Capítulo 1. Conceptos Básicos de Control. Control Automático

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

Capítulo 1

Conceptos Básicos de Control

A lo largo de la historia el hombre se ha sentido fascinado por maquinarias y dispositivos capaces de imitar las funciones y movimiento de los seres vivos. En la era contemporánea la producción industrial se ha caracterizado principalmente por la optimización de los procesos empleando avances tecnológicos de la comunicación y el control a fin de lograr productos a bajo costo y alta calidad, capaces de cumplir con los estándares exigidos por el mercado.

Las diversas formas de automatizar los procesos y servicios se realizan a través del uso de sensores, controladores y actuadores facilitando la producción y minimizando los recursos humanos.

La tecnología actual permite supervisar y controlar diversas industrias del tipo productivo o manufacturero en tiempo real. En nuestro país el control y la automatización a través de la electrónica han experimentado un cambio importante en la mayoría de las industrias, para ampliar y mantener su posición en los respectivos campos de acción.

Control Automático

Se entiende por control automático, el mantener estable una variable de proceso mediante un dispositivo, por lo general electrónico, cuyo valor deseado está almacenado en la memoria de éste y al recibir la señal de la variable controlada realiza los cálculos y estima la acción sobre la variable manipulada, corrigiendo y estabilizando el sistema de control.

Este dispositivo eléctrico conocido como controlador, se encuentra en el mercado bajo la denominación de PLC (Controlador Lógico Programable), controlador de lazo digital (microcontrolador) y PC (computadora personal).

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Sistemas de Control

Para mostrar de una manera más fácil un sistema de control (figura 1) se tomará como ejemplo un proceso típico de intercambio de calor.

Figura 1 – Intercambiador de Calor

Si el Intercambiador de Calor (proceso), fuese manejado solamente por un hombre; sería como se detalla en la figura 2.

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

Al analizar el control manual de la figura 2, donde el operador mide la temperatura de salida, compara el valor deseado, calcula cuanto más abrirá la

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válvula de vapor y hace las correcciones correspondientes; así las funciones básicas del control manual realizado por un ser humano son:

 Medir

 Comparar

 Calcular

 Corregir

Luego los fundamentos de un sistema de control automático deben de provenir de las funciones básicas del control manual realizadas por un ser humano.

Elementos de un Sistema de Control

Un sistema de control automático simple, generalmente cuenta con los siguientes elementos: sensor, proceso, controlador y actuador (figura 3).

Figura 3 – Diagrama de Bloques de un Control Automático Variable Controlada

Es el parámetro más importante del proceso, debiéndose mantener estable (sin cambios), pues su variación alteraría las condiciones requeridas en el sistema. Su monitoreo a través de un sensor es una condición importante para dar inicio al control.

Al analizar el ejemplo mostrado del intercambiador de calor, se observa la intención de calentar agua a través del vapor, para lo cual se deberá tener en cuenta las diversas variable de proceso como son los flujos de vapor y agua, las presiones de vapor y las temperaturas del agua; pero, la más importante

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

Variable Manipulada

Es el parámetro a través del cual se debe corregir las perturbaciones del proceso, colocándose un actuador para lograr estabilizar el sistema.

En el ejemplo del intercambiador de calor, quien proporciona mayor o menor cantidad de energía al sistema es el ingreso de vapor, por lo tanto la variable a manipular será el flujo de ingreso de vapor.

Variable Perturbadora

Es el parámetro desestabilización del sistema por cambios repentinos afectando el proceso.

En el ejemplo, la variable perturbadora está representada por el flujo de entrada de agua fría, si por una baja de tensión se altera el funcionamiento de la bomba de suministro de agua, provocaría un menor ingreso de flujo al proceso originando la desestabilización del sistema.

Variable Medida

Es todo parámetro del proceso requerido para conocer su valor, y que por lo tanto deberá ser monitoreado, no siendo necesariamente la más importante para controlar el sistema, pero si para mantener un registro de data.

Sensor o Elemento Primario de Medición

Los sensores son los elementos primarios de medición de variables del proceso, siendo algunos usados para lectura e indicación y otros para transformar la variable medida en una señal eléctrica. Los más usados en la industria son los de nivel, de presión, de temperatura, de flujo y de proximidad entre otros.

Esta señal va hacia la entrada del controlador para ser comparada con el valor de referencia o “set- point” determinando el error y la acción de control.

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Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 1 – Página 5 Tipos de Sensores

De Contacto o No Contacto

Los sensores pueden ser clasificados de diversas maneras. Una forma común y simple es dividir los sensores en dos categorías: de contacto o no contacto. Los sensores de contacto realizan la medida – contacto físico – con el producto; por ejemplo los sensores de boyas para medir el nivel de un tanque.

Un sensor de no contacto se basa en las propiedades físicas de los materiales para realizar su medida; típicamente son menos propensos a fallas. Su uso se ve limitado por la característica del material a medir o por la gran interferencia en el ambiente de instalación, ocasionando malas lecturas. Un ejemplo de este tipo de sensor es el medidor de flujo ultrasónico.

Digital o Analógico

Otra forma de clasificar los sensores es por el tipo de señales de salida; éstas pueden ser de tipo digital o analógico. Los sensores digitales trabajan en dos estados: encendido (on) o apagado (off). Muchas aplicaciones implican tener conocimiento de la ausencia o presencia de algo.

Los sensores analógicos proporcionan medidas continuas, pudiendo ser utilizadas en diversos aspectos de la operación, como son el nivel, la presión, temperatura y el flujo, caracterizándose por funcionar en un rango de 4 a 20 mA.

Controlador

El controlador es un instrumento para detectar los desvíos existentes entre el valor medido por un sensor y el valor deseado o “set-point” programado por un operador, emitiendo una señal de corrección hacia el actuador como se observa en la figura 4. Los controladores pueden ser del tipo manual, neumático ó digital (electrónico).

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Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 1 – Página 6 Figura 4 – Control Automático

Actuador o Elemento Final de Control

Los actuadores son los elementos finales de control y tienen por función, alterar el valor de la variable manipulada con el fin de corregir o limitar la desviación del valor controlado, respecto al valor deseado. Los fabricantes actualmente proveen una serie de actuadores tales como motores, válvulas, relés y conmutadores (swicthes). Los actuadores pueden ser de diversos tipos:

 Eléctricos

 Neumáticos

 Hidráulicos Proceso

El término proceso para los fines de control, significa el equipo a automatizar en donde se estabiliza la variable de control, a través de los sensores, actuadores y controladores.

Características Dinámicas de las Variables de Proceso

Es necesario determinar las características dinámicas de las variables de un proceso para conocer las perturbaciones que desestabilizan el sistema.

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Inercia

Es la propiedad de los cuerpos por la tienden a no variar del estado estacionario sin la intervención de una fuerza extraña.

