sensores y medicción de nivel flujo temperatura presión

7/31/2019 Sensores y Mediccin de Nivel Flujo Temperatura Presin

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ITCG

INSTITUTO TECNOLGICO DE CD. GUZMNINGENIERA ELECTRNICA

INSTRUMENTACION

SENSORES Y MEDICIN(Nivel-Flujo-Temperatura-Presin)

ELABOR: Jafet Orozco Tirado

MAESTRO: Ing. Sergio Sandoval Chvez

Ciudad Guzmn Jalisco Junio del 2003

INGENIERIA EN ELECTRNICA


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INDICE

Sensores y Medicin

Nivel . . . . . . . page 3

Flujo . . . . . . . page 19

Temperatura . . . . . . . page 61

Presion . . . . . . . page 83


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N I V E L

CLASIFICACIN DE ELEMENTOS PRIMARIOS PARA MEDICIN DE NIVEL

Instrumentos de medida directa

Medidor de sonda (pag. 194 Creus + Apuntes) Medidor de nivel de cristal o tipo mirilla (pags. 194, 195, 196 Creus + Apuntes) Instrumentos de flotador (pags. 196 y 297 Creus + Apuntes) Medidor de nivel de tipo desplazamiento (pags. 205, 206, 207 Creus + Apuntes)

Instrumentos basados en la presin hidrosttica

Medidor manomtrico (pags. 197, 198 + Apuntes) Medidor de membrana (pag 199 Creus + Apuntes) Medidor por burbujeo (pag 199, 200 Creus + Apuntes) Medidor por presin diferencial (pags 200-204 Creus + Apuntes)

Instrumentos basados en caractersticas elctricas del lquido

Medidor de nivel conductivo o resistivo (pags 208, 209 Creus + Apuntes) Medidor de capacidad (pags. 209, 210 Creus + Apuntes)

Instrumentos basados en radiacin de energa

Sistema ultrasnico de medicin de nivel (Creus + Apuntes) Sistemas de medicin por rayos gamma (pags. 212, 213 Creus + Apuntes) Medidor por rayo lser (pag. 213 Creus + Apuntes)

INSTRUMENTOS DE MEDIDA DIRECTA

RegletaEn un tanque abierto se puede introducir una escala graduada con objeto de tener

una medicin indicativa del nivel, es la forma ms sencilla pero limitada a tanques abiertosy en donde la regleta se totalmente visible.

Columna de Vidrio


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En este caso la indicacin puede ser de un tanque cerrado o presurizado, puesto quela medicin se realiza en una columna de vidrio conectada al tanque en dos puntos. Esteindicador es muy usual y es comn encontrarlo junto con algn instrumento transmisor denivel, puesto que su construccin permite tener un gran contraste visual.

Existen dos tipos de columna: la transparente y la reflejante, esta ltima se

utiliza para lquidos transparentes e incoloros, puesto que su construccin permite tener

gran contraste visual.

Medidores de flotador

Este tipo de instrumentos utilizan un cuerpo hueco e impermeable, el cual flota

sobre la superficie del lquido variando as su posicin, de acuerdo a los cambios de nivel.

Flotador y Palancas

Estos medidores utilizan los movimientos del flotador para actuar un indicador (untransmisor de alcance de movimiento), por medio de palancas; por lo que su rango estlimitado por la dimensin del brazo de palanca. Son muy frecuentes en aplicaciones dondese requiere un valor de nivel para accionar un interruptor.

Los instrumentos secundarios reciben una seal mecnica la que balancea yconvierte una seal de transmisin. La seal mecnica puede ser balanceada por fuerza o


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por movimiento, segn esto el transmisor se puede catalogar como balance de fuerza o debalance de movimiento.

La seal mecnica puede ser convertida a una seal electrnica (de 4-20 mA) o bienuna seal de presin de aire (3-15) por lo que los transmisores pueden ser electrnicos oneumticos.

Flotador y cinta

En este caso el flotador acta el mecanismo indicador por medio de un cinta que seenrolla sobre un carrete cilndrico en contra peso mantiene tensa la cinta (en algunos caso elcontra peso es sustituido por una cuerda de reloj).

Para este tipo de instrumentos de flotador el rengo de medicin ya no es unalimitacin.

Cuando las presiones en los tanques son altas el problema de las cajas de empaquese pueden evitar, si se utiliza un subplanteamiento magntico como se muestra en lassiguientes figuras.

Medidores de desplazador

De acuerdo con los principios de Arqumedes, cuando un cuerpo es sumergido totalo parcialmente en un fluido, aparece una fuerza ascendente de igual al peso del volumen dellquido que desplaz. Los medidores de desplazador consta de un tubo metlico cerrado deaproximadamente 2 in de dimetro y de una longitud tal que cubra el rango de nivel por


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medir. Este tubo llamado desplazador es sumergido en el tanque (o e n una cmaracomunicada al tanque por vlvulas), por lo que al variar el nivel, varia tambin el volumendel lquido desplazado y con esto aparece una variacin en la fuerza sobre el desplazador.

La fuerza es sentida por un transmisor de balance de fuerzas y puede ser convertidaa una seal neumtica o elctrica.

Es posible tambin utilizar los desplazadotes para medir nivel de interfase entre doslquidos de distinta densidad, sumergido totalmente el desplazador, la fuerza que recibe es

F D

2

4h1 p1 h2 p2

Dondeh1 = longitud de flotador cubierta por el lquido 1h2 = longitud de flotador cubierta por el lquido 2p1 = densidad del lquido 1 (conocida)p2 = densidad del lquido 2 (conocida)


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La longitud de los desplazadotes sera de acuerdo con los fabricantes, perogeneralmente son de 12, 43 y 60. Para rangos de nivel mayores de 60 el instrumento de

desplazador deja de ser recomendable y se prefieren entonces los de presin hidrosttica,aunque existen desplazadotes hasta de 180.

Una de las ventajas del desplazador sobre el flotador, se debe a que no tiene partesen movimiento. El rango de los desplazadotes es mayor que el de los sistemas de flotador ypalancas. Para aplicaciones en donde el lquido es muy sucio y viscoso, los instrumentos de

flotador y los de desplazador pueden presentar problemas por las adherencias que activen eldesplazador o flotador.

Es comn hallar medidores de desplazador como instrumentos de densidad. Si eldesplazador es totalmente sumergido, los cambios de la fuerza de flotacin son debidosnicamente a la densidad del lquido. Esta aplicacin el volumen del desplazador se puedehacer ms grande si el rango de densidad es pequeo, con objeto de tener ms fuerza deflotacin.

