempo su flotabilidad disminuye. La campana continuará ascendiendo hasta que la fuerza ejercida en ambas partes se iguale y una voz establecida el equilibrio, la campana flota a un nuevo nivel. En la parte superior de la campana se encuentra una varilla y una armadura, las cuales, al moverse la campana, se mueve también pero dentro del núcleo de la bobina, transmitiendo este movimiento eléctricamente al aparato receptor. El conjunto de la armadura, bobina y tuerca del ajuste a cero, son idénticas a las usadas en los medidores de alta diferencial del tipo eléctrico. El movimiento de la campana es proporcional al cuadrado de la cantidad de flujo, por consiguiente es necesario usar gráficas divididas en raíz cuadrada. Este cuerpo medidor, al igual que los otros tiene un desplazamiento de la campana de 3.048 cm. (1.2”).

Cuerpo medidor tipo área. Como ya se menciono anteriormente, en los medidores de flujo del tipo diferencial, hay una perdida de presión definida, creada por la restricción. En el medidor convencional, el área del orificio permanece constante y el cambio en la cantidad de flujo es indicado por el cambio en la presión diferencial. En los medidores del tipo de área, la superficie de la restricción es variable y la diferencial es fija independientemente de la cantidad de flujo que pase. En este tipo de medidores de encuentra un flotador fijo a un pistón, balanceado con unas pesas que se han calculado previamente; dicho flotador se mueve hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de la cantidad de flujo. El peso del pistón constituye la diferencial fija y la superficie comprendida entre sus posiciones nos da el área variable. Este tipo de medidor es hecho únicamente con transmisión eléctrica, y sus rangos son limitados, hasta 7570 lt. (2000 galones) de agua por hora, o su equivalente para otros líquidos. Son muy usados en la industria para la medición de aceite y líquidos viscosos. Se instalan directamente en la línea como se instalaría una válvula y todas sus partes son fácilmente desmontables y accesibles para su limpieza y mantenimiento.

Transmisión neumática. Este tipo consiste en un transmisor indicador montado adyacente a las bridas de la placa de orificio. Dicho transmisor tiene un mecanismo relevador neumático que transforma las unidades de flujo medido en incrementos de presión de aire dentro de los limites de 2 a 15 Psi. Estos cambios de presión de aire, son transmitidos a un instrumento receptor a través de una tubería de 6.350mm (1/4”) o 9.525 mm (3/8”) de diámetro. El instrumento receptor, es un manómetro de presión operado por un diagrama y un resorte y su rango es de 2’ a 15’ lb. Pudiendo operar una pluma o un puntero que se mueve sobre gráficas o escalas calibradas en unidades de flujo. Página 110 de 152

Este sistema requiere muy poco mantenimiento y es muy usada en instalaciones que requieren equipo a prueba de explosión. Pueden usarse en distancias hasta de 350 m (del transmisor al receptor) debido a su fuerza y medios positivos de posicionar la pluma en el receptor, eliminando la posibilidad de falsas posiciones de la pluma. El transmisor e indicador neumático puede suministrarse con o sin control. El receptor neumático puede ser indicador o registrador y con o sin se pueden hacer combinaciones e registradores y controladores. A este respecto, el sistema neumático es más versátil que el sistema eléctrico.

Tubos de gamas intercambiables. Tanto los medidores de flujo del tipo mecánico, como los del tipo eléctrico, tienen una serie de siete tubos de gama relacionados entre sí; además, tienen otros cuatro que no están relacionados. Estos tubos tienen las mismas gamas en ambos tipos de medidores, pero no son intercambiables del tipo eléctrico al mecánico o viceversa. Esto se debe a la diferencia en desplazamiento del volumen del mercurio. Dichos tubos pueden fácilmente intercambiarse en los medidores, aflojando la tuerca que se encuentra en la parte inferior del tubo y quitando, además, las conexiones de la tubería. Los tubos de gama están diseñados de tal modo que es posible aumentar o disminuir la capacidad de cualquier instalación en un porcentaje fijo, cambiando solamente el tubo de rango sin tener que tocar para nada la placa de orificio. La ventaja que tienen es de gran importancia debido a que resulta mucho mas barato cambiar el tubo de rango que el tubo de Venturi, la Tobera del flujo o la placa de orificio, independientemente de la medida de dichos elementos primarios. Tienen, además, la ventaja de que no hay necesidad de interruptor el proceso para efectuar dicho cambio.

Resultado de aprendizaje. 2.1.1 Analizar diversos instrumentos industriales de flujo. Práctica #10: Medición de flujo por Método Directo.

INTRODUCCIÓN. Esta práctica, permitirá analizar la operación, el funcionamiento y el mantenimiento de los medidores de Flujo por el Método Directo mas común.

OBJETIVO. Aprender el funcionamiento de los sensores de flujo directo, así como su operación y mantenimiento, para poder hacer una buena selección, dependiendo de un proceso dado. Página 111 de 152

MARCO TEORICO. Para realizar esta práctica, se involucran los conceptos vistos en el tema. Así como También se involucran los conceptos sobre el manejo de fluidos. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. material y equipo a utilizar: -

Medidor de desplazamiento positivo (de ruedas ovaladas o de lóbulo). Rotámetro. A futuro con un medidor de flujo de tensión inducida (Magnético). Mangueras y conexiones. Llaves comunes (7/16, ½, ¾) y llave perica (crecen). Calibrador Neumático. Conectores para tubería de agua de red.

Procedimiento de la practica: a) Medición de flujo con un medidor de desplazamiento positivo y análisis de la operación, funcionamiento y mantenimiento de éste. b) Conectar el medidor en serie a la red, y hacer circular un caudal para medirlo. c) Desarmar o destapar el medidor, para analizar y conocer su operación y componentes para después darle mantenimiento. d) Armarlo y dejarlo en condiciones operables y de funcionamiento.

Medición de flujo con un rotámero. B1) Medición de flujo de agua con rotámetro. B2) Medición de flujo de aire con el rotámetro.

Nota: Dependiendo del rango del rotámetro, colocar una válvula reguladora antes del medidor, para regular el flujo a medir. B3) Desarmar el rotámetro para conocer y analizar sus componentes, efectuarle mantenimiento y armarlo; instalarle o dejarle en condiciones operables. RESULTADOS OBTENIDOS. Anotar las observaciones y análisis sobre el funcionamiento, operación y mantenimiento del medidor de desplazamiento positivo. Anotar observaciones sobre el funcionamiento, operación y mantenimiento del rotámetro. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

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TEMA 3: NIVEL. Objetivo de aprendizaje. Página 113 de 152

3.

Diagnosticar el instrumento de nivel adecuado para las diferentes aplicaciones de un proceso.

Criterio de aprendizaje. 3.1

Determinar la simbología de instrumentos de acuerdo a normas ISA y SAMA.

MEDICION DE NIVEL. Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y de sólidos que son dos mediciones claramente diferenciadas y que se estudiaran separadamente por sus distintas peculiaridades y las aplicaciones particulares de las que son objeto. Medidores de nivel de líquidos. Los medidores de nivel de liquido trabajan midiendo, bien directamente la altura de un liquido sobre una línea de referencia, bien la presión hidrostática, bien el desplazamiento producido en un flotador por el propio liquido contenido en el tanque del proceso, o bien aprovechando características eléctricas del liquido. Los primeros instrumentos de medida directa se dividen en: sonda, cinta y plomada, nivel de cristal e instrumentos de flotador. Los aparatos que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática se dividen en: Medidor manométrico.

Medidor de membrana. Medidor de tipo burbujeo. Medidor de presión diferencial de diafragma. El empuje producido por el propio liquido lo aprovecha el medidor de desplazamiento a barra de torsión. Los instrumentos que utilizan características eléctricas de liquido se clasifican en: Medidor conductivo. Medidor capacitivo.

Medidor ultrasónico. Medidor de radiación. Instrumentos de medida directa. El medidor de sonda consiste en una varilla o regla graduada de la longitud conveniente para introducirla dentro del deposito. La determinación del nivel se efectúa por la lectura directa de la longitud mojada por él liquido. En el momento de la lectura el tanque debe estar abierto a presión atmosférica. Se utiliza generalmente en tanques de fuel-oil o gasolina.

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Otro medidor consiste en una varilla graduada, con un gancho que se sumerge en el seno del liquido y se levanta después hasta que el gancho rompe la superficie del liquido. La distancia desde esta superficie hasta la parte superior del tanque representa indirectamente el nivel. Se emplea en tanques de agua a presión atmosférica. Otro sistema parecido es el medidor de cinta graduada y plomada que se emplea cuando es difícil que la regla graduada tenga acceso al fondo del tanque. El nivel de cristal consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados a bloques metálicos y cerrados por prensaestopas están unidos al tanque generalmente mediante tres válvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo para impedir el escape del liquido en caso de rotura del cristal y una de purga. El nivel de cristal normal se emplea para presiones hasta 7 Kg./cm 2. A presiones mas elevadas el cristal es grueso, de sección rectangular y esta protegido por una armadura metálica. La lectura de nivel se efectúa con un cristal a reflexión o bien por transparencia. En el primer caso, el vidrio en contacto con él liquido esta provisto de ranuras longitudinales que actúan como prismas de reflexión indicando la zona del liquido con un color oscuro casi negro y la zona superior en contacto con el vapor con un color claro. En la lectura por transparencia empleada para apreciar el color, características o interfase del liquido, este esta contenido entre dos placas de vidrio planas y paralelas que permiten ver directamente el nivel, mejorándose la apreciación visual al acoplar una lámpara de iluminación al sistema. Para mayor seguridad, las válvulas de cierre incorporan una pequeña bola que actúa como válvula de retención en caso de rotura del vidrio. Los niveles de vidrio son susceptibles de ensuciarse por las características del liquido que miden, impidiendo que el nivel pueda apreciarse claramente. Entre los líquidos que presentan este inconveniente figuran el caramelo los líquidos pegajosos. El nivel de vidrio permite solo una indicación local, sí bien pueden emplearse espejos para lectura a distancias limitadas o bien utilizar cámaras de televisión para mayores distancias de transmisión. Su ventaja principal es la gran seguridad que ofrece en la lectura del nivel de liquido pudiendo controlar con ellos la lectura de los otros tipos de aparatos de nivel. Los instrumentos de flotador consisten en un flotador situado en el seno del liquido y conectado al exterior del tanque indicando directamente el nivel. La conexión puede ser directa, magnética o hidráulica. El flotador conectado directamente esta unido por un cable que desliza en un juego de poleas a un índice exterior que señala sobre una escala graduada. Es el modelo más antiguo y el mas utilizado en tanques de gran capacidad tales como los de fuel-oil y gasoil. Tiene el inconveniente de que las partes móviles están expuestas al fluido y pueden romperse y de que el tanque no puede estar sometido a presión. Además, el flotador debe mantenerse limpio.

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El flotador acoplado magnéticamente desliza exteriormente a lo largo de un tubo guía sellado, situado verticalmente en el interior del tanque. Dentro del tubo, una pieza magnética sigue al flotador en su movimiento y mediante un cable y un juego de poleas arrastra el índice de un instrumento situado a la parte superior del tanque. El instrumento puede además ser transmisor neumático o eléctrico. En tanques pequeños, el flotador puede adaptarse para actuar magnéticamente sobre un transmisor neumático o eléctrico dispuesto en el exterior del tanque permitiendo así un control del nivel; una aplicación típica la constituye el control de nivel de una caldera pequeña capacidad de producción de vapor. El flotador acoplado hidráulicamente. Actúa en su movimiento sobre un fuelle de tal modo, que varia la presión de un circuito hidráulico y señala a distancia en el receptor el nivel correspondiente. Permite distancias de transmisión de hasta 75 m. Y puede emplearse en tanques cerrados. Sin embargo, requiere una instalación y calibración complicadas y posee partes móviles en el interior del tanque. Hay que señalar que ene estos instrumentos, el flotador puede tener formas muy variadas y esta formado por materiales muy diversos según sea el tipo de fluido. Los instrumentos de flotador tienen una precisión de 0,5%. Son adecuados en la medida de niveles en tanques abiertos y cerrados a presión o al vacío, y son independientes del peso especifico del liquido, Por otro lado, el flotador puede agarrotarse en el tubo guía por un eventual deposito de los sólidos o cristales que el liquido pueda contener y además los tubos guías muy largos pueden dañarse ante olas bruscas en la superficie del liquido o ante la caída violenta del liquido en el tanque.

