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Análisis de los instrumentosntos de medición inteligente

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Academic year: 2017

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECANICA Y ELÉCTRICA

Análisis de los Instrumentos de Medición Inteligentes

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA

P R E S E N T A

ROSARIO VÁZQUEZ REYES

ASESORES:

DR. SAMUEL EDUARDO MOYA OCHOA DR. RODRIGO LOPEZ CARDENAS

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(3)

3 Agradecimientos

A Dios por su infinito Amor y regalarme tan divinos dones como la Sabiduría, Inteligencia y Fortaleza.

A mi hijo Leonardo Vázquez Reyes, por llenar de vida mi vientre y poder sentir juntos la satisfacción de llegar a esta meta. Gracias por iluminar mis días con tu sonrisa y ser el motor que me inspira a seguir adelante.

Te amo infinitamente, ¡Gracias por hacerme tan feliz!

A mis padres por enseñarme a no rendirme y seguir adelante; mil gracias por enseñarme a volar y hacer de mí una mujer independiente, fuerte, trabajadora y guerrera. Gracias madre por tu tiempo dedicado a mis estudios y llegar a la meta conmigo.

¡Mil Gracias!

A mis hermanos Nancy Vázquez, José Guadalupe Hernández y Néstor Vázquez, por su apoyo incondicional en el transcurso de este camino y sus buenos consejos para seguir adelante.

¡Los quiero mucho!

A mi sobrina Mailen Estefani, por iluminar mis días con tu sonrisa y tu niñez, eres como una hija para mí. Te quiero mucho y te llevo siempre en mi corazón. Deseo algún día también cumplas una meta como esta.

¡Cuenta conmigo siempre¡

A mi ahijada Abril por regalarme tan calurosos abrazos cuando me ves, deseo algún día también cumplas una meta como esta.

¡Cuenta conmigo siempre¡

A mi gran amigo y compañero Luis Fernando , gracias por ser parte de mi vida y no dejarme nunca caer, por estar conmigo, escucharme y ser parte de esta maravillosa experiencia de ser orgullosamente del IPN.

“Recordar es poner el corazón en la mano y volver a vivir”. ¡Te quiero mucho!

A mis asesores

Dr. Samuel Moya Ochoa gracias por su tiempo, dedicación y conocimientos para orientarme en la realización de este trabajo de TESIS. Recordare siempre sus sabios consejos y los pondré en práctica.

Dr. Rodrigo López Cárdenas gracias por su orientación en esté trabajo y buenos deseos. Ing. Marisol Salinas Salinas gracias por brindarme su amistad y darme tan sabios consejos.

A mis maestros, gracias por su tiempo, así como sus conocimientos y sabiduría que me transmitieron en el desarrollo de mi formación profesional.

Al Instituto Politécnico Nacional y en especial a la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica por permitirme ser parte de una generación de triunfadores y gente productiva para el país. Por darme la oportunidad de conocer tan apreciables amigos y experiencias inolvidables.

(4)

4 Esta TESIS está dedicada a mi hijo Leonardo. Con todo mi amor.

Eres una persona muy valiente, fuerte e inteligente. Tú puedes lograr todo aquello que en mente te propongas.

“No es fuerte aquel que nunca se cae,

(5)

5

Índice

I t odu ió ………..

Objetivo ... 7

Justificación. ... 7

Capitulo 1.- Características de los instrumentos de Medición... 9

1.1 Rango... 9

1.2 Alcance ... 9

1.3 Error ... 10

1.4 Incertidumbre en la medida ... 10

1.5 Exactitud ... 10

1.6 Precisión ... 10

1.7. Zona muerta (dead zone o dead band) ... 10

1.8 Repetibilidad ... 11

1.9 Histéresis ... 11

1.10 Linealidad ... 11

1.11 Tiempo de respuesta ... 12

Conclusiones ... 12

Capítulo 2.- Análisis del Instrumento de Medición Inteligente ... 13

2.1 Magnitudes Físicas ... 13

2.1.1 Presión ... 13

2.1.2 Temperatura ... 15

2.1.3 Nivel ... 16

2.1.4 Flujo ... 17

2.1.5 Otras Variables ... 17

2.2. Dispositivo Analógico de Medición (sensor) ... 19

2.3. Convertidor Analógico a Digital ... 21

2.4. Módulo de Control y Comunicaciones ... 22

Conclusiones ... 27

Capitulo 3.- Dispositivos analógicos de medición ... 28

3.1 temperatura ... 28

3.1.1 Termopar ... 28

3.1.2 RTD ... 29

3.1.3 Termistores... 31

3.2 Presión ... 34

3.2.1. Galgas Extensométricas ... 34

3.2.2. Condensador Variable:... 36

3.2.3. Transformador Diferencial de Variación Lineal (LVDT) ... 38

3.3. Magnitudes físicas típicas en control en lazo cerrado ... 39

3.3.1. Sistemas de control en lazo cerrado ... 40

3.3.1. Ejemplo de Medición de Temperatura ... 41

Conclusiones ... 43

Capitulo 4.- Convertidor Analógico Digital ... 45

4.1 Principio de funcionamiento ... 45

4.2 Proceso de Digitalización ... 46

4.2.1 Muestreo y retención (sample and hold, S&H) ... 47

(6)

6

4.2.3. Codificación ... 52

4.3. Alternativas de Convertidor ... 56

4.3.1. Convertidores A/D Paralelos ... 56

4.3.2. Convertidores de aproximaciones sucesivas ... 58

4.3.3. Convertidores tipo servo o “tracking”. ... 60

4.3.4. Convertidores de rampa: simple, doble, triple... 61

4.4. Características de operación ... 64

Conclusiones ... 66

Capitulo 5.- Modulo de control y comunicaciones ... 67

5.1. Tratamiento de la señal ... 67

5.1.2. Multiplexores analógicos ... 67

5.2. Logica de control ... 68

5.3. Interfaz serial ... 68

5.3.1. Transmicion síncrona/asíncrona ... 69

5.3.2. Transmisión serie... 70

5.3.3. Estándar RS-232 ... 71

5.3.4. Estándar RS-422 ... 72

5.3.5. Estándar RS-485 ... 73

5.4 Interfaz Industrial de Bus de Campo ... 74

5.4.1. FIELBUS ... 74

5.4.2.- PROFIBUS ... 75

5.4.3.- PROFIBUS DP ... 76

5.4.4.- PROFIBUS PA ... 76

5.4.5.- PROFIBUS FMS ... 77

5.4.6.- PROFInet ... 77

Conclusiones ... 78

Capítulo 6. Aplicación de un Instrumento Inteligente. ... 79

6.1. Diseño de un Instrumento Inteligente ... 79

6.2. Proceso de Control de Temperatura. ... 81

6.3.- Simulación del Proceso. ... 85

6.4.- Gráficas de datos en sitio y datos remotos de la temperatura del reactor en °C. ... 89

6.5.- Conclusiones ... 91

(7)

7

Objetivo

El objetivo de este trabajo es la recopilación, selección y estudio de información de tecnología existente relacionada con los sensores analógicos y sensores inteligentes, su principio de operación, el análisis de su funcionamiento, y su implementación en procesos de control. Lo cual provee las herramientas y los elementos necesarios para sustentar la realización de un proyecto en campo.

Justificación.

El conocimiento de las nuevas tecnologías permitirá abordar procesos de control donde las tecnologías convencionales encuentran limitaciones, teniendo como resultados procesos más eficientes.

Introducción.