Resistencia y Capacidad

Las partes del proceso tendientes a almacenar masa o energía son denominadas capacidad y las partes con cualidades para resistir la transferencia de energía o masa son denominadas resistencia.

Atraso de Transporte

Otro factor importante para la dinámica de procesos incluye el movimiento de masas entre dos puntos y es denominado atraso de transporte o tiempo muerto.

Respuesta de los Procesos frente a una Perturbación

La respuesta de un proceso a una determinada perturbación están casi siempre caracterizadas por dos constantes: una constante de tiempo () y una ganancia estática. La ganancia es la amplificación o atenuación de la perturbación en el interior del proceso y no tiene interferencia con las características de tiempo de respuesta.

La constante de tiempo es la medida necesaria para ajustar un sistema de una perturbación en la entrada y puede ser expresada como:

capacidad a resistenci   

Señales

Una señal se define como una cantidad física variando con el tiempo, el espacio o cualquier otra variable independiente.

Señales Eléctricas

Las señales eléctricas pueden representar su información clasificándolas en:

 Señales Analógicas

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

 Los polímetros, miden tensión o corriente

 Las impedancias, miden resistencias y capacidades

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

Señales Analógicas

También denominada señal continua, se caracteriza por tomar cualquier valor dentro de unos determinados márgenes y llevar la información en su amplitud.

Figura 5 – Señal Analógica Señales Digitales

Estas señales toman un número finito de niveles o estados entre un máximo y un mínimo. Las más utilizadas son las binarias, teniendo dos niveles asignados a los números binarios 0 y 1.

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Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 1 – Página 9 Figura 6 – Señal Digital

Señal Neumática

Se define como la variación física a través de la compresión o expansión de un fluido gaseoso generalmente el aire en un determinado tiempo. Se usa principalmente para la actuación sobre elementos finales de control tales como válvulas y pistones, entre otros.

Señal Hidráulica

Es la variación de la presión de un fluido líquido como aceites de alta viscosidad con respecto al tiempo. Se emplea principalmente en elementos finales de control donde se requieren fuerza considerable, como el caso de compuertas y pistones entre otros.

Señales de Sonido

Es el movimiento vibratorio de los cuerpos en una frecuencia determinada generando una onda al desplazarse a través de un fluido. Se aplica frecuentemente en la transmisión de información audible tal como el caso de alarmas.

Sistemas de Control Automático

El objetivo de cualquier estrategia de control es mantener una variable llamada controlada próxima a un valor deseado conocido como punto de ajuste (set-point). El término regularización es utilizado para describir la acción de control de agentes de perturbación del estado de equilibrio de la variable controlada.

Un sistema de control, solamente puede llegar a la regulación, aplicando en oposición a las fuerzas perturbadoras llamadas cargas, correcciones

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equivalentes en una o más variables denominada manipulada. La variable controlada permanecerá estable en el proceso, mientras se encuentre en estado estacionario. Este equilibrio puede ser alcanzado usualmente por distintos sistemas de control clásico o moderno.

Sistemas de Control Clásico

Sistemas de Control de Lazo Abierto

Se denominan sistemas de control de lazo abierto cuando la salida no tiene efecto sobre la acción de control. En estos casos, no se compara la salida con la entrada de referencia. Por lo tanto, para cada entrada de referencia corresponde una condición de operación fija. Así, la precisión del sistema depende de la calibración y del operador cuya función será la del controlador. En presencia de perturbaciones, un sistema de control de lazo abierto no cumple función reguladora, ya que no tiene forma de conocer el resultado del control efectuado o salida del proceso. En la práctica el control de lazo abierto sólo se utiliza si la relación entre la entrada y la salida es conocida y si no se presentan perturbaciones tanto internas como externas significativas.

Sistema de Control de Lazo Cerrado

Se denomina sistema de control de lazo cerrado a aquel que frente a una perturbación, reduce la diferencia entre la salida del sistema y el valor deseado o “set point”, realizando el control de forma automática.

Sistemas de Control Moderno Control Adaptativo

Es un método en el cual la respuesta de un controlador varía automáticamente basado en los cambios de las condiciones dentro del proceso y puede emplearse en diversas aplicaciones, como por ejemplo en el control del pH.

Control Difuso

Este control utiliza la lógica difusa a través de conceptos de inteligencia artificial, para convertir una muestra de la señal real a números difusos, para tratarlos luego según las reglas de inferencia y las bases de datos,

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determinados en las unidades de decisión, permitiendo así la estabilización del sistema sin la necesidad de fijar un punto de referencia (set-point).

Redes Neuronales Artificiales

Están diseñadas para actuar como lo hace el cerebro humano, conectando la red entre los elementos de la forma más sencilla para poder ser entrenados, y realizar funciones complejas en diversos campos de aplicación.

Instrumentación Electrónica

La instrumentación industrial es la parte de la electrónica, principalmente analógica, que se encarga del diseño y manejo de los aparatos electrónicos, sobre todo para su uso en mediciones. La instrumentación electrónica se aplica en el sensado y procesamiento de la información proveniente de variables física y químicas, a partir de las cuales se realiza el monitoreo y control de procesos, empleando dispositivos y tecnologías electrónicas.

Sensores

Un sensor es un elemento que se encarga que transformar la variación de la magnitud a medir en una señal eléctrica. Los sensores se pueden dividir en:

Pasivos: los que necesitan un aporte de energía externa.

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

una variación de su resistencia eléctrica. Un ejemplo puede ser un termistor, que sirve para medir temperaturas.

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

una variación de la capacidad de un condensador. Un ejemplo es un condensador con un material en el dieléctrico que cambie su conductividad ante la presencia de ciertas sustancias.

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

una variación de la inductancia de una bobina. Un ejemplo puede ser una bobina con el núcleo móvil, que puede servir para medir desplazamientos.

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

se les llama sensores generadores. Un ejemplo puede ser un transistor en el que la puerta se sustituye por una membrana permeable sólo a algunas sustancias (IsFET), que puede servir para medir concentraciones.

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A veces también se puede aprovechar una característica no deseada de un elemento, como la dependencia de la temperatura en los semiconductores, para usar estos elementos como sensores.

Acondicionadores

La señal de salida de un sensor no suele ser válida para su procesado. Por lo general requiere de una amplificación para adaptar sus niveles a los del resto de la circuitería. En algunos casos, puede que la salida del sensor no sea lineal o incluso que ésta dependa de las condiciones de funcionamiento (como la temperatura ambiente o la tensión de alimentación) por lo que hay que

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

hardware o software.

Otras veces la información de la señal no está en su nivel de tensión, puede que esté en su frecuencia, su corriente o en algún otro parámetro, por lo que también se pueden necesitar demoduladores, filtros o convertidores corriente-tensión.

