íNDICE

Prólogoalaséptimaedición XVII

Prólogo XVIII

Capítulo 1Generalidades .............................................

1.1 .Introducción...........................................

1.2 Definicionesencontrol...................................1.2.1 Campodemedida(range) ..........................1.2.2 A1cance(span) ...................................1.2.3 Error ...........................................1.2.4 Incertidumbre de la medida (uncertainty) ..............1.2.5 Exactitud(accuracy)...............................1.2.6 Precisión .......................................1.2.7 Zona muerta (dead zone o dead band) ,....1.2.8 Sensibilidad(sensitivity) ...........................1.2.9 Repetibilidad (repeatibility) .........................1.2.10 Histéresis(hysteresis) .............................1.2.11 Otrostérminos ...................................1.2.12 Ejemplos generales de características de instrumentos. . . .

1.3 Clases de instrumentos ...................................1.3.1 En función del instrumento ........................1.3.2 En función de la variable de proceso. . . . . . . . . . . . . . . . .1.3.3 Código de identificación de instrumentos. . . . . . . . . . . . . .

1.3.3.1 Resumen norma ISA-S5.1-84 (R 1992) . . . . . . . . .1.3.3.2 Resumen norma ISA-S5.2-76 (R 1992) . . . . . . . . .1.3.3.3 Resumen norma ISA-S5.3-1983 ,......1.3.3.4 Resumen norma ISA-S5.4-l991 ,.1.3.3.5 Resumen norma ISA-S5.5-1985 ,........1.3.3.6 Normas DIN e ISO .........................

Capítulo 2Transmisores ................................................

2.1 Generalidades ..........................................2.2 Transmisoresneumáticos .................................2.3 Transmisores electrónicos .................................

2.4 Transmisoresdigitales ....................................2.4.1 Ventajas e inconvenientes ...........................

2.5 Comunicaciones ........................................

2.6 Tabla comparativa de transmisores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1334457999

1011111314152121224650555758

6161626364666985

VIII Instrumentación industrial

Capítulo 3Medidas depresión 89

3.1 Unidadesyclasesdepresión 893.2 Elementosmecánicos 913.3 Elementos electromecánicos """"""""""""""" 953.4 Elementos electrónicos de vacío. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 100

Capítulo 4Medidasdecaudal 103

4.1 Medidoresvolumétricos 1044.1.1 Instrumentos de presión diferencial. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 104

4.1.1.1 Fórmula general 1044.1.1.2 Elementos de presión diferencial . .. 1164.1.1.3 Resumen de las normas ISO 5167-1980 . . . . . .. 1194.1.1.4 TuboPitot 1374.1.1.5 TuboAnnubar 1384.1.1.6 Transmisores de fuelle y de diafragma 1394.1.1.7 Integradores """""""""""""" 143

4.1.2 Área variable (rotámetros) 1434.1.3 Velocidad 153

4.1.3.1 VertederosyVenturi 1534.1.3.2 Transductores ultrasónicos. . . . . . . . . . . . . . . .. 157

4.1.4 Fuerza(medidordeplaca) 1594.1.5 Tensióninducida(medidormagnético) 160

4.1.5.1 Medidor magnético de caudal. . . .. ; . . . . . . .. 1604.1.6 Desplazamientopositivo 173

4.1.6.1 Medidor de disco oscilante. . . . . . . . . . . . . . . .. 1744.1.6.2 Medidordepistónoscilante 1744.1.6.3, Medidor de pistón alternativo. . . . . . . . . . . . . .. 1754.1.6.4 Medidorrotativo 1764.1.6.5 Accesorios 178

4.1.7 Remolinoyvórtex 1784.1.8 Oscilante 1804.1.9 Medidorláser 181

4.2 Medidoresdecaudalmasa 1824.2.1 Medidores volumétricos compensados. . . . . . . . . . . . . . .. 1824.2.2 Medidores térmicos de caudal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1854.2.3 Medidores de momento angular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1864.2.4 MedidordeCoriolis 188

4.3 Comparación de características de los medidores de caudal. . . . .. 191

5.2 Medidore5.2.1 D5.2.2 D

Capítulo 6Medida de temi

6.1 Introduce

6.2 Termóme6.3 Termóme6.4 Termóme

6.5 Termóme6.6 Termistor

6.7 Termopar6.7.1 L

tu6.7.2 e6.7.3 e6.7.4 Vi

6.8 Piróme1r(]6.8.1 Pi6.8.2 Pi6.8.3 Pi6.8.4 Pi6.8.5 Pi6.8.6 o

6.9 Velocidad

6.10 Tabla con

Capítulo 5Medición de nh

5.1 Medidon5.1.1 I15.1.2 I1

5.1.3 115.1.4 11

d5.1.55.1.65.1.75.1.85.1.9 tv

iI

índice general IX

89

89

91

95

. 100

Capítulo 5Medición de nivel 193

5.1 Medidores de nivel de líquidos 1935.1.1 Instrumentos de medida directa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1945.1.2 Instrumentos basados en la presión hidrostática.