El desarrollo tecnológico en el campo de la electrónica, hace que las empresas y los centros de investigación dispongan de instrumentos cada vez más competitivos. Según nuestro punto de vista, esta característica se mantendrá en tanto que el instrumento sea fácil de utilizar, se integre sin complicaciones en un sistema de medida basado en computador y sea flexible, es decir, que se adapte fácilmente a las necesidades de cambios en la metodología de medida. De esta manera dispondremos de instrumentos y de sistemas de instrumentación especializados para cada campo, abiertos a diferentes configuraciones de medida.

Gracias a la integración del microprocesador, la moderna instrumentación del proceso le ofrece al operador una riqueza de información adicional importante. Por ejemplo, le proporciona información sobre el estado del sensor o transmisor, de la escala de medida, de si se han rebasado o no los valores límite previstos, etc. Mediante una comunicación clásica de señales de 4-20 mA, esta información, sencillamente, no puede comunicarse.

El capitulo 1 describe brevemente las principales características de los instrumentos de medición, necesarias para conocer su funcionamiento, saber evaluarlos y realizar la selección del adecuado instrumento.

En el capítulo 2 se da una breve introducción de los instrumentos de medición inteligentes y una descripción de cada una de las etapas que dan el término “inteligente” a los instrumentos de medición industrial, que se analizaran a fondo en los capítulos 3, 4 y 5. Se mencionan los ventajas que tienen los instrumentos de medición inteligente ante los instrumentos de medición convencional.

(8)

8

de acuerdo a su clasificación por la magnitud física (temperatura y presión), su funcionamiento y sus principales aplicaciones en los procesos industriales.

En el capítulo 4 se describe el principio de funcionamiento de los convertidores analógico digital(A/D), los cuatro procesos que influyen en la digitalización y los tipos que existen en el mercado. Se describen los convertidores A/D que con mayor frecuencia se encuentran en la electrónica de los instrumentos de medición inteligente.

En el capítulo 5 se describe en qué consiste el modulo de control de los instrumentos de medición inteligente y su relevancia respecto a los instrumentos de medición convencionales; La descripción del modulo de comunicaciones incluye la forma de comunicación de los instrumentos de medición con los cuartos de control y los principales estándares que se ocupan actualmente en la industria.

El capitulo 6 describe la unión de bloques del instrumento de medición inteligente que se describen en los capítulos anteriores, así como la simulación de un proceso medición de de temperatura en un tanque de agitación continua en donde se simula la operación de estos

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9

Capitulo 1.- Características de los instrumentos de Medición

Introducción

Los instrumentos de medición han llevado al operador de su participación en el sitio de medición, supervisión y la vigilancia del proceso a centros de control situados en el propio sitio del proceso o en un punto remoto1.

Para lograr esto, los instrumentos o sistemas de instrumentación deben seleccionarse con sumo cuidado, esto con el fin de satisfacer cada aplicación específica; para lograr esto, se debe tener un conocimiento profundo tanto del instrumento como del sistema a supervisar2.

Para seleccionar estos instrumentos, es necesario conocer su funcionamiento y saber evaluarlos. Este funcionamiento y evaluación de los transmisores se basa en diferentes características de operación, independientemente del tipo de transductor éstas siempre estarán presentes3. Estas características de operación se encuentran en las especificaciones del instrumento.

El termino especificaciones se usa para describir las características de un sistema de medición, usualmente estas características se muestran en las hojas de datos de cada instrumento. Antes de instalar cualquier equipo, es necesario contar con las hojas de especificaciones correctas, las cuales van a colaborar al realizar la selección del adecuado instrumento de medición4.

Los términos descritos posteriormente podrán ser una guía para identificar las características de los instrumentos de control de procesos que se estén empleando. Los valores correspondientes a estos términos, típicamente se encuentran en las hojas de datos, en la sección de especificaciones del mismo.

1.1 Rango

El rango está definido como el conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida del instrumento. Este valor se encuentra expresado estableciendo los dos valores extremos.

1.2 Alcance

El alcance se define como la diferencia algebraica entre el límite superior y el límite inferior del instrumento.

1A to io C eus “ole, I st u e ta ió I dust ial , Marcombo, Barcelona, España. Pág. 1 2Ha old E. “oisso , I st u e ta ió I dust ial , Edito ial Li usa. Pág.

2Ha old E. “oisso , I st u e ta ió I dust ial , Edito ial Li usa. Pág. 3“TEREN, El ABC de la e at ó i a . Pág.

4V. O daz, Gusta o; , et al, Medi ió y Co t ol de P o esos I dust iales , I sti

(10)

10

1.3 Error

El error es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida por un instrumento patrón.

1.4 Incertidumbre en la medida

La incertidumbre en la medida es la distribución estadística de los resultados que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida.

1.5 Exactitud

La exactitud es la cualidad de un instrumento para dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida.

1.6 Precisión

La precisión es definida como la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento, esto es, el intervalo donde es admisible que se sitúe la magnitud de la medida y define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales (tiempo de vida normalmente 1 año).

Cuando de desea obtener la máxima precisión del instrumento en un punto determinado de la escala, puede calibrarse únicamente para este punto de trabajo. Los fabricantes usualmente la especifican para todo el rango. Ver Figura 1

Figura 1.- Diferencia entre precisión y exactitud

1.7. Zona muerta (dead zone o dead band)

La zona muerta es el campo de valores de la variable operacional que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento; es decir, ante cambios de la magnitud de la variable operacional el instrumento no produce respuestas. Viene dado en tanto % del alcance de la medida.

Valor real

% De error de exactitud

A) Exacto pero no preciso B) Preciso pero no exacto C) Exacto y preciso

(11)

11

1.8 Repetibilidad

La repetibilidad es la capacidad de reproducir las posiciones del instrumento (pluma, índice o señal de salida) al medir repetidamente valores idénticos de la variable operacional en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo.

1.9 Histéresis

La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la medición de la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente.

Este valor se expresa en tanto porciento del alcance (Span) de la medida. Lo antes descrito se muestra en la Figura 2.

Figura 2.- Histéresis en la medición de temperatura5

1.10 Linealidad

La linealidad es la aproximación más cercana de una curva de calibración, a una línea recta previamente establecida.

Los instrumentos ideales son lineales. De hecho, la mayoría de los sistemas instrumentales comerciales tienen respuesta lineal. Puede ocurrir, sin embargo, que la respuesta no sea estrictamente lineal y, por ende, que ocurra un error por no linealidad de la respuesta del instrumento.

5

V. Ordaz, Gustavo, et al, Medi ió y Co t ol de P o esos I dust iales , I stituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 28

Temperatura ( °C)

C O R R I E N

T 4

8 12 16 20

(12)

12

1.11 Tiempo de respuesta

Debido a fenómenos de equilibrio, transporte, entre otros, la medición de cualquier variable de proceso puede implicar una demora que debe ser definida adecuadamente.

Si la medición tiene una cinética más lenta que la de la propia variable, habrá que disponer de sistemas complejos de predicción del valor en lugar de descansar sólo sobre la medición instrumental.

Los tiempos de respuesta se definen en base al tiempo necesario para obtener una medida que corresponda al 96% (o cualquier otro porcentaje) del valor final.

Conclusiones

(13)

13

Capítulo 2.- Análisis del Instrumento de Medición Inteligente

Introducción

Los instrumentos de medición son herramientas indispensables para mantener controladas las variables de un proceso o sistema en forma tan exacta como se necesite para satisfacer las especificaciones de las aplicaciones en la industria6.

