Trabajo de investigación: Instrumentación Unidad 1

Trabajo de investigación: Instrumentación Unidad 1 Alejandro Campos Estrada Carlos Guillermo Valerio Naranjo Carlos Salvador Luna Medina Bryan Sánchez Andrade José Manual Zamora Martínez

Instituto Tecnológico De Estudios Superiores De Uruapan Mecatrónica 6 Semestre A

08/02/2013

Introducción En esta investigación se comenzara con el estudio de la materia de instrumentación agregando conceptos básicos, parámetros, criterios y normas que son de necesaria comprensión para el avance progresivo dentro de la materia de estudio. Esta investigación tendrá un contenido breve pero concreto acerca de los temas anteriormente mencionados sin entrar en característica muy específicas en cuanto a la constitución física y/o fabricación de los elementos a menos que sea absolutamente necesario y de igual manera se exponen conceptos de la forma más clara posible para una buena comprensión de toda la investigación. En la actualidad la instrumentación va íntimamente ligada a la electrónica de control y programación por lo que en este trabajo realizaremos varias menciones a conceptos electrónicos que son esenciales para la comprensión de un conjunto de funcionamientos logrados a través de la misma combinación de electrónica e instrumentación como por ejemplo la recopilación de los datos que proporciona un instrumento de medición.

2

Introducción ........................... ........................................... .............................. ........................... ........................... ................................ .............................. ........................... ................................ ...................... ..... 2 1.1 Introducción a la Instrumentación ....................................... ................................................... .............................. ................................ ........................... ........................... ................ 4

Definición de Instrumentación: .................................................................................................. 4 1.1.2 Definiciones y conceptos ............................... ............................................. ............................. ............................... .............................. ............................ ........................... ................... ...... 6 1.2 Clasificación de los instrumentos ................................... .................................................. ........................... .............................. ................................ ........................... ................. .... 10

Clasificación en función al instrumento: ................................................................................... 10 En función de la variable de proceso ........................................................................................ 13 1.3 Simbología, Normas, y Sistemas de Unidades............................. ........................................... .............................. .............................. ............................. ................... .... 14

Simbología ............................................................................................................................... 14 Nomenclatura de Instrumentos ............................................................................................... 27 Norma S.A.M.A. ....................................................................................................................... 28 Norma I.S.A. ............................................................................................................................. 28 1.4 Principios Principi os generales para pa ra la selección de la instrumentación inst rumentación .......................... .......................................... ............................... .......................... ........... 29 1.5 Tipos de variables: Mecánicas, químicas, térmicas, hidráulicas y neumática s.......................... s....................................... ................. .... 32

1.-Mecánicas. ........................................................................................................................... 32 2.-Químicas. ............................................................................................................................. 34 3.-Térmicas. ............................................................................................................................. 39 4.- Hidráulicas y neumáticas. .................................................................................................... 41 Referencias y Fuentes de información. ..................................................................................... 44

3

1.1 Introducción a la Instrumentación Instrumentación Definición de Instrumentación:

En el sentido práctico de nuestra materia de estudio, es la técnica de utilizar aparatos de medición o de medición y control con el propósito de identificar el valor de ciertas variables, físicas o químicas y frecuentemente con el propósito de mantener esas vari ables dentro de limitaciones específicas. El ser humano se comunica con el mundo que le rodea a través de sus sentidos y adquiere el conocimiento al cuantificar las magnitudes que percibe, es decir, a través de la medida. La Instrumentación es la técnica que se ocupa de la medición de cualquier magnitud física, de la conversión de la misma a magnitudes eléctricas y de su tratamiento para proporcionar la información adecuada a un operador. Casi la totalidad de los procesos que tienen lugar en la industria requieren un control de los mismos. Esto se debe a la necesidad de controlar los distintos parámetros de cada proceso, a fin de garantizar un buen funcionamiento de los mismos, el óptimo aprovechamiento de los recursos implicados en la operación y unos niveles aceptables de calidad en el producto final. Actualmente es necesario un control más preciso y rápido que con el sistema manual, donde sea posible manejar desde una misma sala todo el conjunto del proceso, a través de control remoto. La información de una determinada magnitud física se denomina como variable. Cuando esta información es de naturaleza eléctrica, la variable se denomina señal. Existe una gran variedad de magnitudes susceptibles de poder ser medidas, para esto existen los sistemas de medida electrónicos que son los equipos electrónicos cuya finalidad es obtener información acerca de un proceso f ísico y presentar dicha información en la forma adecuada a un observador u a otro sistema técnico de control. El sistema de medida consistirá en la recepción de unas entradas, variables del proceso, su procesamiento y comparación con unos valores predeterminados por el usuario, y posterior corrección en caso de que se haya producido alguna desviación respecto al valor preestablecido de algún parámetro de cualquier proceso. El sistema de medida y control recurrirá a una serie de elementos que entregaran o recibirán ciertos parámetros necesarios para el proceso que se desea llevar a cabo como son: • • • • •

Indicadores Registradores Controladores Transmisores Elementos finales

Aquí es donde ya entramos en un área llamada instrumentación electrónica. Esta es la que se encarga de llevar a cabo todo el proceso de diseño, la conversión, la transmisión de las variables, testado y control de los diversos dispositivos electrónicos y eléctricos como los mencionados en la lista anterior. Las variables con las que se puede trabajar mediante la instrumentación se mencionaran más adelante en esta investigación pero se engloban f undamentalmente en las siguientes categorías: • • • • •

Mecánicas Químicas Térmicas Hidráulicas Neumáticas 4

Otro tema fundamental de la instrumentación es la función o funciones que esta rama puede llevar a cabo dentro de diversos procesos, básicamente se trata de captura de datos pero más ampliamente tenemos: • • • • • • • • • • • • •

Censar o captar una variable Acondicionar una variable dada Transmitir una variable Controlar una variable Indicar la magnitud de una variable Totalizar una variable Registrar una variable Convertir una variable Alarmar por magnitud una variable Interrumpir o permitir una secuencia dada Transmitir una señal Amplificar una señal Manipular una variable del proceso, etc.