Debido a que la presin hidrosttica depende de la densidad del fluido, enaplicaciones donde se requiere medir nivel y el lquido tiene una densidad variable, estosinstrumentos no son adecuados. A menos, que se implemente una medicin de densidad yse haga la correccin.


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INSTRUMENTOS BASADOS EN LA PRESIN HIDROSTTICA

a) Medidor de burbujeo

Los sistemas de burbujeo o de purga continua, realizan la medicin de nivel,midiendo la presin requerida para que un flujo constante de aire venza la presinhidrosttica hasta salir de un conducto. Como el flujo necesario es muy pequeo, al salir elaire lo hace a manera de burbujeo de ah el nombre del sistema.

Para realizar la medicin, se introduce un tubo hasta el nivel mnimo de operacin, a

este tubo se le comunica un suministro de aire por medio de un regulador de flujo constante.Por lo que se crea una presin en el tubo hasta que empieza el burbujeo.

La presin en el tubo es igual a la presin hidrosttica causada por el nivel, demanera que si se mide la presin del tubo, se tendr una medicin de nivel.


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En el sistema de burbujeo no es apropiado para tanques cerrados, porque el aire queentrara aumentara la presin y la medicin sera falsa.

La ventaja de este sistema es que una vez inicializado el flujo el instrumento de

presin (indicador o transmisor) no esta en contacto con el fluido, por lo que es sutil encasos de fluidos corrosivos.

Tambin es til cuando se trata de medir el nivel de cisternas o en donde no se tieneacceso lateral al recipiente.

El sistema ele burbujeo no es apropiado para tanques cerrados, porque e aire queentrara aumentara la presin y la medicin sera falsa.

La desventaja de este sistema es que una vez iniciado el flujo, el instrumento depresin (indicador o trasmisor) no esta en contacto con el flujo, por lo que es til en casosde fluidos corrosivos.

Es tambin posible utilizar los desplazad0ores para medir el nivel de interfase entredos lquidos de distinta densidad, sumergido totalmente el desplazador, la fuerza que recibees:

22112

4phph

DF

Donde:

hi = longitud del flotador cubierta por liquido 1h2 = longitud del flotador cubierta por liquido 2p1 = densidad del lquido 1 (conocida)P2 = densidad del liquido 2


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b) Medidor de diafragma

Otro instrumento de nivel til cuando no hay acceso lateral, en el fondo delrecipiente, es el medidor de caja de diafragma.

La caja de diafragma consiste en una caja metlica separada en dos secciones por undiafragma de hule sinttico firmemente sellado. Una seccin de la caja est expuestadirectamente al lquido en el cual est sumergida la caja, la otra seccin est sellada yconectada por medio de un tubo capilar hasta instrumento de presin.

La caja est colgante de una cadena hasta el nivel mnimo de medicin. La presinhidrosttica ejercida sobre el diafragma lo deforma, hasta que la presin dentro del sistemasellado se iguala a una presin hidrosttica, y es transmitida por el capilar hasta el indicadorde presin con escala en unidades de nivel.


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Este medidor al igual que el sistema de burbujeo son apropiados para tanquesabiertos. Una desventaja del medidor de campana sobre el de burbujeo, es que no requierede suministro de aire.


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c) Medidores de presin diferencial

Este tipo de instrumentos so quiz los ms comunes en la medicin de nivel tantopara tanques abiertos, como cerrados. La presin debida a la columna hidrosttica puede sermedida por instrumentos de balance, de movimiento o de balance de fuerzas, los primerosson generalmente usados cuando se requiere de una indicacin local, y los de balance de

fuerzas cuando es necesaria la transmisin de una seal, ya sea neumtica o electrnica.Las tomas de presin diferencial se hacen: una en la parte inferior del tanque, pormedio generalmente, de una conexin bridada, y la otra en la parte superior del tanquecuando se trata de recipientes a presin (cuando son atmosfricos, la toma de baja presinse ventea a la atmsfera).

La medicin de nivel por medio de celdas de presin diferencial ( d / p cell ), esmuy til cuando se tienen fluidos muy viscosos, corrosivos o sucios, puesto que las parteshmedas son pocas y no tienen partes en movimiento.

Comercialmente le rango de medicin es de 0 20 H2O hasta 0 850 H2O en elcaso de transmisores de balance de fuerza.

En ciertas ocasiones es conveniente separar el transmisor del tanque, por lo cual se

hacen ambas tomas de presin a travs del tubo, pudiendo quedar un desnivel entre la tomadel tanque y el instrumento, en tal caso es necesario considerar la elevacin del cero demedicin. Cuando el tubo de baja presin se llena de algn lquido de sello o bien, esteajuste se le conoce como supresin del cero.


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Cualquier instrumento de nivel basado en la presin hidrosttica, es til para lamedicin de la densidad del lquido, siempre y cuando el nivel sea constante.

Otra aplicacin de los instrumentos de presin hidrosttica es la medicin de nivelde la interfase de dos lquidos de distinta densidad, siempre y cuando una de las tomas esteen uno de los lquidos y la otra en el otro lquido.

Span = s = p1H1Elevacin = Ele = p1h2 + p2h3Supresin = Supr = p2h4 EleRango = (-Sup) (S - Sup)

Ejemplo:Densidad relativa del lquido = 0.8Densidad relativa del sello = 0.9h1 = 70, h2 = 4, h3 = 12, h4 =100Span = 0.8 (70) = 56 H2O

Elevacin = 0.8 (4) + 0.9 (12) = 14 H2OSupresin = 0.9 (100) 14 = 76 H2ORango = -76 a -20 H2O

(El signo menos significa que la presims alta est aplicada en el lado de baja deltransmisor)


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INSTRUMENTOS BASADOS EN LAS CARACTERSTICASELCTRICAS DEL LQUIDO

a) Electrodos de conductividad

Si se desea controlar el nivel de un lquido entre puntos determinados, o bien se

requiere de una alarma, se puede utilizar un medidor elctrico de conductividad. Consta deun par de electrodos dispuestos verticalmente y separados entre si. Cuando el lquido tocaambos electrodos se establece una corriente, la cual puede actuar una alarma, un motor o unsolenoide. Su costo es bajo, su mantenimiento e instalacin son fciles, pero no es aplicablepara fluidos inflamables por posibles arcos elctricos.

b) Medidores de nivel tipo capacitancia

La capacitancia entre dos conductores separados por un dielctrico depende del rea

efectiva entre los dos conductores, de su separacin y de la constante dielctrica. Cuando sesumergen dos electrodos en un lquido, este acta como dielctrico, y el rea efectiva essolo la que est en contacto con el lquido.