Los avances en los dispositivos de medición y su incursión en procesos de control más complejos han permitido mejorias esenciales en la calidad y la cantidad de servicios generados por la industria y, a su vez, dando beneficios para la sociedad.

En las plantas industriales se miden las diferentes variables de proceso colocando un instrumento que tiene integrado el sensor y el mecanismo de transducción, adaptación de señal, transmisión, registro, indicación o control, junto al equipo de proceso7.

El término “inteligente” indica que el instrumento es capaz de realizar funciones adicionales a la de simple transmisión de la señal del proceso8. Esté instrumento combina la función de detección y algunas de las funciones de procesamiento de la señal y comunicación, estas funciones adicionales suele realizarlas un (microcontrolador), esté incluye al ADC y una combinación de sensor, se denomina a veces sensor inteligente9[5].

2.1 Magnitudes Físicas

Los instrumentos de medición se encargan de transmitir hasta los controladores las señales eléctricas que son proporcionales a la magnitud física de la variable operacional medida, la variable operacional es una magnitud física correspondiente10.

El tipo de magnitud física medida clasifica a los diversos instrumentos de medición, estás magnitudes físicas son mecánicas, térmicas, magnéticas, ópticas y químicas11. Entre las magnitudes físicas con mayor aplicación en la industria se encuentra la presión, temperatura, nivel, flujo, humedad, PH, Densidad, Velocidad, entre otras12.

2.1.1 Presión

La presión es una magnitud física que define a una fuerza que se ejerce sobre un área determinada, por lo que se mide en unidades de fuerza por unidad de área. Esta fuerza se puede aplicar a un punto en una superficie o distribuirse sobre ésta área13.

6Ha old “oisso , I st u e ta ió I dust ial , Edito ial Li usa. Pág. 7

Va ios auto es, Medi ió y Co t ol de P o esos I dust iales , I stituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 226 8A to io C eus “ole, I st u e ta ió I dust ial , Ma o o, Ba elo a, España. Pág.

9 Ramón Pallas Areny, “e so es y A o di io ado es de “eñal ,Marcombo, Barcelona(2007). Pág. 424 10 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo I. Pág.2 11Ra ó Pallas A e y, “e so es y a o di io ado es de señal , Ma o o, Ba elo a España ,

(14)

14

Cada vez que la presión se ejerce, se produce una deflexión, una distorsión o un cambio de volumen o dimensión. Las mediciones de presión pueden ser desde valores muy bajos que se consideran vacío, hasta miles de toneladas por unidad de área14.

La presión se expresa en diferentes unidades, estas se utilizan dependiendo de la magnitud de la variable, como por ejemplo la unidad PSI se usa para valores altos de presión y la unidad de pulgadas de agua para valores bajos de presión15. La ecuación (1) define la presión.

(1)

La presión se expresa de forma adecuada y correcta para el sistema de unidades internacional o para el sistema de unidades ingles en cualquiera de las siguientes unidades:

ó

ó ó

Los tipos de unidades de presión difieren entre sí solamente por su punto de referencia a presión cero. La falta de presión (vacío total) en un espacio cualquiera del universo se conoce como presión en cero absoluto16.

2.1.1.1 Presión absoluta

La presión absoluta se mide teniendo como referencia el cero absoluto de la presión17. Otra forma de conocer la presión absoluta es sumando la presión atmosférica a la presión relativa18.

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14Ha old “oisso , I st u e ta ió I dust ial , Edito ial Li usa. Pág.

15 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo IV. Pág.2 16

Control avanzado de procesos: (teoría y práctica) Escrito por José Acedo Sánchez. Pág. 26

(15)

15

2.1.1.2 Presión Atmosférica

La presión atmosférica se define como la presión ejercida por la atmosfera en un punto de la corteza terrestre y varía con la altura sobre el nivel del mar, por lo que es necesario calibrar los instrumentos de presión del equipo industrial que se transporta a zonas geográficas de diferente altura; esto es, a mayor altitud, menor presión19.

2.1.1.3 Presión Diferencial

Cuando se mide la diferencia de presión entre dos puntos, habitualmente con el mismo cero de referencia, la medida se denomina presión diferencial20.

(3)

2.1.1.4 Presión Relativa

La presión relativa es la medida de presión que inicia su escala de 0 tomando como referencia a la presión atmosférica; es decir, es aquella medida de presión que resulta de restarle a la presión absoluta la presión atmosférica21.

2.1.2 Temperatura

La medida de la temperatura constituye una de las variables operacionales más comunes y más importante en los procesos industriales22.

La temperatura es empleada para detectar los cambios del estado físico (fases: solida, liquida y gaseosa), que tienen las sustancias que intervienen en un proceso. La temperatura es una indicación de qué tanta (mayor o menor) agitación tienen las moléculas o átomos que constituyen un cuerpo. La temperatura de un cuerpo, es una propiedad que determina su capacidad para absorber o transferir calor de su alrededor23.

La presión y la temperatura a las que son sometidas las sustancias determinan la fase en que se encuentran; cuando se cambia de una fase a otra se dice que se presentó un cambio de fase o cambio de estado físico24.

19

V. Ordaz, Gustavo , et al, Medi ió y Co t ol de P o esos I dust iales , I stituto Politécnico Nacional, 2006.Pág. 198 20 Control avanzado de procesos: (teoría y práctica)Escrito por José Acedo Sánchez. Pág. 26

21 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo IV. Pág. 4 22

Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo V1. Pág. 2 23V. O daz, Gusta o, et al, Medi ió y Co t ol de P o esos I dust iales , I sti

tuto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 63 24Julio de Paula, Quí i a Físi a ,

(16)

16

2.1.3 Nivel

La medición de nivel es muy importante en la industria desde el punto de vista del correcto funcionamiento del proceso, al buscar mantener esta variable constante en aquellos equipos que así lo requieren; así como la consideración del balance de las materias primas que entran al proceso, en comparación con los productos finales que salen del mismo25.

Para la indicación y medición de nivel en la industria se utilizan instrumentos clasificados en medidores de nivel de líquidos y sólidos para tanques abiertos y para tanques cerrados26.

2.1.3.1 Nivel de líquidos

Los medidores de nivel de líquidos operan al medir directamente la altura de líquido sobre una línea de referencia, al medir la presión hidrostática, al medir el desplazamiento producido en un flotador por el propio líquido contenido en el tanque del proceso, al aprovechar las características eléctricas del líquido, y al emplear la radiación de energía27 .

2.1.3.2 Nivel de sólidos

Con frecuencia es necesario medir el nivel de material sólido en procesos; por ejemplo la medición de las astillas de madera en sitios de fábricas de papel, la materia prima sólida para dosificación, el jabón en polvo, la cal, las semillas de arroz, el frijol, entre otros; estos contenidos en tanques o en silos28. Esto debido a que la industria ha ido exigiendo el desarrollo de instrumentos capases de medir el nivel de sólidos en puntos fijos o de forma continua29.

Los detectores de nivel de punto fijo proporcionan una medida en uno o varios puntos fijos determinados. Los instrumentos más empleados son el diafragma, el cono suspendido, la varilla flexible, el medidor conductivo, las paletas rotativas y los ultrasonidos30.

Los medidores de nivel continuo proveen una medida continua del nivel desde el punto más bajo hasta el más alto. Los instrumentos más empleados son el medidor de peso móvil, el medidor de báscula, el medidor capacitivo, el medidor de presión diferencial, el medidor de ultrasonidos y el medidor de radiación31.