La instrumentación y control de un proceso sea cual sea nos da ciertas ventajas de calidad, aprovechamiento del tiempo y recursos sobre procesos que no están debidamente cuidados como pueden ser: •

• • •

•

•

Mejoramiento de la consistencia y calidad del producto en caso de que la meta del proceso sea crearlos. Reducción de costos. Computo de costos. Con instrumentos que miden la cantidad de material utilizado. Seguridad en áreas de peligro: Fuego, gases tóxicos, explosiones. Los instrumentos pueden detectar el peligro inminente de esta situación y activar sistemas de emergencia. Actuación instantánea. Los instrumentos actúan coordinada e instantáneamente, y gracias a esto pueden existir procesos complejos de múltiples variables. Esto es imposible realizarlo en forma manual. Permite observar el estado de aparatos y máquinas.

La instrumentación tiene una amplia gama de campos de aplicación ya que como vimos casi todos los dispositivos de hoy día hacen uso de elementos de medición, algunos campos de acción resaltables son: • • •

Procesos industriales Transporte Militar

5

1.1.2 Definiciones y conceptos Un requisito previo al estudio y conocimiento de los diferentes métodos e instrumentos de medición de las variables más características de los sistemas de instrumentos y el conjunto que estos forman con los sistemas electrónicos de control es establecer con propiedad una terminología precisa a la cual referirse, y cuya significación no ofrezca ambigüedad. De esta forma se definen a continuación los términos que con mayor difusión se emplean en el ámbito de la Medición (o Metrología), y de la Instrumentación. La definición de que cada uno de ellos se realiza permitirá establecer un lenguaje común sobre el cual desarrollar los conceptos instrumentísticos que se plasman en esta investigación. También mencionar que muchas palabras o conceptos que se mencionaran a continuación posiblemente tendrán otros significados o injerencias en otros campos de estudio por lo tanto se deberá entender y ubicar que dichos conceptos van encaminados a la instrumentación y sus complementos y de aquí la razón a que aparezcan mencionados específicamente, así como se hará una mención de términos tanto de instrumentación como de electrónica sin una separación que divida ambas ramas de estudio.

Señal: variable, en la que la información es de naturaleza eléctrica, las señales pueden ser clasificadas atendiendo a diferentes criterios: • Señales analógicas: no tienen cuantificación en el parámetro de información. • Señales discretas: debido a la cuantificación, la información solo puede tomar un número finito de valores. Adquisición de señal: La información de las magnitudes físicas es adquirida y convertida en una señal eléctrica. De esta etapa dependerá en buena parte de las prestaciones del sistema de medida. La variable del mundo físico es convertida en una señal eléctrica mediante un dispositivo sensor a fin de poder ser procesada adecuadamente. Con frecuencia, la señal procedente del sensor tiene unas características que la hacen poco adecuada para ser procesada: señal de pequeño nivel, espectro grande, falta de linealidad, etc. Procesamiento de señal: Consiste en el procesamiento, selección y manipulación de los datos con arreglo a los objetivos perseguidos. Esta función suele ser realizada por algún tipo de procesador digital. Transmisión de señal: El valor medido se presenta a un observador (mediante un display, etc.), se almacena o bien se transmite a otro sistema de medida o de control. Amplificación de señales: Se realiza cuando se considera que el nivel típico de salida de un sensor es demasiado bajo. La importancia de la amplificación es que podamos elevar los niveles de las señales para que los posibles ruidos que se introduzcan en el circuito resulten cuantitativamente menores en un tiempo determinado. Filtrado de señales: consiste en eliminar cierta banda de frecuencias dentro de ellas. El intervalo de frecuencias que deja pasar un filtro es la banda de paso, el intervalo que no se deja pasar es la banda de rechazo y los límites entre ambos intervalos son las frecuencias de corte. La liberalización consiste en obtener una señal de salida que varíe linealmente con la variable que se desea medir. Un caso bastante frecuente es el de un sensor donde la salida es exponencial con respecto a la variable a medir. La conversión de señal se requiere cuando es necesario convertir un tipo de variación eléctrica en otro. Así  un gran número de sensores varían su resistencia como consecuencia de la variación de la variable a medir. En estos casos se requiere un circuito que convierta estos cambios de resistencia en una tensión o en una 6

corriente. Es bastante frecuente también en la transmisión de una señal (sobre todo a largas distancias) la necesidad de realizar una conversión de tensión a corriente y viceversa. Elevación de cero: Es la cantidad con que el valor cero de la variable supera el valor inferior del campo. Puede expresarse en unidades de la variable medida o en % del alcance. Por ejemplo, 10 °C en el campo — 10 °C a 30 °C del instrumento, o sea: (10/40) X 100 = 25 %. Supresión de cero: Es la cantidad con que el valor inferior del campo supera el valor cero de la variable. Puede expresarse en unidades de la variable medida o en % del alcance. Por ejemplo, 20 °C en el campo 20 °C a 60 °C del instrumento, o sea (20/40) X 100 = 50 %. Campo de medida con elevación de cero: Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es mayor que el valor inferior del campo. Por ejemplo, -10 °C a 30 °C. Campo de medida con supresión de cero: Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es menor que el valor inferior del campo. Por ejemplo, 20 °C a 60 °C. Deriva: Es una variación en la señal de salida que se presenta en un período de tiempo determinado mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las condiciones ambientales. Se suelen considerar la deriva de cero (variación en la señal de salida para el valor cero de la medida atribuible a cualquier causa interna) y la deriva térmica de cero (variación en la señal de salida a medida cero, debida a los efectos únicos de la temperatura). La deriva está expresada usualmente en porcentaje de la señal de salida de la escala total a la temperatura ambiente, por unidad, o por intervalo de variación de la temperatura. Por ejemplo, la deriva térmica de cero de un instrumento en condiciones de temperatura ambiente durante 1 mes fue de 0,2 % del alcance. Trazabilidad: Propiedad del resultado de las mediciones efectuadas con un instrumento o con un patrón, tal que puede relacionarse con patrones nacionales o internacionales, mediante una cadena ininterrumpida de comparaciones, con todas las incertidumbres determinadas. Ruido: Cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseadas que modifica la transmisión, indicación o registro de los datos deseados. Un caso especial es la interferencia de radiotransmisores RFI (Radio Frequency Interferente). Puede expresarse en unidades de la señal de salida o en tanto por ciento del alcance. Linealidad: La aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada. Linealidad basada en puntos: Falta de linealidad expresada en forma de desviación máxima con relación a una línea recta que pasa a través de los puntos dados correspondientes al cero y al 100 % de la variable medida. Reproductibilidad: Capacidad de reproducción de un instrumento de las medidas repetitivas de la lectura o señal de salida para el mismo valor de la variable medida alcanzado en ambos sentidos, en las mismas condiciones de servicio y a lo largo de un período de tiempo determinado. Respuesta frecuenciál: Variación con la frecuencia de la relación de amplitudes señal de salida/variable medida (y de la diferencia de fases entre la salida y la variable medida) para una medida de variación senoidal aplicada a un instrumento dentro de un campo establecido de frecuencias de la variable medida. Accesible: Este término se aplica a un dispositivo o función que puede ser usado o visto por un operador con el propósito de controlar el desempeño de las acciones de control. Asignable: Este término se aplica a una característica que permite el cambio (o dirección) de una señal de un dispositivo a otro sin la necesidad de la activación de un Smith o algún otro elemento. 7