Introduciendo dos barras metlicas en un recipiente con lquido, se forma uncapacitor cuya capacitancia depender del nivel del lquido. Por lo que si se mide el valorde la capacidad, se tendr una medida proporcional del nivel.

Con este tipo de instrumento la medicin no se afecta por la densidad o por lapresin. Otra caracterstica importante del medidor por capacitancia es su fcil instalacin ysu poco mantenimiento.

Su precio es alto, pero si las condiciones de operacin son difciles, pueden ser uninstrumento recomendable. No es aplicable en lquidos que contengan burbujas en exceso.


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Su precio es alto pero si las condiciones de operacin son difciles, puede ser uninstrumento recomendable. No es aplicable en lquidos que contengan burbujas en exceso.

Para lquidos conductores de la electricidad, los electrodos pueden ser recubiertos

por un aislante, que sirve tambin como anticorrosivo.


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MEDIDORES POR RADIACIN DE ENERGA

Medidores pticos

Si el lquido no es transparente, se puede utilizar un emisor de luz y una foto celdareceptora, para obtener una sealizacin de bajo o alto nivel, aprovechando la sombra

producida por el lquido al alcanzar el nivel.La ventaja de ste sistema es que el instrumento no est en contacto con el

liquido. Su costo es bajo y su mantenimiento es casi nulo.

Medidores Snicos

Si se requiere de una seal puntual como interrupcin de una alarma o motor, sepuede tener un sistema snico muy semejante a la foto celda.

Un emisor snico es colocado frente a un receptor a al altura del recipiente donde senecesita la seal. Cuando el nivel sube y atraviesa la lnea entre el emisor y el receptor, elsonido es atenuado y se produce el disparo de un relevador. Cuando se requiere de unamedicin continua, puede utilizarse un sistema snico, que basa su principio en el tiempo dereflexin del sonido, cuando este es reflejado en la superficie del lquido.


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El transmisor enva peridicamente un pulso de sonido hacia la superficie dellquido, ste sonido se refleja y es captado por el receptor con un tiempo de retardoproporcional al nivel, el tiempo es pues medido y convertido a una seal de transmisinelctrica. Una desventaja es que un instrumento sensible alas condiciones de operacincomo presin y temperatura y tambin se puede ver afectado por ruidos exteriores. Ladesventaja principal es que puede ser usado en lquidos sucios, corrosivos, viscosos, etc.

Puesto que el instrumento no est en contacto con el lquido.

Medidores de Radiacin Nuclear

Uno de los problemas de los instrumentos de radiacin nuclear, es el desmedidotemor que se les tiene, pero siguiendo sus normas de seguridad no existe razn para stetemor. Este tipo de sistemas tiene una fuente de energa nuclear (rayos gamma) con unacantidad mnima de material radioactivo tal como Cobalto -60 o Cesio- 187. La fuente escolocada por fuera del recipiente (la radiacin atraviesa las paredes). En frente deltransmisor se coloca un receptor de radiacin (usualmente un contador Geiger), la energaque recibe se ve atenuado por el lquido interpuesto. El contador Geiger convierte laradiacin en pequeos pulsos de corriente. Los cuales son amplificados y convertidos a una

seal de transmisin comn (4 40 mA).

Los sistemas de radiacin son caros y peligrosos, pero si el fluido es muy difcil demanejar, su aplicacin es necesaria.


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F L U J O


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SENSORES Y MEDICIN DE CAUDAL

Tipo Sistema Elemento Transmisor

Presindiferencial

- Placa de orificio

- Tobera- Tubo ventura- Tubo pitot- Tubo anubar

Conectados a

tubo en U o aelemento defuelle o dediafragma

Equilibrio de fuerzasSilicio difundido

rea variable - RotmetroEquilibrio de movimientosPotenciomtricoPuente de impedancias

Velocidad

- Vertedero con flotador en canalesabiertos- Turbina- Sondas ultrasnicas

PotenciomtricoPiezoelctrico

Fuerza - Placa de impacto Equilibrio de fuerzasGalgas extensiomtricas

Tensininducida

- Medidor magnticoConvertidorPotenciomtrico

Desplazamiento positivo

- Disco giratorio- Pistn oscilante- Pistn alternativo- Medidor rotativo (cicloidal, birrotor,oval)

- Medidor de paredes deformables

Generador tacomtrico otransductor de impulsos

Torbellino

- Medidor de frecuencia- Medidor de termistancia- Condensador- Ultrasonidos

Transductor de resistencia

Medidoresvolumtrico

Oscilante - Vlvula oscilante Transductor de impulsos

Compensacin de presin ytemperatura de medidoresvolumtricos

Trmico - Diferencia de temperaturas en dossondas de resistencia

Puente de Wheatstone

Momento- Medidor axial- Medidor axial de doble turbina

Convertidor par

Medidoresde caudalmsico

Fuerza decoriolisis - Tubo de vibracin


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Presindiferencial

- Puente hidrulico Equilibrio de fuerzas


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T E M P E R A T U R A

SENSORES Y MEDICIN DE TEMPERATURA

La medida de temperatura constituye una de las mediciones ms comunes y msimportantes que se efectan en los procesos industriales. Las limitaciones del sistema demedida quedan definidas en cada tipo de aplicacin por la precisin, por la velocidad decaptacin de la temperatura, por la distancia entre el elemento de medida y el aparatoreceptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlado! necesarios; esimportante sealar que es esencial una comprensin clara de los distintos mtodos demedida con sus ventajas y desventajas propias para lograr una seleccin ptima del sistemams adecuado.


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Definicin de temperatura

Se definir a la temperatura como el grado de calor o frialdad medido en una escaladefinida. La temperatura de un cuerpo es su intensidad de calor; o sea el calor que puedeser transferido a otro cuerpo.

Importancia de la medicin y control de temperatura en los diferentes procesos

La medicin de la temperatura es de vital importancia en los diferentes procesos talescomo: pasteurizacin de la leche, tratamiento por calor de los metales, soplado de vidrio,refinamiento del petrleo, produccin farmacutica, etc. Ya que las caractersticas de losproductos varan significativamente con las variaciones de temperatura por lo cual se hacenecesario de un buen sistema de medicin y control de esta variable.

Unidades en las que se puede medir temperatura

Escala en F. Esta escala divide los intervalos de temperatura entre el punto defusin y el punto de ebullicin del agua en 180 partes o grados. Al punto de congelacin es

de 32F y el punto de ebullicin el 21.2F.Escala en C. Divide el intervalo de temperatura entre la temperatura de fusin y la

temperatura de ebullicin en 100 partes o grados. El punto de fusin es 0C y el deebullicin es de 100C.

