Instituto Tecnológico Superior de Coatzacoalcos
División de Ingeniería Eléctrica
Alumnos:
OSORIO LIRA RAMIRO, PLASCENCIA SANTIAGO EITER
ANTONIO, ESTRADA MARTÍNEZ DANIEL, GONZÁLEZ VÁSQUEZ
JOSÉ LUIS, GONZÁLEZ MARTÍNEZ MANUEL DE JESÚS, Y
MARTÍNEZ MARTÍNEZ GUSTAVO
INSTRUMENTACIÓN
Docente: M.I. Jesús Alberto Cruz Toy
Portafolio Final de Evidencias
Fecha: 25 /10 /20
INDICE
Competencia específica de la asignatura ................................................................................ 1
Competencias genéricas ......................................................................................................... 1
UNIDAD 1 ............................................................................................................................. 2
1.1 Definiciones y conceptos .............................................................................................. 3
1.2 Clasificación y características de los instrumentos ...................................................... 6
1.3 Simbología, Normas (SAMA, ISA) y Sistema de Unidades ........................................ 9
1.4 Principios generales para la selección de la instrumentación ..................................... 18
1.5 Propagación del error.................................................................................................. 19
UNIDAD 2 ........................................................................................................................... 23
2.1 Medición de Presión ................................................................................................... 24
2.2 Medición de Nivel y densidad .................................................................................... 43
2.3 definición de flujo....................................................................................................... 64
2.4 medición de temperatura ............................................................................................ 79
2.5 medición de otras variables ........................................................................................ 82
2.6 procedimiento para calibración .................................................................................. 84
2.6.1 consideraciones previas a la calibración .............................................................. 86
2.6.2 error ..................................................................................................................... 86
2.6.3 incertidumbre ....................................................................................................... 87
2.7 criterios de selección .................................................................................................. 90
2.8 acondicionamiento de señales. ................................................................................... 94
UNIDAD 3 ........................................................................................................................... 98
3.1 Actuadores electrónicos.............................................................................................. 99
3.2 Actuadores hidráulicos ............................................................................................. 128
3.3 Actuadores neumáticos ............................................................................................. 144
3.4 Tipos de Válvulas ..................................................................................................... 162
3.5 Criterios de Selección de Actuadores ....................................................................... 182
3.6 Señal de Mando para Actuadores ............................................................................. 184
UNIDAD 4 ......................................................................................................................... 186
4.1 aplicaciones de sistemas de lazo abierto y lazo cerrado. .......................................... 187
4.2 modos de control aplicados en instrumentación: ...................................................... 191
4.2.1. on-off ................................................................................................................ 192
4.2.2. Proporcional...................................................................................................... 193
4.2.3. Proporcional + integral. .................................................................................... 195
4.2.4 Proporcional + Derivativo ................................................................................. 197
4.2.5. Proporcional + integral + derivativo. ................................................................ 199
4.3 Criterios para la Selección de un controlador ........................................................... 200
4.4. Sintonización de controles. ...................................................................................... 201
4.5. Aplicaciones de controladores. ................................................................................ 202
UNIDAD 5 ......................................................................................................................... 203
5.1 Adquisición de datos ................................................................................................ 204
5.2 Control supervisorio ................................................................................................. 207
5.3 Control digital ........................................................................................................... 208
5.4 Control distribuido.................................................................................................... 209
5.5 Instrumentación virtual ............................................................................................. 212
5.6 Pantallas Táctil (TOUCHSCREEN) ........................................................................ 213
Competencia específica de la asignatura
Selecciona, aplica, calibra y opera los instrumentos de medición
y control para automatizar los procesos industriales, mediante la
configuración y programación adecuada de los mismos.
Competencias genéricas
Capacidad de abstracción, análisis y síntesis
Capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica
Capacidad para organizar y planificar el tiempo
Capacidad de comunicación oral y escrita
Habilidades en el uso de las tecnologías de la información y de la
comunicación.
Capacidad para identificar, plantear y resolver problemas.
Habilidades interpersonales.
Capacidad de trabajo en equipo.
Habilidades para buscar, procesar y analizar
información procedente de fuentes diversas
Habilidad para trabajar en forma autónoma.
Preocupación por la calidad.
1
UNIDAD 1
2
Introducción a la Instrumentación
Cuando uno mira a su alrededor percibe que los instrumentos de medida están en todas partes.
El más ubicuo es el reloj, pero en las calles abundan los termómetros y los salpicaderos de
los coches están llenos de indicadores: velocidad, revoluciones, nivel de gasolina, etc. El
común de los mortales está familiarizado con los indicadores que constituyen el extremo
visible de la cadena de medida, como quien dice la punta del iceberg.
Poca gente conoce, ni siquiera a grandes rasgos, el funcionamiento interno de un sistema o
aparato de medida. Aunque el saber no ocupa lugar, un usuario ordinario no tiene porqué
conocer cómo funciona por dentro un aparato, siempre que ese conocimiento no sea preciso
para poder hacer un uso adecuado del mismo.
Este es el caso de aparatos “cerrados”, cuyo correcto funcionamiento está certificado por el
fabricante o por una empresa que realiza el mantenimiento y calibrado del mismo. Este es el
caso de los instrumentos de un coche, de la balanza electrónica de un supermercado o del
medidor de un surtidor de gasolina. Sin embargo, un ingeniero de materiales, igual que otros
profesionales, debe conocer algo más acerca de cómo funcionan los sistemas de medida que
se utilizan en la caracterización de los materiales y en los procesos de fabricación de los
mismos, tanto para poder juzgar lo adecuado de los sistemas utilizados por otros, como para
poder seleccionar un sistema adecuado de medida para un uso particular.
Denominaremos instrumentación al conjunto de instrumentos que hacen posible la medida
de una variable física particular y, por extensión, también al conjunto de instrumentos de
medida que permite seguir la evolución de un sistema físico, cualquiera que sea el número
de variables físicas involucradas.
Denominaremos también instrumentación a la disciplina que estudia las técnicas de diseñar,
construir y utilizar correctamente los sistemas de medida. En este curso introductorio vamos
a ceñirnos a los conceptos mínimos necesarios para comprender el funcionamiento de los
sistemas eléctricos o electrónicos de medida a efectos, fundamentalmente, de poder
utilizarlos correctamente. En este capítulo se describen los aspectos más generales de un
sistema de medida, sus componentes y propiedades estáticas.
1.1 Definiciones y conceptos
Es el conocimiento de la correcta aplicación de los equipos encaminados para apoyar al
usuario en la medición, regulación, observación, transformación, ofrecer seguridad, etc., de
una variable dada en un proceso productivo.
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 los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, de la
3
industria cerámica, de las centrales generadoras de energía, de la siderurgia, de los
tratamientos térmicos, de la industria papelera, de la industria textil, etc.
En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas
magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la conductividad,
la velocidad, la humedad, el punto de rocío, etcétera. Los instrumentos de medición y control
permiten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas
que las que el propio operador podría realizar.
En los inicios de la era industrial, la operatoria de los procesos se llevaba a cabo con un
control manual de estas variables utilizando sólo 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 éstos se han ido desarrollando,
ha exigido su automatización progresiva por medio de los instrumentos de medición y
control.
Estos instrumentos han ido liberando al personal de campo 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; asimismo, gracias a los instrumentos ha sido posible fabricar productos
complejos en condiciones estables de calidad y de características, condiciones que al operario
le serían imposibles o muy 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.
4
En pocas palabras la instrumentación se encarga de mantener funcionando el proceso de
manera óptima a través de elementos que sirven para medir, convertir, transmitir, controlar
o registrar las variables.
Figura 1-. Algunos componentes de la instrumentación
Se observan algunos de los componentes principales de la instrumentación que se mencionan
a continuación
Transmisor
Convierte la señal del transductor en una señal estándar que se transmite al sistema de control
(al ser estándar es compatible con cualquier instrumento de control con independencia de su
marca comercial
Registrador
Instrumentos registradores son aquellos que permiten, además de conocer el valor de la
magnitud variable medida en determinado momento, sino también el carácter de su variación
en el tiempo. En la imagen se muestra pantalla de instrumento registrador oscilador
Salida del controlador
Este mediante operaciones matemáticas de algebra booleana obtiene un resultado de
referencia del comportamiento físico de la variable física de campo, comparando este valor
obtenido con el valor de referencia configurado mediante parámetros preestablecidos
obteniendo una relación de desviación la cual ajusta y manda a corregir mediante una señal
5
de salida hacia el elemento final de salida, manteniendo la variable a controlar lo más cercano
al punto de ajuste set point
Elemento final de control
En el control automático de los procesos industriales, la válvula de control juega un papel
muy importante en el bucle de regulación. Realiza la función de variar el caudal de fluido de
control que modifica, a su vez, el valor de la variable medida, comportándose como un
orificio de área continuamente variable. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia
como el elemento primario, el transmisor y el controlador.
1.2 Clasificación y características de los instrumentos
Existen dos formas de clasificar los instrumentos las cuales son:
1.
De acuerdo a su función en el proceso.
2.
De acuerdo a la variable de proceso que miden.
Este modo de clasificarlos no es necesariamente el único, pero se considera bastante
completo. De acuerdo a su función estos serán.
Instrumentos ciegos
Son aquellos que no tienen indicación visible de la variable.
Ejemplos termostatos, presos tatos, etc.
Figura 2. Instrumentos ciegos
6
Instrumentos indicadores
Disponen de un índice y de una escala graduada 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
Figura 3. Instrumentos indicadores
Instrumentos registradores:
Registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de gráfico
rectangular o alargado según sea la forma del gráfico. Los registradores de gráfico circular
suelen tener el grafico de una revolución en 24 horas, mientras que en los de gráfico
rectangular, la velocidad normal del gráfico es de unos 20 mm/hora.
Figura 4. Instrumentos registradores
7
Elementos primarios
Están en contacto con la variable 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.
El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza,
posición, medida eléctrica, etc.
Transmisores
Capta la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en
forma de señal neumática (margen de 3 a 15 psi = libras por pulgada cuadrada), o electrónica
(de 4 a 20 mA. De corriente continua).
Transductores:
Son instrumentos que reciben una señal de entrada, función de una o más cantidades físicas
y la convierten modificada o no en una señal de salida.
Convertidores
Son aparatos que reciben una señal de entrada neumática o electrónica procedente de un
instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida
estándar.
Receptores:
Reciben las señales procedentes de los transmisores 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 de c.c. en señal electrónica, que actúan sobre el elemento final
de control.
Controladores
Comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen
una acción correctiva de acuerdo con la desviación. Elemento final de control: recibe la señal
del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. De acuerdo a la variable
del proceso: de acuerdo con la variable del proceso, los instrumentos se dividen en:
8
A.
Instrumentos de caudal
B.
Instrumentos de nivel
C.
Instrumentos de presión
D.
Instrumentos de temperatura
E.
Instrumentos de densidad y peso especifico
F.
Instrumentos de humedad y punto de rocío
G.
Instrumentos de viscosidad
H.
Instrumentos de posición
I.
Instrumentos de velocidad
J.
Instrumentos de pH
K.
Instrumentos de Conductividad
L.
Instrumentos de frecuencia
M.
Instrumentos de fuerza
N.
Instrumentos de turbidez, etc.…
1.3 Simbología, Normas (SAMA, ISA) y Sistema de Unidades
Generalidades de la simbología.
La instrumentación empleada en el control de un proceso forma parte integral del mismo, por
lo que es importante que la documentación relacionada con los sistemas de control, permita
un conocimiento claro del criterio de diseño empleado, las especificaciones de los
instrumentos y la forma en que estos están instalados e interconectados.
A continuación se da una lista, no exhaustiva, de algunos de los documentos relacionados
con el sistema de instrumentación de una planta industrial:
•
Diagrama de flujo del proceso
•
Criterio de diseño del sistema de instrumentación
•
Diagrama de tubería e instrumentos (P&ID)
•
Índice de instrumentos
•
Hojas de especificación de los instrumentos
•
Memorias de cálculo
9
•
Diagramas de lazo
•
Planos y especificaciones del tablero de control
•
Planos de distribución (eléctrica, neumática) en el campo
•
Planos de interconexión eléctrica
•
Listas de cables y conductos eléctricos
•
Planos esquemáticos de control
•
Detalles de instalación de instrumentos (mecánicos, neumáticos)
•
Detalles de instalación eléctrica
•
Documentos de compra de instrumentos
•
Documentos de seguimiento y control del proyecto
Entre las normas internacionales empleadas para la preparación de algunos de estos
documentos, se encuentran las siguientes de la ISA – The Instrumentation, Systems and
Automation Society:
•
Standard ISA S5.1 - “Instrumentation Symbols and Identification”, 1984 (R1992)
•
Standard ISA S5.4 - “Instrument Loop Diagram”, 1991
•
Standard ISA S20 - “Specification Forms for Process Measurement and Control
Instruments, Primary Elements and Control”, 1981
Diagrama de Flujo de Instrumentos
El Diagrama de Flujo de Instrumentos, normalmente denominado P&ID por sus siglas en
inglés, es el documento que muestra toda la instrumentación empleada en el control de una
planta industrial y por lo tanto permite entender cómo se efectúa el control, que tipo de
instrumentos se emplean y donde están localizados.
En este diagrama, cada instrumento estará representado por una etiqueta o identificación y
por un símbolo. La etiqueta es un conjunto de letras y números que indica cual es la variable
medida o controlada y cuáles son las funciones del instrumento. La simbología empleada en
el diagrama permite ubicar el instrumento, determinar el tipo señales empleadas y otras
características de los mismos.
10
Etiqueta o Identificación del instrumento con Norma ISA.
Cada instrumento tendrá asociada una etiqueta compuesta por letras y números la cual lo
describe funcionalmente. Esta etiqueta de identificación está compuesta de dos partes: una
Identificación Funcional y una Identificación de Lazo.
La identificación funcional a su vez está compuesta de una Primera Letra que identifica a la
variable medida o controlada y una serie de Letras Sucesoras que describen las funciones del
instrumento. Por su parte la identificación del lazo está constituida por un Número del Lazo
y un Sufijo si este fuera necesario.
Tabla 1. Identificación del instrumento
La siguiente tabla muestra el significado de las letras dependiendo de su posición dentro de
la etiqueta del instrumento.
11
Tabla 2. Etiqueta del instrumento
12
Símbolos y Números de Instrumentación
La indicación de los símbolos de varios instrumentos o funciones ha sido aplicada 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 una preferencia, la secuencia relativa de los números no implica una
preferencia.
Un símbolo distintivo cuya relación con el lazo es simplemente aparentar que un diagrama
no necesita ser etiquetado individualmente. Por ejemplo, una placa con orificio o una válvula
de control que es parte de un sistema más largo no necesita ser mostrado con un número 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.
Símbolos generales.
Los tamaños de las etiquetas y de los símbolos de los misceláneos son los tamaños
generalmente recomendados. Los tamaños óptimos pueden variar dependiendo 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.
La etiqueta o rótulo del instrumento, se encerrará dentro de un círculo de aproximadamente
1 cm de diámetro, el cual indica la localización del instrumento, ya sea que este esté instalado
directamente en el campo en los equipos mismos, en un tablero de control accesible al
operador (por la parte frontal) o en su parte interior (trasera).
Figura 5. Localización del instrumento
Líneas de interconexión (señales)
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 designadores 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
13
aclarar la dirección del flujo para información. 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.
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 más de
una línea.
La interconexión de los instrumentos al proceso y entre estos, se realiza con líneas que
indican el tipo se conexión o señal empleada.
Figura 6. Líneas de señal
Un globo o círculo simboliza a un instrumento aislado o instrumento discreto, pare 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 en los
controles lógicos programables PLC's se simbolizan con un rombo dentro de un cuadrado.
Descripción de cómo los círculos indican la posición de los instrumentos.
14
Los símbolos también indican la posición en que están montados los instrumentos. Los
símbolos con o sin líneas nos indican esta información. Las líneas son variadas como son:
una sola línea, doble línea o líneas punteadas.
Figura 7. Descripción simbólica
Las líneas punteadas indican que el instrumento esta mondado en la parte posterior del panel
el cual no es accesible al operador
Instrumento
Discreto
Función de
Computadora
Control Lógico
Programable
Figura 8. Líneas punteadas
El método sama (scientific, aparatus makers association) de diagramas funcionales que
emplean para las funciones block y las designaciones de funciones. Para ayudar en procesos
industriales donde la simbología binaria es extremadamente útil aparecen nuevos símbolos
binarios en líneas.
El propósito de esta norma es establecer un medio uniforme de designación los instrumentos
y los sistemas de la instrumentación usados para la medición y control. Con este fin, el
sistema de designación incluye los símbolos y presenta un código de identificación.
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En todo proceso trabajan diferentes usuarios o especialidades. La estandarización debe
reconocer esta realidad y además ser consistente con los objetivos del estándar, por lo tanto
debe entregar métodos para una simbología alternativa. Se entregan una serie de ejemplos
como información adicional o simplificaciones para una determinada simbología según se
desee.
La simbología de los equipos de los procesos, no es el motivo de este apunte, por lo tanto al
incluirse se hará, en razón de ilustrar aplicaciones de símbolos, de instrumentación.
Aplicaciones industriales
La estandarización de la instrumentación es importante para diversas industrias como:
•
Industria química
•
Industria petrolera
•
Generación eléctrica
•
Aire acondicionado
•
Refinadoras de metales
•
Otros procesos industriales.
Existen otros campos con instrumentos muy especializados y diferentes a la industria
convencional como:
•
Astronomía
•
Navegación
•
Medicina
Ningún esfuerzo específico se ha hecho para establecer una norma que reúna los
requerimientos de estas actividades, sin embargo, se espera que la norma sea lo
suficientemente flexible como para abarcar áreas muy especializadas. El estándar es
recomendable emplearlo cada vez que se requiera cualquier referencia para un instrumento
o para una función de control de un sistema con los propósitos de identificación y
simbolización
•
Esquemas diseño
•
Ejemplos para enseñanza
•
Fichas técnicas, literatura y discusiones
16
•
Diagramas en sistemas de instrumentación, diagramas lógicos, diagramas de lazos en
procesos.
•
Descripciones funcionales
•
Diagramas de flujo en: procesos, sistemas, elementos mecánicos, tuberías de procesos
e instrumentación
•
Dibujos de construcción
•
Especificaciones, órdenes de compra, manifiestos y otros listados
•
Identificación (etiquetado o marcas) de instrumentos y funciones de control
•
Instrucciones de mantención, operación, instalación, dibujos informes
El estándar pretende dar la suficiente información, que habilite a cualquiera para revisar
documento de representación, de medición y control de procesos para que entienda el
significado y el control del proceso no se requiere un conocimiento detallado de un
especialista en instrumentación, como requisito para su comprensión.
Aplicaciones a clases de instrumentación y para funciones de instrumentos
La simbología y las identificaciones entregadas en este estándar son aplicables a toda clase
de mediciones en instrumentación para control de procesos. Estas se pueden emplear no solo
para describir instrumentos discretos y sus funciones, sino que también funciones de sistemas
análogos, donde aparecen términos como “display compartido”, “control compartido”,”
control distribuido”,” control computarizado”.
Sistema de Unidades
La observación de un fenómeno es en general, incompleta 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 asignamos 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.
El Sistema Internacional de Unidades (del francés Le Système International d’Unités),
abreviado SI, es el sistema de unidades que se usa en casi todos los países. Las unidades del
SI constituyen referencia internacional de las indicaciones de los instrumentos de medición,
17
a las cuales están referidas mediante una concatenación ininterrumpida de calibraciones o
comparaciones.
Esto permite lograr equivalencia de las medidas realizadas con instrumentos similares,
utilizados y calibrados en lugares distantes y, por ende, asegurar —sin necesidad de
duplicación de ensayos y mediciones— el cumplimiento de las características de los
productos que son objeto de transacciones en el comercio internacional, su
intercambiabilidad.
1.4 Principios generales para la selección de la instrumentación
Para seleccionar correctamente un instrumento, se deben conocer los datos de los procesos o
aplicación donde se desea instalar el equipo.
Generalmente los usuarios no toman estos datos en cuenta, al final les cuesta más y pierden
tiempo por una alta rotación de sus instrumentos. La configuración para elegir
el
instrumento siempre estará basada por las características del proceso donde se utilizará.
Figura 9. Ejemplo de selección con manómetro
Criterio de selección adicional
Según la aplicación y condiciones de trabajo podemos definir cuál es el adecuado: unidades,
fluido interno, exactitud de la medición, temperatura de trabajo, escala de medición, diámetro
del instrumento y rosca mecánica para instalación.
Motivos de fallo y cómo prevenir las averías en el proceso:
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1.
Vibraciones mecánicas: Movimientos y oscilaciones periódicos que producen
deformaciones.
2.
Pulsación: Aumento y disminución rítmica de presión o caudal.
3.
Temperatura: Grado de calor o frío medido en una escala determinada.
4.
Sobrepresión: Por presión superior al límite causando daños en el elemento sensible.
Se debe distinguir entre picos de sobrepresión puntuales y una sobrepresión continua.
5.
Corrosión: Destrucción gradual del material causada por ataques químicos.
6.
Obturación: Limitar o impedir la medición debido a sustancias ajenas que se adhieren
a los conductos del fluido.
7.
Uso inadecuado: Mal manejo o instalación en aplicaciones inadecuadas.
1.5 Propagación del error
Los mejores instrumentos de medición carecen de estabilidad absoluta, es decir: se desvían
y pierden su capacidad de dar mediciones precisas. Por esta razón es necesaria la calibración.
Generalmente su estabilidad en la medición se ve afectada por el medio ambiente y el tiempo
en servicio. Con las calibraciones periódicas se busca tener mediciones confiables, asegurar
la calidad, cumplir con normas de seguridad y ambientales.
Definiciones de términos metrológicos que regularmente utilizamos y encontramos en los
reportes de servicios y calibración.
a)
Trazabilidad: Las calibraciones tienen que ser trazables. La trazabilidad es la
declaración en la que se especifica con qué patrón se ha comparado un instrumento
determinado a través de una cadena continua de comparaciones a patrones nacionales y/o
internacionales.
b)
Calibración: una señal medida desconocida se compara con una señal de referencia
conocida.
c)
Resolución: Es el mínimo intervalo legible entre dos lecturas.
d)
Vibraciones mecánicas: Movimientos y oscilaciones periódicos que producen
deformaciones.
e)
Pulsación: Aumento y disminución rítmica de presión o caudal.
f)
Temperatura: Grado de calor o frío medido en una escala determinada.
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g)
Sobrepresión: Por presión superior al límite causando daños en el elemento sensible.
Se debe distinguir entre picos de sobrepresión puntuales y una sobrepresión continua.
h)
Corrosión: Destrucción gradual del material causada por ataques químicos.
i)
Obturación: Limitar o impedir la medición debido a sustancias ajenas que se adhieren
a los conductos del fluido.
j)
Uso inadecuado: Mal manejo o instalación en aplicaciones inadecuadas.
Notas y recomendaciones para sus calibraciones.
•
Mantener registros de calibración.
•
Realizar las calibraciones según los procedimientos aprobados.
•
Definir un periodo de calibración y límites de error para cada instrumento.
•
Los patrones deben ser trazables con patrones nacionales e internacionales.
•
Cada instrumento debe tener un registro histórico maestro.
•
Todos los instrumentos deben tener un identificador único y tienen que estar
etiquetados físicamente.
Tipos de errores
Los errores experimentales son de dos tipos: determinados (sistemáticos) e indeterminados.
Los errores determinados o sistemáticos
Significa que cuando se realizan mediciones repetidas, el error tiene la misma magnitud y el
mismo signo algebraico, Determinado, significa que pueden ser reconocidos e identificados,
por lo tanto, la magnitud y el signo son determinables. Ejemplos: un instrumento o escala no
calibrada, una persona que no distingue colores correctos, el uso de un valor no correcto de
una constante (o unidades no adecuadas).
Errores indeterminados
Están siempre presentes en las mediciones experimentales. En estos no existe la manera de
determinar el signo ni la magnitud del error en mediciones repetidas. Los errores
indeterminados resultan, en el proceso de medición, en la obtención de diferentes valores
cuando se efectúan mediciones repetidas (asumiendo que todas las condiciones permanecen
constantes). Las causas en los errores indeterminados son diversas; error del operador o
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sesgo, condiciones experimentales fluctuantes, variabilidad inherente en los instrumentos de
medición, etc.
El efecto que tienen los errores indeterminados en los resultados se puede minimizar al
efectuar mediciones repetidas y después calcular el promedio. El promedio se considera una
mejor representación del valor verdadero que una sola medición, ya que los errores de signo
positivo y los de signo negativo tienden a compensarse en el cálculo de la media. Los errores
determinados pueden ser más importantes que los indeterminados por tres razones; • no existe
método seguro para descubrirlos e identificarlos al analizar los datos experimentales, • sus
efectos no pueden ser reducidos al promediar mediciones repetidas, • los errores
determinados tienen la misma magnitud y signo para cada medición en un conjunto de
mediciones repetidas, por lo que no tienden a cancelarse los errores negativos y los positivos.
Expresión del error
Se ha mencionado que el error en la medición está asociado al concepto de incertidumbre.
Se desea expresar el grado de error en las mediciones o el limite probabilístico de la
incertidumbre.
Conceptualmente se concibe el error como la dispersión de las diferentes mediciones de un
valor central. Esto se expresa como:
𝑥 ± ∆𝑥 = (𝑥 - ∆𝑥) < 𝑥 < (𝑥 + ∆𝑥)
24.2 ± .8 = (24.2 - .8) < 24.2 < (24.2 + .8)
El error se puede expresar como:
•
Error absoluto є = ∆𝑥
•
Error relativo є𝑥 = ∆𝑥/𝑥
•
Error porcentual є𝑥 % = є𝑥 ∗ 100
Precisión y exactitud
La precisión de un instrumento o método de medición está asociado a la sensibilidad o menor
variación de la magnitud que se puede detectar con dicho instrumento o método, la exactitud
es una medida de la cercanía de nuestro resultado con respecto al valor verdadero.
Una medición con un error indeterminado relativamente pequeño se dice que tiene una alta
precisión. Una medición con un error pequeño indeterminado y determinado se dice que tiene
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una alta exactitud. La precisión no implica necesariamente exactitud. Una medición precisa
puede ser inexacta si tiene un error determinado.
Propagación de errores
Supongamos que se miden dos dimensiones con sus respectivos errores (𝑥 ± ∆ 𝑥) , (𝑦 ± ∆𝑦)
y con las mismas unidades, pero se desea encontrar una tercera cantidad que es el resultado
de operaciones aritméticas de las dos primeras mediciones (x, y). Lo cual puede ser:
𝑧 = 𝑥 + 𝑦 𝑧 = 𝑥 – 𝑦 𝑧 = 𝑥 ∗ 𝑦 𝑧 = 𝑥/𝑦
Por lo tanto, se propaga para el resultado (z) a partir de los errores asociados a cada dimensión
original (𝑥, 𝑦). Finalmente se expresa el resultado respectivo con un error propagado.
𝑍 ± ∆𝑧
Para encontrar el error propagado ∆z se emplean diversas fórmulas, dependiendo de la
operación aritmética empleada en el cálculo de z. Los valores de ∆x y ∆y corresponden a la
desviación estándar respectiva.
Fórmulas de propagación de errores:
•
Caso suma y resta
𝑍 =𝑥+𝑦
∆𝑧 = {(∆𝑥)2 + (∆𝑦)2} 1/2
𝑍 =𝑥-𝑦
∆𝑧 = {(∆𝑥)2 + (∆𝑦)2} 1/2
•
Caso multiplicación y división
𝑍 =𝑥∗𝑦
(∆𝑧 /𝑍𝑧) = {(∆𝑥/𝑥)2 + (∆𝑦/𝑦)2} 1/2
𝑍 = 𝑥/𝑦
(∆𝑧/𝑍) = {(∆𝑥/𝑥)2 + (∆𝑦/𝑦)2} ½
22
UNIDAD 2
23
2.1 Medición de Presión
Generalidades
Definición de presión
Es la fuerza por unidad de superficie, cuando la fuerza es perpendicular a dicha superficie.
Esto es lo que ocurre comúnmente en fluidos confinados.
Referencias de presión
La presión siempre se mide respecto a una referencia o valor patrón, la cual puede ser el vacío
absoluto u otra presión como en el caso más común en que se trata de la presión atmosférica.
Según la referencia de presión utilizada se les dan nombres distintos a las medidas de presión.
Presión absoluta
Es la presión referida al vacío absoluto.
Presión manométrica
Es la presión referida a la `presión atmosférica.
Presión de vacío
Es la presión referida a la presión atmosférica, pero por debajo de ella.
Presión diferencial
Es la diferencia entre dos presiones cualesquiera
Presión atmosférica
Es la presión ejercida por el peso de la atmósfera sobre la tierra. AS nivel del mar esta es de
aproximadamente 760 mm de Hg, 14.7 psia o 100 KPa. En Mérida que se encuentra a
aproximadamente 1600 metros de altitud esta es de aproximadamente 85 KPa.
Presión barométrica
Es la medida de la presión atmosférica la cual varía levemente con las condiciones climáticas.
24
Unidades de presión
Las unidades de presión expresan una unidad de fuerza sobre unidad de área. Las más usadas
son Kg/cm2, psi (lbf/pulg2), Pascal (N/m2), bar, atmósfera, Torr (mm de columna de Hg).
La siguiente tabla resume los factores de conversión de las unidades de presión más comunes.
psi
Pa
Kg/cm2
Bar
Atmósfera
Torr
Cm H2O
Pulg H2O
Pulg Hg
Pulg
H2O
psi
Pa
Kg/cm2
Bar
Atmósfera
Torr
Cm
H2O
1
6896.5
0.0703
0.0689
0.0680
51.715
70.31
27.68
2.036
0.000145
Pulg
Hg
1
0.00001019
0.00001
0.00000987
0.0075
0.01
0.0039
0.00029
14.22
98067
1
0.9807
0.9678
735.58
1000
393.7
28.96
14.50
100000
1.019
1
0.9869
750.062
1024
401.46
29.53
14.70
101325
1.0332
1.01325
1
760
1033
406.78
29.92
0.01934
133.32
0.001359
0.00133
0.001316
1
1.359
0.5352
0.0394
0.0142
100
0.0010
0.0009
0.00096
0.7356
1
0.3937
0.0289
0.0361
254.6
0.00254
0.00249
0.00246
1.8683
2.540
1
0.07355
0.4912
3386
0.0345
0.0333
0.0334
25.40
34.53
13.6
1
Presión en fluidos
Fluidos estáticos
En un fluido estático la presión en un punto dado es igual al peso de la columna de líquido
por unidad de área. Dicho de otra forma, en un líquido la presión será igual a la altura de la
columna de líquido (h) por el peso específico ( ):
P
h
25
Vemos entonces que la presión en un líquido será directamente proporcional a la altura de
líquido sobre él. Algunas de las unidades de presión provienen de hecho de esta propiedad
de la presión en los fluidos, por ejemplo, Pulg Hg, Pulg H2O, Cm H2O.
Fluidos en movimiento
En un fluido en movimiento se presentan diversos tipos de presiones a saber.
Presión estática
Es la presión ejercida por el fluido en todas sus direcciones. Esta corresponde a la presión
que se mediría con un instrumento que se mueve con el fluido. Para medirla se puede usar
una toma perpendicular a la dirección del flujo.
Presión dinámica
Es la presión que se produce por el efecto de la velocidad del fluido. Esta se ejerce solamente
en la dirección del fluido. En un fluido estático la presión dinámica es cero. Para medirla se
debe hacer la diferencia entre la presión de estancamiento y la presión dinámica.
Presión de estancamiento
Es la presión resultante de la presión estática más la presión dinámica. Su valor será el de la
presión cuando el fluido se desacelera hasta obtener una velocidad cero en un proceso sin
rozamiento.
Medidores de presión de columna de líquido
Es el más simple, directo y exacto de todos los métodos utilizados en la medición de presión.
26
Trabajan aprovechando el principio de los vasos comunicantes, y utilizan el efecto de la
presión de una columna de líquido para la indicación del valor de la presión medida.
Por lo general están limitados a la medición de presiones diferenciales por debajo de los 200
KPa (≈30 psi). Esto debido a la resistencia del material del tubo (vidrio generalmente) y a la
longitud que deberían tener estos para presiones mayores.
El más conocido de estos instrumentos es el manómetro de tubo en U, pero existes otras
variantes que utilizan el mismo principio.
Tipos de medidores de presión de columna de líquido
Manómetro de tubo en U
Este medidor consta de dos tubos transparentes de misma sección transversal que están
conectados por su parte inferior, ya sea por un tubo del mismo material o por un material
distinto. Dentro del tubo se coloca un líquido de mayor densidad que el fluido del proceso a
medir y que nos sea miscible en él, agua para aire o mercurio para agua por ejemplo.
Luego se conecta uno de los tubos al proceso (P1) y el otro se deja a la presión de referencia
con respecto a la cual se quiere hacer la medición (P2),
La atmósfera para presiones manométricas
o
Si P1 P2se trata de un manómetro de tubo en U
27
Si P1 P2se trata de un vacuómetro de tubo en U.
El vacío absoluto para presiones absolutas, se trata de un barómetro
Otra presión del proceso para presiones diferenciales.
La medida de presión será directamente proporcional a la diferencia de nivel en los líquidos
de los tubos (h), según las relaciones:
Para medida de presión de gases (peso despreciable respecto del líquido
manométrico)
P1 P2 mh
o
Para medida de presión en líquidos (peso no despreciable)
P1 P2 m l h
Manómetro de pozo y vaso alargado
Este es una modificación del manómetro de tubo en U en donde uno de los tubos tiene una
sección transversal de mayor área que la otra. Esto permite realizar la lectura de la presión
directamente con la posición de la superficie del líquido en el tubo de área menor, con una
mayor precisión y permite medir presiones mayores.
28
Manómetro de pozo y vaso inclinado
Este es una variación del manómetro de pozo y vaso alargado en donde el vaso alargado se
inclina con el fin de darle mayor precisión al instrumento. Esto ya que para un mismo
desplazamiento vertical del fluido, el desplazamiento de este sobre el tubo será mayor.
