Mediciones Con Sensores

Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 1 – Página 1

Capítulo 1 Conceptos Básicos de Control

A lo largo de la historia el hombre se ha sentido fascinado por maquinarias y

dispositivos capaces de imitar las funciones y movimiento de los seres vivos.

En la era contemporánea la producción industrial se ha caracterizado

principalmente por la optimización de los procesos empleando avances

tecnológicos de la comunicación y el control a fin de lograr productos a bajo

costo y alta calidad, capaces de cumplir con los estándares exigidos por el

mercado.

Las diversas formas de automatizar los procesos y servicios se realizan a

través del uso de sensores, controladores y actuadores facilitando la

producción y minimizando los recursos humanos.

La tecnología actual permite supervisar y controlar diversas industrias del

tipo productivo o manufacturero en tiempo real. En nuestro país el control y

la automatización a través de la electrónica han experimentado un cambio

importante en la mayoría de las industrias, para ampliar y mantener su

posición en los respectivos campos de acción.

Control Automático

Se entiende por control automático, el mantener estable una variable de

proceso mediante un dispositivo, por lo general electrónico, cuyo valor

deseado está almacenado en la memoria de éste y al recibir la señal de la

variable controlada realiza los cálculos y estima la acción sobre la variable

manipulada, corrigiendo y estabilizando el sistema de control.

Este dispositivo eléctrico conocido como controlador, se encuentra en el

mercado bajo la denominación de PLC (Controlador Lógico Programable),

controlador de lazo digital (microcontrolador) y PC (computadora personal).


Sistemas de Control

Para mostrar de una manera más fácil un sistema de control (figura 1) se

tomará como ejemplo un proceso típico de intercambio de calor.

Figura 1 – Intercambiador de Calor

Si el Intercambiador de Calor (proceso), fuese manejado solamente por un

hombre; sería como se detalla en la figura 2.

Figura 2 – Control de un Intercambiador de Calor por una Persona

Al analizar el control manual de la figura 2, donde el operador mide la

temperatura de salida, compara el valor deseado, calcula cuanto más abrirá la


válvula de vapor y hace las correcciones correspondientes; así las funciones

básicas del control manual realizado por un ser humano son:

Medir

Comparar

Calcular

Corregir

Luego los fundamentos de un sistema de control automático deben de

provenir de las funciones básicas del control manual realizadas por un ser

humano.

Elementos de un Sistema de Control

Un sistema de control automático simple, generalmente cuenta con los

siguientes elementos: sensor, proceso, controlador y actuador (figura 3).

Figura 3 – Diagrama de Bloques de un Control Automático

Variable Controlada

Es el parámetro más importante del proceso, debiéndose mantener estable

(sin cambios), pues su variación alteraría las condiciones requeridas en el

sistema. Su monitoreo a través de un sensor es una condición importante

para dar inicio al control.

Al analizar el ejemplo mostrado del intercambiador de calor, se observa la

intención de calentar agua a través del vapor, para lo cual se deberá tener en

cuenta las diversas variable de proceso como son los flujos de vapor y agua,

las presiones de vapor y las temperaturas del agua; pero, la más importante


del sistema es la temperatura de salida del agua, por lo tanto la Variable

Controlada.

Variable Manipulada

Es el parámetro a través del cual se debe corregir las perturbaciones del

proceso, colocándose un actuador para lograr estabilizar el sistema.

En el ejemplo del intercambiador de calor, quien proporciona mayor o menor

cantidad de energía al sistema es el ingreso de vapor, por lo tanto la variable

a manipular será el flujo de ingreso de vapor.

Variable Perturbadora

Es el parámetro desestabilización del sistema por cambios repentinos

afectando el proceso.

En el ejemplo, la variable perturbadora está representada por el flujo de

entrada de agua fría, si por una baja de tensión se altera el funcionamiento de

la bomba de suministro de agua, provocaría un menor ingreso de flujo al

proceso originando la desestabilización del sistema.

Variable Medida

Es todo parámetro del proceso requerido para conocer su valor, y que por lo

tanto deberá ser monitoreado, no siendo necesariamente la más importante

para controlar el sistema, pero si para mantener un registro de data.

Sensor o Elemento Primario de Medición

Los sensores son los elementos primarios de medición de variables del

proceso, siendo algunos usados para lectura e indicación y otros para

transformar la variable medida en una señal eléctrica. Los más usados en la

industria son los de nivel, de presión, de temperatura, de flujo y de

proximidad entre otros.

Esta señal va hacia la entrada del controlador para ser comparada con el valor

de referencia o “set- point” determinando el error y la acción de control.


Tipos de Sensores

De Contacto o No Contacto

Los sensores pueden ser clasificados de diversas maneras. Una forma común

y simple es dividir los sensores en dos categorías: de contacto o no contacto.

Los sensores de contacto realizan la medida – contacto físico – con el

producto; por ejemplo los sensores de boyas para medir el nivel de un

tanque.

Un sensor de no contacto se basa en las propiedades físicas de los materiales

para realizar su medida; típicamente son menos propensos a fallas. Su uso se

ve limitado por la característica del material a medir o por la gran

interferencia en el ambiente de instalación, ocasionando malas lecturas. Un

ejemplo de este tipo de sensor es el medidor de flujo ultrasónico.

Digital o Analógico

Otra forma de clasificar los sensores es por el tipo de señales de salida; éstas

pueden ser de tipo digital o analógico. Los sensores digitales trabajan en dos

estados: encendido (on) o apagado (off). Muchas aplicaciones implican tener

conocimiento de la ausencia o presencia de algo.

Los sensores analógicos proporcionan medidas continuas, pudiendo ser

utilizadas en diversos aspectos de la operación, como son el nivel, la presión,

temperatura y el flujo, caracterizándose por funcionar en un rango de 4 a 20

mA.

Controlador

El controlador es un instrumento para detectar los desvíos existentes entre el

valor medido por un sensor y el valor deseado o “set-point” programado por

un operador, emitiendo una señal de corrección hacia el actuador como se

observa en la figura 4. Los controladores pueden ser del tipo manual,

neumático ó digital (electrónico).


Figura 4 – Control Automático

Actuador o Elemento Final de Control

Los actuadores son los elementos finales de control y tienen por función,

alterar el valor de la variable manipulada con el fin de corregir o limitar la

desviación del valor controlado, respecto al valor deseado. Los fabricantes

actualmente proveen una serie de actuadores tales como motores, válvulas,

relés y conmutadores (swicthes). Los actuadores pueden ser de diversos

tipos:

Eléctricos

Neumáticos

Hidráulicos

Proceso

El término proceso para los fines de control, significa el equipo a automatizar

en donde se estabiliza la variable de control, a través de los sensores,

actuadores y controladores.

Características Dinámicas de las Variables de Proceso

Es necesario determinar las características dinámicas de las variables de un

proceso para conocer las perturbaciones que desestabilizan el sistema.


Inercia

Es la propiedad de los cuerpos por la tienden a no variar del estado

estacionario sin la intervención de una fuerza extraña.

Resistencia y Capacidad

Las partes del proceso tendientes a almacenar masa o energía son

denominadas capacidad y las partes con cualidades para resistir la

transferencia de energía o masa son denominadas resistencia.

Atraso de Transporte

Otro factor importante para la dinámica de procesos incluye el movimiento

de masas entre dos puntos y es denominado atraso de transporte o tiempo

muerto.

Respuesta de los Procesos frente a una Perturbación

La respuesta de un proceso a una determinada perturbación están casi

siempre caracterizadas por dos constantes: una constante de tiempo () y una

ganancia estática. La ganancia es la amplificación o atenuación de la

perturbación en el interior del proceso y no tiene interferencia con las

características de tiempo de respuesta.

La constante de tiempo es la medida necesaria para ajustar un sistema de una

perturbación en la entrada y puede ser expresada como:

capacidadaresistenci

Señales

Una señal se define como una cantidad física variando con el tiempo, el

espacio o cualquier otra variable independiente.

Señales Eléctricas

Las señales eléctricas pueden representar su información clasificándolas en:

Señales Analógicas

Señales Digitales


Los equipos para medir las señales analógicas y digitales pueden ser:

Los polímetros, miden tensión o corriente

Las impedancias, miden resistencias y capacidades

Las sondas lógicas, indican si se encuentra en el nivel (0 ó 1).

Señales Analógicas

También denominada señal continua, se caracteriza por tomar cualquier valor

dentro de unos determinados márgenes y llevar la información en su

amplitud.

Figura 5 – Señal Analógica

Señales Digitales

Estas señales toman un número finito de niveles o estados entre un máximo y

un mínimo. Las más utilizadas son las binarias, teniendo dos niveles asignados

a los números binarios 0 y 1.


Figura 6 – Señal Digital

Señal Neumática

Se define como la variación física a través de la compresión o expansión de

un fluido gaseoso generalmente el aire en un determinado tiempo. Se usa

principalmente para la actuación sobre elementos finales de control tales

como válvulas y pistones, entre otros.

Señal Hidráulica

Es la variación de la presión de un fluido líquido como aceites de alta

viscosidad con respecto al tiempo. Se emplea principalmente en elementos

finales de control donde se requieren fuerza considerable, como el caso de

compuertas y pistones entre otros.

Señales de Sonido

Es el movimiento vibratorio de los cuerpos en una frecuencia determinada

generando una onda al desplazarse a través de un fluido. Se aplica

frecuentemente en la transmisión de información audible tal como el caso de

alarmas.

Sistemas de Control Automático

El objetivo de cualquier estrategia de control es mantener una variable

llamada controlada próxima a un valor deseado conocido como punto de

ajuste (set-point). El término regularización es utilizado para describir la

acción de control de agentes de perturbación del estado de equilibrio de la

variable controlada.

Un sistema de control, solamente puede llegar a la regulación, aplicando en

oposición a las fuerzas perturbadoras llamadas cargas, correcciones


equivalentes en una o más variables denominada manipulada. La variable

controlada permanecerá estable en el proceso, mientras se encuentre en

estado estacionario. Este equilibrio puede ser alcanzado usualmente por

distintos sistemas de control clásico o moderno.

Sistemas de Control Clásico

Sistemas de Control de Lazo Abierto

Se denominan sistemas de control de lazo abierto cuando la salida no tiene

efecto sobre la acción de control. En estos casos, no se compara la salida con

la entrada de referencia. Por lo tanto, para cada entrada de referencia

corresponde una condición de operación fija. Así, la precisión del sistema

depende de la calibración y del operador cuya función será la del controlador.

En presencia de perturbaciones, un sistema de control de lazo abierto no

cumple función reguladora, ya que no tiene forma de conocer el resultado del

control efectuado o salida del proceso. En la práctica el control de lazo

abierto sólo se utiliza si la relación entre la entrada y la salida es conocida y si

no se presentan perturbaciones tanto internas como externas significativas.

Sistema de Control de Lazo Cerrado

Se denomina sistema de control de lazo cerrado a aquel que frente a una

perturbación, reduce la diferencia entre la salida del sistema y el valor

deseado o “set point”, realizando el control de forma automática.

Sistemas de Control Moderno

Control Adaptativo

Es un método en el cual la respuesta de un controlador varía

automáticamente basado en los cambios de las condiciones dentro del

proceso y puede emplearse en diversas aplicaciones, como por ejemplo en el

control del pH.

Control Difuso

Este control utiliza la lógica difusa a través de conceptos de inteligencia

artificial, para convertir una muestra de la señal real a números difusos, para

tratarlos luego según las reglas de inferencia y las bases de datos,


determinados en las unidades de decisión, permitiendo así la estabilización

del sistema sin la necesidad de fijar un punto de referencia (set-point).

Redes Neuronales Artificiales

Están diseñadas para actuar como lo hace el cerebro humano, conectando la

red entre los elementos de la forma más sencilla para poder ser entrenados, y

realizar funciones complejas en diversos campos de aplicación.

Instrumentación Electrónica

La instrumentación industrial es la parte de la electrónica, principalmente

analógica, que se encarga del diseño y manejo de los aparatos electrónicos,

sobre todo para su uso en mediciones. La instrumentación electrónica se

aplica en el sensado y procesamiento de la información proveniente de

variables física y químicas, a partir de las cuales se realiza el monitoreo y

control de procesos, empleando dispositivos y tecnologías electrónicas.

Sensores

Un sensor es un elemento que se encarga que transformar la variación de la

magnitud a medir en una señal eléctrica. Los sensores se pueden dividir en:

Pasivos: los que necesitan un aporte de energía externa.

Resistivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en

una variación de su resistencia eléctrica. Un ejemplo puede ser un termistor,

que sirve para medir temperaturas.

Capacitivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en

una variación de la capacidad de un condensador. Un ejemplo es un

condensador con un material en el dieléctrico que cambie su conductividad

ante la presencia de ciertas sustancias.

Inductivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en

una variación de la inductancia de una bobina. Un ejemplo puede ser una

bobina con el núcleo móvil, que puede servir para medir desplazamientos.

Activos: los que son capaces de generar su propia energía. A veces también

se les llama sensores generadores. Un ejemplo puede ser un transistor en el

que la puerta se sustituye por una membrana permeable sólo a algunas

sustancias (IsFET), que puede servir para medir concentraciones.


A veces también se puede aprovechar una característica no deseada de un

elemento, como la dependencia de la temperatura en los semiconductores,

para usar estos elementos como sensores.

Acondicionadores

La señal de salida de un sensor no suele ser válida para su procesado. Por lo

general requiere de una amplificación para adaptar sus niveles a los del resto

de la circuitería. En algunos casos, puede que la salida del sensor no sea lineal

o incluso que ésta dependa de las condiciones de funcionamiento (como la

temperatura ambiente o la tensión de alimentación) por lo que hay que

linealizar el sensor y compensar sus variaciones. La compensación puede ser

hardware o software.

Otras veces la información de la señal no está en su nivel de tensión, puede

que esté en su frecuencia, su corriente o en algún otro parámetro, por lo que

también se pueden necesitar demoduladores, filtros o convertidores

corriente-tensión.

Un ejemplo clásico de acondicionador es el puente de Wheatstone, en el que

se sustituyen una o varias impedancias del puente por sensores. A

continuación típicamente se coloca un amplificador.

Por último, entre el acondicionador y el siguiente paso en el proceso de la

señal puede haber una cierta distancia o un alto nivel de ruido, por lo que una

señal de tensión no es adecuada al verse muy afectada por estos dos factores.

En este caso se debe adecuar la señal para su transporte, por ejemplo

transmitiendo la información en la frecuencia o en la corriente (por ejemplo el

bucle de 4-20mA).

Transductor

Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un

determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente de salida. El

nombre del transductor indica cual es la transformación que realiza, aunque

no necesariamente la dirección de la misma. Es un dispositivo usado

principalmente en las ciencias eléctricas para obtener la información de

entornos físicos a señales o impulsos eléctricos o viceversa.


Digitalización

Para un procesado de la señal eficaz hay que convertir la señal en digital. La

instrumentación también estudia la conversión analógica-digital, así como la

conversión digital-analógica. Por otra parte también pueden usarse técnicas

de multiplexado de señales en el caso que haya más de una para medir.

Instrumentación Virtual

La instrumentación virtual consiste en la emulación de instrumentos físicos

mediante el empleo de equipos de computación. En estos casos, el

computador recaba la información correspondiente de la variable a medir y

muestra la información por pantalla, en muchos casos semejando el

comportamiento de un instrumento físico.

Algunos programas especializados en este campo son LabVIEW y Agilent-VEE

(antes HP-VEE), y algunos buses de comunicación populares son GPIB, RS-

232, USB, etc.

