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SUBTEMA 1.4: ELEMENTOS PRIMARIOS DE MEDICION El elemento primario de medición, detector o sensor es un instrumento que puede formar parte de un lazo de control, que primero detecta o censa el valor de la variable del proceso (que asume un estado o salida elegible, correspondiente o predeterminado que facilita su medida). El funcionamiento de los elementos primarios de medición se basa en la conversión de una forma de energía en otra) Los elementos primarios de medición más comunes son: 1.4.1. Medidores de Presión 1.4.2. Medidores de Flujo 1.4.3. Medidores de Nivel 1.4.4. Medidores de Temperatura. 1.4.5 Otras variables. (pH, Conductividad, cromatógrafos, etc.)

1.4.1. MEDIDORES DE PRESIÓN Definición de presión: Es la fuerza por unidad de superficie, cuando la fuerza es perpendicular a dicha superficie. Esto es lo que ocurre comúnmente en fluidos confinados. Referencias de presión: La presión siempre se mide respecto a una referencia o valor patrón, la cual puede ser el vacío absoluto u otra presión como en el caso más común en que se trata de la presión atmosférica. Según la referencia de presión utilizada se les dan nombres distintos a las medidas de presión.  Presión absoluta Es la presión referida al vacío absoluto.  Presión manométrica Es la presión referida a la presión atmosférica.  Presión de vacío Es la presión referida a la presión atmosférica, pero por debajo de ella.  Presión diferencial Es la diferencia entre dos presiones cualesquiera  Presión atmosférica Es la presión ejercida por el peso de la atmósfera sobre la tierra. Al nivel del mar esta es de aproximadamente 760 mm de Hg, 14.7 psia o 100 KPa.

MEDIDORES DE PRESIÓN DE COLUMNA DE LÍQUIDO: Es el más simple, directo y exacto de todos los métodos utilizados en la medición de presión. Trabajan aprovechando el principio de los vasos comunicantes, y utilizan el efecto de la presión de una columna de líquido para la indicación del valor de la presión medida. Por lo general están limitados a la medición de presiones diferenciales por debajo de los 200 KPa (≈30 psi). Esto debido a la resistencia del material del tubo (vidrio generalmente) y a la longitud que deberían tener estos para presiones mayores. El más conocido de estos instrumentos es el manómetro de tubo en U, pero existes otras variantes que utilizan el mismo principio. TIPOS DE MEDIDORES DE PRESIÓN: Manómetro de tubo en U Este medidor consta de dos tubos transparentes de misma sección transversal que están conectados por su parte inferior, ya sea por un tubo del mismo material o por un material distinto. Dentro del tubo se coloca un líquido de mayor densidad que el fluido del proceso a medir y que nos sea miscible en él, agua para aire o mercurio para agua, por ejemplo

Luego se conecta uno de los tubos al proceso (P1) y el otro se deja a la presión de referencia con respecto a la cual se quiere hacer la medición (P2), • La atmósfera para presiones manométricas o Si P1 > P2 se trata de un manómetro de tubo en U o Si P1 < P2 se trata de un vacuómetro de tubo en U. • El vacío absoluto para presiones absolutas, se trata de un barómetro • Otro presión del proceso para presiones diferenciales. La medida de presión será directamente proporcional a la diferencia de nivel en los líquidos de los tubos (h), según las relaciones: • Para medida de presión de gases (peso despreciable respecto del líquido manométrico) P1 − P2 = γmh • Para medida de presión en líquidos (peso no despreciable) P1 − P2 = (γ m −γ l )h

Manómetro de pozo y vaso alargado: Este es una modificación del manómetro de tubo en U en donde uno de los tubos tiene una sección transversal de mayor área que la otra. Esto permite realizar la lectura de la presión directamente con la posición de la superficie del líquido en el tubo de área menor, con una mayor precisión y permite medir presiones mayores.

Manómetro de tubo de bourdon: Este medidor de presión tiene una amplia variedad de aplicaciones para realizar mediciones de presión estática; es barato, consistente y se fabrica en diámetros de 2 pulgadas (50 mm) en caratula y tienen una exactitud de hasta 0.1% de la lectura a escala plena; con frecuencia se emplea en el laboratorio como un patrón secundario de presión.

Un manómetro con tubo bourbon en los que la sección transversal del tubo es elíptico o rectangular y en forma de C. Cuando se aplica presión interna al tubo, este se reflexiona elástica y proporcionalmente a la presión y esa deformación se transmite a la cremallera y de esta al piñón que hace girar a la aguja indicadora a través de su eje. Las escalas, exactitudes y modelos difieren de acuerdo con el diseño y aplicación, con lo que se busca un ajuste que de linealidad optima e histéresis mínima.

Otros basados en fuerza: Fuelle: Es un recipiente cerrado, con lados que pueden expandirse o contraerse como un acordeón. La posición del fuelle sin presión puede ser determinada por el mismo fuelle o por un resorte. La presión es aplicada sobre la cara del fuelle y su deformación y su posición dependen de la presión. Diafragma: Es un sensor que está típicamente construido por dos discos flexibles y cuando una presión es aplicada sobre una cara del diafragma, la posición de la cara del disco cambia por deformación. La posición está relacionada con la presión. Barómetro de mercurio: Un barómetro de mercurio ordinario está formado por un tubo de vidrio de unos 850 mm de altura, cerrado por el extremo superior y abierto por el inferior. Cuando el tubo se llena de mercurio y se coloca el extremo abierto en un recipiente lleno del mismo líquido, el nivel del tubo cae hasta una altura de unos 760 mm por encima del nivel del recipiente y deja un vacío casi perfecto en la parte superior del tubo. Las variaciones de la presión atmosférica hacen que el líquido del tubo suba o baje ligeramente; al nivel del mar no suele caer por debajo de los 737 mm ni subir más de 775 mm. Cuando el nivel de mercurio se lee con una escala graduada denominada nonius y se efectúan las correcciones oportunas según la altitud y la latitud (debido al cambio de la gravedad efectiva), la temperatura (debido a la dilatación o contracción del mercurio) y el diámetro del tubo (por los efectos de capilaridad), la lectura de un barómetro de mercurio puede tener una precisión de hasta 0,1 milímetros.

Barómetro Aneroide Un barómetro más cómodo (y casi tan preciso) es el llamado barómetro aneroide, en el que la presión atmosférica deforma la pared elástica de un cilindro en el que se ha hecho un vacío parcial, lo que a su vez mueve una aguja. A menudo se emplean como altímetros (instrumentos para medir la altitud) barómetros aneroides de características adecuadas, ya que la presión disminuye rápidamente al aumentar la altitud. Para predecir el tiempo es imprescindible averiguar el tamaño, forma y movimiento de las masas de aire continentales; esto puede lograrse realizando observaciones barométricas simultáneas en una serie de puntos distintos. El barómetro es la base de todos los pronósticos meteorológicos.

Resistivo: Bandas Extensométricas Los sensores de presión modernos usan el principio de elasticidad, pero la deformación es convertida en una señal eléctrica mediante bandas extensométricas, conocidas como “strain gauges” o “strain gages”. Este medidor se construye sobre un metal de coeficiente de elasticidad dado, adosándole un alambre, una tira semiconductora o pistas conductoras. Al deformarse el soporte de la banda, se "estira" o se "comprime" el sensor, variando así su resistencia. El cambio de resistencia será, precisamente, el reflejo de la deformación sufrida. En términos de su caracterización, dada la resistencia sin deformación, la aplicación de una fuerza deformante producirá un cambio de resistencia, cuya medición permite calcular la fuerza. Otros basados en propiedades eléctricas Capacitivo orinductivo:El movimiento asociado con alguno de los sensores mecánicos ya descriptos, puede ser usado para influenciar alguna propiedad eléctrica (por ejemplo,capacitancia), afectando una señal de medición .Por ejemplo, un cambio de presión sobre un diafragma, ocasiona un cambio en la capacitancia o inductancia. Piezoeléctrico: Cuando se aplica una presión sobre un material piezoeléctrico (por ejemplo, cuarzo), se genera una tensión eléctrica, proporcional a la presión ejercida sobre el material. Manómetro de anillo de balanceo Este medidor utiliza el efecto del cambio de nivel del fluido manométrico por efecto de la presión junto con un balancede fuerzas ejercidas por el peso del líquido y un contrapeso. Se compone de un anillo tubular en el cual está un liquido manométrico y que posee un contrapeso en la parte inferior. Este anillo puede rotar sobre su centro y posee una aguja que indicará directamente la presión en función del ángulo de rotación del instrumento. En este caso al producirse una diferencia de presión entre los dos lados del manómetro el liquido manométrico sedesplaza produciendo una fuerza (F) debido al peso del lado de mayor altura de líquido manométrico. Esta fuerza hace rotar el anillo. El contrapeso (W) contrarresta esta fuerza hasta alcanzar una posición de equilibrio como en el caso de una balanza. En ese momento la posición de la aguja indicará directamente en una escala el valor de la presión.

Manómetro de campana invertida Este instrumento utiliza el líquido solamente como elemento de sello, mientras que la medida de presión se realiza por un balance de fuerzas entre la presión ejercida por el proceso por el área sobre la cual actúa, la presión de referencia por la misma área y una otra fuerza que limita el movimiento como por ejemplo un resorte u otra campana. Este instrumento consta de un tanque en donde se coloca un fluido de sello en el cual se sumerge un vaso o campana en forma invertida dentro del cual actuará la presión del proceso. Al aumentar la presión dentro del vaso este tratará de elevarse por efecto de la fuerza que esta ejerce. Un resorte ubicado en la parte exterior del vaso producirá una fuerza opuesta proporcional al desplazamiento producido en el vaso. Una vez que las dos fuerzas en contraposición se encuentren en equilibrio, la posición de una aguja conectada físicamente al vaso indicará el valor de la presión.

 MEDIDORES DE FLUJO DE VELOCIDAD

Los medidores de flujo por variación de velocidad se fundamentan en medir la velocidad que lleva el fluido cuando pasa por un área constante. Existen principalmente dos tipos de medidores de flujo por velocidad los cuales difieren en la técnica utilizada para medir la velocidad, estos son:

 Medidor de turbina.



Medidor ultrasónico. MEDIDOR DE TURBINA

Este medidor consiste de un rotor con alabes, semejante a una turbina, que se instala en el centro de la tubería y gira con una velocidad angular que es directamente proporcional al flujo. Los medidores de turbina consisten en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. El fluido choca con el borde frontal de las palas del rotor produciendo un área de baja presión y, como resultado de esta presión diferencial, las palas giran.

PRINCIPIO DE OPERACON DE MEDIDOR DE TURBINA Un medidor de turbina de líquidos se utiliza para la medición de caudal y/o de caudal total volumétrico, y posee una teoría de operación relativamente simple. A medida que fluye el líquido por el medidor, aplica presión sobre las aspas de la turbina que poseen una rotación libre sobre un eje por la línea central de la carcasa de la turbina. La velocidad angular (rotativa) del rotor de la turbina es directamente proporcional al caudal que fluye por la turbina. Los pickoffs eléctricos montados en el cuerpo del medidor toman la salida resultante.

MEDIDOR ULTRASONICO Los medidores de flujo ultrasónicos miden la velocidad del flujo por la diferencia de velocidad del sonido al propagarse ésta en el sentido del flujo y en sentido contrario. Los transductores de ultrasonidos se basan en el fenómeno "ultrasónico" caracterizado porque las pequeñas perturbaciones de presión en el seno de un fluido se propagan a la velocidad del sonido correspondiente al fluido. Si, además, el fluido posee también velocidad, entonces la velocidad absoluta de la propagación de la perturbación de presión es la suma algebraica de ambas.

El principio de funcionamiento básico emplea el cambio de frecuencia (efecto Doppler) de una señal ultrasónica cuando la reflejan partículas suspendidas o burbujas de gas (discontinuidades) en movimiento. Esta técnica de medición usa el fenómeno físico de una onda de sonido que cambia de frecuencia cuando se refleja en una discontinuidad en movimiento en un líquido que está fluyendo. Las ondas ultrasónicas se transmiten a un tubo con líquidos que fluyen, y las discontinuidades reflejan la onda de ultrasonido con una frecuencia ligeramente diferente que es directamente proporcional al flujo del líquido. La tecnología actual exige que el líquido contenga al menos 100 partes por millón (PPM) de partículas suspendidas o burbujas de 100 micras o más.

 MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Los medidores de desplazamiento positivo miden el caudal, en volumen, contando o integrando volúmenes separados del líquido. Las partes mecánicas del instrumento se mueven aprovechando la energía del fluido y dan lugar a una pérdida de carga. Existen cuatro tipos básicos de medidores:    

Disco oscilante. Pistón oscilante. Pistón alternativo. Rotativos. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Los medidores de desplazamiento positivo operan atrapando un volumen unitario y conocido de líquido, desplazándolo desde la entrada hasta la salida, y contando el número de volúmenes desplazados en un tiempo determinado. También se suelen conocer con el nombre de contadores por que cuentan el volumen de líquido independientemente del tiempo transcurrido. En cada medidor se pueden destacar tres componentes: 1. Cámara. 2. Desplazador. 3. Mecanismo que cuenta en número de veces que el desplazador se mueve. Un punto importante a tener en cuenta en este tipo de instrumentos es el conseguir una buena estanqueidad de las partes móviles, evitando un par de rozamiento inaceptable y que la cantidad de líquido de escape a través del medidor sea moderada.

DISCO OSCILANTE. El instrumento dispone de una cámara circular con un disco plano móvil dotado de una ranura en la que está intercalada una placa fija. Esta placa separa la entrada de la salida e impide el giro del disco durante el paso del fluido. Cuando pasa el fluido, el disco toma un movimiento parecido al de un trompo caído, de modo que cada punto de su circunferencia exterior sube y baja alternativamente, estableciendo contacto con las paredes de la cámara desde su parte inferior a la superior. Este movimiento de bamboleo se transmite mediante una bola y el eje del disco a un tren de engranajes.

PISTÓN OSCILANTE El instrumento se compone de una cámara de medida cilíndrica con una placa divisora que separa los orificios de entrada y de salida. La única parte móvil es un pistón cilíndrico que oscila suavemente, entre dos caras planas de la cámara, y cuenta con una ranura que se desliza en la placa divisora fija y que hace de guía del movimiento oscilante

El eje del pistón, al girar, transmite su movimiento a un tren de engranajes y a un contador. El par disponible es elevado de modo que el instrumento puede accionar los accesorios mecánicos que sean necesarios y transmitir mediante un transmisor de impulsos. PISTÓN ALTERNATIVO. Es el más antiguo de los medidores de desplazamiento positivo. Estos instrumentos se han empleado mucho en la industria petroquímica y pueden alcanzar una precisión del ± 0,2%. Su capacidad es pequeña comparada con los tamaños de otros medidores. Su costo inicial es alto, dan una pérdida de carga alta y son difíciles de reparar. Sin embargo, su buena precisión y su renovabilidad es de 10:1 lo hace muy adecuado para cualquier tipo de líquido de baja viscosidad.

ROTATIVOS. Este tipo de instrumento tiene válvulas rotativas que giran rozando con las paredes de una cámara circular y transportan el líquido de la entrada a la salida. Se emplean mucho en la industria petroquímica para la medida de crudos y de gasolina, con intervalos de medida de unos pocos l/min de líquidos limpios de baja viscosidad hasta 64,000 l/min de crudos viscosos.

MEDIDORES DE FLUJO DE ÁREA VARIABLE Los elementos de área variable se caracterizan por el cambio de área que se produce entre el elemento primario en movimiento y el cuerpo del medidor. Pueden asimilarse a una placa-orificio cuyo diámetro interior fuera variable dependiendo del caudal y de la fuerza de arrastre producida por el fluido

ROTAMETRO. Este consiste en un flotador cilíndrico, más denso que el fluido, colocado dentro de un tubo cónico vertical con el área menor abajo y el área mayor arriba. Al pasar el flujo de abajo hacia arriba levanta el flotador con lo cual la posición de este será proporcional al flujo.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL ROTAMETRO La operación del rotámetro se basa en el principio de área variable: El flujo de fluido eleva el flotador en un tubo ahusado, lo que aumenta el área para el paso del fluido. Cuanto mayor es el flujo, más alto se eleva el flotador. La altura del flotador es directamente proporcional al caudal. Con líquidos, el flotador se eleva por una combinación de la flotabilidad del líquido y la altura equivalente de velocidad del fluido. Con los gases, la flotabilidad es despreciable, y el flotador responde solo a la altura equivalente de velocidad. El flotador se mueve hacia arriba o hacia abajo en el tubo en proporción al caudal de fluido y el área anular entre el flotador y la pared del tubo. El flotador alcanza una posición estable en el tubo cuando la fuerza ascensional que ejerce el fluido en movimiento es igual a la fuerza gravitatoria hacia abajo que ejerce el peso del flotador. Un cambio en la caudal afecta este equilibrio de fuerzas. El flotador luego se mueve hacia arriba o hacia abajo, y cambia el área anular hasta que nuevamente alcanza una posición en la que las fuerzas están en equilibrio. Para satisfacer la ecuación de fuerzas, el flotador del rotámetro supone una posición distinta para cada caudal constante. Sin embargo, es importante señalar que debido a que la posición del flotador depende de la gravedad, los rotámetros deben estar orientados y montados verticalmente.

MEDIDORES DE FLUJO DE TENSIÓN INDUCIDA Los medidores de flujo del tipo de tensión inducida se fundamentan en la ley de Faraday la cual establece que la tensión inducida en un conductor que se mueve perpendicularmente a un campo magnético es proporcional a la velocidad del conductor. A este medidor se le conoce con el nombre de medidor electromagnético.