Instrumentos basados en la presión hidrostática, Medidor manométrico, membrana, burbujeo, presión diferencial El medidor manométrico consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque. Un instrumento de este tipo en el que se observará varios accesorios como son una válvula de cierre para mantenimiento, y un pote de decantación con una válvula de purga. El manómetro mide la presión de vida a la altura del liquido h que existe entre el nivel del tanque del eje del instrumento. Así pues, el campo de medida del instrumento corresponderá a: 0 -- h / 10 Kg./ cm2. con

h = altura de liquido en metros = peso especifico del liquido en g/ cm 3.

Como las alturas son limitadas el campo de medida es bastante pequeño, de modo que el manómetro utilizado tiene un elemento de medida del tipo fuelle. El instrumento solo sirve para fluidos limpios ya que sí el liquido es corrosivo coagula o bien tiene sólidos en suspensión, el fuelle puede destruirse o bien bloquearse perdiendo su elasticidad; Por otra parte, como el campo de medida es pequeño no es posible utilizar sellos de diafragma. La medida esta limitada a tanques abiertos y el nivel viene influido por las variaciones de densidad del liquido. Página 116 de 152

El medidor de membrana utiliza una membrana conectada a un tubo estanco al instrumento receptor. La fuerza ejercida por la columna del liquido sobre el área de la membrana comprime el aire interno a una presión igual a la ejercida por la columna del liquido. El volumen del aire interno es relativamente grande por lo cual el sistema esta limitado a distancias no mayores de unos 15m debido a la comprensibilidad del aire. Como antes, la presión máxima que el liquido ejercerá es h kg/cm2. El medidor de membrana tiene una precisión de 1%, puede trabajar a temperaturas hasta 60° C, es delicado ya que cualquier pequeña fuga del aire contenido en el diafragma destruiría la calibración del instrumento y no puede emplearse para servicio de líquidos corrosivos. En los líquidos que contienen sólidos en suspensión es necesario conectar una tubería de purga en la parte inferior del diafragma para permitir la limpieza periódica de la parte inferior del instrumento. El medidor de tipo burbujeo emplea un tubo sumergido en el liquido a cuyo a través se hace burbujear aire mediante un rotámetro con un regulador de caudal permite mantener un caudal de aire constante a través del liquido independientemente del nivel (es normal un caudal de 150 NI/ h); Sí no existiera, habría una gran diferencia en los caudales de aire necesarios desde el nivel mínimo al máximo, con el inconveniente de un gasto de aire indebido. La tubería empleada suele ser de ½ “ con el extremo biselado para una fácil formación de las burbujas de agua. Una tubería de menor diámetro tipo capilar reducirá el tiempo de respuesta pero produciría un error en la medida provocado por la perdida de carga del tubo. La presión del aire en la tubería, es decir, el nivel, se mide mediante un manómetro de fuelles cuyo campo de medida corresponde a la presión máxima ejercida por el liquido (h/10 Kg./cm2, con h en m y  en g /cm3). El manómetro receptor puede colocarse hasta distancias de 200 m El sistema puede emplearse también en tanques cerrados con dos juegos rotámetroregulador y con las señales de aire conectadas a un transmisor de presión diferencial análogo. Como es lógico la presión del aire de purga debe ser superior a la presión interna del tanque. Señalemos que no lo puede utilizarse aire sí no también otros tipos de gases e incluso liquido como fluido de purga y el tubo debe tener una longitud adecuada para evita que las variaciones bruscas del nivel introduzcan en su interior una cierta columna de liquido que retarde el paso del aire y falsee momentáneamente la lectura. El método de burbujeo es simple y da buen resultado, en particular, en el caso de líquidos muy corrosivos o con sólidos en suspensión y en emulsiones no se recomienda su empleo cuando el fluido de purga perjudica al liquido y para fluidos altamente viscosos donde las burbujas formadas del aire o del gas de purga presentan el riesgo de no separarse rápidamente del tubo. Desde el punto de vista de mantenimiento es muy útil situar una T con un tapón en la parte superior del tubo para su limpieza periódica. El medidor de presión diferencial consiste en un diafragma en contacto con el liquido del tanque, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo del tanque. En un tanque Página 117 de 152

abierto esta presión es proporcional a la altura del liquido en ese punto y a su peso especifico. Es decir: P =H, en la que: P = presión. H = altura del liquido sobre el instrumento. =peso especifico del liquido. El diafragma forma parte de un transmisor neumático o electrónico de presión diferencial semejante a los transmisores de caudal de diafragma que ya estudiamos. En el tipo mas utilizado, el diafragma esta fijado en una brida que se monta rasante al tanque para permitir sin dificultades la medida de nivel de fluidos, tales como pasta de papel y líquidos con sólidos en suspensión, pudiendo incluso ser de montaje saliente para que el diafragma enrase completamente con las paredes interiores del tanque tal como ocurre en el caso de líquidos extremadamente viscosos en que no puede admitirse ningún recodo. Hay que señalar que el nivel cero de líquido se selecciona en eje a la altura del diafragma. Si el instrumento se calibra en el tanque, el 0% del aparato debe comprobarse con el nivel mas bajo en el borde inferior del diafragma (entre el borde inferior y el superior del diafragma la señal de salida no esta en proporción directa al nivel). Otro tipo es el manómetro diferencial y que en su funcionamiento equivale al transmisor de diafragma. En el caso de que el tanque este cerrado y bajo presión, haya que corregir la indicación del aparato para la presión ejercida sobre el liquido debiendo señalar que la lectura será muy poca precisa, sí la presión es grande. Se suele conectar un tubo en la parte superior del tanque y medir la diferencia de presiones entre la toma inferior y la superior, utilizando transmisores de presión diferencial de diafragma. Cuando los gases o vapores encima del liquido son condensables, la línea desde la toma superior se llama gradualmente con el condensado hasta llenar todo el tubo, en cuyo caso la tubería dibujada a la derecha del transmisor tendrá mayor presión que la tubería izquierda, y por lo tanto, habrá que cambiar las conexiones del instrumento ya que este indicara bajo cuando el nivel sea alto y viceversa: P =(H-h) 

para h = 0 p = H.

De este modo, el instrumento tendrá que estar graduado a la inversa, es decir, indicar O% a 3 Psi y 100% a la 15 Psi en un transmisor neumático, o bien señalar 0% a 4 ma. Y 100% a 20 ma. En un transductor de señal de salida 4-20 miliamperios en corriente continua. Para corregir este inconveniente se utiliza un muelle llamado de supresión que esta aplicado a la barra de equilibrio de fuerza del transmisor y que produce una fuerza igual a la diferencia entre el nivel máximo y el mínimo. Como es natural, puede ajustarse la tensión del muelle para cada caso particular. Algunos fluidos presentan el riesgo de deposito de cristales o de sólidos en la superficie del diafragma. En tal caso cabe la solución de emplear un diafragma recubierto de teflón reducir el deposito gradual del producto. No obstante, como el movimiento del diafragma es muy pequeño y se considera el sólido algo flexible, continua aplicándose la presión del liquido a todo el diafragma; Sin embargo, sí parte del diafragma queda rígido, el instrumento marcara de forma errática o permanente menos nivel del real. Este inconveniente se resuelve Página 118 de 152

empleando un transmisor de nivel de presión diferencial con membranas de sello que responde a la presión transmitida en lugar de la fuerza por el líquido sobre la membrana. En tanques cerrados y a presión con líquido de vapor condensable existe el riesgo de obturación de la línea de compensación, en particular sí el fluido no es limpio. Para evitarlo puede purgarse la línea con líquido o gas, método que no se recomienda por los problemas de mantenimiento y la posible perdida de precisión que presenta, o bien emplear un transmisor de presión diferencial unido con dos capilares a dos diafragmas conectados en las partes inferior y superior del tanque. Es importante que los dos diafragmas estén a la misma temperatura para evitarlos errores en la medida que se presentarían por causa de las distintas dilataciones del fluido contenido en el tubo capilar. Si el tanque es elevado y el medidor se sitúa a un nivel muy inferior, la columna de liquido que va desde el nivel mínimo al medidor, es mucho mayor que la propia variación de nivel, por lo cual la apreciación del mismo se hace sobre una parte muy pequeña, de la escala. Para corregir este inconveniente se utiliza un muelle llamado de elevación que en forma similar al de supresión esta aplicado a la barra de equilibrio de fuerza del transmisor y produce una fuerza que se ajusta igual a la de la columna de liquido citada. El medidor de presión puede emplearse también en la medida de interfaces. La amplitud de la medida vendrá por la diferencia de presiones sobre el diafragma del elemento, primero con el tanque lleno del liquido más denso y después con el liquido menos denso. Por ejemplo, sí la interfase es agua-keroseno ( = 0.8) y el tanque tiene X m de altura, la presión diferencial disponible será de: 3 X 1 - 3X 0,8 = 0,06 kg/cm2 = 600 mm c. de a. Que puede medirse fácilmente con un transmisor de presión diferencial sensible dotado de resorte de elevación para compensar la presión inicial del liquido menos denso. La precisión de los transmisores de nivel de presión diferencial es de = 0,5%, se emplean en los tanques abiertos y cerrados a presión y a vacío, no tienen partes móviles del tanque, son de fácil limpieza, son precisos y confiables, admiten temperaturas del fluido hasta 120° C y no son influidos por las fluctuaciones de presión. Sin embargo, en tanques cerrados presentan el inconveniente de la posible condensación de los vapores del tanque en el tubo de conexión al instrumento, este inconveniente se elimina fácilmente con el resorte de supresión descrito. Hay que señalar que el material del diafragma debe ser el adecuado para resistir la corrosión del fluido (existen materiales de acero inoxidable 316, monel, tantalio, hastelloy B, inoxidable recubierto de teflón). Instrumento basado en el desplazamiento. El medidor de nivel de tipo desplazamiento consiste en un flotador parcialmente sumergido en el liquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión unido rígidamente al tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior al tanque. El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el ángulo de rotación de su extremo libre es directamente proporcional a la fuerza aplicada, es decir, al momento ejercido por el flotador. El movimiento angular del extremo libre del tubo de torsión es muy pequeño, del orden de los 9°. El tubo proporciona además un cierre estanco entre el flotador y el exterior del tanque (donde se dispone el instrumento receptor del par transmitido). Página 119 de 152

Según el principio de Arquímedes, el flotador sufre un empuje hacia arriba que viene dado por la formula: F=SH En la que:

F = empuje del liquido.

S = sección del flotador. H = altura sumergida del flotador.  = peso especifico del liquido. y el momento sobre la barra de torsión es: M = (SH - P). Siendo  el brazo del tubo de torsión y P el peso del flotador. Tal como puede verse en la expresión anterior, al aumentar el nivel, el liquido ejerce un empuje sobre el flotador igual al volumen de la parte sumergida multiplicada por el peso especifico del liquido, teniendo a neutralizar su peso propio, así que el esfuerzo medido por el tubo de torsión será muy pequeño. Por el contrario, al bajar el nivel, menor parte del flotador queda sumergida, y la fuerza de empuje hacia arriba disminuye, resultando una mayor torsión. El instrumento puede utilizarse también en la medida de interfase entre dos líquidos inmiscibles de distinta densidad (por ejemplo, agua y aceite). En este caso el flotador es de pequeño diámetro y de gran longitud y esta totalmente sumergido. El peso del volumen desplazado por el flotador, es decir, el empuje, se compone entonces de dos partes, del liquido más denso en la parte inferior y del menos denso en la superior, con una línea de separación (interfase) de la que depende el par de torsión proporcionando al transmisor exterior. En efecto, sí x es la zona del flotador inmersa en el liquido de mayor densidad, l es la longitud total del flotador y ( , ), son los pesos específicos de los líquidos de mayor y menor densidad respectivamente, resulta: Empuje hacia arriba = F = Sx. + S (l – x) . Instrumentos basados en características eléctricas del liquido. El medidor de nivel conductivo consiste en uno o varios electrodos y un relé eléctrico o electrónico que es excitado cuando el liquido moja a dichos electrodos. Él liquido debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito electrónico. La impedancia mínima es del orden de los 20 M /cm, y la tensión de alimentación es alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas por causa del fenómeno de la electrólisis. Cuando el liquido moja los electrodos se cierra el circuito electrónico y circula una corriente segura del orden de los 2ma.; el relé electrónico dispone de un temporizador de Página 120 de 152

retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del liquido o ante cualquier perturbación momentánea o bien en su lugar se disponen dos electrodos poco separados enclavados eléctricamente en el circuito.