Características y Parámetros de los Instrumentos Industriales de

Medición

Escala Completa de Salida

Es la diferencia algebraica entre las señales eléctricas de salida medidas con el

máximo estímulo de entada y el mínimo estímulo de entrada. Debe incluir

toda desviación de la función de transferencia lineal

Exactitud

En instrumentación se denomina exactitud a la capacidad de un instrumento

de medir un valor cercano al valor de la magnitud real. Exactitud implica

precisión, pero no al contrario. Esta cualidad también se encuentra en

instrumentos generadores de magnitudes físicas, siendo en este caso la

capacidad del instrumento de acercarse a la magnitud física real. Es la razón

de la máxima desviación de un valor representado por el sensor, con respecto

al valor ideal. Normalmente viene expresado en porcentaje.


Ejemplo

Un sensor de desplazamiento lineal debería, idealmente, generar un milivoltio por cada

milímetro de desplazamiento. Sin embargo en un experimento, un desplazamiento de 10,5

mm, produjo una salida 10,5 mV. Considerando sólo este valor, se esperaría que el

desplazamiento hubiera sido de 10,5 mm, Esta desviación indica una exactitud de ±5%.

Precisión

En instrumentación se denomina precisión a la capacidad de un instrumento

de dar el mismo resultado en mediciones diferentes realizadas en las mismas

condiciones. Es un parámetro relevante, especialmente en la investigación de

fenómenos físicos, ámbito en el cual los resultados se expresan como un

número más una indicación del error máximo estimado para la magnitud.

Ejemplo

Se está midiendo un voltaje conocido de 100 V. Se toman cinco lecturas con cierto voltímetro

y los valores encontrados son 104, 103, 105, 103 y 105 V respectivamente. Ya que la

desviación máxima del instrumento con respecto al valor real (100 V) es de 5 V, entonces se

tiene que la exactitud es de ±5%. Como la desviación máxima con respecto a la media de las

lecturas es de 1 V, entonces la precisión es de ±1%.

Idealmente un instrumento es exacto y preciso con medidas todas cercanas

entre sí y a la vez, cercanas al valor deseado. Algunos de los factores que falta

de exactitud y precisión incluyen:

Variaciones en los materiales

Imprecisiones humanas en la fabricación

Errores de diseño

Tolerancias en la fabricación

Condiciones ambientales

Error de Calibración

Es la inexactitud permitida por el fabricante, que debe darse como

especificación del dispositivo.

Histéresis

La histéresis es la tendencia de un material a conservar una de sus

propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado. En

instrumentación, es la desviación de la señal de salida del sensor en un punto


específico de la señal de entrada, cuando se le aproxima al punto desde

direcciones opuestas

Ejemplo

Un termómetro al medir un objeto que se encuentra a 50 °C arroja una lectura de 49 °C

cuando el objeto se está calentando y de 51 °C cuando se está enfriando. En este caso se dice

que la histéresis es de ±1°C.

No Linealidad

Es aplicable sólo a los casos donde la función de transferencia puede ser

aproximada por una recta, y consiste en la máxima desviación de una función

de transferencia real con respecto a la aproximación real. Se mide en términos

de la no linealidad máxima y se expresa como un porcentaje de la deflexión

de escala completa.

Sensibilidad

La sensibilidad de un dispositivo electrónico, es la mínima magnitud en la

señal de entrada requerida para producir una determinada magnitud en la

señal de salida, dada una determinada relación señal a ruido, u otro criterio

especificado. Se representa como la razón de cambio entre la salida del

sensor y el estímulo.

Resolución

Es el cambio más pequeño de la variable medida, que un sensor es capaz de

detectar. Se define como el mayor cambio en la entrada que puede ocurrir

sin cambio correspondiente en la salida. La resolución está relacionada con la

precisión con la cual se realiza la medida.

Zona Muerta

Es el área de valores de la variable medida, que no hace variar la indicación

del instrumento.

Campo de Medida

Es el conjunto de valores de la variable medida, que están comprendidas

dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medición o


transmisión del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores

extremos.

Ejemplo

El campo de medida de un termómetro es de 100 a 300 °C

Alcance

Es la diferencia algebraica entra los valores superior e inferior del campo de

medida del instrumento.

Ejemplo

El campo de medida del termómetro citado en el ejemplo anterior es de 200 °C

Saturación

Es el área de valores de la variable medida, donde el instrumento ha

sobrepasado su capacidad máxima de operación por lo que se presenta un

comportamiento distinto a la operación normal y por lo tanto, no confiable.

Repetibilidad

Es la capacidad de un instrumento para reproducir la misma lectura al leer

valores idénticos de la variable bajo las mismas condiciones.

Ejemplo

Un manómetro con precisión de 1 psi que mide una presión de 25 psig y entrega lectura de

25,5, 26, 24,3 y 24 psig se dice que tiene una operación repetible. Si arrojase una lectura de

27 psig estaríamos frente a una falta de repetibilidad, a menos que se demuestre que existe

un problema de histéresis.

Error

Es la diferencia entre el valor leído por el instrumento y el valor de la variable

medida.

Ruido

Son señales impuras que afectan a las diferentes señales del sistema de

medición.


Linealidad

Es la proporción directa y libre de errores con equivalencias de alta

calibración

Elevación de Cero

Es la cantidad con que el valor cero de la variable supera al valor inferior del

campo de medida.

Supresión de Cero

Es la cantidad de desfase que hay por debajo del valor inferior del rango

Temperatura de servicio

Es la temperatura de trabajo del instrumento

Rango

Es el campo de medida para cualquier número de valores que siempre deben

estar entre un límite superior e inferior, según las especificaciones del

instrumento.

Vida Útil de Servicio

Es el tiempo durante el cual se espera que el instrumento funcione de

acuerdo con las especificaciones del fabricante.


Capítulo 2 Medición de Presión

Definiciones Básicas

La presión es definida como la fuerza por unidad de área, ejercida por un

fluido – líquido o gas – en cualquier superficie. Típicamente se realizan tres

tipos de medición de presión:

Presión Absoluta es la presión tal y como fue definida anteriormente.

Representa la diferencia de presión entre el punto de medición y el vacío

perfecto donde la presión es cero.

Presión Relativa es la diferencia de presión entre el punto de medida y el

ambiente. En realidad la presión ambiente (atmosférica) puede variar, pero

sólo la diferencia de presión es lo que interesa en la medida de presión

relativa.

Presión Diferencial es la diferencia de presión entre dos puntos, uno de los

cuales funciona como la referencia. En la realidad ambas presiones pueden

variar, pero lo que importa es la diferencia de presión.

Unidades de Presión y Conversión

La principal unidad de medida de la presión es el pascal (Pa), que está

definido como un newton por pulgada cuadrada (Nm-2). Un pascal es una

unidad de presión muy pequeña; por esa razón, se emplean múltiplos del

pascal (kilopascal [kPa] y megapascal [MPa]) para representar altas presiones.

En los Estados Unidos la unidad de medida comúnmente usada para la

presión es la libra de fuerza por pulgada cuadrada (psi), la cual equivale a

aproximadamente 6,9 kPa. Adicionalmente, para las presiones absoluta,

relativa y diferencial se especifican psia, psig y asid respectivamente. Sin

embargo, esta diferenciación sólo se hace con esta unidad de medida.

Otra unidad de medida para la presión es el milímetro de mercurio a 0°C (mm

Hg) o la pulgada de agua a 4°C (in H2O), las cuales expresan la presión en


términos de la altura de una columna de líquido estático. La presión está

referida a la que se ejercería en la base de la columna de líquido debido a su

peso de acuerdo con la ecuación que se muestra a continuación:

hgp

donde es la densidad del líquido, g es la aceleración de la gravedad y h es la

altura de la columna. La tabla 2.1 muestra los valores de conversión de las

unidades de medida más comúnmente utilizadas para representar la presión.

Tabla 2.1 – Tabla de Conversión de Unidades de Presión

Unidad kPa psi in H2O cm H2O in Hg mm Hg mbar

kPa 1,00000 0,14500 4,01500 10,2000 0,25930 7,50100 10,0000

psi 6,89500 1,00000 27,6800 70,3100 2,03600 51,7200 68,9500

in H2O 0,24910 0,03613 1,00000 2,54000 0,07355 1,86800 2,49100

cm H2O 0,09806 0,01422 0,39370 1,00000 0,02896 0,73550 0,98060

in Hg 3,38600 0,49120 13,6000 34,5300 1,00000 25,4000 33,8600

mm Hg 0,13330 0,01934 0,53530 1,36000 0,03937 1,00000 1,33300

mbar 0,10000 0,01450 0,04015 1,02000 0,02953 0,75010 1,00000 kPa: kilopascal

psi: libra de fuerza por pulgada cuadrada

in H2O: pulgada de agua a 4°C

cm H2O: centímetro de agua a 4°C

in Hg: pulgada de mercurio a 0°C

mm Hg: milímetro de mercurio a 0°C

mbar: milibar

Principios de Medición

Dado que la presión es definida como la fuerza por unidad de área, la manera

más directa de medirla es aislarla un área en un elemento mecánico elástico

para que la fuerza actúe sobre ella. La deformación del elemento sensor

produce desplazamientos y tensiones que pueden ser detectadas con gran

precisión para obtener una medida calibrada de la presión. Esto constituye la

base de todos los sensores de presión disponibles comercialmente en la

actualidad. En concreto, los requerimientos básicos para un elemento sensor

de presión son un medio para aislar dos presiones de fluidos – uno que será

medido y otro que se usará como referencia – y una porción elástica que

permita convertir la diferencia de presión en deformación del elemento

sensor. Existen diversos tipos de elementos sensores de presión, que pueden

ser agrupados en diafragma, fuelle y tubo.


Sensores de Presión tipo Diafragma

En este caso el dispositivo elástico es una membrana ondulada. El fluido es

dirigido de tal manera que entre en contacto con la superficie constituida por

la membrana, la cual traduce la presión de éste en un movimiento cuyo

desplazamiento es proporcional a la magnitud de la presión.

Figura 2.1 – Sensores de Presión de Diafragma

Sensores de Presión tipo Fuelle

Estos sensores fueron desarrollados a partir de la necesidad de medir

presiones muy bajas. Estos sensores son los más exactos cuando se miden

presiones entre los 0,5 y 75 psig. Sin embargo, combinados con resortes

apropiados, son capaces de medir presiones sobre los 1.000 psig.

Figura 2.2 – Sensor de Presión de Fuelle

El fuelle está hecho de una sola pieza metálica colapsable, que tiene dobleces

profundos formados a partir de un tubo de paredes muy delgadas. El

diámetro del fuelle va de los 0,5 a las 12 pulgadas y puede tener hasta 24

dobleces. La presión del sistema es aplicada al volumen interno del fuelle. Las

variaciones en la presión, ocasionan que el fuelle se expanda y contraiga. El

movimiento del fuelle es entonces convertido en una señal eléctrica o es

conectado directamente a un dispositivo indicador. Dentro de los límites de

elasticidad del fuelle, la relación entre incremento en la carga y la deflexión


del fuelle es lineal. Los fuelles deben ser construidos de tal manera que el

movimiento ocurra en compresión. Por lo tanto, en la práctica, el fuelle

siempre tiene un resorte que se le opone y las características de deflexión

será la que resulte de las fuerzas ejercidas por el resorte y el fuelle.

Sensores de Presión tipo Tubo de Bourdon

El sensor tipo tubo de Bourdon es uno de los instrumentos más antiguos para

la medición de presión. El tubo de Bourdon consiste en un tubo de paredes

delgadas curvado o torcido a lo largo que presenta una sección transversal

ovalada. EL tubo está sellado en un de sus extremos, y tienen a enrollarse o

desenrollarse cuando es sometido a una presión en su interior. En general, los

tubos de Bourdon están diseñados para medir altas presiones.

Figura 2.3 – Sensor de Presión tipo Tubo de Bourdon

La presión aplicada en el interior ocasiona una distensión en la sección

transversal plana por lo que tienen a desenrollarse. Debido a que el tubo está

firmemente fijado en uno de sus extremos, la otra punta del tubo traza un

movimiento curvo que resulta en un cambio de la posición angular con

respecto al centro. El movimiento de la punta puede ser usado para desplazar

un indicador o para ser convertido en una señal eléctrica equivalente


Método de Detección

Se requiere de un método de detección que convierta la deformación del

elemento sensor en una lectura de presión. La forma más simple es amplificar

el movimiento mecánicamente y adosar un indicador sobre una escala

graduada. Algunos de los más antiguos sensores de presión empleaban un

tubo de Bourdon que actuaba sobre una resistencia variable (potenciómetro).

Otra solución es utilizar el desplazamiento del tubo de Bourdon para mover

un núcleo magnético dentro de una bobina para variar su inductancia.

En los sensores de presión piezoeléctricos, la tensión asociada a la

deformación del elemento sensor es convertido en electricidad utilizando un

cristal piezoeléctrico. Este tipo de sensor es de gran utilidad cuando se miden

eventos transitorios de alta presión.

Sensores de Presión Capacitivos

Está técnica permite la construcción de sensores de presión de alta exactitud

(menos de 0,1%) que pueden ser diseñados para cubrir un amplio rango de

presiones. El principio de funcionamiento de estos sensores es el siguiente.

Un diafragma de metal o silicio es usado con el elemento sensor y constituye

uno de los electrodos del condensador. El otro electrodo, que es estacionario,

está típicamente construido a partir de una capa de metal sobre un substrato

cerámico o de vidrio. Cuando se aplica una presión el diafragma se reflecta lo

que cambia el espacio entre los electrodos y por ende la capacitancia. En el

diseño capacitivo diferencial, el diafragma sensor está colocado en el medio

de dos electrodos estacionarios. Al aplicarse una presión, una de las

capacitancias disminuye mientras que la otra aumenta.


Figura 2.4 – Sensor Capacitivo Diferencial

Sensores de Presión Piezoresistivos

Los sensores de presión piezoresistivos son los más usados actualmente. El

efecto piezoresistivo se refiere al cambia en la resistencia eléctrica que sufre

un material cuando es sometido a presión o tensión.

Sensores de Presión a base de Microchips de Silicio

Los sensores de presión a base de microchips de silicio se refieren a una clase

de sensores de presión que emplean técnicas de circuitos integrados para

construir elementos sensores de diafragma en un chip de silicio. Las galgas de

tensión hechas de resistencias difuminadas de silicio están típicamente

integradas a diafragmas que convierten la deflexión inducida en una variación

de la resistencia eléctrica.

Consideraciones en el Uso de Sensores de Presión

Los instrumentos de presión son sensibles a las variaciones en la presión

atmosférica que rodea el detector. Esto es especialmente importante cuando

el detector se encuentra ubicado en un ambiente cerrado. Las variaciones en

la presión que circunda al sensor ocasionan que la presión indicada cambie.


Esto reduce la exactitud del instrumento y debe ser considerado al momento

de su instalación y mantenimiento.

La temperatura ambiente afecta la exactitud y confiabilidad de la detección de

presión. Las variaciones en la temperatura ambiente afectan directamente la

resistencia de los componentes en la circuitería del instrumento, afectando

por ende la calibración del equipo. El efecto de las variaciones de temperatura

es reducido por el diseño de la circuitería y mantenimiento la instrumentación

para detección de presión en el ambiente apropiado.

La presencia de humedad afecta a la mayoría de los equipos eléctricos, en

especial a los electrónicos. Una alta humedad puede causar condensación

dentro del equipo. La condensación puede ocasionar cortocircuitos,

aterramiento, corrosión que a la larga dañará los componentes. Los efectos

de la humedad son controlados mantenimiento el equipo en el ambiente

apropiado.


Capítulo 3 Medición de Temperatura

La Medida de la temperatura constituye una de las mediciones más comunes

e importantes efectuadas en los procesos industriales, estableciéndose sus

limitaciones según el tipo de aplicación, la precisión, velocidad de captación,

distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de

instrumento indicador, registrador o controlador necesario.

Se utiliza una gran variedad de transductores para medir temperatura,

algunos de cuales la convierten directamente en una señal eléctrica y otros se

emplean en combinación con un transductor.