Binario: Término aplicado a una señal o dispositivo que tiene solo dos posiciones o estados discretos. Cuando es usado en su forma más simple, como en “señal binaria” (lo que es opuesto a señal analógica), el término denota un estado de “encendido-apagado” o de “alto-bajo”. Elemento final de control: Dispositivo que controla directamente los valores de la variable manipulada en un lazo de control. Generalmente el elemento final de control es una válvula de control. Identificación: Secuencia de letras o dígitos, o ambos, usados para señalar un instrumento en particular o un lazo. Local: Es la localización de un instrumento que no está ni dentro ni sobre un panel o consola, ni está montado en un cuarto de control. Los instrumentos locales están comúnmente en el ámbi to de un elemento primario o un elemento de control, la palabra “campo” es un sinónimo muy usado con local. Lazo: Combinación de uno o más instrumentos o funciones de control que señalan el paso de uno a otro con el propósito de medir y/o controlar las variables de un proceso. Monitor: Término general para un instrumento o sistema de instrumentos usados para la medición o conocer la magnitud de una o más variables con el propósito de emplear la información en determinado momento. El término monitor no es muy específico, algunas veces significa analizador, indicador, o alarma. Panel: Estructura que tiene un grupo de instrumentos montados sobre ella. El panel puede consistir de una o varias secciones, cubículos, consolas o escritorios. Elemento primario: Sinónimo de sensor. Variable de proceso: Cualquier propiedad variable de un proceso. El término variable de proceso es usado en instrumentación como un estándar para la aplicación a todas las variables. Sensor: Parte de un lazo o un instrumento que primero detecta el valor de una variable de proceso y que asume una correspondencia, predeterminación, y estado inteligible o salida. El sensor puede ser integrado o separado de un elemento funcional o de un lazo. Al sensor también se le conoce como detector o elemento primario. Set point: El set point o punto de referencia puede ser establecido manualmente, automáticamente o programado. Su valor se expresa en las mismas unidades que la variable controlada. Punto de prueba: Proceso de una conexión el cual no está permanentemente conectado, su conexión es solamente temporal o intermitente a un instrumento. Transductor: Término general para un dispositivo que recibe información en forma de uno o más cuantificadores físicos, modificadores de información y/o su forma si requiere, y produce una señal de salida resultante. Dependiendo de la aplicación un transductor puede ser un elemento primario, un transmisor, un relay, un convertidor u otro dispositivo. Porque el término transductor no es específico, su uso para aplicaciones específicas no es recomendado. Transmisor: Dispositivo que detecta la variable de un proceso a través de un sensor y tiene una salida la cual varía su valor solamente como una función predeterminada de la variable del proceso. El sensor puede estar o no integrado al transmisor. Diagrama del Instrumento y del Proceso: Los diagramas del instrumento y del proceso muestran la disposición general de la tubería y la localización de los instrumentos alrededor de un proceso. Se han adoptado dos diferentes juegos de símbolos que muestran las disposiciones del instrumento. Un juego es

8

proporcionado por la Scientific Apparatus MakersAssociation (S.A.M.A.) y el otro por la Instrument Society of America (I.S.A.). Censado: Esta función extrae la información referida a una propiedad del sistema físico dando una señal que tiene una relación de transferencia respecto a la propiedad a medir. Transmisión: Función en el sistema de medida consistente en la interconexión de las diferentes etapas con objeto que circule la información a su través. Adquisición: Consiste en retener y codificar la información de forma conveniente para su tratamiento posterior. Procesamiento: Consiste en extraer de la señal adquirida la información que se quiere presentar. Registro: Las señales pueden ser registradas para su uso inmediato o para un tratamiento posterior. Representación: Es la interfaz entre el sistema de medida y las facultades de percepción humanas. En ella, las unidades de representación visual analógica o digital, los monitores, registradores etc., son típicos representantes de esta función. Esquemas de control: Existen básicamente dos esquemas de control que son los siguientes: •

•

Bucle abierto. El sistema de control actúa independientemente del sistema de medida que indica al usuario el valor del parámetro a controlar en el proceso. Bucle cerrado. El controlador compara el valor objetivo y la lectura realiza por el sistema del parámetro a controlar, actuando en consecuencia.

Medición o variable del proceso: Es la condición que va a ser controlada. Existen muchos tipos de mediciones. Generalmente, las variables del proceso usadas por la industria, medidas más comúnmente, son el flujo, el nivel, la temperatura o la presión. Otras mediciones comunes incluyen: PH, ORP (Potencial de Reducción de Oxidación), CD (Monóxido de Carbono), conductividad, opacidad, etc. Los Controladores: Su trabajo es mantener la medición y reducir la variación. Los principios discutidos para los controladores pueden ser aplicados a equipo neumático, electrónico o digital. Todos los controladores utilizan las mismas respuestas a las variables de control. Acción Directa: Si la variable del proceso aumenta por encima del punto fijado y esto a su vez ocasiona que la salida aumente, es un ejemplo de acción directa. Acción Reversa: Si la variable del proceso aumenta por encima del punto fijado y esto a su vez ocasiona que la salida disminuya, es un ejemplo de acción reversa. Especificaciones del Instrumento: Dispositivos como transmisores, controladores, registradores, indicadores, elementos de control final o sistemas de alarma pueden ser descritos en términos de cómo la salida de un dispositivo responde a un cambio en la entrada.

Nota importante, algunas definiciones y conceptos que no aparecen en este apartado y que tienen que ver con características relacionadas a los instrumentos y sus capacidades son mencionados más adelante en esta investigación, dentro del tema de “Principios generales para la selección de la instrumentación“ ya que a nuestra consideración estos conceptos que se refieren a parámetros son muy necesarios para la selección de un instrumento adecuado, por lo tanto decidimos colocarlos dentro del tema que consideramos más apropiado.