Manómetro de anillo de balanceo
Este medidor utiliza el efecto del cambio de nivel del fluido manométrico por efecto de la
presión junto con un balance de fuerzas ejercidas por el peso del líquido y un contrapeso.
Se compone de un anillo tubular en el cual está un líquido manométrico y que posee un
contrapeso en la parte inferior. Este anillo puede rotar sobre su centro y posee una aguja que
indicará directamente la presión en función del ángulo de rotación del instrumento.
En este caso al producirse una diferencia de presión entre los dos lados del manómetro el
líquido manométrico se desplaza produciendo una fuerza (F) debido al peso del lado de
mayor altura de líquido manométrico. Esta fuerza hace rotar el anillo. El contrapeso (W)
contrarresta esta fuerza hasta alcanzar una posición de equilibrio como en el caso de una
balanza. En ese momento la posición de la aguja indicará directamente en una escala el valor
de la presión.
29
Las ecuaciones que rigen el funcionamiento de este sistema son: Peso del líquido = peso del
contrapeso:
hAr Wa
hAr Wd sin
Obsérvese que en este instrumento la presión es directamente proporcional a K sin, donde
K es una constante del medidor que depende de sus parámetros geométricos. En este
instrumento la densidad del líquido manométrico no tiene ninguna influencia sobre la
medida.
Manómetro de campana invertida
Este instrumento utiliza el líquido solamente como elemento de sello, mientras que la medida
de presión se realiza por un balance de fuerzas entre la presión ejercida por el proceso por el
área sobre la cual actúa, la presión de referencia por la misma área y una otra fuerza que
limita el movimiento como por ejemplo un resorte u otra campana.
Este instrumento consta de un tanque en donde se coloca un fluido de sello en el cual se
sumerge un vaso o campana en forma invertida dentro del cual actuará la presión del proceso.
Al aumentar la presión dentro del vaso este tratará de elevarse por efecto de la fuerza que
esta ejerce. Un resorte ubicado en la parte exterior del vaso producirá una fuerza opuesta
proporcional al desplazamiento producido en el vaso. Una vez que las dos fuerzas en
contraposición se encuentren en equilibrio, la posición de una aguja conectada físicamente
al vaso indicará el valor de la presión.
30
Manómetro de campana invertida
Líquidos manométricos:
El líquido manométrico debe seleccionarse función de sus características y del proceso a
medir.
El primer parámetro en esta selección es el rango de presiones que se quiere medir, en función
de esto:
•
Para bajas presiones (0 a 7 KPa ≈ 1 psi) se deben usar líquidos inorgánicos de baja
densidad.
•
o Aceites
o Glicerina
Para presiones medianas (0 a 17 KPa ≈ 2.5 psi) se puede usar agua.
31
•
Para presiones altas (0 a 70 KPa ≈ 10 psi) se debe usar mercurio
Los líquidos manométricos más usados son el agua y el mercurio.
Ventajas y desventajas del agua y del mercurio
Ventajas
Agua
Mercu
rio
Desventajas
Económica
No tóxica
Insoluble en algunos líquidos
(aceites)
Densidad menor al mercurio lo
que permite mayor sensibilidad
Bajo punto de fusión -39 ºC
Alto punto de ebullición 357 ºC
Baja presión de vapor a
temperatura ambiente
No moja las paredes del
recipiente
Insoluble en muchos líquidos
comunes
Punto de fusión 0 ºC
Punto de ebullición 100ºC
Moja las paredes del recipiente
Tiene una presión de vapor alta
Densidad menor al mercurio
permite solo un rango menor
Se amalgama con muchos
metales
Es costoso
Es tóxico
Líquidos selladores
En algunos casos en los que el fluido del proceso puede ser corrosivo o miscible para el
líquido manométrico se puede usar un líquido sellador, que permite aislar el proceso del
manómetro. En este caso se deberá tomar también en cuenta el peso específico de este
líquido.
32
Sensores de presión
Estos elementos transforman la variable presión en un desplazamiento. Para ello utilizan la
propiedad de los materiales de deformarse dentro del rango elástico cuando se someten a un
esfuerzo y regresar a su posición cuando cesa el esfuerzo aplicado. Sabiendo que en este
rango la relación esfuerzo deformación es lineal.
Los sensores de presión consisten en elementos de sección delgada que al someterse a una
presión se deforman en su rango elástico, deformación que es proporcional a la presión.
Existen principalmente tres tipos de sensores de presión:
•
El tubo Bourdon
•
El fuelle
•
El diafragma
El tubo de Bourdon
Este consiste en un tubo de sección transversal aplanada con un extremo abierto y empotrado
y el otro extremo cerrado y libre de moverse. Este tubo se le da una forma curvada específica,
que varía según el rango de la presión a medir y las características del tubo. De acuerdo a la
forma del tubo se tienen los siguientes tipos de tubo Bourdon:
En el tubo Bourdon el tubo forma un arco de algo más de 180 grados, en el tipo espiral el
tubo da más de una vuelta alrededor del eje reduciendo el diámetro en cada vuelta para formar
una espiral y en el helicoidal el tubo también da más de una vuelta alrededor de su eje pero
en vez de reducir el diámetro este se deforma también en la otra dirección para formar un
helicoide. Al aumentar la presión en el interior del tubo éste tiende a enderezarse y producir
un desplazamiento en el extremo libre, el cual es proporcional a la presión aplicada.
33
La ley que relaciona este desplazamiento con la presión es compleja debido a la forma
compleja de estos instrumentos, por ello se han determinado ecuaciones empíricas
experimentales para estas relaciones.
La linealidad del tubo suele ser de aproximadamente 0.5% de la deflexión máxima y en
muchos casos una desviación máxima de 1% es permisible. La sensibilidad de estos
instrumentos es excelente obteniéndose respuestas hasta de 0.01% en algunos de ellos.
Rangos de presión:
El rango de presión depende principalmente del material con el cual está fabricado el tubo y
puede abarcar valores
•
Manómetro: desde 0 a 35 KPa (≈ 5 psi) hasta 0 a 70000 KPa (≈ 10 000 psi).
Vacuómetro: de -100 a 0 KPa (≈ -30 a 0 “Hg)
El Diafragma
El diafragma es un disco metálico (o no metálico) al cual se le han hecho corrugaciones
circulares concéntricas. Ese se acopla a una caja por la cual se introduce la presión a medir,
midiendo este la diferencia de presión existente entre las dos caras del diafragma.
La fuerza de presión origina una deflexión en el centro del disco la cual es proporcional a la
presión aplicada.
Los diafragmas metálicos emplean directamente la característica elástica del material,
mientras que los no metálicos tienen por lo general un resorte calibrado cuya fuerza se opone
al movimiento.
34
Estos elementos se usan por lo general para medir presiones diferenciales bajas o presiones
de vacío y la sensibilidad de estos instrumentos suele ser muy grande pudiendo detectar
comúnmente valores del0.01 % de la presión para la cual fue diseñado.
Cuando dos diafragmas iguales se unen por sus periferias herméticamente se obtiene una
cápsula.
Esta produce una mayor deflexión para una misma presión aplicada.
Materiales de construcción para diafragmas
Metálicos
•
•
•
•
•
Latón
Bronce fosforoso
Cobre berilio
Acero inoxidable
Monel
No metálicos
• Neopreno
• Teflón
• Polietileno
• Cuero
Estos resisten mayor corrosión, pero se usan para presiones más bajas.
Rangos de presión:
El rango de presión depende principalmente del material con el cual está fabricado el tubo y
puede abarcar valores
35
•
Manómetro: desde 0 a 1.2 KPa (≈ 5” H2O) hasta 0 a 5500 KPa (≈ 800 psi).
•
Vacuómetro: desde -1.2 a 0 KPa hasta -100 a 0 KPa (≈ -30 a 0 “Hg)
El fuelle
Este elemento consiste en un tubo de material flexible con uno de sus extremos empotrado y
conectado al proceso al cual se le quiere medir la presión; y el otro cerrado y libre de moverse.
Para producir flexibilidad del tubo se hacen corrugaciones o convoluciones circulares sobre
las paredes del tubo, de tal forma que este trabaje como un resorte helicoidal.
Para aumentar el rango de presión o la vida útil del fuelle se acostumbra acoplarlo a un resorte
interno o externo. Estos elementos se usan principalmente para medir bajas presiones.
Materiales de construcción de fuelles:
Metálicos
•
•
•
•
Latón
Bronce fosforoso
Monel
Acero inoxidable
Nó metálicos
•
Neopreno
•
Teflón
•
Polietileno
36
Rangos de presión:
El rango de presión depende principalmente del material con el cual está fabricado el tubo y
puede abarcar valores
•
Manómetro: desde 0 a 0.5 KPa (≈ 0.2” H2O) hasta 0 a 7000 KPa (≈ 1000 psi).
•
Vacuómetro: desde -0.5 a 0 KPa hasta -100 a 0 KPa (≈ -30 a 0 “Hg)
Transductores eléctricos de presión
Todos los elementos estudiados anteriormente permiten medir presión en el proceso. Sin
embargo, para procesos industriales se requiere en muchos casos conocer el valor de la
medición en una sala de control o en un lugar alejado del proceso. Otras veces se requiere de
la medida para la aplicación de una acción de control. Para todo esto se requiere entonces
poder comunicar el valor de la variable a otros instrumentos. Una de las formas sencillas para
realizar esto es tener una salida eléctrica en el instrumento de medición, para esto se debe
entonces utilizar un transductor eléctrico de presión. La función de este elemento será el de
transformar la el desplazamiento producido por un sensor de presión en una señal eléctrica
que se pueda leer.
Los tipos más comunes de transductores eléctricos son:
Transductor resistivo
Este elemento está conformado por un potenciómetro (resistencia variable) en donde la guía
móvil (elemento que permite variar la resistencia) está conectada a un sensor de presión
(diafragma, fuelle o tubo Bourdon), el desplazamiento producido por el sensor de presión
producirá un cambio en la resistencia del potenciómetro. La medida del valor de esta
resistencia será entonces proporcional al valor de la presión del proceso.
37
El elemento de resistencia puede ser:
•
Grafito depositado
•
Películas metálicas
•
Resistencias bobinadas
Este elemento es muy usado, ya que su eficiencia eléctrica es alta y genera salidas suficientes
para alimentar otros elementos sin necesidad de amplificación.
Su precisión es pequeña, del orden del 2 %.
Transductor Extensométrico
En el transductor extensométrico se utiliza un extensómetro o galga extensométrica (Strain
gage) para transformar la deformación que se produce sobre un diafragma en una señal
eléctrica.
El extensómetro es un elemento que está diseñado para medir deformaciones en materiales
sometidos a esfuerzos. Estos están compuestos por varios lazos de un alambre muy fino o
por un material semiconductor, el cual al estirarse produce un cambio en la sección
transversal del alambre o en el área transversal del semiconductor. El cambio de sección
transversal de este alambre hace que cambie su resistencia eléctrica, este cambio de
resistencia será proporcional a la deformación al cual está sometido el extensómetro.
38
Existen varios tipos de transductores extensométricos:
Galgas cementadas: Estas están formadas por un extensómetro que se pega a una hoja base
de cerámica, papel o plástico, el cual se adhiere mediante un pegamento especial al miembro
al cual se le quiere medir la deformación. En este caso se trata generalmente de medir la
deformación producida por un cambio de presión a un diafragma.
Galgas no cementadas: En este caso el extensómetro no se adhiere en toda su superficie, sino
que los extremos de los hilos de este descansan entre una armazón móvil y una fija, sometido
a una ligera tensión inicial. En este caso se trata generalmente de medir el alejamiento entre
las dos paredes, que suelen ser las dos caras de un diafragma.
Ventajas
Salida alta
Económico
Se puede usar con corriente alterna o continua
No es necesario amplificar o acoplar impedancias
Desventajas
Usualmente requiere gran tamaño
Posee una alta fricción mecánica
Tiene una vida limitada
Es sensible a vibraciones o choques
Requiere un gran desplazamiento por lo cual el sensor de
presión debe ser relativamente grande
Tiene una baja respuesta a la frecuencia
Desarrolla altos niveles de ruido con el desgaste
Es insensible a pequeños movimientos (baja sensibilidad)
Galgas de silicio difundido.
Las galgas de silicio difundido utilizan el mismo principio de cambio en la resistencia
eléctrica, pero en este caso de un material semiconductor. En este caso la galga está
conformada por un monocristal de silicio en cuyo seno se difunde boro para formar varias
resistencias, conectadas en forma de puentes de Wheatstone constituyendo una galga
extensométrica autocontenida.
39
Para medir la resistencia de las galgas estas se conectan a un puente de Wheatstone o alguna
variante más elaborada de este. Este es un arreglo de cuatro resistencias (en su versión básica)
que cuando se encuentran en equilibrio, si se aplica una tensión al circuito (VIN) la tensión
de salida (VOUT) será de cero.
Transductor Magnético
Los transductores magnéticos utilizan unas bobinas con un núcleo magnético móvil
conectado a un sensor de presión, con lo cual al producirse el movimiento del núcleo
magnético cambian las características magnéticas del circuito eléctrico. Existen
principalmente dos tipos:
Transductor magnético de inductancia variable
En este caso se mide la inductancia de la bobina que varía en forma proporcional a la porción
de núcleo magnético contenido en ella. La precisión es para estos instrumentos del orden de
1%.
Transductor magnético por transformador diferencial
En este caso el núcleo móvil que está conectado a un sensor de presión se desplaza dentro de
un transformador diferencial. El voltaje obtenido en la salida será:
40
Ventajas
Desventajas
Salida alta
Se excitan solo con Corriente alterna por lo que
el receptor debe funcionar con corriente alterna
Respuesta lineal
No precisan ajustes críticos en el montaje
Requiere un gran desplazamiento del núcleo
magnético
Baja histéresis por no haber roce
Sensible a choques y vibraciones
Construcción robusta
Transductor Capacitivo
Se basan en la variación de la capacidad de un condensador al desplazarse una de sus placas
por la aplicación de la presión. En este caso la placa móvil suele ser un diafragma y se
encuentra situada entre dos placas fijas, con lo cual se tienen dos condensadores: uno de
referencia y uno de capacidad variable. Las dos capacidades se comparan en circuitos
osciladores.
Como la capacidad es función del ancho del dieléctrico (distancia entre placas) cuando el
diafragma se reflecta por efecto de la presión, cambia la capacitancia del condensador.
41
La precisión de estos transductores suele ser del orden del 0.2 a 0.5 % de la amplitud.
Ventaj
as
Excelente respuesta a la frecuencia
Construcción sencilla
Mide presiones estáticas y dinámicas
Costo relativamente bajo
Para pequeños desplazamientos
De resolución contínua
Poco afectado por vibraciones
Desventajas
El movimiento de cables de gran longitud origina
distorsión y error
Alta impedancia de salida
Deben balancearse reactiva y resistidamente
Sensible a variaciones de temperatura
El instrumento receptor es grande y complejo
Transductor Piezoeléctrico
Cuando ciertos cristales se deforman elásticamente a lo largo de planos específicos de
esfuerzos se produce un potencial eléctrico en el cristal. Por lo tanto, si se acopla un
diafragma a un cristal de características geométricas adecuadas para que este pueda
deformarse con la deformación del diafragma, entonces al producirse la deformación se
producirá una corriente eléctrica que será proporcional a la deformación del cristal. Entre los
cristales usados están: el cuarzo, la turmalina, el titanio de bario y las sales de Rochelle.
Los cristales naturales como el cuarzo permiten medir variaciones lentas de presión porque
operan a bajas frecuencias, son resistentes a la temperatura y se pueden usar en aplicaciones
duras como choques. Los cristales sintéticos como las sales de Rochelle dan una salida mucho
mayor para una presión dada, pero son incapaces de resistir altos esfuerzos mecánicos sin
fracturarse rápidamente. Con estos instrumentos se pueden medir presiones hasta de 70 MPa
(10000 psi).
42
Ventajas
Tamaño pequeño, compacto y ligero
Muy lineales
Alta respuesta a la frecuencia hasta 100000
ciclos/s
No requieren frecuente calibración
Desventajas
Son sensibles a cambios de temperatura
No miden presiones estáticas
Alta impedancia de salida
Cables de conexión largos originan ruido
Después de un choque severo no retornan
rápidamente a la salida de referencia previa
Su señal de salida es relativamente débil por lo
que
precisan
de
amplificadores
acondicionadores de señal
que pueden introducir errores de medición
2.2 Medición de Nivel y densidad
Medición de nivel
En la industria, la medición de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista del
funcionamiento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuado de
materias primas o de productos finales. La utilización de instrumentos electrónicos con
microprocesador en la medida de otras variables, tales como la presión y la temperatura,
permite añadir "inteligencia" en la medida del nivel, y obtener exactitudes en la lectura altas,
del orden del ± 0,2%, en el inventario de materias primas o finales o en transformación en
los tanques del proceso.
Las distintas técnicas de medición de nivel constituyen entre otras, una herramienta muy
importante en la rama de la Instrumentación y el Control, ya que la importancia de ciertos
factores como la seguridad de las instalaciones, el control de la calidad del producto, la
optimización de los procesos, y la protección del ambiente, dependen de la calidad de la
medición que se esté haciendo y por ende la responsabilidad que esto conlleva al momento
de tomar una decisión.
Por lo tanto, para realizar una acertada selección se debe tener un sólido conocimiento del
proceso así como de los principios de funcionamiento, aplicaciones, ventajas, y desventajas
de los instrumentos a utilizar
La medición de nivel se define como la determinación de la posición de la interface entre dos
medios. Estos son usualmente fluidos, pero pueden existir sólidos o combinación de ellos.
La interface puede existir entre un líquido y un gas, un líquido y su vapor, dos líquidos, un
sólido o sólido diluido y un gas.
Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y de sólidos,
que son dos mediciones claramente diferenciadas.
43
y
Medidores de nivel de líquidos: Los medidores de nivel de líquidos se dividen en:
1.-
Los instrumentos de medida directa:
•
•
•
•
•
•
•
Sonda
Cinta y plomada
Nivel de cristal
Nivel de flotador
Magnético
Palpador servo operado
Magnetostrictivo
2.- Los aparatos que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática:
• Medidor manométrico
• Medidor de tipo burbujeo
• Medidor de presión diferencial de diafragma
3.- El empuje producido por el propio líquido lo aprovecha el medidor de desplazamiento.
4.- Los instrumentos que utilizan las características eléctricas del líquido:
• Medidor resistivo/conductivo
• Medidor capacitivo
• Medidor ultrasónico
• Medidor de radar o microondas
• Medidor de radiación
• Medidor de láser
5.-Y los que se basan en otros fenómenos:
• Medidor óptico
• Vibratorio
• Detector de nivel térmico o de dispersión térmica
Instrumentos de medida directa
44
La Sonda consiste en una varilla o regla graduada de la longitud conveniente para introducirla
dentro del depósito. La determinación del nivel se efectúa por lectura directa de la longitud
mojada por el líquido. En el momento de la lectura el tanque debe estar abierto a presión
atmosférica. Se utiliza, generalmente, en tanques de fuel-oil o gasolina.
La varilla con gancho se sumerge en el seno del líquido y se levanta después, hasta que el
gancho rompe la superficie del líquido. La distancia desde esta superficie hasta la parte
superior del tanque representa indirectamente el nivel.
La cinta métrica metálica graduada con plomada se emplea cuando la regla graduada no tiene
acceso al fondo del tanque. El instrumento está compuesto por tres partes principales: el
carrete, la cinta graduada y un peso o plomada. La plomada sirve para que se mantenga la
cinta tensa al penetrar en el líquido. Para medir el nivel, se deja que la cinta baje lentamente
hasta que la plomada toque el fondo del recipiente. Una vez que la plomada toca el fondo se
empieza a recoger la cinta con el carrete, hasta que aparezca la parte donde el líquido ha
dejado la marca que indica su nivel. Se usan cuando la regla graduada no tenga acceso al
fondo del tanque.
45
Características
Aplicación del
generales del
medidor de sonda
Ventajas
medidor de sonda
Tanques abiertos.
Medición
de
Campo
de
aceite.
medida limitado
Medición
de
Buena exactitud:
gasolina.
0,5 mm fe
Procesos
Presión máxima:
granulosos
atmosférica
Temperatura
máxima
de
fluido: 60 ºC
medidor de sonda
Desventajas del
Baratos.
Son manuales.
Se usan sin olas.
Sólo para tanques
abiertos.
No para procesos
continuos
Indicador de cristal
El funcionamiento del indicador de cristal se basa en el principio de los vasos comunicantes:
con igual presión, el líquido del tanque sube en el tubo de vidrio hasta que ambos niveles
sean iguales. Cuando el nivel varía en el tanque, varía también en el tubo de vidrio
obteniéndose así una indicación real de nivel del proceso. En la Fig. Se representa este
método de medición y se puede observar que sirve tanto para tanques abiertos como cerrados.
46
Características
del Aplicaciones del indicador Ventajas del indicador Desventajas
del
indicador de cristal
de cristal
de cristal
indicador de cristal
Exactitud:
Medición de
Económico.
Manipular con
0,5 mm fe
líquidos.
cuidado para
Seguridad en
evitar roturas.
Temperatura
Lecturas periódicas
la lectura del
máxima de
de nivel.
nivel del
No para control
fluido: 200
líquido.
directo.
Tanques abiertos.
°C
Preciso.
Campo de
Tanques cerrados:
medida
Presión:
Hervidores.
hasta 7 bar
limitado.
Evaporadores.
(700 000
Indicación
Condensadores.
Pa) para
local.
Columnas de
baja presión
Susceptibles de
destilación
Longitud:
ensuciarse por
Hasta 1,78
las
m para baja
características
presión
del líquido.
Hasta 2,5 m
para alta
presión
Los instrumentos de Flotador consisten en un flotador situado en el seno del líquido y
conectado al exterior del tanque indicando directamente el nivel. La conexión puede ser
directa, magnética o hidráulica.
a) El flotador conectado directamente está 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 más utilizado en tanques de gran capacidad, tales como los de fuel-oil y gas-oil.
47
b) El indicador de nivel magnético se basa en el seguimiento magnético de un flotador que
desliza por un tubo guía y que contiene un potente electroimán. Hay dos modelos básicos:
1. Flotador tubo guía situados 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 en la parte superior del tanque. El instrumento
puede, además, incorporar un transmisor neumático, electrónico o digital.
2. Flotador que desliza a lo largo de un tubo guía sellado acoplado externamente al tanque.
El flotador contiene un potente imán y, en la parte externa, hay un tubo de vidrio no poroso
herméticamente sellado, dotado de un indicador fluorescente o de pequeñas cintas
magnéticas que siguen el campo magnético del flotador.
c) Flotador acoplado hidráulicamente, El movimiento del flotador actúa sobre un fuelle de
tal modo que, varía la presión de un circuito hidráulico y señala a distancia en el receptor el
nivel correspondiente. Se usa en aplicaciones bajo presión y tiene la facilidad del control
directo del proceso de ser necesario.
Características
El flotador puede tener formas muy variadas y
estar formado por materiales muy diversos según
sea el tipo de fluido
Campo de medida de (0 a 10) m
Exactitud: ± 0,25 in
Precisión: ± 0,5 %
Presión máxima: 5 000 psi(g)
Temperatura máxima de fluido: 530 °C
Ventajas
Instalación sencilla.
Método de medición probado
y confiable.
Permite medición continua.
Turbulencias y espuma en la
superficie del líquido no
afectan de manera
significativa la medición.
Aplicaciones de los instrumentos de flotador
Tanques abiertos.
Tanques cerrados a presión o al vacío.
Desventajas de los instrumentos de flotador
La medición puede ser afectada por depósitos de
materiales sobre el flotador.
Los tubos guías muy largos pueden dañarse ante olas
bruscas en la superficie del líquido o ante la caída
violenta del líquido en el tanque.
No son adecuados para líquidos viscosos.
Las partes móviles están sujetas a desgaste requiriendo
mantenimiento frecuente.
La medición es afectada por los cambios en la gravedad
específica del fluido.
48
Los medidores por palpador servo operado disponen de un elemento de medida que consiste
en un disco de desplazamiento suspendido por una cinta perforada (o un cable) de acero
inoxidable que está acoplada a un tambor ranurado, el cual almacena o dispensa la cinta. El
tambor está conducido por un servomotor controlado y montado en unos cojinetes de
precisión. Cuando el nivel del producto sube o baja, el desplazador es subido o bajado
automáticamente manteniendo el contacto con la superficie del producto. El tambor de
medida está montado en el techo del tanque y dispone de un codificador óptico y del
transmisor de los datos de nivel. Generalmente, la transmisión de la información es digital
serie y codificada, sujeta a estándar. Para proteger el disco palpador del oleaje que pueda
producirse en el tanque se instala un tubo tranquilizador dotado de orificios. El instrumento
tiene una exactitud de ± 3 mm, y un campo de medida de 1 mm a 30 m.
El medidor de nivel magno restrictivo utiliza un flotador cuya posición, que indica el nivel,
se determina por el fenómeno de la magnetostricción. Para detectar la posición del flotador,
el transmisor envía un impulso alto de corriente de corta duración (impulso de interrogación)
hacia abajo al tubo de guía de ondas, con lo que crea un campo magnético tubular que
interacciona inmediatamente con el campo magnético generado por los imanes del flotador.
Esta interacción da lugar a una fuerza de torsión en el tubo, como si fuera una onda o
vibración ultrasónica, que se traslada, a una velocidad típica, por el tubo guía hacia el circuito
sensor que capta el impulso ultrasónico torsional y lo convierte en un impulso eléctrico. El
circuito mide el intervalo de tiempo entre el impulso inicial de corriente y el impulso de
retorno y lo convierte a una señal dentro del intervalo de 4-20 mA, y esta señal indica la
posición del flotador, es decir, el nivel. El reloj utilizado en este sistema es capaz de medir el
tiempo con una exactitud de 1/100 millonésimas de segundo.
49
Instrumentos basados en la presión hidrostática
Medidor manométrico: En este tipo de medidor se conecta un manómetro en la línea de
descarga de un tanque de almacenamiento, en la cual se pueden observar varios accesorios
como son una válvula de cierre para mantenimiento, y un pote de decantación con una válvula
de purga. La lectura del manómetro se puede calibrar para medir directamente nivel, teniendo
en cuenta la densidad del líquido almacenado utilizando la ecuación de presión hidrostática,
P = h · ( l) · s = h · s
Dónde: P= Presión; h= Altura del nivel del líquido; s= Gravedad específica; l = Presión
causada por un 1 cm
Se asume que la gravedad específica del líquido es constante, sin embargo, las variaciones
en la temperatura pueden afectar considerablemente la densidad del líquido introduciendo
error en la medición.
50
Medidor tipo burbujeo
El sistema de burbujeo de aire, está formado por un suministro continuo de aire, un regulador,
un indicador visual de flujo y un indicador de nivel. Consiste en introducir un tubo dentro
del tanque y luego aire a presión la cual se regula a un valor ligeramente superior a la presión
hidrostática ejercida por la columna de líquido en el tanque al nivel máximo.
Cuando se va a realizar una medición de nivel, el aire de alimentación se ajusta de modo que
la presión sea ligeramente superior que la presión ejercida por la columna de líquido. Esto se
consigue regulando la presión del aire hasta que se observan burbujas saliendo del extremo
de la tubería colocada dentro del recipiente. Debido a que puede ser que no sea conveniente
la inspección visual para detectar la presencia de burbujas, se instala en la línea de acceso de
aire, un indicador visual de flujo, el cual es normalmente un rotámetro.
La importancia de mantener un flujo a través del tubo es debido al hecho de que el líquido
en el tubo debe ser desplazado por el aire creando una contrapresión que va a depender del
nivel existente en el recipiente, siendo detectada por el indicador de nivel como el nivel
existente en el recipiente.
La tubería empleada suele ser de 0,5 in con el extremo biselado para una fácil formación de
las burbujas de aire. Una tubería de menor diámetro tipo capilar reduciría el tiempo de
respuesta, pero produciría un error en la medición provocado por la pérdida de carga del tubo.
51
Características
Aplicaciones
Exactitud: ± 1 % fe
Tanques abiertos.
Presión máxima: 400 kg/cm²
Líquidos muy corrosivos o con sólidos en
(0,058 Pa)
suspensión
Temperatura máxima de
fluido: 200 °C
Ventajas
Desventajas
Barato y versátil
Durante el mantenimiento se puede
contaminar el líquido.
Su campo de medida está limitado por la
altura del tanque
Instrumentos de presión diferencial
En los sistemas de presión diferencial se puede conectar un tubo entre la toma de presión baja
(L) y la parte superior del tanque, para medir así la diferencia de presión ΔP entre las tomas
inferior y superior del tanque, pudiéndose calibrar esta ΔP en función de la altura del nivel
en estudio. Los transmisores de presión diferencial de diafragmas se utilizan en la medición
de nivel en tanques cerrados bajo presión, aunque también se pueden usar para medir nivel
en tanques abiertos dejando la toma de presión baja (L) igual a la presión atmosférica.
Los casos que se presentan con más frecuencia son: tanques abiertos, tanques cerrados con
atmósfera condensable sobre el líquido y tanque cerrado con atmósfera no condensable sobre
el líquido. Las variaciones de presión dentro del tanque afectan la medición de nivel, por lo
que se hace necesario hacer compensación en las mediciones. El medidor de presión
diferencial consiste en un diafragma en contacto con el líquido del tanque. En el tipo más
utilizado, el diafragma está fijado en una brida que se monta rasante al tanque para permitir,
sin dificultades, la medida de nivel de fluidos.
52
Debido a que el instrumento mide presión diferencial, la presión estática sobre la superficie
del líquido no tiene efecto en la medición, por lo que, variaciones en la presión estática no
causan errores en la medición.
Supresión de la señal del nivel
Cuando el transmisor de nivel está montado por debajo de la tubería que lo conecta al tanque,
la toma de alta presión tiene una presión positiva cuando el nivel está al mínimo, de modo
que señalaría nivel (1 m en la figura) en estas condiciones. Para que la señal del transmisor
sea 4 mA c.c. (0,2 bar o 3 psi), es necesario suprimir la altura de líquido indicada. Para ello,
en los transmisores neumáticos y electrónicos convencionales se utiliza el tornillo de
supresión, que lo que hace es trasladar a la derecha (10 KPa o 0,1 bar suponiendo que el
fluido sea agua) el cero del instrumento.
Elevación de la señal del nivel
En tanques cerrados y a presión con fluidos que pueden vaporizar a temperatura ambiente y
a la presión de operación, existe el riesgo de condensación del líquido en la línea de
compensación o tubería húmeda (wet leg) que comunica con la toma de baja presión del
instrumento. Una solución es instalar un pote de condensado en la parte inferior de esta
tubería con una válvula de asilamiento y purgar periódicamente el condensado, si bien, tiene
el gran inconveniente del mantenimiento excesivo Al ser condensables los gases o vapores
que están sobre el líquido, la tubería húmeda (wet leg) se llena gradualmente con el
condensado hasta llenar todo el tubo, en cuyo caso tendrá mayor presión que la tubería de
alta presión (HP) y, por lo tanto, el transmisor leerá el nivel a la inversa (indicará bajo cuando
el nivel sea alto y viceversa). Por lo tanto, cuando el nivel es mínimo, el transmisor enviará
una señal inferior a 4 mA c.c. (0,2 bar o 3 psi). Por lo tanto, para que la señal sea positiva
hay que elevarla (5,5 m en la figura equivalente a 55 KPa o 0,55 bar suponiendo que el fluido
es agua). Para ello, en los transmisores neumáticos y electrónicos convencionales se utiliza
el tornillo de elevación, que lo que hace es trasladar a la izquierda (55 KPa o 0,55 bar) el cero
del instrumento.
53
Características
Exactitud: ± 0,5 %
Presión máxima: 150 kg/cm²
Temperatura máxima
fluido: 200 °C
Aplicaciones
Es adecuado para la medición de nivel de
interface.
de
Aplicaciones de indicación, registro y
control de nivel.
Ventajas
Desventajas
No tienen partes móviles
El rango de medición está limitado por los
dentro del tanque.
intervalos del manómetro diferencial de que
se disponga.
Son de fácil limpieza.
Precisos y confiables.
No son influidos por las
fluctuaciones de presión.
En tanques cerrados presentan el
inconveniente de la posible condensación
de los vapores del tanque en el tubo de
conexión al instrumento.
Algunos fluidos presentan el riesgo de
depósitos de cristales o de sólidos en la
superficie del diafragma.
Medición de la interfase de líquidos
La interfase puede medirse en tanques abiertos y cerrados bajo presión. En los tanques
abiertos destinados a la separación de dos líquidos de diferente densidad, el líquido más denso
descarga por una salida del tanque que corresponde al valor inferior del intervalo de medida
del transmisor, mientras que por la salida superior circula el líquido más ligero que
corresponde al valor superior del intervalo de medida.
Instrumento basado en el desplazamiento
54
El funcionamiento del medidor tipo desplazamiento, está basado en el Principio de
Arquímedes, el cual establece que un cuerpo (flotador) sumergido en un líquido es empujado
hacia arriba por una fuerza que es igual al peso del líquido desplazado. La ecuación utilizada
para determinar la fuerza de flotación disponible es:
F = V·s
Donde:
F = Fuerza de flotación
V = Volumen del flotador
s = Gravedad específica del líquido
La fuerza que actúa sobre el área (presión) del cuerpo sumergido crea la fuerza llamada
flotabilidad, la cual permite a un cuerpo cuya densidad media sea inferior a la de un líquido,
flotar parcialmente sumergido en la superficie libre del líquido. Un cuerpo al flotar pierde un
peso equivalente al peso del volumen de líquido desplazado.
Para relacionar la pérdida de peso de un cuerpo con el nivel de líquido en un recipiente,
normalmente se utilizan dos mecanismos:
•
Mecanismo de resorte.
•
Mecanismo con barra de torsión.
Instrumentos basados en características eléctricas del líquido
El medidor de nivel conductivo o resistivo consiste en uno o varios electrodos y un circuito
electrónico que excita un relé eléctrico o electrónico al ser los electrodos mojados por el
líquido. Este debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito electrónico,
y de este modo el aparato puede discriminar la separación entre el líquido y su vapor, tal
como ocurre, por ejemplo, en el nivel de agua de una caldera de vapor. La impedancia mínima
es del orden de los 25 MW/cm, y la tensión de alimentación entre los electrodos y el tanque
es alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas, por causa del fenómeno de la
electrólisis.