El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, utiliza relés eléctricos para líquidos con buena conductividad. Una variante del aparato se utiliza en el control del nivel de vidrio en fusión: Un sistema electromecánico baja el electrodo hasta que este entra en contacto con la superficie del vidrio fundido que a las temperaturas de fusión es conductor. El circuito esta proyectado de tal forma que en el momento del contacto, el electrodo queda parado y su posición marcada en un registrador; instantes después invierte su movimiento hasta romper el contacto eléctrico y se repite nuevamente el ciclo. El instrumento es versátil, sin partes móviles, su campo de medida es grande con la limitación física de la longitud de los electrodos. Él liquido contenido en el tanque debe tener un mínimo de conductividad y su naturaleza lo exige, la corriente debe ser baja para evitar deterioración del producto. Por otro lado conviene que la sensibilidad del aparato sea ajustable para detectar la presencia de espuma en caso necesario. El medidor de capacidad con una conductividad del condensador formado por el electrodo sumergido en el liquido y las paredes del tanque. La capacidad del conjunto depende linealmente del nivel del liquido. En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacidad total del sistema se compone en la del liquido, la del gas superior y la de las conexiones superiores. En fluidos conductores con una conductividad mínima de 100 microhmios /c.c el electrodo esta aislado usualmente con teflón invirtiendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo en la zona del liquido del liquido y del gas. El circuito electrónico alimenta el electrodo a una frecuencia elevada lo cual disminuye la reactancia capacitiva conjunto y permite aliviar en parte el inconveniente del posible recubrimiento del electrodo por el producto. El sistema es sencillo y apto para muchas clases de líquidos. Sin embargo, hay que señalar, que en los fluidos conductores, son sólidos o líquidos conductores que se encuentran en suspensión o emulsión, y las burbujas de aire o de vapor existente, aumentan y disminuyen respectivamente la constante dieléctrica del fluido dando lugar a un error máximo de 3% por cada tanto porciento de desplazamiento volumétrico. Por otro lado, al bajar el nivel, la porción aislante del electrodo puede quedar recubierta de liquido y la capacidad adicional que ello representa da lugar a un error considerable. La presión de los transductores de capacidad es de + 1%. Se caracteriza por no tener partes móviles, son ligeros, presentan una buena resistencia a la corrosión y son de fácil limpieza. Su campo de medida es prácticamente ilimitado y puede emplearse en la medida de nivel de interfaces.

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Tienen el inconveniente de que la temperatura puede afectar las constantes dieléctricas y de que los posibles contaminantes contenidos en liquido pueden adherirse al electrodo variado con su capacidad y falseado la lectura en particular en el caso de los líquidos conductores. El sistema ultrasónico de medición de nivel se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción de eco del mismo en un receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque. Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 Khz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión de medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del sólido o del liquido. En las aplicaciones de alarma de nivel de los sensores vibran a una frecuencia de resonancia determinada, que se amortigua cuando el liquido los moja. En el segundo caso de indicación continua del nivel, la fuente ultrasónica genera impulsos que son detectados por el receptor una vez que han transcurrido el tiempo correspondiente de ida y vuelta de la onda de la superficie del sólido o del liquido. La precisión de estos instrumentos es de + 1 a 3 %. Son adecuados para todos los tipos de tanques y de líquidos o fangos pudiendo destruirse aprueba de explosión. Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar señales erróneas cuando la superficie del nivel del liquido no es nítida como es el caso de un liquido que forme espuma ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos. El sistema de medición por rayos gamma consiste en un emisor de rayos gamma montando verticalmente en un lado del tanque y con un contador Geinger que transforma la radiación gamma recibida en una señal eléctrica de corriente continua. Como la transmisión de los rayos es proporcional a la masa del liquido en el tanque, la radiación captada por el receptor es inversamente proporcional al nivel del liquido ya que el material absorbe parte de la energía emitida. Los rayos emitidos por la fuente son similares a los rayos X, pero de longitud de onda mas corta. La fuente radioactiva pierde igualmente su radioactividad en función exponencial del tiempo. La vida media ( es decir, el tiempo necesario para que el emisor pierda la mitad de su actividad) varia según la fuente empleada. En el cobalto 60 es de 5,5 años y en el Cesio 137 es de 33 años y en el radio 226 es de 1620 años. Las paredes del tanque absorben parte de la radiación y al detector llega solo un pequeño porcentaje. Los detectores son, en general, tubos Geinger (otros medidores emplean detectores de cámara iónica) y utilizan amplificadores de c.c. o de c.a.. Los amplificadores de c.c. precisan un reajuste periódico de la deriva electrónica del cero desde 1 a 4 semanas, aparte de la compensación de la perdida de radiación progresiva experimentada por la fuente. Los amplificadores de c.a precisan menos mantenimiento de los de c.c. El sistema se emplea en caso de medida de nivel en tanques de acceso difícil o peligroso. Es ventajoso cuando existen precisiones elevadas en el interior del tanque que impiden el empleo de otros sistemas de medición. Hay que señalar que el sistema es caro y que la instalación no debe ofrecer peligro alguno de contaminación radiactiva siendo necesario señalar debidamente las áreas donde están instalados los instrumentos y realizar inspecciones periódicas de seguridad.

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Medidores de nivel de sólidos. En los procesos continuos, la industria ha ido exigiendo el desarrollo de instrumentos capaces de medir el nivel de sólidos en puntos fijos o de forma continua, en particular en los tanques o silos destinados a contener materias primas o productos finales.

Los detectores de nivel de punto fijo proporcionan una medida en uno o varios puntos fijos determinados. Los sistemas mas empleados son el diafragma, el cono suspendido, la varilla flexible, el medidor conductivo, las paletas rotativas, y los ultrasonidos. Los medidores de nivel continuo proporcionan una medida continua del nivel desde el punto mas bajo al mas alto. Entre los instrumentos empleados se encuentran el de peso móvil, el de bascula, el capacitivo, el de presión diferencial, el de ultrasonidos, y el de radiación. Detectores de nivel de punto fijo El detector de diafragma consiste en una membrana flexible que puede entrar en contacto con el producto dentro del tanque y que contiene en su interior un conjunto de palancas con contrapeso que se apoyan sobre un mismo microrruptor. Cuando el nivel del sólido alcanza el diafragma lo fuerza venciendo el contrapeso y actuando sobre el microrruptor; este que puede ser mecánico o de mercurio, puede ser accionando una alarma o actuando automáticamente sobre un transportador o maquinaria asociadas al deposito. El material del diafragma puede ser de tela, goma, neopreno o fibra de vidrio. El medidor de diafragma tiene la ventaja de su bajo constante, puede emplearse en tanques cerrados sometidos a baja presión o vacío gracias a una línea neumática que iguala presiones a ambos lados de la membrana y trabaja bien con materiales de muy diversa densidad. Tiene la desventaja de no admitir materiales granulares de tamaños superiores a unos 80 mm de diámetro. Su presión es de unos + 50 mm. El cono suspendido, consiste en un microrruptor montado dentro de una caja estancada en polvo, por una cazoleta de goma de la que se esta suspendida una varilla que termina en un cono. Cuando el nivel de sólidos alcanza el cono, el interruptor es excitado. La cazoleta de goma permite una flexibilidad en la posición del cono gracias a la cual el aparato puede actuar como alarma de alto o bajo nivel; conviene tener la precaución de proteger mecánicamente el instrumento cuando se manejan materiales pesados que, en su caída desde la boca del tanque podrían dañarlo. El aparato es barato, necesita estar protegido como nivel de baja o en niveles intermedios y se utilizan solo en tanques abiertos. Su precisión es de unos 50 mm. Sus aplicaciones típicas son la alarma y el control de nivel de carbón, granos y caliza. La varilla flexible consiste en una varilla de acero conectada al diafragma de latón, donde esta contenido un interruptor. Cuando los sólidos presionan, aunque solo sea ligeramente en la varilla el interruptor se cierra y actúa sobre una alarma. El conjunto de la unidad esta sellado herméticamente pudiendo construirse a prueba de explosión. El aparato se emplea como alarma de alto nivel estando dispuesto en la parte Página 123 de 152

superior del tanque. Para impedir que la simple caída del producto pueda causar una alarma infundada, incorpora un relé de retardo. El instrumento se emplea en tanques abiertos como alarma de nivel alto, tiene una precisión de + 25 mm, se utiliza para materiales tales como carbón y puede trabajar hasta temperaturas máximas de 300° C. El medidor conductivo, Consiste en un electrodo dispuesto en el interior de unas placas puestas a masa y con el circuito eléctrico abierto. Cuando los sólidos alcanzan el aparato se cierra el circuito y la pequeña corriente originada es amplificada actuando sobre un relé de alarma. Los sólidos deben poseer una conductividad eléctrica apreciable para poder excitar el circuito. El instrumento puede utilizarse en tanques abiertos y a presión, trabaja hasta temperaturas máximas de 300° C, esta limitado a materiales que tengan una conductividad de 1 a 1, 4 X 10_7 mho y solo puede emplearse como alarma de nivel alto o de niveles intermedios. Entre los materiales en los que se pueden emplear figuran el carbón y el carbón activo. Las paletas rotativas Consisten en un eje vertical, dotado de paletas, que gira continuamente a baja velocidad accionado por un motor síncrono. Cuando el producto sólido llega hasta las paletas, las inmoviliza, con lo que el soporte del motor y la caja de engranajes empiezan a girar en sentido contrario. En su giro, el soporte del motor actúa consecutivamente sobre dos interruptores, el primero excita el equipo de protección (por ejemplo, una alarma), y el segundo desconecta la alimentación eléctrica del motor con lo cual este queda bloqueado. Cuando el producto baja el nivel y deja las palas al descubierto, un resorte vuelve el motor a su posición inicial liberando los dos microrruptores. De este modo, el motor se excita con lo que las palas vuelven a girar, y la alarma queda desconectada. El eje de las palas puede ser flexible o rígido para adaptarse así a las diversas condiciones de trabajo dentro del silo ( caída de producto, deslizamientos del producto etc.). Estos aparatos son adecuados en tanques abiertos o a baja presión ( máximo 10 Kg./cm 2), tienen una precisión de unos 25 mm. Y se emplean preferentemente como detectores de nivel de materiales granulares y carbón. Pueden trabajar con materiales de muy diversa densidad y existen modelos aprueba de explosión. Una explicación típica de un control de nivel de sólidos en un tanque que mantiene el nivel entre los dos puntos donde están situados los detectores. Cuando el material desciende mas abajo del detector interior este pone en marcha automáticamente la maquinaria de alimentación de producto en el silo en esta maquinaria se para tan pronto como el producto alcanza el detector de nivel superior. El ciclo vuelve a repetirse cuando, al ir vaciándose el silo, los sólidos descienden a un nivel por debajo del detector inferior. Detectores de nivel continuo. El medidor de nivel de peso móvil consiste en un pequeño peso móvil sostenido por un cable desde la parte superior del silo mediante poleas. Un motor y un programador situados en el interior establecen un ciclo de trabajo del peso. Este baja suavemente en el interior de la tolva hasta que choca contra el lecho de sólidos. En este instante, el cable se afloja, y un detector adecuado interviene el sentido del movimiento de peso, con lo que este asciende hasta la parte superior de la tolva, donde se para, repitiéndose el ciclo nuevamente. Un indicador exterior señala el punto donde el peso ha invertido su movimiento indicando así el nivel en aquel momento. El instrumento se caracteriza por su sencillez, puede emplearse en el control de nivel, pero debe ser muy robusto mecánicamente para evitar una posible rotura de los mecanismos de vaciado. Página 124 de 152

El medidor de nivel de bascula mide el nivel de sólidos indirectamente a través del peso del conjunto tolva mas producto; Como el peso de la tolva es conocido, es fácil determinar el peso del producto y por lo tanto el nivel. La tolva se apoya en una plataforma de carga actuando sobre la palanca de una bascula o bien carga sobre otros elementos de medida neumáticos, hidráulicos o eléctricos ( galga extensométrica).