Escala Kelvin. Es una escala llamada absoluta, pues define al 0 absoluto. El ceroabsoluto es la temperatura terica a la cual no hay movimiento molecular, y por lo tanto,calor 0, 0K = 273C.

Escala Rankine. Es tambin una escala absoluta, pero considerando la escala Fahrenheit.0R = -459.6F.

A continuacin se muestra la relacin entre escalas de medicin de temperatura:

8.1

32

FC 32C8.1F 6.459 FR 273 CK

Mtodos de medicin

Los diferentes mtodos de medicin de temperatura se basa en los siguientesprincipios:

Expansin de lquidos, gases, slidos y dilatacin de slidos (sistemas termalesllenos y termmetros bimetlicos).

Presin de vapor lquido (sistemas termales llenos). Potencial elctrico producido por metales diferentes en contacto. Termoelectricidad (termopares). Cambio de resistencia elctrica (termmetro de resistencia).

Termmetros de mercurio

Los termmetros de mercurio consisten de un tubo de vidrio graduado concapilaridad central, un bulbo en el extremo inferior del tubo llenado con mercurio y selladoal vaco. Su funcionamiento se basa en la expansin del mercurio con el aumento de la


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temperatura. Se utiliza como indicador local, en lugares donde se puedan tolerar respuestascortas y con exactitudes del 1% de la escala. Su rango de temperatura aplicable es de 39a 510C.

Termmetros de llenado de lquido

Pueden llenarse de alcohol metlico o pentano, se basan en el mismo principio de lostermmetros de mercurio, y los usos que se les dan son similares a estos.

Termmetros bimetlicos

Este tipo de termmetros trabajan con el principio de la diferente expansin quesufren los diferentes metales al ser expuestos a la misma temperatura los termmetrosbimetlicos industriales consisten de cintas de 1, 2 o ms metales laminados formando unapieza de capas mltiples, generalmente de forma helicoidal. Al cambiar la temperaturaestas cintas se expanden o se contraen en diferente forma, dependiendo del metal de que se

trate, lo que causa que gire la espiral. Uno de los extremos del helicoide est fijo, y l otroest unido, a un puntero, el cual nos indica la temperatura, al girar dicha espiral.

El rango de temperatura en el cual trabajan estos termmetros es 184C a 648C,exactitud 1% de la escala. Sus usos son similares a los termmetros anteriores, pero entrabajos ms pesados.

Sistemas termales

Los sistemas termales estn formados por un bulbo, un tubo capilar y un Bourdon, loscuales se llenan con diferentes fluidos, segn sea su aplicacin.

Bulbo

El bulbo es el elemento sensible del sistema termal, el cual va en contacto con elproceso. Sus dimensiones varan de acuerdo al rango de temperatura y/o a los valoresestndar que el fabricante nos ofrece fabricante. Los materiales de los cuales es construidoson: cobre, acero inoxidable 304, acero inoxidable 316.El siguiente cuadro sinptico nos muestra una clasificacin de algunos tipos de bulbos.


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bridayconexindeuninCon50TiporeduccinyconexindeuninCon40Tipo

BridaCon20Tipo

capilartipoBulboformadoePr

soporteysujeccindepinzaCon21Tipo

BridaCon19TiporgidaextensinDe

cuellotermopozo

extensinyconexindeuninCon28Tipo

bridayconexindeuninCon32Tipo

reduccinyconexindeuninCon31Tipo

termopozoyconexindeuninCon25Tipo

BridaCon17Tipo

flexibleextensinDe

bridayconexindeuninCon15Tipo

reduccinyconexindeuninCon14Tipo

BridaCon12Tipo

capilartipoBulbo

Plano

bulbosdeTipo

Fig. Termmetro tipo bulboCapilar

Es el medio de conexin entre el bulbo y el Bourdon, que comunica los cambiossentidos por la temperatura aplicada al tubo. La longitud vara segn la distancia entre el


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RTD

La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de lascaractersticas de resistencia en funcin de la temperatura que son propias del elemento dedeteccin. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino delconductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con unrevestimiento de vidrio o de cermica. El material que forma el conductor se caracterizapor el llamado coeficiente de temperatura de resistencia que expresa a una temperaturaespecificada, la variacin de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado quecambia su temperatura. La relacin entre estos factores puede verse en la expresin linealsiguiente:

tRRT 10


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En la figura siguiente pueden verse las curvas de resistencia relativa de varios metalesen funcin de la temperatura.

Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientescaractersticas:

1. Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo elinstrumento de medida ser muy sensible.2. Alta resistividad ' , ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dadatanto mayor ser la variacin por grado (mayor sensibilidad).3. Relacin lineal resistencia-temperatura.4. Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricacin deestirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda, a fin de obtenertamaos pequeos (rapidez de respuesta).5. Estabilidad de las caractersticas durante la vida til del material.Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platinoy el nquel.

El platino es el material ms adecuado desde el punto de vista de precisin y deestabilidad pero presenta el inconveniente de su coste. En general la sonda de resistencia


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de platino utilizada en la industria tiene una resistencia de 100 ohmios a 00 C. El nquel esms barato que el platino y posee una resistencia ms elevada con una mayor variacin porgrados sin embargo, tiene como desventaja la falta de linealidad en su relacinresistencia-temperatura y las variaciones que experimenta su coeficiente de resistenciasegn los lotes fabricados. El cobre tiene una variacin de resistencia uniforme, es establey barato, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad.

Termistores

Un termistor es un componente electrnico cuya resistencia vara sensiblementecon la temperatura. Se trata de una resistencia no lineal, ya que la corriente que la atraviesano es funcin lineal del voltaje. Un termistor de coeficiente negativo de temperatura (NTC)es aquel cuya resistencia disminuye a medida que la temperatura aumenta, y un termistorde coeficiente positivo de temperatura (PTC) es aquel cuya resistencia aumenta conformeaumenta la temperatura. La variacin de temperatura puede tener dos orgenes distintos. Elcalentamiento es externo cuando la energa calorfica procede del ambiente en el que seencuentra la resistencia. El calentamiento es interno, y se denomina entonces

autocalentamiento, cuando la fuente de calor est generada, por efecto Joule, por la propiacorriente que atraviesa el termistor.

Adems de sus usos como medidores de temperatura en un medio externo, lostermistores tambin tienen aplicaciones que hacen uso del calor generado internamente porel paso de la corriente. En cualquier aplicacin de medida de temperatura externa, esimportante eliminar el efecto del calor generado internamente por el termistor; esto selogra haciendo que la corriente que lo atraviesa sea muy pequea, sin embargo lacapacidad del termistor para cambiar su propia resistencia a medida que genera energacalorfica debido al I2R puede ser muy til. Por ejemplo el termistor auto-calentado puedeutilizarse para estableces tiempos de retardo, proteger componentes delicados de lassobrecorrientes, detectar la presencia o ausencia de un material trmicamente conductor,etc.