El relé electrónico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante
una ola del nivel del líquido 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, y con la sensibilidad
ajustable permite detectar la presencia de espuma en el líquido.
55
Medidor de capacidad: El principio básico de funcionamiento del medidor de nivel
capacitivo, Fig. 3.16, se basa en las propiedades que tiene un capacitor de almacenar cargas
eléctricas y así, oponerse a cambios en el voltaje de un circuito. En el medidor capacitivo,
una de las placas del condensador está formada por un electrodo sumergido en el fluido y la
otra, está comprendida por las paredes del tanque. El dieléctrico es el del fluido dentro del
tanque. La ecuación que define la capacitancia del medidor capacitivo es:
C=
(KxA)
D
Donde:
C = Capacitancia; K = Constante dieléctrica; A = Área común entre las placas; D = Distancia
entre las placas
Medidor de ultrasonido
El ultrasonido es utilizado en mediciones donde no se permite el contacto del instrumento de
medición con el líquido. En el medidor de nivel por ultrasonido, cuando las ondas sonoras
viajan en un medio que absorbe el sonido y golpean a otro medio tal como una pared, una
partícula en el líquido, o la superficie del líquido, solamente una pequeña porción de la
energía de la onda sonora penetra la barrera y el resto de la energía se refleja. La onda sonora
reflejada es un eco. El medidor de ultrasonido utiliza el principio del eco para su
funcionamiento.
La cantidad de energía reflejada depende del coeficiente de absorción de los materiales el
cual se define como:
(Energía absorbida) / (Energía reflejada por el material)
Este valor depende de la frecuencia y propiedades del líquido tales como: porosidad, grosor
del material y rigidez.
56
El diagrama de bloques que ilustra el principio de funcionamiento del medidor de ultrasonido
se muestra en la Fig.
Características
Aplicaciones
Campo de medida: (0,5 a 100) ft (0,152 a 30,48) m
Exactitud: ± (1 a 3) % fe
Presión máxima: 400 kg/cm²
Temperatura máxima de fluido: 200 °C
Frecuencia de ultrasonido: (1 a 20) kHz
Potencia de consumo < 10 W
Repetibilidad: 6,4 mm
Ventajas
Se utilizan para hacer mediciones de
nivel continuas y para alarmas
Desventajas
Adecuados para todos los tipos de tanques y de
líquidos.
Muy exactos.
Más sofisticados que los medidores
convencionales.
No poseen partes móviles.
No requieren mantenimiento.
No es intrusivo.
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Costosos.
La medición es afectada por las
propiedades del medio como porosidad
de la superficie, espesor del material y
rigidez.
Sensibles a la densidad.
Dan señales erróneas cuando la
superficie del nivel del líquido no es
nítida como en el caso de un líquido
que forme espuma.
La velocidad del sonido cambia con la
temperatura: al aumentar la
temperatura, la velocidad del sonido en
el aire aumenta mientras que en el agua
disminuye.
Medidor de nivel de radar o microondas
El sistema de radar de microondas se basa en la emisión continua de una onda
electromagnética, típicamente dentro del intervalo de los rayos X (10 GHz). El sensor está
situado en la parte superior del tanque y envía las microondas hacia la superficie del líquido.
Una parte de la energía enviada es reflejada en la superficie del líquido y la capta el sensor.
El tiempo empleado por las microondas es función del nivel en el tanque.
Una técnica empleada es utilizar una onda continúa modulada en alta frecuencia (por encima
de los 10 GHz), de modo que se detecta la diferencia de frecuencia entre la señal emitida y
el eco recibido. La técnica recibe el nombre de FMCW (Frequency Modulated Continuous
Wave – Onda continúa modulada en frecuencia). La diferencia de frecuencias es proporcional
al tiempo empleado por estas señales de transmisión y retorno, es decir, al nivel. Y así:
d=
v x dt
2
Con:
v=
c
√e
siendo:
d = distancia del emisor al líquido
v = señal de velocidad
dt = tiempo de recorrido
c = velocidad de la luz
58
e = constante dieléctrica
La fórmula anterior indica que la velocidad de la microonda a través del aire (u otro gas o
vapor) es igual a la velocidad de la luz dividida por la raíz cuadrada de la constante dieléctrica
del gas o vapor. Como la constante dieléctrica de los vapores sobre el líquido es casi la
unidad, la variación de la velocidad es despreciable, por lo que puede afirmarse que la espuma
es transparente a la señal de radar y, por lo tanto, deja de ser un problema, tal como ocurría
en el medidor de nivel de ultrasonidos.
Otra ventaja de esta técnica es que las señales de medida del nivel son en FM en lugar de
AM,
Lo que suprime los ruidos parásitos del tanque que se encuentran en la banda de AM.
Si la constante dieléctrica del líquido es baja, pueden presentarse problemas en la medida ya
que, en este caso, la energía reflejada es muy pequeña. El agua (εr = 80) produce una reflexión
excelente en la superficie del líquido.
Medidor de nivel de radiación
El sistema de radiación (medición por rayos gamma) consiste en un emisor de rayos gamma
montado verticalmente en un lado del tanque y con un contador Geiger que transforma la
radiación gamma recibida en una señal eléctrica de corriente continua. Otro tipo de detector
consiste en un haz de fibras ópticas que transmiten los fotones luminosos, creados en la
estructura cristalina (dotada de materiales dopantes) cuando reciben la radiación gamma, a
un tubo fotomultiplicador. Como la transmisión de los rayos es inversamente proporcional a
la masa del líquido en el tanque, la radiación captada por el receptor es inversamente
proporcional al nivel del líquido, 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 más corta.
La fuente radiactiva pierde igualmente su radiactividad en función exponencial del tiempo.
La vida media (es decir, el tiempo necesario para que el emisor pierda la mitad de su
actividad) varía según la fuente empleada.
La intensidad de la radiación recibida por el detector depende del isótopo del emisor, de la
densidad y demás características físicas del fluido, del espesor de las paredes del recipiente,
del espesor de los aislamientos y de la distancia emisor/receptor, pre_ riéndose el método en
el que la fuente de radiación sea de menor actividad. Los microprocesadores han aportado
una mayor sensibilidad a este tipo de medida de nivel, permitiendo una mayor duración de
aprovechamiento de la fuente y una mayor seguridad para el personal, ya que puede utilizarse
la fuente con menores niveles de radiación.
59
La exactitud de la medida es del ± 0,5% al ± 2%.
El instrumento puede emplearse para todo tipo de líquidos, ya que no está en contacto con el
proceso. Su lectura viene influida por el aire o por los gases disueltos en el líquido. El sistema
se emplea en caso de medida de nivel en tanques de acceso difícil o peligroso. Es ventajoso
cuando existen presiones 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 radiación va, siendo necesario señalar debidamente
las áreas donde están instalados los instrumentos y realizar inspecciones periódicas de
seguridad.
Medidor de nivel láser
En aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y donde los instrumentos de nivel
convencionales fallan, encuentra su aplicación el medidor láser (y también el de radiación).
Tal es el caso de la medición de metal fundido, donde la medida del nivel debe realizarse sin
contacto con el líquido y a la mayor distancia posible por existir unas condiciones de calor
extremas.
El sistema mide el nivel de forma parecida al medidor de nivel de ultrasonidos con la
diferencia de que emplea la luz en lugar del sonido. Consiste en un rayo láser (Light
Amplification by Stimulated Emission of Radia_ on) enviado a través de un tubo de acero y
dirigido por reflexión en un espejo sobre la superficie del metal fundido. La señal puede ser
por impulsos o por onda continúa modulada en alta frecuencia. En el primer caso, cada
impulso de láser llega hasta el nivel de líquido y regresa al receptor. En forma parecida a la
del nivel por radar, la distancia desde el sensor hasta el nivel se calcula por la fórmula:
Distancia =
(velcidad de la luz)(tiempo transcurrido)
2
La señal pulsante tiene buena penetración y un gran intervalo de medida, por lo que es la
típica usada en aplicaciones industriales.
La señal láser de onda continua está modulada en alta frecuencia y cambia de fase al chocar
contra el nivel de líquido. Cuando alcanza el receptor, el circuito electrónico calcula la
distancia midiendo el desfase entre la onda emitida y la recibida, la frecuencia y la longitud
de onda.
60
El sistema de rayo láser no es influido por los cambios de temperatura y presión, ni por las
turbulencias y las capas de gases, ni por los materiales absorbentes del sonido y, asimismo,
tampoco por los de baja constante dieléctrica (como ocurre en el medidor de nivel de radar).
Es inmune a reflexiones y ecos provocados por polvo y al movimiento de palas del agitador.
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 más empleados son: el diafragma, los interruptores de nivel alto con sonda, el
capacitivo, las paletas rotativas, el de vibración y el medidor de radar de microondas.
Los medidores de nivel continuo proporcionan una medida continua del nivel desde el punto
más bajo al más alto. Entre los instrumentos empleados se encuentran el de sondeo
electromecánico, el de báscula, el capacitivo, el de ultrasonidos, el de radar de microondas,
el de radiación y el láser. En la figura pueden verse los sistemas de medición de nivel de
sólidos fijos y continuos.
El detector de diafragma
Consiste en una membrana flexible que puede entrar en contacto con el producto dentro del
tanque y que actúa sobre un microrruptor. El material del diafragma puede ser de tela, goma,
neopreno o fibra de vidrio. El medidor de diafragma tiene la ventaja de su bajo coste y trabaja
bien con materiales de muy diversa densidad. La exactitud es de ± 50 mm.
61
Los interruptores de nivel alto están montados en la parte superior o lateral del tanque y
consisten en una sonda de tubo, o paleta o varilla flexible, que excita un microrruptor cuando
el sólido los alcanza. Son aparatos de bajo coste, necesitan estar protegidos y se utilizan sólo
en tanques abiertos. La exactitud es de ± 25 mm.
El medidor capacitivo es un detector de proximidad capacitivo, dotado de un circuito
oscilante RC que está ajustado en un punto crítico y que entra en oscilación cuando se
encuentra próximo al lecho del sólido. El aparato se monta en el tanque, en posición ver_ cal
o inclinada, y su sensibilidad se coloca al mínimo para evitar el riesgo de excitación del
aparato en el caso de que una mínima can_ dad del sólido pueda depositarse en el detector.
La exactitud es de ± 25 mm.
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 actuando, consecutivamente, sobre dos interruptores, el primero
excita el equipo de protección (por ejemplo, una alarma) y el segundo desconecta la
alimentación eléctrica del motor. Cuando el producto baja de 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. Estos aparatos son adecuados en tanques abiertos a baja presión, tienen una
exactitud 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 a prueba de explosión
El detector de vibración consiste en una sonda de vibración en forma de horquilla que forma
parte de un sistema resonante mecánico excitado piezoeléctricamente. Cuando el material
entra en contacto con la sonda amortigua su vibración, lo que detecta el circuito electrónico
actuando sobre un relé y una alarma al cabo de un tiempo de retardo ajustable. Algunos
instrumentos disponen de un sistema auto limpiante que impide el bloqueo de la sonda por
el producto. Es adecuado para una gran variedad de polvos, carbón, azúcar, grano, cemento
y arena. La exactitud es del ± 1%. El medidor de radar de microondas, similar al de medida
de nivel de líquidos, consta de una fuente de microondas, situada a un lado del recipiente, y
un detector en el lado opuesto, en el mismo horizontal. Cuando el producto alcanza dicho
horizontal, la señal deja de recibirse y se excita una alarma. Se aplica en la detección de bajo
nivel de sólidos abrasivos.
62
Detectores de nivel continuos
El medidor de nivel de sondeo electromecánico, 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 exterior establecen un ciclo de trabajo del peso. Éste 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 invierte el sentido del movimiento del peso con lo que éste
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 del conjunto dentro de la tolva, lo que podría dar lugar a la posible rotura de
los mecanismos de vaciado. La exactitud es del ± 1%.
El medidor de nivel de báscula mide el nivel de sólidos indirectamente a través del peso del
conjunto tolva más 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 báscula o bien carga sobre otros elementos de medida
neumáticos, hidráulicos o eléctricos (galga extensiométrica y microprocesador).
El medidor de nivel capacitivo es parecido al estudiado en la medición de nivel de los
líquidos, con la diferencia de que tiene más 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 está 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 del
sólido.
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 está más 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 des excita actuando sobre una alarma o sobre la
maquinaria de descarga del depósito. Su exactitud es de, ± 0,15 a, ± 1%, puede construirse a
prueba de explosión, pudiendo trabajar a temperaturas de hasta 150 °C.
63
El medidor de radar de microondas similar al de nivel de líquidos, consta de una fuente de
microondas situada en la parte superior del tanque que emite un haz de microondas que se
refleja sobre el sólido y es captado por un detector. El sistema es ideal en productos muy
viscosos como el asfalto. Su exactitud es de ± 2 mm y su campo de medida puede llegar a 40
metros. El medidor de nivel de radiación es parecido al instrumento estudiado en la
determinación del nivel de líquidos. Consiste en una fuente radiactiva 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 instrumento puede trabajar a altas temperaturas hasta unos 1.300 °C, presiones máximas
de 130 bares, 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
coste 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 los que afecte la
radiactividad. Su exactitud es del ± 1% y su campo de medida de 0,5 m por cada fuente,
pudiendo emplearse varias para aumentar el intervalo de media del nivel.
El medidor de nivel láser envía impulsos desde el sensor hasta el nivel de sólido y capta el
impulso reflejado, calculando la distancia por la multiplicación entre la velocidad de la luz y
la mitad del tiempo que ha tardado el haz entre el emisor y el receptor del pulso, después de
reflejarse éste en la superficie del sólido. Tiene la ventaja de que no hay dispersión del haz
de luz (solo 0,2°), no existen falsos ecos y el haz puede dirigirse hasta distancias de 75 m y
a espacios tan pequeños como 25 cm2. Su exactitud es del ± 1%
2.3 definición de flujo
“Un fluido es una sustancia que posee la propiedad de que una porción de la misma puede
desplazarse respecto a la otra, es decir, puede fluir venciendo las fuerzas de atracción entre
las moléculas, que originan una resistencia interna a este desplazamiento relativo. Los fluidos
pueden ser un líquido, un gas o mezcla de estos dos. El flujo indica lo rápido que una
sustancia (fluido) está en movimiento”.
64
CLASIFICACION DE MEDICION DE FLUJO
Medidores Volumétricos:
Los medidores volumétricos determinan el caudal en volumen del fluido, bien sea
directamente (desplazamiento), bien indirectamente por deducción (presión diferencial, área
variable, velocidad, fuerza, tensión inducida, torbellino).
Hay que señalar que la medida del caudal volumétrico en la industria se efectúa
principalmente con elementos que dan lugar a una presión diferencial al paso del fluido. Entre
estos elementos se encuentran la placa-orificio, la tobera y el tubo Venturi.
Presión diferencial
Los elementos de presión diferencial se basan en la diferencia de presiones provocada por un
estrechamiento en la tubería por donde circula el fluido (líquido, gas o vapor). La presión
65
diferencial provocada por el estrechamiento es captada por dos tomas de presión situadas
inmediatamente aguas arriba y aguas abajo del mismo, o bien a una corta distancia. Su valor
es mayor que la pérdida de carga real que debe compensar el sistema de bombeo del fluido.
Placa Orificio o diafragma: consiste en una placa perforada instalada en la tubería. Dos tomas
conectadas en la parte posterior de la placa, captan la presión diferencial la cual es
proporcional al cuadrado del caudal.
Tipo
Aplicación
A
Gases o líquidos limpios. Pequeños orificios de drenaje o venteo para
eliminar pequeñas cantidades de líquidos o gas
B
Líquidos con considerables cantidades de gas
C
Gases con considerable cantidad de líquido condensado.
Líquidos con arrastre de sólidos
D
Líquidos con posible sedimentación de sólidos.
Tobera: Está situada en la tubería con dos tomas, una anterior y otra en el centro de la sección
más pequeña. La tobera permite caudales 60% superiores a los de la placa-orificio en las
mismas condiciones de servicio. Su pérdida de carga es del 30% al 80% de la presión
diferencial.
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Puede emplearse para fluidos que arrastren sólidos en pequeña cantidad, si bien, si estos
sólidos son abrasivos, pueden afectar a la precisión del elemento. El coste de la tobera es de
8 a 16 veces el de un diafragma y su exactitud es del orden de ± 0,95% a ± 1,5%.
Tomas de presión
Tubo Venturi: Consiste en que un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado
disminuye su presión cuando aumenta la velocidad al pasar por una zona de sección menor.
En ciertas condiciones, cuando el aumento de velocidad es muy grande, se llegan a producir
presiones negativas y entonces, si en este punto del conducto se introduce el extremo de otro
conducto, se produce una aspiración del fluido de este conducto, que se mezclará con el que
circula por el primer conducto. Permite la medición de caudales 60% superiores a los de la
placa-orificio en las mismas condiciones de servicio y con una pérdida de carga de solo 10 a
20% de la presión diferencial.
Aplicaciones del tubo Venturi:
El Tubo Venturi puede tener muchas aplicaciones entre las cuales se pueden mencionar: En
la Industria Automotriz: en el carburador del carro, el uso de éste se pude observar en lo -que
es la Alimentación de Combustible.
Los motores requieren aire y combustible para funcionar. Un litro de gasolina necesita
aproximadamente 10.000 litros de aire para quemarse, y debe existir algún mecanismo
dosificador que permita el ingreso de la mezcla al motor en la proporción correcta. A ese
dosificador se le denomina carburador, y se basa en el principio de Venturi: al variar el
diámetro interior de una tubería, se aumenta la velocidad del paso de aire.
Tubo Pitot: Mide la diferencia entre la presión total y la presión estática, o sea, la presión
dinámica, la cual es proporcional al cuadrado de la velocidad. El tubo Pitot es sensible a las
variaciones en la distribución de velocidades en la sección de la tubería, de aquí que en su
empleo es esencial que el flujo sea laminar, disponiéndolo en un tramo recto de tubería. Si el
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eje del tubo está en el centro de la tubería, se considera C = 0,9 y se obtiene una exactitud del
orden del ± 2% al ± 5%.
Aplicaciones del tubo pitot:
Los aviones poseen un tubo pitot para medir su velocidad respecto al aire. Básicamente el
dispositivo consiste en:
Un tubo pitot que normalmente se sitúa debajo de las alas orientado hacia adelante,
se ve como Un tubito en forma de codo, o directamente en el morro del avión
Dos agujeros (llamados tomas de estática) que se sitúan a los lados del fuselaje.
Una cámara dividida en dos por una membrana, dicha cámara se conecta por un lado
al tubo pitot y por el otro a las tomas de estática
Presión Total
Presión Estática
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• Tomas de Esquina: Los orificios estáticos se perforan uno corriente arriba y otro corriente
abajo de la brida haciendo que las aberturas queden tan cerca como sea posible de la placa
orificio.
• Tomas de Radio: Los orificios estáticos se localizan a un diámetro de tubería corriente
arriba y a ½ diámetro de tubería corriente abajo con relación a la placa.
• Tomas de Tubería: Los orificios estáticos se localizan a 2½ diámetros de tubería corriente
arriba y a 8 diámetros de tubería corriente abajo con relación a la placa.
•Tomas de Brida: Los orificios estáticos se ubican a 25.4 mm (1 in.) corriente arriba y a 25.4
mm (1 in.) corriente abajo con relación a la placa.
• Tomas de Vena Contracta: El orifico estático corriente arriba quedo entre ½ y 2 diámetros
de tubería desde la placa. La toma corriente abajo se localiza en la posición de presión
mínima.
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Tubo de Dall: Es un tubo de Venturi especial. La caída de presión de este elemento es menor
que con cualquier otro elemento, pero es mayor que la generada por un tubo de Venturi.
En el cono de convergencia, la entrada es un cono clásico, pero la parte inclinada es más
corta. E1 cono de divergencia es más corto que la salida de un tubo de Venturi normal.
Debido a la forma del tubo, el flujo se adhiere a sus paredes en toda su extensión, evitando
así los remolinos. De esta forma se elimina casi por completo la turbulencia y siendo el cono
de salida más corto se recobra rápidamente y casi por completo la caída de presión.
El tubo de Dall queda instalado en el interior de la tubería. Como éste no tiene que soportar
la presión de la línea, sus paredes no necesitan ser muy gruesas y su costo, por consiguiente,
es menor que el de un tubo de Venturi normal.
Ventajas y desventajas del tubo de Dall.
Ventajas:
- El mantenimiento que se requiere es mínimo.
- La caída de presión es pequeña
Desventajas:
- Alto costo.
- Difícil eje instalar.
Tubo Annubar: Es una innovación del tubo Pitot y consta de dos tubos, el de presión total y
el de presión estática. El tubo que mide la presión total está situado a lo largo de un diámetro
transversal de la tubería y consta de varios orificios de posición crítica, determinada por
computador, que cubren cada uno la presión total en un anillo de área transversal de la tubería.
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Estos anillos tienen áreas iguales.
El tubo que mide la presión estática se encuentra detrás del de presión total, con su orificio
en el centro de la tubería y aguas abajo de la misma. El tubo Annubar es de mayor precisión
que el tubo
Pitot, del orden del ± 1%, tiene una baja pérdida de carga y se emplea para la medida de
pequeños o grandes caudales de líquidos y gases.
La Cuña de Flujo: La cuña es una restricción al flujo en forma de V que se coloca dentro de
la tubería. Esta restricción produce una presión diferencial la cual permite medir el flujo en
un amplio rango de números de Reynolds.
Las tomas de presión son equidistantes viene suministradas por el fabricante junto con el
elemento que viene instalado dentro de un tubo corto.
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De área variable
Los elementos de área variable se caracterizan por el cambio de área que se produce entre el
elemento primario en movimiento y el cuerpo del medidor. Pueden asimilarse a una placaorificio cuyo diámetro interior fuera variable dependiendo del caudal y de la fuerza de
arrastre producida por el fluido.
Rotámetro: son medidores de caudal de área variable en los cuales un flotador cambia su
posición dentro de un tubo, proporcionalmente al flujo del fluido.
En el rotámetro, un flotador cambia su posición dentro de un tubo, proporcionalmente al flujo
del fluido. El flotador está en equilibrio entre su peso, la fuerza de arrastre del fluido y la
fuerza de empuje del fluido sobre el flotador. El caudal depende del peso específico del
líquido, de su viscosidad y de los valores de la sección interior del tubo, ya que la misma
cambia según sea el punto de equilibrio del flotador.
Los rotámetros son adecuados para la medida de pequeños caudales llegando a límites
mínimos de
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0,1 cm3 /minuto en agua y de 1 cm3 //minuto en aire. El valor máximo que pueden alcanzar
es de 3,5 m3 //minuto en agua y de 30 m3 //minuto en aire. Pueden utilizarse en la medida de
mayores caudales montándose como rotámetros by-pass en la tubería.
Características del Rotámetro:
Linealidad: El flujo es proporcional al área, por lo que la escala es casi lineal, especialmente
si el ángulo del cono es pequeño. Un rotámetro típico tiene una escala que se aleja de lo lineal
en un 5 %.
Exactitud: Esta varía con la longitud de la escala y el grado de calibración. Es común una
exactitud de ± 2% de la escala completa.
Repetibilidad: Es excelente
Capacidad: Los rotámetros son los instrumentos más comúnmente utilizados en la medición
de pequeños flujos.
Ventajas:
Se pueden obtener lecturas locales del flujo y en forma de señales.
La escala es casi lineal.
No requieren gran longitud de tubería antes y después del medidor.
Son resistentes a fluidos corrosivos
Desventajas:
Son sensibles a los cambios de viscosidad del fluido.
El tubo de virio es poco resistente.
Para rotámetros de más de 4" el costo es elevado.
Aplicación de los Rotámetros:
El uso de Rotámetros es más común dentro de procesos industriales e influyen positivamente
en aquellos procesos que requieren de resultados más precisos. Entre sus usos destacan el
control del rendimiento de bombas y válvulas, medición de capilares en equipos de
refrigeración, para determinar el consumo de combustibles en equipos como calderas,
dosificación de aditivos, etc.
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De velocidad
En la medición del caudal en canales abiertos se utilizan vertederos de formas variadas que
provocan una diferencia de alturas del líquido en el canal, entre la zona anterior del vertedero
y su punto más bajo. El vertedero debe formar un ángulo recto con la dirección del caudal y
el canal aguas arriba debe ser recto como mínimo en una distancia de 10 veces la anchura.
La diferencia de alturas debe medirse en un punto aguas arriba lo suficientemente alejado
como para no ser influido por la curva de bajada de la superficie del agua y es conveniente,
incluso, utilizar un pozo de protección (tubería de Ø ligeramente mayor que el flotador) para
el flotador del instrumento de medida, caso de utilizar este sistema.
Vertederos: Se utilizan para medir caudales en canales abiertos y se encuentran en formas
variadas. Estos provocan una diferencia de alturas del líquido en el canal entre la zona
anterior del vertedero y su punto más bajo.
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Vertedero Parshall
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Los medidores de turbina o Caudalímetro de Turbina: Consiste en un rotor que gira al paso
del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. Como la velocidad del
fluido baja inmediatamente después de las palas de la turbina, por el principio de Bernoulli
aumenta la presión aguas abajo de la turbina y, como consecuencia, se ejerce una fuerza igual
y opuesta a la del fluido aguas arriba y, de este modo, el rotor está equilibrado
hidrodinámicamente y gira entre los conos anterior y posterior sin necesidad de utilizar
rodamientos axiales, evitando así los efectos indeseables de un rozamiento que
necesariamente se produciría.
Existen dos tipos de convertidores para captar la velocidad de la turbina. En el de reluctancia,
la velocidad viene determinada por el paso de las palas individuales de la turbina a través del
campo magnético creado por un imán permanente montado en una bobina captadora exterior.
El paso de cada pala varía la reluctancia del circuito magnético. Esta variación cambia el
flujo, induciendo en la bobina captadora una corriente alterna que, por lo tanto, es
proporcional al giro de la turbina.
En el tipo inductivo, poco usado actualmente, el rotor lleva incorporadas piezas magnéticas
y el campo magnético giratorio que se origina induce una corriente alterna en una bobina
captadora exterior.
Bobina magnética
Señal Eléctrica
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Caudalímetro ultrasónico: Miden el caudal por diferencia de velocidades del sonido al
propagarse éste en el sentido del flujo y en el sentido contrario.
Fundamentalmente existen dos tipos de medidores ultrasónicos uno conocido cómo de
tiempo de tránsito o de propagación que utiliza la transmisión por impulsos, el otro tipo se
basa en el Efecto Doppler que usa la transmisión continua de ondas.
Los de tiempo de tránsito, tienen transductores colocados a ambos lados del flujo, las ondas
de sonido viajan entre los dispositivos con una inclinación de 45 grados respecto a la
dirección de flujo del líquido, la diferencia de tiempo de las dos señales una en contra del
ruido y la otra en la misma dirección más el conocimiento sobre la geometría de la cañería y
la velocidad del sonido en el medio permiten evaluar la velocidad del fluido o el caudal. Un
ejemplo que explica su funcionamiento es el de dos canoas atravesando un río sobre una
misma línea diagonal, una en el sentido del flujo y la otra en contra del flujo, la canoa que se
desplaza en el sentido del flujo necesitará menos tiempo en alcanzar su objetivo.
Los de transmisión continua de ondas (Efecto Doppler), miden los cambios de frecuencia
causados por el flujo del líquido. Se colocan dos sensores cada uno a un lado del flujo a medir
y se envía una señal de frecuencia conocida a través del líquido, los sólidos, burbujas y
discontinuidades en el líquido harán que el pulso enviado se refleje, pero como el líquido que
causa la reflexión se está moviendo la frecuencia del pulso que retorna también cambia y ese
cambio de frecuencia será proporcional a la velocidad del líquido.
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De fuerza:
Medidor por placa de impacto: Consiste en una tarjeta que se introduce en la tubería sobre la
cual el fluido ejerce una fuerza; dicha fuerza es proporcional a la raíz cuadrada de la velocidad
del fluido.
De tensión inducida:
Caudalímetro magnético: es un caudalímetro volumétrico que no tiene piezas móviles y es
ideal para aplicaciones de aguas residuales o cualquier líquido sucio que sea conductor o a
base de agua estos dispositivos en general no funcionan con hidrocarburos, agua destilada y
muchas soluciones no acuosas. Los caudalímetros magnéticos también son ideales para
aplicaciones en las que se requiere una baja caída de presión y bajo mantenimiento. El
principio de funcionamiento se basa en la Ley de inducción electromagnética de Faraday.
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2.4 medición de temperatura
¿Qué es la temperatura?
La temperatura es una magnitud escalar que se define como la cantidad de energía cinética
de las partículas de una masa gaseosa, líquida o sólida. Cuanto mayor es la velocidad de las
partículas, mayor es la temperatura y viceversa. La medición de la temperatura está
relacionada con la noción de frío (menor temperatura) y de calor (mayor temperatura), que
se puede percibir de manera instintiva. Además, la temperatura actúa como un valor de
referencia para determinar el calor normal del cuerpo humano, información que sirve para
estimar estados de salud. El calor también se utiliza para los procesos químicos, industriales
y metalúrgicos.
Existen distintos tipos de escalas para medir la temperatura. Las más comunes son:
La escala Celsius. También conocida como “escala centígrada”, es la más utilizada junto con
la escala Fahrenheit. En esta escala, el punto de congelación del agua equivale a 0 °C (cero
grados centígrados) y su punto de ebullición a 100 °C.
La escala Fahrenheit. Es la medida utilizada en la mayoría de los países de habla inglesa. En
esta escala, el punto de congelación del agua ocurre a los 32 °F (treinta y dos grados
Fahrenheit) y su punto de ebullición a los 212 °F.
La escala Kelvin. Es la medida que suele utilizarse en ciencia y establece el “cero absolutos”
como punto cero, lo que supone que el objeto no desprende calor alguno y equivale a -273,15
°C (grados centígrados).
La escala Rankine. Es la medida usada comúnmente en Estados Unidos para la medición de
temperatura termodinámica y se define al medir los grados Fahrenheit sobre el cero absoluto,
por lo que carece de valores negativos o bajo cero.
¿Cómo se mide la temperatura?
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La temperatura se mide mediante magnitudes termométricas, es decir, diferentes unidades
que representan la temperatura a distintas escalas. Para eso se emplea un dispositivo llamado
“termómetro” del que existen varios tipos dependiendo del fenómeno que se necesite medir,
por ejemplo
Dilatación y contracción. Existen termómetros para medir los gases (termómetro de gas a
presión constante), los líquidos (termómetro de mercurio) y los sólidos (termómetro de
columna líquida o bimetálico), que son elementos que se expanden con temperaturas altas o
se contraen con temperaturas bajas.
Variación de resistencia eléctrica. Las resistencias eléctricas, es decir, los flujos de electrones
que se mueven a través de un material conductor, varían según la temperatura que adquieren.
Para su medición se emplean termómetros de resistencia eléctrica como los sensores (en base
a una resistencia capaz de transformar la variación eléctrica en una variación de temperatura)
y los termoeléctricos (que generan fuerza motriz).
Termómetro de radiación térmica. Los fenómenos de radiación emitidos en el sector
industrial pueden ser medidos mediante sensores de temperatura como los pirómetros
infrarrojos (para medir temperaturas muy bajas de refrigeración) y los pirómetros ópticos
(para medir altas temperaturas de hornos y metales de fusión).
Potencial termoeléctrico. La unión de dos metales diferentes que se someten a temperaturas
distintas entre sí, genera una fuerza electromotriz que se convierte en potencial eléctrico y
que se mide en voltios.
Tipos de temperatura
Existen distintos tipos de temperatura y, por eso, se miden con diferentes herramientas, como,
por ejemplo:
La temperatura ambiente. Es la temperatura que se puede registrar en los espacios en los que
se desenvuelve el ser humano y para su medición se emplea un termómetro ambiental que
emplea valores Celsius o Fahrenheit.
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La temperatura del cuerpo. Es la temperatura corporal. Se considera que 36 °C es un valor
normal para el ser humano y si la temperatura supera los 37 °C (o 98°F), se considera que el
individuo padece fiebre.
Otros tipos de medición de temperatura permiten calcular la sensación térmica, por ejemplo:
La temperatura seca. Es la temperatura ambiente, sin tener en cuenta la radiación calorífica
del ambiente y la humedad. Se mide con un termómetro de bulbo pintado de color blanco
brillante para no absorber la radiación.
La temperatura radiante. Es la temperatura de las superficies y paredes de un entorno cerrado
y se mide a través de un termómetro de bulbo.
La temperatura húmeda. Es la temperatura que mide un termómetro ubicado en la sombra,
con su bulbo envuelto con algodón húmedo y ubicado bajo una corriente de aire. A través de
este sistema, el agua del algodón se evapora y se absorbe el calor, lo que genera una
disminución de la temperatura que capta el termómetro respecto a la temperatura del
ambiente. Esto da como resultado una medida de la humedad del aire que se utiliza para
medir la sensación térmica.
Los termómetros bimetálicos se fundan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales
diferentes, tales como latón, monel y acero y una aleación de ferroníquel o invar laminados
conjuntamente. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o
hélices. El principio de medición es que volumen del bimetal varia con la temperatura.
El termómetro de vidrio consta de un depósito de vidrio que contiene, por ejemplo, mercurio
y que al calentarse se expande y sube en el tubo 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 líquido en el bulbo se
expande y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar la
elevación de la temperatura en el bulbo.
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Hay cuatro clases de este tipo de termómetros:
• Clase I: Termómetros actuados por líquidos.
• Clase II: Termómetros actuados por vapor.
• Clase III: Termómetros actuados por gas.
• Clase IV: Termómetros actuados por mercurio
2.5 medición de otras variables
NIVELES DE MEDICION
Los niveles de medición son las escalas nominales, ordinal, de intervalo y de razón. Se
utilizan para ayudar en la clasificación de las variables, el diseño de las preguntas para medir
variables, e incluso indican el tipo de análisis estadístico apropiado para el tratamiento de los
datos.