MEDIDOR ELECTROMAGNETICO. Son medidores no intrusivos y miden la velocidad desde el exterior del tubo. Está formado por un tubo revestido con material aislante. Sobre dos puntos diametralmente opuestos de la superficie interna en los cuales se colocan dos electrodos metálicos entre los cuales se genera una señal eléctrica de medida. Su funcionamiento o método de medición está basado en la Ley de Faraday, la cual expresa que al pasar un fluido conductivo por un campo magnético se produce una fuerza electromagnética (F.E.M) directamente proporcional a la velocidad del mismo.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL MEDIDOR ELECTROMAGNETICO

La operación de un medidor de flujo electromagnético está basada en la Ley de Faraday, la cual dicta que el voltaje inducido en cualquier conductor, al moverse en el ángulo correcto a través de un campo magnético es proporcional a la velocidad de ese conductor. Formula de Faraday: E es proporcional a V x B x D donde: E = El voltaje generado en el conductor V = La velocidad del conductor B = La fuerza del campo magnético D = El largo del conductor

SUBTEMA 1.4.3: MEDIDORES DE NIVEL. Es junto con la presión, volumen, velocidad y caudal de gran importancia en hidrografía, hidráulica y en los procesos industriales. Aplicaciones frecuentes son las medidas de los niveles de los estanques y recipientes de todo tipo, en canales, pozos, exclusas, vertederos, etc. En la industria la medición de nivel es muy importante tanto desde el punto de vista del funcionamiento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuado de materias primas o de productos finales. Los medidores de nivel se utilizan principalmente para conocer el estado de llenado de depósitos de líquidos o sólidos en polvo o granulados. SENSORES PARA MEDIDORES DE NIVEL Se basarán en la medida bien directamente de la altura de líquido, bien la presión hidrostática, bien el desplazamiento de un flotador que descansa en el líquido, o bien a partir de características eléctricas del líquido. En el caso de los sólidos, se basarán en los puntos fijos (máximo, mínimo) dentro de un recipiente, o en el accionar de un interruptor al ser alcanzado por el nivel de sólido. SENSORES DE MEDIDORES DE NIVEL: Este sensor consiste generalmente en un conjunto compuesto por un flotador, un contrapeso y una polea. Este elemento tiene la característica de ser lineal y es un sensor de fácil construcción.

De la figura es posible deducir la relación válida para la polea, en ella se observa que cuando el nivel sufre una variación de magnitud dH la polea experimenta un desplazamiento dS de igual magnitud, esto es, el cambio de nivel se traduce en un desplazamiento angular de la polea, este desplazamiento puede ser fácilmente aprovechable si en el eje de la polea se conecta el cursor de un potenciómetro lineal.

SENSORES ULTRASÓNICOS Los sensores ultrasónicos son dispositivo que mide distancia usando un transductor o elemento sensitivo que envía un chorro o rayo ultrasónico, este rayo contiene una serie de ondas de sonido pulsantes, que se emiten en forma cónica, el reflejo de esto es detectado y recibido por un transmisor. El tiempo que este chorro se demora en ir al destino y volver a la fuente, es convertido en distancia medida por el sensor, vale recordar la relación: D = v * t Dónde: D: distancia entre la fuente y el destino t: tiempo de recorrido de la distancia D v: velocidad de la señal ultrasónica, normalmente conocida Los detectores de nivel sónico (9500 Hz) y ultrasónicos operan tanto por la absorción de la energía acústica a medida que viaja desde la fuente al receptor, como por la alteración (cambio de frecuencia) de una frecuencia de oscilación comprendida entre 35 a 40KHz. El transmisor se ubica en la parte superior del estanque y el pulso viaja en el aire (o el sonido 331 [m/s] a 0º C), luego, del tiempo de viaje es un dato debido a la profundidad del estanque.

SENSORES EN BASE A ELECTRODOS Este tipo de sensores se utiliza para medir nivel en sistemas con líquidos con buenas características de conductividad eléctrica. Los dispositivos que utilizan este tipo de principio constan generalmente de los electrodos, los cuales se introducen en el fluido. De este modo, puesto que el líquido es conductor, la resistencia eléctrica que se presenta entre los terminales de los electrodos variará con el nivel. Estos sensores se utilizan para conductividades iguales o mayores a 20(mW/cm) y en general resultan ser sensibles a los cambios de conductividad del líquido. Para mejorar el comportamiento frente a este fenómeno es aconsejable que ambos electrodos se encuentren a una corta distancia entre si. Una variación de la estrategia anterior es aquella en donde se mide directamente la resistencia del líquido, la cual variará con el nivel. Naturalmente este método, por las razones anteriormente expuestas, resulta ser más inexacto.

SENSORES POR BURBUJEO

Trabaja midiendo la presión hidrostática indirectamente. En este sensor se suministra un flujo de aire constante a través de un tubo que está sumergido en el interior del tanque, se aumenta la presión justo hasta que se obtiene la salida de burbujas, ésta es la presión que se necesita para vencer el peso de la columna líquido por encima de este punto. Con esta presión P, con la densidad del fluido r y la gravedad se obtiene el nivel despejando la siguiente fórmula P = rgH.

NIVEL POR RADIACIÓN

Consiste de un emisor de rayos gamma en la parte superior y un receptor gaiger en el fondo del tanque. La intensidad con la que llegan estos rayos da una indicación de la cantidad de líquido o sólido contenido en el depósito.

SONDEO ELECTROMECÁNICO Consiste en un peso móvil conectado a un motor por medio de poleas, este peso móvil baja hasta que toca la superficie del sólido y nuevamente sube. En todo momento se está detectando la posición del sólido con este método.

MEDIDOR DE NIVEL ELCETROMAGNETICO O DE PESO Consiste en un pequeño peso móvil sostenido por un cable desde la parte superior del silo mediante polos. Esta baja suavemente en el interior de la tolva hasta que choca contra el lecho de sólidos. En este instante, el cable se afloja, y un detector adecuado invierte el sentido del movimiento del peso con lo que este asciende hasta la parte superior de la tolva, donde se para, repitiéndose el ciclo nuevamente. Un indicador exterior señala el punto donde el peso ha invertido su movimiento indicado así el nivel en que el momento. El instrumento se caracteriza por su sencillez, puede emplease en el control de nivel, pero debe ser muy robusto mecánicamente para evitar una posible rotura del conjunto dentro de la tolva lo que podría dar lugar a la posible rotura de los mecanismos de vaciado. INSTRUMENTOS DE MEDIDA DIRECTA Son aquellos que trabajan midiendo directamente la altura de un líquido sobre una línea de referencia. Existen tres tipos de medidores de sonda que son: 1. MEDIDOR DE SONDA O REGLA GRADUADA: Es un instrumento bastante simple para medir niveles, que consiste en una varilla o regla graduada de una longitud conveniente para ser introducida dentro de un depósito, La determinación del nivel se efectúa por la lectura directa de la longitud mojada por el líquido.

2. VARILLA CON GANCHO: Se utiliza en tanques a presión atmosférica y muestra indirectamente la medición cuando el gancho llega a la superficie.

3. CINTA Y PLOMADA: Consta de una regla graduada y un plomo en la punta, se utiliza cuando la distancia de la superficie a la parte superior del tanque es de difícil acceso.

NIVEL DE CRISTAL: consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados a bloques metálicos y cerrados por prensaestopas, que están unidos al tanque, generalmente, mediante tres válvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo, para impedir el escape del líquido en caso de rotura del cristal, y una de purga. Solo permite indicación local y es susceptible de ensuciarse por lo que únicamente se emplea en fluidos limpios.

APLICACIONES PRINCIPALES: Permite la visualización directa del nivel de taques a través de un tubo indicador de vidrio. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO: Mediante el principio de vasos comunicantes, un tubo de vidrio alojado entre cabezales y montado en la lateral del tanque a través de conexiones roscadas o bridadas, permite conocer el nivel de líquido alojado en su interior.

PRINCIPIO DE NIVEL DE TIPO FLOTADOR El transmisor de nivel servooperado modelo 1500 XL, de L&J Engineering usa un servo motor bidireccional que actúa sobre el sistema de detección de nivel. El servo motor es controlado por un preciso sensor de fuerza (Strain gage), que continuamente detecta el peso del desplazador. Esta salida analógica es convertida en señal digital para ser usada como entrada al microprocesador local. El microprocesador controla el movimiento del desplazador a través del servo motor usando el detector de peso del detector de fuerza. La temperatura del producto es obtenida a través de una RTD ( cobre ó platino), el cual es conectada al convertidor analógico- digital. Las señales de nivel, temperatura, sedimentos y agua pueden transmitirse, si se desea, a una computadora.

Existen tres tipos de flotadores de nivel: 1. FLOTADOR DE CINTA: Este dispositivo se basa en el principio de flotación. Pertenece al tipo de medición directa. El flotador está conectado por medio de una cadena o cinta de indicador. Un peso mantiene la tensión en la cinta o cadena a medida que el flotador sigue los cambios de nivel.

2. FLOTADOR DIRECTO: Es este instrumento, el elemento flotador está conectado por una varilla al mecanismo indicador. Muchas veces el mecanismo del flotador se encuentra localizado en una caja externa montada, como el indicador de vidrio, en la parte lateral del recipiente.

3. FLOTADOR MAGNÉTICO: Este medidor consiste en diseños del tipo flotador de caja externa o del flotador de cinta, pero con la ayuda de imanes, se utilizan efectos magnéticos, para relacionar el movimiento del flotador con la indicación o control de nivel. El intervalo de medición varía con el sistema utilizado. Su presentación también es muy variable.

INSTRUMENTO BASADOS EN LA PRESIÓN HIDROSTÁTICA Miden el nivel de un líquido aprovechando la presión hidrostática. 1. MEDIDOR MANOMÉTRICO: Consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque, donde el manómetro mide la presión debida a la altura h que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento.

2. MEDIDOR DE TIPO BURBUJEO: Realizan la medición de nivel determinando la presión requerida para que un flujo constante de aire venza la presión hidrostática de un líquido. Este coloca un tubo sumergido en el líquido, a través del cual se hace burbujear aire mediante un rotámetro con regulador de caudal incorporado, que permite mantener un caudal de aire constante a través del líquido, independientemente del nivel.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN: mediante un regulador de caudal se hace pasar por un tubo (sumergido en el deposito hasta el nivel minimo). Un pequeño caudal de aire o gas inerte hasta producir una corriente continúa de burbujas. La presión requerida para producir el flujo continuo de burbujas es una medida de la columna de líquido. Este sistema es muy ventajoso en aplicaciones con liquidos corrosivos con materiales en suspensión (el fluido no penetra en el medidor, ni en la tubería de conexión).

3. MEDIDOR DE MEMBRANA: Consiste en un diafragma en contacto con el líquido del tanque, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo del tanque.

INSTRUMENTOS BASADOS EN EL DESPLAZAMIENTO: Son aquellos que miden el nivel aprovechando el empuje producido por el propio líquido. Consiste en un flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión unido rígidamente al tanque.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN: consiste en un flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un abrazo a un tubo de torsión unido rígidamente al estanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior al estanque. El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el Angulo de rotación de su extremo libre es directamente proporcional a la fuerza aplicada. Al aumentar el nivel, el líquido ejerce un empuje sobre el flotador igual al volumen de la parte sumergida multiplicada por la densidad del líquido, tenido a neutralizar su peso propio, así que el esfuerzo medido por el tubo de torsión será muy pequeño. Por el contrario, al bajar el nivel, menor por parte del flotador queda sumergida, y la fuerza de empuje hacia arriba disminuye, resultado una mayor torsión.

INSTRUMENTOS BASADOS EN CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL LÍQUIDO 1. MEDIDOR DE NIVEL CONDUCTIVO. Consiste en uno o varios electrodos y un relé eléctrico o electrónico, dispositivo que abre y cierra un circuito, que es excitado cuando el líquido moja a dichos electrodos. El líquido debe ser lo suficientemente conductor para excitar el circuito electrónico.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN El medidor de nivel conductivo consiste en uno o varios electrodos y un relé eléctrico o electrónico que es excitado cuando el líquido moja a dichos electrodos. El líquido debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito electrónico. Cuando el líquido moja los electrodos se cierra el circuito electrónico y circula una corriente segura. El relé electrónico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del líquido o ante cualquier perturbación momentánea o bien en su lugar se disponen dos electrodos poco separados enclavados eléctricamente en el circuito. El instrumento se usa como alarma o control de nivel alto y bajo, utiliza relés eléctricos o electrónicos, en función de la conductividad del líquido. Es versátil, sin partes móviles, su campo de medida es grande con la limitación física de la longitud de los electrodos. El líquido contenido en el tanque debe tener un mínimo de conductividad y si su naturaleza lo exige, la corriente debe ser baja para evitar el deterioro del producto.

2. MEDIDOR DE CAPACIDAD: mide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes del tanque. Este compuesto por un puente balanceado capacitivo, donde el capacitor C2 varia proporcional al nivel del líquido. Compuesto por un puente balanceado capacitivo, donde el capacitor c2 varia

proporcionalmente al nivel del

líquido. NOTA: hay que considerar las características dieléctricas para cada fluido. El detector capacitivo puede ser para líquidos, pastas, polvos, gránulos.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN: Mide la capacidad del contenedor formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes del estanque. La capacidad del conjunto depende linealmente del nivel del líquido. En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacidad total del sistema se compone de la del líquido, la del gas superior y la de las conexiones superiores. Se caracterizan por no tener partes móviles, son ligeros, presentan una buena resistencia a la corrosión y son de fácil limpieza. Su campo de medida es prácticamente limitado. Tiene el inconveniente de que la temperatura puede afectar las concentraciones dieléctricas y de que los posibles contaminantes contenidos en el líquido puedan adherirse al electrodo varían su capacidad y falseando la lectura, en particular en el caso de líquidos conductores.

3. SISTEMA ULTRASÓNICO DE MEDICIÓN DE NIVEL se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN:

El transmisor emite y recibe ondas de ultrasonido cortas en un rango de 10 kHz a 70 kHz que se reflejan en la superficie del producto. La velocidad de propagación corresponde a la velocidad del sonido. El tiempo entre emisión y la recepción de señales por el transmisor es proporcional a nivel de llenado del depósito. AMPLIA GAMA DE APLICACIONES: Gracias a las diferentes frecuencias de emisión, se puede realizar mediciones es un rango de 5m a 45 m. Están disponibles bridas orientales, que permiten orientar el sensor utilizado según las necesidades específicas en la medición de masas sólidas.

4. MEDIDOR DE NIVEL DE RADIACIÓN O DE RAYOS GAMMA. Consiste en una fuente radiactiva de rayos gamma, dispuesta al exterior y en la parte inferior del tanque, que emite su radiación a través del lecho de sólidos siendo captada por un detector exterior.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN: Consiste en un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del estanque y con un contador que transforma la radiación gamma verticalmente en un lado del estanque y con un contador que transforma la radiación inversamente proporcional a la masa del líquido en el estanque, la radiación captada por el recetor es inversamente proporcional al nivel del líquido ya que el material absorbe parte de la energía emitida. Los rayos emitidos por la fuente son similares a los rayos X, pero la longitud de onda es más corta. La fuente radiactiva pierde ligeramente su reactividad en función exponencial del tiempo. La vida media (es decir, el tiempo necesario para que el emisor pierda la mitad de su actividad) varía según la fuente empleada. En el cobalto 60 es de 5.5 años y en el cesio 137 es de 33 años y en el américo 241 es de 458 años. Las paredes del estanque absorben parte de la radiación y al detector llego solo un pequeño porcentaje. Los detectores son generalmente detectores cámara iónica y utilizan amplificadores de c.c o de c.a. EL instrumento dispone de compensación de temperatura, de linealizacion de la señal de salida, y de reajuste de la perdida de actividad de la fuente de radiación. Como desventaja en su aplicación figura el blindaje de a fuente y el cumplimiento de las leyes sobre protección de radiación. La precisión en la medida es de +-0.5 a +-2% y el instrumento puedo emplearse para todo tipo de líquidos ya que no está en contacto con el proceso. Su lectura viene influida por el aire o los gases disueltos en el líquido.

El sistema se emplea en caso de medida de nivel en estanques de acceso difícil o peligroso. Es ventajoso cuando existen presiones elevadas en el interior del estanque que impiden el empleo de otros sistemas de medición. Hay que señalar que el sistema es caro y que la instalación no debe ofrecer peligro alguno de contaminación radiactiva siendo necesario señalar debidamente las áreas donde están instalados los instrumentos y realizar inspecciones periódicas de seguridad.

5. MEDIDOR LÁSER Es el caso de la medición del metal fundido, donde la medida del nivel debe realizarse sin contacto con el líquido y a la mayor distancia posible por existir unas condiciones de calor extremas.

SUBTEMA 1.4.4: MEDIDORES DE TEMPERATURA. La medida de la temperatura es una de las más comunes y de las más importantes que se efectúan en los procesos industriales. Casi todos los fenómenos físicos están afectados por ella. La temperatura se utliza, frecuentemente, para inferir el valor de otras variables del proceso. La actividad de medir la temperatura consiste en cuantificar el calor de una sustancia homogénea, y por lo tanto es una unidad de medida para la energía cinética media de sus moléculas. Para que dos objetos adapten la misma temperatura se requiere un contacto térmico al objeto. Los métodos más habituales de los medidores de temperatura están basados en variaciones de las propiedades de una sustancia inducidas por las variaciones de temperatura

. PRINCIPIO

SENSOR

VARIACION DE VOLUMEN O DILATACION

LIQUIDOS DE DILATACION GASES DE DILATACION METALES DE DILATACION

RESISTENCIAS DE UN CONDUCTOR

TERMOMETOS DE RESISTENSIA

(FEM) FUERZA ELECTRO MOTRIZ

TERMOPARES

RADIACION

PIROMETROS DE RADIACION

VELOCIDAD

BASADOS EN LA VELOCIDAD DEL SONIDO

DILATACION DE COMPUESTOS La dilatación térmica es el proceso por el cual los cuerpos aumentan su volumen debido a su temperatura. Afecta a todos los estados de agregación de la materia.