Medidor manométrico. Membrana. Burbujeo.Presión diferencial 198

5.1.3 Instrumento basado en el desplazamiento. . . . . . . . . . . . .. 2045.1.4 Instrumentos basados en características eléctricas

del líquido. 2065.1.5 Medidor de nivel de ultrasonidos 2115.1.6 Medidordenive1deradar 2135.1.7 Medidor de nivel de radiación 2165.1.8 Medidor de nivel láser 2185.1.9 Medidormásicodenivel 219

5.2 Medidoresdenive1desólidos 2225.2.1 Detectores de nivel de punto fijo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2225.2.2 Detectores de nivel continuos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 225

. 103

. 104

. 104

. 104

.116

.119

. 137

.138.. 139.. 143.. 143.. 153.. 153.. 157.. 159.. 160.. 160.. 173.. 174.. 174.. 175.. 176.. 178.. 178r' 180

l' 181.. 182.. 182.. 185.. 186.. 188

.. 191

1u

h

Capítulo 6Medidadetempetaturas 231

6.1 Introducción 231

6.2 Termómetrodevidrio 2326.3 Termómetrobimetálico 232

6.4 Termómetro de bulbo y capilar 2336.5 Termómetrosderesistencia 2356.6 Termistores 244

6.7 Termopares 2466.7.1 Leyes, curvas y tablas características,

tubos de protección y su selección. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2466.7.2 Circuitogalvanométrico 2796.7.3 Circuitopotenciométrico 2806.7.4 Verificación de un instrumento y de un termopar 282

6.8 Pirómetrosderadiación 2836.8.1 Pirómetrosópticos 2866.8.2 Pirómetro de infrarrojos 2876.8.3 Pirómetrofotoeléctrico : 2886.8.4 Pirómetro de dos colores 2906.8.5 Pirómetros de radiación total. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2916.8.6 Otros fenómenos 295

6.9 Velocidad de respuesta de los instrumentos de temperatura. . . . .. 2966.10 Tabla comparativa de características. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., 300

m

x Instrumentación industrial

Capítulo 7Otras variables 301

7.1 Variables físicas 3017.1.1 Peso 3017.1.2 Velocidad 3077.1.3 Densidadypesoespecífico 309

7.1.3.1 Introducción 3097.1.3.2 Areómetros 310

7.1.3.3 Métodos depresión diferencial 3117.1.3.4 Método de desplazamiento 3137.1.3.5 Refractómetro 3137.1.3.6 Métododeradiación 315

7.1.3.7 Método de punto de ebullición 3167.1.3.8 Medidor de ultrasonidos 3177.1.3.') Medidoresinerciales 3177.1.3.10 MedidordeCoriolis 3197.1.3.11 Medidoresdebalanza 320

7.1.4 Humedadypuntoderocío 3227.1.4.1 Humedad en aire y gases 3237.1.4.2 Humedadensólidos 3267.1.4.3 Puntoderocío 328

7.1.5 Viscosidadyconsistencia : 3337.1.5.1 Introducción 3337.1.5.2 Viscosímetros 3357.1.5.3 Medidores de consistencia. . . . . . . . . . . . . . . .. 337

7.1.6 Llama 3387.1.6.1 Detectordecalor 3397.1.6.2 Detectores de ionización-rectificacion 3397.1.6.3 Detectores de radiación. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 340

7.1.6.4 Tablacomparativade detectores. . . . . . . . . . .. 3427.1.6.5 Programadores 342

7.1.7 Oxígenodisuelto 3457.1.8 Turbidez 3467.1.9 Intensidadderadiaciónsolar 347

7.2 Variables químicas 3487.2.1 Conductividad 3487.2.2 pH 3507.2.3 Redox (potencial de oxidación-reducción) 3557.2.4 Concentracióndegases 356

7.2.4.1 Conductividad térmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 356

7.2.4.2 Paramagnetismo del oxígeno. . . . . . . . . . . . . .. 3597.2.4.3 Analizador de infrarrojos 359

---

Capítulo 8Elementos final

8.1 Válvulas8.1.1 G8.1.2 T

~

8.