De estos elementos, uno de los mas empleados es el de galga extensométrica. El sistema es relativamente caro, en particular en el caso de grandes tolvas, pudiendo trabajar a altas presiones y temperaturas. Su precisión depende del sensor utilizado pudiendo variar de + 0,5 a + 1%. El medidor de nivel capacitivo Es parecido al estudiado en la medición de nivel de los líquidos con la diferencia de que tiene mas posibilidades de error por la mayor adherencia que puede presentar el sólido en la varilla capacitiva. La lectura viene influida además por las variaciones de densidad del sólido. La varilla del medidor esta aislada y situada verticalmente en el tanque y bien asegurada mecánicamente para resistir la caída del producto y las fuerzas generadas en los deslizamientos internos. La medida esta limitada a materiales en forma granular o en polvo que sean buenos aislantes, la presión y temperatura máximas de servicio puede ser de 50 Kg./cm 2 y 150° C y el aparato debe calibrarse para cada tipo de material. Su precisión es de unos + 15 mm. Aproximadamente. El medidor de presión diferencial se emplea en la medida y el control continuo del nivel de lechos fluidizados. consiste en dos orificios de purga de aire situados en el deposito por debajo y por encima del lecho. Un instrumento transmisor neumático o electrónico mide la presión diferencial posterior de los dos orificios mencionados que depende del nivel del lecho fluidizado. El instrumento puede trabajar a temperaturas posteriores a 300° C y posee una respuesta rápida. El medidor de nivel de ultrasonidos consiste en un emisor de ultrasonidos que envía un haz horizontal a un receptor colocado al otro lado del tanque. Si el nivel de sólidos esta mas bajo que el haz, el sistema entra en oscilación enclavando un relé. Cuando los sólidos interceptan el haz, el sistema deja de oscilar y el relé se desexcita actuando sobre una alarma o sobre la maquinaria de descarga del deposito. Disponiendo el haz de ultrasonidos en dirección vertical, el instrumento puede actuar como indicación continua del nivel midiendo el tiempo de transito de un impulso ultrasónico, entre la fuente emisora, la superficie del producto donde se refleja y el receptor situado en la propia fuente. Como la superficie de la mayor parte de los productos sólidos reflejan en mayor o menor grado los ultrasonidos, el sistema es adecuado para materias con mucho polvo, alta humedad, humos o vibraciones y puede emplearse tanto en materiales opacos como transparentes. Sin embargo, sí la superficie del nivel no es nítida, el sistema es susceptible a dar señales erróneas. Su precisión es de + 1 a 3 % puede construirse a prueba de explosión, pudiendo trabajar a temperaturas de hasta 150° C. Página 125 de 152

El medidor de nivel de radiación, es parecido al instrumento estudiado en la determinación del nivel de líquidos. Consiste en una fuente radioactiva de rayos gamma, dispuesta al exterior y en la parte inferior del tanque, que emite su radiación a través del lecho de sólidos siendo captada por un detector exterior. El grado de radiación recibida depende del espesor de sólidos que se encuentra entre la fuente y el receptor. La fuente radioactiva y el receptor pueden disponerse también en un plano horizontal, en cuyo caso el aparato trabaja como detector discontinuo Todo-nada. El instrumento puede trabajar a altas temperaturas de hasta 1300° C, presiones máximas de 130 kg/cm2 en materiales peligrosos o corrosivos, no requiere ninguna abertura o conexión a través del tanque y admite control neumático o electrónico. Sin embargo, es un sistema de costo elevado que necesita una supervisión periódica desde el punto de vista de seguridad, debe calibrarse para cada tanque y no puede aplicarse a materiales a quienes afecte la radioactividad.

Resultado de aprendizaje. 3.1.1 Analizar diversos instrumentos industriales de nivel. Práctica #11: Medición de Nivel por Método Directo. INTRODUCCIÓN. La ejecución de esta práctica permite analizar y conocer en forma sencilla la operación y medición de nivel de forma directa. Dado que es la manera mas simple de medir el nivel.

OBJETIVO. Analizar y determinar en forma sencilla y clara los elementos de medición directa, para la detección de las variaciones de nivel. Será capaz de obtener con combinaciones de estos elementos y con elementos electrónicos sencillos (potenciometro), la medición de nivel en forma sencilla, directa y remota. MARCO TEORICO. Esta práctica involucra los conocimientos adquiridos en el tema 3 también debe de conocer el manejo de señales eléctricas y uso del potenciometro. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. Material y Equipo a Utilizar: -

Un linimímetro (regla graduada) Una mirilla (o tubo de vidrio) Mangueras para conectar el tubo de vidrio Un flotador Varilla o material de conexión mecánica Un potenciometro 0-1 k ohms Conexiones 3 Pz. válvulas de paso Página 126 de 152

A).- Medidr el nivel de un deposito en forma directa con el linimimetro (regla graduada) . En unidades de Longitud 60 %. B).- Medición de nivel con un flotador. C1).- Revisar el control de nivel con un flotador en: -

El depósito de agua del baño Un tinaco contenedor de agua.

C2).- Analizar la forma de tener una medición local de nivel combinando los elementos de medición directa. C3).- Probar la transmisión de la señal de nivel a un medidor indirecto, usando como sensor el flotador. RESULTADOS OBTENIDOS. Anotar observaciones que resultaron con la medición de nivel con linimimetro. Anotar características y diferencias de la medición de nivel con mirilla en tanques a cielo abierto y tanques cerrados. Anotar resultados de la medición de nivel con flotador y el resultado de la transducción a la señal eléctrica con el potenciometro. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

TEMA 3: TEMPERATURA. Objetivo de aprendizaje. 4 Diagnosticar el instrumento de temperatura adecuado para las diferentes aplicaciones proceso.

de un

Criterio de aprendizaje. Página 127 de 152

4.1

Determinar la simbología de instrumentos de acuerdo a normas ISA y SAMA.

MEDIDA DE TEMPERATURA. Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y entre los cuales figuran: 

Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases).



Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencias).



Variación de resistencia de un semiconductor (termistores).



F.E.M. creada en la unión de dos metales distintos (termopares).



Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación).



Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal...).

De este modo se emplean los instrumentos siguientes: Termómetros de vidrio. Termómetros Bimetálicos. Elementos primarios de bulbo y capilar rellenos de liquido, gas o vapor. Termopares. Pirómetros de radiación. Termómetros de resistencia. Termómetros ultrasónicos. Termómetros de cristal de cuarzo.

Termómetro de vidrio: El termómetro de vidrio consta de un deposito de vidrio que contiene, mercurio y que al calentarse se expande y sube en el tubo capilar. Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son: Mercurio -350C hasta +280º C Mercurio (tubo capilar lleno de gas) -350C hasta +450º C Pentano -200 0C hasta +20º C Alcohol -1100C hasta +50º C Tolueno - 70 0C hasta +100º C

Termómetros bimetálicos: Los termómetros Bimetálicos se fundan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como, latón, monel o acero y una aleación de ferroníquel o invar (35.5% de níquel) laminados conjuntamente. Las laminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices. Un termómetro bimetálico típico contiene pocas partes móviles, solo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o de la hélice y el propio elemento bimetálico. Página 128 de 152

El eje y el elemento están sostenidos con cojinetes y el conjunto esta construido con precisión para evitar rozamientos. No hay engranajes que exijan un mantenimiento. La precisión del instrumento es de ± 10% y su campo de medida de –200 0C a + 500º C.

termómetro de bulbo y capilar: Los termómetros tipo bulbo consisten esencialmente en un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el liquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo.

Clases de este tipo de termómetros: Termómetros actuados por liquido. Termómetros actuados por vapor. Termómetros actuados por gas. Termómetros actuados por mercurio. Los termómetros actuados por liquido. Tienen el sistema de medición lleno de liquido y como su dilatación es proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta uniforme. El volumen del liquido depende principalmente de la temperatura del bulbo, de la del capilar y de la del elemento de medición (temperatura ambiente). Por lo tanto para capilares cortos hasta 5 m, solo hay que compensar el elemento de medición para evitar errores debido a variaciones de la temperatura ambiente. Para capilares mas largos hay que compensar también el volumen del tubo capilar. Los líquidos que se utilizan son: alcohol y éter. El campo de medición de estos instrumentos varia entre 150 hasta 500º C, dependiendo del tipo de liquido que se emplee. Los termómetros actuados por vapor. Contienen un liquido volátil y se basan en el principio de presión de vapor. Al subir la temperatura aumenta la presión de vapor de liquido. La escala de medición no es uniforme, sino que la distancia entre divisiones van aumentando hacia la parte más alta de la escala. La presión en el sistema depende solamente de la temperatura en el bulbo. Por consiguiente, no hay necesidad de compensar la temperatura ambiente. Si la temperatura del bulbo es mayor que la temperatura ambiente, el capilar y el elemento de medición están llenos de liquido, siendo necesario corregir la indicación en la diferencia de alturas entre el bulbo y el elemento de medición. Si la temperatura del bulbo es mas baja, el sistema se llena de vapor. Otros termómetros operan con la temperatura del bulbo superior e inferior a la temperatura ambiente, así como otros operan con la temperatura del bulbo superior, igual e inferior a el ambiente, empleando otro liquido no volátil para transmitir la presión de vapor. Los termómetros actuados por gas. Están completamente llenos de gas. Al subir la temperatura, la presión del gas aumenta proporcionalmente y por lo tanto estos termómetros tienen escalas lineales. La presión en el sistema depende principalmente de la temperatura del bulbo, pero también de la temperatura del tubo capilar y del elemento de medición, siendo necesario compensar la temperatura del ambiente en el sistema de medición. Página 129 de 152

Los termómetros actuados por mercurio. Son similares a los termómetros actuados por líquidos. Pueden tener compensación en la caja y compensación total.

Termómetros de resistencia. La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las características de resistencia en función de la temperatura que es propias del elemento de detección. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica. El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado "coeficiente de temperatura de resistencia” que expresa a una temperatura especificada, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura. La relación entre estos factores puede verse en la expresión lineal siguiente: Rt = Ro (1 + (t )) En la que: Ro = Resistencia en ohmios a 0º C Rt = Resistencia en ohmios a tº C (= Coeficiente de temperatura de la resistencia Si la relación resistencia-temperatura no es lineal la ecuación general pasa a: Rt = Ro (1 +(t +(t( +(t ) Y en el que ( ,(, ( son coeficientes de temperatura de resistencia). Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes características: Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el instrumento de medida será muy sensible. Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada tanto mayor será la variación por grado (mayor sensibilidad). Relación lineal resistencia – temperatura. Rigidez y ductibilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricación de estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda, a fin de obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta). Estabilidad de las características durante la vida útil del material. Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el níquel. El platino es el material mas adecuado desde el punto de vista precisión y de estabilidad pero presenta el inconveniente de su costo. En general la sonda de resistencia de platino utilizada en la industria tiene una resistencia de 100 ohmios a 0º C. El níquel es mas barato que el platino y posee una resistencia mas elevada con una Página 130 de 152

variación mayor por grado, sin embargo, tiene como desventaja la falta de linealidad en su relación resistencia - temperatura y las variaciones que experimenta su coeficiente de resistencia según los lotes fabricados. El cobre tiene una variación de resistencia uniforme, es estable y barato, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad. Las bobinas que llevan arrollado el hilo de resistencia están encapsuladas y situadas dentro de un tubo de protección o Vaina de material adecuado al fluido del proceso (acero, acero inoxidable 304,acero Inés.316, hastelloy, monel, etc.). La variación de resistencia de las sondas es medida con un puente de Wheatstone dispuesto en montajes determinados de dos hilos, de tres hilos o de cuatro hilos, según sean los hilos de conexión de la sonda de resistencia al puente. En el montaje de dos hilos la sonda de resistencia se conecta a uno de los brazos del puente y se varia R3 hasta que se anula la desviación del galvanómetro. En ese instante se cumple la ecuación: R1/R3 =R2 /X. Es el montaje mas sencillo pero presenta el inconveniente de que la resistencia de los hilos a y b de conexión de la sonda al puente varia cuando cambia la temperatura, y esta variación falsea por lo tanto la indicación; Aunque estos hilos sean de baja resistencia (gran diámetro) y esta sea conocida, las longitudes que puede haber en el campo entre la sonda y el panel donde este el instrumento receptor, añaden una cierta resistencia al brazo de la sonda. Por lo que la ecuación anterior pasa a: R1/R3= R2/X + K (a +b ); donde: X= Resistencia desconocida K = Coeficiente de resistencia por unidad de longitud a y b =Longitudes de los hilos de conexión de la sonda al puente. El montaje de dos hilos se emplea, pues, con resistencias moderadas del hilo de conexión y cuando la lectura no necesita ser demasiado exacta. El montaje de tres hilos es el más utilizado en la práctica. En este circuito la sonda está conectada mediante tres hilos al puente. De este modo, la medida no es afectada por la longitud de los conductores ni por la temperatura, ya que ésta influye a la vez en dos brazos adyacentes del puente, siendo la única condición que la resistencia de los hilos a y b sea exactamente la misma.