Una característica esencial de la medición es la dependencia que tiene de la posibilidad de
variación. La validez y la confiabilidad de la medición de una variable depende de las
decisiones que se tomen para operación alisarla y lograr una adecuada comprensión del
concepto evitando imprecisiones y ambigüedad, por en caso contrario, la variable corre el
riesgo inherente de ser invalidada debido a que no produce información confiable.
a) Medición Nominal.
En este nivel de medición se establecen categorías distintivas que no implican un orden
especifico. Por ejemplo, si la unidad de análisis es un grupo de personas, para clasificarlas se
puede establecer la categoría sexo con dos niveles, masculino (M) y femenino (F), los
respondientes solo tienen que señalar su género, no se requiere de un orden real.
Es diferente de B).
b) Medición Ordinal.
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Se establecen categorías con dos o más niveles que implican un orden inherente entre sí. La
escala de medición ordinal es cuantitativa porque permite ordenar a los eventos en función
de la mayor o menor posesión de un atributo o característica. Por ejemplo, en las instituciones
escolares de nivel básico suelen formar por estatura a los estudiantes, se desarrolla un orden
cuantitativo, pero no suministra medidas de los sujetos
Peso: Es una variable requerida para determinar el nivel de solidos en un silo, la transferencia
de solidos a través de una faja transportadora o la velocidad de descarga de un alimentador y
lógicamente el peso neto del producto en sí. Se define como la fuerza ejercida sobre el objeto
por la gravedad.
Viscosidad: Es la medición de la resistencia de ese fluido que debe deformarse por los
métodos de estrés. La fricción del fluido también se llama viscosidad. O también se refiere
como grueso (liquido). Agua es tener menos viscosidad; por otro lado, la miel es más viscosa.
Velocidad: La medición de la velocidad en la industria se efectúa de dos formas, con
tacómetros mecánicos con tacómetros eléctricos detectan el número de vueltas del eje de la
maquina por medios exclusivamente mecánicos pudiendo incorporar o no la medición
conjunta del tiempo para determinar el número de revoluciones por minuto (r.p.m) mientras
que los segundos captan la velocidad por sistemas eléctricos
Densidad: Masa especifica de un resorte se define como su masa por unidad de volumen,
expresándose normalmente en gm/cm3. La densidad relativa es la relación para iguales
volúmenes de las masas del cuerpo y del agua a 4 grados en el caso de líquidos, y en los gases
la relación entre la masa y el cuerpo y la del aire en condiciones normales de presión y de la
temperatura (0 y 1 atm)
Punto de rocío: El punto de rocío o temperatura de rocío es la temperatura a la que empieza
a condenarse el vapor de agua contenido en el aire, produciendo rocío, neblina, cualquier
tipo de nube o, en caso de que la temperatura sea lo suficientemente baja, escarcha
83
2.6 procedimiento para calibración
Para llevar a cabo una mejor gestión del mantenimiento de los equipos, un software de
calibración con el que se realice de forma integrada y automática, facilita el trabajo y ahorra
costes. Pero, ¿por qué es tan importante calibrar los instrumentos, y cómo se realiza este
proceso?
La calibración de los instrumentos es el proceso en el cual las lecturas obtenidas del
instrumento se comparan con las de referencia o estándar obtenidas en laboratorio, en
diferentes puntos del rango de calibración.
En líneas generales el proceso de calibración comienza por comparar las lecturas obtenidas
de la escala del instrumento con los valores estándar y se traza la curva de calibración con
los valores obtenidos. En este proceso el instrumento es alimentado con algunos valores
conocidos obtenidos del estándar, y son detectados por el componente transductor del
instrumento. El resultado obtenido del instrumento se compara con el valor estándar.
Un sólo punto de calibración es suficiente si el sistema es linear, sus lecturas del instrumento
es linear con el estándar. Si no, las lecturas deberán ser tomadas en múltiples puntos.
La precisión del instrumento viene determinada por la coincidencia de las curvas trazadas: la
correspondiente a las lecturas obtenidas y la correspondiente al estándar. Si existe una
desviación del valor medido del instrumento respecto al valor estándar, el instrumento
necesitará ser calibrado para la correcta medición de valores.
Todos los nuevos instrumentos deberían ser calibrados desde el principio de su utilización.
Tras un continuo uso del instrumento para largos periodos de tiempo, algunas veces se pierde
la calibración o la escala se distorsiona, en cuyo caso el instrumento puede ser recalibrado de
nuevo.
Aunque los instrumentos estén trabajando en buenas condiciones, siempre es recomendable
calibrarlos de vez en cuando para evitar lecturas incorrectas sobre todo en parámetros
altamente críticos.
84
El fabricante es el que especifica cómo debe ser calibrado el instrumento y la periodicidad
de este mantenimiento. Hay diferentes métodos o técnicas de calibración, dependiendo si se
requiere alta precisión o es una calibración rutinaria.
La calibración puede desvelar averías o desviaciones que de otra forma sería difícil de
detectar.
Por ejemplo, para el sistema de combustible es importante una gestión, almacenamiento y
tratamiento adecuados de los combustibles para asegurar que se mantiene la calidad del
producto. Por lo que es importante asegurarse, por ejemplo, de que los parámetros de
densidad y temperatura sean los apropiados para el correcto funcionamiento de la
purificadora, o que el combustible se mantiene en el tanque almacén a una correcta
temperatura. La temperatura, presión y viscosidad del combustible deben estar dentro de unos
parámetros y los sistemas de control de los mismos deben estar calibrados.
A bordo se requiere disponer de un equipo de detección para asegurar que los espacios sean
seguros para entrar, trabajar y realizar otras operaciones. En un buque LNG su uso incluye
la detección de vapores de la carga en el aire, gas inerte, concentraciones de gas cerca del
punto de inflamación, concentraciones de oxígeno en gas inerte, espacios cerrados o vapores
de la carga, o gases tóxicos. El análisis sólo dará lecturas precisassi la calibración se lleva a
cabo estrictamente de acuerdo con las instrucciones del fabricante, y usando los gases de
calibración correctos. Los instrumentos deben ser siempre chequeados, y tras cada uso deben
ajustarse al cero y al intervalo de medida, tal como indica las instrucciones del fabricante.
Los resultados del test deberían ser registrados en el sistema de mantenimiento planificado.
La industria marítima tiene regulaciones que requieren que los buques tengan sus certificados
de calibración actualizados para todos los equipos que llevan a bordo. La falta de
documentación correcta puede resultar en la prohibición de navegar, con los subsecuentes
cargos y sanciones impuestas. El equipo que no haya sido calibrado puede proporcionar
lecturas incorrectas y comprometer la seguridad del barco.
Para llevar a cabo una mejor gestión del mantenimiento de los equipos, el uso de un software
de calibración con el que se pueda llevar a cabo de forma integrada y automática, facilita el
85
trabajo y ahorra costes. Beamex , por ejemplo, es una de las grandes marcas que desarrollan
esta herramienta, presente en 80 países. La integración de un conjunto de sistemas
informáticos es esencial para conseguir una mayor eficiencia y rentabilidad en la gestión del
mantenimiento de los sistemas a bordo. Ahorra tiempo, reduce costes y aumenta la
productividad al evitar la duplicación innecesaria de tareas y la reintroducción de
procedimientos en distintos sistemas informáticos.
2.6.1 consideraciones previas a la calibración
Cuando el instrumento se calibra contra un instrumento de referencia, su exactitud mostrara
si esta fuera o dentro de los límites de exactitud, si el instrumento está dentro del límite de
medición el único curso de acción requerida es registrar los resultados de calibración en la
hoja de control del instrumento y ponerlo en funcionamiento hasta el siguiente periodo de
calibración. 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 contenido dentro de un manual, mientras
que para una empresa grande es apropiado tener volúmenes separados cubriendo o
procedimientos corporativos y por áreas.
2.6.2 error
El error de medición se define como la diferencia entre el valor medido y el "valor
verdadero". Los errores de medición afectan a cualquier instrumento de medición y pueden
deberse a distintas causas. Las que se pueden de alguna manera prever, calcular, eliminar
mediante calibraciones y compensaciones, se denominan deterministas o sistemáticos y se
relacionan con la exactitud de las mediciones. Los que no se pueden prever, pues dependen
de causas desconocidas, o estocásticas se denominan aleatorios y están relacionados con la
precisión del instrumento.
Errores de medición.
Errores de paralelo: Se produce cuando el observador efectúa la lectura de modo que la línea
de observación al índice no es perpendicular a la escala del instrumento. Para disminuirlo,
algunos instrumentos tienen el sector graduado separado de la escala y a muy poca distancia
del índice, y otros poseen un sector especular, con lo que la línea de observación debe ser
perpendicular a la escala para que coincidan el índice y su imagen.
86
Errores de escala (exactitud): Se presenta cuando el índice no coincide exactamente con la
graduación de la escala y el observador redondea sus lecturas por exceso o por defecto
Errores de proceso (montaje): Muchas de las causas del error de proceso se deben al operador,
por ejemplo: Falta de agudeza visual, descuido, cansancio, alteraciones emocionales, etc.
Errores de calibración: En un instrumento ideal (sin error), la relación entre los valores reales
de la variable comprendidos dentro del campo de medida y los valores de lectura del aparato
es lineal. Se considera que un instrumento está bien calibrado cuando, en todos los puntos de
su campo de medida, la diferencia entre el valor real de la variable y el valor indicado, o
registrado o transmitido, está comprendido entre los límites determinados por la exactitud
del instrumento.
2.6.3 incertidumbre
Es el parámetro asociado con el resultado de una medición, que caracteriza la dispersión de
los valores que podrían ser razonablemente atribuidos al valor a medir. El valor de
incertidumbre incluye componentes procedentes de efectos sistemáticos en las mediciones,
debido a componentes que se calcula a partir de distribuciones estadísticas de los valores que
proceden de una serie de mediciones y valores que se calculan a partir de funciones de
densidades de probabilidad basadas en la experiencia u otra información.
También puede expresarse como el valor de la semi amplitud de un intervalo alrededor del
valor resultante de la medida, que se entiende como el valor convencionalmente verdadero.
El carácter convencional, y no real de tal valor, es consecuencia de que el intervalo se
entiende como una estimación adecuada de la zona de valores entre los que se encuentra el
valor verdadero del mensurando, y que en términos tanto teóricos como prácticos es
imposible de hallar con seguridad o absoluta certeza: teóricamente porque se necesitaría una
sucesión infinita de correcciones, y en términos prácticos porque no sería útil continuar con
las correcciones una vez que la incertidumbre se ha reducido lo suficiente como para no
afectar técnicamente al objeto al que va a servir la medida.
Diferencia entre error e incertidumbre
Es importante no confundir el término “error” con el concepto “incertidumbre”. Error es la
diferencia entre el valor medido y el valor verdadero de la pieza que se mide, mientras que
87
la incertidumbre es una cuantificación de la duda sobre el resultado de la medida. Es posible
realizar correcciones para mitigar los efectos producidos por los errores conocidos, pero
todos aquellos errores cuyo valor no se conoce constituyen una fuente de incertidumbre. Si
el origen de los errores fuese conocido, la componente sistemática del error, el sesgo, podría
ser corregido. Sin embargo, los errores al azar cambian de una determinación a otra y generan
una duda cuantificable con la incertidumbre. De este modo, si la estimación de la
incertidumbre de un procedimiento analítico o de un determinado tipo de muestra es
conocida, se puede aplicar para todas las determinaciones, puesto que la incertidumbre no se
puede corregir.
Importancia del concepto de incertidumbre en la medida
Uno de los aspectos interesantes del concepto de incertidumbre de medida es la posibilidad
de aumentar la calidad de medida y ayudar a comprender su resultado. Cuando hay un margen
de duda sobre una medida es necesario preguntar: ¿Cuán grande es el margen o intervalo?
¿Cuál es el nivel de confianza? ¿Cómo estamos de seguros de que el valor verdadero de la
medida esté dentro del intervalo?
Además, tras el proceso de calibración de la incertidumbre de medida se debe indicar el
certificado de calibración, que deberá ser correctamente comprendido e interpretado.
También a la hora de realizar un test se debe conocer la incertidumbre asociada para poder
aplicar correctamente un determinado criterio de aceptación o rechazo. En la redacción de
las especificaciones que debe cumplir un producto la incertidumbre asociada decide si el
producto cumple los requisitos de calidad.
Para poder valorar la incertidumbre total hay que aislar y analizar cada componente para
poder conocer su contribución. Cada una de esas contribuciones es un componente de la
incertidumbre total y al expresarlo como desviación estándar se obtendrá la incertidumbre
estándar. En caso de haber correlación entre los componentes, se tendría que tener en cuenta
la covarianza.
Estadística básica aplicada al cálculo de incertidumbres
88
Hay un dicho muy empleado entre los sastres artesanos: “Medir tres veces, cortar una”. Esto
nos viene a decir que es posible reducir el riesgo de cometer un error en el trabajo chequeando
la medida que realizar una segunda vez y una tercera vez antes de proceder.
En efecto, es de sabios realizar una medida al menos tres veces, pues realizando solo una
medida un determinado error podría pasar totalmente inadvertido. Empero, si se realizan solo
dos medidas y estas no coinciden no podremos estar seguros de cuál de ellas es la correcta.
Ahora bien, si realizamos tres medidas y dos de ellas coinciden entre sí mientras que la tercera
es muy diferente, entonces podemos sospechar de la tercera. Por tanto, se deben realizar al
menos tres intentos para cualquier medición. La incertidumbre de medida no solo está ligada
al error del operador, sino que hay otras buenas razones para repetir las medidas muchas
veces. En consecuencia, se puede incrementar la información acerca de una medición
tomando un número determinado de lecturas y aplicándoles luego unos cálculos básicos
estadísticos para encontrar su valor promedio o media aritmética y su desviación estándar.
Fuentes de incertidumbres
Muchas cosas pueden hacer que una medición tenga incertidumbre, y los defectos en la
medición pueden ser visibles o invisibles, pues los procesos de medición reales nunca se
realizan en perfectas condiciones y menos en entornos industriales. Podemos distinguir
varios tipos de errores:
a) Errores asociados con el instrumento de medida utilizado. El instrumento de medida
puede ser objeto de errores propios debido a cambios sufridos por envejecimiento,
desgaste, deriva, escasa legibilidad, ruido eléctrico (para los instrumentos eléctricos),
vibraciones y muchos otros problemas.
b) Errores relacionados con el dispositivo que está siendo medido. Pues puede que dicho
dispositivo no sea estable.
c) Errores debidos al procedimiento de medición. Puede que el proceso de medición sea
dificultoso de realizar
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d) Incertidumbres importadas. El instrumento con el que se van a realizar las medidas tiene
que estar calibrado. La calibración del instrumento viene validada por su correspondiente
certificado de calibración, en el que debe indicarse claramente la incertidumbre de uso del
instrumento de medida. Esto no es ni más ni menos que la primera de las incertidumbres que
considerar en el resultado de las medidas obtenidas en la práctica cuando se realice un
proceso de medición.
e) Errores del operador. Algunos tipos de medición dependen en gran medida de la
experiencia y habilidades del operador. Una persona puede ser mejor que otra a la hora de
efectuar mediciones delicadas. Sin embargo, este tipo de errores no se suelen considerar en
el cálculo de incertidumbres, pues se parte de la base de que el personal encargado de realizar
las medidas tiene la experiencia y cualificación adecuadas.
f) Problemas de muestreo. El muestreo utilizado para la toma de medidas tiene que ser
representativo de la magnitud que se quiere medir.
g) Errores debidos a las condiciones del entorno. La temperatura, la presión atmosférica, la
humedad y muchas otras condiciones pueden afectar al instrumento de medida o al propio
mensurando.
2.7 criterios de selección
Con cientos, si no miles de diferentes modelos de sensores de presión, transductores y
transmisores disponibles, los ingenieros se enfrentan a desafíos importantes en la selección
del instrumento adecuado para la aplicación y a consecuencias a veces graves si no toman a
decisión correcta. Los sistemas y máquinas de control modernas son cada vez más avanzados,
y mientras las exigencias referentes a la cantidad de puntos de medición han aumentado, los
presupuestos se mantienen igual o incluso se reducen. Por lo tanto, un profesional de
instrumentación tiene que evaluar el valor total aparte de los costos de adquisición. Y, un
equilibrio adecuado se basa en la comprensión de la tecnología de sensores y su
funcionalidad, así como la aplicación y varios de los parámetros necesarios para su correcto
funcionamiento.
90
Al seleccionar un sensor o transmisores para una aplicación en particular hay que considerar
varios factores:
Es conveniente conocer:
• Sensores disponibles en el mercado.
• Características generales.
• Ventajas e inconvenientes específicos.
En la selección existen tres etapas:
• Definición de especificaciones.
• Selección de la tecnología.
• Selección del producto.
Definición de especificaciones.
• Naturaleza y tipo de la magnitud a medir.
• Tipo de sensor buscado teniendo en cuenta la naturaleza de la señal de salida.
• Características metrológicas esenciales
• Alcance de medida.
• Precisión.
• Rapidez de respuesta.
• Condiciones de uso
• Gama de temperaturas.
• Sobrecargas admisibles.
• Duración de vida.
Protecciones (polvo, humedad...).
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• Especificaciones geométricas.
• Especificaciones económicas.
Otras especificaciones:
• Alimentación.
• Consumo.
• Masa.
También deben ser considerados otros parámetros como
1. El tipo de medición que se requiere, por ejemplo, la variable que se va a medir, su valor
nominal, el rango de valores, la exactitud, velocidad de medición y confiabilidad requeridas,
las condiciones ambientales en las que se realizará la medición.
2. El tipo de salida que se requiere del sensor, lo cual determinará las condiciones de
acondicionamiento de la señal, a fin de contar con señales de salida idóneas para la medición.
3. Con base en lo anterior se pueden identificar algunos posibles sensores, teniendo en cuenta
rango, exactitud, linealidad, velocidad de respuesta, confiabilidad, facilidad de
mantenimiento, duración, requisitos de alimentación eléctrica, solidez, disponibilidad y
costo.
Selección de traductores
Cuando se intenta hacer una medición de una cantidad no eléctrica convirtiendo la cantidad
a una forma eléctrica, se debe seleccionar un transductor adecuado para llevar a cabo una
conversión. por lo cual hay que considerar algunos puntos tales como:
• Rango. el rango del transductor debe ser lo suficiente grande tal que abarque todas las
magnitudes esperadas de la cantidad a ser medida.
• Sensibilidad. para obtener datos significativos, el transductor debe producir una señal de
salida suficiente por unidad que se da en la entrada.
92
• Efectos de carga. como los transductores siempre consumirán algo de energía del efecto
físico, debe determinarse si se puede despreciar o si pueden ser aplicados factores de
corrección para las perdidas.
• Respuesta a la frecuencia. el transductor debe ser capaz de responder a velocidad máxima
de cambio en el efecto que se esté observando
• Formato de salida eléctrica. la forma eléctrica de salida del transductor debe ser compatible
con el resto del sistema de medición. por ejemplo, un voltaje de salida de no ser compatible
con un amplificador que solo pueda responder a señales de corriente alterna.
• Impedancia de salida. debe tener un valor que lo haga compatible con las siguientes fases
eléctricas del sistema.
• Requerimiento de potencia. los transductores pasivos necesitan de excitación externa por
lo que si en el sistema se encuentra uno debe haber fuentes de poder adecuadas para operarlos.
• Medio físico. el transductor seleccionado debe poder resistir a las condiciones ambientales
a las que estará sujeto.
• Errores. los errores inherentes a la operación del transductor o aquellos errores originados
por alas condiciones del ambiente, deben ser lo suficientemente pequeños o controlables para
que permitan tomar datos.
Una vez seleccionado el transductor se deben seguir algunas recomendaciones como:
• Calibración del transductor se debe calibrar con algún estándar conocido y llevar acabo
calibraciones de manera regular a medida que se hagan mediciones.
• Monitorear de forma continua los cambiones en las condiciones ambientales del
transductor.
• Controlar arterialmente el ambiente de medición, como ejemplo encerrar el transductor en
una caja de temperatura controlada, aislamiento del dispositivo a golpes y vibraciones
externas.
93
2.8 acondicionamiento de señales.
El acondicionamiento de señal es un proceso de adquisición de datos que se lleva a cabo
mediante un instrumento llamado acondicionador de señal. Ese instrumento convierte un tipo
de señal eléctrica o mecánica (señal de entrada) en otro (señal de salida). El objetivo consiste
en amplificar la señal y convertirla a otro formato fácil de leer y compatible con fines de
adquisición de datos o de control de una máquina.
Un acondicionador de señal ayuda a obtener medidas precisas, como condición esencial para
la exactitud de la adquisición de datos o del control de máquinas. Este tipo de instrumentos
son capaces de efectuar otras funciones adicionales. A continuación, se describen las últimas
tendencias.
Funciones de un acondicionador de señal
Conversión de señal
La función principal de un acondicionador de señal consiste en recoger una señal y
transformarla en una señal eléctrica de nivel superior. La conversión de señal se suele utilizar
en aplicaciones industriales que emplean un amplio espectro de sensores para efectuar
mediciones. Debido a la variedad de sensores utilizados, puede ser preciso convertir las
señales generadas, para que puedan ser utilizadas por los instrumentos conectados a los
sensores. En principio, cualquier señal procedente de un sensor puede convertirse en
cualquier señal de proceso estándar.
Linealización
Determinados acondicionadores de señal pueden llevar a cabo una linealización, si las señales
que proporciona un sensor no tienen una correspondencia del todo lineal con la magnitud
física. Para ello, llevan a cabo un proceso de interpretación de la señal mediante software. Es
habitual en el caso de las señales de termopares. Este método se emplea para obtener una
mayor exactitud, porque no todos los sensores son totalmente lineales. Los parámetros para
la linealización se evalúan durante la calibración del sensor y se indican en el protocolo de
calibración del sensor.
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Amplificación
El paso siguiente es la amplificación de la señal y el proceso de incrementar la señal para
procesamiento o digitalización. Hay dos maneras de amplificar una señal: incrementar la
resolución de la señal de entrada o aumentar la relación señal-ruido.
En el acondicionamiento de señales se emplean diferentes amplificadores para distintos fines;
entre ellos cabe citar los amplificadores de instrumentación, que están optimizados para
trabajar con señales de corriente continua, y que se caracterizan por una elevada impedancia
de entrada, una alta supresión de la cadencia sincrónica (CMRR) y una elevada ganancia.
Otro ejemplo de acondicionador de señal empleado en amplificación es el amplificador de
aislamiento, que está diseñado para aislar altos niveles de corriente continua de un equipo, al
tiempo que deja pasar una pequeña señal de corriente alterna o diferencial.
Filtrado
Otra función importante de los acondicionadores de señal es el filtrado. Consiste en filtrar el
espectro de frecuencia de la señal conservando solo los datos válidos y bloqueando todo el
ruido. Los filtros pueden consistir en componentes pasivos y activos o en un algoritmo
digital. Un filtro pasivo utiliza exclusivamente condensadores, resistencias e inductores con
una ganancia máxima de uno. Un filtro activo utiliza componentes pasivos combinados con
componentes
activos,
como
amplificadores
operacionales
y
transistores.
Los
acondicionadores de señal más avanzados emplean filtros digitales, porque son fáciles de
ajustar y no requieren equipos físicos. Un filtro digital es un filtro matemático que se emplea
para manipular una señal; por ejemplo, para bloquear o dejar pasar un intervalo de frecuencia
determinado. Utilizan componentes lógicos como circuitos integrados para aplicaciones
específicas (ASIC) o matrices de puertas programables (FPGA), o un programa secuencial
con un procesador de señales.
Evaluación y funciones inteligentes
Para aportar beneficios adicionales al usuario y al proceso, los acondicionadores de señal
modernos cuentan con funciones especiales de evaluación de señales y preprocesamiento de
datos medidos. Así, ayudan a monitorizar y evaluar alarmas y avisos de forma rápida y
directa, mediante una salida eléctrica conmutada. Otras funciones inteligentes adicionales,
95
como los canales de cálculo internos, se encargan de realizar operaciones matemáticas, como
sumar señales de sensores, u operaciones tecnológicas como, por ejemplo, actuar como un
controlador PID. Estas funciones ayudan a que el sistema reaccione más rápido y reducen la
carga de trabajo del control de la máquina.
Interfaces
Los convertidores de señal deben transmitir las señales de los sensores hasta el control de la
máquina, utilizando para ello interfaces y protocolos estándar. Las interfaces pueden ser
analógicas o digitales. Las interfaces analógicas típicas son señales de tensión (+/-10 V) o
corriente (+/-20 mA), que son fáciles de manipular pero que tienen el inconveniente de que
cada señal requiere un cableado independiente. Las interfaces digitales modernas están
diseñadas como interfaces de bus basadas en Ethernet (Profinet, Ethercat, Ethernet/IP) y
permiten conectar varios componentes con un solo hilo. De este modo se simplifica el
cableado y se puede transmitir información adicional; por ejemplo, información de
diagnóstico de los componentes, que es muy importante para reducir los tiempos de parada
y para acelerar el mantenimiento.
Acondicionadores de señal de HBM
HBM suministra un amplio catálogo de acondicionadores de señal, capaces de desempeñar
funciones muy variadas, entre ellas todas las que se mencionan en este artículo. Nuestros
acondicionadores de señal son una solución para implantar cadenas de medida completas en
entornos de control de producción y fabricación. Si desea más información acerca de nuestra
gama de acondicionadores de señal, póngase en contacto con nosotros.
INTERCONECTÁNDOSE CON UN MICROPROCESADOR
Los dispositivos de entrada y de salida están conectados con un sistema de microprocesador
mediante puertos. el término "interfaz" se refiere a un elemento que se usa para interconectar
diversos dispositivos y un puerto. existen así entradas de sensores, interruptores y teclados,
y salidas para indicadores y actuadores. la más sencilla de las interfaces podría ser un simple
trozo de alambre. en realidad, la interfaz cuenta con acondicionamiento de señal y protección;
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esta última previene daños en el sistema del microprocesador. por ejemplo, cuando es
necesario proteger las entradas de voltajes excesivos o de señales de polaridad equívoca.
PROCESOS DEL ACONDICIONAMIENTO
1. Protección para evitar daño al siguiente elemento, por ejemplo, un microprocesador, como
consecuencia de un voltaje o una corriente elevados.
2. Convertir una señal en un tipo de señal adecuado. sería el caso cuando es necesario
convertir una señal a un voltaje de cd, o a una corriente.
3. Obtención del nivel adecuado de la señal. en un termopar, la señal de salida es de unos
cuantos milivolts. si la señal se va a alimentar a un convertidor analógico a la digital para
después entrar a un microprocesador, será necesario ampliarla en forma considerable.
4. Eliminación o reducción del ruido. Por ejemplo, para eliminar el ruido en una señal se
utilizan filtros.
5. Manipulación de la señal, por ejemplo, convertir una variable en una función lineal. Las
señales que producen algunos sensores, por ejemplo, los medidores de flujo, son alinéales y
hay que usar un acondicionador de señal para que la señal que se alimenta, en el siguiente
elemento sea lineal.
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UNIDAD 3
98
Actuadores
Los servomotores pueden ser neumáticos, eléctricos, hidráulicos, digitales y manuales, si
bien se emplean generalmente los dos primeros por ser más simples, de actuación rápida y
tener una gran capacidad de esfuerzo.
Puede armarse que el 90% de las válvulas de control utilizadas en la industria son accionadas
neumática mente.
3.1 Actuadores electrónicos
Los actuadores son dispositivos que llevan incorporado un motor eléctrico y un reductor que
permite accionar cualquier dispositivo para llevar a cabo determinado movimiento u acción.
Por ejemplo, se emplean en la industria para accionar compuertas, válvulas y en general
diferentes elementos que ponen en comunicación un proceso con otro o un estado de un
proceso con otro. El actuador eléctrico es el que almacena los datos de válvulas y carrera y
posteriormente dicha información es procesada por la parte de control que es precisamente
la que se encarga de conectarlo y desconectarlo según las necesidades.
Así pues, un actuador en general es un dispositivo que puede transformar un tipo de energía
en un proceso que se activa a raíz de ella. De ahí precisamente viene su nombre. Su objetivo
es conseguir dicho efecto sobre el proceso de automatizado. El controlador recibe la orden
del actuador y a partir de ella genera una respuesta para activar un elemento final como podría
ser una compuerta.
Podemos decir que en el caso específico de los actuadores eléctricos la fuente que inicia dicho
proceso es una fuente eléctrica. Por ello es por lo que precisamente su estructura suele ser
más simple que la de los actuadores neumáticos o hidráulicos.
Tipos de actuadores eléctricos
Motores de Corriente Alterna
Definición: Se denomina motor de corriente alterna a aquellos motores eléctricos que
funcionan con este tipo de alimentación eléctrica. Un motor es una máquina motriz, esto es,
un aparato que convierte una forma determinada de energía en energía mecánica de rotación
o par. Un motor eléctrico convierte la energía eléctrica en fuerzas de giro por medio de la
acción mutua de los campos magnéticos.
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Un generador eléctrico, por otra parte, transforma energía mecánica de rotación en energía
eléctrica y se le puede llamar una máquina generatriz de FEM (fuerza eléctrica motriz). Las
dos formas básicas son el generador de corriente continua y el generador de corriente alterna,
este último más correctamente llamado alternador.
Todos los generadores necesitan una máquina motriz (motor) de algún tipo para producir la
fuerza de rotación, por medio de la cual un conductor puede cortar las líneas de fuerza
magnéticas y producir una FEM. La máquina más simple de los motores y generadores es el
alternador.
Motores universales
Los motores universales trabajan con voltajes de corriente continua o corriente alterna. Tal
motor, llamado universal, se utiliza en sierras eléctricas, taladros, utensilios de cocina,
ventiladores, sopladores, batidoras y otras aplicaciones donde se requiere gran velocidad de
giro con cargas débiles o fuerzas resistentes pequeñas. Este motor para corriente alterna y
continua, incluyendo los universales, se distinguen por su conmutador devanado y las
escobillas. Los componentes de este motor son: Los campos (estator), la masa (rotor), las
escobillas (los excitadores) y las tapas (las cubiertas laterales del motor). El circuito eléctrico
es muy simple, tiene solamente una vía para el paso de la corriente, porque el circuito está
conectado en serie. Su potencial es mayor por tener mayor flexibilidad en vencer la inercia
cuando está en reposo, o sea, tiene un par de arranque excelente, pero tiene una dificultad, y
es que no está construido para su uso continuo o permanente (durante largos períodos de
tiempo).
Otra dificultad de los motores universales son las emisiones electromagnéticas. Las chispas
del colector ("chisporroteos") junto con su propio campo magnético generan interferencias o
ruido en el espacio radioeléctrico. Esto se puede reducir por medio de los condensadores de
paso, de 0,001 μF a 0,01 μF, conectados de las escobillas a la carcasa del motor y conectando
ésta a masa. Estos motores tienen la ventaja de que alcanzan grandes velocidades de giro,
pero con poca fuerza. Existen también motores de corriente alterna trifásica que funcionan a
380 V y a otras tensiones.
100
Motores asíncronos
El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: de jaula
de ardilla o bobinado; y un estátor, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas
bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º en el espacio. Según el teorema de
Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, por
el cual el desfase en el tiempo es también de 120º, se induce un campo magnético giratorio
que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor
según la Ley de inducción de Faraday:
Entonces se da el efecto Laplace (o efecto motor): todo conductor por el que circula una
corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a
poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (ó efecto generador): en todo
conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión. El campo
magnético giratorio, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del estátor, corta los
conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción. La acción
mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan
una fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor
del motor. La diferencia entre las velocidades del rotor y del campo magnético se denomina
deslizamiento.
Motores síncronos
De acuerdo con estos principios, se puede utilizar un alternador como motor en determinadas
circunstancias, aunque si se excita el campo con CC y se alimenta por los anillos colectores
a la bobina del rotor con CA, la máquina no arrancará. El campo alrededor de la bobina del
rotor es alterno en polaridad magnética, pero durante un semiperiodo del ciclo completo,
intentará moverse en una dirección y durante el siguiente semiperiodo en la dirección
opuesta. El resultado es que la máquina permanece parada. La máquina solamente se
calentará y posiblemente se quemará.
101
Para generar el campo magnético del rotor, se suministra una CC al devanado del campo;
esto se realiza frecuentemente por medio de una excitatriz, la cual consta de un pequeño
generador de CC impulsado por el motor, conectado mecánicamente a él. Se mencionó
anteriormente que, para obtener un par constante en un motor eléctrico, es necesario mantener
los campos magnéticos del rotor y del estator constantes el uno con relación al otro. Esto
significa que el campo que rota electromagnéticamente en el estator y el campo que rota
mecánicamente en el rotor se deben alinear todo el tiempo.
Características de los Motores de Corriente Alterna
Los parámetros de operación de una máquina designan sus características, es importante
determinarlas, ya que con ellas conoceremos los parámetros determinantes para la operación
de la máquina. Las principales características de los motores de C.A. son:
Potencia: Es la rapidez con la que se realiza un trabajo; en física la Potencia =
Trabajo/tiempo, la unidad del Sistema Internacional para la potencia es el joule por segundo,
y se denomina watt (W). Sin embargo, estas unidades tienen el inconveniente de ser
demasiado pequeñas para propósitos industriales. Por lo tanto, se usan el kilowatt (kW) y el
caballo de fuerza (HP)
Voltaje: También llamada tensión eléctrica o diferencia de potencial, existe entre dos puntos,
y es el trabajo necesario para desplazar una carga positiva de un punto a otro.
Corriente: La corriente eléctrica [I], es la rapidez del flujo de carga [Q] que pasa por un punto
dado [P] en un conductor eléctrico en un tiempo [t] determinado.
Corriente nominal: En una máquina, el valor de la corriente nominal es la cantidad de
corriente que consumirá en condiciones normales de operación.
Corriente de vacío: Es la corriente que consumirá la máquina cuando no se encuentre
operando con carga y es aproximadamente del 20% al 30% de su corriente nominal.
102
Corriente de arranque: Todos los motores eléctricos para operar consumen un excedente de
corriente, mayor que su corriente nominal, que es aproximadamente de dos a ocho veces
superior.
Corriente a rotor bloqueado: Es la corriente máxima que soportara la máquina cuando su
rotor esté totalmente detenido.
Revoluciones por minuto (R.P.M.) o velocidad angular: Se define como la cantidad de
vueltas completas que da el rotor en el lapso de un minuto; el símbolo de la velocidad angular
es omega [W], no obstante, en la industria se utilizan también para referirse, la letra: "N" o
simplemente las siglas R.P.M.