En conclusin, los NTC (termistores de coeficiente negativo) funcionan porcalentamiento externo y son utilizados como sensores de temperatura, mientras que losPTC (termistores de coeficiente positivo) funcionan por autocalentamiento y se empleanpara proteger los componentes electrnicos de un circuito de las sobrecorrientes queaparecen en el encendido del mismo.Los termistores tienen, frente a otros componentes sensibles a las modificaciones detemperatura, las ventajas de su bajo precio, sus dimensiones reducidas, su rpida respuestay su elevada resistencia nominal, es decir, su resistencia a 25 C.

El coeficiente trmico de un termistor de coeficiente negativo no es constante. Estehecho significa que el cambio en resistencia por unidad de cambio en temperatura esdiferente a diferentes temperaturas.

La no linealidad natural de los termistores puede corregirse parcialmenteconectando varios termistores apareados entre s en una combinacin serie-paralelo. Elcircuito resultante se denomina termistor de red compuesta. Estas redes son bastantelineales sobre un rango de temperatura bastante ancho (alrededor de 200 F), peronaturalmente son ms costosos que los simples termistores.

Como ya se mencion, la relacin entre la resistencia de un termistor y sutemperatura no es lineal. La caracterstica resistencia-temperatura puede expresarse, conuna buena aproximacin, por:

Rt = R0eB/t-B/t

0


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Un termopar es un dispositivo capaz de convertir la energa calorfica en energaelctrica su funcionamiento se basa en los descubrimientos hechos por Seebeck en 1821cuando hizo circular corriente elctrica en un circuito, formado por dos metales diferentescuyas uniones se mantienen a diferentes temperaturas, esta circulacin de corrienteobedece a dos efectos termoelctricos combinados, el efecto Peltier que provoca laliberacin o absorcin de calor en la unin de dos metales diferentes cuando una corriente

circula a travs de la unin y el efecto Thompson que consiste en la liberacin o absorcinde calor cuando una corriente circula a travs de un metal homogneo en el que existe ungradiente detemperaturas.

Es decir, la fuerza electromotriz es proporcional a la temperatura alcanzada por launin trmica a si mismo si se resta el calentamiento ohmico, que es proporcional alcuadrado de la corriente, queda un remanente de temperatura que en un sentido decirculacin de la corriente es positivo y negativo en el sentido contrario. El efecto dependede los metales que forman la unin. La combinacin de los dos efectos Peltier yThompson, es la causa de la circulacin de corriente al cerrar el circuito en el termopar.Esta corriente puede calentar el termopar y afectar la precisin en la medida de latemperatura, por lo que durante la medicin debe hacerse mnimo su valor.

Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitidoestablecer tres leyes fundamentales:


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protegerse con un tubo cermico estanco. El material del tubo de proteccin debe ser eladecuado para el proceso donde se aplique y suele ser de hierro o acero sin soldaduras,acero inoxidable, iconel, carburo de silicio, etc.

Alambres para termopar

Como primer paso en el uso adecuado de termopares, debe hacerse una seleccincorrecta de los alambres utilizados, dependiendo del proceso y las condiciones donde stossern empleados y que tienen variantes como temperatura, corrosin, oxidacin, presin,vaco, ataque qumico, etc. Algunas Empresas por su parte ofrecen una gama de alambrespara termopar con una alta confiabilidad, apegados a las normas I.S.A. y ANSI-MC 96.1-.1982.

ISA Tipo K:

Esta calibracin sin recubrimiento se utiliza para funcionamiento continuo hasta1100C y con proteccin adecuada puede utilizarse hasta 1260C. La composicin clsicade las aleaciones tipo k es la siguiente: ELEMENTO POSITIVO NEGATIVO Ni 89%

94.27% Cr 9.5 C 0.0144 0.03 Fe 0.59 0.02 Si 0.03 1.15 Mn 0.03 2.03 Al 0.01 1.26 Co 0.170.38

Estas aleaciones pueden tener falta de homogeneidad de tipo mecnico, las cualesen muchos casos son apreciables. Adems, existen cambios qumicos asociados que sepresentan durante su empleo y en los cuales las diferencias f.e.m.- temperatura puedenllegar a ser molestas. Los termopares tipo k encuentran su aplicacin mas til en atmsferaneutra hasta 1260C. Arriba de 870C los dos elementos estn expuestos a oxidacin entrelos termopares convencionales de metal base mas utilizados. Las condiciones reductorasejercen efectos adversos sobre ste termopar; por ello debe evitarse un medio ambiente quecontenga hidrgeno, monxido de carbono u otros gases fuertemente reductores.AVERIAS CORRIENTES Descomposicin Verde: Se produce una oxidacinpreferentemente del cromo sobre el Nquel en el exterior del elemento positivo, el cual seconvierte entonces en negativo. El ataque del azufre sobre el elemento negativo loconvierte en quebradizo. La "descomposicin verde" no es producida por la atmsferareductora en si, sino por la presencia de una pequea cantidad de oxgeno de la atmsfera odel mismo alambre. En cualquier caso, el alambre de cromel est expuesto a variaciones ensu energa termoelctrica debido a que el cromo contenido en la aleacin se oxidapreferentemente. El efecto de la "descomposicin verde" es reducir los uv por F de salidade los pares tipo k. Tanto el efecto de fragilidad del azufre, como la descomposicin verdese pueden reducir con el empleo de tubos limpios protectores libre de grasa. Cuando lostubos protectores de metal se fabriquen en el sitio, el calentamiento del tubo duranteaproximadamente una hora a 820C eliminara cualquier materia orgnica que pueda existir

en el interior del mismo. Los termopares compactados, por su misma naturaleza, ayudan areducir esta contaminacin y debido al cemento de oxido mineral, los alambres funcionanen una atmsfera neutra incluso aunque la vaina del par compactado se exponga alhidrgeno o a otro tipo de atmsfera reductora. En condiciones extremas de"descomposicin verde" el par compactado puede estar provisto de un tercer alambre(hecho de Titanio) el cual se oxida preferentemente. Con esto se pretende que la pequeacantidad de oxgeno que exista, ataque al alambre de titanio en lugar de al de cromel.