SOLIDOS

De entre los estados de agregación de la materia estudiados, el estado sólido es el que tiene las fuerzas de cohesión más fuertes, por lo que resulta más dificil observar la dilatación que en líquidos y gases. Valores típicos del coeficiente de dilatación El coeficiente de dilatación en el caso de los líquidos suele mantenerse constante para cambios de temperatura ∆T menores de 100 grados. Algunos valores típicos: Material

Coeficiente dilatación lineal λ ( K-1 o ºC-1 )

Plata

3·10-5

Plomo

2.9·10-5

Zinc

2.6·10-5

Aluminio

2.4·10-5

Cobre

1.7·10-5

Oro

1.5·10-5

Vidrio

0.9·10-5

Diamante

0.12·10-5

Cuarzo

0.04·10-5

LIQUIDOS El efecto de la dilatación en los líquidos es más evidente que en los sólidos: al encontrarse sus moléculas con más libertad para moverse, el volumen que ocupa cada una aumenta más fácilmente con la temperatura, por lo que también lo hace el volumen del líquido en su conjunto. Su expresión es similar a la dilatación volumétrica de los sólidos. Valores típicos del coeficiente de dilatación El coeficiente de dilatación en el caso de los líquidos suele variar con la temperatura de forma más pronunciada a lo que ocurre en los sólidos. A continuación se recogen algunos valores típicos del coeficiente de dilatación α para líquidos a una temperatura de 20 ºC. Observa que son sensiblemente superiores al caso de los sólidos. Esto implica que la dilatación en los líquidos es más evidente que en los sólidos para un mismo material y un mismo cambio de temperatura.

Material

Coeficiente dilatación α ( K1 o ºC-1 )

Mercurio

18.1·10-4

Alcohol

14·10-4

Benceno

11.7·10-4

Glicerina

5.2·10-4

GASES El efecto de la dilatación en los gases es el más evidente de todos. Los gases varían de forma clara su volumen tanto con la temperatura como con la presión debido a que las fuerzas de cohesión entre las partículas son más débiles que en los casos anteriores. Su expresión es similar a la dilatación volumétrica de los sólidos. Finalmente, si conoces el volumen inicial del gas a 0 ºC, V0 , el coeficiente de dilatación de cualquier gas viene dado por: αp=1273.15 ºC−1

Medidor de temperatura bimetálico Una tira compuesta por dos chapas de metal de diferentes coeficientes de dilatación (“bimetal”), laminadas entre sí en forma inseparable, se deforma a consecuencia de un cambio de temperatura. La curvatura resultante es casi proporcional al cambio de temperatura. A partir de las tiras bimetálicas se desarrollaron dos diferentes formas de sistemas de medición: Mediante deformación mecánica de las tiras bimetálicas en las formas de muelle mencionadas con anterioridad, frente a un cambio de temperatura se produce un movimiento de rotación. Si un extremo del sistema de banda bimetálica está sujetado en forma firme, el otro extremo hace girar el árbol porta índice. Los rangos de visualización van de -70 °C a +600 °C con precisiones de clase 1 y 2 según EN 13190.

Medidor de temperatura de dilatación de líquido El registro de los valores de medición se realiza mediante el sistema de medición relleno con líquido, que se compone de sensor de temperatura, línea capilar y tubo Bourdon. Los tres sistemas forman un sistema de tubería cerrado. La presión interior de un medidor de temperatura con en este sistema varía la temperatura contactada provocando un giro del eje de la aguja unido al resorte para indicar la temperatura en la escala. La línea capilar, con longitudes entre 500 y 10.000 mm, permite mediciones también en puntos de medición remotos. Los rangos de visualización varían entre -40 a +400 °C con exactitudes de clase 1 y 2 según EN 13190.

Termómetro de vidrio El termómetro de vidrio consta de un depósito de vidrio que contiene, por ejemplo, mercurio que, al calentarse, se expande y sube en el tubo capilar.

Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son:

Mercurio

-35 °C hasta +280 °C

Mercurio (tubo capilar lleno de gas)

-35 °C hasta +450 °C

Pentano Alcohol Tolueno

-200 °C hasta +20 °C -110 °C hasta +50 °C -70 °C hasta +100 °C

Termómetros de bulbo y capilar Los termometros tipo buIbo y capiIar consisten, esencialmente, en un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse, moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevacion de la temperatura en el bulbo. Hay cuatro clases de este ipo de termometros: • Clase I. Termómetros actuados por líquido • Clase II. Termómetros actuados por vapor • Clase III. Termómetros actuados por gas • Clase IV. Termómetros actuados por mercurio Los termómetros actuados por líquido (clase I) tienen el sistema de medición lleno de líquido y, como su dilatación es proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta uniforme. Con capilares cortos de hasta 5 m, y para evitar errores debidos a variaciones de la temperatura ambiente, sólo hay que compensar el elemento de medición. En capilares más largos, hay que compensar también el volumen del tubo capilar. La presión dentro del bulbo y el tubo capilar debe ser mayor que la presión de vapor del líquido para evitar la formación de burbujas de vapor. Se u liza como liquido un hidrocarburo inerte, el xileno (C8H10) y otros líquidos. El campo de medición de temperaturas varía entre -75 °C y 300 °C, dependiendo del tipo de líquido que se emple.

Los termómetros actuados por vapor (clase II) se basan en el principio de presión de vapor. Contienen un líquido volátil cuya interfase se encuentra en el bulbo. Al subir la temperatura aumenta la presión de vapor del líquido. La escala de medición no es uniforme, sino que las distancias entre divisiones van aumentando hacia la parte más alta de la escala, donde hay mayor sensibilidad. La presión en el sistema solamente depende de la temperatura en el bulbo, por lo que no hay necesidad de compensar la temperatura ambiente.

Los termómetros actuados por gas (clase III) están completamente llenos de gas. Al subir la temperatura la presión de gas aumenta prácticamente de forma proporcional y, por lo tanto, estos termómetros en escalas lineales. La presión en el sistema depende, principalmente, de la temperatura del bulbo, pero también de la temperatura del tubo capilar y del elemento de medición, siendo necesario compensar la temperatura del ambiente en el sistema de medición. La constante de tiempo de los termómetros de gas es de 1 a 4 segundos. Se u liza como gas el nitrógeno, que es inerte y barato. A bajas temperaturas se emplea el helio. El campo de medición de temperaturas varía entre -80 °C y 600 °C.

Los termómetros actuados por mercurio (clase IV)  Se caracterizan por su rápida respuesta, exactitud y potencia de actuación.  La presión interna del mercurio varia de 28 bares a bajas temperaturas hasta 80 bares a altas temperaturas.  El campo de medición de temperaturas varía entre -40 °C y 650 °C.  Pueden tener compensación en la caja y compensación total.

CON SEÑAL DE SALIDA-TERMOPARES El termopar se basa en la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría) se mantiene a distinta temperatura. El rango de medida lo da el material del cual este constituido el termopar. Su principio de funcionamiento se basa en generar una Fem (Fuerza Electromotriz) con base a una diferencia de materiales con diferentes temperaturas en las uniones.

CON SEÑAL DE SALIDA-PIRÒMETROS  Miden la temperatura a través de la energía irradiada por el cuerpo.  La radiación es un modo de propagación de la energía a través del vacío, de forma análoga a la luz.  Sobre la superficie de un cuerpo incide constantemente energía radiante, tanto desde el interior como desde el exterior.

Dependiendo de las características de la superficie del cuerpo, es la cantidad de energía que se refleja y absorbe. Pirómetros de radiación Se emplean para medir temperaturas mayores de 550 °C hasta un poco más de 1600 °C captando toda o gran parte de la radiación emitida por el cuerpo a analizar. Este tipo de pirómetros se fundamenta en la ley de Stefan-Boltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo. Usado donde las condiciones mecánicas, tales como vibraciones o choques acorten la vida de un par termoeléctrico caliente

PIRÓMETROS ÓPTICOS Los pirómetros ópticos se emplean para medir temperaturas de objetos sólidos que superan los 700 ºC. El color con el que brilla un objeto caliente varía con la temperatura desde el rojo oscuro al amarillo y llega casi al blanco a unos 1300º C. Una temperatura de referencia es proporcionada en forma de un filamento de lámpara eléctricamente calentada, y la medición de temperatura es obtenida comparando de manera óptica la radiación visual del filamento contra la de la fuente de calor a medir.

CON SEÑAL DE SALIDA-TERMÒMETROS DE RESISTENCIA (RTD) Su principio de funcionamiento se basa en el incremento de la resistencia al aumento de la temperatura. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento del hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica. El rango de medición lo da el material.

CON SEÑAL DE SALIDA-ULTRASÒNICO  Puede medir temperatura dentro del intervalo de 2-20 K con una gran precisión.  Su funcionamiento está basado en la determinación de la velocidad del sonido en el gas helio.

CON SEÑAL DE SALIDA-DE CRISTAL DE CUARZO  Mide la frecuencia de un oscilador de cuarzo en contacto con el cuerpo cuya temperatura se desea medir.  Su margen de trabajo es de - 80 a 250 °C.  su presión es muy elevada, de ± 0.0075 °C.

SUBTEMA 1.4.5 OTRAS VARIABLES. En los capítulos anteriores se ha estudiado la medición y transmisión de las variables de proceso más comunes que se encuentran en la industria: la presión, el caudal, el nivel y la temperatura. Existen otras muchas variables que son también de interés industrial y que pueden clasificarse como físicas y químicas. Las variables físicas son aquellas relacionadas con las causas físicas que actúan sobre un cuerpo, con su movimiento o bien con las propiedades físicas de las sustancias. Entre ellas estudiaremos: el peso, la velocidad, la densidad y el peso específico, la humedad y el punto de rocío, la viscosidad y la consistencia, la llama, el oxígeno disuelto, la turbidez y la radiación solar. Las variables químicas están relacionadas con las propiedades químicas de los cuerpos o con su composición. Entre ellas se encuentran la conductividad, el pH, redox, y la composición de los gases en una mezcla.

 VARIABLES FISICAS PESO: El peso de un cuerpo es la fuerza con que es atraído por la Tierra. La relación entre la masa del cuerpo, es decir, la cantidad de materia que contiene, y su peso viene dado por la expresión. P=.mg en la que P = peso m =masa g = aceleración debida a la gravedad Como la masa de un cuerpo es constante y la aceleración de la gravedad varía con el lugar (es de 9,78 en el ecuador y 9,83 en los polos) y también con la altura, es obvio que el peso del cuerpo variará según el lugar de la Tierra y la al tura a que esté sobre el nivel del mar.

Célula de carga: Consiste esencialmente en una célula que contiene una pieza de elasticidad conocida, como el acero, capaz de soportar la carga sin exceder su límite. A esta pieza está cementada una galga extensiométrica. La carga somete a la célula a una tensión o comprensión , que hace variar la longitud del hilo metálico de la galga y por lo tanto modifica su resistencia eléctrica

Balanzas electromagnéticas: Utilizan un sensor de desplazamiento y una bobina de par montados en un servosistema que equilibra un peso patrón y el peso desconocido. La señal eléctrica de salida puede aplicarse a un microprocesador, lo que proporciona una tara automática, unas rutinas estadísticas de cálculo de la media y la desviación estándar de los pesos y una compensación de latemperatura.

Celdas hidráulicas: Consisten en un pistón sobre el que se apoya la carga , que ejerce una presión sobre un fluido hidráulico. Según la carga y de acuerdo con el área conocida del pistón se crea una presión en el aceite que puede leerse en un manómetro Bourdon o en un transmisor indicador electrónico. Miden pesos desde 40kg hasta 100 toneladas

 VELOCIDAD Definición: Es una magnitud física de carácter vectorial que expresa la distancia recorrida por un objeto en la unidad de tiempo Tacómetro mecánico.: Es el típico contador de revoluciones empleado para medir localmente la velocidad de rotación de toda clase de máquinas o dispositivos giratorios. Consiste básicamente en un eje elástico terminado en punta que se apoya sobre el centro de la pieza giratoria. El eje elástico al girar mueve a través de un tren de engranajes dos diales calibrados concéntricos, Cada división del dial exterior representa una vuelta del eje giratorio mientras que en el dial interior una división da una revolución del dial exterior; conocido el contador, medido mediante un cronómetro, se calculan los r.p.m. Tacómetro óptico: . Mide la frecuencia de una señal alterna captada por un transductor óptico, donde cada impulso es proporcional a la velocidad de giro de la maquina. El transductor no tiene contacto mecánico con el eje rotativo. La medida de la frecuencia puede pasarse a un cantador electrónico basado en la medida de las revoluciones por unidad de tiempo.

Acelerómetro. Se emplean para medir vibraciones maquinas e instalaciones. El instrumento proporciona datos de velocidad, aceleración y variación de la vibración.

 DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO Definición: Densidad o masa específica de un cuerpo se define como su masa por unidad de volumen, el peso especifico es la densidad por la aceleración de la gravedad Refractómetro. Consiste en una fuente de luz cuyos haces inciden sobre el líquido con un ángulo determinado tal que la reflexión de luz pase a refracción. El de luz se enfoca en un prisma rotativo que hace un barrido del líquido del proceso. El ángulo critico de refracción se detecta en una celda fotoeléctrica. De tal manera que el índice de refracción se relaciona con la concentración de sólidos en el líquido, es decir se hace una inferencia de la densidad. Se utiliza en la industria de bebidas azucaradas. Medidor de radiación nuclear. Se basa en la determinación del grado con que el líquido absorbe la radiación procedente de una fuente de rayos gamma. La radiación residual es medida con un cantador de centelleo, cuya frecuencia en los pulsos es inversamente proporcional a la densidad del fluido. Se utiliza en la industria petroquímica Areómetros. Consisten en un flotador lastrado en su parte inferior con un vástago superior graduado. El aparato se sumerge hasta que su peso es equilibrado por el líquido que desaloja hundiéndose tanto más cuanto menor sea la densidad del líquido. Se le incorpora un transductor de inductancia variable para transmitir eléctronicamente los datos.

 HUMEDAD Humedad absoluta. Es la cantidad de agua en kg por kg de aire seco. Humedad relativa. Es el cociente entre la presión parcial del vapor de agua a una temperatura t0 y la presión total del vapor de saturación y a la misma temperatura t0. Punto de rocío. Es la temperatura limite a la que el vapor de agua existe en el aire o en el gas se condensa pasando al estado líquido.

Célula de cloruro de litio. Consiste en una célula embebida de cloruro de Litio con una rejilla de láminas de oro. La sal tiene la propiedad de variar considerablemente de resistencia al aumentar o disminuir la humedad ambiente ya que libera o absorbe iones de la película soporte. Sensor de polímero. Esta formado por una rejilla conductora con una base de poliestireno tratada con ácido sulfúrico. La variación de la humedad ambiente cambia la resistencia de la superficie del sensor, debido a que el radical sulfato SO4 libera o absorbe iones de hidrogeno H+ procedentes de la humedad del ambiente. Se utilizan compensadores de temperatura y el sensor está conectado a un puente de Wheatsone.

Cámara de niebla. Realiza una medida manual discontinua del punto de rocío, consiste en una pequeña cámara con una bomba que permite comprimir una muestra de gas. El operador anota la presión y la temperatura iniciales del gas y lo comprime a una presión dada, después abre una válvula de escape a la atmósfera con lo que el gas sufre una expansión adiabática y baja de temperatura. El ensayo se repite varias veces comprimiendo el gas cada vez más hasta que se alcanza la temperatura que hace aparecer niebla en la cámara

 VISCOSIDAD La viscosidad de un fluido es la resistencia que ofrece el fluido al movimiento entre dos placas paralelas separadas por una distancia, una de ellas fija y la otra móvil que con una unidad de velocidad. Viscosímetros discontinuos. Se basan a) en medir el tiempo que emplea un volumen dado del fluido para descargar a través de un orificio o tubo capilar. b) También pueden medir el tiempo de caída de una bola metálica o de ascensión de una burbuja de aire en el seno del fluido. c) También se pueden basar en el par de resistencia de un elemento estacionario en una taza rotativa que gira a velocidad constante. El par se mide por el desplazamiento angular de un resorte calibrado unido al elemento fijo. Viscosímetros continuos. Se basan a) en la caída de presión producida por un tubo capilar al paso del fluido que se bombea a caudal constante. Dos tomas antes y después del tubo capilar se conectan a un transmisor de presión diferencial neumático o electrónico. b) Vibraciones o ultrasonido, se mide la energía necesaria para excitar una probeta en vibración continua. c) Rotámetro con flotador sensible a la viscosidad. Se mantiene un caudal constante del fluido con lo que la posición del flotador depende de la viscosidad. Al rotámetro se le acopla un transmisor electrónico.