Los transductores de temperatura más comunes son:

Bandas Bimetálicas

Termopares

Detectores de temperatura resistivos (RTD)

Termistores

Sensores de semiconductor

Pirómetros de radiación

Los metales puros tienen un coeficiente de resistencia de temperatura

positivo bastante constante, por lo que el factor de proporcionalidad entre la

resistencia y la temperatura es una línea recta.

Al usar un alambre de metal puro para la medición de temperatura, se le

refiere como detector resistivo de temperatura o RTD (Resistive Temperature

Detector).

Termómetros de Vidrio

Este instrumento posee un depósito de vidrio el cual contiene un fluido, cuyo

cuerpo se dilata por acción de calor, expandiéndose a través del tubo capilar

graduado, para medir la temperatura en las unidades señaladas por el

termómetro.


Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son:

Mercurio: desde -35 °C hasta 280 °C

Pentano: desde -200 °C hasta 20 °C

Alcohol: desde -110 °C hasta 50 °C

Tolueno: desde -70 °C hasta 100 °C

Figura 3.1 – Termómetro de Vidrio

Banda o Cinta Bimetálica

Este sensor se construye por medio de dos cintas de metales diferentes

unidas. Debido a la diferencia en los coeficientes de expansión térmica de los

dos metales, el calentamiento de toda la cinta origina una mayor expansión

longitudinal en una de ellas; como las cintas están soldadas a lo largo de toda

su extensión, toda la cinta se doblará en la dirección del metal que se

expande menos. La extensión del doblamiento es proporcional al cambio de

temperatura. Si un extremo de la cinta esta sujeto firmemente, mientras el

otro esta libre, la magnitud del doblamiento se puede emplear para indicar el

cambio de temperatura. Esto se puede lograr uniendo un transductor de

posición al extremo libre de la cinta y calibrar su desplazamiento de acuerdo

con los cambios de temperatura.


Figura 3.2 – Termómetro Bimetálico

Las ventajas al trabajar del termómetro bimetálico incluyen:

Rápida respuesta e indicación exacta de la temperatura.

Estructura maciza y fuerte para trabajar en condiciones difíciles.

Fácil lectura.

Simple y conveniente calibración

La exactitud de medición no es afectada por los cambios de ambiente en

su cubierta.

El visor puede instalarse lejos del punto de medición.

Se puede aplicar en ambientes corrosivos y de alta presión.

Precisión de ± 1 %

Estos transductores también pueden ser empleados como interruptores,

utilizando los movimientos de la cinta para activar o desactivar equipos y su

rango de aplicación varía desde los -2.3 °C hasta 285 °C.

Termocuplas

Las termocuplas, también llamados comúnmente termopares, se utilizan

extensamente, ofreciendo un amplio rango de temperaturas y una

construcción robusta. No precisan alimentación de ningún tipo y su reducido

precio los convierte en una opción muy atractiva para grandes sistemas de

adquisición de datos. Sin embargo, para superar algunos de los

inconvenientes inherentes a los termopares y obtener resultados de calidad,

es importante entender la naturaleza de estos dispositivos.

Principio de Funcionamiento

El comportamiento de un termopar se basa en la teoría del gradiente, según

la cual los propios hilos constituyen el sensor. Cuando se calienta uno de los


extremos de un hilo, se produce una tensión en función del gradiente de

temperatura desde uno de los extremos del hilo al otro (de acuerdo con el

coeficiente de Seebeck, que es una constante de proporcionalidad que varía

de un metal a otro).

Juntura de Referencia Juntura de MediciónFlujo de corriente

Metal A

Metal B

Llama

Figura 3.3 – Representación a la Juntura en una Termocupla

El sensor es un circuito formado por dos cables distintos unidos en ambos

extremos, desarrollando un voltaje proporcional a la diferencia de

temperaturas en las dos uniones a las cuales se les conoce como juntura de

medición y juntura de referencia.

Figura 3.4 - Termocupla

Clasificación

La clasificación de las termocuplas ha sido establecida por la ANSI, tomando

en cuenta la respuesta de voltaje versus temperatura, el desempeño en el

medio ambiente y la vida útil.


Tabla 3.1 – Tipos de Termocuplas

Tipos Materiales Aplicación (° F) mV

B Platino 30% Rodio (+) Platino 6%

Rodio (-)

100 - 3.270 0,007 a

13,499

C Tungsteno 5% Renio (+) Tungsteno

26% Renio (-)

3.000 – 4.200 -

E Cromel (Cr-Ni) (+) Constantan (Cu-Ni)

(-)

32 – 1.800 0 a 75,12

J Acero (+) Constantan (-) -300 – 1.600 -7,52 a 50,05

K Cromel (+) Alumel (-) -300 – 2.300 -5,51 a 51,05

N Nicrosil (+) Nisil (-) 1.200 0 2.300 -

R Platino 13% Rodio (+) Platino (-) 32 – 2.900 0 a 18,636

S Platino 10% Rodio (+) Platino (-) 32 – 2.800 0 a 15,979

T Cobre (+) Constantan (-) -300 - 750 -5,28 a 20,80

Detectores de Temperatura Resistivos (RTD)

El cambio en la resistencia de un metal hace posible medir la temperatura a

través del paso de corriente eléctrica. La construcción clásica de un detector

de temperatura resistivo consiste en una bobina de alambre delgado de

cobre, níquel o platino fijado a un bastidor de soporte. También se fabrican

depositando una película delgada de platino sobre un substrato de cerámica.

Estos RTD’s requieren menos platino y son más baratos. Los RTD’s se

caracterizan por tener una excelente linealidad en el rango de operación.

Para trabajos a baja temperatura se emplean resistencias de carbón. Cuando

se necesita bajo costo se emplean cobre y níquel, pero con la desventaja de

una linealidad reducida.

Los rangos de los RTD's varían entre los 10 ohmios para los modelos de jaula

y varios miles de ohmios para los RTD's de película metálica. Para detectar

cambios de resistencia presentes en los RTD's se emplean puentes de

Wheatstone.

La aplicación de este sensor, se realiza en cualquier actividad industrial y los

rangos de temperaturas, según el material utilizado son:

Platino: -200 a 650 ºC

Cobre : -100 a 260 ºC

Níquel: -100 a 205 ºC

Película de platino: -50 a 550 °C


Figura 3.5 – RTD

Ventajas

Comportamiento lineal en amplio rango de operación

Amplio rango de temperatura, aplicación para altas temperaturas

Fácil de intercambiar (estándar)

Buena estabilidad a altas temperatura

Alta relación señal a ruido; buena exactitud y permite grandes distancias

entre el sensor y el equipo de medición

Desventajas

La magnitud de la corriente debe ser inferior a 5 mA para no causar un

aumento de temperatura en el RTD

Baja sensibilidad

Alto costo

Afectado por choques y vibraciones

Termistores

Los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de

temperatura de resistencia negativo de valor elevado con una curva

característica lineal cuando la temperatura es constante.

Los termistores se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a

otros circuitos de medida de resistencia. En intervalos amplios de

temperatura, los termistores tienen características no lineales. Son de


pequeño tamaño y su tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica

y de la masa del termistor, variando de fracciones de segundo a minutos.

Figura 3.61.- Montaje de Termistores Comerciales

Figura 3.6 – Termistor

Los termistores encuentran su principal aplicación en la compensación de

temperatura, como temporizadores y como elementos sensibles en

vacuómetros.

Los termistores, son detectores resistivos fabricados normalmente de

semiconductores cerámicos, que ofrecen una impedancia más alta que los

RTD. La reducción de los errores provocados por los hilos conductores, hacen

bastante factible el uso de la técnica de dos hilos. Su propiedad de presentar

un gran cambio de resistencia con un pequeño cambio de temperatura,

permite obtener medidas de alta resolución y reduce el impacto de la

resistencia de los hilos conductores. Por otra parte la baja masa térmica del

termistor, minimiza la carga térmica en el dispositivo sometido a prueba.

El inconveniente del termistor es su falta de linealidad, siendo necesaria la

implementación de un algoritmo de linealización.

Transductores de Temperatura basados en Semiconductores

Existen muchos dispositivos basados en la sensibilidad térmica de los

semiconductores. Los tres tipos más comunes son las resistencias

semiconductoras volumétricas, los diodos y los circuitos integrados.

Resistencias Semiconductoras Volumétricas

Son dispositivos semiconductores sencillos. Varían su resistencia con un

coeficiente positivo de temperatura de 0,7% por °C. Trabajan en un rango de

temperaturas desde los -65 °C hasta los 200 °C siendo razonablemente

lineales (±0.5%). Tienen el aspecto de resistencias de ¼ W y su resistencia

nominal va desde 10 hasta 10 k con tolerancias de 1% a 20%. Son


dispositivos de bajo costo. Tiene como desventaja, se debe a los efectos del

propio calentamiento.

Diodos Semiconductores

Su principio de funcionamiento se basa en la proporcionalidad del voltaje de

juntura del diodo a la temperatura del mismo. Para los diodos de silicio, este

factor de proporcionalidad es de -2.2 mV/°C. El rango de temperaturas de

este sensor va desde los -40 °C hasta 15 °C. Son muy utilizados por su bajo

costo, linealidad y rápida respuesta. Tienen como desventaja, que dos diodos

del mismo tipo pueden tener diferentes valores iniciales de voltaje de juntura,

por lo que es necesario la inclusión de circuitos de calibración.

Circuitos Integrados

Este tipo de transductor es altamente lineal y su porcentaje de error puede

llegar a ser de hasta 0.05% (según el rango de temperatura).

Por trabajar con corriente, no es afectado por el ruido; el calentamiento

propio es despreciable. Puede ser utilizado como sensor remoto de

temperatura, ay que las caídas en la línea son pequeñas.

Pirómetros de Radiación

Los pirómetros de radiación se basan en la ley de Stefan-Boltzman (K), donde

la intensidad de energía radiante (w) emitida por la superficie de un cuerpo,

aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta

(T) del mismo. Desde el punto de vista de medición de temperaturas

industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde las 0,1 micras

para las radiaciones ultravioletas, hasta 12 micras para las radiaciones

infrarrojas. La radiación visible ocupa un intervalo entre la longitud de onda

0,45 micras para el valor violeta hasta 0,70 micras para el rojo.

Los pirómetros de radiación total miden la temperatura captando toda o

parte de la energía emitida por un cuerpo. Los pirómetros ópticos miden la

temperatura de un cuerpo en función de la radiación luminosa emitida.

Pirómetros Ópticos

Los pirómetros ópticos manuales se basan en la desaparición del filamento de

una lámpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado.


Pueden ser de dos tipos, que incluyen corriente variable ó constante en la

lámpara y variación del brillo de la imagen de la fuente.

Temperatura

demasiado

baja

Temperatura

correcta

Temperatura

demasiado

alta

LentePersianaPersiana

Lampara de

enf oque

Ventanilla

de

enf oque

Lente

Ventanilla

de

enf oque

Lampara de

comparacionFiltro

Figura 3.7 – Pirómetros Ópticos

Los pirómetros ópticos automáticos consisten en un disco rotativo para

modular la radiación del objeto y la de una lámpara estándar incidiendo en

un fototubo multiplicador. Éste envía una señal de salida en forma de onda

cuadrada de impulsos de corriente continua, convenientemente

acondicionada para modificar la corriente de alimentación de la lámpara

estándar hasta coincidir con el brillo de la radiación del objeto y de la

lámpara. En algunos modelos, el acondicionamiento de señal se realiza con

un microprocesador permitiendo alcanzar una precisión de ±0,5% en la

lectura. El pirómetro dirigido sobre una superficie incandescente no

proporciona una temperatura verdadera si la superficie no es perfectamente

negra.

Filamento del

pirometro

Superf icie del objeto

que se esta

examinando

Figura 3.8 – Principio de Funcionamiento del Pirómetro Óptico de Desaparición

de Filamento

Pirómetro de Radiación Total

El pirómetro de radiación total, está formado por una lente de pirex, silicio o

fluoruro de calcio, que concentra la radiación del objeto caliente en una


termopila formada por varios termopares de Pt-Pt/Rh, de pequeñas

dimensiones y montados en serie. La radiación está enfocada incidiendo

directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa

los hace muy sensible a pequeñas vibraciones de la energía radiante, y muy

resistentes a vibraciones o choques. La parte de los termopares expuesta a la

radiación está ennegrecida, para aumentar sus propiedades de absorción y

proporcionar la fuerza electromotriz máxima (FEM).

TR

Termopila

LenteObjeto

Figura 3.9 – Pirómetro de Radiación Total

La fuerza electromotriz máxima proporcionada por la termopila, depende de

la diferencia de temperatura entre la unión caliente (radiación procedente del

objeto enfocado) y la unión fría. Esta última coincide con la de la caja del

pirómetro (temperatura ambiente). La compensación de ésta se lleva a cabo

utilizando una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de

conexión del pirómetro y colocada en su interior para igualar la temperatura

de este cuerpo. Al aumentar la temperatura ambiente, aumenta el valor de la

resistencia de la bobina de níquel, compensado la pérdida de la fuerza

electromotriz máxima de la termopila para calentar el cuerpo del instrumento.

En los bornes de la termopila va conectado un cable de cobre que llega hasta

el instrumento.

La compensación descrita se utiliza para temperatura ambiente máxima de

120°C. Para temperaturas mayores, se emplean dispositivos de refrigeración

por aire o por agua, disminuyendo la temperatura de la caja en unos 10 a 40

°C por debajo de la temperatura ambiente.

En la medición de bajas temperaturas, la compensación se efectúa utilizando

además una resistencia termostática adicional, manteniendo constante la

temperatura de la caja en unos 50 °C, valor mayor a la temperatura ambiente

y lo suficientemente baja como para no reducir apreciablemente la diferencia

de temperatura útil.

La relación entre la fuerza electromotriz máxima generada y la temperatura

del cuerpo es independiente de la distancia entre el cuerpo y la lente, siempre


que la imagen de la superficie del cuerpo emisor de la radiación cubra

totalmente la unión caliente de la termopila. El fabricante normaliza la

relación entre las dimensiones del objeto y su distancia al lente, para

garantizar buenas condiciones de lectura.

Las lentes de pirex se utilizan en el campo de temperaturas de 850 a 1750 °C,

las de sílice fundido en el intervalo de 450 a 1250 °C y las de fluoruro de

calcio con un ángulo de enfoque ancho para captar la mayor cantidad posible

de energía, de 50 a 200 °C.


Capítulo 4 Medición de Tensión y Carga

Esfuerzo y Deformación (Stress and Strain)

El esfuerzo y deformación son utilizados para describir la carga y deformación

sobre materiales sólidos. El esfuerzo () es la fuerza aplicada (F), dividida por

la sección transversal (A). La deformación resultante () es el cambio en la

longitud (L) dividida por la longitud inicial L. Una barra se estira en la

dirección de una fuerza que la “hala” (deformación longitudinal L) y se

contrae en la dirección perpendicular a la fuerza (deformación transversal t).

Cuando la deformación no es muy grande, muchos materiales sólidos se

comportan como un resorte lineal: el desplazamiento es proporcional a la

fuerza aplicada. Si la misma fuerza es aplicada a un material más grueso, el

resorte es más rígido y el desplazamiento es menor. Esto lleva a una relación

entre fuerza y desplazamiento que dependen de las dimensiones físicas del

material. Otras propiedades del material, tales como densidad y calor

específico, deben ser definidas de tal manera que sean independientes de la

forma y tamaño de la pieza. Las propiedades elásticas de un material están

definidas en términos de esfuerzo y deformación. En el rango lineal de la

respuesta del material, el esfuerzo es proporcional a la deformación. La

relación entre esfuerzo y deformación de una barra bajo tensión es un

constante de elasticidad conocida como módulo de Young (E). La relación

negativa de la deformación transversal y longitudinal se conoce como

relación de Poisson (v).