ISA Tipo J & Y


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El tipo de calibracin J es el ms popular y ampliamente empleado de todas lascombinaciones de metal base. Las designaciones del tipo Y e tipo J se acomodan a la tablade referencias dados por la N.B.S.R.P. 1080 Y circular 561 NBS. El tipo Y es utilizadocasi exclusivamente por organismos militares. El tipo J representa un comprobado juego devalores a los que la mayora de fabricantes de alambres de hierro pueden adoptarse. Elmargen de temperaturas usual para el tipo J es de -190C 760C. La temperatura mxima

es de 980C en tomas intermitentes. La energa termoelctrica del hierro constantan es deunos 27 MV por F a 32F y aumenta hasta aproximadamente 36 MV por F a 1,400F.Esta energa es siempre mayor que en los termopares de tipo K. El bajo costo de estetermopar ha sido un factor decisivo de su popularidad.

La composicin media tpica de las aleaciones de los tipos J e Y es la siguiente:ELEMENTO POSITIVO NEGATIVO C 0.02-0.11% Como se necesite Mn 0.03-0.43trazas P 0.005-0.080 ----- S 0.016-0.031 ----- Cu 0.018-0.120 45% SI 0.01-0.02 Como senecesite Ni 0.011-0.044 55% Cr 0.01-0.025 ----- Sr 0.01-0.01 ----- Fe Equilibrio trazas

Se ha tratado de relacionar el anlisis del hierro con la forma y la magnitud de unacurva pero no se ha obtenido buen resultado, el nico logro es que el contenido de carbn

parece controlar la magnitud de la curva y que el manganeso controla su forma. La tabla decomposicin anterior muestra la tolerancia. Los mrgenes y la vida de los termopares tipo Jse pueden extender mediante el uso de pares comprimidos. Puesto que los tubosprotectores de metal se utilizan normalmente con termopares convencionales de cal. 8 y 14deben estar libres de impurezas contaminantes, tales como aceites, grasas y lubricantes demaquinas. El termopar de tipo J se puede usar tambin en temperaturas de nivel subcero endonde tiene una salida de MV por F, ligeramente mayor que el tipo T. Su precisin a estastemperaturas es comparable con el tipo T. Los termopares de los tipos J e Y puedenaplicarse en atmsferas tanto oxidantes como reductoras; Sin embargo, el hierro puede seratacado por atmsferas de amonaco, nitrgeno e hidrgeno. El alambre de constantan seoxidar a las temperaturas mas elevadas en la misma proporcin que el hierroaproximadamente.

ISA Tipo T

El termopar de cobre-constantan ha sido utilizado durante mucho tiempo y todavaes solicitado en el margen de temperaturas desde subcero hasta 371C. El rango que sueleutilizarse es entre-190C y 300C pudiendo llegar hasta un mximo de 400C en formaintermitente. La energa termoelctrica del par cobre-constantan es de aproximadamente 21uv por F a 32F y de 34 uv por F a 700F. La alta energa termoelctrica en los nivelescriognicos, que vara entre 10 y 15 uv por F es un factor muy significativo para su uso endichos niveles. Este par de elementos forman el termopar de metal base de uso comn mshomogneo y uniforme. La f.e.m. trmica del constantan con respecto al platino es una

buena indicacin de la homogeneidad del termopar de cobre-constantan. Esta exactitud yestabilidad son muy tiles para temperaturas diferenciales entre las fases Lquida y Vaporen los casos en que la uniformidad y la posibilidad de reproduccin sean de muchaimportancia. El factor que limita la mxima temperatura de empleo del cobre es laoxidacin a temperaturas arriba de 371C. Es extremadamente resistente a la corrosin encondiciones atmosfricas normales. Se puede decir que el cobre no es atacadoprcticamente por la mayora de las soluciones oxidantes. En cambio, si es atacado porsoluciones alcalinas aireadas y su empleo debe ser evitado en donde estn presentes


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amonaco, perxido de hidrgeno, azufre fundido, sulfuro de hidrgeno y anhdridosulfuroso con un RH de 65% o mayor.

ISA Tipo E

La energa termoelctrica del termopar de cromel-constantan es de 32 uv por F a

32F y aumenta hasta aproximadamente 43 uv por F a 1,600 F. El Alambre de cromel esel mismo usado en la calibracin tipo K. El constatan es el mismo del tipo T. El tipo E hacrecido en popularidad debido a que proporciona una f.e.m. por F comparable a la del tipoJ pero su utilizacin se extiende hasta 870C para conseguir una vida mxima enfuncionamiento.

ISA Tipo S, R y B

Los pares de calibracin S se utilizan para medidas de temperatura industrial ycomo patrones primarios. Su intervalo de temperaturas es generalmente de 980C a1480C. Como patrn el termopar de platino con 10% de Rodio tipo S define la EscalaInternacional Prctica de Temperaturas desde 1166.9F (Punto de Fusin del antimonio)

a1945.4 F (Punto de Fusin de oro). La energa termoelctrica de un par de tipo S es de3.1 uv por F a 32F aumentando hasta aproximadamente 6.5 uv por F entre 1800F y2700F. El termopar tipo R con 13% Rh ha logrado gran aceptacin en las aplicacionesindustriales de alta temperatura debido a su elevado poder termoelctrico entre 1800F y2700F que va desde 7.3 a 7.7 uv por F. El termopar tipo B con platino 6% Rh y Platino30% Rh cada alambre no tiene un elevado poder termoelctrico como el del tipo R sinembargo es utilizado en la industria para temperaturas mas elevadas que ambos ya que conla aleacin de Pt-Rh se logra que su temperatura de fusin se eleve y por lo tanto puedeemplearse hasta temperaturas de 3100F (1704). El margen de temperaturas paracalibraciones S y R puede ser hasta 3000F (1648C) en servicio no-continuo intermitente. Las tres calibraciones S, R y B tienen una excelente resistencia a laoxidacin. Las atmsferas con gases reductores como el hidrgeno atacarn al termopar.Hacia los lmites superiores de la temperatura de volatilizacin del rodio se producir undesplazamiento en la calibracin. Otro contaminador que afecta a la calibracin atacandoal par es el slice. El slice se encuentra en todos los tubos de carburo de silicio, tubos yaisladores de silimanita, que son los mas comnmente usados con esta clase de pares porsu economa; Sin embargo, para evitar el ataque de atmsferas reductoras y contaminacindel Slice en el extremo mas alto de la gama de temperaturas, deben utilizarse tubosprotectores de Alminia recristalizada y vitrificada entre el 97 y 99% de Alumina Pura. Serecomienda utilizar aisladores de una sola pieza con suficiente "espacio para respiracin"Ejemplo: Para Alambre de 0.020" Agujeros de 0.040" a 0.062.


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Fig. Ilustracin de las curvas caractersticas f.e.m./temperatura de los termopares.