Un ejemplo clásico de acondicionador es el puente de Wheatstone, en el que se sustituyen una o varias impedancias del puente por sensores. A continuación típicamente se coloca un amplificador.

Por último, entre el acondicionador y el siguiente paso en el proceso de la señal puede haber una cierta distancia o un alto nivel de ruido, por lo que una señal de tensión no es adecuada al verse muy afectada por estos dos factores. En este caso se debe adecuar la señal para su transporte, por ejemplo transmitiendo la información en la frecuencia o en la corriente (por ejemplo el bucle de 4-20mA).

Transductor

Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente de salida. El nombre del transductor indica cual es la transformación que realiza, aunque no necesariamente la dirección de la misma. Es un dispositivo usado principalmente en las ciencias eléctricas para obtener la información de entornos físicos a señales o impulsos eléctricos o viceversa.

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Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 1 – Página 13 Digitalización

Para un procesado de la señal eficaz hay que convertir la señal en digital. La instrumentación también estudia la conversión analógica-digital, así como la conversión digital-analógica. Por otra parte también pueden usarse técnicas de multiplexado de señales en el caso que haya más de una para medir.

Instrumentación Virtual

La instrumentación virtual consiste en la emulación de instrumentos físicos mediante el empleo de equipos de computación. En estos casos, el computador recaba la información correspondiente de la variable a medir y muestra la información por pantalla, en muchos casos semejando el comportamiento de un instrumento físico.

Algunos programas especializados en este campo son LabVIEW y Agilent-VEE (antes HP-VEE), y algunos buses de comunicación populares son GPIB, RS-232, USB, etc.

Características y Parámetros de los Instrumentos Industriales de

Medición

Escala Completa de Salida

Es la diferencia algebraica entre las señales eléctricas de salida medidas con el máximo estímulo de entada y el mínimo estímulo de entrada. Debe incluir toda desviación de la función de transferencia lineal

Exactitud

En instrumentación se denomina exactitud a la capacidad de un instrumento de medir un valor cercano al valor de la magnitud real. Exactitud implica precisión, pero no al contrario. Esta cualidad también se encuentra en instrumentos generadores de magnitudes físicas, siendo en este caso la capacidad del instrumento de acercarse a la magnitud física real. Es la razón de la máxima desviación de un valor representado por el sensor, con respecto al valor ideal. Normalmente viene expresado en porcentaje.

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Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 1 – Página 14 Ejemplo

Un sensor de desplazamiento lineal debería, idealmente, generar un milivoltio por cada milímetro de desplazamiento. Sin embargo en un experimento, un desplazamiento de 10,5 mm, produjo una salida 10,5 mV. Considerando sólo este valor, se esperaría que el desplazamiento hubiera sido de 10,5 mm, Esta desviación indica una exactitud de ±5%.

Precisión

En instrumentación se denomina precisión a la capacidad de un instrumento de dar el mismo resultado en mediciones diferentes realizadas en las mismas condiciones. Es un parámetro relevante, especialmente en la investigación de fenómenos físicos, ámbito en el cual los resultados se expresan como un número más una indicación del error máximo estimado para la magnitud.

Ejemplo

Se está midiendo un voltaje conocido de 100 V. Se toman cinco lecturas con cierto voltímetro y los valores encontrados son 104, 103, 105, 103 y 105 V respectivamente. Ya que la desviación máxima del instrumento con respecto al valor real (100 V) es de 5 V, entonces se tiene que la exactitud es de ±5%. Como la desviación máxima con respecto a la media de las lecturas es de 1 V, entonces la precisión es de ±1%.

Idealmente un instrumento es exacto y preciso con medidas todas cercanas entre sí y a la vez, cercanas al valor deseado. Algunos de los factores que falta de exactitud y precisión incluyen:

 Variaciones en los materiales

 Imprecisiones humanas en la fabricación

 Errores de diseño

 Tolerancias en la fabricación

 Condiciones ambientales Error de Calibración

Es la inexactitud permitida por el fabricante, que debe darse como especificación del dispositivo.

Histéresis

La histéresis es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado. En instrumentación, es la desviación de la señal de salida del sensor en un punto

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

Ejemplo

Un termómetro al medir un objeto que se encuentra a 50 °C arroja una lectura de 49 °C cuando el objeto se está calentando y de 51 °C cuando se está enfriando. En este caso se dice que la histéresis es de ±1°C.

No Linealidad

Es aplicable sólo a los casos donde la función de transferencia puede ser aproximada por una recta, y consiste en la máxima desviación de una función de transferencia real con respecto a la aproximación real. Se mide en términos de la no linealidad máxima y se expresa como un porcentaje de la deflexión de escala completa.

Sensibilidad

La sensibilidad de un dispositivo electrónico, es la mínima magnitud en la señal de entrada requerida para producir una determinada magnitud en la señal de salida, dada una determinada relación señal a ruido, u otro criterio especificado. Se representa como la razón de cambio entre la salida del sensor y el estímulo.

Resolución

Es el cambio más pequeño de la variable medida, que un sensor es capaz de detectar. Se define como el mayor cambio en la entrada que puede ocurrir sin cambio correspondiente en la salida. La resolución está relacionada con la precisión con la cual se realiza la medida.

Zona Muerta

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

Campo de Medida

Es el conjunto de valores de la variable medida, que están comprendidas dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medición o

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transmisión del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos.

Ejemplo

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

Alcance

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

Ejemplo

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

Saturación

Es el área de valores de la variable medida, donde el instrumento ha sobrepasado su capacidad máxima de operación por lo que se presenta un comportamiento distinto a la operación normal y por lo tanto, no confiable. Repetibilidad

Es la capacidad de un instrumento para reproducir la misma lectura al leer valores idénticos de la variable bajo las mismas condiciones.

Ejemplo

Un manómetro con precisión de 1 psi que mide una presión de 25 psig y entrega lectura de 25,5, 26, 24,3 y 24 psig se dice que tiene una operación repetible. Si arrojase una lectura de 27 psig estaríamos frente a una falta de repetibilidad, a menos que se demuestre que existe un problema de histéresis.

Error

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

Ruido

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

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Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 1 – Página 17 Linealidad

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

Elevación de Cero

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

Supresión de Cero

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

Es la temperatura de trabajo del instrumento Rango

Es el campo de medida para cualquier número de valores que siempre deben estar entre un límite superior e inferior, según las especificaciones del instrumento.

Vida Útil de Servicio

Es el tiempo durante el cual se espera que el instrumento funcione de acuerdo con las especificaciones del fabricante.

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Capítulo 2

Medición de Presión

Definiciones Básicas

La presión es definida como la fuerza por unidad de área, ejercida por un fluido – líquido o gas – en cualquier superficie. Típicamente se realizan tres tipos de medición de presión:

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

Representa la diferencia de presión entre el punto de medición y el vacío perfecto donde la presión es cero.