25 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo V. Pág. 3 26

V. Ordaz, Gustavo, et al, Medi ió y Co t ol de P o esos I dust iales , I stituto Politécnico Nacional, 2006, Pág. 241 27A to io C eus “ole, I st u e ta ió I dust ial , Marcombo, Barcelona, España, Pág. 193

28

V. Ordaz, Gustavo, et al, Medi ió y Co t ol de P o esos I dust iales , I stituto Politécnico Nacional, 2006, Pág. 262 29A to io C eus “ole, I st u e ta ió I dust ial , Ma combo, Barcelona, España, Pág. 213

30A to io C eus “ole, I st u e ta ió I dust ial , Ma o o, Ba elona, España, Pág. 214 31

(17)

17

2.1.4 Flujo

En la industria, la necesidad de medir las propiedades del flujo y los parámetros del flujo, tales como presión y velocidad, es sumamente importante. Dado a que el movimiento de los fluidos en las industrias agrícola, del petróleo, el gas, los productos químicos, de bebidas embotelladas, de abastecimiento de agua y de aguas residuales requieren cuantiosas inversiones anuales32.

Dos cantidades del flujo local significativas son la presión y la velocidad; otras son la temperatura, densidad y viscosidad. Las mediciones de flujo se clasifican de acuerdo a si el fluido es continuo o discontinuo. Si la magnitud de una cantidad física permanece constante con el tiempo, este valor se conoce como estado continuo; si la cantidad cambia con el tiempo, la medición es transitoria, o discontinua33.

2.1.4.1 Medidores Volumétricos

Los medidores volumétricos determinan el caudal en volumen del fluido. Entre los métodos y variables que se aprovechan para medir el flujo están la presión diferencial, la velocidad, el área variable, el desplazamiento positivo, el torbellino, fuerza, la tensión inducida y la oscilante34.

2.1.4.2 Medidores de caudal masa

La determinación del caudal masa puede efectuarse a partir de una medida volumétrica compensándola para las variaciones de densidad del fluido, o bien se puede determinar directamente aprovechando características medibles de la masa del fluido35.

Entre los métodos y variables que se aprovechan para medir el flujo se encuentran la compensación de presión y temperatura en medidores volumétricos, térmico, momento y fuerza de Coriolis36.

2.1.5 Otras Variables

En los procesos industriales se presenta una infinidad de variables que pueden tener medición; sin embargo, la mayoría de estas variables no tienen un efecto directo en el comportamiento del proceso, por lo cual, típicamente, son despreciadas. Entre estas variables se tienen:

Peso37.

32 Merle C. Potter, David C. Wiggert, Mecánica de Fluidos , Ce gage Lea i g Editores, 2002.Pág. 582-583 33Julio de Paula, Quí i a Físi a ,

Ed. Médica Panamericana, 2008. Pág. 118

34 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo VII. Pág.3 35A to io C eus “ole, I st u e ta ió I dust ial

(18)

18

El peso de un cuerpo es la fuerza con que este 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:

(4)

Donde:

= peso = masa

= aceleración debida a la gravedad

Velocidad.

La velocidad es la magnitud física que muestra y expresa la variación en cuanto a posición de un objeto y en función del tiempo, es decir, es la distancia recorrida por un objeto en la unidad de tiempo. Adicionalmente al tiempo, para definir la velocidad de desplazamiento de un objeto, es preciso tener en cuenta la dirección y el sentido del mencionado desplazamiento38.

Densidad y peso específico39.

La densidad o masa especifica de un cuerpo se define como su masa por unidad de volumen, expresándose en . Como la densidad varía con la temperatura y con la presión (en los gases), esta se especifica para un valor base de la temperatura que en líquidos suele ser de 0°C o de 15°C y en los gases de 0°C y para un valor estándar de la presión que en los gases es de 1 atmósfera.

El peso específico se define como el peso del fluido por unidad de volumen. Por lo tanto entre el peso específico y la densidad existe la relación:

(5)

donde la aceleración debida a la gravedad.

Humedad y punto de roció40.

Humedad absoluta. Se define como 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 . Esta es equivalente al porcentaje de humedad.

Punto de roció. Es la temperatura límite a la que el vapor de agua existe en el aire o

en el gas se condensa pasando al estado líquido.

38Tiple Paul A., Físi a pa a la ie ia y la te ología , Edito ial Re e té, .

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19

La descripción a fondo de estas variables puede ser encontrada en libros y documentos de instrumentación, y se omiten de este documento dado que se encuentra fuera del alcance del mismo.

2.2. Dispositivo Analógico de Medición (sensor)

El hombre cuenta por naturaleza de diferentes órganos sensoriales (los sentidos), los cuales han sido de gran ayuda para su evolución, los órganos sensoriales permiten percibir algunas magnitudes físicas; como ejemplo, se puede saber si algo se encuentra frio, tibio o caliente o si algún objeto se está lejos o cerca41.

La primera etapa para la actuación del hombre es la información y se obtiene de los órganos sensoriales, pero existen numerosas magnitudes físicas o químicas que por su naturaleza o su magnitud nuestros sentidos no tienen acceso. Así mismo, se tiene la aseveración que dice: “Cualquier actuación del hombre sobre el medio viene precedida por dos diferentes etapas: la primera es la información sobre el hecho y sus circunstancia y la otra de decisión antes de efectuar la acción”42.

Estas limitaciones pueden evitarse haciendo uso de órganos sensoriales artificiales (los sensores), y así poder llevar a cavo una segunda etapa que es la decisión y la acción. Para la segunda etapa se necesita que los sensores nos proporcionen información eficiente y lo más cercana al tiempo real al igual que lo hace el cuerpo humano43.

Un sensor es un dispositivo capaz de dar una salida eléctrica que corresponde proporcionalmente a una determinada magnitud física aplicada a su entrada. En un sistema se utiliza un sensor para convertir un parámetro físico (temperatura, presión, humedad, etc.) en un parámetro eléctrico (voltaje, corriente o resistencia)44.

Sensor y transductor se emplean a veces como sinónimos, pero sensor sugiere un significado más extenso: la ampliación de los sentidos para adquirir un conocimiento de cantidades físicas que por su naturaleza no pueden ser percibidas directamente por los sentidos45.

Mientras que un transductor es un dispositivo que convierte la energía de una forma a otra, interpreta la energía física en términos de corrientes o voltajes equivalentes46. El transductor convierte los cambios de magnitud de la variable operacional que mide en variaciones de la señal eléctrica que representa y que busca ser proporcional a la variable

41 Concepción Pérez Conde, “e so es ópti os , U i e sidad de Vale ia, . 42Co ep ió Pé ez Co de, “e so es ópti os , U i e sidad de Vale ia, . 43Co ep ió Pé ez Co de, “e so es ópti os , U i e sidad de Vale ia, . 44

(20)

20

operacional a la que está directamente conectada47. En términos de instrumentación, el transductor presenta las siguientes características48.

1. Medición con exactitud la magnitud del fenómeno físico

2. Reproducción con exactitud del evento físico en relación con el tiempo, idealmente no debe tener un retardo de tiempo.

3. Reproducción de exactamente todo el rango de frecuencia del fenómeno físico.

4. Producción de datos exactos en medios ambientes extremos de humedad, temperatura, choques o vibraciones.

5. Capacidad de proporcionar una señal de salida que sea compatible con el equipo acondicionador de señal, sin modificar las características del suceso original.

El sensor y el transductor responden a la idea mostrada en la Figura 3 .

Figura 3 .-Diagrama a bloques de la adquisición de señal analógica49.