9

1.2 Clasificación de los instrumentos Clasificación en función al instrumento:

De acuerdo con la función del instrumento, se obtienen las formas siguientes: Instrumentos ciegos: son aquellos que no tienen indicación visible de la variable. Hay que hacer notar que son ciegos los instrumentos de alarma, tales como presostatos y termostatos (interruptores de. presión y temperatura respectivamente) que poseen una escala exterior con un índice de selección de la variable, ya que sólo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador al cruzar la variable el valor seleccionado. Son también instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presión, nivel y temperatura sin indicación.

Los instrumentos indicadores: disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Según la amplitud de la escala se dividen en indicadores concéntricos y excéntricos. Existen también indicadores digitales que muestran la variable en forma numérica con dígitos.

Los instrumentos registradores: registran con trazo continuo o a puntos la variable y pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado según sea la forma del gráfico. Los registradores de gráfico circular suelen tener el gráfico de 1 revolución en 24 horas mientras que en los de gráfico rectangular la velocidad normal del gráfico es de unos 20 mm/hora.

10

Los elementos primarios: están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica, etc. Por ejemplo: en los elementos primarios de temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la variación de presión del fluido que los llena y en los de termopar se presenta una variación de fuerza electromotriz.

Los transmisores: captan la variable de proceso a t ravés del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática de margen 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrónica de 4 a 20 mA de corriente continua. La señal neumática de 3 a 15 psi equivale a 0,206 - 1,033 bares (0,21- 1,05 kg/cm2) por lo cual, también se emplea la señal en unidades métricas 0,2 a 1 bar (0,2 a 1 kg/cm2). Asimismo, se emplean señales electrónicas de1 a 5 mA c.c., de 10 a 50 mA C.c. y de 0 a 20 mA ce., si bien la señal normalizada es de 4-20 mA c.c. La señal digital utilizada en algunos transmisores inteligentes es apta directamente para ordenador.

11

El elemento primario puede formar o no parte integral del transmisor; el primer caso lo constituye un transmisor de temperatura de bulbo y capilar y el segundo un transmisor de caudal con la placa orificio como elemento primario. Los transductores reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida. Son transductores, un relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP /1 (presión de proceso a intensidad), un convertidor PP / P (presión de proceso a señal neumática), etc. Los convertidores: son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3-15 psi) o electrónica (4-20 mA c.c.) procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar.

Los receptores reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada a los valores ya indicados 3-15 psi en señal neumática, o 4-20 mA c.c. en señal electrónica, que actúan sobre el elemento final de control. Los controladores: comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación. La variable controlada la pueden recibir directamente, como controladores locales o bien indirectamente en forma de señal neumática, electrónica o digital procedente de un transmisor.

El elemento final de control: recibe la señal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. En el control neumático, el elemento suele ser una válvula neumática o un servomotor neumático que efectúan su carrera completa de 3 a 15 psi (0,2-1 bar). En el control electrónico la válvula o el servomotor anteriores son accionados a través de un convertidor de intensidad a presión (I/P) o señal digital 12

a presión que convierte la señal electrónica de 4 a 20 mA c.c. o digital a neumática 3-15 psi. En el control eléctrico el elemento suele ser una válvula motorizada que efectúa su carrera completa accionada por un servomotor eléctrico.

En función de la variable de proceso

De acuerdo con la variable del proceso, los instrumentos se dividen en instrumentos de caudal, nivel, presión, temperatura, densidad y peso específico, humedad y punto de rocío, viscosidad, posición, velocidad, pH, conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez, etc. Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas siendo independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de proceso. De este modo, un transmisor neumático de temperatura del tipo de bulbo y capilar, es un instrumento de temperatura a pesar de que la medida se efectúa convirtiendo las variaciones de presión del fluido que llena el bulbo y el capilar; el aparato receptor de la señal neumática del transmisor anterior es un instrumento de temperatura, si bien, al ser receptor neumático lo podríamos considerar instrumento de presión, caudal, nivel o cualquier otra variable, según fuera la señal medida por el transmisor correspondiente; un registrador potenciométrico puede ser un instrumento de temperatura, de conductividad o de velocidad, según sean las señales medidas por los elementos primarios de termopar, electrodos o dí namo.

13

1.3 Simbología, Normas, y Sistemas de Unidades La finalidad de la simbología es uniformizar de manera práctica todos los planos de industrias donde existan instrumentos. Para de esta manera simplificar el trabajo de reconocimiento y ubicación de los instrumentos. Un diagrama de instrumentación está compuesto principalmente por: • Símbolos: Cualquier figura utilizada para representar un instrumento. • Letras y números: Se usan para identificar instrumentos y lazos de control. • Líneas: se usan para interconectar instrumentos entre sí o con el proceso. Estos símbolos y diagramas se rigen por ciertas normas que permiten la lectura de los planos por cualquier ingeniero del área. Es de notar que estas normas no son de uso obligatorio sino simplemente recomendaciones, ya que son el fruto de estudios y acuerdos de organizaciones o sociedades de ingenieros en el área. Sin embargo el uso de estas permite el intercambio de información entre profesionales del área, y en algunos casos, en que se deban presentar estos diagramas a organismos nacionales, para solicitar permisos o certificaciones, entonces si existe el carácter obligatorio de uso de las normas para su presentación. Es importante recalcar que la normalización de la terminología ha sido difícil, debido a que los ingenieros y técnicos usan a menudo varios términos para referirse a un mismo fenómeno ó cosa. Varias sociedades y organizaciones profesionales han contribuido en la normalización y estandarización de la notación, simbología y terminología que se usan en la instrumentación. De ellas, 5 son de mayor importancia en esta rama, estas son: 1.- S.A.M.A (Asociación de fabricantes de aparatos científicos) 2.- I.S.A (Sociedad de instrumentistas de América) 3.- A.S.M.E (Sociedad americana de ingenieros mecánicos) 4.- I.E.E.E (Instituto de ingenieros electrónicos y eléctricos) 5.- A.N.S.I (Instituto nacional americano de medidas) Teniendo como las más utilizadas la S.A.M.A. y la A.N.S.I./I.S.A.