8.1.3 O8.1.4 Te8.1.5 p¡

8.8.

8.1.6 e.8.1.7 C;

8.8.8.

8.1.8 S8.8.8.8.8.

)01

301301307309309310311313313315316317317319320322323326328333333335337338339339340342342345346347

f348348350355356356359359 :r ,-.

1

índice general XI

Capítulo 8Elementos finales de control 361

8.1 Válvulas de control 3618.1.1 Generalidades 3618.1.2 Tiposdeválvulas 362

8.1.2.1 Válvulas con obturador de movimiento lineal.. 3628.1.2.1.1 Válvula de globo. . . . . . . . . . . 3628.1.2.1.2 Válvula en ángulo. . . . . . . . . . 3648.1.2.1.3 Válvula de tres vías. . . . . . . . . 364

8.1.2.1.4 Válvula de jaula 3648.1.2.1.5 Válvula de compuerta 3658.1.2.1.6 Válvula en Y 3658.1.2.1.7 Válvula de cuerp~'partido 3658.1.2.1.8 VálvulaSaunders 3658.1.2.1.9 Válvula de compresión. . . . . . . 366

8.1.2.2 Válvulas con obturadorde movimiento circular 3668.1.2.2.1 Válvula de movimiento

excéntricorotativo (Camflex) .8.1.2.2.2 Válvula de obturador cilíndrico

excéntrico 3668.1.2.2.3 Válvula de mariposa. . . . . . . . . 3668.1.2.2.4 Válvula de bola 3678.1.2.2.5 Válvula de macho 3678.1.2.2.6 Válvula de orificio ajustable. . 3678.1.2.2.7 Válvula de flujo axial 367

Cuerpo de la válvula 368Tapa de la válvula o casquete : 372Partes internas de la válvula. Obturador y asientos. . . . . .. 3768.1.5.1 Generalidades 3768.1.5.2 Materiales 376

8.1.6 Corrosión y erosión en las válvulas. Materiales. . . . . . . . .. 3778.1.7 Características de la válvula. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 383

8.1.7.1 Caractdrísticas de caudal inherente 3838.1.7.2 Características de caudal efectivas. .,. . . . . . . .. 3868.1.7.3 Selección de la característica de la válvula. . .. 390

8.1.8 Servomotores 3968.1.8.1 Servomotor neumático. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3968.1.8.2 Servomotor eléctrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4088.1.8.3 Servomotorhidráulico 4118.1.8.4 Servomotordigital 4128.1.8.5 Tipos de acciones en las válvulas de control. .. 413

366

8.1.38.1.48.1.5

XII Instrumentación industrial

8.1.9 Accesorios """"""""""""""""""" 4158.1.9.1 Camisa de calefacción 4158.1.9.2 Volante de accionamiento manual. . . . . . . . . .. 4168.1.9.3 Repetidor """"""""""""""'" 4168.1.9.4 Microrruptores de final de carrera

y transmisores de posición. . . . . . . . . . . . . . . .. 4178.1.9.5 Válvuladesolenoidedetresvías 4188.1.9.6 Válvuladeenclavamiento 419

8.1.9.7 Válvula de Kv o Cv o carrera ajustables 4198.1.9.8 Manifold 4208.1.9.9 Posicionador 420

8.1.10 Válvula inteligente 4278.1.11 Dimensionamiento de la válvula.

CoeficientesKvYCv 4288.1.11.1 Definiciones """""""""""""" 428

8.1.11.2 Fórmula general 4298.1.11.3 Procedimientos de ensayo. . . . . . . . . . . . . . . . .. 4318.1.11.4 Pérdida de carga 4348.1.11.5 Caudal máximo 4398.1.11.6 Densidad 4398.1.11.7 Tamañodelaválvula 4408.1.11.8 Líquidos 4408.1.11.9 Gases 4518.1.11.10 Vapores 4598.1.11.11 Régimenbifásico 4628.1.11.12 Resumen de cálculo de coeficientes

de válvulas 4638.1.12 Ruido en las válvulas de control 472

8.1.12.1 Generalidades 4728.1.12.2 Causas del ruido en las válvulas. . . . . . . . . . . .. 4748.1.12.3 Reducción del ruido 477

8.2 Otros elementos finales de control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4788.2.1 Rectificadores controlados de silicio. . . . . . . . . . . . . . . . .. 4808.2.2 Bombasdosificadoras 4828.2.3 Actuadores de velocidad variable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4838.2.4 Elementos finales varios 484

9.3.19.3.29.3.39.3.49.3.59.3.69.3.7

9.4 Contra9.5 Contra

9.5.19.5.29.5.39.5.49.5.5 .