 LLAMA. En la industria se utilizan detectores de llama para quemadores de calderas y hornos. Se basan en la detección radiación infrarroja y ultravioleta. Detector de calor El calor lo utilizan los detectores térmicos formados por bimetales, termopares, varillas de dilatación y dispositivos a expansión de líquidos que proporcionan un control relativamente satisfactorio en instalaciones domésticas. Detectores de ionización-rectificación La ionización es el fundamento de los detectores de llama de rectificación. Una tensión alterna aplicada a dos electrodos colocados dentro de la llama hace circular una pequeña corriente alterna ya que los gases en la llama están ionizados. La resistencia de la llama es bastante alta, del orden de 250 000 a 150 000 000 ohmios y la corriente que pasa es de unos pocos microamperios. Estos detectores de conductividad tienen el inconveniente de que un cortocircuito de alta resisten- cia entre los electrodos simula la llama. Detectores de radiación Los detectores basados en la radiación se fundan en la radiación de energía que una llama irradia en forma de ondas que producen luz y calor. En el gráfico de la figura 7.37 pueden verse las radiaciones visible (10 % de la total) infrarrojos (90 % de la total) y

ultravioleta (1 % de la total), así como las propias de la llama de fuel-oil, de gas y del refractario. Los detectores disponibles pueden clasificarse como sigue: a) Los detectores de radiación visible son de dos tipos: sulfuro de cadmio y óxido de cesio. El primero que es el más utilizado, consiste en un elemento de sulfuro de cadmio que varía su resistencia de forma inversamente proporcional a la intensidad luminosa, mientras que el segundo consiste en un tubo de vacío que contiene un cátodo y ánodo emitiendo aquél electrones cuan do la luz incide sobre su superficie. La aplicación de estos detectores requiere una llama luminosa quedando su uso limitado a quemadores de combustibles líquidos. Son incapaces de diferenciar la luz procedente de una llama de la de otras fuentes (luz natural, refractario, etc.). b) Los detectores de radiación infrarroja emplean la célula de sulfuro de plomo cuya resistencia eléctrica decrece al aumentar la intensidad de radiación. La célula de sulfuro de plomo no distingue entre la radiación infrarroja emitida por el refractario o por la llama. Sin embargo, la emisión de energía radiante de la llama tiene una característica parpadeante que permite a un circuito electrónico especialmente concebido, discriminar entre la señal de llama y la señal uniforme del refractario.

 OXIGENO DISUELTO. Definición: Es la cantidad de oxigeno libre en el agua que no se encuentra combinado ni con el hidrogeno ni con los sólidos existentes en el agua. La cantidad de oxígeno disuelto es vital para la vida marina. Sin oxígeno esta vida muere. La determinación del oxígeno disuelto es importante en el tratamiento de aguas y en el control de aireación. El sensor de oxígeno disuelto, es una célula polarográfica consistente en un cátodo de aleación oroplata-platino y ánodo de plata-cloruro de plata sumergidos en un electrólito de solución de potasa y cloruro potásico en agua. Una fina membrana de teflón permeable a los gases permite la difusión del oxígeno pro cedente de la muestra de agua.

TURBIDEZ. Definición: Es una medida de la falta de transparencia de una muestra de agua debida a la presencia de partículas extrañas.. La medida de la turbidez se efectúa para determinar el grado de penetración de la luz en el agua o a su través y permite interpretar conjuntamente con la luz solar recibida y la cantidad de oxígeno disuelto el aumento o disminución del material suspendido en el agua. La turbidez está expresada en unidades arbitrarias determinadas empíricamente con un turbidímetro Jackson consistente en un tubo graduado que descansa en un soporte de vidrio en cuya parte inferior se encuentra una vela encendida. La muestra del agua se introduce lentamente en el tubo hasta que a su través deja de verse la llama de la vela. La turbidez puede medirse en forma continua de dos formas:

Luz reflejada. Una lámpara incandescente emite un rayo de luz que un sistema de lentes enfoca en la muestra de agua. Una célula fotoeléctrica capta la luz reflejada por las partículas en suspensión generando una corriente proporcional a la concentración de sólidos suspendidos. Luz absorbida. La lámpara y la célula están situadas una enfrenté de la otra, con una columna de la muestra de agua que las separa. La célula mide la absorción de la luz por los sólidos en suspensión.

 VARIABLES QUÍMICAS CONDUCTIVIDAD. Definición: Es la capacidad de una solución acuosa para conducir una corriente eléctrica. La medida de la conductividad requiere la compensación de la temperatura de la solución con relación a la temperatura estándar escogida de 25° C. Esta compensación suele ser automática y uno de los sistemas puede verse en la figu ra 7.45 consistiendo en un termistor y una resistencia Rn. La precisión en la medida es de + 0,5 % y el campo de medida llega a un máximo de 0150 000 µmhos.

pH Definición: El pH es una medida de la acidez o alcalinidad del agua con compuestos químicos disueltos En la medida de pH pueden utílízarse varios métodos, de entrelos cuales los más exactos y versátiles de aplicación industrial son: el sistema de electrodo de vidrio y el de transistor (ISFETIon Sensitive Field Effect Transistor). El electrodo de vidrio consiste en un tubo de vidrio cerrado en su parte inferior con una membrana de vidrio especialmente sensible a los iones hidrógeno del pH. En la parte interna de esta membrana se encuentra una solución de cloruro tampón de pH constante dentro de la cual está inmerso un hilo de plata recubierto de cloruro de plata. Aunque el mecanismo que permite que el electrodo de vidrio mida la concentración de ion hidrógeno no es exactamente conocido, está establecido que al introducir el electrodo en el líquido se desarrolla un potencial relacionado di rectamente con la concentración del ion hidrógeno del líquido. Es decir, si esta concentración es mayor que la interior del electrodo existe un potencial positivo a través de la punta del electrodo y si es inferior, el potencial es negativo.

REDOX (POTENCIAL DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN) El potencial de oxidación-reducción de materiales disueltos en agua se mide con un metal noble y un electrodo de referencia y es una medida de su potencial electrónico de equilibrio y de su capacidad relativa para reaccionar con otros mate- riales oxidantes o reductores que pueden añadirse al agua. Hay que señalar que en la medida del pH, el electrodo de vidrio capta los cambios en la concentración del ion hidrógeno activo mientras que en la medida del potencial de oxidación-reducción el electrodo de metal noble (normalmente es platino) es sensible a los cambios en la relación entre el agente reductor y el agen- te oxidante. Así, pues, el electrodo de metal noble puede denominarse «electrodo sensible a los electrones» de forma paralela al electrodo de vidrio considerado como «elemento sensible al ion hidrógeno». CONCENTRACIÓN DE GASES En la industria interesa determinar la concentración de los gases tales como C02, CO + H2, 02 u otros, bien en el análisis de humos de salida de las calderas de vapor para comprobar su combustión correcta, bien en el análisis de concentración de gases desde el punto de vista de seguridad ante una eventual explosión, etcétera. Los analizadores se basan en general en propiedades características de los gases, tales como la conductibilidad térmica, el paramagnetismo del oxígeno y el coeficiente de absorción infrarroja.

SUBTEMA 1.5: TIPOS DE VÁLVULAS AUTOMÁTICAS DE CONTROL DE CAUDAL. CONCEPTOS: FLUJO: La palabra flujo expresa el movimiento de un fluido, pero también significa para nosotros la cantidad total de fluido que ha pasado por una sección de terminada de un conducto. CAUDAL: El caudal es el flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de fluido que circula por una sección determinada del conducto en la unidad de tiempo. ELEMENTOS FINALES DE CONTROL: Son los dispositivos encargados de transformar una señal de control en un flujo de masa o energía (variable manipulada). El de más amplia difusión es la válvula automática con actuadores neumáticos o eléctricos.

VÁLVULA: Es un dispositivo mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos. Pueden trabajar con presiones que van desde el vació hasta más de 20000 lb/in² (140 Mpa) y temperaturas desde las criogénicas hasta 1500 °F (815 °C).

USOS Y APLICACIONES DE LAS VÁLVULAS Las válvulas se pueden utilizar en diversas aplicaciones como:  Abrir y cerrar compuertas para el paso de líquidos.  Conectar y desconectar mecanismos que permitan el paso de líquidos o gases.  Regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos corrosivos o no. ELECCIÓN DE UNA VÁLVULA    

Función que efectuará dicha válvula. Tipo de servicio. Presión nominal. Material.

CLASIFICACIÓN DE LAS VÁLVULAS.

FUNCIÓN QUE REALIZAN

o

VÁLVULAS DE CONTROL

o

VÁLVULAS DE REGULACIÓN.

o

VÁLVULAS DE PROTECCIÓN

o

VÁLVULAS DE OPERACIÓN

o o o

Automáticas Hidráulica Accionadas por la misma energía de fluido

VÁLVULA AUTOMATICA DE CONTROL Es un Elemento Final de Control en un lazo de control instalado en la línea de proceso, que realiza la función de variar el caudal del fluido de control, en respuesta a la señal enviada por un controlador; modificando a su vez el valor de la variable controlada. Se comporta como un orificio de área continuamente variable con la finalidad de controlar un caudal de forma determinada. De allí que juega un papel muy importante en el bucle de la regulación. Realiza la función de variar el caudal de fluido de control que modifica a su vez el valor de la variable medida. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como el elemento primario, el transmisor y el controlador.

PARTES DE UNA VÁLVULA AUTOMÁTICA DE CONTROL Están constituidos por dos partes  ACTUADOR: Recibe la señal del controlador y la transforma en un desplazamiento (lineal o rotacional) debido a un cambio en la presión ejercida sobre el diafragma.

 CUERPO: El diafragma está ligado a un vástago o eje que hace que la sección de pasaje del fluido cambie y con esta el caudal.

El CUERPO de la válvula contiene en su interior el obturador y los asientos y está provisto de rosca o de bridas para conectar la válvula a la tubería. Es el alojamiento de las partes internas que están en contacto con el fluido. Deben ser:   

Material adecuado (resistente a altas temperaturas y presiones). Tamaño adecuado (según el caudal). Resistencia a la corrosión.

 OBTURADOR Y ASIENTO: Son los elementos que restringen el paso del fluido y caracterizan la válvula de control. El obturador es quien realiza la función de control de paso de fluido y puede actuar en la dirección de su propio eje o bien en movimiento rotatorio. Esta unido a un vástago que pasa a través de la tapa del cuerpo y que es accionado por el servomotor. El actuador responde a una señal de controlador automático y mueve el elemento de control. El actuador es el amplificador de potencia entre el controlador y la circulación del fluido.  TAPA: Permite la unión del cuerpo con el servomotor. En la cual se desliza el vástago del obturador.  SERVOMOTOR: Es el dispositivo que mueve el vástago.  EMPAQUETADURA: Permite sellar fugas de fluido entre el vástago y la tapa. Normalmente suele ser de aros de teflón, de sección V y comprimidos por resortes.

SUBTEMA 1.5.2: Tipos de válvulas automáticas de control.

MOVIMIENTO LINEAL

MOVIMIENTO ROTATORIO

 Válvula de Globo. ■ Válvula de simple asiento. ■ Válvula de asiento doble. ■ Válvula de obturador equilibrado.  Válvula en Angulo.  Válvula de tres vías (Mezcladoras).  Válvula de jaula.  Válvula de compuerta.  Válvula en Y.  Válvula Saunders.  Válvula de cuerpo partido.  Válvula de obturador excéntrico rotativo.  Válvula de obturador cilíndrico excéntrico.  Válvula mariposa.  Válvula esférica (Ball).  Válvula de tapón (Plug).  Válvula de orificio ajustable.  Válvula de flujo axial.

VÁLVULA CON OBTURADOR DE MOVIMIENTO LINEAL El vástago de la válvula empuja el obturador mediante un movimiento lineal directo. La mayoría de estas válvulas están actuadas por un actuador lineal.

VÁLVULA DE GLOBO. La válvula de globo es reconocida por la forma redonda de su cuerpo. Los obturadores de estas se desplazan linealmente, y su mecanismo de avance es similar al de un tornillo, ya que se va enroscando al bonete de la válvula. Estas válvulas pueden ser de asiento simple, de doble asiento y de obturador equilibrado. Las fugas admisibles son de 0.1% del caudal máximo en la válvula de simple asiento y de 0.5% en la válvula de doble asiento.

APLICACIONES      

Control de aire y líquidos en procesos industriales. Tratamiento de aguas y residuos. Compresores de aire. Secadoras de aire industriales. Procesamiento de papel y pulpa. Equipos para lavaderos de coches.

VÁLVULA EN ANGULO. Esta válvula permite obtener un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuir la erosión cuando ésta es considerable por las características del fluido o por la excesiva presión diferencial. Es apta para el control de fluidos que vaporizan, para trabajar con grandes presiones diferenciales y para fluidos que contienen sólidos en suspensión.

VÁLVULA DE TRES VÍAS (MEZCLADORAS). La válvula mezcladora o de tres vías se emplea para mezclar fluidos, o bien para derivar de un flujo de entrada y dos de salida. Intervienen en el control de temperatura de intercambiadores de calor, facilitando un control muy rápido de la temperatura, gracias a que el fluido de calefacción (vapor o fluido térmico) puede derivar a través de la válvula, sin pasar por el intercambiador.

VÁLVULA DE JAULA. Consiste de un obturador cilíndrico que desliza en una jaula con orificios adecuados a las características de caudal deseadas en la válvula, se caracteriza por el fácil desmontaje del obturador y porque éste puede incorporar orificios que permiten eliminar prácticamente el desequilibrio de fuerzas producido por la presión diferencial, favoreciendo la estabilidad del funcionamiento. Por este motivo se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. Por otro lado, el obturador puede disponer de aros de teflón, que cuando la válvula se cierra permiten un cierre hermético.

VÁLVULA DE COMPUERTA. La válvula de compuerta es una válvula que abre mediante el levantamiento de una compuerta o cuchilla (la cuál puede ser redonda o rectangular) permitiendo así el paso del fluido. Por su disposición es adecuada generalmente para control todo/nada, ya que en posiciones intermedias tiende a bloquearse.

Ventajas  Alta capacidad.  Cierre hermético.  Bajo costo.  Diseño y funcionamiento sencillos.  Poca resistencia a la circulación.

Desventaja 

Control deficiente de la circulación.  Se requiere mucha fuerza para accionarla.  Produce cavitación con baja caída de presión.  Debe estar abierta o cerrada por completo.  La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco.

VÁLVULA EN Y. Es usada como válvula de cierre por su baja pérdida de carga y como válvula de control por su gran capacidad de caudal. Disponible en tamaños IPS de 1/2" - 4" con conectores finales cementar, roscados SR, bridados, unión de conectores cementar o roscar SR y se emplea usualmente en instalaciones criogénicas.

VÁLVULA SAUNDERS. 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. Tiene la desventaja de que el servomotor de accionamiento debe ser muy potente, se utiliza principalmente en procesos químicos difíciles.

APLICACIONES:  Control de fluidos corrosivos.  Líquidos viscosos  Líquidos con sólidos en suspensión.

VÁLVULA DE CUERPO PARTIDO Se emplean en flujos viscosos, facilitando un flujo suave del fluido sin espacios muertos en el cuerpo. Permiten un fácil cambio del asiento.

VÁLVULA CON OBTURADOR DE MOVIMIENTO ROTATORIO. El obturador y eje tienen un giro de 0º a 90º desde la posición totalmente abierta a cerrada, son válvulas de rápida obertura.y pueden ser operadas manualmente o mediante un actuador tipo cuarto-de-giro

VÁLVULA DE OBTURADOR EXCÉNTRICO ROTATIVO. Consiste en un obturador de superficie esférica que tiene un movimiento rotativo excéntrico 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 el vástago de un servomotor. El par de este es reducido gracias al movimiento excéntrico de la cara esférica del obturador. Se caracteriza por su gran capacidad de caudal y por su elevada perdida de carga admisible.

VÁLVULA DE OBTURADOR CILÍNDRICO EXCÉNTRICO. Esta válvula tiene un obturador cilíndrico excéntrico que asienta contra un cuerpo cilíndrico. El cierre hermético se consigue con un revestimiento de goma o teflón en la cara del cuerpo donde asienta el obturador.

CARACTERSITCAS  La válvula es de baja coste.  Tiene una capacidad relativamente alta.  Es adecuada para fluidos corrosivos y líquidos viscosos o conteniendo sólidos en suspensión.

VÁLVULA MARIPOSA. Una válvula de mariposa es un dispositivo para interrumpir o regular el flujo de un fluido en un conducto, aumentando o reduciendo la sección de paso mediante una placa, denominada "mariposa", que gira sobre un eje. Las válvulas de mariposa al disminuir el área de paso, aumenta la pérdida de carga local en la válvula, reduciendo el flujo. El cuerpo está formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira un disco circular. Se necesita una gran fuerza del actuador para accionar la válvula en caso de una caída de presión elevada. Un servomotor exterior acciona el eje de giro del disco y ejerce su par máximo cuando la válvula está totalmente abierta. . Ventajas       

Desventaja

Ligera de peso, compacta, bajo costo. Requiere poco mantenimiento. Numero mínimo de piezas móviles. No tiene bolas o cavidades. Alta capacidad. Circulación en línea recta. Se limpia por si sola.

  

Alta torsión (par) para accionarla. Capacidad limitada para caída de presión. Propensa a la cavitación.

VÁLVULA ESFÉRICA (BALL). De ¼ de vuelta, obturador en forma de esfera o de bola y giro entre asientos elásticos. El cierre estanco se localiza con un arco de teflón incorporado al cuerpo contra el cual asienta la bola cuando la válvula está cerrada. Permite una circulación directa en posición abierta. Recomendada para servicio de conducción y corte, sin estrangulación. De apertura rápida, para temperaturas moderadas y de resistencia mínima a la circulación. Aplicación en servicio general, altas temperaturas, pastas semilíquidas con sólidos en suspensión.

VÁLVULA DE TAPÓN (PLUG). Una válvula de tapón tiene forma de cilindro o cono y se puede girar dentro del cuerpo de la válvula para controlar el flujo de fluidos. También tienen uno o más pasillos huecos que a menudo se colocan horizontalmente para permitir un flujo fácil a través de la válvula cuando esté abierta.