Pirmetro fotoelctrico

El pirmetro fotoelctrico, al tener un detector fotoelctrico, es mucho ms rpidoque los sensores trmicos, pero debe mantenerse refrigerado a muy baja temperaturamediante nitrgeno lquido para reducir el nivel de ruido elctrico. La seal de salidadepende de la temperatura instantnea del volumen del detector, por lo que evita losretardos inherentes al aumento de la temperatura de la masa del detector que existen en losotros modelos de pirmetros. El detector genera una tensin proporcional al cubo de latemperatura V = K T'.


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En la figura 6.28 puede verse la sensibilidad espectral de cuatro detectoresfotoelctricos. Para amplificar la seal, el instrumento interrumpe la misma mediante undisco ranurado a varios cientos de hertz, con lo que se obtiene una seal de c.a. que puedeser amplificada con un amplificador de c.a. de alta ganancia (figura 6.29)

En aplicaciones de la industria del vidrio, tales como la medicin de la temperatura delas gotas de vidrio en su cada, el instrumento indicara picos de temperatura y para

disminuir la curva de onda en diente de sierra obtenida se utiliza un integrador electrnicoque las reduce prcticamente a una lnea casi recta.Un instrumento de este tipo trabaja con longitudes de onda de 4,8 a 5,6 micras, que

dan una mnima interferencia con el vapor de agua, dixido de carbono y la luz solar, en elintervalo de 35 - 540' C con una constante de tiempo de 0,2 a 0,5 segundos. l instrumentocon detector fotoelctrico de uso general tiene un campo de trabajo de 35 a 1200' C,pudiendo enfocar desde 1 m hasta el infinito, posee una constante de tiempo de 2, 20 o 200ms y una seal de salida de 10 mV.

El perfeccionamiento de estos instrumentos ha conducido a las cmaras infrarrojasque utilizan un detector fotoelctrico de In Sb (indio antimonio) y que exploran lasuperficie del objeto con un espejo plano oscilante alrededor de un eje horizontal y unprisma rotativo que gira alrededor de un eje vertical. El aparato produce una imagen de 16

cuadros / segundo y 100 lneas / cuadro con tonalidades de gris que representan ladistribucin de temperatura del cuerpo.

Fig. Energa relativa en funcin de la longitud de onda de cuatro detectores fotoelctricos.Pirmetros de radiacin

Los pirmetros de radiacin se fundan en la ley de Stefan-BoItzmann, que dice quela intensidad de energa radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumentaproporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir, W =KT4. En la figura 6.25 se representa el grfico de la energa radiante de un cuerpo a variastemperaturas en funcin de la longitud de onda.

Desde el punto de vista de medicin de temperaturas industriales, las longitudes deonda trmicas abarcan desde 0,1 mieras para las radiaciones ultravioletas, hasta 12 micraspara las radiaciones infrarrojas.


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Fig. Grfico de la energa radiante de un cuerpo

En la grfica anterior puede observarse que la radiacin visible ocupa un intervalo entre la

longitud de onda de 0,45 mieras para el valor violeta hasta 0,70 mieras para el rojo.

Los pirmetros de radiacin miden, pues, la temperatura de un cuerpo a distanciaen funcin de su radiacin. Los instrumentos que miden la temperatura de un cuerpo enfuncin de la radiacin luminosa que ste emite, se denominan pirmetros pticos deradiacin parcial o pirmetros pticos y los que miden la temperatura captando toda o unagran parte de la radiacin emitida por el cuerpo, se llaman pirmetros de radiacin total.

Pirmetros pticos

Los pirmetros pticos manuales se basan en la desaparicin del filamento de una

lmpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado. Pueden ser de dostipos: a) de corriente variable en la lmpara y b) de corriente constante en la lmpara convariacin del brillo de la imagen de la fuente.

Los pirmetros pticos automticos son parecidos a los de radiacin infrarrojos quese estudian ms adelante y consisten esencialmente en un disco rotativo que moduladesfasadas la radiacin del objeto y la de una lmpara estndar que inciden en un fototubomultiplicador. ste enva una seal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos decorriente continua que convenientemente acondicionada modifica la corriente de


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alimentacin de la lmpara estndar hasta que coinciden en brillo la radiacin del objeto yla de la lmpara. En este momento, la intensidad de corriente que pasa por la lmpara esfuncin de la temperatura.

Fig. Pirmetros pticos.

La tabla siguiente muestra los coeficientes de emisin monocromticos de metales ycuerpos corrientes a 0,65 micras y para distintas temperaturas.


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En algunos modelos, el acondicionamiento de seal se realiza con un microprocesador, loque permite alcanzar una precisin de 0,5 % en la lectura, con la posibilidad adicional detrabajar en modo continuo o de integrar picos o valles de la radiacin, en el caso del pasode objetos delante del pirmetro. Un juego de lentes parecido al de una cmara fotogrficapermite efectuar la lectura de objetos tan pequeos como de 0 0,4 mm.

El coeficiente de emisin de energa radiante (medida de la caracterstica relativadel cuerpo para emitir energa radiante) depende mucho del estado de la superficie delcuerpo emisor; para un metal como el cobre pasa de 0,10 a 0,85 si el metal perfectamentepulido se recubre bruscamente con una capa de xido, y lo mismo sucede con un baometlico lquido. En la tabla de la pgina anterior se indican los valores de los coeficientesde emisin.


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El pirmetro dirigido sobre una superficie incandescente no nos dar sutemperatura verdadera si la superficie no es perfectamente negra, es decir, que absorbaabsolutamente todas las radiaciones y no refleje ninguna. En los casos generales es precisohacer una correccin de la temperatura leda (temperatura de brillo S) para tener en cuentael valor de absorcin (o de emisin E) de la superficie. Las correcciones pertinentes vienenindicadas en la tabla siguiente.

Esta tabla nos indica la correccin a aadir a la temperatura de brillo S leda en unpirmetro monocromtico, para obtener la temperatura verdadera

Pirmetros de radiacin total

El pirmetro de radiacin total (fig. 27) est formado por una lente de pyrex, sliceo fluoruro de calcio que concentra la radiacin del objeto caliente en una termopilaformada por varios termopares de Pt-Pt/Rh, de pequeas dimensiones y montados en serie.La radiacin est enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de lostermopares. Su reducida masa les hace muy sensibles a pequeas variaciones de la energaradiante, y, adems muy resistentes a vibraciones o choques. La parte de los termoparesexpuesta a la radiacin est ennegrecida, para comportarse como un cuerpo negro,aumentado as sus propiedades de absorcin de energa, y proporcionando la f.e.m.mxima.