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

ambiente. En realidad la presión ambiente (atmosférica) puede variar, pero sólo la diferencia de presión es lo que interesa en la medida de presión relativa.

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

cuales funciona como la referencia. En la realidad ambas presiones pueden variar, pero lo que importa es la diferencia de presión.

Unidades de Presión y Conversión

La principal unidad de medida de la presión es el pascal (Pa), que está definido como un newton por pulgada cuadrada (Nm-2_{). Un pascal es una} unidad de presión muy pequeña; por esa razón, se emplean múltiplos del pascal (kilopascal [kPa] y megapascal [MPa]) para representar altas presiones. En los Estados Unidos la unidad de medida comúnmente usada para la presión es la libra de fuerza por pulgada cuadrada (psi), la cual equivale a aproximadamente 6,9 kPa. Adicionalmente, para las presiones absoluta, relativa y diferencial se especifican psia, psig y asid respectivamente. Sin embargo, esta diferenciación sólo se hace con esta unidad de medida.

Otra unidad de medida para la presión es el milímetro de mercurio a 0°C (mm Hg) o la pulgada de agua a 4°C (in H2O), las cuales expresan la presión en

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términos de la altura de una columna de líquido estático. La presión está referida a la que se ejercería en la base de la columna de líquido debido a su peso de acuerdo con la ecuación que se muestra a continuación:

h g p 

donde  es la densidad del líquido, g es la aceleración de la gravedad y h es la altura de la columna. La tabla 2.1 muestra los valores de conversión de las unidades de medida más comúnmente utilizadas para representar la presión.

Tabla 2.1 – Tabla de Conversión de Unidades de Presión

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

kPa 1,00000 0,14500 4,01500 10,2000 0,25930 7,50100 10,0000 psi 6,89500 1,00000 27,6800 70,3100 2,03600 51,7200 68,9500 in H2O 0,24910 0,03613 1,00000 2,54000 0,07355 1,86800 2,49100 cm H2O 0,09806 0,01422 0,39370 1,00000 0,02896 0,73550 0,98060 in Hg 3,38600 0,49120 13,6000 34,5300 1,00000 25,4000 33,8600 mm Hg 0,13330 0,01934 0,53530 1,36000 0,03937 1,00000 1,33300 mbar 0,10000 0,01450 0,04015 1,02000 0,02953 0,75010 1,00000 kPa: kilopascal

psi: libra de fuerza por pulgada cuadrada in H2O: pulgada de agua a 4°C cm H2O: centímetro de agua a 4°C in Hg: pulgada de mercurio a 0°C mm Hg: milímetro de mercurio a 0°C mbar: milibar

Principios de Medición

Dado que la presión es definida como la fuerza por unidad de área, la manera más directa de medirla es aislarla un área en un elemento mecánico elástico para que la fuerza actúe sobre ella. La deformación del elemento sensor produce desplazamientos y tensiones que pueden ser detectadas con gran precisión para obtener una medida calibrada de la presión. Esto constituye la base de todos los sensores de presión disponibles comercialmente en la actualidad. En concreto, los requerimientos básicos para un elemento sensor de presión son un medio para aislar dos presiones de fluidos – uno que será medido y otro que se usará como referencia – y una porción elástica que permita convertir la diferencia de presión en deformación del elemento sensor. Existen diversos tipos de elementos sensores de presión, que pueden ser agrupados en diafragma, fuelle y tubo.

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Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 2 – Página 20 Sensores de Presión tipo Diafragma

En este caso el dispositivo elástico es una membrana ondulada. El fluido es dirigido de tal manera que entre en contacto con la superficie constituida por la membrana, la cual traduce la presión de éste en un movimiento cuyo desplazamiento es proporcional a la magnitud de la presión.

Figura 2.1 – Sensores de Presión de Diafragma

Sensores de Presión tipo Fuelle

Estos sensores fueron desarrollados a partir de la necesidad de medir presiones muy bajas. Estos sensores son los más exactos cuando se miden presiones entre los 0,5 y 75 psig. Sin embargo, combinados con resortes apropiados, son capaces de medir presiones sobre los 1.000 psig.

Figura 2.2 – Sensor de Presión de Fuelle

El fuelle está hecho de una sola pieza metálica colapsable, que tiene dobleces profundos formados a partir de un tubo de paredes muy delgadas. El diámetro del fuelle va de los 0,5 a las 12 pulgadas y puede tener hasta 24 dobleces. La presión del sistema es aplicada al volumen interno del fuelle. Las variaciones en la presión, ocasionan que el fuelle se expanda y contraiga. El movimiento del fuelle es entonces convertido en una señal eléctrica o es conectado directamente a un dispositivo indicador. Dentro de los límites de elasticidad del fuelle, la relación entre incremento en la carga y la deflexión

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del fuelle es lineal. Los fuelles deben ser construidos de tal manera que el movimiento ocurra en compresión. Por lo tanto, en la práctica, el fuelle siempre tiene un resorte que se le opone y las características de deflexión será la que resulte de las fuerzas ejercidas por el resorte y el fuelle.

Sensores de Presión tipo Tubo de Bourdon

El sensor tipo tubo de Bourdon es uno de los instrumentos más antiguos para la medición de presión. El tubo de Bourdon consiste en un tubo de paredes delgadas curvado o torcido a lo largo que presenta una sección transversal ovalada. EL tubo está sellado en un de sus extremos, y tienen a enrollarse o desenrollarse cuando es sometido a una presión en su interior. En general, los tubos de Bourdon están diseñados para medir altas presiones.

Figura 2.3 – Sensor de Presión tipo Tubo de Bourdon

La presión aplicada en el interior ocasiona una distensión en la sección transversal plana por lo que tienen a desenrollarse. Debido a que el tubo está firmemente fijado en uno de sus extremos, la otra punta del tubo traza un movimiento curvo que resulta en un cambio de la posición angular con respecto al centro. El movimiento de la punta puede ser usado para desplazar un indicador o para ser convertido en una señal eléctrica equivalente

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Método de Detección

Se requiere de un método de detección que convierta la deformación del elemento sensor en una lectura de presión. La forma más simple es amplificar el movimiento mecánicamente y adosar un indicador sobre una escala graduada. Algunos de los más antiguos sensores de presión empleaban un tubo de Bourdon que actuaba sobre una resistencia variable (potenciómetro). Otra solución es utilizar el desplazamiento del tubo de Bourdon para mover un núcleo magnético dentro de una bobina para variar su inductancia.

En los sensores de presión piezoeléctricos, la tensión asociada a la deformación del elemento sensor es convertido en electricidad utilizando un cristal piezoeléctrico. Este tipo de sensor es de gran utilidad cuando se miden eventos transitorios de alta presión.