Factor de potencia: El factor de potencia [cos Φ] se define como la razón que existe entre
Potencia Real [P] y Potencia Aparente [S], siendo la potencia aparente el producto de los
valores eficaces de la tensión y de la corriente:
Número de fases: Depende directamente del motor y del lugar de instalación, por ejemplo:
Para motores con potencia menor o igual a 1 HP (a nivel doméstico), generalmente, se
alimentan a corriente monofásica (127 V.); cuando la potencia del motor oscila entre 1 y 5
HP lo más recomendable es conectarlo a corriente bifásica o trifásica (220 V.); y para motores
que demanden una potencia de 5 HP o más, se utilizan sistemas trifásicos o polifásicos.
Par: Un par de fuerzas es un conjunto de dos fuerzas de magnitudes iguales, pero de sentido
contrario. El momento del par de fuerzas o torque, se representa por un vector perpendicular
al plano del par.
Par Nominal: Es el par que se produce en un motor eléctrico para que pueda desarrollar sus
condiciones de diseño.
Par de arranque: Es el par que va a desarrollar el motor para romper sus condiciones iniciales
de inercia y pueda comenzar a operar.
Par máximo: También llamado par pico, es el par que puede desarrollar el motor sin perder
sus condiciones de diseño, es decir, que es el límite en el que trabaja el motor sin consumir
más corriente y voltaje, asimismo de que sus revoluciones son constantes, y conjuntamente
está relacionado con el factor de servicio.
103
Par de aceleración: Es el par que desarrolla el motor hasta que alcanza su velocidad nominal.
Par de desaceleración: Es el par en sentido inverso que debe emplearse para que el motor se
detenga.
Par a rotor bloqueado: Se considera como el par máximo que desarrolla un motor cuando se
detiene su rotor.
Aplicaciones del Motor de Corriente Alterna como Actuador en la Industria
El compresor con motor de corriente alterna.
Los sistemas de aire comprimido son una de las utilidades de mayor uso en la industria y a
su vez uno de los que más consume energía. Dado a que mucho de los procesos en la industria
son neumáticos (apertura de válvulas neumáticas, entre otros); el sistema de aire comprimido
se convierte en un proceso crítico; a tal punto que se estima que cerca del 10% del gasto
energético en una industria se consume por los compresores de aire comprimido.
El compresor accionado por motores de corriente alterna generalmente son utilizados para
generar grandes unidades de presión para la apertura y cierre de válvulas neumáticas. Las
válvulas de cierre y apertura neumáticos son unos de los equipos más relevantes en los
procesos de instrumentación por lo tanto dependen de una fuente que proporcione presión de
aire para su accionamiento.
Actuadores multivuelta con motor de corriente alterna
104
Un motor eléctrico multivueltas mueve un reductor. El par en la salida del reductor se
transmite a la válvula mediante una interface mecánica estandarizado. Una unidad de control
en el actuador registra el camino recorrido y monitoriza el par transmitido. La unidad de
control señaliza al control del motor el alcance de una posición final de la válvula o de un
valor límite de par previamente ajustado. El control del motor, normalmente integrado en el
actuador, desconecta entonces el actuador. Para el intercambio de órdenes de maniobra y
señales entre el control del motor y el sistema de automatización, el control del motor
incorpora una interface eléctrica especialmente ajustado para el sistema de automatización
en cuestión.
105
Estator
Constituye la parte fija del motor. El estator es el elemento que opera como base, permitiendo
que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor. El estator no se mueve
mecánicamente, pero si magnéticamente. Existen dos tipos de estatores:
a) Estator de polos salientes
b) Estator ranurado
El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio (se
les llama “paquete”), que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo
magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos
magnéticos. Los polos de un motor siempre son pares (pueden ser 2, 4, 6, 8, 10, etc.,), por
ello el mínimo de polos que puede tener un motor para funcionar es dos (un norte y un sur).
Rotor
Constituye la parte móvil del motor. El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya
que de él depende la conversión de energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto
de láminas de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos:
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a) Rotor ranurado
b) Rotor de polos salientes
c) Rotor jaula de ardilla
Bobinado
Un motor monofásico tiene dos grupos de devanados en el estator: el primer grupo, se conoce
como el devanado principal o devanado de trabajo; el segundo, se le conoce como devanado
auxiliar o de arranque. Estos dos devanados se conectan en paralelo entre sí, el voltaje de
línea se aplica a ambos al energizar el motor.
Los dos devanados difieren entre sí física y eléctricamente. El devanado de trabajo está
formado de conductor grueso y tiene más espiras que el devanado de arranque, éste,
generalmente se aloja en la parte superior de las ranuras del estator, en tanto que el de trabajo
se aloja en la parte inferior. El devanado de arranque tiene menos espiras de una sección
delgada o pequeña de conductor.
Carcasa
La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el material empleado para su
fabricación depende del tipo de motor, de su diseño y su aplicación. Así pues, la carcasa
puede ser:
a) Totalmente cerrada
b) Abierta
c) A prueba de goteo
d) A prueba de explosiones
e) De tipo sumergible
La base
Es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de operación del motor, puede
ser de dos tipos:
a) Base frontal
b) Base lateral
107
Caja de Conexiones:
Por lo general, en la mayoría de los casos los motores eléctricos cuentan con caja de
conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los conductores que
alimentan al motor, resguardándolos de la operación mecánica del mismo, y contra cualquier
elemento que pudiera dañarlos.
Cojinetes
Contribuyen a la óptima operación de las partes giratorias del motor. Se utilizan para sostener
y fijar ejes mecánicos, y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se consuma
menos potencia. Los cojinetes pueden dividirse en dos clases generales:
a) Cojinetes de deslizamiento: Operan basándose en el principio de la película de aceite,
esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre el eje y la superficie de apoyo.
b) Cojinetes de rodamiento: Se utilizan preferentemente en lugar de los cojinetes de
deslizamiento por varias razones:
•
Tienen un menor coeficiente de fricción, especialmente en el arranque.
•
Son compactos en su diseño
•
Tienen una alta precisión de operación.
•
No se desgastan tanto como los cojinetes de tipo deslizante.
•
Se remplazan fácilmente debido a sus tamaños estándares
Criterios para la Selección de un Motor de Corriente Alterna
La potencia
Es la fuerza que el motor genera para mover una carga a una determinada velocidad.
La potencia especificada en placa de los motores indica la potencia mecánica disponible en
la punta del eje del motor y va expresada en Kilowatts (KW) y en su equivalente en Caballos
de Vapor (HP / CV).
108
La velocidad/rotación
Expresada en rpm (revoluciones por minuto), es el número de giros que el eje del motor
desarrolla en cada minuto.
En los motores de corriente alterna la rotación del eje está sincronizada con la frecuencia de
la corriente de alimentación (Hz), dándonos el número de pares de polos del motor.
•
La tensión
La tensión es el voltaje de entrada para el cual está diseñado el motor; es decir, es la presión
con la que el motor empuja la corriente a través de un circuito eléctrico cerrado. Se expresa
en voltios (V) y debe coincidir con el voltaje de la máquina que se desee accionar
•
La frecuencia
Es el número de veces que un determinado evento se repite en un determinado intervalo de
tiempo.
La frecuencia de la red de alimentación utilizada en Latinoamérica es 50 Hz o 60 Hz,
dependiendo del país. Eso significa que la tensión de la red repite su ciclo sesenta veces por
segundo.
•
La carcasa/tamaño
Dimensiones del motor expresadas a través de valores estándares establecidos por normativas
IEC para los motores eléctricos.
El tipo de carcasa es un dato fundamental en la elección del motor eléctrico, ya que permite
identificar gran parte de sus dimensiones mecánicas.
•
Las formas constructivas
Determinan cómo el motor va a ser fijado y acoplado a la carga.
Los motores eléctricos son normalmente suministrados en la forma constructiva B3D,
(montaje en la posición horizontal, motor con patas, eje a la derecha mirando hacia la caja de
conexión). Las demás formas constructivas pueden ser observadas en la tabla abajo.
109
Motores de Corriente Continua
Definición:
El motor de corriente continua, denominado también motor de corriente directa, motor CC o
motor DC (por las iniciales en inglés direct current), es una máquina que convierte energía
eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción de un campo
magnético.
Un motor de corriente continua se compone, principalmente, de dos partes:
El estátor da soporte mecánico al aparato y contiene los polos de la máquina, que pueden ser
o bien devanados de hilo de cobre sobre un núcleo de hierro, o imanes permanentes.
El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, alimentado
con corriente directa a través del colector formado por delgas. Las delgas se fabrican
generalmente de cobre y están en contacto alternante con las escobillas fijas.
Las escobillas de los motores de baja potencia se fabrican de grafito. Para los que requieren
corrientes elevadas, como los motores de arranque de los vehículos, se fabrican con una
aleación de grafito y metal.
El principal inconveniente de estas máquinas es el mantenimiento costoso y laborioso, debido
principalmente al desgaste que sufren las escobillas al entrar en contacto con las delgas.
Algunas aplicaciones especiales de estos motores son: los motores lineales, cuando ejercen
tracción sobre un riel, servomotores y motores paso a paso. Además, existen motores de CC
sin escobillas (brushless en inglés) utilizados en el aeromodelismo por su bajo par motor y
su gran velocidad.
Es posible controlar la velocidad y el par de estos motores utilizando técnicas de control de
motores de corriente continua.
Tipos de motores de corriente continua:
El motor serie o motores de excitación en serie: es un tipo de motor eléctrico de corriente
continua en el cual el inducido y el devanado inductor o de excitación van conectados en
serie. El voltaje aplicado es constante, mientras que el campo de excitación aumenta con la
110
carga, puesto que la corriente es la misma corriente de excitación. El flujo aumenta en
proporción a la corriente en la armadura, como el flujo crece con la carga, la velocidad cae a
medida que aumenta esa carga.
Las principales características de este motor son:
Se embala cuando funciona en vacío, debido a que la velocidad de un motor de
corriente continua aumenta al disminuir el flujo inductor y, en el motor serie, este
disminuye al aumentar la velocidad, puesto que la intensidad en el inductor es la
misma que en el inducido.
La potencia es casi constante a cualquier velocidad.
Le afectan poco las variaciones bruscas de la tensión de alimentación, ya que un
aumento de esta provoca un aumento de la intensidad y, por lo tanto, del flujo y de la
fuerza contraelectromotriz, estabilizándose la intensidad absorbida.
El motor shunt: o motor de excitación en paralelo es un motor eléctrico de corriente continua
cuyo bobinado inductor principal está conectado en derivación o paralelo con el circuito
formado por los bobinados inducido e inductor auxiliar.
Al igual que en las dinamos shunt, las bobinas principales están constituidas por muchas
espiras y con hilo de poca sección, por lo que la resistencia del bobinado inductor principal
es muy grande.
En el instante del arranque, el par motor que se desarrolla es menor que en el motor serie
(también uno de los componentes del motor de corriente continua). Al disminuir la intensidad
absorbida, el régimen de giro apenas sufre variación.
Es el tipo de motor de corriente continua cuya velocidad no disminuye más que ligeramente
cuando el par aumenta. Los motores de corriente continua en derivación son adecuados para
aplicaciones en donde se necesita velocidad constante a cualquier ajuste del control o en los
casos en que es necesario un rango apreciable de velocidades (por medio del control del
campo).
El motor en derivación se utiliza en aplicaciones de velocidad constante, como en los
accionamientos para los generadores de corriente continua en los grupos motogeneradores
de corriente continua.
111
Un motor compound (o motor de excitación compuesta) es un Motor eléctrico de corriente
continua cuya excitación es originada por dos bobinados inductores independientes; uno
dispuesto en serie con el bobinado inducido y otro conectado en derivación con el circuito
formado por los bobinados: inducido, inductor serie e inductor auxiliar.
Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt.
Este campo serie, el cual consiste de pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en
serie con la armadura y lleva la corriente de armadura.
El flujo del campo serie varía directamente a medida que la corriente de armadura varía, y es
directamente proporcional a la carga. El campo serie se conecta de manera tal que su flujo se
añade al flujo del campo principal shunt. Los motores compound se conectan normalmente
de esta manera y se denominan como compound acumulativo
Esto provee una característica de velocidad que no es tan “dura” o plana como la del motor
shunt, ni tan “suave” como la de un motor serie. Un motor compound tiene un limitado rango
de debilitamiento de campo; la debilitación del campo puede resultar en exceder la máxima
velocidad segura del motor sin carga. Los motores de corriente continua compound son
algunas veces utilizados donde se requiera una respuesta estable de par constante para un
rango de velocidades amplio.
El motor compound es un motor de excitación o campo independiente con propiedades de
motor serie. El motor da un par constante por medio del campo independiente al que se suma
el campo serie con un valor de carga igual que el del inducido. Cuantos más amperios pasan
por el inducido más campo serie se origina, claro está, siempre sin pasar del consumo
nominal.
Características de los Motores de Corriente Continua
Fuerza contra electromotriz inducida en un motor.
Es la tensión que se crea en los conductores de un motor como consecuencia del corte de las
líneas de fuerza. La polaridad de la tensión en los generadores es opuesta a la aplicada en los
bornes del motor. Durante el arranque de un motor de corriente continua se producen fuertes
picos de corriente ya que, al estar la máquina parada, no hay fuerza contraelectromotriz y el
bobinado se comporta como un simple conductor de baja resistencia.
112
La fuerza contraelectromotriz en el motor depende directamente de la velocidad de giro del
motor y del flujo magnético del sistema inductor.
Número de escobillas
Las escobillas deben poner en cortocircuito todas las bobinas situadas en la zona neutra. Si
la máquina tiene dos polos, tenemos también dos zonas neutras. En consecuencia, el número
total de delgas ha de ser igual al número de polos de la máquina. En cuanto a su posición,
será coincidente con las líneas neutras de los polos. En realidad, si un motor de corriente
continua en su inducido lleva un bobinado imbricado, se deberán poner tantas escobillas
como polos tiene la máquina, pero si en su inducido lleva un bobinado ondulado, como solo
existen dos trayectos de corriente paralela dentro de la máquina, en un principio es suficiente
colocar dos escobillas, aunque si se desea se pueden colocar tantas escobillas como polos.
Sentido de giro
En máquinas de corriente directa de mediana y gran potencia, es común la fabricación de
rotores con láminas de acero eléctrico para disminuir las pérdidas asociadas a los campos
magnéticos variables, como las corrientes de Foucault y las producidas por histéresis
Reversibilidad
Los motores y los generadores de corriente continua están constituidos esencialmente por los
mismos elementos, diferenciándose únicamente en la forma de utilización. Por reversibilidad
entre el motor y el generador se entiende que si se hace girar el rotor, se produce en el
devanado inducido una fuerza electromotriz capaz de transformarse en energía eléctrica. En
cambio, si se aplica una tensión continua al devanado inducido del generador a través del
colector delga, el comportamiento de la máquina ahora es de motor, capaz de transformar la
fuerza contraelectromotriz en energía mecánica.
En ambos casos el inducido está sometido a la acción del campo magnético del inductor
principal en el estátor.
113
Aplicaciones del Motor de Corriente Continua como Actuador en la Industria
Los actuadores lineales
Un actuador lineal es un dispositivo que generar movimiento rectilíneo. Podemos controlar
este tipo de actuadores desde un procesador o controlador. Internamente un actuador lineal
está formado por un motor de CC con un mecanismo reductor que consta por varios
engranajes y un tornillo sinfín. El tornillo empuja un émbolo o vástago, que puede extenderse
o retraerse en función del sentido de giro del motor.
Los actuadores lineales tienen la ventaja de ejercer grandes fuerzas y grandes
desplazamientos. Según modelos, pueden ejercer de 20 a 150kgf, con desplazamientos de
100 a 800mm.
Generalmente son utilizados en la industria para el cierre de válvulas las cuales reducen el
parcialmente el paso de caudales, en los se controla la velocidad en la que estos flujos son
enviados por tuberías.
Existen actuadores lineales de diferentes tensiones de alimentación, siendo frecuentes
modelos de 12V y 24V. El consumo de corriente es, en general, elevado, del orden de 3A a
5A en los modelos de 12V, y de 2A-3A en modelos de 24V.
114
Partes Constitutivas del Motor de corriente continua
Carcasa metálica o cuerpo del motor. Aloja en su interior, de forma fija, dos imanes
permanentes con forma de semicírculo, con sus correspondientes polos norte y sur.
•
Rotor o parte giratoria del motor. Se compone de una estructura metálica
formada por un conjunto de chapas o láminas de acero al silicio, troqueladas
con forma circular y montadas en un mismo eje con sus correspondientes
bobinas de alambre de cobre, que lo convierten en un electroimán giratorio.
Por norma general el rotor de la mayoría de los pequeños motores de C.D. se
compone de tres enrollados o bobinas que crean tres polos magnéticos. Los
extremos de cada una de esas bobinas se encuentran conectados a diferentes
segmentos del colector.
•
Colector o conmutador. Situado en uno de los extremos del eje del rotor, se
compone de un anillo deslizante seccionado en dos o más segmentos.
Generalmente el colector de los pequeños motores comunes de C.D. se divide
en tres segmentos.
•
Escobillas. Representan dos contactos que pueden ser metálicos en unos
casos, o compuesto por dos piezas de carbón en otros. Las escobillas
constituyen contactos eléctricos que se deslizan por encima de los segmentos
del colector mientras estos giran. Su misión es suministrar a la bobina o
115
bobinas del rotor a través del colector, la corriente eléctrica directa necesaria
para energizar el electroimán. En los pequeños motores las escobillas
normalmente se componen de dos piezas o flejes metálicos que se encuentran
fijos en la tapa que cierra la carcasa o cuerpo del motor.
•
Tapa de la carcasa (izquierda en la foto). Es la tapa que se emplea para cerrar
uno de los extremos del cuerpo o carcasa del motor. En su cara interna se
encuentran situadas las escobillas de forma fija. El motor de esta foto utiliza
en función de escobillas dos flejes metálicos.
Criterios para la Selección de un Motor de Corriente Continua
•
Determine la potencia requerida del motor DC
•
Potencia en cargas lineales
•
Potencia en cargas rotatorias
•
Medición de la Fuerza
•
Medida del par (fuerza rotatoria)
Motores Paso a Paso
El motor paso a paso (Stepper) conocido también como motor de pasos es un dispositivo
electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares
discretos, lo que significa que es capaz de girar una cantidad de grados (paso o medio paso)
dependiendo de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma
manera que un conversor digital-analógico (D/A) y puede ser gobernado por impulsos
procedentes de sistemas digitales. Este motor presenta las ventajas de tener precisión y
repetitividad en cuanto al posicionamiento.
Tipos de Motores Paso a Paso
El motor de pasos de reluctancia variable (VR): Tiene un rotor multipolar de hierro y un
estátor devanado, opcionalmente laminado. Rota cuando el (o los) diente(s) más cercano(s)
del rotor es (o son) atraído(s) a la(s) bobina(s) del estátor energizada(s) (obteniéndose, por lo
tanto, la ruta de menor reluctancia). La respuesta de este motor es muy rápida, pero la inercia
permitida en la carga es pequeña. Cuando los devanados no están energizados, el par estático
de este tipo de motor es cero.
116
El motor de pasos de rotor de imán permanente: Permite mantener un par diferente de cero
cuando el motor no está energizado. Dependiendo de la construcción del motor, es
típicamente posible obtener pasos angulares de 7.5, 11.25, 15, 18, 45 o 90°. El ángulo de
rotación se determina por el número de polos en el estátor.
El motor de pasos híbrido: Se caracteriza por tener varios dientes en el estátor y en el rotor,
el rotor con un imán concéntrico magnetizado axialmente alrededor de su eje. Se puede ver
que esta configuración es una mezcla de los tipos de reluctancia variable e imán permanente.
Este tipo de motor tiene una alta precisión y alto par, se puede configurar para suministrar un
paso angular tan pequeño como 1.8°.
Características de los Motores de Paso a Paso
Hay que empezar por resaltar que son un tipo de motor que no sólo puede ser pensado por el
voltaje que presente, sino que existen otro tipo de variables que vale la pena analizar al
momento de plantear una descripción. Entre ellas está la magnitud que los puede caracterizar.
Voltaje – Se halla impreso de manera directa en la unidad o se lo especifica en la hoja de
características del equipo. En determinadas circunstancias es preciso que se exceda el voltaje
nominal para que se obtenga el par deseado, pero lo anterior va a contribuir en que se dé un
calentamiento mayor y hasta un acortamiento en la vida del motor.
Resistencia – La resistencia por bobina va a determinar la corriente del estator y en ese orden
de ideas afecta la curva características del par y la velocidad máxima en sí misma.
Resolución – Tal y como se ha comentado en otros párrafos, el ángulo girado en cada uno de
los pasos es el factor que pasa a ser más relevante en un motor paso a paso en lo que se refiere
a los efectos de una aplicación en particular. La operación de medio paso va a doblar el
número de los pasos por cada revolución. Los Números grados/paso habituales son: 0.72,
1.8, 3.6, 7.5, 15 e incluso en ocasiones 90.
117
Aplicaciones del Motor Paso a Paso como Actuador en la Industria
Los motores paso a paso son usados en las válvulas para controlar el flujo de un fluido, las
cuales cuentan con un orificio de área continuamente variable, que modifica la pérdida de
carga, según lo dirigido por la señal de un controlador.
Esto permite el control del caudal y el consiguiente control de las variables del proceso tales
como presión, temperatura y nivel. En la terminología de la técnica de Regulación y control,
la válvula es el órgano de control o elemento de control final.
Éstos son motores son idóneos para aplicaciones industriales de control de elevada precisión
en las valvulas como aplicaciones de posicionamiento tales como ajuste de topes para corte
de longitud, control de válvulas, dispositivos ópticos y de medida, carga y descarga de
prensas o máquinas-herramienta entre otras.
Rele
Definición: relevador es un dispositivo electromagnético. Funciona como un interruptor
controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se
acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos
eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835.
Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de
entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador eléctrico. Como tal
118
se emplearon en telegrafía, haciendo la función de repetidores que generaban una nueva señal
con corriente procedente de pilas locales a partir de la señal débil recibida por la línea.
Tipos de Relé:
Relés de tipo armadura: pese a ser los más antiguos, siguen siendo los más utilizados en
multitud de aplicaciones. Un electro imán provoca la basculación de una armadura al ser
activado, cerrando o abriendo los contactos dependiendo de si es N. A. (normalmente abierto)
o N. C. (normalmente cerrado).
Relés de núcleo móvil: a diferencia del anterior modelo estos están formados por un émbolo
en lugar de una armadura. Debido a su mayor fuerza de atracción, se utiliza un solenoide para
cerrar sus contactos. Es muy utilizado cuando hay que controlar altas corrientes
Relé tipo reed o de lengüeta: están constituidos por una ampolla de vidrio, con contactos en
su interior, montados sobre delgadas láminas de metal. Estos contactos conmutan por la
activación de una bobina, que se encuentra alrededor de la mencionada ampolla.
Relés polarizados o biestables: se componen de una pequeña armadura, solidaria a un imán
permanente. El extremo inferior gira dentro de los polos de un electroimán, mientras que el
otro lleva una cabeza de contacto. Al excitar el electro imán, se mueve la armadura y provoca
el cierre de los contactos. Si se polariza al revés, el giro será en sentido contrario, abriendo
los contactos o cerrando otro circuito.
Relés tripolares: Usados para cualquier tipo de fase (monofásico, bifásico y trifásico).
Relé de estado sólido
Se llama relé de estado sólido a un circuito híbrido, normalmente compuesto por un
optoacoplador que aísla la entrada, un circuito de disparo, que detecta el paso por cero de la
corriente de línea y un triac o dispositivo similar que actúa de interruptor de potencia. Su
nombre se debe a la similitud que presenta con un relé electromecánico; este dispositivo es
usado generalmente para aplicaciones donde se presenta un uso continuo de los contactos del
relé que en comparación con un relé convencional generaría un serio desgaste mecánico,
además de poder conmutar altos amperajes que en el caso del relé electromecánico destruirían
en poco tiempo los contactos. Estos relés permiten una velocidad de conmutación muy
superior a la de los relés electromecánicos.
119
Relé de corriente alterna
Cuando se excita la bobina de un relé con corriente alterna, el flujo magnético en el circuito
magnético, también es alterno, produciendo una fuerza pulsante, con frecuencia doble, sobre
los contactos. Es decir, los contactos de un relé conectado a la red, en algunos lugares, como
varios países de Europa y América Latina oscilarán a 2 x 50 Hz y en otros, como en Estados
Unidos lo harán a 2 x 60 Hz. Este hecho se aprovecha en algunos timbres y zumbadores,
como un activador a distancia. En un relé de corriente alterna se modifica la resonancia de
los contactos para que no oscilen.
Relé de láminas
Este tipo de relé se utilizaba para discriminar distintas frecuencias. Consiste en un
electroimán excitado con la corriente alterna de entrada que atrae varias varillas sintonizadas
para resonar a sendas frecuencias de interés. La varilla que resuena acciona su contacto, las
demás no. Los relés de láminas se utilizaron en aeromodelismo y otros sistemas de
telecontrol.
Características del Rele
Parte electromagnética
•
Corriente de excitación. - Intensidad, que circula por la bobina, necesaria para activar
el relé.
•
Tensión nominal. - Tensión de trabajo para la cual el relé se activa.
•
Tensión de trabajo. - Margen entre la tensión mínima y máxima, garantizando el
funcionamiento correcto del dispositivo.
•
Consumo nominal de la bobina. - Potencia que consume la bobina cuando el relé está
excitado con la tensión nominal a 20ºC.
Contactos ó Parte mecánica
•
Tensión de conexión. - Tensión entre contactos antes de cerrar o después de abrir.
•
Intensidad de conexión. - Intensidad máxima que un relé puede conectar o
desconectarlo.
•
Intensidad máxima de trabajo. - Intensidad máxima que puede circular por los
contactos cuando se han cerrado.
120
Los materiales con los que se fabrican los contactos son: plata y aleaciones de plata que
pueden ser con cobre, níquel u óxido de cadmio. El uso del material que se elija en su
fabricación dependerá de su aplicación y vida útil necesaria de los mismos.
Aplicación del Relé en la Industria como Actuador
Se utilizan principalmente para controlar un circuito de alta potencia utilizando una señal de
baja potencia. Generalmente se utiliza en los tableros de control debido a que una señal de
CC puede ser controlada en el circuito que es impulsado por alta tensión, en el control de
válvulas eléctricas o neumáticas.
También los relés pueden ser utilizados como protección, ya que pueden prevenir daños al
equipo detectando anormalidades eléctricas, incluyendo sobrecorriente, subcorriente,
sobrecargas y corrientes inversas. Además, los relés también se utilizan ampliamente para
conmutar bobinas de arranque de actuadores lineales tipo solenoide, elementos calefactores
y luces piloto de tablero.
121
Partes Constitutivas del Relé
Bobina de cobre: Es un cable de cobre muy delgado con un gran número de espiras enrollado
alrededor de un núcleo ferro magnético o núcleo de hierro.
Núcleo de hierro: Es una barra de hierro dulce, parte metálica, generalmente en forma de E
que se encuentra fijado a la carcasa.
Balancín o armadura: Elemento móvil, su función es cerrar el circuito magnético una vez
energizada la bobina, ya que debe estar separado del núcleo, por acción de un muelle.
Contactos: Simbología de polos N.C. (normalmente cerrado) y N.O. o N.A (normalmente
abierto), son elementos conductores que permiten establecer o interrumpir el paso de la
corriente en cuanto la bobina se energice.
122
Criterios de selección para un Relé
•
Para la elección del este mecanismo hay que tener en cuenta el tiempo máximo que
puede soportar una sobre intensidad no admisible, y asegurarnos de que la intensidad
del receptor esté comprendida dentro del margen de regulación de la intensidad del
relé.
•
Tensión Asignada.
•
Corriente asignada
Contactor
La finalidad de un contactor es la de accionar cargas elevadas que pudieren producir algún
efecto perjudicial en la salud del operador. Sea el caso de una descarga atmosférica entre
contactos de un interruptor a cuchillas en el momento de accionar el arranque de un motor
que posea una carga de inercia acoplada, que pudiera producir quemadura.
La funcionalidad se describiría de la siguiente manera. Se dispone de un elemento
electroimán (bobina que al circular una corriente produce efectos magnéticos de atracción o
repulsión) que atrae un hueco al cual están solidario los contactos móviles que cierran el
circuito interconectando los correspondientes contactos principales, además posee contactos
auxiliares (NA / NC) que sirven para realizar acciones de enclavamiento (dejar que el
contactor siga funcionando sin tener que presionar todo el tiempo un pulsador).
Tipos de contactares
Estos son los tipos de contactores eléctricos más comunes disponibles y por una buena razón,
ya que son más eficientes que los tipos mencionados anteriormente. Estos contactores
funcionan electromecánicamente y no requieren intervención humana.
Con sus tecnologías avanzadas, se pueden operar de forma remota, y esto los hace más
seguros y más eficientes, ya que no será necesario que se operen manualmente. El contactor
magnético solo necesita una pequeña cantidad de electricidad para abrir / cerrar el circuito,
por lo que también es energéticamente eficiente.
123
Interruptor de cuchilla
Los tipos de contactores eléctricos de cuchilla se introdujeron a fines del siglo XIX. Es seguro
asumir que probablemente fueron los primeros tipos de contactores que se utilizaron. Sus
aplicaciones fueron principalmente para controlar motores eléctricos. Consistían en una tira
de metal que está diseñada para caer en un contacto cuando está operativa
Contactos de doble ruptura:
Después de descubrir los peligros involucrados con el uso de la navaja de cuchilla, los
ingenieros e investigadores idearon otros tipos de contactores eléctricos que ofrecían una
mayor seguridad y una serie de características que no estaban disponibles en el interruptor
de la cuchilla. El nuevo diseño se llamaba Controlador manual
124
Características de los Contactores
•
Tensión Asignada.
•
Corriente asignada.
•
Poder de corte. Pdc.
•
Endurancia eléctrica y mecánica.
•
Tensión y corriente de alimentación al electroiman.
•
Número de polos principales.
•
Contactos auxiliares (abiertos,cerrados, y temporizados).
Aplicación del Contactor en la Industria
Su principal aplicación en la industria es la de efectuar maniobras de apertura y cierra de
circuitos eléctricos relacionados con instalaciones de motores. Debido a que pueden llegar a
conmutar conexiones trifásicas con una sola señal de 127v.
•
Debido a que los equipos a utilizar en la industria son de capacidades grandes, por
obvias razones exigen una cantidad grande de corriente provocando picos de arranque
elevados. Los contactores pueden ser utilizados para el arreglo de despeje suave, son
los equipos idóneos para esta acción aportando un ahorro de energía.
125
Partes Constitutivas del Contactor
Carcasa
Es el soporte sobre el cual se fijan todos los componentes conductores al contactor. Es de un
material no conductor, posee rigidez y soporta el calor no extremo. Además, es la
presentación visual del contactor. Materiales diferentes son usados para las carcasas.
Electroimán
Es el elemento motor del contactor. Está compuesto por una serie de dispositivos. Los más
importantes son el circuito magnético y la bobina. Su finalidad es transformar la energía
eléctrica en magnetismo, generando así un campo magnético muy intenso, que provocará un
movimiento mecánico.
Bobina
Es un arrollamiento de alambre de cobre muy delgado con un gran número de espiras, que al
aplicársele tensión genera un campo magnético. Este a su vez produce un campo
electromagnético, superior al par resistente de los muelles, que a modo de resortes separan la
armadura del núcleo, de manera que estas dos partes pueden juntarse estrechamente. Cuando
una bobina se alimenta con corriente alterna, la intensidad que absorbe (denominada corriente
de llamada) es relativamente elevada, debido a que el circuito solo tiene la resistencia del
conductor.
Esta corriente elevada genera un campo magnético intenso, de manera que el núcleo puede
atraer a la armadura y vencer la resistencia mecánica del resorte o muelle que los mantiene
separados en estado de reposo. Una vez que el circuito magnético se cierra, al juntarse el
núcleo con la armadura, aumenta la impedancia de la bobina, de tal manera que la corriente
de llamada se reduce, obteniendo así una corriente de mantenimiento o de trabajo más baja.
Se hace referencia a las bobinas de la siguiente forma: A1 y A2.
Núcleo
Es una parte metálica, de material ferromagnético, generalmente en forma de E, que va fijo
en la carcasa.Su función es concentrar y aumentar el flujo magnético que genera la bobina
(colocada en la columna central del núcleo), para atraer con mayor eficiencia la armadura.
126
Espira de sombra
Se utiliza para evitar las vibraciones en un contactor. Se coloca de tal manera que abrace
parte del campo magnético fijo generando vibraciones. Para evitarlo, la espira de sombra
desfasa en el tiempo parte del flujo magnético, lo que a su vez desfasa en el tiempo la fuerza
de atracción obteniéndose 2 fuerzas que trabajan en conjunto para evitar las vibraciones. En
caso de operar con corriente continua no es necesario utilizar espira de sombra debido a que
el flujo magnético es constante y no genera vibraciones.
Armadura
Elemento móvil, cuya construcción es similar a la del núcleo, pero sin espiras de sombra. Su
función es cerrar el circuito magnético una vez energizada la bobina, ya que debe estar
separado del núcleo, por acción de un muelle. Este espacio de separación se denomina cota
de llamada. Las características del muelle permiten que tanto el cierre como la apertura del
circuito magnético se realicen muy rápido, alrededor de unos 10 milisegundos. Cuando el par
resistente del muelle es mayor que el par electromagnético, el núcleo no logrará atraer a la
armadura o lo hará con mucha dificultad. Por el contrario, si el par resistente del muelle es
demasiado débil, la separación de la armadura no se producirá con la rapidez necesaria.
Criterios de selección para un Contactor
•
Debemos tener en cuenta algunas cosas, como las siguientes:
•
El tipo de corriente, la tensión de alimentación de la bobina y la frecuencia.
127
•
La potencia nominal de la carga.
•
Si es para el circuito de potencia o de mando y el número de contactos auxiliares que
necesita.
•
Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobra muy altas es recomendable
el uso de contactores estáticos o de estado sólido.