El control de una variable en un proceso utiliza información sobre la misma, a través de la medición de esta variable. La medición refiere a la conversión de la variable sensada en alguna correspondiente análoga proporcional de la variable. Hay estándares analógicos que se usan como medio de representación del rango de las variables en sistemas de control. Para los sistemas eléctricos se usa un rango de corriente eléctrica conducida en alambres, señales transmitidas del cuarto de control a la planta50, como se muestra en la Figura 4.

Figura 4 .- Transmisión de información51.

47 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo XI. Pág. 2 48Ha old “oisso , I st u e ta ió I dust ial , Edito ial Li usa. Pág.

49 Sensores eléctricos Escrito por Sobrevila, Marcelo Antonio 50

Gilberto Enríquez Hape , El a de la i st u e ta ió e el o t ol de p o esos i dust iales , Edito ial Limusa, 2000. Pág. 20-24

51 Sensores eléctricos Escrito por Sobrevila, Marcelo Antonio

SENSOR AL CONVERTIDOR DE CORRIENTE

I a V

CUARTO DE CONTROL PLANTA

SENSOR

4-20mA Elemento captador

de una cantidad que se desea convertir en eléctrica.

Sistema transformador de la cantidad captada, en una señal eléctrica.

(21)

21

Los sistemas eléctricos estándar de instrumentación utilizan con frecuencia una señal analógica que varía desde 4 hasta 20mA en corriente directa52.

2.3. Convertidor Analógico a Digital

Los procesos que se dan en el mundo real producen señales analógicas, descritas mediante números decimales. En los microprocesadores y en las computadoras para representar números se utilizan patrones binarios. No es fácil guardar, manejar, comparar, calcular o recuperar datos de manera precisa utilizando para ello tecnología analógica, las computadoras si son capaces de realizar estas tareas rápidamente usando técnicas digitales53.

Por lo anterior, surgió la necesidad de contar con convertidores que permitieran vincular entre sí a los mundos analógico y digital. Mediante los convertidores analógicos a digital (ADC) el mundo analógico se integro a las computadoras54.

Un sistema digital contiene como paso previo un dispositivo para convertir una señal analógica en una señal discreta. A este dispositivo se le denomina conversor analógico-digital (conversor A/D). La entrada, por ejemplo x(t) de un conversor A/D es una señal analógica que puede variar en cualquier instantede tiempo continuo 55.

La adquisición de datos es definida como el proceso de transformar una señal analógica en una señal digital, esto para su posterior tratamiento o transmisión, ver Figura 5. Un convertidor analógico digital (ADC) recibe a su entrada una señal continua a la que trata para presentarla a su salida en forma de código inteligible por un dispositivo digital (microprocesador, procesador digital de señal, ordenador)56.

Figura 5.- Transformación de señal analógica a señal digital57

Para transmitir cierta información, se puede emplear una corriente que varié entre 4 mA y 20 mA de tal forma que la corriente que circula sea proporcional al valor de la magnitud

52Me le C. Potte , Da id C. Wigge t, Me á i a de fluidos , Pea so Edu a ió , . Pág. 389 53

Ro ald J. To i, Neal “. Wid e , “iste as Digitales: p i ipios y apli a io es , Pea so Edu a ió , . Pág. 7 54 Ro e t F. Coughli , F ede i k F. D is oll, A plifi ado es ope a io ales y i uitos i teg ados , Pea so Educación, 1999. Pág. 399

55Atha asios Papoulis, siste as y i uitos: digitales y a alógi os

56 Edua d Be t á Al e tí, P o esado digital de señales: fu da e tos pa a o u i a io es y o t ol,

Volu e , Edi io es UPC, . Pág.

57 http://es.wikipedia.org/wiki/Conversi%C3%B3n_digital-anal%C3%B3gica

(22)

22

que representa. Por el contrario la electrónica digital está basada en el empleo de circuitos que trabajan con variables digitales binarias (0 ó 1) para representar esta información58.

Las ventajas que presentan los circuitos digitales frente a los analógicos pueden resumirse en mayor:

 Inmunidad al ruido porque la información almacenada en forma digital es menos sensible a las alteraciones producidas por la fluctuaciones no deseadas de tensión.

 Precisión que los circuitos analógicos, ya que los circuitos digitales suelen trabajar con un número de dígitos mayor que los analógicos.

 Facilidad al diseñarse porque el número de operaciones básicas es reducido.

 Facilidad al almacenar información.

 Velocidad en el procesamiento de la información digital.

 Capacidad de integración.

Estos convertidores llevan a cabo procesos de cuantificación, por el que la señal analógica continua se transforma en un conjunto discreto de estados de salida, y codificación, el cual asigna un conjunto de bits a cada uno de dichos estados59.

2.4. Módulo de Control y Comunicaciones

Los instrumentos modernos generalmente ya están pensados para ser integrados en sistemas de instrumentación, en potencia de cálculo y en operación en los ordenadores, en los softwares y en los instrumentos programables especializados.

Un instrumento puede estar constituido por un módulo tradicional hasta un sistema basado en ordenador, hardware y software60. La Figura 6 muestra la tarea del instrumento.

Figura 6.- Misión del instrumento inteligente

58Ce ilio Bla o Viejo, Fu da e tos de ele t ó i a digital , Edito ial Pa a i fo, . Pág.

59Jago a A ias Pé ez, José Luis Ma tí Go zales Ele t ó i a digital , Delta pu li a io es, . Pág. 60

A to i Ma uel I st u e ta ió i tual: ad uisi ió , p o esado y a álisis de señales , Edi io es UPC, . Pág.

Conversión de la señal

Procesado de la señal

Interface de usuario CONTROL

DISPLAY

PERSONA INSTRUMENTO

(23)

23

Los instrumentos de medición (Analógicos o Inteligentes) están conformados por un transductor y por circuitos electrónicos los cuales convertirán las variaciones del transductor en salidas eléctricas comprendidas entre 4 a 20 mA proporcionales a la magnitud de la variable operacional que esta sensando, es el caso sencillo de los analógicos, como se muestra en la Figura 7.

En el caso de los instrumentos inteligentes; esta misma señal proporcionada por el transductor es conectada a los circuitos basados en microcontroladores, quien genera las salidas moduladas digitalmente y enviadas en protocolos de comunicación para la transmisión de la magnitud de la variable operacional61, como se muestra en la Figura 8.

Figura 7.- Diagrama de Transmisor Analógico62.

Figura 8.- Diagrama de Transmisor Inteligente63

61

Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo XI. Pág. 2 62 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo XI. Pág. 3 63 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo XI. Pág. 3

TRANSMISOR INTELIGENTE

Transductor

Circuitos Electrónicos Microcontroladores

Variable: *presión *Nivel *Caudal *Temperatura

Salida Digital para

Comunicación TRANSMISOR ANALOGICO

Transductor Circuitos Eléctricos Analógicos

Variable: *presión *Nivel *Caudal *Temperatura

Ajuste de Span

Ajuste de Cero

12 o 24 VCD

(24)

24

2.4.1. Módulo de control

El nivel de complejidad de un instrumento inteligente puede incluir al acondicionamiento de señal, corrección de cero, ganancia y linealidad, compensación ambiental (temperatura, humedad), escalado y conversión de unidades, comunicación (bidireccional) digital, autodiagnóstico, decisión e incluso activación o acción sobre el sistema donde se conecta. Estos instrumentos incluyen el sensor primario, algún algoritmo de control, memoria y capacidad de comunicación digital64.

Los sensores inteligentes pueden calcular prácticamente sin error la magnitud de medición buscada, con ayuda de instrucciones memorizadas en una PROM integrada en conjunto con él , denomidado módulo de corrección65. Lo anterior se muestra en la Figura 9.