Sensores de Presión Capacitivos

Está técnica permite la construcción de sensores de presión de alta exactitud (menos de 0,1%) que pueden ser diseñados para cubrir un amplio rango de presiones. El principio de funcionamiento de estos sensores es el siguiente. Un diafragma de metal o silicio es usado con el elemento sensor y constituye uno de los electrodos del condensador. El otro electrodo, que es estacionario, está típicamente construido a partir de una capa de metal sobre un substrato cerámico o de vidrio. Cuando se aplica una presión el diafragma se reflecta lo que cambia el espacio entre los electrodos y por ende la capacitancia. En el diseño capacitivo diferencial, el diafragma sensor está colocado en el medio de dos electrodos estacionarios. Al aplicarse una presión, una de las capacitancias disminuye mientras que la otra aumenta.

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Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 2 – Página 23 Figura 2.4 – Sensor Capacitivo Diferencial

Sensores de Presión Piezoresistivos

Los sensores de presión piezoresistivos son los más usados actualmente. El efecto piezoresistivo se refiere al cambia en la resistencia eléctrica que sufre un material cuando es sometido a presión o tensión.

Sensores de Presión a base de Microchips de Silicio

Los sensores de presión a base de microchips de silicio se refieren a una clase de sensores de presión que emplean técnicas de circuitos integrados para construir elementos sensores de diafragma en un chip de silicio. Las galgas de tensión hechas de resistencias difuminadas de silicio están típicamente integradas a diafragmas que convierten la deflexión inducida en una variación de la resistencia eléctrica.

Consideraciones en el Uso de Sensores de Presión

Los instrumentos de presión son sensibles a las variaciones en la presión atmosférica que rodea el detector. Esto es especialmente importante cuando el detector se encuentra ubicado en un ambiente cerrado. Las variaciones en la presión que circunda al sensor ocasionan que la presión indicada cambie.

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Esto reduce la exactitud del instrumento y debe ser considerado al momento de su instalación y mantenimiento.

La temperatura ambiente afecta la exactitud y confiabilidad de la detección de presión. Las variaciones en la temperatura ambiente afectan directamente la resistencia de los componentes en la circuitería del instrumento, afectando por ende la calibración del equipo. El efecto de las variaciones de temperatura es reducido por el diseño de la circuitería y mantenimiento la instrumentación para detección de presión en el ambiente apropiado.

La presencia de humedad afecta a la mayoría de los equipos eléctricos, en especial a los electrónicos. Una alta humedad puede causar condensación dentro del equipo. La condensación puede ocasionar cortocircuitos, aterramiento, corrosión que a la larga dañará los componentes. Los efectos de la humedad son controlados mantenimiento el equipo en el ambiente apropiado.

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Capítulo 3

Medición de Temperatura

La Medida de la temperatura constituye una de las mediciones más comunes e importantes efectuadas en los procesos industriales, estableciéndose sus limitaciones según el tipo de aplicación, la precisión, velocidad de captación, distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador necesario.

Se utiliza una gran variedad de transductores para medir temperatura, algunos de cuales la convierten directamente en una señal eléctrica y otros se emplean en combinación con un transductor.

Los transductores de temperatura más comunes son:

 Bandas Bimetálicas

 Termopares

 Detectores de temperatura resistivos (RTD)

 Termistores

 Sensores de semiconductor

 Pirómetros de radiación

Los metales puros tienen un coeficiente de resistencia de temperatura positivo bastante constante, por lo que el factor de proporcionalidad entre la resistencia y la temperatura es una línea recta.

Al usar un alambre de metal puro para la medición de temperatura, se le refiere como detector resistivo de temperatura o RTD (Resistive Temperature

Detector).

Termómetros de Vidrio

Este instrumento posee un depósito de vidrio el cual contiene un fluido, cuyo cuerpo se dilata por acción de calor, expandiéndose a través del tubo capilar graduado, para medir la temperatura en las unidades señaladas por el termómetro.

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Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son:

 Mercurio: desde -35 °C hasta 280 °C

 Pentano: desde -200 °C hasta 20 °C

 Alcohol: desde -110 °C hasta 50 °C

 Tolueno: desde -70 °C hasta 100 °C

Figura 3.1 – Termómetro de Vidrio

Banda o Cinta Bimetálica

Este sensor se construye por medio de dos cintas de metales diferentes unidas. Debido a la diferencia en los coeficientes de expansión térmica de los dos metales, el calentamiento de toda la cinta origina una mayor expansión longitudinal en una de ellas; como las cintas están soldadas a lo largo de toda su extensión, toda la cinta se doblará en la dirección del metal que se expande menos. La extensión del doblamiento es proporcional al cambio de temperatura. Si un extremo de la cinta esta sujeto firmemente, mientras el otro esta libre, la magnitud del doblamiento se puede emplear para indicar el cambio de temperatura. Esto se puede lograr uniendo un transductor de posición al extremo libre de la cinta y calibrar su desplazamiento de acuerdo con los cambios de temperatura.

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Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 3 – Página 27 Figura 3.2 – Termómetro Bimetálico

Las ventajas al trabajar del termómetro bimetálico incluyen:

 Rápida respuesta e indicación exacta de la temperatura.

 Estructura maciza y fuerte para trabajar en condiciones difíciles.

 Fácil lectura.

 Simple y conveniente calibración

 La exactitud de medición no es afectada por los cambios de ambiente en su cubierta.

 El visor puede instalarse lejos del punto de medición.

 Se puede aplicar en ambientes corrosivos y de alta presión.

 Precisión de ± 1 %

Estos transductores también pueden ser empleados como interruptores, utilizando los movimientos de la cinta para activar o desactivar equipos y su rango de aplicación varía desde los -2.3 °C hasta 285 °C.

Termocuplas

Las termocuplas, también llamados comúnmente termopares, se utilizan extensamente, ofreciendo un amplio rango de temperaturas y una construcción robusta. No precisan alimentación de ningún tipo y su reducido precio los convierte en una opción muy atractiva para grandes sistemas de adquisición de datos. Sin embargo, para superar algunos de los inconvenientes inherentes a los termopares y obtener resultados de calidad, es importante entender la naturaleza de estos dispositivos.

Principio de Funcionamiento

El comportamiento de un termopar se basa en la teoría del gradiente, según la cual los propios hilos constituyen el sensor. Cuando se calienta uno de los

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extremos de un hilo, se produce una tensión en función del gradiente de temperatura desde uno de los extremos del hilo al otro (de acuerdo con el coeficiente de Seebeck, que es una constante de proporcionalidad que varía de un metal a otro).