Simbología

Un sistema de símbolos ha sido estandarizado por la ISA (Sociedad de Instrumentistas de América). La siguiente información es de la norma: ANSI/ISA- S5.1-1984(R 1992). La indicación de los símbolos de varios instrumentos o funciones han sido aplicados en las típicas formas. El uso no implica que la designación o aplicaciones de los instrumentos o funciones estén restringidas en ninguna manera. Donde los símbolos alternativos son mostrados sin una preferencia, la secuencia relativa de los números no implica una preferencia. La burbuja puede ser usada para etiquetar símbolos distintivos, tal como aquellos para válvulas de control. En estos casos la línea que esta conectando a la burbuja con el símbolo del instrumento esta dibujado muy

14

cerca de él, pero no llega a tocarlo. En otras situaciones la burbuja sirve para representar las propiedades del instrumento. Un símbolo distintivo cuya relación con el lazo es simplemente aparentar que un diagrama no necesita ser etiquetado individualmente. Por ejemplo una placa con orificio o una válvula de control que es parte de un sistema más largo no necesita ser mostrado con un número de etiqueta en un diagrama. También, donde hay un elemento primario conectado a otro instrumento en un diagrama, hace uso de un símbolo para representar que el elemento primario en un diagrama puede ser opcional. Los tamaños de las etiquetas de las burbujas y de los símbolos de los misceláneos son los tamaños generalmente recomendados. Los tamaños óptimos pueden variar dependiendo en donde o no es reducido el diagrama y dependiendo el número de caracteres seleccionados apropiadamente acompañados de otros símbolos de otros equipos en un diagrama. Las líneas de señales pueden ser dibujadas en un diagrama enteramente o dejando la parte apropiada de un símbolo en cualquier ángulo. La función de los designadores de bloque y los números de las etiquetas podrían ser siempre mostrados con una orientación horizontal. Flechas direccionales podrían ser agregadas a las líneas de las señales cuando se necesite aclarar la dirección del flujo para información. La aplicación de flechas direccionales facilita el entendimiento de un sistema dado. Un globo o círculo simboliza a un instrumento aislado o instrumento discreto, pare el caso donde el círculo esta dentro de un cuadrado, simboliza un instrumento que comparte un display o un control. Los hexágonos se usan para designar funciones de computadora. Para terminar en los controles lógicos programables PLC's se simbolizan con un rombo dentro de un cuadrado.

Figura 1.3. 1

Los símbolos también indican la posición en que están montados los instrumentos. Los símbolos con o sin líneas nos indican esta información. Las líneas son variadas como son: una sola línea, doble línea o líneas punteadas.

15

Figura 1.3. 2

Las líneas punteadas indican que el instrumento esta mondado en la parte posterior del panel el cual no es accesible al operador.

Figura 1.3. 3

16

Cada instrumento o función para ser designada está diseñada por un código alfanumérico o etiquetas con números. La parte de identificación del lazo del número de etiqueta generalmente es común a todos los instrumentos o funciones del lazo. Un sufijo o prefijo puede ser agregado para completar la identificación.

Figura 1.3. 4

Un dispositivo de función múltiple puede ser simbolizado en un diagrama por muchas burbujas como haya variables medidas, salidas y/o funciones. Un controlador de temperatura con un switch puede ser identificado por dos burbujas, una con la inscripción TIC-3 y una con la inscripción TSH-3. El instrumento podría estar designado como TIC-3/TSH-3 para todos los usos y sus referencias. El número para las letras funcionales agrupadas en un instrumento puede mantenerse con un mínimo de acuerdo al ajuste del usuario. El número total de letras contenidas en un grupo no pueden exceder de cuatro.

17

Figura 1.3. 5

Figura 1.3. 6

Figura 1.3. 7

18

Figura 1.3. 8

Figura 1.3. 9

19

Figura 1.3. 10

Figura 1.3. 11

20

Figura 1.3. 12

Figura 1.3. 13

21

Figura 1.3. 14

22

Figura 1.3. 15

23

Figura 1.3. 16

Figura 1.3. 17

24

25

26

Nomenclatura de Instrumentos

La siguiente tabla muestra las diferentes letras que se utilizan para clasificar los diferentes tipos de instrumentos.

27

Norma S.A.M.A.

El método SAMA (Scientific, Aparatus Makers Association) de diagramas funcionales que emplean para las funciones block y las designaciones de funciones. Para ayudar en procesos industriales donde la simbología binaria es extremadamente útil aparecen nuevos símbolos binarios en líneas. El propósito de esta norma es establecer un medio uniforme de designación los instrumentos y los sistemas de la instrumentación usados para la medición y control. Con este fin, el sistema de designación incluye los símbolos y presenta un código de identificación. En todo proceso trabajan diferentes usuarios o especialidades. La estandarización debe reconocer esta realidad y además ser consistente con los objetivos del estándar, por lo tanto debe entregar métodos para una simbología alternativa. Se entregan una serie de ejemplos como información adicional o simplificaciones para una determinada simbología según se desee. La simbología de los equipos de los procesos, no es el motivo de este apunte, por lo tanto al incluirse se hará, en razón de ilustrar aplicaciones de símbolos, de instrumentación. La simbología y las identificaciones entregadas en este estándar son aplicables a toda clase de mediciones en instrumentación para control de procesos. Estas se pueden emplear no solo para describir instrumentos discretos y sus funciones si no que también funciones de sistemas análogos, donde apa recen términos como “display compartido”, “control compartido”,” control distribuido”, “control computarizado”. Norma I.S.A.

Los símbolos y diagramas son usados en el control de procesos para indicar la aplicación en el proceso, el tipo de señales empleadas, la secuencia de componentes interconectadas y de alguna manera, la instrumentación empleada. La Sociedad de Instrumentistas de América (ISA por sus siglas en ingles Instruments Society of America) publica normas para símbolos, términos y diagramas que son generalmente reconocidos en la industria. Los instrumentos son generalmente identificados por números en una etiqueta. El número de la etiqueta identifica (1) la función en el proceso y (2) el lazo de control en el cual está localizado. La función o variable de proceso puede ser fácilmente asociada con el tipo de medición hecha en el proceso. Así, el FRC (FlowRecorderControler por sus siglas en ingles) identifica un controlador registrador de flujo. Las letras del alfabeto son utilizadas para formar la combinación de estos nombres.