En efecto, puede verse que la ecuación correspondiente es: R1/R3+Ka = R2/x+Kb. Y como Ka = Kb, haciendo R2/R1 = 1, R3 puede ajustarse a un valor igual a x para que el Página 131 de 152

galvanómetro no indique tensión. Hace un tiempo se utilizaba un movimiento de bobinas cruzadas en lugar de un galvanómetro y en montajes de tres hilos para eliminar las variaciones de resistencia de las líneas de conexión. El instrumento dispone de una resistencia de calibración que inicialmente equivale a la resistencia de medida. De este modo, por ambas bobinas pasa la misma corriente, compensándose sus efectos y permaneciendo estacionario el índice. Al elevarse la temperatura de la sonda crece su resistencia, desequilibrando el instrumento y señalando el índice un nuevo valor proporcional al aumento de temperatura de la sonda. El montaje de cuatro hilos se utiliza para obtener la mayor precisión posible en la medida, como es el caso de calibración de patrones de resistencia en laboratorio. Se basa en efectuar dos mediciones de la resistencia de la sonda combinando las conexiones de modo tal que la sonda pase de un brazo del puente al adyacente. De este modo se compensan las resistencias desiguales de los hilos de conexión y el valor de la resistencia equivale al promedio de los valores determinados en las dos mediciones. La medición automática de la resistencia y por lo tanto de la temperatura se lleva acabo mediante instrumentos autoequilibrados que utilizan un circuito de puente de Wheastone. Otros instrumentos utilizan un puente de capacidades con un condensador variable cuya posición está calibrada en función de la temperatura, alimentándose el circuito con la tensión alterna estabilizada de un oscilador. Otro instrumento es el indicador galvanométrico de puente de resistencias. Su ajuste se realiza colocando el interruptor en la posición STD (estandarización) para incluir la resistencia X en el circuito puente, y ajustando el reóstato RH hasta que el indicador señala la lectura más baja de la escalera. Seguidamente se pasa el interruptor a la posición de conexión de la sonda pudiendo ya leerse directamente la temperatura.

Termistores: Los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado y que presentan una curva característica lineal tensión corriente siempre que la temperatura se mantenga constante. La relación entra la resistencia del termistor y la temperatura viene dada por le expresión: Rt = Ro e (1/Tt - 1/To) En la que: Rt = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta Tt Ro = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia T o  = constante dentro de un intervalo moderado de temperatura. Los resistores térmicos (termistores) son dispositivos que se diseñan usualmente de manera que su resistencia disminuya cuando aumenta la temperatura, se fabrican compuestos llamados óxidos los cuales son combinaciones de oxigeno y metales, como Platino, Níquel y Cobalto.

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Puesto que la resistencia de un termistor cambia con la temperatura, funciona como un resistor controlado por el calor y por ellos mismo puede emplearse como un sensor de calor, este es un dispositivo que convierte los cambio de temperatura en cambios correspondientes del valor de la corriente en un circuito. Un ejemplo de un circuito tal que se utiliza para mediciones de temperatura, se muestra a continuación.

El termistor, se conecta en serie con una pila seca ordinaria y con un amperímetro, cuando cambia la temperatura alrededor del termistor, cambia también el valor de la corriente, la escala del medidor puede calibrarse o dividirse en grados de manera que pueda realizarse una lectura de temperatura. Hay que señalar que para obtener una buena estabilidad en los termistores es necesario envejecerlos adecuadamente, Los termistores se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros circuitos de medida de resistencia. En intervalos amplios de temperatura, los termistores tienen características no lineales. Al tener un alto coeficiente de temperatura poseen una mayor sensibilidad que las sondas de resistencia estudiadas y permiten incluso intervalos de medida de 1º C (span), Son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor variando de fracciones de segundo a minutos. La distancia entre el termistor y el instrumento de medida puede ser considerable siempre que el elemento posea una alta resistencia comparada con la de los cables de unión. La corriente que circula por el termistor a través del circuito de medida debe ser baja para garantizar que la variación de resistencia del elemento sea debida exclusivamente a los cambios de temperatura del proceso. Los termistores encuentran su principal aplicación en la compensación de temperatura, como temporizadores y como elementos sensibles en vacuómetros.

Termopares: leyes, curvas características, tubos de protección y su selección: El termopar se basa en el efecto descubierto por Seebeck en 1821, de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones (unión de medida caliente y unión de referencia o fría) se mantienen a distinta temperatura. Es un dispositivo de estado salida que se utiliza para convertir la energía térmica en voltaje, consiste de 2 metales diferentes tipo empalmados en una juntura. Cuando esta se calienta los electrones en uno de los metales ganan suficiente energía y se vuelven electrones libres, dichos electrones posteriormente se mueven a través de juntura de Página 133 de 152

dicho metal, este movimiento genera un voltaje entre las terminales del termopar, varias combinaciones de metal se utilizan para fabricas los termopares.

Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thomson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas. El efecto Peltier puede ponerse de manifiesto. En una cruz térmica formada por la unión en su centro de dos metales distintos se hace pasar una corriente en uno u otro sentido con el interruptor K2 abierto. Después de cada paso de corriente se abre K 1 (desconectándose la pila) y se cierra K2 leyendo en el galvanómetro la f.e.m. creada, que es proporcional a la temperatura alcanzada por la cruz térmica en cada caso. Se observara que restando el calentamiento ohmico, que es proporcional al cuadrado de la corriente, queda un remanente de temperatura que un sentido de circulación de la corriente es positivo y negativo en el sentido contrario. El efecto depende de los metales que forman la unión. El efecto Thomson puede detectarse en el circuito formado por una barra metálica MN, con un termopar diferencial AB aislado y una bobina H para calentamiento eléctrico centrada con relación a AB. En régimen, calentando con la bobina H uno de los puntos, el B por ejemplo, se presentara una diferencial de temperatura con él A, lo que se acusara en el galvanómetro; Sí ahora se hace pasar una corriente por la barra MN, se notara un aumento o disminución de la temperatura diferencial con el efecto contrario sí se invierte la corriente. La combinación de los dos efectos, de Peltier y de Thomson, es la causa de la circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar. Estudios realizados sobre el comportamiento del termopar han permitido establecer tres leyes fundamentales: 1. Ley de circuito homogéneo. En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor.

2. Ley de los metales intermedios. Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura A a otro B, la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que sí se pusiera en contacto directo A y B. Página 134 de 152

3. Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m. generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3. Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencial de temperatura con la unión de referencia. Los valores de esta f.e.m. están tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a 0º C. La selección de los alambres para termopares se hace de forma que tengan una resistencia adecuada a la corrosión, a la oxidación, a la reducción y a la cristalización, que desarrollen una f.e.m. relativamente alta, que sea estable, de bajo costo y de baja resistencia eléctrica y que la relación entre la temperatura y la f.e.m. sea tal que el aumento de esta sea (aproximadamente) paralelo al aumento de la temperatura. En la medición de las temperaturas elevadas que se encuentran en la fabricación de acero en fusión se emplean cartuchos con termopares R o S que se enchufan en una lanza. El operario sumerge esta en acero y aunque el cartucho se funde en unos segundos, da tiempo a que un circuito especial fije la máxima temperatura alcanzada. Señalemos que el termopar tipo T, de cobre - constantan, tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación y puede utilizarse en atmósferas oxidantes o reductoras. Se prefiere generalmente para las medidas de temperatura entre – 2000C a +260º C. El termopar tipo J, de hierro - constantan, es adecuado en atmósferas con escaso oxigeno libre. La oxidación del hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de 550º C, siendo necesario un mayor diámetro del hilo hasta una temperatura limite de 750º C. El termopar tipo K, de cromel - alumel, se recomienda en atmósferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 500 y 1000º C. No debe ser utilizado en atmósferas reductoras ni sulfurosas a menos que este protegido con un tubo de protección. Los termopares tipo R y S de Pt - Pt / Rr se emplean en atmósferas oxidantes y temperaturas de trabajo hasta 1500º C. Si la atmósfera no es oxidante el termopar debe protegerse con un tubo cerámico estanco.

Consideraciones sobre termopares desarrollados recientemente: Molibdeno - Renio Página 135 de 152

Este tipo de termopares se recomienda para temperaturas máximas de 1650° C con aisladores y tubos de protección de oxido de aluminio, se recomiendan su uso únicamente en atmósferas fuertes reductoras o vacías, debido a que el oxigeno libre destruye al termopar, en la actualidad se usa en reactores químicos, tratamiento térmico y hornos al vacío. Tungsteno - Renio Este tipo de termopares se recomienda para temperaturas máximas de 2200° C usándolo con tubos protectores y aisladores de oxido de berilio. Se recomienda para atmósferas inertes reductoras o vacío ya que el oxigeno libre destruye al termopar. No deberá estar sujeto nunca a choques térmicos o vibraciones, es importante hacer notar que el polvo de oxido de berilio es sumamente tóxico cuando se inhala aun en pequeñas cantidades. Iridio - Iridio Radio Su máxima temperatura recomendada es de 1000° C y con aisladores de oxido de berilio, se recomienda usarlos en atmósferas oxidantes aun conteniendo azufre libre. Pueden tolerar pequeñas cantidades de hidrogeno si la atmósfera es esencialmente oxidante. El material del tubo de protección o funda debe ser adecuado para el proceso donde se aplica y suele ser de hierro acero sin soldadura, acero inoxidable, cerámico, carburo de silicio, etc. Cuando el termopar esta instalado a una distancia larga del instrumento, no se conecta directamente al mismo, sino por medio de un cable de extensión. Los cables de extensión son conductores con propiedades eléctricas similares a las del termopar hasta ciertos limites de temperatura (0 a 200º C) y son mas económicos. Se suelen utilizar los siguientes:  Conductores tipo J para termopares tipo J  Conductores tipo K o tipo T para termopares tipo K  Conductores tipo T para termopares tipo T  Conductores cobre - cobre níquel para termopares tipo R o S Las corrientes entre el cable de compensación, el termopar y el instrumento deben ser perfectas, sin empalmes en el cable de compensación, utilizando el hilo correcto y el conjunto de la instalación debe evitar el paso próximo por fuentes de calor (aparece efecto Thomson). Si estas recomendaciones no se cumplen aparecen tensiones térmicas de corriente continua que dan lugar a un error en la calibración del instrumento. Para medir la f.e.m. del termopar pueden emplearse el circuito galvanométrico y el circuito potenciométrico.

circuito galvanométrico: El circuito galvanométrico se basa en la desviación de una bobina móvil situada entre dos polos de un imán permanente al pasar la corriente del elemento primario. El paso de esta corriente produce un campo magnético que se opone al del imán permanente, y la bobina móvil gira hasta que el par magnético correspondiente es equilibrado por el par de tensión del muelle. Una aguja indicadora, que esta unida rígidamente a la bobina móvil, se desplaza a lo largo de una escala graduada, calibrada en las unidades de medida. Página 136 de 152