Ventajas    

Alta capacidad. Bajo costo. Cierre hermético. Funcionamiento rápido.

Desventaja   

Requiere alta torsión (par) para accionarla. Desgaste del asiento. Cavitación con baja caída de presión

APLICACIONES  Servicio general.  Pastas semilíquidas.  Líquidos.  Vapores.  Gases.  Corrosivos.

VÁLVULA DE ORIFICIO AJUSTABLE. El obturador de esta válvula consiste en una camisa de forma cilíndrica que esta perforada con dos orificios, uno de entrada y otro de salida y 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 tajadera cilíndrica que puede deslizar dentro de la camisa gracias a un macho roscado de accionamiento exterior.

Se utiliza para:    

Combustibles gaseosos o líquidos. Vapor. Aire comprimido. Líquidos en general.

VÁLVULA DE FLUJO AXIAL. Consisten en un diafragma accionado reumáticamente 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 expansiona para cerrar el flujo anular del fluido. Este tipo de válvulas se emplea para gases y es especialmente silencioso.

SUBTEMA 1.5.2: CARACTERÍSTICAS DE CAUDAL INHERENTE EN VÁLVULAS CAUDAL: Cantidad de fluido que circula a través de una sección de un ducto por unidad de tiempo. El caudal se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área determinada en una unidad de tiempo específica.

CARACTERISTICAS El obturador determina la característica de caudal de la válvula; la relación que existe entre la posición del obturador y el caudal de paso del fluido. Las variaciones características se obtienen mecanizando el obturador para que al variar la carrera del orificio entre el contorno del obturador y el asiento configure la característica de la válvula.   

Con un obturador con característica de apertura rápida: El caudal aumenta al principio de la carrera llegando rápidamente al máximo. Con un obturador de característica lineal: El caudal es directamente proporcional a la carrera. Con un obturador con característica isoporcentual: Cada incremento de carrera del obturador produce un cambio en el caudal que es proporcional al caudal que fluía antes de la variación; al principio de la carrera de la válvula, la variación del caudal es pequeña, y al final, pequeños incrementos en la carrera se traducen en grandes variaciones de caudal.

La característica de un fluido incompresible fluyendo en condiciones de presión diferencial constante a través de la válvula se denomina característica de caudal inherente y se representa usualmente considerando como abscisas la carrera del obturador de la válvula y como ordenadas el porcentaje del caudal máximo bajo una presión diferencial constante. El obturador y el asiento constituyen el corazón de la válvula, al controlar el caudal gracias al orificio de paso variable que forman al variar su posición relativa, y que además tienen la misión de cerrar el paso del fluido. TIPOS DE OBTURADORES PARA VÁLVULAS DE CARACTERÍSTICA LINEAL





Obturador de Simple asiento: Se cierran en contra de la presión del proceso, precisan de un actuador de mayor tamaño. Se emplean cuando la presión diferencial del fluido es baja y se precisa que las fugas a través de la válvula con el obturador en posición de cierre sean mínimas. El cierre se logra con asientos provistas de una arandela de teflón o de otros materiales blandos. Obturador de Doble Asiento: 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



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.

La mayoría de las aplicaciones de control ocupan las siguientes características de flujo:    

Lineal Isoporcentual o igual porcentaje Parabólica modificada Abertura rápida.

LINEAL Es la característica en la cual iguales incrementos de carrera determinan iguales variaciones de caudal. Produce una ganancia constante en toda la carrera de la válvula y es por lo tanto el caudal más aconsejable para aplicaciones en control modulado.

ISOPORCENTUAL O IGUAL PORCENTAJE Y PARABÓLICA MODIFICADA Es la característica en la cual iguales incrementos de carrera determinan variaciones de caudal que mantienen siempre el mismo porcentaje del caudal existente. Producen ganancias crecientes. Su ganancia es baja al comienzo de la apertura de la válvula y va aumentando a medida que aumenta la apertura de la válvula. En la característica el porcentaje, tal ganancia creciente es más pronunciada que en la característica parabólica modificada

ABERTURA RÁPIDA Produce una ganancia muy alta a bajas aperturas de carrera y una ganancia muy baja en aperturas por encima de 60% de carrera total. Tiene particularidad de ganancia decreciente, según aumenta el caudal. Es inadecuada para su utilización en aplicaciones en las cuales sea necesario un control del tipo modulado. Este caudal se destina solo para aplicaciones en control de tipo biestable donde la válvula solo toma dos posiciones: toda abierta y toda cerrada

SUBTEMA 1.5.3 DIMENSIONAMIENTO DE VÁLVULAS Es la determinación del tamaño de la válvula, que viene dado por su diámetro. El método más aceptado para el dimensionamiento es conocido como Procedimiento de Cv. que es el Coeficiente de Flujo de la válvula y depende del tipo, diámetro y grado de apertura de este dispositivo. Cuando el flujo pasa a través de una válvula pierde una energía. El coeficiente de caudal es un factor de diseño que relaciona la diferencia de altura (Δh) o presión (ΔP) entre la entrada y salida de la válvula con el caudal (Q). Siendo así el coeficiente más comúnmente utilizado para expresar la capacidad de flujo de un cuerpo en una válvula. Cuando se selecciona una válvula, el Cv calculado es utilizado para determinar el tamaño de la válvula de manera que permita el paso del caudal deseado y provee un control estable al proceso. Cv: Es el número de galones US de agua por minuto que pasan por la válvula completamente abierta cuando entre sus extremos se genera una pérdida de carga de 1 psi. 𝐶𝑣 = 1.17 𝐾𝑣 [𝑔𝑎𝑙𝑈𝑆𝐴 /𝑚𝑖𝑛] Kv: Es el caudal de agua (5 a 30 °C) en [m3/h] que pasa a través de la válvula totalmente abierta y con una pérdida de carga de 1 [kg/cm2]. 𝐾𝑣 = 0.86 𝐶𝑣 [𝑚3 /ℎ] PASOS DE IMPORTANCIA AL MOMENTO DEL DIMENSIONAMIENTO DE VÁLVULAS. 1. Especificar las variables requeridas para dimensionar la válvula de la siguiente manera:  Diseño deseado: Consultar la tabla de coeficiente de flujo de válvula adecuada.  Fluido de proceso: Agua, aceite, etc.  Condiciones de servicio apropiadas: q o w, P1, P2 o P, T1, Gf, Pv, Pc. La capacidad de reconocer qué términos son apropiados para un procedimiento de dimensionamiento específico solo se puede adquirir a través de la experiencia con diferentes problemas de dimensionamiento de la válvula. 2. Determine la constante de ecuación, N. “N” es una constante numérica contenida en una de las ecuaciones de flujo para usar diferentes sistemas de unidades. Los valores para estas diversas constantes y sus unidades aplicables se dan en la tabla Constante de ecuaciones.  N1: Si se dimensiona la válvula para una tasa de flujo en unidades volumétricas (gpm o m3 / h).  N6: Si se dimensiona la válvula para una tasa de flujo en unidades de masa (lb / h o kg / h).

3. Determinar Fp, el factor de geometría de la tubería. “Fp” es un factor de corrección que da cuenta de las pérdidas de presión debidas a los accesorios de tubería como reductores, codos, que se pueden unir directamente a las conexiones de entrada y salida de la válvula de control debe ser dimensionada. Si tales ajustes están unidos a la válvula, el factor Fp debe considerarse en el procedimiento de dimensionamiento. Sin embargo, si no hay ajustes ajustados a la válvula, Fp tiene un valor de 1.0 y simplemente abandona la ecuación de dimensionamiento. 4. Determinar la velocidad máxima de flujo en condiciones de flujo de agua descargado (qmax) o la caída de presión de tamaño permisible (ΔPmax). El caudal máximo o límite (qmax), comúnmente llamado flujo estrangulado, no se manifiesta por un aumento adicional en la velocidad de flujo con un diferencial de presión creciente con condiciones fijas de flujo ascendente. En líquidos, la asfixia ocurre se produce una vaporización del líquido cuando la presión táctica dentro de la válvula cae por debajo de la presión de vapor del líquido. 5. Resolver Cv requerido, usando la ecuación apropiada caso 1: unidades de caudal volumétrico

𝐶𝑉 =

caso 2: unidades de caudal másico

𝑞 𝑁1 𝐹𝑝 √

𝑃1 − 𝑃2 𝐺𝑓

𝐶𝑉 =

𝑊 𝑁6 𝐹𝑝 √(𝑃1 − 𝑃2 )𝛶

6. Seleccionar el tamaño de la válvula usando la tabla de coeficientes de flujo apropiados y valor calculado de Cv. 7. Determinando Fp, el Factor de Geometría de Tuberías. Para los valores de Fp que no figuran en las tablas de coeficientes de flujo, calcule el factor Fp usando la siguiente ecuación: ∑ 𝐾 𝐶𝑉 2 𝐹𝑝 = [1 + ( ) ] 𝑁2 𝑑 2

−1⁄ 2

Donde N2 = Constante numérica encontrada en la tabla Constantes de ecuación d = Tamaño de válvula nominal supuesta D = Diámetro interno de la tubería Cv = Coeficiente de dimensionamiento de válvula al 100 por ciento de desplazamiento para el valor de válvula asumido En la ecuación anterior, el término K es la suma algebraica de los

coeficientes de pérdida de carga de velocidad de todos los accesorios que están unidos a la válvula de control. ∑ K = K1 + K 2 + K B1 − K B2 Donde: K1 = Coeficiente de resistencia de los accesorios ascendentes K2 = Coeficiente de resistencia de los accesorios aguas abajo KB1 = Coeficiente de Bernoulli de entrada KB2 = Coeficiente de Bernoulli de salida Para un reductor de entrada. 2

𝑑2 𝐾1 = 0.5 (1 − 2 ) 𝐷 Para un reductor de salida.

𝑑2 𝐾2 = 1.0 (1 − 2 ) 𝐷

2

Para una válvula instalada entre reductores idénticos 2

𝑑2 𝐾1 + 𝐾2 = 1.5 (1 − 2 ) 𝐷

8. Determinación de qmax (la velocidad de flujo máxima) o Pmax (la caída de presión de tamaño permisible). Determine qmax o Pmax si es posible que se forme flujo estrangulado en la válvula de control que se va a dimensionar. Los valores se pueden determinar utilizando los siguientes procedimientos. 9. Determinación de qmax (la tasa de flujo máxima).

𝑞𝑚𝑎𝑥 = 𝑁1 𝐹𝐿 𝐶𝑉 √

𝑃1 − 𝐹𝐹 𝑃𝑉 𝐺𝑓

Los valores para FF, el factor de razón de presión crítica líquida, pueden obtenerse de la figura anexa, o de la siguiente ecuación: 𝑃𝑉 𝐹𝐹 = 0.96 − 0.28√ 𝑃𝐶

−1⁄ 2

𝐹𝐿𝑃

𝐾1 𝐶𝑉 2 1 = [ ( 2) + 2] 𝑁2 𝑑 𝐹𝐿 𝐾1 = 𝐾1 + 𝐾𝐵1

K1 = Coeficiente de resistencia de los accesorios ascendentes. KB1 = Coeficiente de Bernoulli de entrada. 10. Determinación de la caída de presión de tamaño permisible (𝜟𝐏𝐌𝐀𝐗). Se puede determinar a partir de la siguiente relación: 𝛥𝑃max(𝐿) = 𝐹𝐿 2 (𝑃1 − 𝐹𝐹 𝑃𝑉 ) Para válvulas instaladas con accesorios adjuntos. 𝐹𝐿𝑃 2 𝛥𝑃max(𝐿𝑃) = ( ) (𝑃1 − 𝐹𝐹 𝑃𝑉 ) 𝐹𝑃

Donde P1 = Presión estática absoluta aguas arriba P2 = Presión estática absoluta aguas abajo Pv = Presión de vapor absoluta a la temperatura de entrada Los valores de FF, el factor de proporción de presión crítica líquida se puede obtener de la siguiente ecuación: 𝑃𝑉 𝐹𝐹 = 0.96 − 0.28√ 𝑃𝐶

COEFICIENTES DE DIMENSIONAMIENTO REPRESENTATIVOS PARA CUERPOS DE VÁLVULA DE GLOBO DE UN SOLO PUERTO.

COEFICIENTES DE DIMENSIONAMIENTO REPRESENTATIVOS PARA VÁLVULAS DE EJE GIRATORIO

DIMENSIONAMIENTO DE VÁLVULAS PARA FLUIDOS COMPRESIBLES 1. Especifique las variables necesarias requeridas para dimensionar la válvula de la siguiente manera: Diseño de válvula deseado: Consultar el coeficiente de coeficiente de flujo de válvula apropiado. Fluido de proceso: Aire, gas natural, vapor, etc. y condiciones de servicio apropiadas: q, o w, P1, P2 o P, T1, Gg, M, k, Z y: La capacidad de reconocer qué términos son apropiados solo se puede adquirir a través de la experiencia con diferentes problemas de dimensionamiento de la válvula. 2. Determine la constante de ecuación, N. “N” es una constante numérica contenida en cada una de las ecuaciones de flujo. Usar N7 o N9 si dimensiona la válvula para una tasa de flujo en unidades volumétricas.  N7 solo se puede utilizar si se ha especificado la gravedad específica, Gg, del siguiente gas junto con las otras condiciones de servicio requeridas.  N9 solo puede usarse si se ha especificado el peso molecular, M, del gas. Use N6 o N8 si dimensiona la válvula para un caudal en unidades de masa (lb / h o kg / h). Cuál de las dos constantes usar depende de las condiciones de servicio especificadas. N6 solo se puede usar si el peso específico, γ. 3. Determinar Fp. El factor de geometría de la tubería. Fp es un factor de corrección que cuenta para cualquier pérdida de presión a través de accesorios opuratorios como reductores, codos, utilícelo para la sección de dimensionamiento de válvulas para líquidos. 4. Determine Y, el factor de expansión, de la siguiente manera: Donde: Fk = k / 1.4 la relación del factor de calores específicos k = Relación de calores específicos x = ΔP / P1 la relación de caída de presión xT = Factor de relación de caída de presión para válvulas instaladas sin accesorios. Más definitivamente, xT es la relación de caída de presión requerida para producir flujo crítico o máximo a través de la válvula cuando Fk = 1.0 5. Resuelva para el Cv requerido usando la ecuación apropiada  Para unidades de caudal volumétrico: Si se ha especificado la gravedad específica, Gg, del gas. 𝐶𝑣 =

𝑞 𝑥 𝑁7 𝐹𝑃 𝑃1 𝑌√𝐺 𝛶 𝑍 𝑔 1

Si se ha especificado el peso molecular, M, del gas.

𝐶𝑣 =

𝑞 𝑥 𝑁9 𝐹𝑃 𝑃1 𝑌√𝑀 𝑇 𝑍 1

 Para unidades de caudal másico: Si se especificó el peso específico, 𝛶1 del gas 𝐶𝑣 =

𝑤 𝑁6 𝐹𝑃 𝑌√𝑥 𝑃1 𝛶1

Si se ha especificado el peso molecular, M, del gas 𝐶𝑣 =

𝑤 𝑥𝑀 𝑁8 𝐹𝑃 𝑃1 𝑌√ 𝑇 𝑍 1

6. Seleccione el tamaño de la válvula usando la tabla de coeficientes de flujo apropiados y el valor Cv calculado. Para determinar el coeficiente de dimensionamiento del flujo de gas (Cg) para usar en la técnica de predicción de ruido aerodinámico, use la siguiente ecuación: 𝐶𝑔 = 40 𝐶𝑣 √𝑥𝑇 La determinación de XTP el factor de relación de caída de presión Si la válvula de control se va a instalar con accesorios acoplados, como reductores o codos, entonces su efecto se tiene en cuenta en la ecuación del factor de expansión reemplazando el término XT por un factor nuevo, XTP. 𝑥𝑇𝑃

𝑥𝑇 𝑘𝑇 𝑐𝑣 2 −1 = 2 [1 + ( ) ] 𝑁𝑃 𝑑 2 𝐹𝑃 𝑥𝑇

Donde: N5 = Constante numérica. d = Tamaño de válvula nominal supuesta Cv = Coeficiente de dimensionamiento de la válvula. XT = Relación de caída de presión para válvulas instaladas sin accesorios instalados. Los valores XT se incluyen en las tablas de coeficientes de flujo. En la ecuación anterior, Ki, es el coeficiente de pérdida de carga de entrada, que se define como: 𝐾𝑖 = 𝐾1 + 𝐾𝐵1 Donde K1 = Coeficiente de resistencia de las conexiones ascendentes (consulte el procedimiento de Geometría para determinar Fp, el factor de geometría de la tubería, que se encuentra en la sección para dimensionar válvulas para líquidos). KB1 = Coeficiente de Bernoulli de entrada.

EJEMPLO 1 Determinar el Cv de una válvula que maneja condensado a: T1= 363 °K 𝜌= 965.4 Kg/m3 Pv= 70.1 Kpa Pc=22120 Kpa Visc=3.26 x 10-7 m2/s P1= 680 Kpa P2= 220 Kpa Q= 360 m3/h D1=D2= 150 mm d = 150 mm N1 = 0.0865 N2 = 0.00214 Cv = 433 K=1

Tipo: Globo

1. Calculo de Fp

2. Obtención de la gravedad especifica

3. Calculo del Cv.

4. Porcentaje de Cv usado

SUBTEMA 1.6 ELEMENTOS FINALES DE CONTROL Los elementos finales de control son mecanismos que modifican el valor de una variable que ha sido manipulada como respuesta a una señal de salida desde un dispositivo de control automático; es decir, se encarga de manipular alguna característica del proceso según lo ordenado por el controlador. Según el tipo de proceso, hay dispositivos que reciben señales de control del tipo discretas, tipo batch o continuas. Lo más común es que la variable manipulada por estos dispositivos sea un caudal, el elemento de control de más amplia difusión es la válvula. Los elementos finales de control convierten los comandos del sistema de control en acciones concretas para corregir el comportamiento de las variables del proceso tecnológico  Un elemento final de control es un mecanismo que altera el valor de la variable manipulada en repuesta a una señal de salida desde el dispositivo de control automático.  Típicamente recibe una señal del controlador y manipulada un flujo de material o energía para el proceso.