Juntura de Referencia Flujo de corriente Juntura de Medición

Metal A

Metal B

Llama

Figura 3.3 – Representación a la Juntura en una Termocupla

El sensor es un circuito formado por dos cables distintos unidos en ambos extremos, desarrollando un voltaje proporcional a la diferencia de temperaturas en las dos uniones a las cuales se les conoce como juntura de medición y juntura de referencia.

Figura 3.4 - Termocupla

Clasificación

La clasificación de las termocuplas ha sido establecida por la ANSI, tomando en cuenta la respuesta de voltaje versus temperatura, el desempeño en el medio ambiente y la vida útil.

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Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 3 – Página 29 Tabla 3.1 – Tipos de Termocuplas

Tipos Materiales Aplicación (° F) mV

B Platino 30% Rodio (+) Platino 6%

Rodio (-) 100 - 3.270 0,007 a _13,499

C Tungsteno 5% Renio (+) Tungsteno

26% Renio (-) 3.000 – 4.200 -

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

(-) 32 – 1.800 0 a 75,12

J Acero (+) Constantan (-) -300 – 1.600 -7,52 a 50,05 K Cromel (+) Alumel (-) -300 – 2.300 -5,51 a 51,05

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

R Platino 13% Rodio (+) Platino (-) 32 – 2.900 0 a 18,636 S Platino 10% Rodio (+) Platino (-) 32 – 2.800 0 a 15,979 T Cobre (+) Constantan (-) -300 - 750 -5,28 a 20,80 Detectores de Temperatura Resistivos (RTD)

El cambio en la resistencia de un metal hace posible medir la temperatura a través del paso de corriente eléctrica. La construcción clásica de un detector de temperatura resistivo consiste en una bobina de alambre delgado de cobre, níquel o platino fijado a un bastidor de soporte. También se fabrican depositando una película delgada de platino sobre un substrato de cerámica. Estos RTD’s requieren menos platino y son más baratos. Los RTD’s se caracterizan por tener una excelente linealidad en el rango de operación. Para trabajos a baja temperatura se emplean resistencias de carbón. Cuando se necesita bajo costo se emplean cobre y níquel, pero con la desventaja de una linealidad reducida.

Los rangos de los RTD's varían entre los 10 ohmios para los modelos de jaula y varios miles de ohmios para los RTD's de película metálica. Para detectar cambios de resistencia presentes en los RTD's se emplean puentes de Wheatstone.

La aplicación de este sensor, se realiza en cualquier actividad industrial y los rangos de temperaturas, según el material utilizado son:

 Platino: -200 a 650 ºC

 Cobre : -100 a 260 ºC

 Níquel: -100 a 205 ºC

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Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 3 – Página 30 Figura 3.5 – RTD

Ventajas

 Comportamiento lineal en amplio rango de operación

 Amplio rango de temperatura, aplicación para altas temperaturas

 Fácil de intercambiar (estándar)

 Buena estabilidad a altas temperatura

 Alta relación señal a ruido; buena exactitud y permite grandes distancias entre el sensor y el equipo de medición

Desventajas

 La magnitud de la corriente debe ser inferior a 5 mA para no causar un aumento de temperatura en el RTD

 Baja sensibilidad

 Alto costo

 Afectado por choques y vibraciones

Termistores

Los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado con una curva característica lineal cuando la temperatura es constante.

Los termistores se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros circuitos de medida de resistencia. En intervalos amplios de temperatura, los termistores tienen características no lineales. Son de

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pequeño tamaño y su tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor, variando de fracciones de segundo a minutos.

Figura 3.61.- Montaje de Termistores Comerciales

Figura 3.6 – Termistor

Los termistores encuentran su principal aplicación en la compensación de temperatura, como temporizadores y como elementos sensibles en vacuómetros.

Los termistores, son detectores resistivos fabricados normalmente de semiconductores cerámicos, que ofrecen una impedancia más alta que los RTD. La reducción de los errores provocados por los hilos conductores, hacen bastante factible el uso de la técnica de dos hilos. Su propiedad de presentar un gran cambio de resistencia con un pequeño cambio de temperatura, permite obtener medidas de alta resolución y reduce el impacto de la resistencia de los hilos conductores. Por otra parte la baja masa térmica del termistor, minimiza la carga térmica en el dispositivo sometido a prueba. El inconveniente del termistor es su falta de linealidad, siendo necesaria la implementación de un algoritmo de linealización.

Transductores de Temperatura basados en Semiconductores

Existen muchos dispositivos basados en la sensibilidad térmica de los semiconductores. Los tres tipos más comunes son las resistencias semiconductoras volumétricas, los diodos y los circuitos integrados.

Resistencias Semiconductoras Volumétricas

Son dispositivos semiconductores sencillos. Varían su resistencia con un coeficiente positivo de temperatura de 0,7% por °C. Trabajan en un rango de temperaturas desde los -65 °C hasta los 200 °C siendo razonablemente lineales (±0.5%). Tienen el aspecto de resistencias de ¼ W y su resistencia nominal va desde 10  hasta 10 k con tolerancias de 1% a 20%. Son

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

Diodos Semiconductores

Su principio de funcionamiento se basa en la proporcionalidad del voltaje de juntura del diodo a la temperatura del mismo. Para los diodos de silicio, este factor de proporcionalidad es de -2.2 mV/°C. El rango de temperaturas de este sensor va desde los -40 °C hasta 15 °C. Son muy utilizados por su bajo costo, linealidad y rápida respuesta. Tienen como desventaja, que dos diodos del mismo tipo pueden tener diferentes valores iniciales de voltaje de juntura, por lo que es necesario la inclusión de circuitos de calibración.

Circuitos Integrados

Este tipo de transductor es altamente lineal y su porcentaje de error puede llegar a ser de hasta 0.05% (según el rango de temperatura).

Por trabajar con corriente, no es afectado por el ruido; el calentamiento propio es despreciable. Puede ser utilizado como sensor remoto de temperatura, ay que las caídas en la línea son pequeñas.

Pirómetros de Radiación

Los pirómetros de radiación se basan en la ley de Stefan-Boltzman (K), donde la intensidad de energía radiante (w) emitida por la superficie de un cuerpo, aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (T) del mismo. Desde el punto de vista de medición de temperaturas industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde las 0,1 micras para las radiaciones ultravioletas, hasta 12 micras para las radiaciones infrarrojas. La radiación visible ocupa un intervalo entre la longitud de onda 0,45 micras para el valor violeta hasta 0,70 micras para el rojo.

Los pirómetros de radiación total miden la temperatura captando toda o parte de la energía emitida por un cuerpo. Los pirómetros ópticos miden la temperatura de un cuerpo en función de la radiación luminosa emitida.

Pirómetros Ópticos

Los pirómetros ópticos manuales se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado.

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Pueden ser de dos tipos, que incluyen corriente variable ó constante en la lámpara y variación del brillo de la imagen de la fuente.