Figura 9.- Módulo de corrección en un sensor inteligente66

Desde el punto de vista del tratamiento de señal; se puede considerar el control como el resultado de un procesado sencillo de la señal medida, el control realiza operaciones algebraicas y filtradas específicas para poder conseguir los objetivos fijados por el diseñador, donde la señal tratada es devuelta hacia el sistema como realimentación.

Se efectúa la diferencia entre la señal de referencia (normalmente introducida por el usuario en forma de comandos) y la señal realimentada y después se genera la señal de control en función de la señal diferencia67.

2.4.2. Módulo de Comunicación

En un proceso automatizado, la obtención y tratamiento de la información obliga a diseñar una infraestructura de comunicaciones. El grado de automatización depende del número de

64Ra ó Pallas A e y, “e so es y A o di io ado es de “eñal ,Marcombo, Barcelona(2007). Pág. 425 65

Ei h )a le , Los se so es e el auto ó il BO“CH , Re e te, . Pág. 66E i h )a le , Los se so es e el auto ó il BO“CH , Re e te, . Pág. 67

A to i Ma uel I st u e ta ió i tual: ad uisi ió , p o esado y a álisis de señales , Edi io s UPC, 01. Pág. 30 Ordenador

digital de corrección A

D

Par

serie Señal de

medición (no corregida)

Analógica

Señal de medición ( corregida)

Digital

D

A Analógica PROM

(25)

25

variables de medida, el tipo de control requerido y la interactividad entre los diferentes dispositivos que intervienen en el proceso.

La información de interés se manda a los centros de decisión para incidir en el proceso, para lo que se requiere habilitar las plataformas de comunicación en distintos niveles, ver Figura 10, tales como68:

 En el nivel de entradas y salidas donde se enlazan sensores y/o actuadores con equipos de medida o control ubicados en la propia planta (buses de campo, fieldbus).

 En el nivel intermedio para centralizar la información del proceso (redes de área local, LAN).

 En el nivel de enlace de secciones o departamentos ubicados en áreas geográficamente distintas(WAN)

Figura 10.- Niveles de red industrial69

Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan en señales electrónicas de 4-20mA en corriente directa y digitales. La exactitud de las señales digitales es de unas 10 veces mayor que la señal clásica de 4-20mA en corriente directa.

En lugar de enviar cada variable por un par de hilos (4-20mA en corriente directa), transmiten secuencialmente las variables a través de un cable de comunicaciones llamado

bus; es decir, el transporte secuencial de señales eléctricas que representan información

codificada de acuerdo con un protocolo70.

Las comunicaciones entre instrumentos se iniciaron con el puerto serie por el cual se puede realizar la configuración del mismo71. Las interfaces son dispositivos para adaptar la transmisión de datos entre el ordenador y los equipos periféricos, donde las interfaces en

68Joa Do i go Peña, Co u i a io es e el e to o i dust ial , Edito ial UOC, . Pág. 69

www.instrumentacionycontrol.net

70A to io C eus “ole, I st u e ta ió I dust ial , Marcombo, Barcelona, España, Pág. 70 71A to io C eus “ole, I st u e ta ió I dust ial , Marcombo, Barcelona, España, Pág. 70

Nivel de gestión

Nivel de campo y proceso

Estaciones de trabajo, aplicaciones en red, supervisión del producto

Nivel de control PC´s y PLC´s

Nivel de e/s Actuadores,

sensores

(26)

26

serie transmiten los bits de una palabra de datos sucesivamente a través de una línea72. Como ejemplo, algunos de los estándares de comunicación serie asíncrona utilizados en las comunicaciones industriales73 son:

 Estándar RS-232

 Estándar RS-422

 Estándar RS-485

La tabla 1 muestra un análisis comparativo de algunas de las características más relevantes de tres estándares de comunicaciones serie mencionados.

Parámetro RS-232 RS-422 RS-485

Modo de operación Simple Diferencial Diferencial Número de dispositivos 1 emisor -1 receptor 1 emisor-10 receptores 32 emisores-32 receptores

Máx. longitud cable 15 m 1200 m 1200 m

Máx. velocidad 20 Kbps 10 Mbps 10 Mbps

Carga driver De 3 a 7 kΩ 100 Ω mínimo 60 Ω mínimo

Entrada receiver De 3 a 7 kΩ 4 kΩ 12 kΩ

Tensión modo común v v De -7 a 12 v

Tabla 1.- Análisis comparativo entre estándares de comunicación serie74.

La descripción de los estándares de comunicación se proveerá posteriormente con detalle.

Ademas de los estadares de comunicación, las características exigidas a los distintos dispositivos conectados a un bus de comunicaciones de campo se incorpora un sistema de alimentación intrínsecamente seguro. Con la integración del microcontrolador, la instrumentacion del proceso le ofrece al operador información adicional importante (estado del sensor, escala de medida, si se han revasado o no los limites previstos, entre otros)75.

La comunicación digital permite la comunicación por un único bus de los parámetros transmitidos por varios dispositivos de campo, utilizando una única línea común, denominada genéricamente como bus de datos, fieldbus. Esto reduce drásticamente el

número de hilos de enlace de la instalación y ahora un elevado número de entradas/salidas en los equipos de control76, como se muestra en la Figura 11 (b).

72Pete Bastia , Ele t ote ia: i los fo ati os , Edi io es AKAL, . Pág.

73 A to i Ma uel I st u e ta ió i tual: ad uisi ió , p o esado y a álisis de señales , Edi io s UPC, 2001. Pág.73

74A to i Ma uel I st u e ta ió i tual: ad uisi ió , p o esado y a álisis de señales , Edi io s UPC, . Pág.75

(27)

27 Figura 11.-Instalación eléctrica realizada con producto a) convencional y de b) campo77

Para lograr una comunicación digital se debe contemplar que exista y sea aceptado un bus de campo estándar, lo que garantizará que los instrumentos de distintos fabricantes que lo incluyan puedan operar conjuntamente.

Esto produce un movimiento hacia los denominados transmisores inteligentes de campo (Smart transmitters), transmisores que ofrecen una comunicación digital por medio de una línea de enlace de señal analógica de 4-20mA, en la que el elemento de campo transmite la informacion digital superponiéndola sobre la señal analógica de 4-20mA78.

Conclusiones

En comparación con los instrumentos de medición convencionales, los instrumentos de medición inteligente ofrecen una mejoria para la medicion de diferentes variables fisicas. Los instrumentos de medición “inteligente” tienen incluido dentro de su circuiteria al sensor analógico, que junto con una circuiteria electronica, entrega una corriente de 4 a 20mA proporcionales a la variable medida; esta señal analógica es transmitida hacia el microcontrolador. El microcontrolador es el principal componente que ofrece la conversión analogico- digital, el modulo de control y el modulo de comunicación, por lo que el microcontrolador es el encargado de dar el plus a los instrumentos de medición convencionales y convertirlo así en “inteligente”.

77Joa Do i go Peña Co u i a io es e el e to o i dust ial , edito ial UOC, . Pág. -25. 78Joa Do i go Peña Co u i a io es e el e to o i dust ial , edito ial UOC, . Pág. -25.