9.5.69.6 Contra

9.6.19.6.29.6.3

9.7 Selecci9.8 Criteric

9.9 Métod(9.109.10.19.10.29.10.39.10.49.10.59.10.69.10.79.10.89.10.99.10.10

9.11 Seguri(9.11.19.11.29.11.3

Capítulo 9Regulación automática 485

9.1 Introducción 485

9.2 Características del proceso 4859.3 Tipos de control 490

9.11.49.11.59.11.69.11.79.11.89.11.9

I

9.3.1 Controltodo-nada 4919.3.2 Controlflotante 4929.3.3 Control proporcional de tiempo variable. . . . . . . . . . . . . .. 4939.3.4 Control proporcional 4949.3.5 Control proporcional + integral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4979.3.6 Control proporcional + derivado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4999.3.7 Control proporcional + integral + derivado. . . . . . . . . . . .. 501

9.4 Controladoresneumáticos 5029.5 Controladoreselectrónicos 503

9.5.1 Controladortodo-nada 5039.5.2 Control proporcional de tiempo variable. . . . . . . . . . . . . .. 5049.5.3 Control proporcional 5059.5.4 Control proporcional + integral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5079.5.5 - Controlproporcional+ derivado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5099.5.6 Control proporcional + integral + derivado. . . . . . . . . . . .. 510

9.6 Controladoresdigitales 5119.6.1 Componentes 5119.6.2 Algoritmos 5139.6.3 Controlador digital universal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 514

9.7 Selección del sistema de control 516

9.8 Criterios de estabilidad en el control 518

9.9 Métodos de ajuste de controladores 5209.10 Otros tipos de control 5309.10.1 Generalidades ,.. 5309.10.2 Controlen cascada 5319.10.3 Programadores 5359.10.4 Controlderelación 5369.10.5 Controlanticipativo 5379.10.6 Control de gama partida (split-range control) 5409.10.7 Control selectivo 5419.10.8 Control de procesos discontinuos 5429.10.9 Controladoresnolineales 5439.1O.IOInstrumentosauxiliares 545

9.11 Seguridad intrínseca y funcional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5479.11.1 Introducción 5479.11.2 Nivel de energía de seguridad 5489.11.3 Mecanismos de la ignición en circuitos

de baja tensión 548Clasificaciones de áreas peligrosas. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 551Normas 554BarrerasZener 555Barrerasgalvánicas 556Factores de seguridad 557Seguridad funcional de los instrumentos. . . . . . . . . . . . . .. 557

l" 415

1" 415... 416oo. 416 r

oo. 417

... 418

... 419

... 419

... 420

... 420

... 427

:.. 428... 428... 429... 431... 434... 439... 439... 440... 440... 451... 459... 462

... 463. ... 472oo.. 472

474477478480

t'.. 482r" 483484

I

I

1I

9.11.49.11.59.11.69.11.79.11.89.11.9

485485485490

I&.-

índice general XIII

XIV Instrumentación industrial

9.12 Control por computador 5619.12.1 Generalidades 5619.12.2 ControlDDC 5639.12.3 Controlsupervisor 5669.12.4 Controldistribuido(DCS) 568

9.13 Sistemas de control avanzado 5759.13.1 Generalidades 5759.13.2 Correctores 5819.13.3 Controllinealizador global. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5849.13.4 Control estadístico del proceso (SPC) 5849.13.5 Controlmultivariable 5879.13.6 Controlóptimo 5899.13.7 Controladaptativo 5919.13.8 Controlpredictivo 5949.13.9 Sistemas expertos 5969.13.10 Control por redes neuronales 5999.13.11 Control por lógica difusa 603

9.14 .Controlintegrado 6079.14.1 Generalidades 6079.14.2 Sistema de control básico, control distribuido

y control avanzado. 6109.14.3 Gestión de alarmas 6119.14.4 Sistema de gestión de laboratorio. 6139.14.5 Sistema de gestión de la producción. . . . . . . . . . . . . . . . " 6139.14.6 Reddecomunicaciones 6149.14.7 Sistema de gestión de seguridad de la planta. . . . . . . . . . .. 6169.14.8 Sistema de gestión de la calidad (ISO 9000:2000) 6179.14.9 Estándar OPC de intercambio de datos de proceso. . . . . .. 6199.14.10Gestióndecalibraciones 622