En la construcción del galvanómetro tienen importancia los siguientes puntos: 1. El buen estado de los rodamientos de zafiro, para que el par de fricción sea el menos posible; las vibraciones pueden contribuir a un desgaste prematuro, dando lugar a errores de histéresis y a falta de precisión del instrumento. 2. Los resortes de suspensión del galvanómetro deben poseer una histéresis elástica mínima para que el error de histéresis del instrumento se mantenga bajo. 3. Las variaciones de temperatura pueden influir en la resistencia eléctrica del circuito de medida es decir, de la bobina móvil y del resorte, y para anularlas se utiliza una resistencia de coeficiente de temperatura negativo (NTC). Asimismo los cables de conexión al termopar pueden variar de resistencia con la temperatura y afectar a la exactitud de la medida. 4. Cuando el elemento de actuación es un termopar, es necesario compensar las variaciones de temperatura en la unión fría, y para ello se emplea una espiral bimetálica, para cambiar automáticamente el cero del instrumento al variar la temperatura de la caja. 5. En el caso de los pirómetros de radiación, el instrumento dispone también de un reóstato de calibración, para ajustarlos al coeficiente de emisión del cuerpo enfocado. Hay que señalar que los circuitos galvanométricos no son demasiado afectados por las corrientes parásitas de corriente alterna ya que amortiguamiento normal que poseen filtra muy bien las señales parásitas de alta frecuencia. En cambio las señales parásitas de c.c. dan lugar a un corrimiento de cero del instrumento. Es, pues, recomendable que los cables de extensión se instalen bien separados de los cables de potencia de la planta, en particular en los casos de corriente continua de alta intensidad que circule por los cables de alimentación de maquinaria eléctrica de alta potencia. circuito potenciométrico: El circuito potenciométrico consta de una fuente de tensión constante V que alimenta los dos brazos del circuito con corrientes I1 e I2. , El termopar T esta conectado al brazo inferior E y, a través de un miliamperímetro, al reóstato R. La posición R del cursor del reóstato R indica la temperatura del proceso cuando no pasa corriente por el miliamperímetro, es decir, cuando el punto C del cursor de reóstato R y el punto E están a la misma tensión. Por consiguiente, graduando el reóstato dispondríamos de un instrumento de temperatura. Sin embargo, este método es poco practico y se incorpora al circuito un dispositivo de autoequilibrio que sustituye al miliamperímetro por un amplificador. Mientras exista una diferencia de potencial entre la f.e.m. desarrollada por el termopar y la tensión dada por el cursor del reóstato R, el circuito amplificador excitara el motor de equilibrio hasta que la posición del cursor sea la correcta para la temperatura del proceso captada por el termopar. Así, pues, la posición del cursor representa mecánicamente la f.e.m. generada por el termopar y, por lo tanto, su temperatura. Y consta de los siguientes elementos: 1. Transductor formado por un convertidor y un transformador de entrada, que convierte la señal de error de corriente continua a corriente pulsatoria, apta para ser amplificada. El convertidor puede ser mecánico o transistorizado. El primero consiste en una lamina metálica que oscila, a la frecuencia de la corriente industrial, haciendo contacto alternativamente con los bornes extremos del primario del transformador. Si existe una tensión continua de desequilibrio la corriente circula alternativamente cada mitad del bobinado primario y en sentidos contrarios. 2. El flujo alterno generado en el núcleo induce una tensión alterna en el secundario del transformador. 3. Amplificador de tensión. Página 137 de 152

4. Amplificador de potencia, que proporciona una señal con potencia suficiente para actuar sobre el motor de equilibrio. 5. El motor de equilibrio que es un motor de inducción reversible y mueve el cursor del reóstato, y actúa mientras exista una señal de desequilibrio entre la f.e.m. del termopar y la posición del cursor del reóstato. En el circuito potenciométrico es necesario compensar las variaciones de la temperatura en la unión de referencia del termopar. Puede determinarse el error situando un termómetro en la caja del instrumento, y efectuando la corrección para cada lectura. No obstante este procedimiento es poco practico. En su lugar se emplea una resistencia para compensar la perdida de f.e.m. al variar la temperatura de la unión de referencia. Esta resistencia es R ni y su valor a la temperatura t viene dada por la formula Rnit = Rnio 1 +  (t - t0) En la que: Rnit = Valor de Rni a tº C Rnio = Valor de Rni a 0º C  = Coeficiente de resistencia t - t0 = Diferencia de temperaturas Y absorbe una tensión V = I2 (Rnit - Rnio) = I2 x Rnio x  (t - t0) En la que I2 = Intensidad a través de Rni. Esta tensión es equivalente a la f.e.m. que tendría el termopar con la unión caliente a la temperatura de la caja del instrumento, y la unión fría a 0º C. Si bien la resistencia de compensación de la unión o junta fría no es un sistema perfecto, su exactitud basta para que el instrumento cumpla con la precisión de la medida del fabricante. En efecto, la resistencia varia linealmente con la temperatura, mientras que el termopar se caracteriza por una relación temperatura - f.e.m. que no es lineal. Se obtiene así una compensación perfecta en solo dos puntos mientras que en los restantes la compensación sí bien no es perfecta, es mas que suficiente en la mayor parte de las aplicaciones industriales. Cuando se desea una gran exactitud en la medida o bien el instrumento no posee una resistencia de compensación interna es necesario utilizar cajas exteriores de compensación instaladas generalmente en proceso y en cuyo interior se encuentra la unión de referencia. Estas cajas pueden ser de temperatura controlada o bien pueden compensar automáticamente las variaciones de temperatura ambiente. Las cajas de temperatura controlada contienen un termostato con una resistencia de calefacción que mantiene la caja a una temperatura constante superior al ambiente. Tienen el inconveniente de la potencia disipada necesaria y de la necesidad de utilizar termostatos. Las cajas con compensación automática permiten que la unión de referencia este a la temperatura ambiente y le restan f.e.m. requerida para que la f.e.m. resultante equivalga a la que desarrollaría la unión fría a la temperatura de referencia. Para ello, una fuente de tensión constante alimenta en serie una resistencia fija de valor elevado y una resistencia de cobre o níquel. La caída de tensión que provoca esta ultima equivale a una variación similar en la unión fría del termopar por lo que, añadida al circuito, actúa como la resistencia clásica de compensación colocada dentro del instrumento. En otro sistema, la caja de compensación incorpora la propia resistencia de compensación del instrumento. Las cajas de compensación pueden emplearse también cuando su Página 138 de 152

instalación (caja + hilo de cobre) es mas barata que la del sistema clásico o hilo de compensación desde el termopar hasta el instrumento. La decisión será tanto mas favorable cuando mayor sea la distancia entre el instrumento y la propia caja de compensación. El circuito también tiene una resistencia Rd de protección contra rotura del termopar o del cable de compensación. Esta resistencia es de valor elevado, y la intensidad que circula a través origina una caída de tensión que se suma a la generada por el termopar, produciendo un corrimiento de cero. Esta caída de tensión es despreciable, y no influye en condiciones normales de trabajo. Sin embargo, ante la rotura del termopar, la resistencia R d cierra el circuito del amplificador lo suficiente para que el cursor del reóstato se desplace hasta el tope de la escala y pueda accionar una alarma. Los circuitos potenciométricos son afectados por las corrientes parásitas alternas. Estas se desfasan al pasar a través del convertidor y transformador de entrada con un ángulo distinto al correspondiente a la tensión de alimentación del amplificador. La señal componente en fase hace derivar el cero mientras que la componente en 90º perturba la sensibilidad del amplificador, dando lugar a una respuesta "perezosa" ante los cambios en la señal de temperatura. Algunas de las causas de la aparición de corrientes parásitas en el instrumento son: 1. Instalación paralela de los hilos de medida y de los cables de alimentación de un transformador o de maquinaria eléctrica de alta potencia, en particular dentro del mismo conducto. 2. Señal de corriente alterna del secundario del transformador de alimentación del instrumento que ha sido mar rectificada sin un buen filtraje. 3. Contactos mecánicos o acoplamiento de la punta del termopar con la Vaina que por algún defecto esta a una tensión mayor que la de masa. 4. Cables de compensación de gran longitud que por su inductancia y capacidad propias son mas susceptibles de captar corrientes parásitas. verificación de un instrumento y de un termopar: Dos casos pueden presentarse en la medida de temperaturas con termopares: la comprobación de un instrumento galvanométrico o potenciométrico y la verificación de la f.e.m. de un termopar. a) Comprobación de un instrumento galvanométrico o potenciométrico con compensación de temperatura ambiente. En este caso interesara simular con un potenciómetro la f.e.m. conveniente para que el instrumento marque varias divisiones en la escala, y colocar sobre la caja un termómetro de mercurio que nos dé la temperatura ambiente.

Utilizando las tablas de conversión de f.e.m. referidas a 0º C de la unión fría y se restaran la f.e.m. V correspondiente a una temperatura determinada t y la V a debida a la temperatura Página 139 de 152

ambiente Ta, ya que en condiciones normales de trabajo, el instrumento recibirá la f.e.m. V Va y marcaría la temperatura t correspondiente a la f.e.m. puesto que tiene compensación de temperatura ambiente. b) Verificación de la f.e.m. de un termopar En este caso el potenciómetro esta conectado a los bornes del termopar y se dispone de un instrumento patrón ( conectado a un termopar patrón), que mide la temperatura real “T” del proceso. Un termómetro de mercurio colocado en la caja del potenciómetro será la temperatura ambiente ta. Utilizando las tablas de conversión se sumaran la f.e.m. V p, leída en el potenciómetro, y la Va correspondiente a la temperatura ta, ya que dentro del potenciómetro se encuentra la junta fría y la f.e.m. leída es menor en un valor V a (correspondiente a ta) a la V que se obtendría sí la unión fría estuviera a 0º C. Esta es, pues, la temperatura que otro termopar patrón conectado a otro instrumento patrón debería señalar. De no ser así el termopar seria defectuoso o estaría envejecido. Hay que señalar que los razonamientos expuestos en los dos casos están basados en la ley de las temperaturas sucesivas expuesta al inicio del estudio de los termopares. Pirómetros de radiación: Los pirómetros de radiación se fundan en la ley de Stefan - Boltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir, W = kT4. Desde el punto de vista de medición de temperaturas industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde 0.1 micras para las radiaciones ultravioletas hasta 12 micras para las radiaciones infrarrojas. Puede observarse que la radiación visible ocupa un intervalo entre la longitud de onda de 0.45 micras para el valor violeta hasta 0.70 micras para el rojo. Los pirómetros de radiación miden pues, la temperatura de un cuerpo a distancia en función de su radiación. Los instrumentos que miden la temperatura de un cuerpo en función de la radiación luminosa que este emite, se denominan pirómetros ópticos de radiación parcial o pirómetros ópticos y los que miden la temperatura captando toda o una gran parte de la radiación emitida por el cuerpo, se llaman pirómetros de radiación total. pirómetro óptico: Los pirómetros ópticos manuales se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado. Pueden ser de dos tipos. a) De corriente variable en la lámpara b) De corriente constante en la lámpara con variación del brillo de la imagen de la fuente. Los pirómetros ópticos automáticos son parecidos a las de radiación infrarrojos que se estudian mas adelante y consisten esencialmente en un disco rotativo que modula desfasadas la radiación del objeto y la de una lámpara estándar que inciden en un fototubo multiplicador. Este envía una señal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua que convenientemente acondicionada modifica la corriente de alimentación de la lámpara estándar asta que coinciden en brillo la radiación del objeto y la de la lámpara.