LOS ELEMENTOS FINALES DE CONTROL PUEDEN SER:      

Una válvula de control Variadores de frecuencia y motores eléctricos Un servo válvula Un relé Elementos calefactores de carácter eléctrico Un amortiguador

VÁLVULA DE CONTROL. Su función es variar el flujo de material o energía a un proceso de control, modificando el valor de la variable de medida, comportándose como un orificio de área variable. Las válvulas pueden ser modelas siguiendo una dinámica de segundo orden. Para válvulas pequeñas o de tamaño medio, la dinámica es tan rápida que se consideran procesos de primer orden.

VARIADOR DE FRECUENCIA Un variador de frecuencia es un regulador industrial que se encuentra entre la alimentación energética y el motor. La energía de la red pasa por el variador y regula la energía antes de que ésta llegue al motor para luego ajustar la frecuencia y la tensión en función de los requisitos del procedimiento. Los variadores reducen la potencia de salida de una aplicación, como una bomba o un ventilador, mediante el control de la velocidad del motor, garantizando que no funcione a una velocidad superior a la necesaria. El uso de variadores de frecuencia para el control inteligente de los motores tiene muchas ventajas financieras, operativas y medioambientales ya que supone una mejora de la productividad, incrementa la eficiencia energética y a la vez alarga la vida útil de los equipos, previniendo el deterioro y evitando paradas inesperadas que provocan tiempos de improductividad. Regula la velocidad de motores eléctricos para que la electricidad que llega al motor se ajuste a la demanda real de la aplicación, reduciendo el consumo energético del motor entre un 20 y un 70%. .

MOTOR ELÉCTRICO Un motor eléctrico es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica. Este proceso lo realiza por medio de la acción de los campos magnéticos que generan las bobinas que están dentro del motor. Los motores eléctricos suelen tener 6 componentes principales:  Estator: Es la parte fija de la parte rotativa y uno de los elementos fundamentales para la transmisión de potencia en el caso de los motores eléctricos o corriente alterna en el caso de los generadores eléctricos.  Rotor: es la parte contraria del estator, se trata del componente que gira o rota dentro de una máquina eléctrica, ya sea un generador o un motor eléctrico. Está formado por un eje que soporta un juego de bobinas enrolladas sobre unas piezas polares estáticas.  Conmutador: Se trata de algo así como un interruptor que se encuentra en algunos motores y generadores. Periódicamente cambia la dirección de la corriente entre el rotor y el circuito externo.  Exobillas: En los motores o generadores eléctricos se debe establecer una conexión fija entre la máquina con las bobinas del rotor. Para ello, se fijan dos anillos en el eje de giro, aislados de la electricidad del eje y conectados a la bobina rotatoria, a sus terminales. En frente de esto se encuentran unos bloques de carbón que realizan presión a través de unos resortes, para establecer el contacto eléctrico. Dichos bloques son las escobillas.

 Eje: en el caso de un coche, por ejemplo, es el elemento que transmite el movimiento de rotación del motor a las ruedas.

SERVO VÁLVULAS El servo válvulas se utiliza en sistemas electrohidráulicos de control de posición, velocidad, presión o de control de la fuerza.

FUNCIONAMIENTO: La corriente eléctrica que atraviesa las bobinas del servo válvula crea un par que provoca un desplazamiento de la varilla entre las dos toberas. El equilibrio de presiones en los dos circuitos de pilotaje de la corredera se rompe. La corredera se desplaza, actuando en su movimiento sobre el resorte de retroalimentación. Cuando el par mecánico creado por el resorte de retroacción es equivalente al par magnético, la varilla se encuentra en la posición media y la corredera se inmoviliza en la posición alcanzada. La modificación de la señal eléctrica de entrada tendrá como consecuencia un nuevo desplazamiento de la corredera. Si la pérdida de carga en el servo válvula es constante, el caudal hidráulico será también proporcional a la corriente eléctrica de mando. El servo válvulas son accionadores de tipo neumático o hidráulico que conectan dos o más vías por las que circula un fluido. El servo válvulas tienen la posibilidad de controlar la presión o el caudal y disponen de una retroalimentación interna que cumplen la función de regulación descrita, de esta forma se obtiene en los circuitos hidráulicos que las utilizan un alto grado de exactitud.

RELÉ El relé es un dispositivo electromagnético. Funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador eléctrico.

CALEFACTOR CON CARÁCTER ELÉCTRICO. Es un dispositivo que produce energía calorífica a partir de la eléctrica. El tipo más difundido es el calefactor eléctrico “resistivo”, donde la generación del calor se debe al efecto Joule. . Entre las aplicaciones más conocidas del efecto Joule se tienen los elementos de las estufas para calentar el ambiente, los filamentos de los secadores para el pelo, las resistencias de las planchas para la ropa, las hornallas o fogones de las cocinas, las resistencias de tostadores y hornos industriales, los calentadores en los hervidores de agua y fermentadores, los alambres para evitar el congelamiento en refrigeradores y el empañamiento en vidrios de las ventanas traseras de automóviles, los calefactores en peceras e invernaderos, y muchísimas aplicaciones más.

AMORTIGUADOR. El amortiguador es un dispositivo construido con un eje cromado y dos tubos de acero (uno dentro del otro). El tubo exterior se denomina tubo de reserva (lleno de aceite). El interno, tubo de compresión. En un extremo, el eje de acero tiene el apoyo que se ancla al vehículo. En el otro extremo se monta un pistón, que siempre se desplaza a lo largo del tubo de compresión, el cual presiona o succiona aceite que fluye a través de válvulas instaladas en el tubo de compresión. Esta construcción genera dos fuerzas muy diferentes, extensión y compresión. Los amortiguadores son componentes comunes de la suspensión de automóviles y de otros vehículos, como motocicletas, bicicletas, aviones (en este caso con diferente tecnología). La función del amortiguador es controlar los movimientos de la suspensión, los muelles y/o resortes. El movimiento de la suspensión genera energía cinética, que se convierte en energía térmica o calorífica. Esta energía se disipa a través del aceite.

BOMBAS DOSIFICADORAS Accionadas por actuadores neumáticos o electrónicos y utilizadas principalmente en el envió de cantidades precisas de líquidos para mezclas, en casos tales como el control de pH, tratamiento de aguas, adición de productos en la industria alimentaria, etc., aplicaciones que se caracterizan por bajos caudales, altas presiones, altas viscosidades, etc.

ACTUADORES DE VELOCIDAD VARIABLE Que gobiernan la velocidad de bombas centrifugas, ventiladores, compresores, etc., variando así el caudal de fluido, y que presentan la ventaja de evitar la pérdida de energía que necesariamente absorben las válvulas de control.

BIBLIOGRAFIA:

https://es.wikipedia.org/wiki/Instrumentation,_Systems_and_Automation_Society https://www.pirobloc.com/blog-es/que-es-un-piping-and-instrumentation-diagram/ https://es.slideshare.net/JELEstrada/lazo-de-control

http://www.loreal.es/sostenibilidad/produccion-sostenible/la-fabrica-de-burgos

SAMA Symbols – Why use them? http://www.geeintl.com/SAMA-symbols/SAMA%20Symbols%20Why%20Use%20Them.pdf

Diagramas de Instalación: http://cce.okn.me/player2_okn_csc/CourseImports/34be6bbc326a3885d89a0c7338d1a8b5fa1b a825/UA2Proyectos-inst-eolicas/planos_de_instalaciones.html

Piping & Instrumentation Diagram: https://es.wikipedia.org/wiki/Piping_and_instrumentation_diagram

INSTRUMENTACION Y CONTROL CUESTIONARIO 1. EXPLIQUE QUE ES LA NORMA ISA Y QUE ES LA NORMA SAMA, INDIQUE LA DIFERENCIA ENTRE ELLAS Y PARA QUE NOS SIRVE C/U. HAGA U N DIBUJO SENCILLO EN DONDE SE COMPAREN AMBAS NORMAS. La norma isa es una sociedad de ingenieros, técnicos, comerciantes, educadores y estudiantes, creada como «Instrument Society of America» el 28 de abril de 1945, en Pittsburgh, EE.UU. El objeto de esta norma es documentar los instrumentos formados por ordenadores, controladores programables, miniordenadores y sistemas de microprocesador que disponen de control compartido, visualización compartida y otras características de interface. Los símbolos representan la interfase con los equipos anteriores de la instrumentación de campo, de la instrumentación de la sala de control y de otros tipos de hardware de aplicación a las industrias químicas, petroquímicas, aire acondicionado, etc. La norma sama (Scientific, Aparatus Makers Association) es el método de diagramas funcionales que emplean para las funciones block y las designaciones de funciones. Para ayudar en procesos industriales donde la simbología binaria es extremadamente útil aparecen nuevos símbolos binarios en líneas. Los diagramas SAMA son un lenguaje gráfico para entender el funcionamiento de un lazo de control a diferencia de la simbología ISA. Diferencia entre simbología sama e isa La simbología isa considera: a. Todas las letras son mayúsculas. b. La función que realiza el instrumento, ocupa de 2 a 5 letras.

 La primera letra siempre designa a la variable a la que está dedicada el instrumento.  La segunda letra puede ser una modificadora de la variable.  La tercera puede ser una función secundaria del instrumento.  La cuarta puede ser la función principal del instrumento.  La quinta letra puede ser una modificadora de la función principal del instrumento.

c. Cada posición que no se emplea hace cambiar las posiciones recién descritas Los diagramas SAMA son más explícitos con respecto a la simbología ISA pues estos gráficos expresan con más precisión:

    

El tipo de acción del controlador El tipo de control o controlador (PI, PD, PID) Constantes de sintonía Rangos tanto en el controlador como instrumento Rango de operación de la válvula de control

Ilustración de comparación entre los diagramas sama e isa

2.- EXPLIQUE COMO ESTA CONSTITUIDO UN LAZO DE INSTRUMENTACION. Un lazo de instrumentación está constituido por un conjunto de instrumentos interconectados y relacionado con una variable de proceso de interés. A) DIGA EN QUE CONSISTE O QUE IMPLICA ASIGNARLE UN TAG. La identificación de un lazo implica asignarle a este un único número, de esta manera se puede completar la identificación de un instrumento del agregarle el número de lazo al que pertenece. La identificación del instrumento se llama TAG.

B) EXPLIQUE COMO SE ELABORA LA ETIQUETA O IDENTIFICACION (TAG). La numeración del lazo puede ser paralela o erial. La numeración paralela involucra comenzar una secuencia numérica para cada nueva primera letra.

La numeración recial involucra usar única secuencia de números, indiferente de la primera letra de la identificación de un lazo. La secuencia de numeración de un lazo puede comenzar con “1” o con cualquier otro número convenientes como 200,301, 007. En caso de que un lazo contenga más de un instrumento con la misma identificación funcional, también puede ser usado un sufijo anexado al nuero del lazo.

3.- DIBUJE UN LAZO DE CONTROL TIPICO CON NOTACION SAMA Y EXPLIQUELO. En la siguiente imagen se muestra un diagrama de lazo de control típico con simbología SAMA donde se puede observar que en la parte superior hay un transmisor de flujo que envía señal al controlador del tipo PI, el diamante de la izquierda (A) representa que el setpoint o punto de consigna es ajustable, el diamante central (T) representa que el controlador cuenta con switch de control de transferencia automático / manual, el diamante en la derecha (A) nos indica que la salida hacia nuestro elemento final de control que en nuestro caso es una válvula de control puede ser manipulada manualmente desde el controlador.

4.- DIBUJE LOS SIGUIENTES LAZOS DE CONTROL Y/O INDICACION CON LA NOMENCLATURA ISA DE FUNCION, UBICACIÓN Y SEÑALES: A) lazo de control indicador de nivel con la instrumentación instalada totalmente en campo.

B) lazo de control de flujo con instrumentación instalada en campo y controlador instalado en plc o control distribuido.

C) lazo de control indicador de presión con la instrumentación instalada en campo y controlador indicador instalado en tablero de control en campo.

5. EXPLIQUE QUE ES UN DTI Y PARA QUE NOS SIRVE. Es un diagrama que muestra las tuberías y los componentes relaciones del flujo de un proceso, son una ilustración esquemática de la relación funcional de las tuberías, la instrumentación y control del sistema usados en el campo de la instrumentación y control o de la automatización. Son fundamentales para el matenimiento y modificación del proceso que representan gráficamente. Se trata de una representación gráfica de los detalles clave de las tuberías e instrumentación, esquemas de control y apagado, los requisitos de seguridad y normativa y la información básica de arranque y operación.

6. DEFINA LAS SIGUIENES VARIABLES DE PROCESO; PRESION, TEMPERATURA, NIVEL Y FLUJO. En física, la presión (símbolo P) es una magnitud física escalar que mide la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie. Presión: Magnitud que se define como la derivada de la fuerza con respecto al área. P = dF/dA Cuando la fuerza que se aplica es normal y uniformemente distribuida sobre una superficie, la magnitud de la presión se obtiene dividiendo la fuerza aplicada sobre el área correspondiente.

P = F/A

Temperatura: La temperatura es la medida de la cantidad de energía de un objeto. Ya que la temperatura es una medida relativa, las escalas que se basan en puntos de referencia deben ser usadas para medir la temperatura con precisión. Hay tres escalas comúnmente usadas actualmente para medir la temperatura: la escala Fahrenheit (°F), la escala Celsius (°C), y la escala Kelvin (K). Cada una de estas escalas usa una serie de divisiones basadas en diferentes puntos de referencia. Nivel: La medición de nivel puede definirse como la determinación de la posición de una interface que existe entre dos medios separados por la gravedad, con respecto a una línea de referencia. Existen muchas situaciones en la industria donde estas interfaces deben ser establecidas dentro de los limites específicos, bien sea, por razones de control de procesos o de la calidad del producto. Existe una gran variedad de técnicas por medio de las cuales se puede medir el nivel de líquidos o sólidos en equipos de procesos. La selección de la instrumentación adecuada depende de la naturaleza del proceso. Flujo: FLUJO (caudal) es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. TIPOS DEL FLUJO El movimiento de los fluidos puede clasificarse de muchas maneras, según diferentes criterios y según sus diferentes características, este puede ser: * Flujo turbulento: Este tipo de flujo es el que más se presenta en la práctica de ingeniería. En este tipo de flujo las partículas del fluido se mueven en trayectorias erráticas, es decir, en trayectorias muy irregulares

7.- MENCIONE TRES ELEMENTOS PRIMARIOS DE MEDICION DE PRESION Y EXPLIQUE COMO ESTAN CONSTITUIDOS Y COMO FUNCIONAN. 1. MANÓMETRO DE BOURDON El manómetro de Bourdon consta de un fino tubo metálico de paredes delgadas, de sección elíptica muy aplastada y arrollado en forma de circunferencia. Este tubo (que se aprecia en la fotografía) está cerrado por un extremo que se une a una aguja móvil sobre un arco graduado. El extremo libre, comunica con una guarnición (parte superior de la fotografía) que se conectará al recipiente que contiene el gas comprimido. Cuando la presión crece en el interior del tubo, éste tiende a aumentar de volumen y a rectificarse, lo que pone en movimiento la aguja. 2. MEDIDOR DE DIAFRAGMA -Cápsulas circulares conectadas entre sí́ por soldadura. -Al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de desplazamiento se amplifica por un juego de palancas. -Se aplica para pequeñas presiones.

3. MEDIDOR DE FUELLE Los manómetros de fuelle tienen un elemento elástico en forma de fuelle (como el acordeón) al que se le aplica la presión a medir, esta presión estira el fuelle y el movimiento de su extremo libre se transforma en el movimiento de la aguja indicadora como se muestra en la figura 3 de manera esquemática. Similar al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente. De una Larga duración. Se aplica para bajas presiones .

8. MENCIONE TRES ELEMENTOS PRIMARIOS DE MEDICION DE NIVEL Y EXPLIQUE COMO ESTAN CONSTITUIDOS Y COMO FUNCIONAN. Sensores ultrasónicos de contacto

¿Cómo está constituido? Un dispositivo ultrasónico de baja energía dentro de estos sensores mide el nivel de líquido en un cierto punto. Los Sensores ultrasónicos de contacto, consistentes en un sensor montado en campo y un amplificador de estado sólido integral, no tienen piezas móviles y no requieren calibración. Típicamente están equipados con bloques e terminal para conexión a una fuente de energía y dispositivos de control externos. La señal ultrasónica cruza una separación de media pulgada en el sensor, y controla interruptores de de relé cuando la separación contiene líquido. El nivel de detección está a la mitad a lo largo de la separación para los sensores de montura horizontal, y en la parte superior de la separación para los sensores de montura vertical. A medida que el líquido cae debajo de este nivel, la señal ultrasónica se atenúa y por último lleva el relé a su estado anterior.

¿Cómo funciona? Estos sensores se usan en recipientes o tuberías para operar automáticamente bombas, válvulas solenoides y alarmas de alto/bajo. Se requerirían dos para llenar y vaciar tanques, y para dosificar volúmenes de líquido. Son compatibles con casi todos los líquidos, no resultan afectados por los recubrimientos, las gotitas que se adhieren a la superficie, la espuma y el vapor.