Capítulo 10

Calibracióndelosinstrumentos 62710.1 Generalidades 627

10.2 Errores de los instrumentos. Procedimiento general de calibración. 628

10.3 Calibración de instrumentos de presión, caudal y nivel. . . . . . . .. 63210.4 Calibración de instrumentos de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . .. 63910.5 Calibración de válvulas de control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 644

10.6 Calibración de instrumentos digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64810.7 Mantenimiento de instrumentos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 648

10.8 Normativa de calidad ISO 9000:2000 aplicadaa la instrumentación 651

L-

CapítuAplicac

11.1 (11.2 (

1r1

11.3 5

11.4 ~11.5 (11.6 111.7 (

ApéndAnálisis

Al (A2 A

AA

A3 AAA

AAAA

A.4 InA.A.A.

Apéndi,Evolució:

B.l InB.2 In

índice general xv

113685514479'1'4'6'9131717

Capítulo 11Aplicaciones en la industria. Esquemas típicos de control. . . . . . . . .. 655

11.1 Generalidades 655

11.2 Calderas de vapor 65511.2.1 Control de combustión 65611.2.2 Controldenivel 65911.2.3 Seguridad de llama 661

11.3 Secaderosyevaporadores 6621104 Bomotúne1 , 66511.5 Columnas de destilación 66611.6 Intercambiadores de calor 66711.7 Control del reactor en una central nuclear. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 671

J

Apéndice AAnálisis dinámico de los instrumentos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 675

Al Generalidades 675A.2 Análisis dinámico de los transmisores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 689

A2.1 Elementos fundamentales 689A2.2 Diagrama de bloques, diagrama de Bode

y función de transferencia de un transmisor. . . . . . . . . . .. 689A2.2.1 Transmisor electrónico. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 689A.2.2.2 Transmisordigital 691

A3 Análisis dinámico de los controladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 692A3.1 Introducción 692A3.2 Acción proporcional 692

A3.2.1 Controlador electrónico. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 692

A3.2.2 Control por ordenador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 693A3.2.3 Diagrama de Bode 697

A3.3 Acción proporcional + integral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 697A.3A Acción proporcional + derivada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 699A3.5 Acción proporcional + integral + derivada. . . . . . . . . . . .. 702A3.6 Ensayo de controladores 707

AA Iniciación a la optimización de procesos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 709AA.1 Generalidades 709AA.2 Análisis experimental del proceso. . . . . .. . . . . . . . . . . .. 710AA.3 Estabilidad 712

o133416l719~2

nn28

t~

44

48

48 Apéndice BEvolución de la instrumentación 731

B.1 Inicios - Instrumentos locales y neumáticos. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 731B.2 Instrumentos electrónicos - convencionales y de alta densidad .732

51

XVI Instrumentación industrial

B.3 Computadores 734BA Controldistribuido 736

B.5 Control avanzado y transmisores inteligentes. . . . . . . . . . . . . . . . .. 738B.6 Ergonomía 739B.7 Comunicaciones 740B.8 Futuro 740

Glosario ................................................ 761

La primeratercera en 1

estos años,to del contrmisor inteli:masiva delculares mej'la variable]del controldifusa, y el

En la SIinfrarrojos .ruido de lasción, las comedidor deriales termcronales y pc1994.

En est2definicione~instrumentolo 9 se han,do su análisnentes de gtTés crecientldel año 200de calibraci,instrumentatrumentos.

Se ha cde la instrurde la digitalprocesadorimportante,nencialmen1los instrumtnes básicasinstrumento"caja negra'electrónico

Apéndice eHojas de especificación de instrumentos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 745

C.I Hojas de especificación de instrumentos de presión. . . . . . . . . . . .. 745c.1.1 Manómetros 745c.1.2 Receptoresdepresión """"""""""""""" 747

C.2 Hojas de especificación de instrumentos de caudal. . . . . . . . . . . .. 749C.2.1 Especificacióngeneral 749C.2.2 Medidores magnéticos de caudal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 750C.2.3 Instrumentos de presión diferencial. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 751

C.3 Hojas de especificación de instrumentos de nivel. . . . . . . . . . . . .. 753C.3.1 Transmisiónhidrostática 753

CA Hojas de especificación de instrumentos de temperatura. . . . . . . .. 754C.4.1 Sondas de resistencia 754CA.2 Termopares 755

C.5 Hojas de especificación de otras variables. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 755C.5.! Densidad 755C.5.2 InstrumentosdepH 756

C.6 Hojas de especificación de válvulas de control. . . . . . . . . . . . . . .. 758

Referencias ............................................. 773