Controlador lógico programable

Módulos de entrada/salida

Bastidor de conexión clasificada

Protección contra explosión

Bastidor de conexión clasificada

Equipo de terminales

Controlador lógico programable

Módulos de entrada/salida

Equipo de terminales Alimentación

(28)

28

Capitulo 3.- Dispositivos analógicos de medición

Introducción

Un sistema analógico contiene dispositivos que manipulan cantidades físicas representadas de manera analógica. La salida en los dispositivos analógicos de medición puede variar en un rango continuo de valores. La información está en la amplitud, representada mediante un voltaje, una corriente o un movimiento de un medidor que es proporcional al valor de esa cantidad 79.

El estudio de un gran número de sensores se clasifica de acuerdo con la magnitud medida; en consecuencia, se habla de sensores de temperatura, presión, caudal, humedad, posición, velocidad, aceleración, fuerza, par, entre otras80.

Este capítulo describe los instrumentos de medición para temperatura y presión. Para la medición de la temperatura se presentan el termopar, el rtd y los termisores; mientras que para la medición de la presión, se tienen las galgas extensométricas, el condensador variable y los transformadores diferenciales de variación lineal o LVDT.

3.1 temperatura

Para la medición de la temperatura se presentan el termopar, el rtd y los termisores, los cuales se describen en esta sección.

3.1.1 Termopar

Las Termocuplas (termopares) son transductores Temperatura-f.e.m. que depende de la generación de tensión eléctrica en el punto de unión de dos metales diferentes cuando este punto de unión se somete a una temperatura81.

Los sensores termoeléctricos se basan en dos efectos reversibles. Se trata del efecto Peltier y del efecto Thompson82.

El termopar consiste de dos conductores metálicos diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría) se mantienen a distinta temperatura83, 84, este comportamiento se muestra en la Figura 12.

79

Ro ald J. To i, Neal “. Wid e , “iste as digitales: P i ipios y apli a io es , Pea so Edu a ió , . Pág. -6 80 Ramón Pallas Areny, “e so es y A o di io ado es de “eñal , Marcombo, Barcelona (2007). Pág. 5 81 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo VII. Pág. 11 82

Ramón Pallas Areny, “e so es y A o di io ado es de “eñal , Marcombo, Barcelona (2007). Pág. 273 83Ha old “oisso , I st u e ta ió I dust ial , Editorial Limusa. Pág.148

(29)

29 Figura 12.- Diagrama de un sistema de termopar típico. Por cortesía de Honeywell, Inc85

En el punto de unión del metal A con el metal B genera una tensión eléctrica en milivoltios que aumenta en la medida que la temperatura en el punto de unión de los dos metales se incrementa. Esta generación de energía eléctrica es continua y proporcional a la temperatura de la unión y se genera siempre que exista una diferencia de temperatura con la unión de referencia. Esta unión de referencia será el punto donde se conecta al circuito electrónico86.

El símbolo de termopar y su circuito equivalente como una fuente de tensión variable por temperatura87 se muestran en la Figura 13.

Figura 13.- Símbolo y circuito equivalente de un termopar88

3.1.2 RTD

El RTD (del inglés: resistance temperature detector) es un sensor de temperatura resistivo metálico de coeficiente térmico positivo muy utilizado para la medición de temperatura de medios y superficies89.

El fundamento del RTD es la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura, ver Figura 14. En un conductor, al aumentar la temperatura las vibraciones de los átomos alrededor de la posición de equilibrio de los electrones disponibles para la conducción son mayores, los electrones se dispersan y se reduce su velocidad media. Esto

85Ha old “oisso , I st u e ta ió I dust ial , Edito ial Li usa. Pág.

86 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo VII. Pág.11 87

Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo VII. Pág.12 88 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo VII. Pág.12 89

Miguel A. Pérez García, Juan C. Álvarez et al, Instrumentación Electrónica, Thomson, España (2004). Pág.255 I

I

Metal A

Metal B Temperatura

I

I

Cabeza de conexión

Alambre de extensión M

Instrumento

Medidor en la unión de medición

A

B T

Unión viva o de detección (unión caliente)

(30)

30

implica un coeficiente de temperatura positivo, es decir, un aumento de la resistencia con la temperatura90.

El RTD está conformado por un elemento que consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o cerámica91.

Figura 14.- Circuito equivalente de un RTD 92

Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el níquel. El platino es el elemento más adecuado desde el punto de vista de precisión y estabilidad, pero también es el más caro.

La sonda más utilizada es la Pt-100 (resistencia de 100 ohmios a 0 ºC). El níquel es menos costoso que el platino y posee una resistencia más elevada con una mayor variación por grado; sin embargo tiene la desventaja de la falta de linealidad en su relación resistencia-temperatura.

El cobre es barato y estable pero tiene el inconveniente de su baja resistividad. Se añade la

Tabla 2 como ejemplo93. Los sensores de platino de película fina son mucho más

económicos que los de hilo bobinado y sus prestaciones son casi de igual calidad94.

Metal Resistividad

temp. Coeficiente Intervalo útil de temp.

min. de hilo mm

Costo relativo

Resis. Sonda a

, ohmios

Precisión

Platino 9.83 0.00385 200 a 950 0.05 Alto 25,100,130 0.01 Níquel 6.38 0.0063 a 0.0066 150 a 300 Medio 100 0.50

Cobre 1.56 0.00425 200 a 120 Bajo 10 0.10

Tabla 2- Termorresistencias95.

El RTD es el sensor de temperatura más utilizado tanto en aplicaciones industriales como domésticas, en los controladores de temperatura de frio y calor, en los coches, en los hornos domésticos, climatizadores y cámaras climatizadas de precisión96. Una aplicación de los

90Ra ó Pallas A e y, “e so es y A o di io ado es de “eñal ,Ma o o, Ba elo a . Pág. 91 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo II. Pág. 21 92 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo VII. Pág.12 93Jua Ca los Ma aña, I st u e ta ió y o t ol de p o esos , Cu so de fo a ió . Pág.

94 Ramón Pallas Areny, “e so es y A o di io ado es de “eñal ,Marcombo, Barcelona(2007). Pág. 71

95

José A edo “á hez, Co t ol a a zado de p o esos: teo ía y p á ti a , Edi io es Díaz de “a tos, . Pág. 81 96

Miguel A. Pérez García, Juan C. Álvarez et al, Instrumentación Electrónica, Thomson, España (2004). Pág.213 Temperatura

I

(31)

31

elementos resistivos de platino es la medida de la velocidad de un fluido en la denominada anemometría de hilo caliente97.

3.1.3 Termistores

Los termistores son semiconductores electrónicos98, tienen las características de cambiar su valor de resistencia en ohmios en la medida que son expuestos a los cambios de temperatura99. Los termistores utilizados son los de coeficiente de temperatura negativos y los termisores de coeficiente de temperatura positivos.

Los Termistores NTC (Negative Temperature Coefficient) tienen la condición de disminuir su valor de resistencia en la medida que se incrementa la temperatura a la que es expuesta, como se muestra en la Figura 15 (A),mientras que los termistores PTC (Positive Temperature Coefficient) incrementan su valor de resistencia en ohmios en la medida que se incrementa la temperatura a la que es sometido100, como se muestra en la Figura 15 (B).

Figura 15.- Curvas características para un termistor NTC (A) y PTC (B)101

Los termistores se fabrican con oxido de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio, titanio y otros metales, y están encapsulados en sondas y en discos102.

3.1.3.3. Tipos de termistores

Los termistores se encuentran catalogados en directamente calentados o indirectamente calentados. En los termisores directamente calentados, el calor que recibe proviene de la temperatura ambiente a la que está expuesto, o de la propia que genera el paso de la corriente por el termistor o ambas, ver Figura 16 (A). En los termisores indirectamente calentados el calentamiento es producido por un elemento calefactor de tipo eléctrico, en

97Ra ó Pallas A e y, “e so es y A o di io ado es de “eñal ,Marcombo, Barcelona(2007). Pág. 71 98A to io C eus “ole, I st u e ta ió I dust ial , Ma o o, Ba elo a, España. Pág.