Temperatura demasiado baja Temperatura correcta Temperatura demasiado alta Lente Persiana Persiana Lampara de enf oque Ventanilla de enf oque Lente Ventanilla de enf oque Lampara de comparacion Filtro

Figura 3.7 – Pirómetros Ópticos

Los pirómetros ópticos automáticos consisten en un disco rotativo para modular la radiación del objeto y la de una lámpara estándar incidiendo en un fototubo multiplicador. Éste envía una señal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua, convenientemente acondicionada para modificar la corriente de alimentación de la lámpara estándar hasta coincidir con el brillo de la radiación del objeto y de la lámpara. En algunos modelos, el acondicionamiento de señal se realiza con un microprocesador permitiendo alcanzar una precisión de ±0,5% en la lectura. El pirómetro dirigido sobre una superficie incandescente no proporciona una temperatura verdadera si la superficie no es perfectamente negra.

Filamento del pirometro Superf icie del objeto

que se esta examinando

Figura 3.8 – Principio de Funcionamiento del Pirómetro Óptico de Desaparición de Filamento

Pirómetro de Radiación Total

El pirómetro de radiación total, está formado por una lente de pirex, silicio o fluoruro de calcio, que concentra la radiación del objeto caliente en una

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termopila formada por varios termopares de Pt-Pt/Rh, de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa los hace muy sensible a pequeñas vibraciones de la energía radiante, y muy resistentes a vibraciones o choques. La parte de los termopares expuesta a la radiación está ennegrecida, para aumentar sus propiedades de absorción y proporcionar la fuerza electromotriz máxima (FEM).

TR

Termopila Lente

Objeto

Figura 3.9 – Pirómetro de Radiación Total

La fuerza electromotriz máxima proporcionada por la termopila, depende de la diferencia de temperatura entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión fría. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro (temperatura ambiente). La compensación de ésta se lleva a cabo utilizando una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro y colocada en su interior para igualar la temperatura de este cuerpo. Al aumentar la temperatura ambiente, aumenta el valor de la resistencia de la bobina de níquel, compensado la pérdida de la fuerza electromotriz máxima de la termopila para calentar el cuerpo del instrumento. En los bornes de la termopila va conectado un cable de cobre que llega hasta el instrumento.

La compensación descrita se utiliza para temperatura ambiente máxima de 120°C. Para temperaturas mayores, se emplean dispositivos de refrigeración por aire o por agua, disminuyendo la temperatura de la caja en unos 10 a 40 °C por debajo de la temperatura ambiente.

En la medición de bajas temperaturas, la compensación se efectúa utilizando además una resistencia termostática adicional, manteniendo constante la temperatura de la caja en unos 50 °C, valor mayor a la temperatura ambiente y lo suficientemente baja como para no reducir apreciablemente la diferencia de temperatura útil.

La relación entre la fuerza electromotriz máxima generada y la temperatura del cuerpo es independiente de la distancia entre el cuerpo y la lente, siempre

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que la imagen de la superficie del cuerpo emisor de la radiación cubra totalmente la unión caliente de la termopila. El fabricante normaliza la relación entre las dimensiones del objeto y su distancia al lente, para garantizar buenas condiciones de lectura.

Las lentes de pirex se utilizan en el campo de temperaturas de 850 a 1750 °C, las de sílice fundido en el intervalo de 450 a 1250 °C y las de fluoruro de calcio con un ángulo de enfoque ancho para captar la mayor cantidad posible de energía, de 50 a 200 °C.

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Capítulo 4

Medición de Tensión y Carga

Esfuerzo y Deformación (Stress and Strain)

El esfuerzo y deformación son utilizados para describir la carga y deformación sobre materiales sólidos. El esfuerzo () es la fuerza aplicada (F), dividida por la sección transversal (A). La deformación resultante () es el cambio en la longitud (L) dividida por la longitud inicial L. Una barra se estira en la

dirección de una fuerza que la “hala” (deformación longitudinal L) y se contrae en la dirección perpendicular a la fuerza (deformación transversal t). Cuando la deformación no es muy grande, muchos materiales sólidos se comportan como un resorte lineal: el desplazamiento es proporcional a la fuerza aplicada. Si la misma fuerza es aplicada a un material más grueso, el resorte es más rígido y el desplazamiento es menor. Esto lleva a una relación entre fuerza y desplazamiento que dependen de las dimensiones físicas del material. Otras propiedades del material, tales como densidad y calor específico, deben ser definidas de tal manera que sean independientes de la forma y tamaño de la pieza. Las propiedades elásticas de un material están definidas en términos de esfuerzo y deformación. En el rango lineal de la respuesta del material, el esfuerzo es proporcional a la deformación. La relación entre esfuerzo y deformación de una barra bajo tensión es un constante de elasticidad conocida como módulo de Young (E). La relación negativa de la deformación transversal y longitudinal se conoce como relación de Poisson (v).

La fuerza puede ser aplicada a un material de tal manera que cause distorsión en lugar de elongación. Una fuerza aplicada tangente a la superficie dividida por la sección transversal es como una deformación tangente (). Esta distorsión puede ser medida por el ángulo del cambio producido.

Los cambios en la temperatura también producen deformación, llamada expansión térmica. En la mayoría de los materiales, la deformación térmica aumenta con la temperatura. Dentro de un rango limitado de temperatura, la relación entre la deformación térmica y la temperatura es lineal.

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Se usan varios tipos de sensores para medir deformación. Estos incluyen galgas piezoresistivas, galgas piezoeléctricas, galgas de fibra óptica, materiales birrefringentes y malla de Moiré. Cada tipo de sensor requiere de un acondicionamiento especial de la señal. La selección del mejor medidor de deformación incluye aspectos tales como la geometría del elemento a medir, la temperatura, la rata de esfuerzo, frecuencia, magnitud, costos, complejidad, exactitud, resolución espacial, resolución temporal, sensibilidad a la deformación transversal, sensibilidad a la temperatura y complejidad del acondicionamiento de la señal.

Principio de Operación

Galgas Piezoresistivas

Estas galgas incluyen un delgado substrato aislante, una película o malla de cables (usualmente constantan) unidos a un substrato, cables que conectan la malla y circuito para medición de resistencia, en un encapsulado aislante. La malla está orientada de tal forma que la deformación comprima las piernas de la malla longitudinalmente. Esto hace que el sensor sea sensible principalmente a deformación longitudinal, no obstante siempre habrá algo de sensibilidad a la deformación transversal.

Figura 4.1 – Galga Piezorresistiva

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

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Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 4 – Página 38 L L G R R _  

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

es la deformación.