La fuerza puede ser aplicada a un material de tal manera que cause distorsión

en lugar de elongación. Una fuerza aplicada tangente a la superficie dividida

por la sección transversal es como una deformación tangente (). Esta

distorsión puede ser medida por el ángulo del cambio producido.

Los cambios en la temperatura también producen deformación, llamada

expansión térmica. En la mayoría de los materiales, la deformación térmica

aumenta con la temperatura. Dentro de un rango limitado de temperatura, la

relación entre la deformación térmica y la temperatura es lineal.


Se usan varios tipos de sensores para medir deformación. Estos incluyen

galgas piezoresistivas, galgas piezoeléctricas, galgas de fibra óptica,

materiales birrefringentes y malla de Moiré. Cada tipo de sensor requiere de

un acondicionamiento especial de la señal. La selección del mejor medidor de

deformación incluye aspectos tales como la geometría del elemento a medir,

la temperatura, la rata de esfuerzo, frecuencia, magnitud, costos, complejidad,

exactitud, resolución espacial, resolución temporal, sensibilidad a la

deformación transversal, sensibilidad a la temperatura y complejidad del

acondicionamiento de la señal.

Principio de Operación

Galgas Piezoresistivas

Estas galgas incluyen un delgado substrato aislante, una película o malla de

cables (usualmente constantan) unidos a un substrato, cables que conectan la

malla y circuito para medición de resistencia, en un encapsulado aislante. La

malla está orientada de tal forma que la deformación comprima las piernas de

la malla longitudinalmente. Esto hace que el sensor sea sensible

principalmente a deformación longitudinal, no obstante siempre habrá algo

de sensibilidad a la deformación transversal.

Figura 4.1 – Galga Piezorresistiva

La relación entre el cambio de resistencia y la deformación viene dada por la

ecuación:


LLGR

R

Donde R/R es el cambio relativo de resistencia, G es el factor del sensor y

es la deformación.

El sensor responde a la deformación promedio sobre el área cubierta por la

malla. El cambio de la resistencia es también sensible a la temperatura. Si la

temperatura cambia durante el período de medición, es necesario hacer una

corrección que permita distinguir entre la respuesta a la deformación y la

respuesta térmica. La respuesta del sensor a la deformación longitudinal,

deformación transversal y cambio en la temperatura viene dada por la

ecuación:

TGGGR

RTttLL

Donde GL, Gt y GT son la sensibilidad longitudinal, transversal y térmica

respectivamente. La contribución de la temperatura debe ser eliminada en los

casos en que la medición se haga en ambientes con temperatura cambiante.

Este esquema es llamado de auto compensación térmica (STC) y se logra

seleccionando un material piezoresistivo cuya respuesta térmica pueda ser

cancelada por la deformación térmica inducida por la temperatura en el

material medido. Los fabricantes de estos sensores especifican números STC

que corresponden al coeficiente de expansión térmico de la mayoría de los

materiales.

Galgas Piezoresistivas Semiconductoras

Estos sensores de deformación, al igual que el caso anterior, reflejan un

cambio en su resistencia eléctrica como respuesta a la deformación, pero con

una relación un orden de magnitud mayor. El acoplamiento entre resistencia y

temperatura es grande, por lo que deben ser compensados por temperatura.

Las galgas semiconductoras son usadas típicamente para fabricar celdas de

carga. Son frágiles y requiere de gran precaución en su uso.

Galgas Piezoeléctricas

Los sensores de deformación piezoeléctricos son condensadores de placas

paralelas cuya propiedad dieléctrica varía como respuesta a la deformación.

Cuando cambia la polarización, se produce una carga proporcional a la


deformación. Estos sensores son de relativamente bajo costo pero no muy

exactos. Son buenos para medición dinámica pero no para cuantitativa.

Además, tienen a drenar carga a través del instrumento de medición, por lo

que en mediciones semi-estáticas, la señal tiende a decaer con una constante

de tiempo que depende de la impedancia del instrumento de medición. Los

sensores de cuarzo son muy exactos, pero también pierden carga a través del

instrumento de medición. Las constantes de tiempo pueden ser bastante

largas (desde segundos hasta horas) con electrómetros y amplificadores de

carga.

Galgas de Fibra Óptica

Estos sensores son interferómetros en miniatura. Muchos de los disponibles

comercialmente, están basados en el interferómetro de Fabry-Perot. Este

interferómetro es capaz de medir cambios en el tamaño de una cavidad muy

pequeña. Este sensor incluye una fuente de luz láser, fibra óptico monomodo,

acoplador, la cavidad que mide deformación y un foto detector. La luz sale del

diodo láser, pasa a través de la fibra óptica, a través del acoplador y llega a la

cavidad. El final de la fibra es el equivalente a un espejo semitransparente.

Parte de la luz es reflejada de regreso y parte es transmitida. La luz que cruza

la cavidad es reflejada desde el otro extremo, de regreso a la fibra donde se

recombina con el rayo reflejado. Los dos rayos tienen una diferencia de fase,

que guarda relación con el doble de la longitud de la cavidad. El rayo

recombinado pasa a través del acoplador y llega al foto detector. Si los dos

rayos reflejados están en fase, habrá una interferencia constructiva. Si están

fuera de fase, la interferencia será destructiva. Una deformación en la cavidad

ocasionará un desfasaje en los rayos.


Figura 4.2 – Sensor de Deformación basado en Interferómetro Fabry-Perot

Sensor de Película Birrefringente

Estos sensores proporcionan todo un campo de medida para deformación.

Los materiales birrefringentes tienen como propiedad, que la luz lo atraviesa a

diferente velocidad según la dirección en que esta incida. Esto significa que si

la luz es polarizada en una dirección particular y es hecha pasar a través del

material birrefringente, si la dirección rápida está alineada con el vector del

campo eléctrico, la luz pasará más rápido que si la dirección lenta es la que

está alineada con el vector del campo eléctrico.

Este efecto puede ser utilizado para producir interferencia óptica. En algunos

materiales la birrefringencia es producida por deformación. Las direcciones

rápida y lenta corresponden a la dirección de la deformación principal, y la

cantidad de birrefringencia está relacionada con la magnitud de la

deformación. Un componente del vector del campo eléctrico viaja más rápido

que el otro; emergerán con diferencia de fase. Esto cambia la amplitud

relativa y rota la polarización de la luz. Si no hay birrefringencia, no hay luz

que pase a través del segundo polarizador. En la medida en que aumenta la

birrefringencia con la deformación, aumenta la cantidad de luz que pasa.


Figura 4.2 - Polariscopio

Sensores de Mallas de Moiré

La interferencia Moiré es otra técnica que proporciona todo un campo de

medición, pero que computa desplazamiento en lugar de deformación. Esta

técnica está basada en la interferencia que se obtiene cuando dos placas

transparentes son cubiertas franjas equiespaciadas. Si las placas son

colocadas una sobre la otra, estas pueden ser alineadas de tal manera que

pase luz a través de ellas. Si una de las placas es deformada, la separación

entre las franjas podría ser mayor. Esto implicaría que en algunas regiones la

luz pasaría a través de las placas y en otras no. Las bandas iluminadas y

oscuras proveen información acerca del desplazamiento producido.


Capítulo 5 Medición de Vibración y Aceleración

La aceleración es medida por acelerómetros, como un parámetro importante

para la medición absoluta de movimiento y la detección de vibración e

impactos. Los acelerómetros están disponibles comercialmente en una amplia

variedad de rangos y tipos que se ajustan a los diferentes requerimientos y

aplicaciones. Pueden ser configurados como sensores activos o pasivos.

Un acelerómetro activo (por ejemplo, piezoeléctrico) proporciona una salida

sin requerir de alimentación (eléctrica) externa, mientras que uno pasivo sólo

produce cambios en sus propiedades eléctricas (por ejemplo, capacitivo), por

lo que requiere de alimentación externa. La selección del tipo de sensor

(activo o pasivo) es muy importante ya que los sensores activos no pueden

sirven para operaciones en modo dc o estáticas; para mediciones estáticas se

emplean sensores pasivos. En general, los acelerómetros son utilizados, por

las siguientes razones:

Poseen un amplio rango de frecuencia desde cero hasta valores muy altos.

Es fácil medir aceleraciones sostenidas

La aceleración es importante de medir, ya que las fuerzas destructivas

están más frecuentemente relacionadas con aceleración que con velocidad

o desplazamiento

El desplazamiento y velocidad pueden ser fácilmente obtenidas

integrando la aceleración con circuitos electrónicos

Los acelerómetros pueden ser clasificados de muchas maneras:

De deflexión o balance nulo

Dinámicos o cinéticos

Mecánicos o eléctricos

La mayoría de los acelerómetros industriales son clasificados como de

deflexión o de balance nulo. Los utilizados en medición de vibración e

impacto son típicamente del tipo deflexión mientras que los utilizados para

detección de movimiento en vehículos y aviones para propósitos de


navegación, pueden ser de cualquiera de los dos tipos. En general, los de

balance nulo se emplean cuando se requiere de una exactitud extrema.

Figura 5.1 – Acelerómetro sísmico de deflexión

Existen muchos tipos diferentes de acelerómetros por deflexión. Su principio

de operación es siempre básicamente el mismo, difiriendo en detalles

menores tales como el resorte empleado, el método de amortiguación y el

tipo de transductor de desplazamiento empleado.

Los acelerómetros pueden ser clasificados como dinámicos o cinéticos. En el

primer caso la medición se basa en determinar la fuerza que es necesaria para

hacer que la masa sísmica siga el movimiento de la carcasa. El cinético basa su

funcionamiento en medir el movimiento (tiempo de recorrido) de la masa

sísmica; este tipo es utilizado para aplicaciones muy especiales como por

ejemplo en naves espaciales.

Para propósitos prácticos, los acelerómetros pueden ser clasificados en

mecánicos y eléctricos, dependiendo de si la medición se basa en

propiedades mecánicas o fuerzas eléctricas o magnéticas.

Los acelerómetros deben ser calibrados para la medición de aceleración,

vibración e impacto. Los métodos de calibración se pueden clasificar en

estáticos y dinámicos. La calibración estática consiste en someter al sensor a

uno o varios niveles de aceleración constante. La calibración dinámica es

realizada utilizando un “sacudidor” electrodinámico. Este dispositivo está

diseñado para oscilar en movimiento sinusoidal con frecuencia y amplitud

variables.

Características Dinámicas del Acelerómetro

Esta sección está referida a las propiedades físicas de la medición de

aceleración, vibración e impacto donde un acelerómetro puede ser utilizado.


Las vibraciones pueden ser periódicas, aleatorias estacionarias, aleatorias no

estacionarias y transitorios.

Vibraciones Periódicas

En las vibraciones periódicas, el movimiento de un objeto describe un

comportamiento oscilatorio, que puede ser representado por una forma de

onda sinusoidal:

)()( wtsenXtx pico

Donde x(t) es el desplazamiento en función del tiempo, w es la frecuencia

angular y Xpico es el máximo desplazamiento desde el punto de referencia.

La velocidad del objeto está representada por la rata de cambio del

movimiento:

2)cos()(

wtsenUwtwX

dt

dxtu picopico

Donde u(t) es la velocidad dependiente del tiempo y Upico la velocidad

máxima.

La aceleración del objeto es la rata de cambio de la velocidad:

)()()( 2 wtsenAwtsenXwdt

duta picopico

Donde a(t) es la aceleración dependiente del tiempo y Apico es la aceleración

máxima.

De las ecuaciones anteriores se deduce que las formas de onda básicas y el

período de la vibración permanece igual en aceleración, velocidad y

desplazamiento; sin embargo, la velocidad está adelantada 90° y la

aceleración otros 90°.

En la realidad, las vibraciones pueden ser periódicas pero no necesariamente

sinusoidales. Sin son periódicas pero no sinusoidales, pueden ser expresadas

como una combinación de curvas sinusoidales, descritas por la serie de

Fourier.


Vibraciones Aleatorias Estacionarias

Las vibraciones aleatorias se presentan frecuentemente en la realidad, donde

constituyen ciclos irregulares de movimiento que nunca se repite de la misma

manera. Teóricamente, se requiere de un tiempo infinitamente largo para

registrar suficiente información como para obtener una descripción completa

de la vibración; sin embargo, es posible utilizar métodos estadísticos y teoría

de probabilidades para analizar la vibración tomando muestras

representativas.

Para estos casos se emplean herramientas matemáticas tales como las

distribuciones de probabilidad, densidad de probabilidad, espectro de

frecuencia, correlación cruzada y auto correlación, transformada digital

(numérica) de Fourier, análisis espectral, valor RMS y filtrado digital

(numérico).

Transitorios e Impactos

Es muy frecuente la necesidad de medir vibraciones de corta duración y

aparición repentina. Las vibraciones transitorias o de impacto pueden ser

descritas en términos de fuerza, aceleración, velocidad o desplazamiento. En

el caso de transitorios aleatorios e impactos, al análisis se hace empleando

métodos estadísticos y la transformada de Fourier.

Vibraciones Aleatorias no Estacionarias

En este caso, las propiedades estadísticas de las vibraciones cambian con el

tiempo. Se emplean métodos tales como promediado del tiempo y otras

técnicas estadísticas, para el análisis de estas vibraciones.

Tipos de Acelerómetros

Los acelerómetros pueden ser clasificados, según su principio de

funcionamiento, en:

Electromecánicos

Piezoeléctricos

Piezoresistivo

Capacitancia diferencial

De galga extensiométrica

Sísmico


Inercial

Fuerza electrostática

Microacelerómetros

Acelerómetros Electromecánicos

Los acelerómetros electromecánicos (servo o de balance nulo) basan su

funcionamiento en la retroalimentación. En esos instrumentos, una masa

sensible a la aceleración, es mantenida muy cerca de una posición neutral o

de cero desplazamiento, a través de la medición y realimentación de su

movimiento. Una fuerza magnética proporcional es generada, que se opone

al movimiento de la masa desplazada del punto neutral.

Este método cuenta con la ventaja de tener buena linealidad y eliminar el

efecto de la histéresis (cuando se le compara con los acelerómetros que

emplean resortes). Los acelerómetros pueden ser:

De bobina magnética

Inductivo

Acelerómetros Piezoeléctricos

Los acelerómetros piezoeléctricos son ampliamente utilizados para medición

(de propósito general) de aceleración, impacto y vibración. Son básicamente

transductores de movimiento con señales de salida de gran amplitud y

(comparativamente hablando) tamaño pequeño.

Figura 5.2 – Acelerómetro Piezoeléctrico

El dispositivo emplea una masa en contacto directo con un dispositivo

piezoeléctrico (o cristal). Cuando un movimiento variable es aplicado al


acelerómetro, el cristal experimenta una fuerza de excitación variable (F= ma)

que ocasiones que una carga eléctrica q se desarrolle en él:

madFdq ijij

Donde q es la carga y dij es el coeficiente piezoeléctrico del material. La salida

del material piezoeléctrico es dependiente de sus propiedades mecánicas. Los

dos materiales piezoeléctricos más utilizados son el plomo-zirconio-titanio

(PZT) y el cuarzo. Ambos son materiales auto-generadores que producen

grandes cargas eléctricas considerando su tamaño. El coeficiente del PZT es

cerca de 150 veces el del cuarzo, por lo que su sensibilidad (y en

consecuencia menor tamaño) es significativamente mayor. Son utilizados

principalmente en medición de vibraciones de media a alta frecuencia.

Acelerómetros Piezoresistivos

Los acelerómetros piezoresistivos son esencialmente galgas extensiométricos

semiconductoras con gran sensibilidad. Una mejor sensibilidad es crítica en la

medición de vibración, ya que permite la miniaturización del acelerómetro. La

mayoría de los acelerómetros piezoresistivos emplean dos o cuatro galgas

activas, conectadas en un puente de Wheatstone. Se emplean resistencias de

ultra-precisión en la circuitería de control de la sensibilidad, balanceo y

compensación de los efectos de la temperatura. Estos dispositivos son

especialmente utilizados para detectar vibraciones de baja frecuencia.