Sensores por burbujeo

¿Cómo está constituido? El sistema de burbujeo de aire, está formado por un suministro continuo de aire, un regulador, un indicador visual de flujo y un indicador de nivel. Cuando se va a realizar una medición de nivel, el aire de alimentación se ajusta de modo que la presión sea ligeramente superior que la presión ejercida por la columna de líquido. Esto se consigue regulando la presión del aire hasta que se observan burbujas saliendo del extremo de la tubería colocada dentro del recipiente (puede tomarse como referencia que salgan 3 burbujas por segundo en el nivel máximo).

¿Cómo funciona? Consiste en introducir un tubo dentro del tanque y luego aire a presión la cual se regula a un valor ligeramente superior a la presión hidrostática ejercida por la columna de líquido en el tanque al nivel máximo.

Sensores en base a electrodos ¿Cómo está constituido? Los dispositivos que utilizan este tipo de principio constan generalmente de los electrodos, los cuales se introducen en el fluido. De este modo, puesto que el líquido es conductor, la resistencia eléctrica que se presenta entre los terminales de los electrodos variará con el nivel.

¿Cómo funciona? Este tipo de sensores se utiliza para medir nivel en sistemas con líquidos con buenas características de conductividad eléctrica. Se utilizan para conductividades iguales o mayores a 20(mW/cm) y en general resultan ser sensibles a los cambios de conductividad del líquido. Para mejorar el comportamiento frente a este fenómeno es aconsejable que ambos electrodos se encuentren a una corta distancia entre sí. Una variación de la estrategia anterior es aquella en donde se mide directamente la resistencia del líquido, la cual variará con el nivel. Naturalmente este método, por las razones anteriormente expuestas, resulta ser más inexacto.

9. MENCIONE TRES ELEMENTOS PRIMARIOS DE MEDICION DE TEMPERATURA Y EXPLIQUE COMO ESTAN CONSTITUIDOS Y COMO FUNCIONAN.

Termómetro ¿Cómo están constituidos? Inicialmente se fabricaron aprovechando el fenómeno de la dilatación, por lo que se prefería el uso de materiales con elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible. La sustancia que se utilizaba más frecuentemente en este tipo de termómetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada, pero también alcoholes coloreados en termómetros grandes. El creador del primer termoscopio fue Galileo Galilei; este podría considerarse el predecesor del termómetro. Consistía en un tubo de vidrio terminado en una esfera cerrada; el extremo abierto se sumergía boca abajo dentro de una mezcla de alcohol y agua, mientras la esfera quedaba en la parte superior. Al calentar el líquido, este subía por el tubo. ¿Cómo funcionan? El termómetro funciona respetando la dilatación térmica del metal. Algunos metales (con diferencias de grado entre sí) se dilatan cuando son expuestos al calor, y el mercurio (Hg) es muy sensible a la temperatura del ambiente. Por ello, los termómetros están generalmente fabricados con mercurio, pues éste se dilata cuando está sujeto al calor y ello nos permite medir su dilatación en una escala. Cuando el mercurio en el interior del termómetro recibe calor, éste experimenta una dilatación que hace que recorra el tubo del termómetro en el que está contenido. Así, cuando el mercurio atraviesa la escala numérica, podemos medir la temperatura, ya sea la del organismo o de cualquier otra cosa que estemos midiendo. Termopar ¿Cómo está constituido? Un termopar (llamado también Termocupla por traducción del término inglés Thermocouple). Los termopares consisten en dos hilos metálicos de diferentes materiales, unidos en un extremo. Esta unión constituye el punto de medición (junta caliente, hot junction). El otro extremo se llama junta fría (cold junction). ¿Cómo funcionan? La unión de dos metales distintos que produce una diferencia de potencial muy pequeña (del orden de los milivoltios) que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos

Pirómetro ¿Cómo está constituido? Un pirómetro está formado por varias partes que componen un sistema completo:  Un sistema óptico que recoge la energía emitida por el objeto.  Un detector que convierte dicha energía en una señal eléctrica.  Un sistema que ajuste la emisividad para hacer coincidir la calibración del termómetro con las características de emisión específicas del objeto.  Un circuito de compensación de la temperatura ambiente que garantizaba que las variaciones de temperatura dentro del sensor debidas a las condiciones ambientales no afectaran a la precisión. ¿Cómo funciona? Consiste en una medición de la temperatura sin contacto. Los pirómetros de radiación se basan en la ley de Stefan Boltzmann. Esta dice que la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo

10.- MENCIONE TRES ELEMENTOS PRIMARIOS DE MEDICION DE FLUJO Y EXPLIQUE COMO ESTAN CONSTITUIDOS Y COMO FUNCIONAN. Los elementos primarios de caudal miden el caudal mediante una reducción de la presión provocada por una restricción en el interior de la tubería. El fluido que pasa por esta restricción aumenta su velocidad y simultáneamente reduce su presión. Esta diferencia de presión permite calcular la velocidad del fluido basándonos en el teorema de Bernoulli

Placa de orificio concéntrica: ¿Cómo está constituido? Es una placa delgada de metal con una obertura generalmente circular y concéntrica, de resistencia suficiente para evitar deformaciones bajo presiones diferenciales ordinarias. El diámetro exterior es tal que la placa pueda montarse entre los tornillos de la brida porta placa. Tiene una oreja, con los datos de flujo grabados, que sobresale en el montaje de la brida. El diámetro del orificio se identifica en general con la letra “d “y la relación d/D, donde “D” es el diámetro interior de la línea, se denomina “relación beta “.

¿Cómo funciona? Es generalmente preferida debido a su práctico uso, facilidad de instalación, bajo costo y mayor caída de presión diferencial. Estas son generalmente usadas para medición de gases. Manejan líquidos que tengan una viscosidad baja y casi todos los gases y vapores. Su construcción es la más sencilla.

TOBERA DE FLUJO ¿Cómo está constituido? Es preferida donde se teme que el orificio puede ser dañado en su borde perdiendo sensibilidad, baja caída de presión permanente, elevado costo inicial, espacio corto de tubería recta disponible. Maneja aproximadamente 40% más flujo que las placas de orificio. Construcción de cuerpo cilíndrico con convergencia parabólica rápida hasta la sección media o garganta. Maneja fluidos a alta velocidad su caída de presión diferencial es del 30% al 80% de la producida por la placa de orificio. Su presión varia del 0.9 a 1.6% aproximadamente. La toma de presión diferencial pueden estar localizadas en distintas posiciones de acuerdo al Estándar ISO 5167 localizadas a 1 diámetro de la cara de la tobera donde comienza la curva elíptica y la baja presión a 1/2” diámetro de la misma cara para el caso de los Meter Run. Debido a su perfil aerodinámico, la tobera de flujo tiende a arrastrar los sólidos en suspensión por la garganta. En el caso de muchos sólidos, si es posible, se debe de instalar la tobera en un tramo vertical con el flujo hacia abajo. ¿Cómo funciona? Consiste en una entrada de forma cónica y restringida mientras que la salida es una expansión abrupta. En este caso la toma de alta presión se ubica en la tubería diámetro de la entrada aguas arriba y la toma de baja presión se ubica en la tubería al final de la garganta. Tubo de pitot.

¿Cómo está constituido? Es el instrumento base del método, y consiste simplemente en un tubo que toma la presión de frente al flujo para desacelerarlo hasta cero y tomar así la medida de la presión de estancamiento y otro tubo que toma la presión en un costado de la tubería de forma perpendicular al flujo.

¿Cómo funciona? El tubo de Pitot mide directamente la velocidad del flujo en el punto en donde se toma el valor de la presión estática y de estancamiento.

 Mide el flujo en función de las presiones estática y dinámica de la línea.  Se utiliza para tuberías de diámetros grandes.  No se recomienda en fluidos que contengan sólidos en suspensión

Principio de operación del tubo Pitot

¿Cómo está constituido? El tubo Pitot es un instrumento destinado a la medición del caudal a través de la cuantificación de la velocidad del flujo utilizando la ecuación de continuidad que se muestra a continuación;

Q=AxV

Dónde: Q= es el gasto del flujo A= es el área transversal V= es la velocidad del flujo En su extremo inferior, el tubo Pitot cuenta con dos pequeños orificios en forma de gancho que están orientados a 180 grados uno del otro, los cuales se colocan uno a favor del flujo y el otro en contra de él. Estos pequeños orificios cumplen la función de medir por un lado la carga de velocidad sumada a la carga de presión y por otro solamente la carga de presión del flujo en el tubo respectivamente.

¿Cómo funciona? En consecuencia, es un medidor indirecto de caudal, y puede utilizarse tanto en conductos libres como a presión.

11. MENCIONE TRES INSTRUMENTOS MEDIDORES DE FLUJO Y EXPLIQUE COMO ESTAN CONSTITUIDOS Y COMO FUNCIONAN

Tuvo Venturi ¿Cómo está constituido? Consiste en un breve tramo de tubo recto de entrada, unido, con un radio, a un cono truncado con un Angulo de 19 a 23°. Este cono de entrada esta, asu vez, unido a través de un radio, a una sección cilíndrica de diámetro menor del tubo recto de entrada. ¿Cómo funciona? Se usan para medir la velocidad de un flujo incomprensible, en cada del tubo hay un manómetro de modo que se pueden medir las presiones respectivas. Donde encuentra una expresión de velocidad del fluido en cada parte del tubo en función del área de las secciones, las presiones y su densidad.

Tubo annubar ¿Cómo está constituido? De los dos tubos que están en su interior, uno sirve Para promediar las presiones obtenidas en los cuatro Orificios, midiendo la presión total, mientras que el Otro tubo, se encuentra en la parte posterior, mide la presión estática en el orificio central aguas abajo De la corriente. ¿Cómo funciona? Tiene mayor precisión que el tubo pitot, así como una Baja pérdida de carga, utilizándose para medida de Pequeños y grandes caudales de fluidos. Placa de orificio ¿Cómo está constituido? Su colocación y extracción es sencilla, lo que favorece La inspección por daños ´producidos por la erosión, Corrosión, ensuciamiento o deformación. La pérdida de carga que introduce es apreciable en Relación a otros elementos primarios. Existen 3 tipos: concéntrica (1), excéntrica (2) y segmental (3).

¿Cómo funciona? Consiste de una hoja de metal plana y con un orificio Sujeta entre un par de bridas y ubicada en un lugar Adecuado para la medición.

12. MENCIONE TRES INSTRUMENTOS MEDIDORES DE NIVEL Y EXPLIQUE COMO ESTAN CONSTITUIDOS Y COMO FUNCIONAN Tubo de vidrio:

Medidor de nivel por desplazador

Medidor de nivel radioactivo:

13. MENCIONE TRES INSTRUMENTOS MEDIDORES DE TEMPERATURA Y EXPLIQUE COMO ESTAN CONSTITUIDOS Y COMO FUNCIONAN. Termómetro bimetálico ¿Cómo está constituido? Los termómetros bimetálicos se fundamentan en el distinto coeficiente de dilataci6n de dos metales diferentes, tales como lat6n, monel o acero y una aleación de ferroníquel o Invar (35,5% de níquel) laminados conjuntamente. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices. Un termómetro bimetálico pico contiene pocas parte móviles, solo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o hélice y el propio elemento bimetálico. El eje y el elemento están sostenidos con cojinetes, y el conjunto está construido con precisi6n para evitar rozamientos. No hay engranajes que exijan un mantenimiento.

¿Cómo funciona? El uso de termómetros bimetálicos es admisible para servicio continuo de 0 °C a 400 °C. Para indicación local se usan, preferiblemente, los term6metros bimetálicos de esfera orientable. De este modo, el operario puede leer la temperatura a distancia desde niveles distintos, al de la instalaci6n. La exactitud del instrumento es de ± 1% y su campo de medida es de -200 °C a +500 °C.

Termómetro de vidrio El termómetro de vidrio consta de un depósito de vidrio que contiene, por ejemplo, mercurio y que al calentarse, se expande y sube en el tubo capilar.

Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son: Mercurio

-35 °C hasta +280 °C

Mercurio (tubo capilar lleno

-35 °C hasta +450 °C

de gas)

-200 °C hasta +20 °C

Pentano

-110 °C hasta +50 °C

Alcohol

-70 °C hasta +100 °C

Tolueno

Termómetros de bulbo y capilar ¿Cómo están constituido? Los termometros tipo buIbo y capiIar consisten, esencialmente, en un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden y la espiral ttiende a desenrollarse, moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevaciónon de la temperatura en el bulbo. Hay cuatro clases de este tipo de termometros: • Clase I. Termómetros actuados por líquido • Clase II. Termómetros actuados por vapor • Clase III. Termómetros actuados por gas • Clase IV. Termómetros actuados por mercurio

¿Cómo funcionan? Los termómetros actuados por líquido (clase I) tienen el sistema de medición lleno de líquido y, como Su dilatación es proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta uniforme. Con capilares cortos de hasta 5 m, y para evitar errores debidos a variaciones de la temperatura ambiente, sólo hay que compensar el elemento de medición. En capilares más largos, hay que compensar también el volumen del tubo capilar. La presión dentro del bulbo y el tubo capilar debe ser mayor que la presión de vapor del líquido para evitar la formación de burbujas de vapor. Se u liza como liquido un hidrocarburo inerte, el xileno (C8H10) y otros líquidos. El campo de medición de temperaturas varía entre -75 °C y 300 °C, dependiendo del tipo de líquido que se emplee. Los termómetros actuados por vapor (clase II) se basan en el principio de presión de vapor. Contienen un líquido volátil cuya interface se encuentra en el bulbo. Al subir la temperatura aumenta la presión de vapor del líquido. La escala de medición no es uniforme, sino que las distancias entre divisiones van aumentando hacia la parte más alta de la escala, donde hay mayor sensibilidad. La presión en el sistema solamente depende de la temperatura en el bulbo, por lo que no hay necesidad de compensar la temperatura ambiente. Los termómetros actuados por gas (clase III) están completamente llenos de gas. Al subir la temperatura la presión de gas aumenta prácticamente de forma proporcional y, por lo tanto, estos termómetros en escalas lineales. La presión en el sistema depende, principalmente, de la temperatura del bulbo, pero también de la temperatura del tubo capilar y del elemento de medición, siendo necesario compensar la temperatura del ambiente en el sistema de medición. La constante de tiempo de los termómetros de gas es de 1 a 4 segundos. Se utiliza como gas el Nitrógeno, que es inerte y barato. A bajas temperaturas se emplea el helio. El campo de medición de temperaturas varía entre -80 °C y 600 °C.

14. MENCIONE TRES INSTRUMENTOS MEDIDORES DE PRESION Y EXPLIQUE COMO ESTAN CONSTITUIDOS Y COMO FUNCIONAN. Manómetro de tubo Bourdon ¿Cómo está constituido? Consiste en un tubo aplanado con el que se forma una sección circular de unos 270° aproximadamente. En un extremo del tubo se sella y queda libre de sus desplazamientos, mientras al otro extremo se lo fija y está conectado a la cámara o a un conducto en el que la presión se mide.

¿Cómo funcionan? El manómetro de Bourdon se basa en el funcionamiento del tubo de Bourdon. Este es un mecanismo muy simple que consta de un tubo de forma semicircular. Uno de sus extremos está cerrado, mientras que el otro se encuentra conectado a la fuente de presión. Cuando la presión es aplicada por la parte del tubo abierta, este tiende a enderezarse. Este movimiento es transferido a una aguja que se moverá en forma proporcional a la presión dentro del tubo. Se resalta que la aguja se va a situar delante de una plantilla con las indicaciones del valor de la presión según se relacione con la posición que tenga la aguja.

Manómetro de tubo en U ¿Cómo está constituido? Este medido consta de dos tubos transparentes de misma sección transversal que están conectados por su parte inferior, ya sea por un tubo del mismo material o por un material distinto. Dentro del tubo se coloca un líquido de mayor densidad que el fluido del proceso a medir y que nos sea miscible en él. ¿Cómo funcionan? La presión ejercida en el lado de alta presión produce el movimiento del líquido dentro del tubo, lo que se traduce en una diferencia de nivel marcado como h. Esta altura h, dependerá de la presión y de la densidad del líquido en el tubo, como la densidad se conoce, puede elaborarse una escala graduada en la superficie que está detrás del tubo U, o en el tubo mismo, calibrada ya en unidades de presión.

Manómetro de diafragma ¿Cómo está constituido? Los elementos de diafragma tienen forma circular y membranas onduladas. Estas están sujetas alrededor del borde entre dos bridas o soldadas y sujetos a la presión del medio actuando en un lado. La desviación causada de esta forma se utiliza como medición para la presión y es mostrada por la aguja indicadora del instrumento

¿Cómo funcionan? Un fluido en contacto con una membrana flexible empuja esa membrana, doblándola. La presión es una medida de cuán fuerte la empuja. Cuando la presión exterior es baja, la presión de referencia dobla la membrana hacia afuera. A medida que la presión exterior aumenta, empuja hacia atrás la membrana, doblándola hacia el otro lado. Al medir hasta qué punto la membrana se dobla, el medidor puede detectar la presión exterior.

15. ¿CUÁNDO DECIMOS QUE UN SISTEMA O PROCESO ES DINAMICO O ESTATICO? Proceso dinámico es un sistema cuyo estado evoluciona con el tiempo. Los sistemas físicos en situación no estacionaria son ejemplos de sistemas dinámicos. En cuanto a la elaboración de los modelos, los elementos y sus relaciones, se debe tener en cuenta: 1. Un sistema está formado por un conjunto de elementos en interacción. 2. El comportamiento del sistema se puede mostrar a través de diagrama causales. 3. Hay varios tipos de variables: variables exógenas (son aquellas que afectan al sistema sin que este las provoque) y las variables endógenas (afectan al sistema pero este sí las provoca). Proceso estático es aquel en el que los efectos actuales (salida) dependen sólo de las causas actuales (entradas). En virtud de esta definición un sistema cuya salida cambia con el tiempo puede describirse como estático siempre y cuando las entradas cambien en forma semejante.