3.2 Actuadores hidráulicos
Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar aparatos
mecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita
es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos
requieren mucho equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico.
Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el
punto de vista de precisión y mantenimiento.
Los actuadores hidráulicos son dispositivos automáticos que funcionan directamente con
aceite o agua, los hay para baja presión (250-500 psi) y alta presión (600-5000 psi), utilizan
agua de las plantas de tratamiento, aceite hidráulico industrial y aceite biodegradable, son
utilizados para automatización de válvulas de compuerta, bola, macho, mariposa o dampers.
Existen diferentes mecanismos de actuación tales como yugo escocés simétrico o canteado,
piñón y cremallera, vena, y del tipo pistón para válvulas lineales. Estos actuadores dependen
de la instrumentación y/o accesorios para poder funcionar, tales como solenoides,
interruptores de límite, filtro, regulador, manómetros, pilotos de alta y/o baja presión,
interruptores eléctricos, válvulas de bypass, válvulas para mantenimiento, dispositivo
euteticos, dispositivos de prueba parcial, tanques de almacenamiento, unidades de potencia
hidráulica, botoneras de operación local, botoneras de operación remota, controladores, PLC,
protocolos de comunicación, protección ignifuga entre otros más. Los tiempos de operación
son rápidos a una tasa de 1 seg/pulg. o menor. Así mismo están equipados por bomba
hidráulica manual. Su uso ideal es en ductos que transportan líquidos o gas amargo que no
se puede emplear como fuerza motriz, así mismo donde se requiere de un control muy fino.
Son ideales para paros por emergencia, seccionamiento de ductos o antisurge.
Estos actuadores se basan, para su funcionamiento, en la presión ejercida por un líquido
generalmente un tipo de aceite. Las máquinas que normalmente se encuentran conformadas
128
por actuadores hidráulicos tienen mayor velocidad y resistencia mecánica y son de gran
tamaño, por ello, son usadas para aplicaciones donde requieren de una carga pesada.
Los actuadores hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como
de mantenimiento periódico.
Clasificación de actuadores hidráulicos.
Actuadores
Lineales
Cilindro de presión
dinámica.
Cilindro de simple
efecto.
Cilindro de doble efecto.
Cilindro telescópico
Cilindro
hidráulico
Actuadores
Hidráulicos
Motor con pistón eje
inclinado.
Motor oscilante con
pistón axial.
Motor
Motor de veleta
hidráulico
Motor de hélice
Motor de leva excéntrica
Motor
hidráulico de
Actuadores
oscilación
Rotativos
Relación de potencia en actuadores hidráulicos.
Potencia de Entrada = Presión x Caudal
Potencia Entregada en el Actuador = Variación de Presión x Caudal.
Esta variación de presión deberá computarse entre la entrada y la salida del actuador. En estas
expresiones no consideramos las pérdidas por rozamiento que existen y no se debe dejar de
tenerlas en cuenta para las realizaciones prácticas.
La potencia mecánica de salida estará dada en los actuadores lineales por:
Potencia de Salida = Fuerza x Velocidad
129
Y en los actuadores rotativos por:
Potencia de Salida = Momento Motor (Torque) x Velocidad Angular
Es evidente que las perdidas entre la potencia de entrada y salida serán las pérdidas por
rozamiento.
Actuadores Hidráulicos Lineales
Cilindro hidráulico. Los cilindros hidráulicos son mecanismos que constan de un cilindro
dentro del cual se desplaza un émbolo o pistón, y que transforma la presión de un líquido
mayormente aceite en energía mecánica. Los cilindros hidráulicos obtienen la energía de un
fluido hidráulico presurizado, que es típicamente algún tipo de aceite. El cilindro hidráulico
consiste básicamente en dos piezas: un cilindro barril y un pistón o émbolo móvil conectado
a un vástago. El cilindro barril está cerrado por los dos extremos, en uno está el fondo y en
el otro, la cabeza por donde se introduce el pistón, que tiene una perforación por donde sale
el vástago. El pistón divide el interior del cilindro en dos cámaras: la cámara inferior y la
cámara del vástago. La presión hidráulica actúa en el pistón para producir el movimiento
lineal.
La fuerza máxima es función de la superficie activa del émbolo y de la presión máxima
admisible, donde:
F=P*A
Esta fuerza es constante desde el inicio hasta la finalización de la carrera y mientras todo el
trayecto. La velocidad depende del caudal de fluido y de la superficie del pistón. Según la
versión, el cilindro puede realizar fuerzas de tracción y/o compresión.
De forma general los cilindros pueden ser clasificados en dos grupos:
de simple efecto.
de doble efecto.
Cilindros de simple efecto: en ese caso sólo una cámara es alimentada por aceite, la otra
queda vacía conectada al exterior y el movimiento que correspondería al aceite llenando la
cámara se reemplaza por la gravedad, o bien por un resorte.
130
Cilindro de doble efecto: cuando se alimenta con fluido hidráulico por la boca posterior
avanza. La velocidad de avance es proporcional al Caudal e inversamente proporcional al
área posterior del pistón. Es de hacer notar que para que el pistón avance será necesario que
el fluido presente en la cámara anterior salga por la boca correspondiente. Cuando se desea
que el pistón entre se debe alimentar por la boca anterior y sacar el fluido de la cámara
posterior. Este cambio de direcciones del fluido se logra mediante las válvulas direccionales.
Cilindro de presión dinámica: lleva la carga en la base del cilindro. Los costos de fabricación
por lo general son bajos ya que no hay partes que resbalen dentro del cilindro
131
Cilindro telescópico: está compuesto por varios cilindros encajados. Por regla general, se
monta como estructura de efecto simple, aunque también se puede montar como estructura
de efecto doble. Asimismo, es posible combinar etapas de efecto simple con una etapa de
efecto doble. La ventaja de los cilindros telescópicos reside en que pueden elevarse
considerablemente, aun con longitudes de montaje relativamente pequeñas.
Actuadores Rotativos
Motor hidráulico: Es un actuador mecánico que convierte presión hidráulica y flujo en un
par de torsión y un desplazamiento angular, es decir, en una rotación o giro. Su
funcionamiento es pues inverso al de las bombas hidráulicas y es el equivalente rotatorio del
cilindro hidráulico. Se emplean sobre todo porque entregan un par muy grande a velocidades
de giro pequeñas en comparación con los motores eléctricos.
Existen diversos tipos tanto de motores como de bombas hidráulicas, en algunos modelos se
pueden emplear las bombas como motores (cuando estos giran en un solo sentido o cuando
las bombas están especialmente diseñadas para dicha función) es fundamental verificar que,
por su diseño, dicha bomba resista la presión.
En todos los motores hidráulicos se recomienda que el drenaje se conecte directamente al
depósito, sin pasar por otras líneas de retorno o por filtros que pudieran crear contrapresiones
en el drenaje. El mejor método para saber el desgaste interno de un motor hidráulico es
midiendo el retorno de carcasa, compararlo con los parámetros del manual y verificar si está
en el rango adecuado de trabajo. En los motores hidráulicos, el movimiento rotatorio es
generado por la presión. Estos motores los podemos clasificar en dos grandes grupos: El
primero es uno de tipo rotatorio en el que los engranajes son accionados directamente por
aceite a presión, y el segundo, de tipo oscilante, el movimiento rotatorio es generado por la
acción oscilatoria de un pistón o percutor; este tipo tiene mayor demanda debido a su mayor
eficiencia.
132
Motores de engranajes: Los motores de engranaje interno caen dentro de dos categorías. Un
motor tipo gerotor de acople directo consiste en un set de ruedas dentadas interna-externa
(hembra-macho) y un eje. La rueda interna tiene un diente menos que la externa y los dientes
tienen una forma de manera tal que todos los dientes de la rueda interna estén en contacto
con alguna porción de la rueda externa en todo momento. Cuanto fluido a presión ingresa al
motor, ambas ruedas giran. La carcasa tiene pórticos integrados en forma de riñones. Los
centros de rotación de las ruedas tienen una separación específica conocida como
excentricidad. El centro de la rueda interna coincide con el del eje principal. Son de tamaño
reducido y pueden girar en los dos sentidos, pero el par es pequeño son ruidosos, pueden
trabajar a altas velocidades, pero de forma análoga a los motores de paletas.
Motores de paletas: Los motores de paleta tienen un rotor con agujeros montado en un eje
que acciona el mismo. Paletas, estrechamente introducidas en las cavidades del rotor se
desplazan radialmente sellando contra el anillo. Éste cuenta con dos secciones mayores y dos
menores radiales unidas mediante secciones de transición o rampas. Los contornos y las
presiones introducidas se balancean diametralmente (al igual como ocurre en las bombas de
paletas balanceadas). Algunos diseños incluyen resortes de baja tensión que fuerzan a las
paletas contra el anillo para garantizar el sellado cuando no esté en movimiento, de manera
que el motor pueda desarrollar torque de arranque. Los resortes son asistidos por la fuerza
centrífuga a velocidades más altas. Ranuras y agujeros radiales a través de las paletas
equilibran las fuerzas radiales en las mismas en todo momento.
133
Fluido a presión ingresa y sale de la carcasa del motor a través de aperturas en los platos
laterales en las rampas mencionadas anteriormente. El fluido que ingresa por el pórtico de
entrada mueve al rotor en sentido anti-horario en este caso. El rotor transporta al fluido hacia
las aperturas de rampa en los pórticos de salida para regresar a tanque. Si la presión fuese
introducida por estos pórticos, el motor rotaría en sentido horario.
La separación axial del rotor y los platos laterales se logra mediante la presencia de una
película de aceite. El plato frontal se encuentra sostenido contra el anillo mediante la presión
y mantiene una separación optima incluso con cambios en la misma y temperatura.
Los motores de paletas presentan buenos niveles de eficiencia, aunque no tan altos como la
de los de pistones. Sin embargo, el costo de estos es generalmente menor a caballajes
comparativos. Ahora, la vida útil de un motor de paletas es generalmente mas corta que la de
uno de pistones. Los motores de paletas por lo general tienen una capacidad limitada a baja
velocidad
Motores de hélice: Este motor hidráulico es accionado por una bomba hidráulica, si una bomba
hidráulica y un tanque asociado ya están instalados a bordo, entonces, en la mayoría de los casos,
este conjunto también se puede usar para impulsar el propulsor de proa. Se suministra de serie
una conexión especial de toma de fuerza (PTO) que simplifica enormemente la instalación de la
bomba hidráulica.
134
Motor de leva excéntrica: las levas y excéntricas son mecanismos que transforman el
movimiento circular de un eje en movimiento rectilíneo alternativo. Están formados por una
pieza giratoria, la leva o excéntrica propiamente dicha, y por un elemento que roza en ella:
el seguidor o varilla. Las excéntricas tienen forma circular, con la particularidad de que su
eje de giro no coincide con su centro. Las levas pueden tener cualquier forma, en función del
tipo de movimiento que se pretende que tenga el seguidor.
Motores de pistones: Son los más empleados de todos ya que se consiguen las mayores
potencias trabajando a altas presiones. En función de la posición de los pistones con respecto
al eje.
Motor de pistones radiales: los pistones van dispuestos perpendicularmente al eje del motor.
El principio de funcionamiento es análogo al de los axiales, pero aquí el par se consigue
debido a la excentricidad, que hace que la componente transversal de la fuerza que el pistón
135
ejerce sobre la carcasa sea distinta en dos posiciones diametralmente opuestas, dando lugar
a una resultante no nula que origina el par de giro.
Los motores de pistones radiales tienen un barrilete o cilindro unido a un eje. El mismo
contiene un numero de pistones que reciprocan en cavidades radiales. El lado externo de los
pistones se apoya sobre un anillo impulsor. El fluido a presión ingresa a través de un pin
ubicado en el centro del cilindro para accionar los pistones hacia fuera. Estos son entonces
presionados contra el anillo impulsor y las fuerzas reactivas generan rotación en el barrilete.
Al mover el bloque de deslizamiento en dirección lateral, se cambia la carrera de los pistones,
lo que por ende causa un cambio en el desplazamiento del motor. Cuando la línea central del
barrilete y la carcasa coinciden, el flujo se anula, por lo que el cilindro se detiene. Al mover
el bloque fuera de centro hacia el otro lado invierte la dirección de rotación.
Los motores de pistones radiales son muy eficientes. A pesar de que se requiere un nivel alto
de precisión en la fabricación y que esto implica costos elevados de manufactura, por lo
general tienen una vida útil larga. Proporcionan un torque alto a velocidades relativamente
bajas y una excelente operación a baja velocidad con una alta eficiencia. Cabe destacar que
tienen limitaciones en lo que respecta a velocidades altas.
Motores de pistones axiales: los pistones van dispuestos en la dirección del eje del motor. El
líquido entra por la base del pistón y lo obliga desplazarse hacia fuera. Como la cabeza del
pistón tiene forma de rodillo y apoya sobre una superficie inclinada, la fuerza que ejerce
sobre ella se descompone según la dirección normal y según la dirección tangencial a la
superficie. Esta última componente la obligará a girar, y con ella solidariamente, el eje sobre
136
la que va montada. Variando la inclinación de la placa o el basculamiento entre el eje de
entrada y salida se puede variar la cilindrada y con ella el par y la potencia. Los motores de
pistones axiales también utilizan el principio de movimiento reciprocante para accionar el eje
principal, pero lo hace de manera axial en vez de radial. Sus características en cuanto a la
eficiencia son similares a las de los motores de pistones radiales. Presentan un costo que
inicialmente es mas alto que los de paletas o engranajes de caballaje comparable. Al igual
que los de pistones radiales, presentan una vida útil larga por lo que el costo alto inicial no
refleja verdaderamente los costos generales esperados durante la vida útil del equipo. Por lo
general, los motores de pistones axiales presentan excelente capacidad a altas velocidades. A
diferencia de los motores de pistones radiales, presentan como se esperaba, limitaciones a
bajas velocidades. Por lo general, los motores de configuración en línea operan sin problemas
a velocidades tan bajas como el 100 rpm y los de eje inclinado hasta 4 rpm.
137
Instrumentos específicos con actuadores hidráulicos.
Servomotores hidráulicos, consisten en una bomba de accionamiento eléctrico que
suministra fluido hidráulico a un servo válvula. La señal del instrumento de control actúa
sobre el servo válvula que dirige el fluido hidráulico a los dos lados de un pistón actuador
hasta conseguir, mediante una retroalimentación, la posición exacta de la válvula.
Otro modelo de pistón es parecido al servomotor de diafragma, por un lado, es alimentado
por el fluido hidráulico y por el otro tiene un resorte. Los servomotores hidráulicos se
caracterizan por ser extremadamente rápidos, potentes y suaves, si bien su coste es elevado,
por lo que sólo se emplean cuando los servomotores neumáticos no pueden cumplir con las
especificaciones de servicio.
Válvulas Direccionales. Veamos cómo se comanda un cilindro de simple efecto con una
válvula direccional de tres vías dos posiciones
vemos la válvula física y simbólicamente representada en sus distintas posiciones de
funcionamiento.
La simbología de las válvulas direccionales cumple con los siguientes lineamientos:
Cada posición se indica con un cuadrado en el que se dibujan con flechas las
conexiones que la válvula realiza en dicha posición.
Las Vías u orificios principales de conexión de la válvula se llaman así P = Presión,
T = Tanque, A y B conexiones de utilización, es decir van a las bocas del cilindro o
138
motor hidráulico.
En la figura 20 vemos como ejemplo de esto a la válvula 4vias dos posiciones.
Válvula 4 vías - 2 posiciones, (Figura No.14.), la válvula tiene dos entradas más de fluido,
en el caso que sea pilotada hidráulicamente, los pilotos se denominan X e Y, o bien están
numerados.
Las formas de mando de las válvulas pueden ser:
Manuales (palanca, pedal, botón).
Eléctrica a través de bobinas (Solenoides).
Neumática con pilotos neumáticos.
Hidráulica con pilotos hidráulicos.
Lo más usual son los mandos electro hidráulicos, es decir se colocan dos válvulas en cascada,
una válvula pequeña mandada eléctricamente , maneja a través de pilotos hidráulicos a una
válvula grande.
139
Válvulas hidráulicas: Las válvulas son elementos indispensables en las conducciones de
regadío y tienen la finalidad de interrumpir la circulación del agua cuando ha terminado el
tiempo de riego o bien aislar uno o varios tramos de la conducción para realizar reparaciones
y trabajos de mantenimiento sin necesidad de vaciar todo el circuito. Asimismo, regulan el
caudal y la presión del agua de riego, controlar el gasto y otros parámetros.
Las válvulas hidráulicas pueden realizar todas estas funciones: abrir, cerrar y regular el paso
del agua en la tubería donde van instaladas, utilizando para ello la energía propia del agua
que circula a través de ellas.
La importancia de este tipo de accesorios se debe, precisamente, al hecho de ser autónomas
y no necesitar para su funcionamiento ningún aporte de energía del exterior, si bien son
susceptibles de recibir órdenes eléctricas de funcionamiento a través de solenoides de bajo
consumo. Todo esto las hace especialmente indicadas para la regulación de presiones,
caudales, niveles en depósitos, etc., en las redes de riego.
Composición. La válvula hidráulica se compone generalmente de tres partes principales:
La válvula básica o cuerpo, que es el elemento que abre, cierra o modifica el paso
de agua.
Uno o varios pilotos encargados de dirigir la válvula básica.
140
El circuito de control, que incluye filtro de protección, llaves manuales,
microtubos, dispositivos de regulación, etc., y las conexiones de todos estos
elementos con la válvula básica, con los pilotos y con la red de tubería.
Funcionamiento. El funcionamiento de estas válvulas es sencillo. Un piloto, perfectamente
regulado desde fábrica, recibe la información a través del circuito de control del parámetro
que debe controlar (caudal, presión, nivel de agua…). Ante cualquier variación de los datos
recibidos, el piloto hace reaccionar el pistón o diafragma de la válvula posicionándolo de
nuevo, de manera que se alcance la consigna preestablecida
Según el sistema de accionamiento –o el tipo de obturador-, pueden ser de pistón o de
diafragma. Para operar con aguas no muy limpias, como son las de riego, el pistón está
totalmente desaconsejado, ya que las impurezas que transporta el agua se introducen entre el
pistón y la camisa que le envuelve, eliminando la estanqueidad y necesitando, por tanto, un
gran mantenimiento.
Clasificación. Según el número de cámaras que contengan la válvula pueden ser de cámara
simple o de cámara doble. Las cámaras son espacios independientes utilizados para, con la
ayuda de la presión hidráulica del circuito, posicionar el diafragma de la válvula y por tanto
variar su grado de apertura.
141
Con respecto a las válvulas de diafragma, según la forma de su cuerpo, encontraremos
válvulas con forma de "Y", con forma de "globo" o en forma de "ángulo".
Funcionamiento básico:
Para cerrar la válvula introducimos agua a presión en la cámara de tal forma que la ecuación
de fuerzas resultante sea: P3xA2 > P1xA1. Observamos una válvula de cámara simple y otra
de cámara doble, ambas cerradas, pues se ha puesto en comunicación la presión de aguas
arriba con la cámara [podemos observar, en la parte derecha de la Figura No.18, una válvula
de tres vías instalada en el circuito que se utiliza para el cierre y apertura manual de la válvula,
poniendo en comunicación la presión hidráulica de aguas arriba con la cámara –cerrar- o bien
desalojando la presión hidráulica de la cámara a la atmósfera –abrir-]
Para abrir la válvula, liberamos el agua de la cámara y la ecuación se transforma en P3xA2 <
P1xA1.
142
Mediante la presión P3 ejercida en la cámara puede modificarse el equilibrio de las fuerzas
que actúan en la válvula y con ello los parámetros del flujo en la conducción.
La apertura y cierre de la válvula puede efectuarse manualmente (maniobrando directamente
sobre la llave del circuito de control como hemos visto) o bien mediante el uso de solenoides.
dispositivos que, utilizando la corriente eléctrica, actúan de forma automática sobre el
circuito de control.
Ventajas.
Las ventajas que presentan los actuadores de esta naturaleza son:
Altos índices entre potencia y carga.
Mayor exactitud.
143
Respuesta de mayor frecuencia.
Desempeño suave a bajas velocidades.
Amplio rango de velocidad.
Produce más fuerza que un sistema neumático del mismo tamaño.
Desventajas.
Continuo mantenimiento.
Altos costos de adquisición.
Altos costos de mantenimiento y reparación.
Requerimiento de varios equipos para suministro de energía.
Criterios de selección.
Puesto que existe una gran variedad de actuadores hidráulicos e instrumentos con estos
equipamientos, se debe ser muy metódico y critico al instante de adquirir o preordinar uno
de estos.
Algunos de estos criterios son:
Rango de operación adecuado.
Dimensiones del equipo.
Constitución de los materiales (puesto que no todos los materiales se pueden emplear
para los mismos procesos)
Uso que se le dará.
Presión hidráulica de suministro.
Proceso para el que se adecuara.
Accionamiento del actuador (efecto simple o efecto doble)
3.3 Actuadores neumáticos
Son los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico.
Aunque en esencia son idénticos a los actuadores hidráulicos, el rango de compresión es
mayor en este caso, además de que hay una pequeña diferencia en cuanto al uso y en lo que
se refiere a la estructura, debido a que estos tienen poca viscosidad.
144
En esta clasificación aparecen los fuelles y diafragmas, que utilizan aire comprimido y
también los músculos artificiales de hule, que últimamente han recibido mucha atención.
Cilindros neumáticos
Los cilindros neumáticos se clasifican por la forma de realizar su trabajo y tipo de operación.
En la industria se utilizan los siguientes tipos
Cilindro neumático de efecto simple: son cilindros utilizados para operaciones limitadas,
pues realizan el trabajo en un solo sentido y necesitan de un resorte para regresar el embolo
interno. Su eficiencia es menor con respecto a otros tipos de cilindros neumáticos
145
Características:
Estos cilindros tienen una sola conexión de aire comprimido.
No pueden realizar trabajos más que en un sentido.
Se necesita aire sólo para un movimiento de traslación.
El vástago retorna por el efecto de un mue le incorporado o de una fuerza
externa.
El resorte incorporado se calcula de modo que haga regresar el émbolo a su
posición inicial a una velocidad suficientemente
Cilindros neumáticos de doble efecto: este tipo de cilindros no necesita de un resorte interno,
pues está diseñado para realizar el trabajo en ambos sentidos. Los cilindros de doble efecto
tienen mayores aplicaciones en la industria además pueden hacer trabajos más precisos
De los cilindros neumáticos de doble efecto pueden existir los siguientes tipos:
•
Cilindro neumático de impacto
•
Cilindro neumático de fuelle
•
Cilindro neumático multiposición
•
Cilindro neumático guiado
•
Cilindro neumático sin vástago
146
Características:
•
La fuerza ejercida por el aire comprimido anima al émbolo, en cilindros de
doble efecto, a realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos.
•
Se dispone de una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno
•
Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el
émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial.
•
En principio, la carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener en
cuenta el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago salido.
Criterios selección de los Cilindros Neumáticos
Al seleccionar un cilindro neumático, es importante tener en cuenta todos los aspectos del
entorno operativo para asegurarse que se toma la decisión correcta.
Los factores ambientales a veces se pueden pasar por alto al seleccionar un cilindro
neumático, pero son importantes si los ingenieros de diseño desean optimizar el
funcionamiento, maximizar la vida útil y garantizar la fiabilidad.
Los factores a considerar incluyen la temperatura ambiente, medios operativos / productos
químicos y otros fluidos o materiales presentes:
•
Entornos explosivos
•
Temperatura de funcionamiento
•
Entornos corrosivos
•
Ambientes limpios
Aplicaciones
Los cilindros neumáticos cuentan con infinidad de aplicaciones en la industria, pues facilitan
y hacen más eficientes los procesos. Entre las aplicaciones más comunes de los cilindros
neumáticos se encuentran:
•
Empaque y embalaje de productos
147
•
Automatización de procesos de manufactura
•
Apertura de compuertas
•
Llenado de botellas
•
Transportadoras
•
Paletizadoras
Motores neumáticos
Un motor neumático o motor de aire comprimido es un tipo de motor que realiza un trabajo
mecánico por expansión de aire comprimido. Los motores neumáticos generalmente
convierten el aire comprimido en trabajo mecánico a través de un movimiento lineal o
principalmente rotativo.
Los motores neumáticos son una fuente versátil de potencia, la cual puede usar clases de
operaciones donde se requiere un arrastre mediante giro. Estos tienen muchas ventajas sobre
los motores eléctricos y algunas veces llegan a ser el único método factible de operación.
Ideales para operaciones de mezclado, bandas transportadoras y entornos libres de chispa
eléctrica.
Características comunes a los motores neumáticos.
•
Diseño compacto y ligero. Un motor neumático pesa menos que un motor
eléctrico de la misma potencia y tiene un volumen más pequeño.
•
Los motores neumáticos desarrollan más potencia con relación a su tamaño que
la mayoría de los otros tipos de motores.
•
El par del motor neumático aumenta con la carga.
•
Los motores neumáticos no se dañan cuando se bloquean por sobrecargas y no
importa el tiempo que estén bloqueados. Cuando la carga baja a su valor normal,
el motor vuelve a funcionar correctamente.
•
Los motores neumáticos, se pueden arrancar y parar de forma ilimitada. El
arranque, el paro y el cambio de sentido de giro son instantáneos, incluso cuando
el motor esté trabajando a plena carga.
•
Control de velocidad infinitamente variable.
•
Par y potencia regulables respecto a la variando la presión de trabajo.
148
•
Como no hay ninguna parte eléctrica en el motor, la posibilidad de que se
produzca una explosión en presencia de gases inflamables es reducida.
•
Cuando el motor gira, el aire expandido enfría el motor. Por esto, los motores
pueden usarse en ambientes con temperaturas altas (70 grados centígrados).
Motor neumático con engranaje
En este tipo de motor, el par de rotación es engendrado por la presión que ejerce el aire sobre
los flancos de los dientes de piñones engranados. Uno de los piñones es solidario con el eje
del motor. Estos motores de engranaje sirven de máquinas propulsoras de gran potencia 44
kW (60 CV). El sentido de rotación de estos motores, equipados con dentado recto o
helicoidal, es reversible.
Como se puede observar, el motor está compuesto de dos engranajes, uno de ellos está
conectado con el eje del motor, y el otro, transmite movimiento al otro engranaje. Este tipo
de motor es de bajo rendimiento, porque consume más energía que la que transmite. Pero, es
capaz de dar 60 cv de potencia.
Características
•
Regulación sin escalones de la velocidad de rotación y del par motor
•
Gran selección de velocidades de rotación
•
Pequeñas dimensiones (y reducido peso)
Motores neumáticos de paletas
149
Estos motores tienen un rotor montado excéntricamente en un cilindro, con paletas
longitudinales alojadas en ranuras a lo largo del rotor.
El par se origina cuando el aire a presión actúa sobre las paletas. El número de paletas suele
ser de 4 a 8. Normalmente cuatro o cinco paletas son suficientes para la mayoría de las
aplicaciones. Se utilizan mayor número de paletas cuando se necesita mejorar la fiabilidad
de la máquina y su par de arranque. Los motores de paletas giran desde 3000 a 25000 R.P.M.,
en vacío. Como norma general, los motores deben trabajar con una precarga para evitar que
giren a velocidades altas.
Al girar en vacío el motor, el número de veces que las paletas rozan sobre el cilindro es casi
doble que en carga. Esto supone un desgaste innecesario de las paletas y de la pared del
cilindro sobre la que deslizan. La vida de las paletas se prolongará a varios cientos de horas
trabajando el motor a velocidades moderadas y metiendo aire al motor debidamente limpio
y lubricado con aceite en suspensión.
Los motores de paletas giran a velocidades más altas y desarrollan más potencia en relación
con su peso que los motores de pistones, sin embargo, tienen un par de arranque menos
efectivo.
150
Criterios de selección del motor neumático
El motor que se va a utilizar debe ser seleccionado a partir del momento de torsión requerido
a un régimen de revoluciones específico. En otras palabras, para seleccionar un motor
debemos conocer el régimen de revoluciones y el momento de torsión requeridos.
Dado que la potencia máxima se logra a la mitad del régimen de revoluciones, la elección
debe recaer sobre un motor cuya potencia máxima se encuentre lo más cerca posible del
punto al que queremos llegar.
Debido al principio de regulación del motor neumático, a medida que se lo frena aumenta el
momento de torsión, que a su vez intenta aumentar el régimen de revoluciones y así
151
sucesivamente; lo que lleva a concluir que el motor tiene incorporada una especie de
autorregulación de revoluciones.
Utilizar los diagramas siguientes para seleccionar el motor correcto y en caso de necesidad
también el engranaje correcto
Aplicación
Los motores de paletas son utilizados en un sinnúmero de aplicaciones, las más indicadas
son para operación liviana a media a grandes velocidades de giro del eje. Para bajas
velocidades de giro con altos torques están disponibles una gran cantidad de moto reductores.
Las aplicaciones más típicas de los motores neumáticos de paletas son:
•
•
•
•
•
•
•
•
Equipos de mezcla y agitadores.
Ventiladores
Accionamiento de bombas
Polipastos y aparejos
Cintas transportadoras
Mesas giratorias
Máquinas de embalaje
Minería
Motores neumáticos de pistón
Los motores neumáticos de pistones tienen de 4 a 6 cilindros. La potencia se desarrolla bajo
la influencia de la presión encerrada en cada cilindro. Trabajan a revoluciones más bajas que
los motores de paletas. Tienen un par de arranque elevado y buen control de su velocidad. Se
emplean para trabajos a baja velocidad con grandes cargas
152
Trabajan a revoluciones más bajas que los motores de paletas. Tienen un par de arranque
elevado y buen control de su velocidad. Se emplean para trabajos a baja velocidad con
grandes cargas. Pueden tener los pistones colocados axial o radialmente.
El trabajo lo produce el aire comprimido sobre los pistones alojados en cada cilindro. La
mayor restricción de los motores neumáticos de pistones es su baja eficiencia comparada con
los motores eléctricos, debido a las mermas de aire presurizado dentro de las cámaras, donde
éstas han sido poco a poco minimizadas en los cilindros neumáticos por el desarrollo de
técnicas de sellado efectivo.
Características
•
Opciones modulares del motor, freno, engranaje y válvula de control.
•
Control de velocidad variable.
•
Intrínsecamente seguro en entornos peligrosos (p.ej., minas, petroquímicas, etc.).
•
Reversible al instante.
•
Resistente a condiciones de suciedad y humedad.
•
Arranque positivo.
•
Diseño robusto.
Criterios de selección
-Selección del motor.
153
Lo primero que debe saberse es la velocidad a la que debe trabajar el motor y el par para esa
velocidad. La combinación de ambas variables nos indicará la potencia del motor. Entre todos
los motores posibles que den las características que buscamos hay que elegir el que da
máxima potencia para los valores buscados.
Asegurarse de que se ha elegido el valor de par adecuado. (No el par de arranque o bloqueo,
sino el del motor girando a la velocidad seleccionada.)
-Aire comprimido.
Las características de los motores se han definido para la presión de trabajo y el caudal de
aire comprimido que figura en el folleto del motor.
Esta presión es la del aire que llega al motor, medida en la boca de entrada del mismo y
cuando el motor está trabajando.
La instalación de aire debe tener la sección suficiente para que el caudal de aire que necesita
el motor le llegue sin pérdidas de presión.
Las características del motor pueden ser modificadas de varias maneras:
•
Regulando la presión de entrada de aire al motor,
•
Reduciendo la cantidad de aire que llega al motor se consiguen resultados
parecidos al actuar sobre la presión de entrada. Se bajan las revoluciones y el par
disminuye en mayor medida.
•
Estrangulando el escape de aire puede bajarse en mayor proporción la velocidad,
con lo que el par motor disminuye menos. Cuando se quieran silenciar los
escapes, para disminuir el ruido de los motores, hay que poner el silencioso
adecuado al caudal de aire que sale del motor.
-Tratamiento del aire.
El aire que llega al motor debe de estar limpio y engrasado.
Hay que colocar cerca la entrada de aire a los motores un filtro de aire, seguido de un
regulador de presión y de un lubricador. Asegurarse que estos componentes tienen la
capacidad necesaria para los motores que se van a usar. El elemento filtrante del filtro de aire
154
tiene que ser de 64 micrones o menos. El lubricador tiene que regularse para que se viertan
en la corriente de aire de 2 a 4 gotas de aceite por minuto cuando el motor trabaje en régimen
continuo.
Motor rotatorio ó rotativo
Descripción
El motor rotativo fue uno de los primeros tipos de motores de combustión interna en el cual
el cigüeñal permanece fijo y el motor entero gira a su alrededor. El diseño fue muy usado en
los años anteriores a la Primera Guerra Mundial y durante esta para propulsar aviones, y
también en algunos de los primeros autos y motocicletas.
A principios de los años 20 del siglo XX el motor rotativo comenzó a volverse obsoleto,
principalmente debido a su bajo par motor, consecuencia de la forma en que trabaja el motor.
También estaba limitado por su restricción inherente dada por la forma de aspirar la mezcla
de aire/combustible a través del cigüeñal y cárter hueco, que afectan directamente a su
rendimiento volumétrico. Sin embargo, en su tiempo fue una solución muy eficiente para los
problemas de potencia, peso y fiabilidad.
Aplicaciones
Los motores rotativos son usados en múltiples disciplinas de potencia vehicular desde su
creación donde generaba muchos conflictos hasta la invención del motor rotativo Wankel el
cual tiene muchas áreas de uso como las siguientes:
•
Motocicletas
•
Automóviles
•
Aviones
•
Moto nieves
•
Herramientas
•
Recreación
155
Característica
Es un motor de combustión interna que funciona de una manera completamente diferente a
los motores alternativos. Es un motor rotativo de cuatro tiempos, pero en zonas distintas del
estátor o bloque, con el pistón moviéndose sin detenciones de un tiempo a otro.
Tipos de actuadores neumáticos.
-Actuador de diafragma.
El actuador tipo diafragma se puede usar para una válvula de control general. La presión de
señal P del actuador neumático del diafragma actúa sobre el diafragma para deformarlo, y
mueve la varilla de empuje del diafragma para que se mueva, de modo que el ajuste de la
válvula se desplaza, cambiando así La apertura de la válvula. Tiene una estructura simple,
bajo precio, mantenimiento conveniente y amplia aplicación.