Figura 5.3 – Acelerómetro Piezoresistivo

Acelerómetros de Capacitancia Diferencial

Los acelerómetros de capacitancia diferencial están basados en el principio de

cambio de la capacitancia en proporción a la aceleración aplicada. Vienen en

varias formas y tamaños. En uno de los tipos, la masa sísmica del

acelerómetro constituye la parte móvil (condensador variable) de un oscilador

eléctrico. Ele sistema se caracteriza por tener una frecuencia nominal cuando

no está sometido a perturbación. Si el instrumento es acelerado, la frecuencia

varía del punto nominal, dependiendo de la dirección de la aceleración.


Figura 5.4 – Acelerómetro Capacitivo Diferencial

Acelerómetro de Galga Extensiométrica

Los acelerómetros de galga extensiométrico están basados en las

propiedades resistivas de los conductores eléctricos. Si un conductor es

comprimido, su resistencia se altera debido a cambios dimensionales y de sus

propiedades piezoresistiva. Esto indica que la resistividad del conductor

depende de la presión mecánica a la que es sometido.

Acelerómetros Sísmicos

Los acelerómetros sísmicos hacen uso de una masa sísmica que está

suspendida por un resorte o un leva dentro de un marco (de soporte) rígido.

El marco que sostiene la masa sísmica está firmemente unido a la fuente de

vibración que quiere ser medida. Cuando el sistema vibra, la masa tiende a

permanecer en una posición fija de tal manera que el movimiento puede ser

medido con el desplazamiento relativo entre la masa y el marco (de soporte).

Este desplazamiento es medido por un transductor apropiado para su

posterior procesamiento. Aunque es imposible que la masa sísmica

permanezca absolutamente estática, para determinadas frecuencias puede ser

satisfactoriamente considerado como una referencia de posición.

Seleccionando apropiadamente la masa, el resorte y el amortiguador, es

posible la utilización de este dispositivo para medición de aceleración o

desplazamiento. En general grandes masas son aconsejables para medición

de desplazamiento mientras que las (relativamente) pequeñas son más

convenientes para vibración.


Figura 4.6 – Acelerómetro de Potenciómetro

Acelerómetros Inerciales

Los acelerómetros inerciales son aquellos donde la fuerza requerida para

limitar el movimiento de la masa en presencia de vibración, es provista por un

sistema inercial como por ejemplo un giro péndulo, rotor de vibración o

cuerda vibratorio entre otros.

Acelerómetro de Realimentación de Fuerza Electrostática

Estos acelerómetros están basados en la ley de Coulomb entre dos electrodos

cargados. Ellos miden el voltaje en términos de la fuerza requerida para

sostener un electrodo móvil dentro de un área, masa y separación conocida

de un electrodo móvil.

Microacelerómetros

Están basados en tecnología integrada de procesamiento (circuito integrado)

que es usada para fabricar estructuras electromecánicas tridimensionales. El

primer acelerómetro de este tipo fue desarrollado en 1979.

Selección, Rango y Capacidad de Sobrecarga

La selección de un acelerómetro es tarea que requiere de enorme precaución,

para conseguir que cumpla las exigencias de una determinada aplicación.

Aunque la variedad de acelerómetros es grande, desde el punto de vista de la

aplicación, pueden ser clasificados en dos grupos principales. El primer grupo

es el de los de propósito general, ofrecidos con variadas sensibilidades,

frecuencias, escalas, capacidad de sobrecarga y opciones de conexión


eléctrica y mecánica. El segundo tipo es de aplicaciones especiales, que

poseen características que los hacen destinados a casos particulares.

Entre las características a considerar al momento de seleccionar un

acelerómetro están el rango de frecuencia, la sensibilidad, la masa y rango

dinámico, la respuesta axial, las condiciones ambientales tales como la

temperatura y ruido entro otros.

Rango de Frecuencia

La medición de aceleración está normalmente confinada al uso de la porción

lineal de la curva de respuesta. La respuesta está limitada en baja y alta

frecuencia, por la frecuencia natural de resonancia. Como aproximación

práctica, la frecuencia máxima se puede establecer en un tercio la frecuencia

de resonancia del acelerómetro (menos de 1 dB de linealidad), aunque el

rango de medición del acelerómetro sea típicamente mayor (hasta ½ o 2/3 de

la frecuencia de resonancia). La frecuencia máxima puede ser fijada en un

valor mayor, si la linealidad es menos importante (por ejemplo, 3 dB) como en

el caso de medición de condiciones internas en máquinas, donde la

repetibilidad es más importante que la linealidad.

Sensibilidad, Masa y Rango Dinámico

Idealmente, mientras mejor sea la sensibilidad, mejor será el sensor. Sin

embargo, en la práctica existe compromiso entre la sensibilidad y la

frecuencia, el rango, la capacidad de sobrecarga y el tamaño.

La masa del acelerómetro es importante cuando se emplea para medir

vibraciones en objetos pequeño y/o livianos. El acelerómetro no debe añadir

masa (significativa) ya que esto interferirá con la medición. Como regla

general, la masa del acelerómetro no debe rebasar un décimo de la masa

efectiva de la porción de la estructura donde se instala.

El rango dinámico del acelerómetro debe estar ajustado a los niveles mínimo

y máximo de aceleración del objeto medido. Los acelerómetros de propósito

general suelen ser lineales desde los 5.000 g hasta los 10.000 g. Existen

acelerómetros especiales capaces de medir hasta 100.000 g.

Respuesta Transitoria

Los impactos están caracterizados por la liberación repentina de energía en la

forma de pulsos de corta duración que exhiben diversas formas y tiempos de


subida; poseen contenidos con grandes magnitudes y variedad de

frecuencias. En aplicaciones donde se involucran transitorios e impactos, las

frecuencias baja y alta deben estar limitadas por el fenómeno conocido como

desplazamiento de cero y repicado, respectivamente. El desplazamiento es

causado por la no linealidad y la resistencia natural que exhibe el

acelerómetro a regresar a su posición de reposo. El repicado es causado por

componentes de alta frecuencia cerca de la frecuencia de resonancia. La

frecuencia operacional debe estar confinada al rango lineal.

Rango de Medición y Capacidad de Sobrecarga

La mayoría de los acelerómetros son capaces de hacer mediciones tanto en

dirección positiva como negativa. Normalmente están diseñados con una

cierta capacidad de sobrecarga. Estos aspectos deben ser considerados al

momento de hacer la selección.

Condiciones Ambientales

En la selección e implementación de acelerómetros, conviene considerar

condiciones ambientales tales como rango de temperatura, transitorios de

temperatura, ruido en el cableado, campos magnéticos, humedad y ruido

acústico entro otros.


Capítulo 6 Medición de Nivel

Los sensores de nivel de líquidos pueden trabajar con base en mediciones

directas tales como la sonda, cinta y plomada, instrumentos con flotador,

nivel de cristal, o con base a medidas indirectas o inductivas como los de

membrana y de presión; También se pueden utilizar las propiedades

conductivas de los líquidos para realizar mediciones; en este caso los sensores

podrán ser capacitivos, conductivos, resistivos y de radiación, entre otros.

El nivel de un tanque es a menudo empleado para calcular el volumen de

líquido contenido, empleando para ello el área de la sección transversal, así

como la masa, cuando se conoce la densidad.

Tipos de Sensores de Nivel

Según la característica de medición:

Sensores de medición directa

Instrumentos basados en la presión hidrostática

Instrumentos basados en desplazamiento

Instrumentos basados en la emisión de rayos gamma

Sensores de ionización química

Transductores conductor - electrolítico

Transductores potencial – electrolítico

Según el tipo de material sensado:

Líquidos

Sólidos

Según el tipo de medición:

De punto fijo

De nivel continuo


Medición de Nivel de Líquidos

Para la medición de nivel de líquidos se emplean sensores de medición

directa, basados en presión hidrostática, de desplazamiento, basados en

propiedades eléctricas, por ultrasonido y radioactivos.

Sensores de Medición Directa

Medidor de Sonda

El medidor de sonda consiste en una varilla o regla graduada de longitud

conveniente para ser introducida en el tanque. La determinación del nivel se

efectúa por lectura directa de la longitud mojada por el líquido. Otro sistema

parecido es el medidor de cinta graduada y plomada siendo usada cuando la

regla graduada tenga un difícil acceso al fondo del tanque.

Medidor de Nivel de Tubo de vidrio

Consiste en un tubo de vidrio graduado con sus extremos conectados al

tanque, el cual se llena del líquido a ser medido siguiendo el principio de

vasos comunicantes.

Figura 6.1- Sensor de Nivel de Tubo de Cristal

De Flotante

Estos instrumentos se basan en la utilización de un flotador que va a estar

sometido tanto a la fuerza de la gravedad y como a la de oposición del

liquido. Un sistema flotante simple usa un brazo rígido que indica el nivel del

líquido a través de ángulo, el cual puede ser medido por un transductor de

posición (potenciómetro)


Figura 6.2 – Sensor de Nivel basado en Flotante

Sensores basados en Presión Hidrostática

Medidor Manométrico

El medidor manométrico mide la presión debida a la altura del líquido con

respecto al eje del instrumento.

P

h

aparente

(a) (b)

P

h

Figura 6.3 – Medidor de Presión Manométrica

Medidor de Burbujeo

Emplea un tubo sumergido en el líquido a través del cual se hace burbujear

aire. La presión del aire en la tubería equivale a la presión hidrostática ejercida

por la columna de líquido (nivel del líquido). El manómetro puede colocarse a

distancias de hasta 200 metros.


Alimentación

Tubo de cobre 1/4" OD

Nivel

Máximo

Nivel

Minimo

Rotámetro con

regulador caudal

Extremo

biselado

a) Tanque abierto

Alreceptor

Medición denivel

DPI

b) Tanque cerrado Figura 6.4 – Medidor Tipo Burbujeo

Sensor Basado en Desplazamiento

Consisten en un flotador parcialmente sumergido en el líquido, conectado

mediante un brazo a un tubo de torsión que está unido rígidamente al

tanque. El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el ángulo

de rotación de su extremo libre es directamente proporcional a la fuerza

aplicada. Esta fuerza está definida por el empuje (E) que ejerce el flotador

hacia arriba según el principio de Arquímedes.

hsgE

Donde E es el empuje

g es el peso específico del líquido

s es la sección del flotador

h es la altura sumergida del flotador

Sensores Basados en Propiedades Eléctricas

Medidor de Nivel Conductivo

Consiste en uno o varios electrodos y un relé eléctrico o electrónico, que

opera cuando el líquido toca los electrodos. La impedancia mínima es del

orden de los 20 MW/cm y la tensión de alimentación es alterna para evitar la

oxidación debido a la electrólisis; cuando el líquido toca los electrodos se

cierra el circuito electrónico y circula una corriente segura del orden de los 2

mA. Típicamente el relé electrónico dispone de un sistema de retardo, que

impide su disparo debido a ondulación en el nivel del líquido o ante cualquier


perturbación momentánea. El instrumento se emplea como una alarma de

control de nivel de alta o baja.

Figura 6.5 – Medidor de Nivel Conductivo

Medidor Capacitivo

Mide la capacitancia del condensador formado por el electrodo sumergido en

el líquido y las paredes del tanque. La capacitancia del conjunto depende

linealmente del nivel. En fluidos no conductores se emplea un electrodo

normal y la capacitancia total del sistema se compone del fluido y de las

conexiones superiores. En líquidos conductores, el electrodo está aislado

usualmente con teflón, interviniendo capacitancias adicionales entre el

material aislante y el electrodo.

Instrumentos Basados en Ultrasonido

Se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y

el retorno del eco a un receptor. El retardo en la captación del eco depende

del nivel del tanque. Los sensores trabajan típicamente a una frecuencia de 20

KHz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión un medio

de gases o vapores y se reflejan en la superficie del líquido.


Figura 6.6 – Disposición de Detectores por Ultrasonido

En las aplicaciones de alarma, los sensores vibran a una frecuencia

determinada, que se amortigua cuando son alcanzados por el líquido. En el

caso de indicación continua, la fuente ultrasónica genera impulsos y

determina el tiempo que le toma a la onda ir y regresar una vez haya

rebotado contra la superficie del líquido.

Figura 6.7 – Sensor Ultrasónico

Sensores Basados en Emisión de Rayos Gamma

Consiste en un emisor de rayos gamma que se monta verticalmente a un lado

del tanque y con un contador Geiger que transforma la radiación gamma

recibida, en una señal eléctrica de corriente continua. Este sistema se emplea

en tanques de difícil o peligroso acceso.

Medición de Nivel de Sólidos

Para la medición de nivel de sólidos, se distinguen los sensores que

determinan niveles fijos y los de medición continua.


Detector de Nivel Fijo

Los sensores de nivel fijo tienen como aplicación típica mantener el nivel de

un sólido entre dos puntos mínimo y máximo, en cada uno de los cuales hay

un detector. Cuando el material descienda más abajo del detector inferior,

este pone en marcha automáticamente la maquinaria de alimentación del

producto, llenándose el tanque hasta alcanzar el detector ubicado en el nivel

alto, instante en el cual se detiene el llenado del tanque. El ciclo se repite

continuamente.

Detector de Diafragma

Esta unidad emplea un diafragma flexible, el cual esta expuesto al material

sólido en un tanque de almacenamiento. En cuanto al nivel de sólidos se

eleva, la presión causada por el peso del material sólido, fuerza al diafragma

contra un mecanismo de contrapesos, el que actúa mecánicamente sobre un

interruptor. Este interruptor puede energizar una alarma o cierta maquinaria.

Figura 6.8 – Medidor de Nivel de Sólidos tipo Diafragma

El material del diafragma puede ser tela, goma, neopreno o fibra de vidrio.

Tiene como ventajas su bajo costo y que puede emplearse en tanques

cerrados, sometidos a baja presión.

Detector de Cono Suspendido

Esta unidad consiste en un interruptor que se encuentra dentro de una caja a

prueba de polvo, del cual se suspende el cono. Cuando el nivel de material

sólido se eleva y se pone en contacto con el cono, éste actúa sobre el

interruptor que puede hacer funcionar una alarma u otro dispositivo eléctrico.


Figura 6.9 – Medidor de Nivel de Sólidos Tipo Cono Suspendido

Detector de Paletas Rotativas

Consiste en un motor síncrono en cuyo eje vertical, tiene acopladas paletas.

Cuando el nivel de los sólidos llega a las paletas, las traba obligando al

soporte del motor a girar en sentido contrario accionando a dos

interruptores, uno como indicador de nivel y otro que desconecta el motor.

Cuando el nivel baja y las paletas quedan libres para girar, un sistema de

resortes libera los interruptores y hace que el motor vuelva a funcionar.

Detectores de Nivel Continuo

Medidores de Nivel de Peso Móvil

Consiste en sostener un peso móvil con un cable, suspendido desde la parte

superior de un silo, mediante poleas. El motor y el programador, situados al

exterior del silo, establecen un ciclo de trabajo del peso. Cuando el material

alcanza al peso, se activa el motor y lo sube, para luego bajarlo hasta que

toque nuevamente el material; el ciclo se repite indefinidamente.


Figura 6.10 – Medidor de Nivel de Sólidos tipo Peso Móvil

Medidor Basado en Peso

Este sistema consiste en pesar todo el tanque con el material incluido, lo cual

permite medir el nivel indirectamente. Este tipo de solución es costoso; sin

embargo, consigue lograr exactitudes de alrededor de 1%.

Medidor Basado en Ultrasonido

Esta técnica puede usarse tanto para detección de nivel fijo como de nivel

continuo. Se dispone en forma horizontal para el primer caso y vertical para el

segundo.