En este momento la intensidad de la corriente que pasa por la lámpara es función de la temperatura. El coeficiente de emisión de energía radiante( medida de la característica Página 140 de 152

relativa del cuerpo para emitir energía radiante) depende mucho del estado del estado de la superficie del cuerpo emisor; para un metal como el cobre pasa de 0.10 a 0.85 sí el metal perfectamente pulido se recubre bruscamente con una capa de oxido y lo mismo sucede con un baño metálico liquido. pirómetros de radiación total: El pirómetro de radiación total esta formado por una lente de Pyrex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en una térmopila formada por varios termopares de Pt - Pt / Rh, de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación esta enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa les hace muy sensibles a pequeñas variaciones de la energía radiante, y, además muy resistentes a radiaciones o choques. La parte de los termopares expuesta a la radiación esta ennegrecida para comportarse como un cuerpo negro, aumentando así sus propiedades de absorción de energía, y proporcionando la f.e.m. máxima. La f.e.m. que proporciona la térmopila depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión fría. Esta ultima coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura ambiente. La compensación de esta se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro y colocada en su interior de modo que su temperatura es siempre igual a la del cuerpo de este. Al aumentar la temperatura ambiente aumenta el valor de la resistencia de la bobina de níquel, lo que compensa la perdida de f.e.m. de la térmopila que acompaña el calentamiento del cuerpo del instrumento. En los bornes de la térmopila va conectado un cable de cobre que llega hasta el instrumento. La compensación descrita se utiliza para temperaturas ambientes máximas de 120º C. A mayores temperaturas se emplean dispositivos de refrigeración por aire o por agua, que disminuyen la temperatura de la caja en unos 10 a 40º C por debajo de la temperatura ambiente. En la medición de bajas temperaturas, la compensación se efectúa utilizando además una resistencia termostática adicional que mantiene constante la temperatura de la caja en uno 50º C valor que es un poco mas alto que la temperatura ambiente que pueda encontrarse y lo suficientemente bajo como para no reducir apreciablemente la diferencia de temperaturas útil. El pirómetro puede disponer de los siguientes accesorios:  Lente posterior para enfocar correctamente la radiación en la térmopila  Dispositivo de refrigeración por aire que protege la lente contra un calentamiento excesivo y al mismo tiempo, la mantiene limpia de los gases o vapores que puedan estar en contacto con el tubo de mira. Se recomienda que el caudal del aire de purga sea constante, y que su presión no supere los 0.7 kg/cm2. Se utiliza usualmente un pequeño rotámetro con regulador de caudal de una capacidad aproximada en aire de 140 - 1400 NI/h (5 a 50 scfh). De este modo, la atmósfera en contacto con la lente se encuentra libre de gases o vapores que podrían dañar la lente o condensarse en la misma, dando lugar a una disminución de la temperatura leída.

Una presión mayor en el aire de purga podría dar lugar a un escape de aire a través de las Página 141 de 152

juntas de la lente, y enfriar la térmopila, lo que alteraría la medida.  Dispositivo de refrigeración por agua empleado usualmente con el dispositivo de refrigeración por aire. Este accesorio impide que el cuerpo del pirómetro se caliente excesivamente por conducción a lo largo del tubo de mira, o por radiación de otras fuentes.  Dispositivo automático de seguridad para aislar la lente del proceso y proteger el pirómetro en el caso de que una llama lo alcance directamente. Consiste esencialmente de una caja estanca provista de un disparador automático mantenido en posición con un hilo fusible; en el caso de una elevación brusca de la temperatura provocada por condiciones peligrosas de la llama, se funde el hilo y el resorte cierra el obturador. El dispositivo incluye adicionalmente un obturador manual intercalado entre el automático y el proceso, que permite cambiar el fusible sin peligro para el operario. La corriente nominal del fusible es de unos 5 A, y puede conectarse a un circuito de alarma luminosa o acústica, o bien, a un circuito de control para disminuir automáticamente el consumo de fuel - oíl o gas, al presentarse las condiciones de peligro.  Tubos de mira con extremo abierto que se utiliza para proteger la lente, o bien para permitir la llegada de radiación de otras fuentes extrañas a las que se esta apuntando.  Tubos de mira con extremo cerrado que se emplean en hornos con atmósfera a presión, o con gases particularmente agresivos y en las medidas de temperatura de metales fundidos en los que el tubo de mira debe estar sumergido (por la existencia de escoria en la superficie de metal, que darían lugar a una temperatura leída errónea). El fondo del tubo es la fuente de radiación, y las paredes laterales tienen poca influencia. Al ser el tubo cerrado, las condiciones de trabajo se aproximan a las de cuerpo negro. Los tubos pueden ser metálicos o cerámicos. Los primeros son de acero inoxidable o aleaciones metálicas resistentes al calor y a la corrosión y se emplean a temperaturas que no superan generalmente los 1100º C. Permiten una respuesta mas rápida a los cambios de temperatura que los tubos cerámicos. Los tubos cerámicos se utilizan hasta 1650º C y están formados esencialmente de los materiales:  Carburo de silicio, que se utiliza principalmente en hornos por ofrecer buenas características térmicas, respuesta rápida a las variaciones de temperatura y resistencia a los cambios bruscos de temperatura.  Sillramic, material refractario vitrificado que, a temperaturas elevadas, presenta gran resistencia al choque térmico y a la penetración de los gases presentes en el horno, pero posee baja resistencia mecánica. Por estos motivos, este tubo debe ser usado con gran precaución. En los tratamientos térmicos en baños de sales conviene, en la puesta en marcha, calentarlo lentamente y sumergido a poca velocidad (se recomienda unos 25 mm por minuto), para evitar un brusco choque térmico que daría lugar a su rotura. Al cabo de unas pocas inmersiones es necesario sustituirlo, sí bien, el costo es menor que sí se empleara para la medida termopar de Pt - Pt / Rh.

La relación entre la f.e.m. generada y la temperatura del cuerpo es independiente de la Página 142 de 152

distancia entre el cuerpo y la lente (excluyendo la presencia de gases o vapores que absorban energía) siempre que la imagen de la superficie del cuerpo emisor de la radiación cubra totalmente la unión caliente de la térmopila. El fabricante normaliza la relación entre las dimensiones del objeto y su distancia a la lente, para garantizar unas buenas condiciones de lectura. De este modo existen pirómetros de radiación de ángulo estrecho (factor de distancia 20:1) y de ángulo ancho (factor de distancia 7:1). Un problema de gran importancia es la selección del material de la lente que debe transmitir la máxima energía compatible con la gama de radiación emitida. Las lentes de Pyrex se utilizan en el campo de temperaturas de 850 a 1750º C, la lente de sílice fundida en el intervalo de 450 a 1250º C y la lente de fluoruro de calcio para temperaturas inferiores. La radiación visible representa el área entre 0.4 y 0.75 micras, que las lentes de Pyrex permiten el paso de ondas de 0.3 a 2.7 micras; que las de sílice fundida dejan pasar ondas de 0.3 a3.5 micras, y que las de fluoruro de calcio, lo hacen hasta 12 micras. Las llamas no luminosas irradian y absorben energía en una banda ancha de 2.4 a 3.2 micras debida a la presión de CO2 y vapor de agua. De este modo, el empleo de la lente de Pyrex elimina prácticamente todas las longitudes de onda correspondientes a la energía irradiada por el CO2 y vapor de agua y por consiguiente la medida de la temperatura no viene influida por la presencia de llamas no luminosas. Sin embargo, un pirómetro con lente de sílice que deja pasar ondas entre 0.3 y 3.8 micras es sensible a la radiación de la llama no luminosa sí esta interfiere en la línea de mira del instrumento. Asimismo, un pirómetro especial, constituido por una lente de fluoruro de calcio y con un ángulo de enfoque ancho para captar la mayor cantidad posible de energía (que a bajas temperaturas es muy débil), permite medir temperaturas muy bajas, de 50 a 200º C. Señalemos ahora aspectos de la aplicación de los pirómetros de radiación en la medición de temperaturas de cuerpos negros, opacos y transparentes. Un cuerpo opaco emite a una temperatura dada una cantidad de energía de radiación que depende del material y de la forma de la superficie. La medida de la característica relativa del cuerpo para emitir energía radiante recibe el nombre de coeficiente de emisión o emisividad. El cuerpo puede reflejar energía radiante adicional procedente de cuerpos próximos, llamas, etc., de modo que sí se tiene un bajo coeficiente de emisión reflejara una gran cantidad de energía incidente, y, al contrario, con un alto coeficiente de emisión la energía reflejada será baja. El cuerpo negro posee una emisividad igual a la unidad y emite la máxima energía radiante. Los cuerpos cuyo coeficiente de emisión es menor que la unidad se conocen como cuerpos opacos. Si la emisividad del cuerpo es conocida el instrumento receptor lleva acoplado un pequeño reóstato de ajuste que permite ajustar directamente la lectura a la temperatura exacta del cuerpo caliente. Al captar la radiación de un cuerpo opaco, la f.e.m. observada en la térmopila es menor que la correspondiente a la temperatura verdadera, siendo su relación: f.e.m. equivalente = f.e.m. observada / emisividad La energía radiante que emerge de una pequeña abertura en la pared de un recinto Página 143 de 152

calentado uniformemente y con paredes opacas (que tenga o no objetos en su interior a la misma temperatura), Tiende a ser radiación de cuerpo negro, ya que la energía que entra o sale de la abertura no se refleja sino que es absorbida a través de las innumerables reflexiones internas. Este es el caso de muchas instalaciones industriales en las que el pirómetro enfoca directamente a una abertura del horno, o al extremo de un tubo de mira cerrado. Un pirómetro de radiación calibrado para condiciones de cuerpo negro indicara una baja temperatura al enfocar a un cuerpo opaco instalado en el exterior de forma que este no refleje prácticamente energía radiante de otras fuentes. Hay que señalar que los coeficientes de emisión de materiales tales como oxido de cobre, oxido de hierro y oxido de níquel son lo suficientemente elevados para medir de forma muy exacta la temperatura sin demasiados errores procedentes de radiaciones parásitas. Sin embargo, los materiales de superficie limpia, tales como aluminio, Níquel, acero inoxidable y latón posen bajos coeficientes de emisión y por consiguiente reflejan un gran porcentaje de energía. En estos casos el empleo de un pirómetro de radiación puede dar lugar a grandes errores, a menos que la medida se efectúe en condiciones controladas. Lo mismo ocurre ante la presencia de una película de aceite y de escoria. El coeficiente de emisión de un cuerpo a 0.65 micras (longitud de onda a la que es sensible el pirómetro óptico) es mayor que su emisividad total y por lo tanto los errores que se cometen al tomar un coeficiente igual a la unidad en condiciones que se desvían del cuerpo negro son mayores en el pirómetro de radiación total que el óptico. Así pues, con correcciones de emisividad adecuadas, el pirómetro óptico es muy útil para comprobar los pirómetros de radiación. En un crisol conteniendo vidrio en fusión, la energía radiante emitida por el fondo a las paredes del crisol puede emerger a través del vidrio. Si el crisol es opaco su energía radiante es la propia de un cuerpo negro y puede transmitirse parcialmente a través del vidrio hacia el exterior. Así pues, la energía radiante emitida estará compuesta de la del crisol y de la propia del vidrio. Las dificultades expuestas y los problemas que se presentan para determinar la temperatura verdadera de un cuerpo mediante pirómetros de radiación pueden hacer creer que la regulación de temperaturas con estos instrumentos es muy difícil. Sin embargo, hay que señalar afortunadamente que en muchos procesos las condiciones de trabajo son repetitivas; de este modo aunque se desconozcan la emisividad o se presenten radiaciones parásitas o el cuerpo sea transparente se controlara el proceso en condiciones idénticas, es decir, a iguales indicaciones del instrumento ya que es mas importante este punto que la detección de la temperatura real del proceso. Ha habido varios intentos para proyectar un pirómetro cuyas lecturas fueran independientes del coeficiente de emisión del cuerpo. El modelo mas logrado es el denominado pirómetro de relación, o de dos colores, que divide la radiación del objeto en dos ases medidos por dos células de silicio similares, una de ellas dispone de un filtro que solo deja pasar la radiación de longitud de onda mas corta (0.65 micras) y la otra en la zona de 0.9 micras. La relación entre las dos corrientes de salida entre la célula es una medida entre la temperatura del objeto. Su empleo es excelente en los llamados cuerpos grises es decir, aquellos cuyo coeficiente de emisión es constante para todas las longitudes de onda. Por Página 144 de 152