Los actuadores neumáticos de diafragma tienen dos formas de acción directa y acción
inversa. Cuando la presión de la señal del controlador o del posicionado de la válvula
aumenta, el movimiento hacia abajo del vástago de la válvula se denomina actuador de acción
positiva; Cuando la presión de la señal aumenta, el movimiento hacia arriba del vástago de
la válvula se llama un actuador contrarrestarte. La presión de señal del actuador de acción
156
positiva se pasa a la cámara de aire del diafragma por encima del diafragma corrugado; La
presión de la señal del actuador contrarrestarte se pasa a la cámara de aire del diafragma
debajo del diafragma corrugado. Al reemplazar partes individuales, las dos se pueden adaptar
entre sí.
Actuadores neumáticos de yugo escocés.
Los actuadores neumáticos de yugo escocés se utilizan para servicios pesados y de alta
frecuencia, que se ensambla con válvulas de torque grandes. Garantiza la seguridad continua
y la resistencia a la corrosión durante las condiciones más peligrosas.
El mecanismo de yugo de acero simétrico e inclinado del actuador neumático de tipo yugo
escocés de alta potencia permite dos tipos de características de salida de par. Entre ellos, el
mecanismo de yugo escocés inclinado de acero tiene un par de arranque muy alto y un par
de funcionamiento más bajo, que es adecuado para el control de válvulas de mariposa; El
mecanismo simétrico de yugo escocés de acero tiene una curva de par más equilibrada, que
es principalmente adecuada para válvulas de bola y de tapón.
157
Actuador de cremallera y piñón.
El actuador neumático de tipo cremallera y piñón tiene las características de estructura
compacta, apariencia hermosa, respuesta rápida, operación estable y larga vida útil. Todos
los accesorios adoptan la tecnología de tratamiento anticorrosión más avanzada, que puede
adaptarse a diversas condiciones de trabajo adversas. Su temperatura alta y baja y varios
actuadores de carrera especiales tienen un buen rendimiento en diversos campos de
aplicación.
Sus características son las siguientes:
•
Estructura compacta de piñón y cremallera doble, malla precisa, alta eficiencia y
par de salida constante.
•
El cilindro de aluminio, el pistón y la cubierta final tienen el peso más ligero en
comparación con el actuador de la misma estructura de especificación.
•
El cuerpo del cilindro está hecho de aleación de aluminio extruido y se trata con
oxidación anódica dura. La superficie interna tiene una textura dura, alta
resistencia y dureza. El rodamiento deslizante hecho de materiales de baja fricción
evita el contacto directo entre metales, tiene bajo coeficiente de fricción, rotación
flexible y larga vida útil.
158
•
Las dimensiones de instalación y conexión de actuadores neumáticos y válvulas
están diseñadas de acuerdo con los estándares internacionales ISO5211, DIN3337
y VDI / VDE3845, y pueden intercambiarse con actuadores neumáticos comunes.
•
Los tornillos de ajuste en ambos extremos pueden ajustar el ángulo de apertura de
la válvula.
Válvulas de distribución
Las válvulas de distribución o válvulas de vías, tienen por misión dirigir el aire hacia
diferentes conductos en función de una o varias señales de mando. Estas señales de mando
pueden ser mecánicas, eléctricas, neumáticas, etc. Salvo excepciones para casos de control
muy fino, estas válvulas son todo o nada, y no funcionan de forma proporcional.
Una válvula de distribución queda especificada por el número de vías y posiciones:
•
El número de vías es el número de conductos que pueden ser conectados a la
válvula. Las diferentes conexiones que pueden establecerse entre los conductos
es lo que se denomina posición. Para identificar una válvula se indica el número
de vías y el número de posiciones separados por una barra. De esta forma una
válvula 5/2 indica que es de cinco vías y dos posiciones.
•
La representación de las válvulas tanto en un diagrama esquemático como en el
mismo dispositivo físico sigue el siguiente convenio:
•
Las posiciones se representan por cuadros contiguos.
•
El número de cuadros corresponde al número de posiciones.
159
•
En el interior del cuadro se indican las conexiones que se establecen en esa
posición mediante flechas (conexión) o trazos transversales que indican bloqueo.
•
Las vías se representan en un solo cuadro y externo al mismo mediante trazos
perpendiculares.
•
En el funcionamiento de la válvula, se supone que las vías permanecen quietas
mientras los cuadros se desplazan estableciendo conexiones o cierres en las
mismas.
•
Las vías conectadas son las correspondientes al estado de reposo y el paso entre
posiciones viene dado por diferentes elementos de mando, cuya naturaleza puede
ser mecánica, eléctrica, magnética, o neumática
•
En los extremos de las válvulas se representa el tipo de mando asociado al
movimiento de los cuadros (posiciones).
se muestran las representaciones de diferentes tipos de electroválvulas atendiendo a su
número de vías y posiciones:
•
Válvula 2/2: Se utiliza para abrir o cerrar el paso de aire a una zona del circuito.
Si se desea controlar un cilindro de simple efecto harían falta dos de estas válvulas
funcionando de forma complementaria.
•
Válvula 3/2: Se utiliza para el mando de cilindros de simple efecto.
•
Válvula 5/2: Es de las válvulas más frecuentes puesto que su aplicación habitual
es el control de cilindros de doble efecto.
•
Válvula 4/2: Permiten el control de un cilindro de doble efecto. Su construcción
es más compleja que la 5/2 que cumple la misma función, por lo que es menos
frecuente.
•
Válvulas 4/3 y 5/3: Similar a las válvulas 4/2 y 5/2, pero con una posición
intermedia de reposo en la que todas las vías son bloqueadas.
Las válvulas también pueden actuar como sensores. Por ejemplo, una válvula, accionada
mediante rodillo, puede actuar como sensor de fin de carrera. Por ejemplo, al expandirse o
contraerse un cilindro, presionaría sobre el rodillo, activando la válvula.
160
Las distintas vías de las válvulas siguen distintas nomenclaturas, entre las que se encuentran
la DIN 24300 y la CETOP (Comité Europeo de fluidos). Los símbolos para “Fuente de
presión” y “Escape de aire” se muestran a continuación.
Sistemas monoestables y biestables
Atendiendo a sus posiciones, las válvulas pueden ser monoestables o biestables
Válvulas monoestables. Son aquellas que tienen una posición de reposo estable, que es en la
que permanecerá la válvula de forma indefinida si no actúa sobre ella el dispositivo de
mando. El regreso a la posición de reposo suele realizarse con un muelle; así en el caso de
válvula monoestable de dos posiciones, la posición estable será la correspondiente al muelle,
que por convenio suele situarse a la derecha. En el caso de tres posiciones la posición estable
es la central.
Válvulas biestables. Son aquellas que no tienen una única posición de reposo estable. Es
decir, que, aunque se anule la señal que provocó la posición en la que se encuentra, la válvula
seguirá en esa misma posición hasta que se active la señal correspondiente a una nueva
posición. El dispositivo de mando y la forma en que se activa cada posición en la válvula se
representa simbólicamente añadiendo en la parte lateral del cuadrado el símbolo del
accionamiento correspondiente.
161
Selección de actuadores neumáticos.
Antes de seleccionar un actuador neumático, verifique y confirme el par de la válvula. Luego
aumente el factor de seguridad del par según el medio específico. Por ejemplo, aumenta el
valor de seguridad en un 25% para vapor de agua o medio líquido no lubricante; aumentar el
valor de seguridad en un 30% para medio líquido de suspensión no lubricante. Cuando el par
de la válvula es de 210NM, la presión de la fuente de aire es de solo 5bar, y el medio es vapor
de agua no lubricado, considerando factores de seguridad, aumenta el valor de seguridad en
un 25%, que es 262NM, y busca el aire de acuerdo con la doble mesa de par de salida de
acción. El valor de par correspondiente cuando la presión de la fuente es de 5 bar. Debe elegir
277NM, el modelo es AT300.
Modelo
2.5bar
3.0bar
3.5bar
4.0bar
4.5bar
5.0bar
5.5bar
6.0bar
7.0bar
8.0bar
11.6
13.3
15
16.6
18.3
19.9
23.3
26.6
AT20
8.3
AT40
14.7
17.6
20.5
23.5
26.4
29.3
32.2
35.2
41
46.9
AT80
29.1
34.9
40.7
46.5
52.3
58.2
64
69.8
81.4
93
AT130
45.7
54.9
64
73.2
82.3
91.5
101
110
128
146
AT200
66.5
79.7
93
106
120
133
146
160
186
213
AT300
138
166
194
221
249
277
304
332
387
443
AT500
217
261
304
348
391
434
478
521
608
695
AT850
283
340
397
453
510
567
623
680
793
907
AT1200
383
459
536
612
689
765
842
918
1071
1224
AT1750
531
638
744
850
956
1063
1169
1275
1488
1700
AT2500
935
1122
1309
1496
1683
1870
2057
2244
2618
2992
AT4000
1347
1617
1886
2156
2425
2695
2964
3234
3772
4311
10
3.4 Tipos de Válvulas
Una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede iniciar, detener
o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre,
cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos.
Las válvulas son unos de los instrumentos de control más esenciales en la industria. Debido
a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular,
162
modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más
corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van desde una fracción de pulgada hasta 30 ft (9 m) o más
de diámetro. Pueden trabajar con presiones que van desde el vació hasta más de 20000 lb/in²
(140 Mpa) y temperaturas desde las criogénicas hasta 1500 °F (815 °C). En algunas
instalaciones se requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen
importancia.
La palabra flujo expresa el movimiento de un fluido, pero también significa para nosotros la
cantidad total de fluido que ha pasado por una sección de terminada de un conducto. Caudal
es el flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de fluido que circula por una sección
determinada del conducto en la unidad de tiempo.
Válvula de control.
La válvula automática de control generalmente constituye el último elemento en un lazo de
control instalado en la línea de proceso y se comporta como un orificio cuya sección de paso
varia continuamente con la finalidad de controlar un caudal en una forma determinada.
Partes de la válvula de control.
Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son: la parte motriz o actuador
y el cuerpo.
•
Actuador: el actuador también llamado accionador o motor, puede ser neumático,
eléctrico o hidráulico, pero los más utilizados son los dos primeros, por ser las más
sencillas y de rápidas actuaciones. Aproximadamente el 90% de las válvulas
utilizadas en la industria son accionadas neumáticamente. Los actuadores neumáticos
constan básicamente de un diafragma, un vástago y un resorte tal como se muestra en
lLo que se busca en un actuador de tipo neumático es que cada valor de la presión
recibida por la válvula corresponda una posición determinada del vástago. Teniendo
en cuenta que la gama usual de presión es de 3 a 15 lbs/pulg² en la mayoría de los
actuadores se selecciona el área del diafragma y la constante del resorte de tal manera
que un cambio de presión de 12 lbs/pulg², produzca un desplazamiento del vástago
igual al 100% del total de la carrera.
163
•
Cuerpo de la válvula: este está provisto de un obturador o tapón, los asientos del
mismo y una serie de accesorios. La unión entre la válvula y la tubería puede hacerse
por medio de bridas soldadas o roscadas directamente a la misma. El tapón es el
encargado de controlar la cantidad de fluido que pasa a través de la válvula y puede
accionar en la dirección de su propio eje mediante un movimiento angular. Esta unido
por medio de un vástago al actuador.
Categorías de válvulas.
Debido a las diferentes variables, no puede haber una válvula universal; por tanto, para
satisfacer los cambiantes requisitos de la industria se han creado innumerables diseños y
variantes con el paso de los años, conforme se han desarrollado nuevos materiales. Todos los
tipos de válvulas recaen en nueve categorías: válvulas de compuerta, válvulas de globo,
válvulas de bola, válvulas de mariposa, válvulas de apriete, válvulas de diafragma, válvulas
de macho, válvulas de retención y válvulas de desahogo (alivio).
Estas categorías básicas se describen a continuación. Sería imposible mencionar todas las
características de cada tipo de válvula que se fabrica y no se ha intentado hacerlo. Más bien
164
se presenta una descripción general de cada tipo en un formato general, se dan
recomendaciones para servicio, aplicaciones, ventajas, desventajas y otra información útil
para el lector.
Válvulas de compuerta.
La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un disco
vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento.
Aplicaciones
Servicio general, aceites y petróleo, gas, aire, pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor,
gases y líquidos no condensables, líquidos corrosivos.
Ventajas
Alta capacidad.
Cierre hermético.
Bajo costo.
Diseño y funcionamiento sencillos. Poca resistencia a la circulación.
Desventajas
Control deficiente de la circulación.
Se requiere mucha fuerza para accionarla.
Produce cavitación con baja caída de presión.
165
Debe estar cubierta o cerrada por completo.
La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco.
Válvulas de macho
La válvula de macho es de ¼ de vuelta, que controla la circulación por medio de un macho
cilíndrico o cónico que tiene un agujero en el centro, que se puede mover de la posición
abierta a la cerrada mediante un giro de 90 grados.
Recomendada para:
Servicio con apertura total o cierre total.
Para accionamiento frecuente.
Para baja caída de presión a través de la válvula.
Para resistencia mínima a la circulación.
Para cantidad mínima de fluido atrapado en la tubería.
Aplicaciones:
Servicio general, pastas semilíquidas, líquidos, vapores, gases, corrosivos.
Ventajas:
Alta capacidad.
Bajo costo.
166
Cierre hermético.
Funcionamiento rápido.
Desventajas
Requiere alta torsión (par) para accionarla.
Desgaste del asiento.
Cavitación con baja caída de presión.
Variaciones
Lubricada, sin lubricar, orificios múltiples.
Materiales
Hierro, hierro dúctil, acero al carbono, acero inoxidable, aleación 20, Monel, níquel,
Hastelloy, camisa de plástico.
Válvulas de globo
Una válvula de globo es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un
disco o tapón que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con
la circulación en la tubería.
Recomendada para
Estrangulación o regulación de circulación.
Para accionamiento frecuente.
167
Para corte positivo de gases o aire.
Cuando es aceptable cierta resistencia a la circulación.
Aplicaciones
Servicio general, líquidos, vapores, gases, corrosivos, pastas semilíquidas.
Ventajas
Estrangulación eficiente con estiramiento o erosión mínimos del disco o
asiento.
Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el
tiempo y desgaste en el vástago y el bonete.
Control preciso de la circulación.
Disponible con orificios múltiples.
Desventajas
Gran caída de presión. Costo relativo elevado.
Variaciones:
Normal (estándar), en "Y", en ángulo, de tres vías.
Materiales:
Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, plásticos.
Válvulas de bola
Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos
elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando
se gira la bola 90° y cierra el conducto
168
Recomendada para:
Para servicio de conducción y corte, sin estrangulación.
Cuando se requiere apertura rápida.
Para temperaturas moderadas.
Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación.
Aplicaciones:
Servicio general, altas temperaturas, pastas semilíquidas.
Ventajas:
Bajo costo.
Alta capacidad.
Corte bidireccional.
Circulación en línea recta.
Pocas fugas.
Se limpia por si sola.
Poco mantenimiento.
No requiere lubricación.
Tamaño compacto.
Cierre hermético con baja torsión (par).
Desventajas
Características deficientes para estrangulación.
Alta torsión para accionarla.
169
Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras. Propensa a la cavitación.
Corte bidireccional.
Circulación en línea recta.
Pocas fugas.
Se limpia por si sola.
Poco mantenimiento.
No requiere lubricación.
Tamaño compacto.
Cierre hermético con baja torsión (par).
Desventajas
Características deficientes para estrangulación.
Alta torsión para accionarla.
Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras.
Propensa a la cavitación.
Válvulas de mariposa
La válvula de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la circulación por medio de un disco
circular, con el eje de su orificio en ángulos rectos con el sentido de la circulación
170
Recomendada para
Servicio con apertura total o cierre total.
Servicio con estrangulación.
Para accionamiento frecuente.
Cuando se requiere corte positivo para gases o líquidos.
Cuando solo se permite un mínimo de fluido atrapado en la tubería. Para baja
ciada de presión a través de la válvula.
Aplicaciones
Servicio general, líquidos, gases, pastas semilíquidas, líquidos con sólidos en suspensión.
Ventajas
Ligera de peso, compacta, bajo costo.
Requiere poco mantenimiento.
Número mínimo de piezas móviles.
No tiene bolas o cavidades.
Alta capacidad.
Circulación en línea recta. Se limpia por si sola.
Desventajas
Alta torsión (par) para accionarla.
Capacidad limitada para caída de presión. Propensa a la cavitación
Válvulas de diafragma
Las válvulas de diafragma son de vueltas múltiples y efectúan el cierre por medio de un
diafragma flexible sujeto a un compresor. Cuando el vástago de la válvula hace descender el
compresor, el diafragma produce sellamiento y corta la circulación
171
Recomendada para
Servicio con apertura total o cierre total.
Para servicio de estrangulación.
Para servicio con bajas presiones de operación.
Aplicaciones
Fluidos corrosivos, materiales pegajosos o viscosos, pastas semilíquidas fibrosas, lodos,
alimentos, productos farmacéuticos.
Ventajas
Bajo costo.
No tienen empaquetaduras.
No hay posibilidad de fugas por el vástago.
Inmune a los problemas de obstrucción, corrosión o formación de gomas en los
productos que circulan.
Desventajas
Diafragma susceptible de desgaste.
Elevada torsión al cerrar con la tubería llena.
172
Variaciones
Tipo con vertedero y tipo en línea recta.
Materiales
Metálicos, plásticos macizos, con camisa, en gran variedad de cada uno.
Válvulas de apriete
La válvula de apriete es de vueltas múltiples y efectúa el cierre por medio de uno o más
elementos flexibles, como diafragmas o tubos de caucho que se pueden apretar u oprimir
entre sí para cortar la circulación.
Recomendada para
•
Servicio de apertura y cierre.
•
Servicio de estrangulación.
•
Para temperaturas moderadas.
•
Cuando hay baja caída de presión a través de la válvula.
•
Para servicios que requieren poco mantenimiento.
Aplicaciones
Pastas semilíquidas, lodos y pastas de minas, líquidos con grandes cantidades de sólidos en
suspensión, sistemas para conducción neumática de sólidos, servicio de alimentos.
Ventajas
173
•
Bajo costo.
•
Poco mantenimiento.
•
No hay obstrucciones o bolsas internas que la obstruyan.
•
Diseño sencillo.
•
No corrosiva y resistente a la abrasión.
Desventajas
•
Aplicación limitada para vació.
•
Difícil de determinar el tamaño
Válvulas de retención de elevación
Una válvula de retención de elevación es similar a la válvula de globo, excepto que el
disco se eleva con la presión normal e la tubería y se cierra por gravedad y la circulación
inversa.
Recomendada para
•
Cuando hay cambios frecuentes de circulación en la tubería.
•
Para uso con válvulas de globo y angulares.
•
Para uso cuando la caída de presión a través de la válvula no es problema.
Aplicaciones
Tuberías para vapor de agua, aire, gas, agua y vapores con altas velocidades de circulación.
174
Ventajas
•
Recorrido mínimo del disco a la posición de apertura total. Acción rápida.
Variaciones
•
Tres tipos de cuerpos: horizontal, angular, vertical.
•
Tipos con bola (esfera), pistón, bajo carga de resorte, retención para vapor.
•
Materiales
•
Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero
inoxidable, PVC, Penton, grafito impenetrable, camisa de TFE.
Componentes: diversos.
Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento
•
La presión de la tubería debe estar debajo del asiento.
•
La válvula horizontal se instala en tuberías horizontales.
•
La válvula vertical se utiliza en tubos verticales con circulación ascendente,
desde debajo del asiento.
•
Si hay fugas de la circulación inversa, examinar disco y asiento.
Válvula de retención de mariposa
Una válvula de retención de mariposa tiene un disco dividido abisagrado en un eje en el
centro del disco, de modo que un sello flexible sujeto al disco este a 45° con el cuerpo de la
válvula, cuando esta se encuentra cerrada. Luego, el disco solo se mueve una distancia corta
desde el cuerpo hacia el centro de la válvula para abrir por completo.
Recomendada para
•
Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación en la tubería.
•
Cuando hay cambios frecuentes en el sentido de la circulación.
•
Para uso con las válvulas de mariposa, macho, bola, diafragma o de apriete.
Aplicaciones
175
Servicio para líquidos o gases.
Ventajas
•
El diseño del cuerpo se presta para la instalación de diversos tipos de camisas
de asiento.
•
Menos costosa cuando se necesita resistencia a la corrosión.
•
Funcionamiento rápido.
•
La sencillez del diseño permite construirlas con diámetros grandes.
•
Se puede instalar virtualmente en cualquier posición.
Válvulas de desahogo (alivio)
Una válvula de desahogo es de acción automática para tener regulación automática de la
presión. El uso principal de esta válvula es para servicio no comprimible y se abre con
lentitud conforme aumenta la presión, para regularla.
La válvula de seguridad es similar a la válvula de desahogo y se abre con rapidez con un
"salto" para descargar la presión excesiva ocasionada por gases o líquidos comprimibles.
El tamaño de las válvulas de desahogo es muy importante y se determina mediante fórmulas
específicas.
176
Recomendada para:
Sistemas en donde se necesita una gama predeterminada de presiones.
Aplicaciones:
Agua caliente, vapor de agua, gases, vapores.
Ventajas:
•
Bajo costo.
•
No se requiere potencia auxiliar para la operación.
Variaciones:
•
Seguridad, desahogo de seguridad.
•
Construcción con diafragma para válvulas utilizadas en servicio corrosivo.
Materiales
•
Cuerpo: hierro fundido, acero al carbono, vidrio y TFE, bronce, latón, camisa de TFE,
acero inoxidable, Hastelloy, Monel.
•
Componentes: diversos.
•
Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento
•
Se debe instalar de acuerdo con las disposiciones del Código ASME para recipientes
de presión sin fuego.
•
Se debe instalar en lugares de fácil acceso para inspección y mantenimiento.
Otros tipos de actuadores
Actuadores acústicos:
Un actuador es un tipo de transductor que toma una señal eléctrica y produce una variación
en una magnitud física.
•
Los actuadores de sonido son los encargados de propagar ondas a través de un
medio que puede ser sólido, líquido o gaseoso.
•
Las partículas materiales que transmiten tales ondas oscilan en la dirección de la
propagación de las mismas ondas.
177
•
Los actuadores que generan sonidos a más de 20.000 Hz se denominan
ultrasonidos.
•
Altavoces: imán + bobina móvil que mueve un diafragma
•
–Diversas configuraciones y frecuencias
•
Transductores ultrasónicos:
•
materiales piezoeléctricos
•
Altas frecuencias
Actuadores calefactores:
Los actuadores calefactores son los que producen calor gracias al efecto Joule. Este efecto
relaciona la corriente que circula por una resistencia y la energía liberada en forma de calor.
El calor se produce cuando una elevada corriente (muchos electrones) al atravesar un
conductor con poca resistencia, provocan entre ellos numerosas colisiones y fricciones, lo
cual hace incrementar la temperatura. Se utilizan como resistencias calefactoras hilo metálico
con una aleación determinada (cromo-níquel) que le confiere un elevado coeficiente de
resistividad (alto valor óhmico) y además posee una gran resistencia al calor.
178
Aplicaciones
Bujías de precalentamiento diésel: los motores
diésel
están
equipados
con
bujías
de
precalentamiento para facilitar el arranque en frío.
Son autorreguladas, de calentamiento rápido y
están diseñadas como resistencias PTC: su
resistencia aumenta con la temperatura. En frío
presentan muy baja resistencia, por lo que fluye
mucha corriente y se alcanza rápidamente la
temperatura normal de servicio, pero una vez
caliente, su resistencia aumenta limitando y
regulando así el paso de la corriente.
Actuadores electromotores:
Los electromotores o motores eléctricos basan su funcionamiento en el principio de que la
energía eléctrica se puede transformar en energía mecánica.
Un Inductor de imanes permanentes del motor.
Aplicaciones en donde se utilizan electromotores. Por ejemplo, las siguientes:
179
Actuadores Lorentz o actuadores magnéticos:
Actuadores de Lorentz trabajan en la corriente eléctrica de la presencia y el campo magnético.
Es un actuador que puede manejar o aprovechar mucha fuerza. También cuando se requiere
un movimiento de gran ancho de banda hay una necesidad de Lorentz o actuadores
magnéticos.
180
Actuadores de nanotubo de carbono:
Actuadores de tubo de carbono nano Mantenga la propiedad de eléctricas y mecánicas. Han
demostrado un buen conductor de electricidad y calor debido a que estos actuadores de tubo
de carbono nano pueden usarse en lugar de actuadores eléctricos de todo tipo de aplicaciones
Actuadores de plasma:
Actuadores de plasma tienen un alto significado en controlar el flujo. Los actuadores de
plasma se utilizan especialmente en aerodinámica o en otras palabras se utilizan para
controlar el flujo en las condiciones atmosféricas.
Actuadores de cinturón rígido:
El otro nombre para actuadores de cinturón rígido es push pull actuadores, también son
conocidos por el nombre de actuadores de correa de cremallera. Y a partir del nombre
podemos ver que este tipo de actuador se utiliza en aplicaciones de empuje, tracción y
181
elevación. Actuadores rígidos se utilizan para desplazar una carga dinámica de hasta 230
libras y puede ser movido a 3 pies aproximadamente.
3.5 Criterios de Selección de Actuadores
Rango
Espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los
límites superior e inferior de la capacidad de medida, de recepción o de transmisión del
instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos. Ejemplo: Un
manómetro de intervalo de medida 0-10 bar, un transmisor de presión electrónico de 0-25
bar con señal de salida 4-20 mA ó un instrumento de temperatura de 100-300 °C.
Alcance
Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del
instrumento. En los ejemplos anteriores es de 10 bar para el manómetro, de 25 bar para el
transmisor de presión y de 200 ° C para el instrumento de temperatura.
Error
El error de la medida es la desviación que presentan las medidas prácticas de una variable de
proceso con relación a las medidas teóricas o ideales, como resultado de las imperfecciones
de los aparatos y de las variables parásitas que afectan al proceso.
Es decir:
182
Error = Valor leído en el instrumento - Valor ideal de la variable medida El error absoluto
es:
Error absoluto — Valor leído ~ Valor verdadero.
Exactitud
La exactitud, es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas
próximas al verdadero valor de la magnitud medida.
En otras palabras, es el grado de conformidad de un valor indicado a un valor estándar
aceptado o valor ideal, considerando este valor ideal como si fuera el verdadero.
Precisión
La precisión es la cualidad de un instrumento por la que tiende a dar lecturas muy próximas
unas a otras, es decir, es el grado de dispersión de las mismas. Un instrumento puede tener
una pobre exactitud, pero una gran precisión. Por ejemplo, un manómetro de intervalo de
medida de 0 a 10 bar, puede tener un error de cero considerable marcando 2 bar sin presión
en el proceso y diversas lecturas de 7,049, 7,05, 7,051, 7,052 efectuadas a lo largo del tiempo
y en las mismas condiciones de servicio, para una presión del proceso de 5 bar.
Sensibilidad
La sensibilidad es la razón entre el incremento de la señal de salida o de la lectura y el
incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo.
Por ejemplo, si en un transmisor electrónico de 0-10 bar, la presión pasa de 5 a 5,5 bar y la
señal de salida de 11,9 a 12,3 mA., la sensibilidad es 0,5 mA c.c/bar.
Histéresis
La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o
la pluma del instrumento o la señal de salida para el mismo valor cualquiera del campo de
medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y
descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida.
183
3.6 Señal de Mando para Actuadores
La unidad de control es el centro de cálculo que procesa las señales de entrada de los sensores,
y a partir de esos datos calcula el tiempo de inyección como medida de la cantidad de
combustible a inyectar, así como los ángulos óptimos de cierre y avance del encendido.
Además, puede encargarse de otras funciones.
Unidad de Mando
La unidad de mando dispone de un microordenador, con microprocesador (CPU), memoria
de programa (ROM) y de datos (RAM) y unidad de entrada y salida, así como de un
convertidor analógico digital (A/D) y un conformador de impulsos (CI). Además, también
consta de etapas de potencia que amplifican señales de salida.
La estructura y el funcionamiento son en términos generales comunes a todos los
microordenadores datados de microprocesadores.
CI: los impulsos se modifican en magnitud y forma.
A/D: Transforma las señales analogica en digitales
CPU: Realiza los distintos calculos.
ROM: Estan almacenadas los distintos datos y curvas caracteristicas
RAM: Se amplifican las señales de salida
Etapas: Se amplifican las señales de salida
184
Un actuador o accionamiento es un dispositivo capaz de intervenir en el proceso que
pretendemos controlar. El actuador puede funcionar directamente bajo el control directo de
la parte de mando, pero en muchas ocasiones es necesario algún preaccionamiento (en
algunos casos llamados Drivers) para amplificar la señal de mando.
Hay una gran variedad de actuadores, pero los más usados son los destinados a producir
movimiento (motores y cilindros), los destinados a trasiego de fluidos (bombas) y los de tipo
térmico (hornos, intercambiadores, etc.).
185
UNIDAD 4
186
Controladores
Un controlador automático compara el valor real de la salida de una planta con la entrada de
referencia (el valor deseado), determina la desviación y produce una señal de control que
reducirá la desviación a cero o a un valor pequeño. la manera en la cual el controlador
automático produce la señal de control se denomina acción de control.
Clasificación de los controladores industriales.
Los controladores industriales se clasifican, de acuerdo con sus acciones de control, como:
1. De dos posiciones o de encendido y apagado (ON/OF)
2. Proporcionales
3. Integrales
4. Proporcionales-integrales
5. Proporcionales-derivativos
6. Proporcionales-integrales-derivativos
Casi todos los controladores industriales emplean como fuente de energía la electricidad o
un fluido presurizado, tal como el aceite o el aire. los controladores también pueden
clasificarse, de acuerdo con el tipo de energía que utilizan en su operación, como neumáticos,
hidráulicos o electrónicos. el tipo de controlador que se use debe decidirse con base en la
naturaleza de la planta y las condiciones operacionales, incluyendo consideraciones tales
como seguridad, costo, disponibilidad, confiabilidad, precisión, peso y tamaño.
4.1 aplicaciones de sistemas de lazo abierto y lazo cerrado.
LAZO ABIERTO
Generalmente son manuales, pues requieren que una persona ejecute una acción que indique
al sistema qué hacer. la estabilidad del sistema no es un problema importante en este tipo de
sistemas y es más fácil de lograr. son aplicables cuando se conoce con anticipación las
entradas y no existen perturbaciones significativas.
Se usan componentes relativamente precisos y baratos para obtener el control adecuado.
187
En la figura se muestra un sistema a lazo abierto. para mantener constante el nivel del agua
en el tanque es necesario que una persona accione la válvula cuando el caudal de salida
cambie
LAZO CERRADO
Son automáticos y operan sin interrupción, ni participación externa.
188
En la figura se muestra un sistema a lazo cerrado en donde la válvula se abre o
cierra automáticamente, de acuerdo con las variaciones de nivel, para mantenerlo constante
ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE UN SISTEMA A DE CONTROL A LAZO
CERRADO
La figura muestra los elementos de un sistema a lazo cerrado. cada bloque representa un
elemento del sistema y ejecuta una función en la operación de control. las líneas entre
los bloques muestran las señales de entrada y salida de cada elemento, y las flechas, la
secuencia de acciones en el orden en que ocurren.
VARIABLE CONTROLADA: Se refiere a la variable cuyo valor debe mantenerse igual
al de referencia, durante el proceso
VARIABLE MEDIDA: Es el valor de la variable que se desea controlar. para hacerlo, es
necesario conocer su valor en el proceso y compararlo con el valor de referencia.
INSTRUMENTOS DE MEDICÍON: Es el conjunto de sensores que mide la variable que
deseamos controlar y produce señal/es de salida que proporcionales al valor de esta variable.
SEÑAL DE RETROALIMENTACIÓN: Es la salida del instrumento de medida
VALOR DE REFERENCIA: (. SET POINT.). Es el valor deseado de la variable controlada
189
COMPARADOR: Compara el valor de referencia con el valor medido de la variable
controlada
SEÑAL DE ERROR: Es la salida del detector comparador. provee el valor de la diferencia
entre el valor deseado y el medido
ACTUADOR: Es un aparato o instrumento que ejecuta las acciones que conducen a
la variable controlada a adquirir el valor de referencia
VARIABLE MANIPULADA: Es la variable que se manipula para cambiar las condiciones
de la variable controlada. en un horno, la válvula del gas se abre o cierra para cambiar el
valor del flujo de gas que alimenta al quemador. si el flujo aumenta, lo hace también la
temperatura, que es la variable controlada.
PERTURBACIÓN: Es cualquier factor responsable de cambiar el valor de la
variable controlada y que está fuera del control del sistema
CONTROLADOR: Recibe la señal de error y produce los ajustes necesarios para
minimizarla. Para nosotros, usualmente un microcontrolador o una pc corriendo un programa
o algoritmo que determine las acciones a tomar
LAZO DE CONTROL
Como vimos entonces, el control a lazo cerrado o control realimentado se refiere a una
operación que en presencia de perturbaciones tiende a reducir la diferencia entre la salida de
un sistema y la entrada de referencia de manera continua y automática, tratando de mantener
les diferencia por debajo de un margen de error previamente determinado. para ello es
necesario implementar en el controlador un algoritmo, es decir una serie de pasos y cálculos,
que determine las acciones a tomar. por ejemplo, si estamos controlando la temperatura de
un proceso químico y se está enfriando ¿cuánto debe abrirse la válvula del gas para mantener
esa temperatura sin recalentarlo?
El algoritmo más comúnmente utilizado para el control es el conocido como pid, por
las iniciales, en inglés o español, de los tres modos diferentes de control que integra en
uno solo: proporcional, integral y derivativo.
190
El modo proporcional determina la reacción al valor de error existente en el instante actual.
el modo integral considera la reacción basado en la acumulación de los errores recientes en
el tiempo y el modo derivativo lo hace según la tasa de cambio (velocidad de variación) de
esos errores recientes.
La sumatoria de los tres -ponderada cada una por una constante KP, KI, KD,
respectivamente- determina la acción correctiva final que se tomará sobre la variable
controlada. ajustando las constantes k en el algoritmo se puede conseguir un control muy
preciso sobre el el grado de respuesta al error, así como la prevención de las sobrecargas y
de la oscilación brusca del sistema.