En el primer caso, el receptor deja de recibir la onda emitida debido a la

interferencia ejercida por el material, al llegar éste al nivel del sensor. En el

segundo caso la medición se basa en el tiempo que toma la onda en viajar de

ida y vuelta desde el emisor hasta el receptor, habiendo rebotado contra la

superficie del material.

Este tipo de sensores es adecuado para situaciones donde exista mucho

polvo, humedad, humo y vibración; sin embargo, puede dar medidas falsas si

la superficie del material no es regular. Alcanza precisiones de 1% y

típicamente se construye a prueba de explosiones.


Figura 6.11 – Medidor de Nivel de Sólidos por Ultrasonido

Medidor Basado en Radiación Gamma

Trabaja bajo el principio de que la radiación emitida se verá interferida por el

sólido contenido en el tanque, de tal manera que el nivel es determinado con

base en la cantidad de radiación captada por el receptor.

Detector

Fuente

Figura 6.12 – Medidor de Nivel de Sólidos basado en Radiación


Capítulo 7 Medición de Flujo

El flujo es una variable que indica cuan rápido se está moviendo un fluido;

puede ser expresado como flujo volumétrico, flujo másico y velocidad de

fluido. El flujo volumétrico (Q) se refiere al volumen de un fluido que pasa en

un determinado lapso de tiempo (por ejemplo, metros cúbicos por segundo).

El flujo másico está dado en unidades de masa por unidad de tiempo (por

ejemplo, kilogramos por segundo). La velocidad del fluido es expresada en

unidades de velocidad (por ejemplo, metros por segundo). Estas tres

cantidades están relacionadas como se indica a continuación:

Q: flujo volumétrico

Qm: flujo másico = Q * (donde es la densidad del fluido)

Qv: velocidad del fluido = Q/A (donde A es el área de la sección

transversal)

La diversidad de fluidos y propiedades hace necesaria una cuidadosa

selección del tipo de sensor a utilizar. Desde el punto del principio básico de

funcionamiento, los sensores de flujo se dividen en los instrusivos y los no

instrusivos.

Sensores de Flujo Instrusivos

Los sensores de flujo intrusivos operan bajo el principio de colocar una

restricción en la línea para ocasionar un diferencial de presión. Esta presión

diferencial es entonces medida y convertida en medición de flujo. Las

aplicaciones industriales de este tipo de medidores, incorporan líneas de

transmisión neumáticas o eléctricas, para llevar la información a punto remoto

del sitio de la medición. Es común que el instrumento indicador calcula la raíz

cuadrada de la presión diferencial y la muestre en una escala lineal.


Existen dos elementos primordiales en un sensor de flujo intrusivo. El

elemento primario está constituido por la restricción y el secundario, por el

sensor de presión diferencial.

Figura 7.1 – Medición de Flujo Método Intrusivo

La restricción en el paso del fluido ocasiona una presión diferencial alrededor

de la restricción. Esta presión diferencial es medida por un manómetro de

mercurio o por un detector de presión diferencial. A partir de esta medición,

se calcula la rata de flujo con base en leyes físicas conocidas.

Este tipo de medición se utiliza para determinar flujo volumétrico; sin

embargo, el flujo másico se puede calcular a partir del flujo volumétrico

conociendo o midiendo la temperatura y/o la presión del fluido. La

temperatura y la presión del fluido afectan su densidad y por ende, la

cantidad de masa de fluido que pasa por un determinado punto de la tubería.

Si se compensa el flujo volumétrico contra cambios en la temperatura y/o

presión, se puede obtener una medición de flujo másico real. La relación entre

temperatura o presión y el flujo másico se expresa mediante cualquiera de las

siguientes ecuaciones:

)/1(

)(

TPKAm

PPKAm

Donde

m : tasa de flujo másico

A: área de la sección transversal

P: presión diferencial

P: presión

T: temperatura

K: coeficiente de flujo


El coeficiente de flujo es una constante del sistema basada en las

características de construcción de la tubería y el tipo de fluido. El coeficiente

de flujo en cada ecuación, tiene las unidades apropiadas para balancear la

ecuación y proporcionar las unidades adecuadas para la tasa de flujo másico

resultante. El área de la sección transversal de la tubería y la presión

diferencial se usan para calcular el flujo volumétrico.

Placa Orificio

La placa orificio es el más simple método de restricción más simple usado en

la medición de flujo. Las placas orificio son placas planas con espesores entre

1/16 y ¼ de pulgada. Típicamente son montadas utilizando bridas e

instaladas en un tramo recto de la tubería para evitar las disturbancias propias

de accesotes y válvulas. Existen tres tipos de placas orificio: concéntricas,

excéntricas y segmental.

Figura 7.2 – Tipos de Placa Orificio

La placa orificio es concéntrica es la más común de las tres. El orificio es

equidistante (concéntrico) de las paredes internas de la tubería. El fluido al

pasar a través de la placa orificio sufre un cambio en su velocidad, alcanzando

su máximo valor; la presión por su parte, alcanza su valor mínimo. A medida

que el fluido diverge para llenar completamente la tubería, la velocidad

disminuye hasta su valor original. La presión se restaura hasta un valor de

aproximadamente 60 a 80 por ciento de su valor original; la pérdida de

presión es irrecuperable así que la presión de salida será siempre inferior a la

de entrada. Se mide la presión a ambos lados de la placa, resultando en una

presión diferencial que es proporcional a la tasa de flujo.

Las placas orificio excéntricas y segmental son funcionalmente idénticas a la

placa concéntrica. La parte circular de la placa segmental es concéntrica a la

tubería. La porción recta elimina el contenido de materiales foráneos en el

fluido, aguas arriba de la placa orificio cuando es montada en una tubería

horizontal. La porción recta se coloca en la parte alta o en la parte baja,


dependiendo del tipo de fluido, con el objeto de mejorar la exactitud de la

medición. La placa orificio excéntrica tiene propiedades similares a la

segmental.

La relación entre el flujo volumétrico y la presión diferencia viene dada por la

relación:

12 PPkQ

Donde

Q: es el flujo volumétrico

K: es una constante dada por la geometría del orificio y la unidad de

medida

P2: es la presión de entrada

P1: es la presión de salida

Las placas orificio tienen dos desventajas principales:

Ocasionan caída de presión en la línea

Están sujetos a erosión, lo que eventualmente causará inexactitud en la

medición

Las principales ventajas de la placa orificio están en su simplicidad de diseño,

construcción, instalación y mantenimiento así como su versatilidad de uso

para casi cualquier fluido (siempre que no tenga partículas en suspensión)

Tubo Venturi

El tubo venturi es el elemento para medición de flujo más exacto (calibrado

apropiadamente). El tubo venturi tiene una entrada cónica convergente, una

garganta cilíndrica y un cono divergente de recuperación. No tiene

proyecciones dentro del fluido, esquinas abruptas o cambios súbitos en el

contorno.


Figura 7.3 – Tubo Venturi

La sección de entrada del tubo decrece, ocasionando un aumento en la

velocidad y una disminución en la presión. La baja presión es medida en el

centro de la garganta cilíndrica, ya que es allí donde alcanza su menor valor y

tanto la presión como la velocidad son constantes. El cono de recuperación

permite el aumento de la presión de tal forma que la pérdida alcance un

máximo de 25 por ciento (al menos 10 por ciento). La alta presión es medida

“aguas arriba” del cono de entrada.

La principal desventaja de este tipo de detección de flujo estriba en su alto

costo inicial y dificultad en la instalación e inspección.

Tubo de Flujo Dall

El tubo de flujo dall tiene una relación presión a pérdida de presión mayor

que la del tubo venturi. Es más compacto y es comúnmente usado en

aplicaciones de gran flujo. El tubo consiste sección corta y recta de entrada,

seguida de una abrupta reducción del diámetro interno. Esta sección de

entrada es seguida de un cono convergente de entrada y de un cono

divergente de salida. Los dos conos están separados por un espacio. La

presión baja es medida en el área entre los dos conos. La presión alta es

medida aguas arriba de la sección de entrada.


Figura 7.4 – Tubo Dall

El tubo dall está disponible en tamaños de van de mediano a muy grande.

Para tamaños grandes, típicamente cuesta menos que su equivalente venturi.

Este tipo de tubo tiene ocasiona una pérdida de presión de alrededor del 5

por ciento. La tasa de flujo y la caída de presión están relacionadas según se

muestra en la ecuación:

PKV

Donde

V : flujo volumétrico

K: constante dada por las características de los elementos primarios

P: presión diferencial

Tubo Pitot

El tubo pitot es otro elemento primario utilizado para producir presión

diferencial y medir flujo. En su forma más simple, consiste en un tubo con una

abertura en uno de sus extremos. El pequeño orificio es colocado de tal

manera que hace frente al fluido en movimiento. La velocidad del fluido en la

abertura del tubo cae a cero; esto provee la entrada de alta presión para el

sensor de presión diferencial. La baja presión se mide aguas arriba de la

posición del tubo pitot.


Figura 7.5 – Tubo Pitot

El tubo pitot mide la velocidad del fluido en lugar de la tasa de flujo. Sin

embargo, la tasa de flujo volumétrico puede ser obtenida mediante la

siguiente relación:

KAVV

Donde

V : flujo volumétrico

A: área de la sección transversal

V: velocidad del fluido

K: coeficiente de flujo (normalmente alrededor de 0,8)

Los tubos pitot deben ser calibrados según el tipo de aplicación ya que no

hay estandarización alguna. Este tipo de instrumento puede ser usado

inclusive cuando no esté encerrado en un tubo o ducto.

Vortex

El flujómetro vortex es una técnica para medición de flujo de amplia

aceptación en la industria. Su atractivo estriba en que auque no tiene partes

móviles, produce una señal en frecuencia que varía linealmente con la tasa de

flujo para un amplio rango de número de Reynolds. Su construcción es muy

sencilla, provee exactitudes (1% o mejor) comparable a la de equipos más

costosos y de más difícil mantenimiento y funciona bien tanto con líquidos

como con gases. Comparado con la placa orificio, tiene mayor exactitud y

rango de aplicación, no requiere de línea de impulso de presión, es menos

susceptible a desgaste, y para medición de flujo volumétrico, no requiere

compensación por densidad del fluido.


Figura 7.6 – Creación de Vórtices en un Tubo

Su principio de operación está basado en los vórtices y remolinos que se

producen en un fluido cuando se coloca un obstáculo en su trayectoria. El

número de vórtices producidos en un lapso de tiempo (frecuencia de vórtice

o shedding frequency) guarda relación directa con la velocidad del fluido. El

número (adimensional) de Strouhal, St, es utilizado para describir la relación

entre la frecuencia vórtice y la velocidad del fluido.

U

dfSt

Donde

f: frecuencia de vórtice (shedding frequency)

d: ancho del cuerpo del obstáculo

U: velocidad del fluido

Cuando se presentan los vórtices como consecuencia del obstáculo en la

trayectoria del fluido, dicho obstáculo oscila como resultado de los campos

de velocidad y presión en su alrededor. La forma de medición consiste en

colocar sensores de presión o velocidad que transformen estos campos

oscilantes en una señal eléctrica a partir de la cual se determine la frecuencia

vórtice.

Flujómetros de Área Variable

El término flujómetros de área variable se refiere a aquellos medidores en que

el área disponible para el paso del fluido (a través del medidor) varía con la

velocidad de éste. El más importante de estos flujómetros es el rotámetro.

Rotámetro

El rotámetro es un medidor simple y robusto que se usa tanto para gases

como líquidos, y es ampliamente utilizado para tubos con diámetros

inferiores a los 100 milímetros. En su forma básica, el rotámetro consiste en

un tubo de vidrio cónico transparente conteniendo un flotante

(frecuentemente de acero inoxidable) que sube por el tubo en la medida en

que aumenta la rata del flujo, hasta que se obtiene un balance entre la fuerza


gravitacional, flotabilidad y roce del flotante. La rata de flujo es linealmente

proporcional a la altura del flotante en el tubo y es determinada con sólo leer

el nivel de la parte superior del flotante.

Figura 7.7 – Corte Transversal de un Rotámetro

El flotante está típicamente formado por la combinación de secciones cónicas

y cilíndricas; sin embargo, para tubos de diámetro muy pequeños con

frecuencia se emplean flotantes esféricos. Las geometrías más complejas

pueden reducir la sensibilidad a la viscosidad del fluido.

Figura 7.8 – Geometría del Flotante

Las ventajas del rotámetro incluyen simplicidad, robustez, confiabilidad y baja

caída en la presión.

Medidor de Paleta Móvil

El medidor de paleta móvil es un dispositivo robusto que se puede usar para

la medición de altas tasas de flujo en aquellos casos donde los

requerimientos de exactitud son muy exigentes; pueden ser usados para

medir líquidos con impurezas. Contiene una paleta que cierra el tubo cuando

el flujo es cero (mantenido en esa posición por un resorte o peso). El flujo


hace que la paleta se abra, hasta que la fuerza dinámica del flujo se balancee

con la fuerza de restauración ejercida por el resorte o peso. El ángulo de

palera es proporcional a la tasa de flujo, y puede ser mostrado por un

indicador conectado al eje de la paleta sobre una escala calibrada. La

resistencia ejercida por la paleta depende de su posición y es por ende

dependiente de la tasa de flujo (o número de Reynolds); se requiera

calibración cada vez que cambie el fluido a medir. Una aplicación importante

de este dispositivo, es la medición del flujo de aire en motores de inyección

directa.

Figura 7.9 – Medidor de Paletas Móviles

Flujómetro de Turbina Axial

Los flujómetros de turbina axial modernos, instalados y calibrados

correctamente, son dispositivos confiables que proporcionan la mayor

exactitud disponible para cualquier sensor de flujo volumétrico, tanto para

líquidos como para gases.


Figura 7.10 – Flujómetro de Turbina Axial

El mejor rendimiento d este tipo de sensor se obtiene cuando se usa en flujos

de gases o líquidos limpios, acondicionados y estables con baja viscosidad

cinemática; son lineales para flujos con turbulencias subsónicas.

Sensores de Flujo No Instrusivos

Flujómetro Electromagnético

El medidor electromagnético de flujo es similar en su operación a un

generador. El rotor del generador es reemplazado por un tubo colocado entre

los polos del imán, de tal manera que el paso del fluido en el tubo sea

perpendicular al campo magnético. El paso del fluido a través del campo

magnético induce una fuerza electromotriz que es perpendicular al campo

magnético y al flujo. Esta fuerza electromotriz puede ser medida con la ayuda

de electrodos en el tubo, conectados a un galvanómetro o equivalente. Para

un campo magnético dado, se inducirá un voltaje que será proporcional a la

velocidad promedio del fluido. El fluido deberá tener un cierto grado de

conductividad eléctrica.


Figura 7.11 – Flujómetro Electromagnético

Flujómetro Ultrasónico

Este dispositivo se basa en la detección de discontinuidades en el flujo,

utilizando el desplazamiento Doppler de señales ultrasónicas reflejadas. Estas

discontinuidades pueden ser sólidos en suspensión, burbujas o

perturbaciones ocasionadas por remolinos turbulentos en el paso del fluido.

El sensor es colocado en la externa del tubo; un rayo ultrasónico es

transmitido a través de las paredes del tubo hacia el fluido. Un receptor

(cristal piezoeléctrico) detecta las señales reflejadas por las disturbancias. Las

señales emitida y recibida son comparadas; el desplazamiento de frecuencia

será proporcional a la velocidad del flujo.

Figura 7.12 – Flujómetro Ultrasónico


Elementos Finales

de Control Concepto General

Los elementos finales de control son aquellos dispositivos que se sitúan al

“final” y que convierten los comandos de control en acciones que operan

sobre el proceso con el objetivo de corregir las desviaciones observadas en el

proceso.

Válvulas de Control

La válvula de control es uno de los elementos finales de control más

comúnmente empleados. Consisten básicamente en un orificio de restricción

variable y su función consiste en modular el caudal de un fluido del proceso.