otro lado, este pirómetro permite medir a través de atmósferas de humos vapor y polvo ya que por su principio de funcionamiento la lectura es teóricamente independiente de la absorción de la atmósfera intermedia. El elevado presión de este instrumento y el perfeccionamiento general de los pirómetros de radiación han hecho que el pirómetro de relación no se haya difundido tan ampliamente como seria lógico de acuerdo a sus características. En la industria aumenta de día en día, las aplicaciones de medición de temperatura que requieren el empleo de pirómetro de radiación para enfocar objetos mas pequeños a velocidades mucho mas rápidas y con respuesta limitada a pequeñas zonas del espectro. El pirómetro de radiación por su constitución genera una señal débil que no permite ser amplificada con amplificadores de c.c. debido a su deriva de cero por lo cual es necesario aplicar una técnica totalmente distinta: Interrumpir cíclicamente la radiación que va del objeto al detector a fin de aplicar técnicas de c-a con su característica alta estabilidad para amplificar la corriente continua pulsante. El pirómetro de radiación de térmopila ya estudiado tiene el inconveniente de su baja velocidad de respuesta que no permite la interrupción óptica de alta velocidad, por lo cual se emplean detectores fotoeléctricos de alta velocidad de respuesta (10 a 100 milisegundos). Un modelo para medir a la temperatura de la superficie de vidrio fundido utiliza un filtro de infrarrojos para dejar pasar ondas de 5 a 7 micras. La imagen del objeto es captada por el detector a través de un mecanismo óptico adecuado y modulada por un disco ranurado giratorio interrumpiéndola una 1400 veces por segundo. El disco, a través de una lámpara y un diodo fotoeléctrico, proporciona además una señal de sincronización al demodulador en la unidad acondicionadora. La señal pulsante es después amplificada en un amplificador de corriente alterna. En aplicaciones de industria del vidrio tales como la medición de la temperatura de las gotas de vidrio en su caída, el instrumento indicaría picos de temperaturas y para disminuir la curva de onda de sierra obtenida se utiliza un dispositivo electrónico que las reduce a una línea casi recta. Otros métodos de medida de temperatura están destinados usualmente a medidas de laboratorio donde las condiciones son menos duras y se dispone de los aparatos de alimentación adecuados. Utilizan instrumentos y técnicas muy elaboradas. Un termómetro ultrasónico puede medir temperaturas dentro del intervalo de 2 - 20º K con una gran precisión. Su funcionamiento esta basado en la determinación de la velocidad del sonido en el gas helio. Esta velocidad es casi proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta. El termómetro de cristal de cuarzo convierte directamente la temperatura en frecuencia (frecuencia de resonancia) en lugar de resistencia o tensión, y la relación frecuencia temperatura es mucho mas lineal que en la sonda de resistencia de platino. Algunas sales paramagnéticas tales como el sulfato amónico férrico tienen la propiedad de cambiar de estado de energía bajo la acción de un campo magnético. Manteniendo como única variable la susceptibilidad magnética de la sal es posible medir temperaturas muy bajas, inferiores a un 1º K ( procesos criogénicos). Un elemento parecido al termistor es el sensor de germanio que consiste en un cristal de germanio de cuatro hilos: Dos hilos para la corriente de alimentación (I) y los otros dos para obtener la caída de tensión Página 145 de 152

gracias a la resistencia interna R que varia con la temperatura a través del cristal la señal de salida I2R, teniendo presente que la potencia disipada por la corriente de alimentación sea baja para no dar lugar a errores de autocalentamiento. El sensor es capaz de medir temperaturas muy bajas de 1.5 a 10º K, su escala no es lineal y se utiliza en procesos criogénicos con preferencia sobre las sales paramagnéticas.

velocidad de respuesta de los instrumentos de temperatura: La constante de tiempo de un instrumento es el tiempo necesario para que alcance el 63.2% de la variación total de temperatura que experimenta. Es decir, sí un instrumento cuya sonda o elemento primario pasa de un recinto de 70º C a otro de 270º C puede alcanzar el 63.2% de la diferencia 270 - 70 = 200º C en 0.1 segundos: este tiempo será la constante de tiempo de la medida con el instrumento . La constante de tiempo de un sistema de bulbo y capilar dependerá de la longitud y del diámetro interno del tubo capilar y del volumen del elemento receptor. Los termómetros de bulbo y capilar rellenos de mercurio y de liquido tienen una respuesta muy rápida por la incomprensibilidad del fluido que los llena; en cambio los termómetros de gas y de vapor tienen un retardo mas acusado a causa de la compresibilidad del fluido interno. Los elementos primarios eléctricos sondas de resistencia termistores termopares y pirómetros de radiación se caracterizan porque el tiempo de respuesta depende únicamente del intercambio térmico entre el fluido y el elemento, ya que la corriente eléctrica circula por los cables de conexión a la velocidad de la luz directamente al receptor. En la sonda de resistencia la masa a calentar esta formada por una bobina de hilo arrollada en un núcleo y embebida en una cápsula rígida. Los termistores son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta varia de fracciones de segundo a minutos, de acuerdo con su capacidad térmica dada por el tamaño y forma del elemento sensible. El termopar, dos hilos soldados en un extremo constituyen la masa a calentar la que depende de la galga o diámetro de los hilos y de la forma de la soldadura, hilo torcido o soldado a tope. El pirómetro de radiación responde rápidamente a los cambios en la temperatura por dos razones principales: La captación de energía radiante es prácticamente instantánea y la masa de la térmopila es muy pequeña. Debiendo señalar que en los pirómetros de infrarrojos la velocidad de respuesta es muy alta, del orden de 10 a 100 milisegundos. Los elementos de temperatura están normalmente inmersos en fundas termométricas o en tubos de protección para tener así una protección mecánica o bien estar aislados del fluido cuya temperatura miden. La funda se emplea para altas temperaturas y presiones, y el espesor de sus paredes es mayor que el de los tubos de protección, por lo cual lógicamente, su velocidad de respuesta será menor que el de estos. Por otro lado las fundas o tubos deben de tener un diámetro Página 146 de 152

interior en el cual ajusten perfectamente los elementos: de este modo se consigue que la transmisión térmica se realice casi exclusivamente por conducción a través de las paredes sin que exista un volumen apreciable de aire que de lugar a una transmisión intermedia por convección. Hay que señalar que cuando las temperaturas de trabajo son relativamente bajas puede introducirse en el extremo interior de la funda o del tubo una grasa especial de alta conducción calorífica o bien aceite que colaboran eficazmente en la obtención de una respuesta muy rápida del sistema. Siempre que ello sea posible se recomienda prescindir de las fundas o tubos de protección para eliminar el retardo considerable que presentan a la transmisión de la temperatura. Otros factores que influyen en la respuesta son la clase de fluido que rodea al elemento y la velocidad de circulación, cuanto mayor sea esta ultima tanto mayor será el suministro de calor del fluido al elemento de temperatura. En el aire por ejemplo, el elemento tiene una constante de tiempo mayor que en un liquido, Por lo cual se recomienda que la velocidad del aire sea como mínimo de 2 metros por segundo para reducir así el coeficiente de retardo. La profundidad de inmersión tiene también su importancia. Si es insuficiente no permite una respuesta suficientemente rápida y existe el riesgo de un error dinámico importante. El error dinámico es inherente a toda medida ya que siempre se transfiere energía entre el fluido y el elemento y esta transferencia requiere necesariamente un cierto tiempo para efectuarse. Un elemento con cabezal no aislado de la atmósfera ambiente conjuntamente con una escasa profundidad de inmersión esta sujeto a errores ya que el calor del fluido se pierde en parte a través de las paredes del recipiente o tubería sin transferirse totalmente al elemento. Este efecto es tanto mas importante cuanto mas baja sea la temperatura y mas se aproxime al ambiente.

Resultado de aprendizaje. 4.1.1 Analizar diversos instrumentos industriales de temperatura. Práctica #12: investigar el termopar (termocople) para la medición de temperatura, y como elemento primario. INTRODUCCIÓN. El desarrollo de esta práctica permitirá al alumno relacionarse con un circuito que permite el experimentar el uso de un termopar para medición y control de temperatura.

OBJETIVO. Que el alumno pueda diferenciar el comportamiento del circuito con termocople para luego utilizarlo y aplicarlo en un control real de temperatura. Página 147 de 152

MARCO TEORICO. 1. El alumno debe dominar los principios básicos sobre elementos primarios de medición en instrumentación y control 2. El alumno debe entender los principios básicos del amplificador operacional como amplificador diferencial 3. El alumno debe dominar la interpretación de diagramas electrónicos, tal que los comprenda y basándose en ellos interpretar el comportamiento. Esta práctica involucra los conocimientos adquiridos en el tema 3 también debe de conocer el manejo de señales eléctricas y uso del potenciometro. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA.

material y equipo a utilizar. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Tablero de pruebas (protoboard) Material electrónico según diagrama Fuentes simétricas de  6 volts Alambre telefónico del 22 AWG. Para conexiones Multímetro digital Fuente calorífica (cautín eléctrico) Termómetro tipo bimetàlico 400 ºC Termopar tipo “K” Cromel Alumen

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  

Realizar el montaje de los elementos en el tablero de pruebas Hacer el ajuste de la medición de 0 ºC y ajustar con el pot. De 50  (usar hielo para hacer este ajuste de acuerdo a la tabla correspondiente al termopar) Procederá ambientar el termopar a diferentes temperaturas con el miliamperímetro de 0 – 1 ma.

0 ºC 50 ºC 100 ºC 200 ºC 300 ºC 350 ºC 400 ºC 450 ºC 500 ºC 550 ºC 600 ºC 650 ºC 700 ºC

mV mV mV mV mV mV mV mV mV mV mV mV mV

ma. ma. ma. ma. ma. ma. ma. ma. ma. ma. ma. ma. ma.

mV: Corresponde a la tabla ma.: Medidas en la práctica RESULTADOS OBTENIDOS. Cuestionario: 4. ¿Qué función desempeña el circuito integrado 741A? Página 149 de 152

5. ¿Qué sucede si se cambian la resistencia de 1 K por un valor mayor? 6. ¿Qué sucedería si al potencìometro de 10 K variamos su resistencia? CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

Práctica #13 (final): uso del circuito integrado LM - 35 como sensor en el control de temperatura. INTRODUCCIÓN. El desarrollo de esta practica permitirá al alumno probar y relacionarse con el dispositivo, sus conexiones, su comportamiento cuando recibe el calor del medio y lo convierte en una variable eléctrica.

OBJETIVO. Determinar como el transductor LM-35 se puede utilizar como un sensor o elemento primario de temperatura para retroalimentar el lazo de control automático. MARCO TEÓRICO. El alumno debe entender los aspectos teóricos básicos sobre elementos primarios de medición e instrumentación. El alumno debe entender los principios básicos de los circuitos integrados incluyendo amplificadores operacionales. El alumno debe entender e interpretar las funciones y graficar comportamientos de acuerdo a los datos obtenidos experimentalmente. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA: material y equipo a utilizar. Tablero de pruebas (protoboard) Circuito integrado LM-35 Fuentes de alimentación de 5 a 15 volts de D.C. Página 150 de 152

Alambre telefónico de conexión calibre 22. Multímetro digital con escala de milivolt. Fuente calorífica (lampara incandescente) Termómetro de cristal de –10 a 110 ºC.

RESULTADOS OBTENIDOS:

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

Examen #4: Temperatura. 1. ¿Cómo estan clasificados los elementos primarios de medición de temperatura?. 2. ¿Cuáles son los líquidos que contienen los sistemas termales?. 3. Un tanque de almacenamiento de solventes de 16 yardas de altura contiene hexano ( = 0.659), un manómetro se fija en la base del tanque para usarse en la determinación del Nivel del hexano almacenado calcular:

a).-

La presión en Psi. Cuando el tanque esta lleno de hexano.

b).-

Si el tanque se vacia hasta el 65% de su Nivel cual será ahora la presión que nos indica el manómetro en Psi. Y en pulgadas de columna de agua.

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REFERENCIAS Instrumentación Industrial Creus Sole Antonio Marcombo Control de procesos Roca Alfred Alfaomega Simulación y control de procesos por ordenador Creus Sole Antonio Marcombo Fiabilidad y seguridad de procesos industriales Creus Sole Antonio Marcombo

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