28

1.4 Principios generales para la selección de la instrumentación Aunque la elección de un aparato de medida, por lo general, todavía está muy condicionada por criterios ajenos a los derivados de la propia medición (en concreto, y especialmente, el presupuesto económico disponible), los conceptos que a continuación se van a describir son fundamentales para, en la medida de lo posible, formar parte activa en los criterios de selección y, en todo caso, efectuar una correcta explotación y gestión del equipo que finalmente se haya instalado. En numerosas ocasiones será el aspecto presupuestario el que puede decidir la elección entre uno u otro medidor, pero el conocimiento de las características metrológicas de cada una de las alternativas permitirá rechazar aquellas que no puedan solventar la necesidad de medición que se pretende resolver. No se trata, en definitiva, de escoger la opción más económica de entre las disponibles, sino la más económica de entre las que permiten solventar el problema. Como mencionamos en los párrafos anteriores, a selección del instrumento en base a sus características es un paso importante en cualquier proceso para medir diversos parámetros relacionados con magnitudes cualquieras que sean necesarios en los mismos procesos. El primer punto que debe ser considerado en la selección del instrumento es el requisito de las características del instrumento y sus especificaciones, lo más importante de los parámetros que incluyen: a)

La sensibilidad: es la pendiente de la curva de calibración. Interesa que la sensibilidad sea alta y, si es posible, constante. Si esta es una recta la sensibilidad es constante y se dice que es el sistema o sensor es lineal. Lo importante no es tanto el que sea lineal (ya que se de no serlo se podría linealizar) sino que la medida sea repetible, es decir, que a la misma entrada le corresponda siempre la misma salida. b) Campo o margen de medida: es el conjunto de valores comprendidos entre los límites superior e inferior entre los cuales dé puede efectuar la medida. c) Alcance o fondo de escala: es la diferencia entre los valores máximo y mínimo de la variable que se pueden medir de forma fiable. No confundir este término con el límite superior de medida, ya que solo coinciden si el límite inferior es cero. También se conoce como margen dinámico, aunque, empleado en este contexto puede resultar algo confuso ya que no describe una característica dinámica. d) Salida a fondo de escala: es la diferencia entre las salidas para los extremos del campo de medida. e) Precisión: es el grado de concordancia entre los resultados. También se suele encontrar con el nombre de fidelidad. Una indicación de la precisión de una medida es mediante el número de cifras significativas con las que se expresa un resultado. Por ejemplo si el valor de una tensión es de 5,0 V, el número de cifras significativo es dos. En el caso de un instrumento digital se habla de número de dígitos significativos. En los cálculos hay que tener cuidado de no expresar el resultado con más cifras significativas que las de los números empleados en dichos cálculos. f) Exactitud: es el grado de concordancia entre el valor exacto (“real”, “verdadero”) de la entrada y el valor medido. Se suele expresar como un porcentaje del fondo de escala. La exactitud nos está indicando el máximo error que puede existir en la medición, por lo que en realidad debería hablarse de inexactitud más que de exactitud. En algunas ocasiones se utiliza, con el mismo significado, la frase incertidumbre de la medición. g) Repetibilidad: se refiere grado de concordancia entre los resultados de mediciones sucesivas del mismo mesurando, realizadas bajo las mismas condiciones de medida. h) La resolución: es el mínimo incremento de la entrada que ofrece un cambio medible en la salida. Se suele expresar como un valor en tanto por ciento sobre el fondo de escala.

29

i)

 j)

Histéresis: Es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento o la señal de salida para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida, el término zona muerta está incluido dentro de la histéresis. Zona muerta: Es el máximo campo de variación de la variable en el proceso real, para el cual el instrumento no registra ninguna variación en su indi cación, registro o control.

El conocimiento sobre las condiciones del entorno de la zona donde está siendo sometido el instrumento también es importante. Porque algunos tipos de instrumento no debe utilizarse si el medio ambiente no es adecuado o pueden requerir la protección que será cara. Hay una desventaja de protección que disminuye la eficacia de algunos de los instrumentos. a)

Reproducibilidad: grado de concordancia entre los resultados de mediciones sucesivas del mismo mesurando, realizadas bajo diferentes condiciones de medida. Las medidas pueden realizarse a largo plazo o por personas distintas o con distintos aparatos o en distintos laboratorios.

La información como los gastos, las condiciones del medio ambiente y la precisión del instrumento, solo pueden ser otorgadas por la persona que es experto en ese conocimiento y que es consciente de la función del proceso. Para evitar altos costos, para la protección y para mejorar el rendimiento, los instrumentos están seleccionados de forma que no reaccionen desfavorablemente al medio ambiente y que no estén excedidos ni subestimados en cuanto a sus características de funcionamiento, instrumentos diferentes tendrán diferentes características según su técnica; el costo será alto, lógicamente, si sus parámetros son muy avanzados. La resolución, la precisión y la exactitud entrarían aquí, no serán mencionadas de nuevo ya que se mencionaron párrafos atrás sin embargo aquí entra un parámetro que no necesariamente esta explicito en las características del instrumento pero que tiene que ver con estos parámetros mencionados, nos referimos al error y los tipos de errores. El error de la medida es la desviación que presentan las medidas prácticas de una variable de proceso con relación a las medidas teóricas o ideales, como resultado de las imperfecciones de los aparatos y de las variables parásitas que afectan al proceso .Es decir: Error = Valor leído en el instrumento - Valor ideal de la variable medida El error absoluto es: Error absoluto — Valor leído ~ Valor verdadero Si el proceso está en condiciones de régimen permanente existe el llamado error estático. En condiciones dinámicas el error varía considerablemente debido a que los instrumentos tienen características comunes a los sistemas físicos: absorben energía del proceso y esta transferencia requiere cierto tiempo para ser transmitida, lo cual da lugar a retardos en la lectura del aparato. Siempre que las condiciones sean dinámicas, existirá en mayor o menor grado el llamado error dinámico (diferencia entre el valor instantáneo y el indicado por el instrumento): su valor depende del tipo de fluido del proceso, de su velocidad, del elemento primario (termopar, bulbo y capilar), de los medios de protección (vaina), etc. El error medio del instrumento es la media aritmética de los errores en cada punto de la medida determinados para todos los valores crecientes y decrecientes de la variable medida. Cuando una medición se realiza con la participación de varios instrumentos, colocados unos a continuación de otros, el valor final de la medición estará constituido por los errores inherentes a cada uno de los instrumentos. 30

El instrumento debe ser seleccionado por su comparación de los gastos de mantenimiento, su capacidad para trabajar por mucho tiempo y la consistencia en el rendimiento con otros instrumentos. La selección del instrumento se realizará si las características de menor rango aceptable para el correcto funcionamiento se especifican y se encuentran disponibles. La eficacia de cualquier instrumento tiene relación directa con el costo. Algunos parámetros que pueden entrar en este criterio son: a)