La señal de apertura o cierre de la válvula puede ser generada por ella misma

(autorreguladora) o por un elemento externo (típicamente un controlador).

Cuerpo de una Válvula de Control

El cuerpo da la válvula de control, regula el paso del fluido en función de la

función del obturador, siendo ésta modificada por el accionamiento del

actuador. Las válvulas pueden ser de varios tipos según sea el diseño del

cuerpo y el movimiento del obturador. Las válvulas de movimiento lineal, en

las que el obturador se mueve en la dirección de su propio eje se clasifican

como se especifica a continuación.

Válvulas de Globo

Las válvulas de globo pueden ser de simple asiento, de doble asiento y de

obturador equilibrado respectivamente. Las válvulas de simple asiento


precisan de un actuador de mayor tamaño para que el obturador cierre en

contra de la presión diferencial del proceso. Por lo tanto, se emplean cuando

la presión del fluido es baja y se precisa que las fugas en posición de cierre

sean mínimas. El cierre estanco se logra con obturadores provistos de una

arandela de “resina anti-adherente” ó “fluoropolímero”. En la válvula de doble

asiento o de obturador equilibrado la fuerza de desequilibrio desarrollada por

la presión diferencial a través del obturador es menor que en la válvula de

simple asiento. Por este motivo se emplea en válvulas de gran tamaño o bien

cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. En posición de cierre

las fugas son mayores que en una válvula de simple asiento.

Figura 8.1 – Válvula de Globo

Se emplean en todo tipo de aplicaciones y pueden ser usadas para líquidos,

vapores, gases, sustancias corrosivas y pastas semilíquidas. Sus ventajas

incluyen:

Estrangulamiento eficiente con estiramiento y erosión mínimos del disco o

asiento

Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el

tiempo y desgaste en el vástago y el bonete

Control preciso de la circulación

Disponible con orificios múltiples

Como desventaja se tiene que presentan una gran caída en la presión y un

costo relativamente alto. Los elementos a considerar para su especificación

incluyen:

Tipos de conexiones

Tipo de disco

Tipo de asiento


Tipo de vástago

Tipo de sello del vástago

Tipo de bonete

Capacidad nominal de presión

Capacidad nominal de temperatura

Válvulas en Ángulo

Las válvulas en ángulo permiten tener un flujo de caudal regular sin mucha

turbulencia, adecuada para disminuir la erosión cuando esta es considerable

por las características del fluido o bien por la excesiva presión diferencial. El

diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan, para

trabajar con grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen

sólidos en suspensión.

Este tipo de válvulas se emplea generalmente para mezclar fluidos o bien

para derivar de un flujo de entrada dos de salida. Las válvulas de de tres vías

intervienen típicamente en el control de temperatura de intercambiadores de

calor.

Válvulas de Jaula

Consiste en un obturador cilíndrico que desliza en una jaula con orificios

adecuados a las características de caudal deseadas en la válvula. Se

caracterizan por el fácil desmontaje del obturador y porque este puede

incorporar orificios que permiten eliminar prácticamente el desequilibrio de

fuerzas producido por la presión diferencial favoreciendo la estabilidad y el

funcionamiento. Por este motivo, este tipo de obturador equilibrado se

emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con una

alta presión diferencial. Como el obturador está contenido dentro de la jaula,

la válvula es muy resistente a las vibraciones y al desgaste. Por otro lado, el

obturador puede disponer de aros de “resina anti-adherente” ó

“fluoropolímero” que, con la válvula en posición cerrada, asientan contra la

jaula y permiten así un cierre hermético.

Válvula de Compuerta

Esta válvula efectúa su cierre con un disco vertical plano, o de forma especial,

y que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su disposición, es

adecuada generalmente para el control todo-nada, ya que en posiciones


intermedias tiende a bloquearse. Tiene la ventaja de presentar muy poca

resistencia al flujo del fluido cuando esta en posición de apertura total.

Figura 8.2 – Válvula de Compuerta

Está recomendada para servicios con apertura total o cierre total, sin

estrangulación donde el accionamiento sea poco frecuente, se requiera de

resistencia mínima a la circulación y cantidades mínimas de fluido atrapadas

en la tubería. Se emplea en servicios generales, aceite, petróleo, gas, aire,

pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor, gases y líquidos no condensables

y líquidos corrosivos. Sus ventajas incluyen:

Alta capacidad

Cierre hermético

Bajo costo

Diseño y funcionamiento sencillos

Poca resistencia a la circulación

Las desventajas comprenden:

Control deficiente de la circulación

Se requiere gran fuerza para su accionamiento

Produce cavitación1 con baja caída de presión

Debe estar cubierta o cerrada por completo

1 La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro

fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido. Puede ocurrir que se

alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a

estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de

mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las

burbujas) produciendo una estela de gas y un rápido desgaste de la superficie que origina este fenómeno


La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco

Válvula en Y

Es adecuada como válvula de cierre y de control. Como válvula todo-nada se

caracteriza por su baja perdida de carga y como válvula de control presenta

una gran capacidad de caudal. Posee una característica de auto drenaje

cuando esta instalada inclinada con un cierto ángulo. Se emplea usualmente

en instalaciones criogénicas.

Válvula de Cuerpo Partido

Esta válvula es una modificación de la válvula de globo de simple asiento

teniendo el cuerpo partido en dos partes entre las cuales esta presionado el

asiento. Esta disposición permite una fácil sustitución del asiento y facilita un

flujo suave del fluido sin espacios muertos en el cuerpo. Se emplea

principalmente para fluidos viscosos y en la industria de alimentos.

Válvula Saunders

En esta válvula, el obturador es una membrana flexible que a través de un

vástago unido a un servomotor, es forzada contra un resalte del cuerpo

cerrando así el paso del fluido. La válvula se caracteriza porque el cuerpo

puede revestirse fácilmente de goma o plástico para trabajar con fluidos

agresivos.

Tiene la desventaja de que el servomotor de accionamiento debe ser muy

potente. Se utiliza principalmente en procesos químicos difíciles, en particular

en el manejo de fluidos negros o agresivos o bien en el control de fluidos

conteniendo sólidos en suspensión.

Válvula de Obturador Excéntrico Rotativo

Consiste en un obturador de superficie esférica que tiene un movimiento

excéntrico rotativo y que está unido al eje de giro por uno o dos brazos

flexibles.

El eje de giro sale al exterior del cuerpo y es accionado por un vástago

conectado a un servomotor. El par de este es reducido gracias al movimiento

excéntrico de de la cara esférica del obturador.


La válvula puede tener un cierre estanco mediante aros de “resina anti-

adherente” ó “fluoropolímero” dispuestos en el asiento y se caracteriza por su

gran capacidad de caudal, comparable a las válvulas mariposa y de bola y por

su elevada perdida de carga admisible.

Válvula de Mariposa

En la válvula de mariposa, el cuerpo está formado por un anillo cilíndrico

dentro del cual gira transversalmente un disco circular. La válvula puede

cerrar herméticamente mediante un anillo de goma empotrado en el cuerpo.

Un servomotor exterior acciona el eje del disco y ejerce su par máximo

cuando la válvula está totalmente abierta, siempre que la presión permanezca

constante.

Figura 8.3 – Válvula de Mariposa

En la selección de la válvula es importante considerar las presiones

diferenciales correspondientes a las posiciones de completa apertura y de

cierre; se necesita una gran fuerza del actuador para accionar la válvula en

caso de una caída de presión elevada. Las válvulas de mariposa se emplean

para el control de grandes caudales de fluidos a baja presión.

La válvula de mariposa es recomendada en casos de servicio de apertura o

cierre total, servicio con estrangulación, accionamiento frecuente, se requiera

de corte positivo para gases o líquidos, sólo se permita un mínimo de fluido

atrapado en la tubería y se necesita que la caída de presión a través de la

válvula sea baja. Se usa para servicio general, líquidos, gases, pastas

semilíquidas y líquidos con sólidos en suspensión. Sus ventajas incluyen:

Bajo peso, tamaño compacto y bajo costo

Requiere poco mantenimiento


Número mínimo de piezas móviles

No tiene bolas o cavidades

Alta capacidad

Circulación en línea recta

Autolimpiante

Como desventaja se puede mencionar que se requiere de una alta torsión

para su accionamiento, tiene capacidad limitada por la caída de presión y es

propensa a cavitación.

Válvula de Bola

En la válvula de bola, el cuerpo tiene una cavidad interna esférica que alberga

un obturador en forma de esfera o de bola.

Figura 8.4 – Válvula de Bola

La válvula tiene un corte adecuado que fija la curva característica de la válvula,

y gira transversalmente accionada por un servomotor exterior. El cierre

hermético se logra mediante un aro de “resina anti-adherente” ó

“fluoropolímero” incorporado al cuerpo contra el cual asienta la bola cuando

la válvula esta cerrada. En posición de apertura total, la válvula equivale

aproximadamente en tamaño a 75% del tamaño de la tubería. La válvula de

bola se emplea principalmente en control de caudal de fluidos negros, o bien

en fluidos con gran porcentaje de sólidos en suspensión.

Es recomendada para servicio de conducción y corte sin estrangulación,

cuando se requiere de apertura rápida, las temperaturas sean moderadas y se

necesite de una resistencia mínima a la circulación. Se aplica en servicios

generales, altas temperaturas y pastas semilíquidas. Sus ventajas incluyen:


Bajo costo

Alta capacidad

Corte bidireccional

Circulación en línea recta

Pocas fugas

Autolimpiante

Poco mantenimiento

No requiere lubricación

Tamaño compacto

Cierre hermético

Entre sus desventajas se puede citar:

Características deficientes para estrangulación

Alta torsión para accionamiento

Susceptible al desgaste de sellos y empacaduras

Propensa a cavitación

Válvula de Orificio Ajustable

El obturado de esta válvula consiste en una camisa de forma cilíndrica que

esta perforada con dos orificios, uno de entrada y otro de salida, que gira

mediante una palanca exterior accionada manualmente o por medio de un

servomotor. El giro del obturador tapa parcial o totalmente las entradas y

salidas de la válvula controlando así el caudal. La válvula incorpora además

una tejedera cilíndrica que puede deslizar dentro de la camisa gracias a un

macho roscado de accionamiento exterior. La tejedera puede así fijarse

manualmente en una posición determinada para limitar el caudal máximo.

La válvula es adecuada en los casos en que hay que ajustar manualmente el

caudal máximo del fluido, cuando el caudal puede variar entre limites amplios

de forma intermitente o continua y cuando no se requiere un cierre

hermético. Se utiliza para combustibles gaseosos o líquidos, vapor, aire

comprimido y líquidos en general.

Válvula de Flujo Axial

Consiste en un diafragma accionado neumaticamente que mueve un pistón,

el cual a su vez comprime un fluido hidráulico contra un obturador formado

por un material elastómero. De este modo el obturador se expande para

cerrar el flujo anular del fluido. Este tipo de válvulas se emplea para gases y es

especialmente silencioso. Otra variedad de la válvula de flujo axial es la


válvula de manguito, que es accionada por conexión exterior del manguito a

través de un fluido auxiliar a una presión superior a la del propio fluido. Se

utiliza también para gases.

Válvulas de Desahogo

Las válvulas de desahogo son de acción automática, para regular presión. Las

válvulas de seguridad son similares a las de desahogo; estas válvulas se abren

con rapidez para descargar una presión excesiva potencialmente peligrosa

ocasionada por gases o líquidos comprimibles.

Actuadores

Se llama actuadores a los dispositivos que actúan sobre otros elementos de

control para producir un accionamiento de estos. Los actuadores pueden ser

neumáticos, hidráulicos, eléctricos o motorizados

Actuadores Neumáticos

Los actuadores neumáticos operan mediante la combinación de fuerzas

originadas por aire a presión y resortes. Este actuador posiciona la válvula de

control trasmitiéndole movimiento a través de su vástago.


Figura 8.5 – Actuador Neumático

Las dos cámaras de aire están separadas por un diafragma de goma. La

cámara superior recibe el suministro de aire a través de un orificio en la parte

superior de la carcasa. La cámara inferior contiene un resorte que obliga al

diafragma a moverse contra el tope mecánico en la cámara superior. Un

indicador local está conectado al vástago para señalar la posición de la

válvula.

La posición de la válvula es controlada variando el suministro de aire en la

cámara superior. Esto resulta en una fuerza variable en el tope del diafragma.

Inicialmente, sin suministro de aire, el resorte obliga a que el diafragma esté

en la posición superior mantenimiento la válvula completamente abierta. En la

medida en que el suministro de aire aumenta, el diafragma es obligado a

desplazarse hacia abajo, llevando a la válvula de control a la posición de

cerrado. Si la presión de aire disminuye, la válvula se abrirá. Si el suministro de

aire es constante, la posición de la válvula permanecerá constante.

Un posicionador es un dispositivo que regula el suministro de aire al actuador

neumático. Esto lo hace comparando la posición requerida en el actuador,

con la posición real de la válvula. La posición requerida es transmitida a través

de una señal neumática o eléctrica, del controlador al posicionador.


Actuador Hidráulico

Los actuadores neumáticos son normalmente utilizados para el control de

procesos que exigen respuestas rápidas y precisas, pero no requieren de

grandes fuerzas de actuación. Sin embargo, cuando se requieren grandes

fuerzas para operar una válvula, la selección se orienta a los actuadores

hidráulicos.

Figura 8.6 – Actuador Hidráulico

Un actuador hidráulico tipo pistón consta de un cilindro, un pistón, un resorte,

un suministro hidráulico y un vástago. El pistón se desplaza verticalmente

dentro del cilindro y lo divide en dos cámaras. La cámara superior contiene un

resorte y la inferior, aceite hidráulico.

El suministro hidráulico está conectado a la cámara inferior y permite que el

fluido hidráulico se mueva hacia y desde la cámara inferior del actuador. El

vástago transmite el movimiento del pistón a la válvula.

Sin presión hidráulica, el resorte obliga a mantener la válvula en la posición

cerrada. En la medida en que ingresa fluido en la cámara inferior, la presión

de esta aumenta. Esta presión obliga al pistón a moverse hacia arriba,

abriendo la válvula. En la medida en que el fluido hidráulico sea desalojado de

la cámara inferior, se desplazará el pistón hacia abajo cerrando la válvula.

Regulando la cantidad de aceite, se puede posicionar la válvula en cualquier

punto entre totalmente abierto y totalmente cerrado.


Actuador Eléctrico de Solenoide

Un actuador eléctrico de solenoide consta de una bobina, una armadura, un

resorte y un vástago. La bobina está conectada a un suministro externo de

electricidad. El resorte descansa en la armadura para forzarlo hacia abajo. La

armadura se mueve verticalmente dentro de la bobina y transmite su

movimiento a la válvula, a través del vástago.

Figura 8.7 – Actuador Eléctrico (Solenoide)

Cuando fluye la corriente eléctrica a través de la bobina, se forma un campo

magnético alrededor de esta. El campo magnético atrae la armadura hacia el

centro de la bobina. En la medida en que la armadura se mueve hacia arriba,

el resorte se comprime y la válvula de abre. Cuando el circuito se abre, el

campo magnético colapsa. Esto permite que el resorte se expanda y cierre la

válvula.

La mayor ventaja de los actuadores eléctricos es su rápida operación. Además,

son mucho más fáciles de instalar que los actuadores neumáticos e

hidráulicos. Sin embargo, los actuadores de solenoide tienen dos desventajas.

La primera es que solo tienen dos posiciones: totalmente abierto o totalmente

cerrado. La segunda es que no producen mucha fuerza, así que sólo se usan

para operar válvulas relativamente pequeñas.


Actuador Motorizado

Los actuadores motorizados son muy variados en cuando a diseño y

aplicación. Algunos están diseñados para operar en sólo dos posiciones

(completamente abiertas y completamente cerradas). Otros permiten

posicionamiento entre los dos extremos. Las principales partes son un motor

eléctrico, un dispositivo de acoplamiento (clutch), una caja de engranajes, un

volante de accionamiento manual y un vástago.