16. EXPLIQUE LOS CONCEPTOS DE CONTROL Y MODELACION DE SISTEMAS DINAMICOS. Un sistema dinámico es aquel que cambia con el tiempo. Los análisis de los sistemas dinámicos nos permiten conocer el comportamiento del mismo y evolución en el tiempo. Al construir modelos matemáticos de un sistema dinámico podemos construir modelos artificiales en cómputo con el fin de variar sus parámetros y predecir diferente comportamiento. El control es la estrategia usada para manipular un sistema dinámico de forma que su comportamiento siga patrones deseados en el tiempo. Modelación: es una representación aproximada de un sistema dinámico. Dicha representación o abstracción incluye propiedades y parámetros internos del sistema, así como una definición de entradas y salidas del mismo. Control: Es una propiedad de los sistemas de poder manipular su comportamiento a partir de sus parámetros de entrada. Con estos parámetros de entrada podemos manipular la salida a algún valor deseado.

17. EXPLIQUE COMO OBTENEMOS LA MODELACION DE UN PROCESO QUIMICO. El modelado de procesos implica la construcción de un modelo matemático mediante la descripción de sus relaciones físicas y química fundamentales. No es requisito especificar cómo han de ser resueltos. Schlesinger (1980) [1] propone la metodología de constatación de modelos en la siguiente figura.

La credibilidad del modelo es una característica fundamental. La verificación y validación del mismo son imprescindibles. Los modelos ayudan en la toma de decisiones para conseguir que sean mejores, más rápidas y más seguras reduciendo con ello la incertidumbre. Se ha realizado una gran cantidad de esfuerzos para desarrollar modelos nuevos y mejorados para el cálculo de propiedades. Esto incluye por ejemplo:    

Propiedades termo-físicas como presiones de vapor, viscosidades, datos calóricos, etc. de los componentes puros y mezclas. Propiedades de los diferentes aparatos como reactores, columnas de destilación, bombas, etc. Reacciones químicas y cinéticas Datos ambientales y de seguridad.

18. EXPLIQUE EN QUE CONSISTE LA LINEALIZACION DE UN SISTEMA, Y COMO SE REALIZA Al analizar la respuesta dinámica de los procesos industriales, una de las mayores dificultades es el hecho de que no es lineal, es decir, no se puede representar mediante ecuaciones lineales. Para que una ecuación sea lineal, cada uno de sus términos no debe contener más de una variable o derivada y esta debe estar a la primera potencia. Desafortunadamente con la transformada de Laplace, poderosa herramienta que se estudió en la sección precedente, únicamente se pueden analizar sistemas lineales. Otra dificultad es que no existe una técnica conveniente para analizar un sistema no lineal, de tal manera que se pueda generalizar para una amplia variedad de sistemas fisicos. En esta sección se estudia la técnica de lineación, mediante la cual es posible aproximar las ecuaciones no lineales que representan un proceso a ecuaciones lineales que se pueden analizar mediante transformadas de Laplace. La suposición básica es que la respuesta de la aproximación lineal representa la respuesta del proceso en la región cercana al punto de operación, alrededor del cual se realiza la linealización. El manejo de las ecuaciones linealizadas se facilita en gran medida con la utilización de las variables de desviación o perturbación, mismas que se definen a continuación.

19. MENCIONE Y EXPLIQUE CUALES SON LAS LEYES DEL COMPORTAMIENTO FISICO DE LOS SISTEMAS. Sistemas Mecánicos 1 ◦ Ley de Newton: La cantidad de movimiento total en un sistema es constante en ausencia de fuerzas externas. m.v = cte. (Movimiento traslacional) J.ω = cte.(Movimiento rotacional) 2 ◦ Ley de Newton: La aceleración sobre un cuerpo es proporcional a la fuerza que actúa sobre el mismo e inversamente proporcional a su masa. ∑F = m.a (Movimiento traslacional) ∑T = J.α (Movimiento rotacional) 3 ◦ Ley de Newton-Ley de acción y reacción. A toda acción se opone una reacción de igual magnitud. Elementos de inercia: Masa (Movimiento traslacional) Momento de inercia (Movimiento rotacional) Sistemas Eléctricos Basado en la ley de Ohm, la teoría de circuitos representa el fenómeno de disipación de energía mediante un dipolo (resistencia) que establece una relación entre la tensión y corriente.

Las relaciones entre las variables asociadas al fenómeno de almacenamiento de energía en el campo magnético pueden deducirse de las leyes de Faraday y de Ampere.

Las leyes de Kirchhoff de tensión y corriente. Recordemos que éstas establecen respectivamente que la suma de las tensiones en una malla cerrada es igual a cero y que la suma de las corrientes entrantes a un nudo es también nula.

Sistemas térmicos Primera ley de termodinámica: En la transformación de cualquier tipo de energía calorífica producida equivale a la energía transformada. La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

20. MENCIONE LOS DIFERENTES MODOS DE CONTROL, SUS CARACTERISTICAS Y PARA QUE SIRVE CADA UNO DE ELLOS. Tipo de controlador

Responde a:

Acción:

Ajustes

Usado para:

Ejemplos

Abierto– Cerrado Simple

Dirección de desviación del set-point

Ninguno, excepto el tamaño de la válvula

Control exacto de procesos de gran capacidad

Abierto– cerrado con abertura diferencial

Dirección y magnitud de desviación del set-point

Máxima corrección inmediata; control cíclico por lo tanto. Similar al abierto cerrado simple pero con una zona a través de la cual debe pasar el error antes de invertir la salida Proporcional a la desviación y por lo tanto acción de aceleración La misma que proporcional pero con una gradual eliminación del corrimiento.

Abertura diferencial amplia (ampliándose al decrementar la frecuencia); estrechándose a excursiones límites de la variable controlada. Mecanismo de banda proporcional (ampliado para estabilidad). Banda proporcional y tiempo de reajuste.

Control de sistemas que regulen solo iniciación ocasional de acción abierto –cerrado, y donde no se requiere control preciso.

Las más fáciles controladas aplicaciones de nivel y temperatura donde el control cíclico frecuente de la válvula son permisibles. Compresoras de aire, sistemas de bombas de tanques fuente, sistemas que requieren muy bajos regímenes de flujo continuo pero más práctico si es intermitente.

Igual que el proporcional pero con respuesta acentuada sobre correcciones bruscas.

Banda proporcional y tiempo de rate

Proporcional Dirección y magnitud de desviación del set-point

Proporcional Dirección y más reajuste magnitud de desviación del set-point, + una lenta respuesta flotante proporcional para eliminar corrimiento. Proporcional Dirección, más rate magnitud y régimen de cambio de la desviación.

Acción de aceleración de procesos de gran capacidad.

Nivel, temperatura presión cuando se requiere acción de aceleración y el proceso está ya controlado

Control de aceleración de procesos con poca capacidad o sin ella, algún retraso de transmisión.

Régimen de flujo de presión y una gran porción de procesos donde no se tolera el corrimiento.

Obtención rápida de estabilidad, o arranque de sistemas intermitentes con retención de la acción de aceleración.

Para procesos discontinuos. También para temperatura donde el pozo del bulbo o paredes del tubo de calentamiento crean grandes retrasos de transmisión. No para flujo o presión.

Proporcional Dirección, más reajuste magnitud y más rate régimen de cambio de la desviación, + respuesta flotante proporcional lenta para eliminar el corrimiento.

Como el proporcional más reajuste y proporcional más rate combinados.

Banda proporcional tiempo de reajuste y tiempo de rate.

Control exacto de proceso que involucran cambios bruscos y mecanismos de banda proporcional amplia.

Algunas como las anteriores donde la banda proporcional es relativamente ancha y no se tolera el corrimiento.

21. EXPLIQUE EN QUE CONSISTE LA SINTONIZACION DE UN SISTEMA Y PARA QUE NOS SIRVE. Es un mecanismo de control simultáneo por realimentación ampliamente usado en sistemas de control industrial. Este calcula la desviación o error entre un valor medido y un valor deseado. El algoritmo del control PID consiste de tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valor Proporcional depende del error actual. El Integral depende de los errores pasados y el Derivativo es una predicción de los errores futuros. 22. MENCIONE Y EXPLIQUE DOS TECNICAS PARA REALIZAR LA SINTONIZACION DE LOS CONTROLADORES. El diseño de controladores, se realiza en función del conocimiento del proceso, es decir, a partir del modelo del proceso, del esquema de control y de las restricciones que se le imponen al mismo. A diferencia de ello, la sintonización de los controladores se realiza sin que se disponga de dicha información y resulta sumamente útil en los casos en que la obtención del modelo del proceso es muy engorrosa. Los métodos de diseño utilizan restricciones particulares impuestas a la respuesta deseada que permiten determinar con precisión los parámetros del controlador, en tanto que en el caso de la sintonización de un controlador, dichos parámetros se van ajustando de forma tal que se obtenga una respuesta temporal aceptable. Los métodos de sintonización están basados en estudios experimentales de la respuesta al escalón de diferentes tipos de sistemas, razón por la cual los parámetros del controlador que se determinan utilizando estas metodologías podrían dar como resultado una respuesta medianamente indeseable. Es por ello que dichos parámetros se utilizan como punto de partida para la definitiva sintonización de los mismos, lo cual se realizará ajustándolos de forma tal que se logre obtener la respuesta deseada. En esta sección se mostraran dos reglas de sintonización de con

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Primer Método (Curva de Reacción)

En este método la respuesta de la planta al aplicar un escalón unitario debe tener el aspecto de una curva en forma de S, como se observa en la Fig. En el caso en que la curva no presente esta dicha forma, no es posible aplicar el método. Si la planta incluye integrador(es) o polos dominantes complejos conjugados, la respuesta al escalón unitario no será como la requerida y no podrá utilizarse el método Al revisar la forma de la respuesta del proceso al escalón se comprueba que tiene la forma requerida para poder aplicar el primer método de sintonización de Ziegler-Nichols según el cual lo primero que se debe hacer es identificar los parámetros de la función de transferencia del proceso

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Segundo Método (Oscilación Continua)

Este método solamente puede aplicarse cuando un proceso a lazo cerrado, como el que se muestra en la Fig, presenta una respuesta que oscile continuamente, como la que se muestra un valor específico de su ganancia a lazo abierto, es decir, el sistema a lazo cerrado tiene una ganancia crítica, la cual corresponde con el límite de estabilidad del sistema a lazo cerrado. Como se dispone dela función de transferencia del proceso es posible utilizar el método el Criterio de Estabilidad de Routh-Hurwitz para verificar si el sistema a lazo cerrado tiene o no una ganancia crítica a la cual oscile continuamente. Para ello se utiliza la ecuación característica a lazo cerrado

23. EXPLIQUE QUE ES UNA VALVULA DE CONTROL Y PARA QUE NOS SIRVE. Las válvulas de control forman parte de y son las encargadas, principalmente de controlar la presión y temperatura del sistema; asi mismo están automáticamente controladas por un motor, moduladas para su cierre o apertura y forman parte de un conjunto, con el propósito de alcanzar los puntos de temperatura de una manera precisa en un tiempo determinado La válvula de control manipula un líquido en circulación, como gas, vapor, agua o compuestos químicos para compensar las alteraciones de carga y mantener la variable de proceso regulada lo más cercana posible al punto de ajuste deseado.

Válvula de control de globo con actuador de diafragma neumático y posicionado "inteligente" Una válvula de control o válvula de regulación es una válvula usada para controlar el flujo de un fluido, comportándose como un orificio de área continuamente variable, que modifica la pérdida de carga, según lo dirigido por la señal de un controlador.1 Esto permite el control del caudal y el consiguiente control de las variables del proceso tales como; presión, temperatura y nivel. En la terminología de la técnica de Regulación y control, la válvula es el órgano de control o elemento de control final. Básicamente constan de un cuerpo que aloja en su interior al obturador y los asientos y externamente se hallan provistas de bridas o roscas para su acoplamiento a la tubería. Deben resistir la temperatura y la presión del fluido sin pérdidas, deben tener un tamaño adecuado para el caudal a controlar y deben resistir la erosión o corrosión producida por el fluido. Suelen ser de hierro, acero o acero inoxidable y últimamente empiezan a realizarse con materiales termoplásticos. El obturador puede tener desplazamiento lineal o rotativo y realiza la función de control de paso del fluido. Tanto él como los asientos suelen estar realizados con acero inoxidable. En algunas válvulas se utilizan obturadores y asientos cerámicos. Cuando la válvula se acciona mediante el actuador, se produce una modificación en el caudal del agua o vapor, consiguiendo así la regulación de la variable de proceso. FUNCIONES DE LAS VALVULAS DE CONTROL Existen distintas funciones de control necesarias para operar los sistemas de transporte de fluidos, a continuación enunciaremos las más importantes: -Válvula reductora de presión: reduce la presión aguas abajo de la válvula a un valor prefijado de forma constante e invariable a lo largo del tiempo, independientemente de las variaciones de presión aguas arriba de la válvula, y también independientemente de las variaciones de caudal o de demanda en la línea. La regulación de presión se realiza modificando la compresión del resorte interno del piloto.

-Válvula sostenedora de presión: sostiene la presión aguas arriba de la válvula, es decir que no permite que la presión descienda por debajo de un valor prefijado, lo realiza independientemente de las variaciones de presión aguas abajo de la válvula, y también independientemente de las variaciones de caudal o de demanda en la línea. La regulación de presión se realiza modificando la compresión del resorte interno del piloto.

El uso de válvulas de control le permitirá realizar un control preciso del caudal o presión de vapor en su proceso. Ya sea para reducir una presión o garantizar un caudal apropiado para un proceso de calentamiento, la válvula de control le ofrece una solución rápida y robusta a la hora de dominar las variables que caracterizan tanto al vapor saturado, como vapor sobrecalentado. Complementan a la amplia variedad de modelos y variantes de las mismas dos tipos de accionamientos, los neumáticos y los eléctricos los cuales se fabrican con los estándares de conectividad e integración a casi cualquier sistema existente. 24. DIBUJE Y MENCIONE LAS PARTES QUE INTEGRAN UNA VALVULA AUTOMATICA DE CONTROL, EXPLIQUE DETALLADAMENTE SU FUNCIONAMIENTO.

Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son: la parte motriz o actuador y el cuerpo. Actuador: También llamado accionador o motor, puede ser neumático, eléctrico o hidráulico. Cuerpo: Contiene en su interior el obturador y los asientos y está provisto de rosca o bridas para conectar la válvula a la tubería. FUNCIONAMIENTO: El obturador es quien realiza la función de control de paso del fluido y puede actuar en la dirección de su propio eje. Está unido a un vástago que pasa a través de la

tapa del cuerpo y que es accionado por el servomotor. El actuador corresponde a una señal del controlador automático y mueve el elemento de control. El actuador es el amplificador de potencia entre el controlador y la circulación del fluido.

25. CUANDO DECIMOS QUE UNA VALVULA DE CONTROL ES DE ACCION DIRECTA Y CUANDO ES DE ACCION INVERSA. Según su acción, los cuerpos de las válvulas se dividen en válvulas de acción directa cuando tienen que bajar para cerrar, y válvulas de acción inversa cuando tienen que subir para abrir.

26.- EXPLIQUE QUE ES UN ELECTROPOSICIONADOR Y PARA QUE NOS SIRVE EN LA OPERACIÓN DE LA VALVULA AUTOMATICA. Un posicionador de válvula es básicamente un dispositivo que sensa tanto la señal de un instrumento (controlador) como la posición del vástago de una válvula. Las válvulas de control necesitan actuadores para funcionar. La importancia de los posicionadores se discuten con respecto a lo que hacen y por qué son necesarios para muchas aplicaciones. Las máquinas y los motores usan actuadores para ayudar al movimiento de inicio dentro del sistema eléctrico. Las válvulas controlan el flujo de aire que se utiliza para mover los actuadores. El posicionador es responsable del aumento o disminución de la presión del aire en el actuador. Un controlador de procesos envía señal a la válvula y el posicionador de la válvula funciona en consecuencia. Su función principal es la de asegurar que la posición de este vastago corresponda a la señal de salida del controlador o regulador.

27. MENCIONE COMO ESTA FORMADO UN LAZO DE MEDICION DE FLUJO MASICO Y EXPLIQUE DETALLADAMENTE SU PRINCIPIO DE OPERACIÓN. Un lazo de medición de flujo másico está formado: ● Por uno o dos tubos sensores en forma de U, O, etc. La forma del lazo determina la caída de presión, sensibilidad y estabilidad del cero del instrumento ● Una carcasa de acero inoxidable sellada herméticamente. ● Doble lazo en forma de U Doble lazo en forma de O ● La unidad electrónica Su principio de operación se basa en el principio de las fuerzas inerciales que se generan cuando una partícula en un cuerpo rotatorio se mueve con respecto al cuerpo acerándose o alejándose del centro de rotación.

28. DIBUJE UN LAZO DE CONTROL CASCADA Y EXPLIQUE SU FUNCIONAMIENTO

Se le llama de diagrama por qué en la parte superior hay dos transmisores. Lt 1001 (transmisor de nivel) el EFT 1001 (transmisor de flujo) envían señal a su respectivo controlador indicador, El transmisor de flujo que se encuentra en el lado derecho tiene su controlador indicador de flujo. Los controladores morados (controles de nivel y flujo) le envían señal en conjunto a la válvula Fv 1001 aquí se encuentra el control de cascada, por qué de dos variables controlan a un solo elemento final de control que es la válvula.