Fiabilidad: medida de la probabilidad de que un instrumento continúe comportándose dentro de límites especificados de error a lo largo de un tiempo determinado y bajo condiciones especificadas. b) Resolución infinita: capacidad de proporcionar una señal de salida progresiva y continua en todo el campo de trabajo del instrumento. c) Temperatura de servicio: campo de temperaturas en el cual se espera que trabaje el instrumento dentro de límites de error especificados. d) Vida útil de servicio: tiempo mínimo especificado durante el cual se aplican las características de servicio continuo e intermitente del instrumento sin que se presenten cambios en su comportamiento más allá de tolerancias especificadas. La vida de un instrumento es importante en la selección, su vida útil depende de las situaciones donde se explotará. Independientemente del buen o mal mantenimiento que se le dé al instrumento esta es una característica a considerar pues una mayor necesidad de mantenimiento es igual a un aumento de costos. Una buena estimación puede hacerse mediante la relación del costo total por la compra del instrumento y un costo previsto de mantenimiento durante toda la vida útil del instrumento. Concluyendo, el personal que sea responsable de la instrumentación debe ser consciente de la existencia diversa de instrumentos para medir las cantidades específicas o variables de proceso específico y cómo algunas situaciones específicas de mediciones y condiciones de trabajo afectaran a las características de dichos instrumentos.

31

1.5 Tipos de variables: Mecánicas, químicas, térmicas, hidráulicas y neumáticas. Existen varios tipos de variables en la instrumentación, estas pueden ser manipuladas o no en algún tipo de proceso cualquiera y medidas o captadas por diferentes tipos de sensores para posteriormente ser registradas, esto con el objetivo de optimizar el uso de los recursos del proceso.

1.-Mecánicas. Presión.

La presión es la fuerza por unidad de superficie y se puede expresar en unidades como: pascales, atmósferas. Psi, bar. La unidad más utilizada para cuantificar la presión es el pascal (Pa), que es equivalente 2 a (N/m ), en la siguiente tabla se pueden apreciar algunas equivalencias entre las diferentes unidades de presión.

Fig. 1.5.1 Unidades de presión.

Además la presión puede medirse en valores diferenciales o absolutos, esto se puede apreciar en la siguiente figura.

Fig. 1.5.2 Clases de presión

32

La  presión absoluta se mide tomando como referencia el cero absoluto de la figura anterior (se puede notar como A y A’ de la figura). La  presión atmosférica es la presión ejercida por la Tierra, esta por lo general se puede medir con un barómetro. Al nivel del mar la presión es aproximadamente 760 mm de Mercurio absolutos (mmHg). La  presión relativa se determina midiendo la presión atmosférica y la absoluta y restándolas o determinar cuánto difieren una de la otra. La presión diferencial es la diferencia entre dos presiones (C y C” de la figura). El vacío es la diferencia entre la presión atmosférica y la presión absoluta (D, D’ y D” de la figura), dicho en otras palabras es la presión por debajo de la atmosférica. Además en la siguiente figura se pueden observar diferentes instrumentos medidores de presión así como también su campo de aplicación.

Fig. 1.5.3 Instrumentos de medición de presión y su campo de aplicación.

Peso.

El peso es la medida de la fuerza que atrae a los cuerpos a la Tierra, viene dado por la siguiente expresión:

 =  Donde:

 = Peso  = Masa  = Aceleración de la gravedad Por lo general en la industria se determina el peso de las sustancias en inventarios de materias primas, de productos finales, mezcla de ingredientes, etc. 33

Existen varios métodos de medir el peso: a)

Comparación con otros pesos patrones (como Newtons con básculas, balanzas).

b) Células de carga a base de galgas extensométricas. c)

Células de carga hidráulicas.

d) Células de carga neumáticas.

Nivel (medición de nivel de líquidos).

Esta variable es de suma importancia en el ámbito industrial ya que se usa por ejemplo en el manejo de materias primas, y en otros procesos donde se requiere tener un balance de las sustancias que se usan, también es importante esta variable para evitar derramamientos de ciertas sustancias ya que esto representaría pérdidas económicas además de en algunos casos contingencias debido al material que se esté manejando. Los medidores de esta variable pueden aprovechar varios factores para saber el valor exacto o aproximado, ya sea midiendo la altura del líquido sobre una línea de referencia, por la presión hidrostática, el desplazamiento producido por un flotador provocado por el propio líquido contenido en el tanque del proceso o aprovechando la conductividad eléctrica del fluido que se esté manejando. Los instrumentos que miden el nivel de los fluidos aprovechándose de la presión hidrostática se dividen en: 1.- Medidor manométrico. 2.-Medidor de membrana. 3.-Medidor de tipo burbujeo. 4.-Medidor de presión diferencial de diafragma. Además los instrumentos que aprovechan la conductividad eléctrica del líquido se clasifican en: 1.-Medidor resistivo. 2.-Medidor conductivo. 3.-Medidor capacitivo. 4.-Medidor ultrasónico. 5.-Medidor de radiación. 6.-Medidor de láser.

2.-Químicas. Redox (Potencial de oxidación-reducción).

El potencial de oxidación reducción de compuestos o materiales disueltos en agua se mide con un metal noble (los metales nobles son un grupo de metales caracterizados por ser muy inertes químicamente, es decir, que no reaccionan químicamente con otros compuestos químicos) y un electrodo de referencia y es 34

una medida de su potencial eléctrico de equilibrio, además de su capacidad de reacción ante otros materiales oxidantes o reductores que sean introducidos en el agua. En la medida de esta variable el electrodo de metal noble (generalmente platino) es sensible a los cambios entre el agente reductor y el agente oxidante. Este electrodo puede denominarse como “electrodo sensible a electrones”. El estándar cero de esta variable es el del electrodo de hidrógeno, que se define como:

 = 2 + 2 = 0,000 Este estándar se aplica en laboratorios y en la industria se utilizan dos tipos de electrodos.

 = −0,199. 2.- El de calomel con electrolito de ClK saturado con  = −0,244. 1.- El de plata/cloruro de plata con electrolito 4NCIK de

La diferencia de esta variable viene dada por la diferencia de potencial del electrodo y la referencia, esto se puede apreciar en la siguiente fórmula:

&'  =  −  = − ! ln "# ' Donde: E h= potencial de oxidación relativo al electrodo de hidrógeno. E 0=potencial de oxidación del electrodo de referencia r elativo al electrodo de hidrógeno. R=constante de los gases perfectos. T=temperatura absoluta. n=número de electrones transferidos. F =carga de Faraday.