99 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo II. Pág. 23 100

Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo II. Pág. 23 101 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo II. Pág. 23 102A to io C eus “ole, I st u e ta ió I dust ial , Ma o o, Ba elo a, España. Pág. 251

NTC (A)

R(T)

100

1

25 °C 100 °C

T

PTC

1

100

70 °C 100 °C

T (B)

(32)

32

este caso los efectos de la temperatura ambiente son mínimos ó nulos debido a que el calefactor y el termistor se encuentran en una cápsula al vacío103, ver Figura 16 (B).

Figura 16.- Símbolos del termistor: A) Directamente calentado B) Indirectamente calentado104

El termistor tiene características básicas, entré estas se incluyen la resistencia fría, la resistencia caliente, la resistencia contra temperatura, el voltaje contra corriente y corriente contra tiempo105.

Resistencia fría: La resistencia se mide a una temperatura ambiente, en donde la

corriente que pasa por el termistor no causa ningún autocalentamiento apreciable. En esta temperatura, el termistor posee el valor de resistencia fría de 150 Ω. Un apelativo es resistencia a cero potencia106.

Resistencia caliente: Es el valor de resistencia que tiene el termistor cuando es

calentado por algún elemento calefactor. En termistores con coeficiente de temperatura negativo: (valor de resistencia caliente) (valor de resistencia fría), y en termistores de coeficientes de temperatura positivo: (valor de resistencia caliente)

(valor de resistencia fría)107.

Resistencia contra temperatura: Es la respuesta del termistor a cambios de

temperatura108.

Voltaje contra corriente: La curva corriente-voltaje de un termistor se observa en la

Figura 17, donde se tiene una resistencia positiva (entre cero y el punto - ) con un incremento grande de voltaje y corriente casi constante hasta , y se tiene una resistencia negativa (entre los puntos - y - ) con un incremento de la corriente al nivel máximo permitido , donde con un nivel de voltaje 109.

103

Gustavo V. O daz et al, Medi ió y Co t ol de P o esos I dust iales , I stituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 130 104Gusta o V. O daz et al, Medi ió y Co t ol de P o esos I dust iales , I sti

tuto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 130 105Gusta o V. O daz et al, Medi ió y Co t ol de P o esos I dust iales , I sti

tuto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 130 106

Gustavo V. Odaz et al, Medi ió y Co t ol de P o esos I dust iales , I stituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 131 107

Gusta o V. O daz et al, Medi ió y Co t ol de P o esos I dust iales , I stituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 131 108Gusta o V. O daz et al, Medi ió y Co t ol de P o esos I dust iales , I sti

tuto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 131 109

Gusta o V. O daz et al, Medi ió y Co t ol de P o esos I dust iales , I stituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 132 T

Termistor

T

Elemento calefactor

(33)

33 Figura 17. Curva voltaje-corriente del termistor

Corriente contra tiempo: Un retardo térmico aparece en los termistores cuando le

aplicamos un voltaje, la corriente que pasa a través de éste no alcanza su valor instantáneo, sino hasta un tiempo después.

3.1.3.4. Aplicaciones

En las aplicaciones de los termistores directamente calentados se encuentran aquellas relativas a la medida, control y compensación de temperatura. Para los termistores indirectamente calentados se tienen las medidas de caudal, nivel y vacío (método Pirani) y el análisis de la composición de gases.

Estos son casos donde varía la conductividad térmica del medio alrededor del termistor, también se usan en el control automático de volumen y potencia, en la creación de retardos de tiempo y la supresión de transitorios110.

En la Figura 18se muestra un medidor de flujo, ya sea líquido o gas, en donde también se emplea un circuito puente y en donde dos de sus brazos son termistores. Uno de ellos está midiendo directamente el caudal y el otro se encuentra en una pequeña cámara de referencia, en este caso, la medición dependerá del cambio en la disipación, debido al autocalentamiento en el termistor , que está en función de la velocidad de flujo del líquido o gas que esté circulando en la tubería111 .

110Gusta o V. O daz et al, Medi ió y Co t ol de P o esos I dust iales , I stituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 226 111

(34)

34 Figura 18.- Aplicación de los termistores en el nivel de flujo112.

3.2 Presión

Para la medición de la presión, se tienen las galgas extensométricas, el condensador variable y los transformadores diferenciales de variación lineal o LVDT.

3.2.1. Galgas Extensométricas

Las galgas extensométricas son transductores eléctricos de efecto piezorresistivo113[6], se basan en la variación de la resistencia de un conductor o un semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico114.

Las galgas extenciométricas se basan en la variación de longitud y de diámetro, y por lo tanto de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una fuerza o presión.

Existen dos tipos de galgas (ver Figura 19), las galgas cementadas y sin cementar, las primeras están formadas por varios bucles de hilo muy fino que están pegados a una hoja base de cerámica, papel o plástico; en las segundas los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial115.

112

Gusta o V. O daz et al, Medi ió y Co t ol de P o esos I dust iales , I stituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 140 113

Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras

114Ra ó Pallas A e y, “e so es y A o di io ado es de “eñal ,Ma o o, Ba elo a . Pág. 115 Antonio Creus Sole, I st u e ta ió I dust ial , Ma o o, Ba elo a, España. Pág.

Tubería

R3

R4

R1

R5

R2

Flujo T

M1

Ajuste de cero

Calibración Voltaje de alimentación

(35)

35 Figura 19.- Galgas extensométricas (a) cementadas (b) sin cementadar116

Las aplicaciones de las galgas incluyen:

 Medidores de presión, la presión estira o comprime los hilos, según sea la disposición que el fabricante haya adopta, modificando la resistencia de los mismos.

 Medidores de caudal

 Medidor de placa que consiste en una placa instalada directamente en el centro de la tubería y sometida al empuje o fuerza de impacto del fluido. La fuerza dinámica del fluido sobre la placa es transmitida a través de una palanca a un puente de Wheatstone de cuatro galgas extensiométricas activas que proporciona una señal de salida de 4-20 mA c.c. compatible con el protocolo HART

3.2.1.3. Extensométros metálicos

En la aplicación de los extensómetros se utiliza una constante de proporcionalidad K con valores de 2 a 4. Este factor es la relación de transferencia o sensibilidad que relaciona la entrada de deformación mecánica con la salida unitaria de cambio de resistencia117.

Esta relación causa-efecto, se conoce con el nombre de factor de galga: cociente entre el cambio fraccional de la resistencia eléctrica y la tensión . Esta relación puede expresarse a partir de la función118:

(6)

Donde:

116A to io C eus “ole, I st u e ta ió I dust ial , Ma o o, Ba elo a, España. Pág. 117Ha old “oisso , I st u e ta ió I dust ial

118 Francisco CorbI Soler, Bio e á i a del pie , Lulu.com, 2008. Pág.45

(b)

Fuerza Armadura

Base Flexible

Fuerza Fuerza

Hilo de conexión

Base Flexible

Hilo Activo Hilos Activos

Armazón

Figure

Figura 1.- Diferencia entre precisión y exactitud
Figura 4 .- Transmisión de información 51 .
Figura 6.- Misión del instrumento inteligente
Figura 8.- Diagrama de Transmisor Inteligente 63
+7

Referencias

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