4.2 modos de control aplicados en instrumentación:
Los actuadores o elementos finales de control, puede hacer correcciones en varias formas:
En caso de ser una válvula, puede abrir o cerrar instantáneamente
Puede abrir o cerrar la válvula lentamente, a una velocidad constante, mientras se
mantenga desviación
Puede abrir la válvula en mayor grado cuando la desviación es más rápida
Puede abrí la válvula un numero de vueltas constantes, por cada unidad de desviación
191
Estas correcciones, son hechas por el controlador, en los sistemas industriales se emplean
básicamente uno o una combinación de los siguientes sistemas de control.
Proporcional
Proporcional + Integral
Proporcional + Derivativo
Proporcional + Integral + Derivativo
On-Off.
4.2.1. on-off
Acción de control de dos posiciones o de encendido y apagado (on/off). en un sistema de
control de dos posiciones, el elemento de actuación solo tiene dos posiciones fijas que, en
muchos casos, son simplemente encendido y apagado. el control de dos posiciones o de
encendido y apagado es relativamente simple y barato, razón por la cual su uso es extendido
en sistemas de control tanto industriales como domésticos.
Es común que los controladores de dos posiciones sean dispositivos eléctricos, en cuyo caso
se usa extensamente una válvula eléctrica operada por solenoides. los controladores
neumáticos proporcionales con ganancias muy altas funcionan como controladores de dos
posiciones y, en ocasiones, se denominan controladores neumáticos de dos posiciones se
muestra un sistema
De control del líquido que es controlado por una acción de control de dos posiciones.
192
4.2.2. Proporcional
acción de control proporcional para un controlador con acción de control proporcional, la
relación entre la salida del controlador U(T) Y la señal de error E(T) ES:
UT=KPET O bien, en cantidades transformadas por el método de LAPLACE USES=KP EN
DONDE
KP se considera la ganancia proporcional cualquiera que sea el mecanismo real y la forma
de la potencia de operación, el controlador proporcional es, en esencia, un amplificador con
una ganancia ajustable. el controlador proporcional es el tipo más simple de controlador, con
excepción del controlador de dos estados (del cual se hace mención en la primera parte del
texto) la ecuaci6n con que se describe su funcionamiento es la siguiente:
MT=M+KCRT-CT O MT=M+KCET
DONDE:
M(T) = Salida del controlador, PSIG O MA
R(T) = Punto de control, PSIG O MA
C(R) = Variable que se controla, PSIG O MA; Ésta es la señal que llega DEL
TRANSMISOR.
E(R) = Señal de error, PSI O MA; Ésta es la diferencia entre el punto de control y la variable
que se controla.
KC = Ganancia del controlador, PSI/PSI Ó MA/MA
M = Valor base, PSIG O MA. El significado de este valor es la salida del controlador cuando
el error es cero; generalmente se tija
durante la calibración del controlador, en el medio de la escala, 9 PSIG O 12 MA.
Es interesante notar que es para un controlador de acción inversa; si la variable que se
controla, C(F), se incrementa en un valor superior al punto de control, R(T), el error se vuelve
negativo y, como se ve en la ecuación, la salida del controlador, m(t), decrece. la manera
193
común con que se designa matemáticamente un controlador de acción directa es haciendo
negativa la ganancia del controlador, KC; sin embargo, se debe recordar que en los
controladores industriales no hay ganancias negativas, sino únicamente positivas, lo cual se
resuelve con el selector inverso/directo. la KC negativa se utiliza cuando se hace el análisis
matemático de un sistema de control en el que se requiere un controlador de acción directa.
se ve que la salida del controlador es proporcional al error entre el punto de control y la
variable que se controla; la proporcionalidad la da la ganancia del controlador, K,; con esta
ganancia o sensibilidad del controlador se determina cuánto se modifica la salida del
controlador con un cierto cambio de error. esto se ilustra gráficamente
Efecto de la ganancia del controlador sobre la salida del controlador. (A) controlador de
acción directa. (B) controlador de acción inversa. los controladores que son únicamente
proporcionales tienen la ventaja de que solo cuentan con un parámetro de ajuste, KC sin
embargo, adolecen de una gran desventaja, operan con una desviación, o “error de estado
estacionario” en la variable que se controla. a fin de apreciar dicha desviación gráficamente,
considérese el circuito de control de nivel que se muestra en la figura 2.2; supóngase que las
condiciones de operación de diseño son QI = QO = 150 GPM Y H = 6 PIES; supóngase
también que, para que pasen 150 GPM Por la válvula de salida la presión de aire sobre ésta
debe ser de 9 PSIG. si el flujo de entrada se incrementa, QI, la respuesta del sistema con un
controlador proporcional es como se ve.
194
El controlador lleva de nuevo a la variable a un valor estacionario pero este valor no es el
punto de control requerido; la diferencia entre el punto de control y el valor de estado
estacionario de la variable que se controla es la desviación. se muestran dos curvas de
respuesta que corresponden a dos diferentes valores del parámetro de ajuste KC, se aprecia
que cuanto mayor es el valor de kc, tanto menor es la desviación, pero la respuesta del proceso
se hace más oscilatoria; sin embargo, para la mayoría de los procesos existe un valor máximo
de kc, más allá del cual el proceso se hace inestable
4.2.3. Proporcional + integral.
La mayoría de los procesos no se pueden controlar con una desviación, es decir, se deben
controlar en el punto de control, y en estos casos se debe añadir inteligencia al controlador
195
proporcional, para eliminar la desviación. esta nueva inteligencia o nuevo modo de control
es la acción integral o de reajuste y en consecuencia, el controlador se convierte en un
controlador proporcional-integral (pi). la siguiente es su ecuación descriptiva:
MT=M+KCRT-CT+KCΤIRT-CTDT
MT=M+KCET+KCΤIETDT
DONDE
ΤI = tiempo de integración o reajuste minutos/repetición. por lo tanto, el controlador pi
tiene dos parámetros, KC, Y ΤI, que se deben ajustar para obtener un control satisfactorio.
para entender el significado físico del tiempo de reajuste, ΤI , considérese el ejemplo
hipotético que se muestra , donde 7, es el tiempo que toma al controlador repetir la acción
proporcional y, en consecuencia, las unidades son minutos/repetición. tanto menor es el
valor de ΤI , cuanto más pronunciada es la curva de respuesta, lo cual significa que la
respuesta del controlador se hace más rápida
Respuesta del controlador proporcional integral (PI) (ACCIÓN DIRECTA) a un cambio
escalón en el error. otra manera de explicar esto es mediante la observación de la ecuación,
tanto menor es el valor de ti, cuanto mayor es el término delante de la integral, KCΤI y, en
196
consecuencia, se le da mayor peso a la acción integral o de reajuste. también se nota que,
mientras está presente el término de error, el controlador se mantiene cambiando su respuesta
y, por lo tanto, integrando el error, para eliminarlo; recuérdese que integración también
quiere decir sumatoria. la función de transferencia del controlador es: USES=KP1+1TIS
En donde kp, es la ganancia proporcional y TI se denomina tiempo integral. tanto KP como
ti son ajustables. el tiempo integral ajusta la acción de control integral, mientras que un
cambio en el valor de KP afecta las partes integral y proporcional de la acción de control. el
inverso del tiempo integral TI se denomina velocidad de reajuste. la velocidad de reajuste
es la cantidad de veces por minuto que se duplica la parte proporcional de la acción de
control. la velocidad de reajuste se mide en términos de las repeticiones por minuto.
muestra un diagrama de bloques de un controlador proporcional más integral. si la señal de
error e(t) es una función escalón unitario, la salida del controlador U(T) se convierte en lo
que se muestra.
4.2.4 Proporcional + Derivativo
En la regulación derivada existe una relación lineal continua entre la velocidad de variación
de la variable controlada y la posición del elemento final de control. Es decir, el control
derivativo actúa cuando existen cambios en la variable. Esta actuación es proporcional a la
pendiente de la variable, es decir, a su derivada.
197
La acción derivada se caracteriza por el llamado tiempo de acción derivada en minutos de
principio que es el intervalo durante el cual, la variación de la señal de salida del controlador,
debida a la acción proporcional, iguala a la parte de variación de la señal debida a la acción
derivativa cuando se aplica una señal en rampa al instrumento.
El torque de salida va a invertirse antes de que ocurra la alineación de la salida, actuando
efectivamente como un freno que reduce el tiempo transigente. Por ende, en términos
cualitativos, el control derivativo puede aplicarse para controlar la pendiente de la respuesta
de posición, con lo que el tiempo de respuesta va a ser más corto
Ahora bien, la posición anticipada en del tiempo de la válvula de control, que se consigue
con la acción derivada, precisa de la detección de cambios en el proceso por parte del
controlador. Es como si el conductor de un automóvil, al subir una cuesta, en lugar de apretar
el pedal del gas al ver a distancia el cambio de pendiente, sólo lo hiciera cuando observase
en el cuentakilómetros la disminución de velocidad.
198
4.2.5. Proporcional + integral + derivativo.
Algunas veces se añade otro modo de control al controlador pi, este nuevo modo de control
es la acción derivativa, que también se conoce como rapidez de derivación o preactuación;
tiene como propósito anticipar hacia dónde va el proceso, mediante la observación de la
rapidez para el cambio del error, su derivada. la ecuación descriptiva es la siguiente:
MT=M+KCET+KCΤIETDT+KCΤDD ETDT
DONDE:
ΤD= rapidez de variación en minutos, por lo tanto, el controlador pid se tiene tres
parámetros, C O PB, Τ I O ΤIR Y ΤD que se deben ajustar para obtener un control
satisfactorio. nótese que solo existe un parámetro para ajuste de derivación, τd , el cual tiene
las mismas unidades, minutos, para todos los fabricantes. cómo se acaba de mencionar, con
la acción derivativa se da al controlador la capacidad de anticipar hacia dónde se dirige el
proceso, es decir, “ver hacia adelante”, mediante el cálculo de la derivada del error. la
cantidad de “anticipación” se decide mediante el valor del parámetro de ajuste, ΤD los
controladores pid se utilizan en procesos donde las constantes de tiempo son largas. ejemplos
típicos de ello son los circuitos de temperatura y los de concentración. los procesos en que
las constantes de tiempo son cortas (capacitancia pequeña) son rápidos y susceptibles al ruido
del proceso, son característicos de este tipo de proceso los circuitos de control de flujo y los
circuitos para controlar la presión en corrientes de líquidos. considérese el registro de flujo
que se ilustra en la aplicación del modo derivativo solo da como resultado la amplificación
del ruido, porque la derivada del ruido, que cambia rápidamente, es un valor grande. los
procesos donde la constante de tiempo es larga (capacitancia grande) son generalmente
amortiguados y, en consecuencia, menos susceptibles al ruido; sin embargo, SE debe estar
alerta, ya que se puede tener un proceso con constante de tiempo larga, por ejemplo, un
circuito de temperatura, en el que el transmisor sea ruidoso, en cuyo caso se’ debe reparar el
transmisor antes de utilizar el controlador PID.
199
En resumen, los controladores PID tienen tres parámetros de ajuste: la ganancia o banda
proporcional, el tiempo de reajuste o rapidez de reajuste y la rapidez derivativa. la rapidez
derivativa se da siempre en minutos. los controladores PID se recomiendan para circuitos
con constante de tiempo larga en los que no hay ruido. la ventaja del modo derivativo es que
proporciona la capacidad de “ver hacia dónde se dirige el proceso”
4.3 Criterios para la Selección de un controlador
La utilización de un controlador ofrece un mejoramiento exponencial dentro de la
producción, para saber cuál usar debemos tener en cuenta el seguimiento de los lineamentos
basados en las normas, así que tenemos que utilizar un método matemático riguroso para
saber que controlador utilizar y poder aprovecharlo al máximo.
Para empezar, debemos seleccionar un método matemático, de preferencia la eficacia, para
después calcular el valor de esta en P, PI, y PD con los valores óptimos de los parámetros.
A veces es preferible recurrir a enfoques empíricos, basados en la observación del efecto de
los distintos controladores (P, PI o PID) sobre los procesos simulados (Control Station).
Control Proporcional:
Acelera la respuesta del proceso controlado
Produce un offset (excepto integradores puros)
Control Integral:
Elimina todo offset
200
Eleva las desviaciones máximas
Produce respuestas arrastradas y largas oscilaciones
El aumento de Kc aumenta acelera la respuesta, pero produce más
oscilaciones y puede llegar a desestabilizar el sistema
Control Derivativo:
Anticipa el error y actúa en función del error que iría a ocurrir
Estabiliza la respuesta de bucle cerrado
La ruta empírica será usar siempre el controlador más simple; p.e., puede que el offset no sea
importante o que exista un término integral puro (1/s) en la función de transferencia (presión
de gas; nivel de líquido).
4.4. Sintonización de controles.
El diseño de controladores, tal como se mostró en la sección anterior, se realiza en unción
del conocimiento del proceso, es decir, a partir del modelo del proceso, del esquema de
control y de las restricciones que se le imponen al mismo. a diferencia de ello, la sintonización
de los controladores se realiza sin que se disponga de dicha información y resulta sumamente
útil en los casos en que la obtención del modelo del proceso es muy engorrosa. los métodos
de diseño utilizan restricciones particulares impuestas a la respuesta deseada que permiten
determinar con precisión los parámetros del controlador, en tanto que, en el caso de la
sintonización de un controlador, dichos parámetros se van ajustando de forma tal que se
obtenga una respuesta temporal aceptable.
Los métodos de sintonización están basados en estudios experimentales de la respuesta al
escalón de diferentes tipos de sistemas, razón por la cual los parámetros del controlador que
se determinan utilizando estas metodologías podrían dar como resultado una respuesta
medianamente indeseable. es por ello que dichos parámetros se utilizan como punto de
partida para la lenitiva sintonización de los mismos, lo cual se realizará ajustándolos
neamente de forma tal que se logre obtener la respuesta deseada. en esta sección se mostrarán
dos reglas de sintonización de controladores desarrolladas por ziegler y nichols, las cuales
implican altamente el problema de bajar los parámetros de un controlador. dichas reglas
201
podrían no ser la mejor alternativa, pero su sencillez y disponibilidad las mantienen como
una fuerte opción aún hoy en día.
4.5. Aplicaciones de controladores.
Los reguladores PID son de mucha utilidad, en la regulación de procesos industriales, de tal
modo que la gran mayoría de reguladores utilizados en la industria, son de este tipo, ya que,
por lo general, se busca simplicidad en las estrategias de control. se suelen utilizar en plantas
industriales, en el control de niveles, presiones, flujos, temperaturas, movimientos o
posiciones, velocidades etc. los procesos anteriormente mencionados, poseen ciertas
características dinámicas, muy importantes, como por ejemplo el tiempo muerto, constantes
de tiempo, tiempo de establecimiento o ganancias de proceso. las cuales definen, la
clasificación del proceso, en procesos de primer orden, de segundo orden o de orden superior.
En el presente caso, el estudio de respuesta, en lazos de control con reguladores PID, se
limitará hasta procesos de segundo orden, ya que es hasta los cuales se alcanza una regulación
adecuada o estable, y por lo tanto, es la situación que se encuentra en la práctica, debiéndose
utilizar para procesos de orden superior, otro tipo de estrategias de control. por tal razón, se
propondrá un modelo equivalente para estos procesos, con el fin de realizar análisis de
respuesta o modelaciones, ya que las características dinámicas de estos procesos
industriales son iguales cualitativamente, aunque cambian cuantitativamente dependiendo de
la variable o proceso a ser regulado,
202
UNIDAD 5
203
Introducción
Ante la complejidad creciente de los procesos industriales y el aumento en la producción de
estos, resulta necesario desde el punto de vista financiero lograr una producción óptima; que
sea capaz de reducir sus costos y de proporcionar una calidad buena en sus productos. Lo
anterior solo puede lograrse con un adecuado control industrial.
Un proceso o un sistema que gestiona o en otras palabras controlado por computadoras se
llama como asistido por ordenador de control o control asistido por ordenador.
Mediante el uso de diversas herramientas podemos obtener datos electrónicos, estos datos
electrónicos se usa el equipo para controlar el proceso del sistema.
Para controlar el proceso significa dos cosas:
• Mantener el sistema en su estado actual.
• Cambiar el estado según los requisitos.
las variables del proceso que se necesitan para ser controlada son las siguientes:
1. variable de control
2. punto de ajuste
3. manipulación de la variable
4. perturbación
5.1 Adquisición de datos
El propósito de adquisición de datos es medir un fenómeno eléctrico y físico como voltaje,
corriente, temperatura, presión o sonido. la adquisición de datos basada en pc utiliza una
combinación de hardware modular, software de aplicación y un pc para realizar medidas.
Mientras cada sistema de adquisición de datos se define por sus requerimientos de aplicación,
cada sistema comparte una meta en común de adquirir, analizar y presentar información. Los
sistemas
de
adquisición
de
datos
incorporan
señales,
sensores,
actuadores,
acondicionamiento de señales, dispositivos de adquisición de datos y software de aplicación.
204
La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo
real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u
otras electrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas,
convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una
computadora o pac. Se requiere una etapa de condicionamiento, que adecua la señal a niveles
compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace
dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de adquisición de datos (daq).
A lo largo del curso se ha observado que existen dos tipos de control, el analógico y el digital,
si bien es cierto que el primero es el más usado en países del tercer mundo como el nuestro;
el segundo es hasta hoy, el más ventajoso a emplear en los procesos industriales. Debido a lo
cómodo que resulta tratar exclusivamente con números puros y ser ideal para la resolución
de problemas numéricos. Asimismo, la alta velocidad conseguida en las señales de mando a
los diversos instrumentos de control, permite mantener el set point casi constante y
monitoreado en todo momento.
Sin embargo, este tipo de control frente al analógico, tiene la desventaja de que al muestrear
el proceso pierde parte de la información. lo anterior puede ser corregido con complejos
algoritmos matemáticos (al comparar este y el analógico en cuestión de costos, el control
digital pierde gravemente) que le asignan versatilidad e interacción amigable en la
modificación de parámetros y variables que operan en el proceso.
El control digital asistido por computador puede:
• Lograr mayor rendimiento de los procesos y por lo tanto una mejor producción con menores
costes gracias a la utilización eficiente del material y del equipo.
• Mayor calidad en los productos fabricados a costos muy reducidos.
• Mayor seguridad, ya que la acción de corrección y activación de alarmas es casi inmediata.
¿Cómo se constituye un sistema de adquisición de datos?
205
Tipos de sistema de adquisición de datos:
Sistemas de adquisición de datos inalámbricos
• Los sistemas de adquisición de datos inalámbricos pueden eliminar el costoso y demorado
cableado en campo de los sensores de proceso. Estos sistemas consisten en uno o más
transmisores inalámbricos que envían datos a un receptor inalámbrico conectado a una
computadora remota.
• Los transmisores inalámbricos están disponibles para una temperatura ambiente y humedad
relativa, termopares, rtd, sensores de salida de pulso, transmisores 4 a 20 ma y transductores
de salida de voltaje. los receptores se pueden conectar al puerto usb o ethernet en el pc.
Sistemas de adquisición de datos por comunicaciones en serie
• Los sistemas de adquisición de datos por comunicaciones en serie son una buena opción
cuando es necesario hacer la medición en una ubicación alejada de la computadora.
• Hay varios estándares de comunicación diferentes; rs232 es el más común pero sólo es
compatible con distancias de transmisión de hasta 50 pies. rs485 es superior a rs232 y es
compatible con distancias de transmisión de hasta 5,000 pies.
206
Sistemas de adquisición de datos usb
• El bus serie universal (usb) es un nuevo estándar para conectar el pc a dispositivos
periféricos como impresoras, monitores, módems y dispositivos de adquisición de datos.
• USB ofrece varias ventajas respecto a las conexiones en serie y paralelo convencionales,
como un mayor ancho de banda (hasta 12 mbits/s) y la capacidad de proporcionar energía al
dispositivo periférico. usb es ideal para aplicaciones de adquisición de datos.
5.2 Control supervisorio
Sistema de control en el cual los bucles de control operan independientemente, sujetos a
acciones de corrección intermitente a través de sus puntos de consigna. En la figura se
muestra este esquema de control, el cual por orden histórico fue el primero en utilizarse.
En este esquema la computadora juega solamente el papel de un supervisor, ya que no tiene
acceso a ningún lazo de control y su única función es monitorear las variables controladas
del proceso o bien, modificar las referencias de control (set points).
Los lazos de control en este esquema se siguen realizando mediante controladores analógicos.
La expresión “scada” está compuesta por las iniciales de la denominación inglesa
“supervisory control and data adquisition”, que en nuestro idioma se traduce como “control
supervisorio y adquisición de datos”. Sin embargo, dado que los primeros sistemas de
207
supervisión se originaron en los estados unidos, se ha generalizado el uso de las siglas scada
para aludir a dichos sistemas.
Se trata de un sistema capaz de obtener y procesar información de procesos industriales
dispersos y de actuar en forma remota sobre los mismos. Esto significa que permite
supervisar simultáneamente procesos e instalaciones industriales distribuidas en grandes
áreas, tales como las redes de distribución eléctrica, oleoductos, gasoductos, etc.
Un scada no debe confundirse con un sistema de control distribuido (dcs, distributed control
system), aunque actualmente los principios y tecnologías que utilizan son muy similares. Su
principal diferencia consiste en que los sistemas de control distribuido, normalmente se usan
para controlar procesos industriales más complejos y restringidos al perímetro de una planta;
por ejemplo, los sistemas de control de una refinería, los de una planta de glp, etc.
El scada describe un número de unidades terminales remotas (rtu´s, remote terminal units)
instaladas en las cercanías del proceso, las cuales se comunican con una estación maestra
(mtu, master terminal station) ubicada en una sala de control central.
5.3 Control digital
En el control digital que apareció hacia los años 1960, el computador llevaba a cabo todos
los cálculos que realizaban individualmente los controladores p, p+i, p+i+d generando
directamente las señales que van a las válvulas. Este tipo de control se denomina (control
digital directo), el computador esta enlazado con el proceso.
208
El ddc permite una transferencia automático-manual sin perturbaciones y admite una fácil
modificación de las acciones y de las configuraciones de los sistemas de control lo cual es
muy importante en la puesta en marcha de la planta. el ddc tiene la ventaja sobre los
controladores convencionales de estar provisto de un calibrado automático que corresponde
a las acondiciones de operación instantánea. es decir, el computador ajusta la calibración de
sus algoritmos de acuerdo con una función predeterminada de la variable medida o de una
combinación de variables en lugar de requerir periódicamente la calibración individual de
cada instrumento por un instrumentista o especialista tal como acurre en los instrumentos
convencionales.
Sistema de control que realiza un aparato digital que establece directamente las señales que
van a los elementos finales de control.
En la fig., se muestra el esquema de una computadora trabajando en control digital directo.
En este esquema la computadora ejecuta uno o varios algoritmos de control para realizar
directamente el control de una o varias variables de un proceso.
5.4 Control distribuido
En esencia, la diferencia entre el control distribuido y el control digital radica en que el
primero necesita se configurado manualmente nodo a nodo y el segundo puede ser codificado
electrónicamente.
209
El ordenador personal también ha incorporado al control distribuido. Permite la visualización
de las señales de múltiples transmisores, el diagnostico de cada lazo de transmisión, el acceso
a los datos básicos de calibración y a los datos de configuración de los transmisores.
En este esquema, que es el más difundido a nivel industrial en la actualidad se utilizan
computadoras o microcontroladores para reemplazar los lazos de control individuales que en
el esquema antiguo se implementaban con controladores analógicos.
Además, se usa una gran computadora de gran capacidad para realizar la función de
supervisora que ya se describió en el esquema supervisor anterior, con la diferencia que en
el nuevo esquema dicha computadora se auxilia de subsistemas que controlan una red local
que sirve de interfaz de comunicación con cada controlador funcionando en control digital
directo.
Componentes del control distribuido
•
El controlador multifunción que, al utilizar en su programación un lenguaje de alto
nivel, se asemeja a un ordenador personal, proporciona las funciones de control lógico que
permiten regular un proceso discontinuo (bach control), y el manejo de procesos complejos,
en las que el control básico está limitado.
210
•
El control secuencial enlaza el control analógico (modulante con posiciones que
varían continuamente en la válvula de control) con el control lógico, por ejemplo, el arranque
y el paro de una cadena de vapor deben hacerse de modo secuencial para eliminar totalmente
el riesgo de una explosión que ocurriría si, en el peor de los casos, entrara agua en la caldera
con el nivel muy bajo y con los tubos del serpentín al rojo vivo.
•
En el control discontinuo (bach control) es usual automatizar la entrada de
ingredientes, en particular en la industria farmacéutica, definiendo la naturaleza y cantidades
en lo que se llama la formula (récipe). Debido a que se fabrican muchos productos diferentes
en la misma unidad de fabricación, es necesario que el equipo de control sea versátil para
satisfacer la gran variedad de fórmulas (récipes) que pueden presentarse.
•
Los controles programables sustituyen a los relés convencionales utilizados en la
industria. En lugar de disponer de pulsadores y relés para los circuitos de enclavamiento y
para el accionamiento de los motores de la planta, con el correspondiente panel o cuadro de
mandos y con los consiguientes cables de conexión, voluminosos y caros, el controlador
programable aporta la solución versátil, practica y elegante del software en un lenguaje
especial, basado en la lógica de los relés.
Lógica de los relés.
•
La estación de operación proporciona la comunicación con todas las señales de la
planta para el operador de proceso, el ingeniero de proceso y el técnico de mantenimiento.
•
Las alarmas son importantes en el control de procesos. existen alarmas de alto y bajo
valor de la variable (lpv, hpv), alarmas de desviación entre el punto de consigna (sp) y la
variable controlada (pv), alarmas de tendencia que actúan si la variación de la variable excede
de un valor prefijado, alarmas de estado de la señal de entrada o de salida, alarmas de
situación crítica, alarmas que indican que el proceso está fuera de control y que se acerca un
desastre inminente (como las de chernovil), alarmas que indican el restablecimiento del
control.
211
5.5
Instrumentación virtual
La rápida adopción del pc en los últimos 20 años generó una revolución en la instrumentación
de ensayos, mediciones y automatización. Un importante desarrollo resultante de la
ubicuidad del pc es el concepto de instrumentación virtual, el cual ofrece variados beneficios
a ingenieros y científicos que requieran mayor productividad, precisión y rendimiento.
212
Un instrumento virtual consiste de una computadora del tipo industrial, o una estación de
trabajo, equipada con poderosos programas (software), hardware económico, tales como
placas para insertar, y manejadores (drivers) que cumplen, en conjunto, las funciones de
instrumentos tradicionales. los instrumentos virtuales representan un apartamiento
fundamental de los sistemas de instrumentación basados en el hardware a sistemas centrados
en el software que aprovechan la potencia de cálculo, productividad, exhibición y capacidad
de conexión de las populares computadoras de escritorio y estaciones de trabajo.
El concepto de instrumentación virtual nace a partir del uso de la computadora personal,
como forma de reemplazar equipos físicos por software, permite a los usuarios interactuar
con la computadora como si estuviesen utilizando un instrumento real.
El usuario manipula un instrumento que no es real, se ejecuta en una computadora, tiene sus
características definidas por software, pero realiza las mismas funciones que un equipo real.
Los instrumentos virtuales son definidos por el usuario mientras que instrumentos
tradicionales tienen funcionalidad fija, definida por el usuario.
Ventajas de la instrumentación virtual:
Flexibilidad.
Intercambio de información con otras aplicaciones.
Aplicaciones distribuidas.
Control remoto a través de redes locales e internet.
Reduce espacio, peso, tiempo y dinero.
Se edita y se “virtualiza el instrumento”.
5.6 Pantallas Táctil (TOUCHSCREEN)
¿Qué son?
Es una pantalla que mediante un toque directo sobre su superficie permite la entrada de datos
que se asocian a la parte posterior de arriba del touch, siendo el componente que permite que
funcione al dar sus datos y órdenes al dispositivo, y a su vez muestra los resultados
introducidos previamente; actúa de esta forma como periférico de entrada y de salida al
mismo tiempo, así como emulador de datos interinos erróneos al no tocarse efectivamente.
213
Este contacto también se puede realizar por medio
de un lápiz óptico o de otras herramientas similares.
Existen varias tecnologías para implementar los
sistemas táctiles, cada una basada en diferentes
fenómenos y con distintas aplicaciones.
Las pantallas táctiles se volvieron comercialmente exitosas por su uso en dispositivos de la
industria, en ordenadores públicos (como exposiciones de museos, pantallas de información,
cajeros automáticos de bancos y otros) donde los teclados y los ratones no permiten una
interacción satisfactoria, intuitiva, rápida o exacta del usuario.
Desde finales del siglo XX y especialmente en los comienzos del XXI, alcanzaron un uso
habitual en la mayoría de los dispositivos con pantalla: por ejemplo, monitores de
computadora, teléfonos móviles y tabletas.
Según la tecnología que usen, hay tres tipos de pantallas táctiles de uso habitual:
Pantalla resistiva de teléfono celular Nokia N97.
Resistivas: Son más baratas y no les afectan el polvo ni el agua salada y, además de ser más
precisas, pueden ser usadas con un puntero o con el dedo. Sin embargo, tienen hasta un 15%
menos de brillo y son más gruesas, por lo que están siendo sustituidas por otras en los
dispositivos móviles que precisan un tamaño y un peso ajustado y mayor brillo en la pantalla
por la posibilidad de estar expuestos a la luz directa del sol.
Pantalla capacitiva de un celular Alcatel, one touch POP (2014).
Capacitivas: Basadas en sensores capacitivos, consisten en una capa de aislamiento
eléctrico, como el cristal, recubierto con un conductor transparente, como el ITO (tin-doped
214
indium oxide). Como el cuerpo humano es también un conductor eléctrico, el contacto con
la superficie de la pantalla genera una distorsión del campo electrostático de la pantalla, que
se mide a través del cambio en la capacitancia (capacidad eléctrica). Pueden utilizarse
diferentes tecnologías para determinar en qué posición de la pantalla se hizo el toque. La
posición se envía al controlador, para su procesamiento. En este tipo de pantallas, la imagen
tiene una mayor calidad, la respuesta es mejor, y algunas permiten el uso de varios dedos a
la vez (multitouch). Sin embargo, son más caras y no se pueden usar con el puntero habitual,
sino con uno especial para las pantallas capacitivas.
Onda acústica de superficie: La tecnología de ondas de superficie utiliza ondas ultrasónicas
que pasan sobre el panel de la pantalla táctil. Cuando se toca el panel, se absorbe una parte
de la onda. Este cambio en las ondas ultrasónicas registra la posición del evento táctil y envía
esta información al controlador, para su procesamiento. El panel de pantalla táctil de onda de
superficie es el más avanzado de los tres tipos, pero puede dañarse con elementos externos.
Tipos de pantallas táctiles
Pantallas Táctiles por Infrarrojo:
Este sistema tiene la ventaja de la
simplicidad y de no oscurecer la
pantalla,
pero
desventajas:
tiene
son
claras
caras
y
voluminosas, muy sensibles a la
suciedad
y
pueden
detectar
fácilmente falsas pulsaciones (una
mosca que se pose, por ejemplo).
Pantallas Táctiles Resistivas:
La pantalla táctil propiamente dicha está formada
por
dos
capas
de
material
conductor
transparente, con una cierta resistencia a la
corriente eléctrica, y con una separación entre
las dos capas. Cuando se toca la capa exterior
215
se produce un contacto entre las dos capas
conductoras.
Pantallas Táctiles y Touchpad Capacitivo
El touchpad está formado por una rejilla de dos
capas de tiras de electrodos, una vertical y otra
horizontal, separadas por un aislante y conectadas
a un sofisticado circuito. El circuito se encarga de
medir la capacidad mutua entre cada electrodo
vertical y cada electrodo horizontal. Un dedo situado
cerca de la intersección de dos electrodos modifica
la capacidad mutua entre ellos al modificarse las
propiedades dieléctricas de su entorno. El dedo
tiene unas propiedades dieléctricas muy diferentes
a las del aire.
Pantallas Táctiles de Onda Acústica Superficial, (SAW)
A través de la superficie del cristal se transmiten dos
ondas acústicas inaudibles para el hombre. Una de
las ondas se transmite horizontalmente y la otra
verticalmente. Cada onda se dispersa por la
superficie de la pantalla rebotando en unos
reflectores acústicos.
El circuito controlador mide el momento en que
recibe una onda atenuada y determina las
coordenadas del punto de contacto.
216
Sistemas operativos y software
Existe una gran variedad de programas de cómputo para el manejo de máquinas con pantallas
táctiles que pueden ejecutarse en los principales sistemas operativos tales como, por ejemplo,
GNU/Linux, MacOS y Windows. En los tres casos, existen versiones especiales adaptadas
para su uso en tabletas y en portátiles táctiles. Android es un sistema operativo de código
abierto basado en el núcleo (kernel) de Linux, inicialmente desarrollado por Android Inc. y
respaldado por Google. Apple ha desarrollado su sistema iOS para iPad, y Microsoft ha
incluido un desarrollo específico en las distintas versiones: desde Windows XP Tablet PC
Edition hasta el Windows 8, en el cual el desarrollo táctil no es específico de una versión sino
de la versión.
En otro tipo de dispositivos, como las PDA o teléfonos con pantalla táctil, también existen
sistemas operativos como: PalmOS, Windows Phone, iOS, Android, BlackBerry OS,
WebOS, Symbian OS, MeeGo o Maemo.
Respecto al software específico para pantallas táctiles, al igual que en el caso de otros
dispositivos similares como las tabletas digitalizadoras, destacan los programas de
reconocimiento de escritura manual, como Inkwell en Macintosh. En el caso de Windows
XP Tablet PC Edition, el propio sistema operativo incluye reconocimiento de escritura.
También son habituales los programas de dibujo, como por ejemplo Corel Painter, que
pueden incluso reconocer la fuerza con la que se está pulsando sobre la pantalla o la
inclinación del objeto con el que se está tocando.
Muchas aplicaciones utilizan las características táctiles de los dispositivos y de los sistemas
operativos: teclados virtuales, juegos, gestores multimedia y ofimática, entre otros.
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