(Oxid )=concentración del material en forma oxidante. (Red )=concentración del material en forma reductora.

PH.

El pH es la medida de la acidez a alcalinidad del agua con compuestos químicos disueltos en ella, viene dado por:

() = *-)./ Donde: +

H : ion positivo de Hidrógeno. El pH viene expresado en moles por litro. Un ejemplo de esto podría ser: 35

-7

El agua neutra tiene una concentración de ión Hidrógeno positivo de 10 moles por Litro, entonces el pH será:

() = *-../ =  En la siguiente tabla se pueden apreciar los valores de diferentes soluciones:

Fig. 1.5.4 pH de varias soluciones.

Para medir el pH existen varios métodos, pero se pueden destacar dos: el sistema de electrodo de vidrio y el de transistor (ISFET-Ion Sensitive Field Effect Transistor).

36

Fig. 1.5.5 Instrumentos de medición de pH.

Conductividad.

Esta propiedad es la capacidad de alguna sustancia o solución acuosa de conducir la corriente eléctrica, el agua destilada pura por ejemplo al contrario de lo que se piensa no conduce la corriente eléctrica pero al añadirle ciertos minerales se vuelve conductora, al introducir minerales sólidos en el agua éstos se separan en iones positivos y negativos. Los iones son susceptibles a moverse bajo la acción de un campo eléctrico, éstos a su vez se combinan con otros iones para formar nuevos átomos que ya no se ionizarán, la conductividad de los iones depende de su concentración a la vez de que también de su movilidad, aplicada una diferencia de potencial en una solución acuosa como por ejemplo: ClNa, se puede apreciar lo siguiente: Los iones positivos Na + serán atraídos hacia el potencial más negativo, mientras que los iones negativos Cl serán atraídos por el potencial más negativo, de este modo se produce una corriente eléctrica y esto de pende de: 1.- Número y tipo de iones presentes en la solución. 2.-Área efectiva de los electrodos (los cuales están cargados positivamente y negativamente). 3.-Diferencia de potencial y distancia entre los electrodos. 4.-Temperatura de la solución. La conductividad eléctrica específica es el recíproco de la resistencia en Ohmios, medida entre dos caras opuestas de un cubo de 1cm de lado sumergido en la solución o sustancia. La unidad es el mho o siemens (el recíproco o inverso de la resistencia eléctrica) que es la conductancia de una solución con una diferencia de potencial de un voltio entre los dos electrodos, eso da una corriente de un amperio. El primer sistema de medida empleado para medir la conductividad (figura 1.5.3) consistió en conectar dos placas paralelas a un circuito y situarlas dentro de la solución, este instrumento tenía el gran inconveniente 37

de la acumulación de suciedad con el tiempo y a su vez esto daba errores sesgados al momento de hacer la lectura.

Fig. 1.5.6 Medida de conductividad por puente de Wheatstone de CA.

Fig. 1.5.7 Valores de conductividad para soluciones dadas.

38

3.-Térmicas. Temperatura.

Esta variable es una de las más importantes, en prácticamente la mayoría de los procesos industriales se debe de saber a qué temperatura se está trabajando, para poder optimizar el proceso y prevenir accidentes. Los diferentes instrumentos de medida utilizan diferentes fenómenos en los que influye la temperatura, para así mismo poder medirla, entre estos fenómenos destacan: a)

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

b) Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia). c)

Variación de resistencia de un semiconductor ( termistores).

d) F.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares). e)

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

f)

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

Algunos ejemplos de instrumentos de medida de son: el termómetro de vidrio, termómetro bimetálico, termómetro ultrasónico, de cristal de cuarzo, de resistencia, termopares, etc. En la figura 1.5.8 se pueden apreciar los rangos de operación de los distintos instrumentos de medición de temperatura.

Fig. 1.5.8 Campo de medida de los instrumentos de temperatura.

39

Fig. 1.5.9 Termómetro de vidrio

Densidad y peso específico.

La densidad se define como la masa por unidad de volumen de un cuerpo y su unidad de medida en el SI es 3 kg/m , ésta variable se considera como térmica debido al hecho de que la densidad es susceptible a cambiar conforme varía la temperatura y la presión (sólo en fluidos compresibles), un valor base estándar para la temperatura en líquidos tiene un rango de 0° hasta 15° y en gases 0° (con 1 atm de presión). La densidad relativa es la relación para volúmenes iguales de las masas de un cuerpo cualqui era (líquido) y el agua (ésta a una temperatura de 4°) y en los gases la relación entre la masa del cuerpo y condiciones normales del aire (0° de temperatura y 1 atm de presión), la densidad relativa es adimensional. El peso específico es el peso de un fluido por unidad de volumen y su unidad de medida en el SI es N/m3. Además de que entre el peso específico y el volumen y existe la siguiente relación:

(33(í67 = 8378:8 ∗  La medida de la densidad es vital para ciertos procesos industriales como por ejemplo saber qué concentración de productos químicos se tienen en una sustancia o solución como el ácido sulfúrico.

40

Fig. 1.5.10 Instrumento de medición de densidad: Areómetro.

Fig. 1.5.11 Medición de presión por presión diferencial.

4.- Hidráulicas y neumáticas. Viscosidad y resistencia.

La viscosidad y resistencia de un fluido cuantifican la oposición de un fluido a fluir, o dicho de otra forma la oposición que presentan a deformarse cuando están sometidos a un esfuerzo cortante. Según Newton la viscosidad viene dada por:

?@ A B

Donde: F=Esfuerzo  A=Área V=Velocidad e=Espesor

También Hagen-Poiseullie definieron la viscosidad de otra manera más práctica:

CD EF

< = IGHG

G IJ = L 41

Donde:  ΔP=Presión diferencial a través del líquido en el tubo capilar. R=Radio interior del tubo. Q=Caudal del fluido. l=Longitud del tubo.

Fig. 1.5.12 Métodos discontinuos de medida de viscosidad

Caudal.

Caudal se define como la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo, la unidad de medida en el SI del caudal es m3/s, además el caudal se puede calcular como:

M = NO Donde: 3

Q=Caudal (m /s) 2

 A=Área (m ) v=Velocidad lineal promedio (m/s)

En la siguiente figura se pueden observar los distintos instrumentos de medición de caud al:

42

Fig. 1.5.13 Clasificación de m edidores de caudal.

43