Figura 8.8 – Actuador Motorizado

El motor mueve el vástago a través de la caja de engranajes. El motor invierte

su sentido de giro para abrir o cerrar la válvula. El dispositivo de acople

desconecta el motor de la caja de engranajes para permitir que la válvula sea

operada manualmente.

La mayoría de los actuadores motorizados están equipados con interruptores

de fin de carrera, limitadores de torque o ambos. Los interruptores de fin de

carrera desenergizan el motor eléctrico cuando la válvula alcanza una

posición específica. El limitador de torque desenergiza el motor cuando la

cantidad de fuerza aplicada alcanza un valor específico. Esta fuerza aplicada

es típicamente máxima cuando la válvula alcanza su posición de máxima o

mínima apertura. Esta característica sirve también para prevenir daños en el

actuador.


Sistemas

Programables de

Control Concepto General

Los sistemas programables de control son aquellos equipos electrónicos

basados en microprocesador, cuyos algoritmos de control pueden ser creados

o modificados utilizando una aplicación de configuración. Estos sistemas

incluyen no sólo los equipos encargados del control de las variables del

proceso sino que además incorporan facilidades para supervisión y operación

del proceso así como mecanismos para la intercomunicación entre los

diferentes elementos que constituyen el sistema. Así, un sistema programable

de control típicamente está constituido por:

Controladores

Sistema supervisorio

Redes de comunicación

Controladores Lógicos Programables

Un controlador lógico programable, PLC, controlador programable o

autómata programable, es un dispositivo electrónico empleado para la

automatización de procesos industriales, tales como maquinarias o líneas de

ensamblaje. Al contrario de las computadoras de propósito general, los PLC

han sido diseñados para funcionar en rangos amplios de temperatura,

condiciones de suciedad y polvo, inmunidad al ruido eléctrico y resistencia a

la vibración y a los impactos. Los programas que controlan la operación de las

máquinas usualmente están almacenados en memoria RAM respaldada por


batería. Un PLC es un ejemplo de un sistema con funcionamiento en “tiempo

real”, ya que el resultado de sus operaciones en respuesta a las señales de

entrada, debe ser proporcionado en un lapso de tiempo limitado, o de lo

contrario, el proceso quedaría fuera de control.

Características

La principal diferencia del PLC con otros tipos de computadores está en el

arreglo especial de las entradas y las salidas. Éstas conectan el PLC a sensores

y actuadores. Un PLC lee el estado de interruptores, temperatura, presión y

posición entre otros. Algunos inclusive utilizan visión. Desde el punto de vista

de las salidas, los PLC operan motores eléctricos, cilindros neumáticos e

hidráulicos, relés magnéticos y solenoides y salidas analógicas. Las entradas y

salidas pueden estar incluidas en el PLC o pueden ser añadidas a través de

módulos externos conectadas a través de una red de comunicación.

Los PLC fueron inventados como reemplazo de sistemas automatizados que

usaban cientos o miles de relés, temporizadores y secuenciadores.

Frecuentemente, un solo PLC puede ser utilizado para reemplazar miles de

relés. Los controladores programables fueron inicialmente adoptados por la

industria automotriz, donde la reconfiguración del programa reemplazo el

recableado de los paneles de control, cada vez que había un cambio de

modelo de automóvil.

Muchos de los PLC iniciales utilizaban “lógica de escalera” para su

configuración, ya que esta resulta similar a los diagramas eléctricos. Los

electricistas podrían fácilmente buscar problemas en los circuitos utilizando

lógica de escalera. Este tipo de programación fue adoptado para minibar el

tiempo de entrenamiento requerido. Otros PLC utilizaban una lista de

instrucciones como lenguaje de programación.

A funcionalidad de los PLC ha evolucionado con el tiempo hasta incluir

control secuencial a base de relés, control de movimiento, control de

procesos, control distribuido y redes de comunicaciones. El manejo de la

información almacenamiento, poder de procesamiento y capacidades de

comunicación de los PLC modernos son equivalentes a las de las

computadores de escritorio. El uso de lenguajes de programación similar al

de los PLC combinados con dispositivos de entrada y salida permite que en la

actualidad algunas computadoras de propósito general puedan solaparse con

los PLC en ciertas aplicaciones. La norma IER 61131-3 establece que los PLCs

pueden ser programados utilizando:

Lógica de escalera


Diagramas de bloques de función

Texto estructurado

Lista de instrucciones

Historia

El PLC fue inventado como respuesta a las necesidades de la industria

automotriz americana. Antes del PLC, la lógica para control, secuenciamiento

y traba cruzada de seguridad (interlock) para la fabricación de automóviles,

era acometida utilizando relés, temporizadores y controladores dedicados de

lazo cerrado. El proceso de actualización necesaria con el cambio de modelos

consumía mucho tiempo y resultaba costoso, ya que estos sistemas requerían

ser recableados por electricistas especializados. En 1968, GM Hydramatic (la

división de transmisiones automáticas de la General Motors) emitió un

requerimiento proponiendo el reemplazo de los sistemas basados en relés

por un sistema electrónico.

La propuesta ganadora vino de la empresa Bedford Associates (Bedford,

Massachussets). El resultado fue el primer PLC, designado 084 ya que fue el

proyecto número 84 de esta empresa. Bedford Associates inició una nueva

compañía dedicada totalmente al desarrollo, fabricación, venta y servicio del

nuevo producto: Modicon (MOdular DIgital CONtroller). Una de las personas

que trabajó en el proyecto fue Dick Morley, quien es considerado el padre del

PLC. La marca Modicon fue vendida en 1977 a Gould Electronics y luego

adquirida por la compañía alemana AEG la cual a su vez fue comprada por

Schneider Electric.

La industria automotriz es aún uno de los más grandes usuarios de PLCs. Las

marcas más conocidas de PLCs son ABB, Koyo, Honeywell, Siemens, Modicon,

Morón, Allen-Bradley, General Electric, Tesco Controls, Panasonic (Matsushita)

y Mitsubishi.

Sistema de Control Distribuido

Un sistema de control distribuido (DCS) se refiere a un sistema de control

típicamente utilizado en un sistema de manufactura o proceso o en cualquier

sistema dinámico, donde los elementos de control no están localizados en

una ubicación central, sino que están distribuidos con cada componente y

subsistema bajo el control de uno o más controladores. El sistema entero

debe estar conectado en red para su comunicación y supervisión.


Los sistemas de control distribuido son utilizados en aplicaciones de

ingeniería industrial, eléctrica, de computación y civil para monitorear y

controlar equipos distribuidos con o sin intervención humana remota.

Un DCS típicamente emplea computadoras (normalmente de diseño

específico) como controladores y usa interconexiones y protocolos para

comunicación. Los módulos de entrada y salida son componentes del DCS. El

procesador (que es parte del controlador) recibe información de los módulos

de entrada y envía datos a los módulos de salida. Los módulos de entrada

reciben información de los instrumentos de recolección de información del

proceso y los módulos de salida envían datos a los instrumentos en el campo.

Los buses de comunicación conectan el procesador con lo módulos a través

de multiplexores y demultiplexores. También conectan los controladores

distribuidos con un controlador central y finalmente con las consolas de

operación (HMI).

La arquitectura de un sistema implica la conexión directa a equipos físicos

tales como interruptores, bombas y válvulas o a través de sistemas

secundarios tales como los SCADAs. Una solución DCS tipicamente no

requiere intervención de operarios, pero con la integración de DCS y SCADAs,

pueden permitir operación manual a través de este último.

Los sistemas de control distribuido son sistemas dedicados usados para el

control de proceso de manufactura continuos o por lotes tales como

refinerías de petróleo, petroquímicas, generación de potencia, industria

farmacéutica, alimentos y bebidas, producción de cemento, metales y papel.

Los DCS están conectados a sensores y actuadores y usan puntos de

referencia para control el flujo de material a través de la planta. El ejemplo

más común de un lazo de control con punto de referencia consiste en un

sensor de presión, un controlador y una válvula de control. Las presión o flujo

es transmitida al controlador, normalmente con la ayuda de un dispositivo de

entrada y salida que acondiciona la señal. Cuando la variable medida alcanza

cierto valor, el controlador envía instrucciones a la válvula de control (o

actuador) para que esta abra o cierre hasta que la variable controlada alcance

el valor deseado.

Un DCS típico consiste en un conjunto de controladores distribuidos

geográfica y/o funcionalmente capaces de ejecutar desde 1 hasta 256 o más

lazos de control regulatorio. Los dispositivos de entrada y salida pueden ser

parte integral del controlador o estar localizados remotamente y conectados

a través de una red industrial. Los controladores modernos tienen

capacidades computacionales extendidas que le permiten, en adición a


controles proporcional, integral y derivativo, realizar control lógico y

secuencial.

Los DCSs pueden emplear una o más estaciones de trabajo y pueden ser

configurados en o fuera de línea. Las comunicaciones locales son manejadas a

través de una red de comunicaciones con par cableado, coaxial o fibra óptica.

Se pueden incluir servidores para añadir capacidades adicionales de

recolección de información y reporte.

Historia

El DS fue introducido en 1975. Honeywell y Yokogawa introdujeron

independientemente sus DCSs casi al mismo tiempo (TDC 2000 y CENTUM,

respectivamente). La empresa Bristol presentó su controlador universal UCS

3000 en 1975 y Bailey Controls (ahora parte de ABB) introdujo su sistema

Network 90 en 1980.

El advenimiento del DCS fue posible gracias a la creciente disponibilidad de

microcomputadores y a la proliferación de microprocesadores en el mundo

del control de procesos. Las computadoras ya habían sido utilizadas en la

automatización de procesos en la forma de controladores de punto de

referencia (setpoint) donde los computadores de proceso supervisaban

controladores analógicos. La proliferación de microprocesadores permitió que

los suplidores adoptaran este dispositivo como próximo paso para la

aplicación de minicomputadores en rol supervisorio, controlando varios

controladores de lazo digital. Una estación de trabajo con pantalla,

proporcionaba visibilidad al proceso utilizando texto y caracteres gráficos.

Un aspecto estrechamente relacionado con los DCS fue la inclusión de

bloques de función, que fueron introducidos inicialmente por la empresa

Foxboro. Los bloques de función eran “bloques” de código autocontenido

que emulaban dispositivos de control analógicos y realizaban tareas

esenciales para el control del proceso, tales como la ejecución de algoritmos

PID. Los bloques de función son aún la forma predominante para la

configuración de los DCS y están soportados por tecnologías claves tales

como Foundation Fieldbus.

La comunicación digital entre controladores y computadores supervisoras fue

una de las ventajas primordiales de los DCS, por lo que se le prestó

importancia primordial a las redes de comunicación que interconectaban

estos componentes; de tal atención surgieron los conceptos de determinismo

y redundancia. Como resultado, muchos fabricantes adoptaron al estándar

para redes IEEE 802.4.


Scada

La palabra SCADA viene de Supervisory Control and Data Adquisition. El

término se refiere a un sistema distribuido de larga- escala, para medición y

control. Los sistemas SCADA son empleados para monitorear o controlar

procesos tales como el sistema de suministro de agua del municipio, la

generación de electricidad, la transmisión y distribución de gas y petróleo en

tuberías y otros procesos distribuidos.

Concepto

Un sistema SCADA incluye dispositivos de entrada y salida, controladores,

interfaces hombre-máquina (HMI), redes de comunicación, bases de datos y

aplicaciones. El término SCADA típicamente se refiere a un sistema central

que monitorea y controla una instalación completa o un sistema ubicado en

un área geográfica grande. El grueso del control es ejecutado

automáticamente a través de unidades terminales remotas (RTU) o de

controladores lógicos programables (PLC). Las funciones de control a nivel

central están normalmente restringidas a acciones básicas a nivel de

supervisor. Por ejemplo, un PLC puede controlar el flujo de agua de

enfriamiento utilizada en un determinado proceso, pero el SCADA puede

permitir que un operador cambie el punto de referencia del flujo y emitirá

alarmas relacionadas con condiciones tales como la pérdida de flujo o la

presencia de altas temperaturas. La señal de retroalimentación del lazo

cerrado va al RTU o al PLC; el sistema SCADA monitorea el rendimiento

general del lazo.

La adquisición de los datos se inicia en la RTU o en el PLC e incluye la lectura

del estatus de los diferentes equipos que se comunicarán con el SCADA

según sea necesario. La información es entonces compilada y formateada de

tal manera que el operador del cuarto de control, utilizando un HMI, pueda

tomar las decisiones apropiadas para ajustar los puntos de referencia. La

información puede ser también recopilada por un historiador para permitir un

análisis de tendencias.

Los sistemas SCADA son normalmente implementados en torno a una base

de datos distribuida, típicamente llamada base de datos de variables (tag

database)., que contiene elementos llamados variables (tags) o puntos. Un

punto representa un valor de entrada o salida monitoreado o controlado por

el sistema. Los puntos pueden ser duros (hard) o blandos (soft). Un punto

duro, significa una entrada o salida física conectada al sistema, mientras que


uno suave, se refiere al resultado de operaciones lógicas o matemáticas

aplicadas a otros puntos duros o suaves. La mayoría de las implementaciones

eliminan la diferenciación identificando todos los puntos como suaves, donde

algunos de ellos hacen referencia a un punto duro. Los valores de los puntos

normalmente son almacenados junto con la información que permite

identificar la fecha y hora en que fueron recopilados o generados

(timestamp). Una serie de valores de puntos reflejan la historia de dicho

punto. Es también común almacenar otro tipo de información tal como la ruta

hasta el dispositivo de campo que la genera o recibe, comentarios e

información de alarma.

Interfase Hombre-Máquina (HMI)

El interfase hombre máquina (HMI) es un aparato que presenta la información

del proceso a un operador humano, a través del cual dicho operador controla

el proceso.

La industria de los HMI nació como una necesidad de estandarización de la

manera de monitorear y controlar múltiples controladores remotos, PLC y

otros dispositivos de control. Los PLCs que proporcionan el control de un

proceso, están típicamente distribuidos a lo largo de una planta, dificultando

la recolección manual de información. Históricamente, los PLCs no han tenido

una manera estandarizada de presentar información a un operador. Los

sistemas SCADA recopilan información de los PLCs y otros controladores a

través de una red, la combinan y la formatean apropiadamente. Un HMI

puede estar también ligado a una base de datos, para proporcionar

tendencias, información de diagnóstico e información gerencial tales como

procedimientos de mantenimiento, información de logística, esquemáticos

detallados de un sensor o máquina y sistemas expertos de diagnóstico de

fallas. Desde 1988, la mayoría de los fabricantes de PLC han ofrecidos

sistemas integrados HMI/SCADA., muchos de ellos utilizando protocolos no

propietarios. También se han presentado muchos sistemas HMI fabricados

por terceros, proporcionando compatibilidad con los más populares PLC. Los

SCADA son populares debido a su compatibilidad y confiabilidad. Pueden ser

usados desde pequeñas aplicaciones tales como controlar la temperatura de

una habitación hasta plantas nucleares.

Componentes de un sistema SCADA

Los componentes de un sistema SCADA incluyen:


Unidades terminales remotas (RTU)

Controladores

Estaciones maestras y computadoras HMI

Infraestructura de comunicación

Unidad Terminal Remota

Una RTU se conecta a un dispositivo físico y lee su estado (abierto o cerrado

para un interruptor o válvula, valor tal como presión, flujo, voltaje o corriente).

Una RTU puede controlar un equipo abriendo o cerrando (válvula) o

estableciendo su velocidad (bomba). Una RTU puede leer estados digitales o

valores análogos así como enviar comandos digitales y puntos de referencia

analógicos.

Instrumentación Industrial – Ramón Medina - 10.12.2007 Referencias Bibliográficas – Página 96

Referencias

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