El sensor responde a la deformación promedio sobre el área cubierta por la malla. El cambio de la resistencia es también sensible a la temperatura. Si la temperatura cambia durante el período de medición, es necesario hacer una corrección que permita distinguir entre la respuesta a la deformación y la respuesta térmica. La respuesta del sensor a la deformación longitudinal, deformación transversal y cambio en la temperatura viene dada por la ecuación: T G G G R R T t t L L      _ _

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

respectivamente. La contribución de la temperatura debe ser eliminada en los casos en que la medición se haga en ambientes con temperatura cambiante. Este esquema es llamado de auto compensación térmica (STC) y se logra seleccionando un material piezoresistivo cuya respuesta térmica pueda ser cancelada por la deformación térmica inducida por la temperatura en el material medido. Los fabricantes de estos sensores especifican números STC que corresponden al coeficiente de expansión térmico de la mayoría de los materiales.

Galgas Piezoresistivas Semiconductoras

Estos sensores de deformación, al igual que el caso anterior, reflejan un cambio en su resistencia eléctrica como respuesta a la deformación, pero con una relación un orden de magnitud mayor. El acoplamiento entre resistencia y temperatura es grande, por lo que deben ser compensados por temperatura. Las galgas semiconductoras son usadas típicamente para fabricar celdas de carga. Son frágiles y requiere de gran precaución en su uso.

Galgas Piezoeléctricas

Los sensores de deformación piezoeléctricos son condensadores de placas paralelas cuya propiedad dieléctrica varía como respuesta a la deformación. Cuando cambia la polarización, se produce una carga proporcional a la

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deformación. Estos sensores son de relativamente bajo costo pero no muy exactos. Son buenos para medición dinámica pero no para cuantitativa. Además, tienen a drenar carga a través del instrumento de medición, por lo que en mediciones semi-estáticas, la señal tiende a decaer con una constante de tiempo que depende de la impedancia del instrumento de medición. Los sensores de cuarzo son muy exactos, pero también pierden carga a través del instrumento de medición. Las constantes de tiempo pueden ser bastante largas (desde segundos hasta horas) con electrómetros y amplificadores de carga.

Galgas de Fibra Óptica

Estos sensores son interferómetros en miniatura. Muchos de los disponibles comercialmente, están basados en el interferómetro de Fabry-Perot. Este interferómetro es capaz de medir cambios en el tamaño de una cavidad muy pequeña. Este sensor incluye una fuente de luz láser, fibra óptico monomodo, acoplador, la cavidad que mide deformación y un foto detector. La luz sale del diodo láser, pasa a través de la fibra óptica, a través del acoplador y llega a la cavidad. El final de la fibra es el equivalente a un espejo semitransparente. Parte de la luz es reflejada de regreso y parte es transmitida. La luz que cruza la cavidad es reflejada desde el otro extremo, de regreso a la fibra donde se recombina con el rayo reflejado. Los dos rayos tienen una diferencia de fase, que guarda relación con el doble de la longitud de la cavidad. El rayo recombinado pasa a través del acoplador y llega al foto detector. Si los dos rayos reflejados están en fase, habrá una interferencia constructiva. Si están fuera de fase, la interferencia será destructiva. Una deformación en la cavidad ocasionará un desfasaje en los rayos.

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Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 4 – Página 40 Figura 4.2 – Sensor de Deformación basado en Interferómetro Fabry-Perot

Sensor de Película Birrefringente

Estos sensores proporcionan todo un campo de medida para deformación. Los materiales birrefringentes tienen como propiedad, que la luz lo atraviesa a diferente velocidad según la dirección en que esta incida. Esto significa que si la luz es polarizada en una dirección particular y es hecha pasar a través del material birrefringente, si la dirección rápida está alineada con el vector del campo eléctrico, la luz pasará más rápido que si la dirección lenta es la que está alineada con el vector del campo eléctrico.

Este efecto puede ser utilizado para producir interferencia óptica. En algunos materiales la birrefringencia es producida por deformación. Las direcciones rápida y lenta corresponden a la dirección de la deformación principal, y la cantidad de birrefringencia está relacionada con la magnitud de la deformación. Un componente del vector del campo eléctrico viaja más rápido que el otro; emergerán con diferencia de fase. Esto cambia la amplitud relativa y rota la polarización de la luz. Si no hay birrefringencia, no hay luz que pase a través del segundo polarizador. En la medida en que aumenta la birrefringencia con la deformación, aumenta la cantidad de luz que pasa.

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Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 4 – Página 41 Figura 4.2 - Polariscopio

Sensores de Mallas de Moiré

La interferencia Moiré es otra técnica que proporciona todo un campo de medición, pero que computa desplazamiento en lugar de deformación. Esta técnica está basada en la interferencia que se obtiene cuando dos placas transparentes son cubiertas franjas equiespaciadas. Si las placas son colocadas una sobre la otra, estas pueden ser alineadas de tal manera que pase luz a través de ellas. Si una de las placas es deformada, la separación entre las franjas podría ser mayor. Esto implicaría que en algunas regiones la luz pasaría a través de las placas y en otras no. Las bandas iluminadas y oscuras proveen información acerca del desplazamiento producido.

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Capítulo 5

Medición de Vibración y Aceleración

La aceleración es medida por acelerómetros, como un parámetro importante para la medición absoluta de movimiento y la detección de vibración e impactos. Los acelerómetros están disponibles comercialmente en una amplia variedad de rangos y tipos que se ajustan a los diferentes requerimientos y aplicaciones. Pueden ser configurados como sensores activos o pasivos.

Un acelerómetro activo (por ejemplo, piezoeléctrico) proporciona una salida sin requerir de alimentación (eléctrica) externa, mientras que uno pasivo sólo produce cambios en sus propiedades eléctricas (por ejemplo, capacitivo), por lo que requiere de alimentación externa. La selección del tipo de sensor (activo o pasivo) es muy importante ya que los sensores activos no pueden sirven para operaciones en modo dc o estáticas; para mediciones estáticas se emplean sensores pasivos. En general, los acelerómetros son utilizados, por las siguientes razones:

 Poseen un amplio rango de frecuencia desde cero hasta valores muy altos. Es fácil medir aceleraciones sostenidas

 La aceleración es importante de medir, ya que las fuerzas destructivas están más frecuentemente relacionadas con aceleración que con velocidad o desplazamiento

 El desplazamiento y velocidad pueden ser fácilmente obtenidas integrando la aceleración con circuitos electrónicos

Los acelerómetros pueden ser clasificados de muchas maneras:

 De deflexión o balance nulo

 Dinámicos o cinéticos

 Mecánicos o eléctricos

La mayoría de los acelerómetros industriales son clasificados como de deflexión o de balance nulo. Los utilizados en medición de vibración e impacto son típicamente del tipo deflexión mientras que los utilizados para detección de movimiento en vehículos y aviones para propósitos de