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P R E S I O N

SENSORES Y MEDICION DE PRESION

Los instrumentos en los procesos hidrulicos y neumticos

En los procesos industriales, existen distintas variables que se deben controlar ymedir y esto hace necesario que se estudien algunos conceptos elementales sobre medicinde presin y medicin de flujo. La presin es una fuerza por unidad de superficie y sepuede expresar en unidades tales como kg/cm2, libras/pulg2, bar, atmsferas y N/m2

(pascal), el valor de presin puede ser absoluta o diferencial. Para medir la presin, serequiere de sensores de presin, este tipo de sensores es de los ms tiles para aplicacionesindustriales, debido a que la presin se puede convertir para determinar el nivel de unlquido en un tanque o la temperatura, adems de medir la cantidad de fuerza que actasobre un objeto. La presin se puede usar para determinar el nivel de un fluido de un

tanque o recipiente, convirtiendo la cantidad de altura de presin en la altura de unacolumna del lquido. La presin se puede usar tambin para determinar la temperatura,haciendo uso de tablas de conversin, debido a que hay una relacin directa entre latemperatura y la presin de los gases confinados.

La presin se puede usar tambin para medir flujo, calculando la cada de presin atravs de una placa de orificio, esto significa que se puede ver un sensor de presin en unaamplia variedad de aplicaciones de sensores, pero la tarea bsica de operacin de sensor depresin es la necesaria para detectar fallas y reparar a todos esos tipos de sensores.

Antes de estudiar la teora de operacin de los distintos tipos de sensores, esimportante comprender los trminos que son usados para estudiar la presin. La presin sedefine como la fuerza aplicad a un rea, se puede definir matemticamente como que, lapresin es igual a la fuerza por unidad de rea, es decir, es igual:

A

FP

Las unidades de presin pueden ser kg/cm2, o bien, en el sistema ingls, lb/plg2.

Para la medicin de presin hay tres escalas:1. La escala de presin relativa2. La escala de presin absoluta3. La escala de vaco

La diferencia entre la escala de presin relativa y la escala de presin absoluta es la

localizacin del punto del cero; en la escala de presin absoluta, el punto de cero est a lapresin atmosfrica, sobre la escala de presin absoluta el punto de cero esta en el ceroabsoluto del punto de presin.

La escala de vaco tiene su cero a la presin atmosfrica y su mximo punto alpunto de presin del cero absoluto, por lo tanto, la escala de vaco se usa para indicarpresin negativa relativa.

La medicin de presin atmosfrica es esencial para el establecimiento de la escalade presin relativa y la escala de vaco. La presin atmosfrica es la presin ejercida por elaire que rodea la tierra, esta presin vara con la altitud dado que el aire cercano a la tierra


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es comprimido por el aire que est arriba. Al nivel del mar la presin es de 14.7lb (plg 2, a1500m de elevacin la presin atmosfrica es de 12.2 lb/plg2 y a 3000m de elevacin de9.7 lb/plg2).

Fig. 1 Clases de presin.

Barmetro


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El instrumento para medir la presin baromtrica es el barmetro, el barmetroms simple consiste de un tubo de vidrio largo que est sellado en un extremo y se llenacon mercurio, se invierte y se coloca en un recipiente en un recipiente con mercurio, elmercurio en el tubo deja un vaco sobre el mismo. La altura del mercurio en el tubo sobreel nivel del mercurio en el recipiente indica la presin atmosfrica en pulgadas demercurio.

Las mediciones de presin se pueden hacer desde valores muy bajos consideradoscomo un vaco, hasta miles de toneladas por unidad de rea.En la siguiente figura, se da una idea de los tipos de medidores y rangos de presin endonde se aplican.

Unidades de presin

Presin en %de toda la

escala

Temperaturamxima de

servicio

Presinestticamxima

MedidaDirecta

Elsticos

Barmetro cubeta

Tubo en u

Tubo inclinado

Toro pendular

Manmetro

campanaTubo Bourdon

Espira

Helicoidal

Diafragma

Fuelle

Presin absoluta

Sello volumtrico

0.1 - 3 m cda

0.2 - 1.2 m cda

0.01 - 1.2 m cda

0.5 - 10 m cca

0.005 - 1 m cca

0.5 - 6000 m cda

0.5 - 2500 m cda

0.5 - 5000 m cda

50 mm cda - 2 bar

100 mm cda 2 bar

6 760 mm g abs

3 600 bar

0.5 1%0.5 1%

1%0.5 1%

Ambiente

90C

Ambiente400C

6 bar10 bar

100 600 barAtmosfrica6000 bar

2500 bar5000 bar2 bar

Atmosfrica500 bar

Tubo bourdon

El llamado tubo de Bourdon consiste por lo general de un tubo de seccin ovaladaenrollado en el interior de un arco de circunferencia, un extremo est fijo al enchufe y elotro a un cuadrante mvil o sector el cual se enlaza con un pin a la aguja indicadora. El


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extremo del enchufe del tubo est abierto para admitir el fluido y el otro extremo estcerrado. Al aumentar la presin del fluido en el tubo, se tiende a enderezar en el interior y,entonces, mueve una palanca que a su vez acciona el pin y la aguja. La presin de estamedicin depende del material del cual est hecho el tubo y el tratamiento de calor que sele d.

Elementos helicoidales

Una variacin del tubo de Bourdon, son los elementos helicoidales que actan porpresin, estos elementos son similares al tubo de Bourdon convencional, excepto que estarrollado en forma de espiral con cuatro o cinco vueltas o espiras.Esto incrementa considerablemente el recorrido de la punta y forma una unidad compactafcilmente construida e instalada en un registrador de presin.

Elementos de espiral

Los elementos de medicin tipo espiral, son una segunda modificacin delelemento de Bourdon, se usa ampliamente en mediciones industriales de presinEstn constituidos por un tubo de pared delgada que est aplanado en sus lados opuestospara producir en forma aproximada una seccin elptica, el tubo se forma entonces dentrodel espiral y cuando la presin se aplica al extremo abierto, el tubo tiende a desenrollarse.

Fig. Elemento tpico de un tubo de bourdon.


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Este tipo de medidores se usa en rangos amplios de 10-4000 16/plg2. la espiral seconecta directamente a la pluma o eje de la aguja por medio de una unin que reduce lafriccin a un mnimo y elimina la inercia o prdida de movimiento e incrementa laprecisin.

Fig. Ilustracin de un elemento tpico de espiral plana

Manmetros

El dispositivo ms simple pera la medicin de presin de lquidos o gases es elmanmetro, la forma ms sencilla es el tubo Uque consiste en un tubo de vidrio en formade U y con una escala marcada en pulgadas o centmetros. Sobre la escala aparece el ceroen el centro, el fluido que va dentro del tubo normalmente es mercurio, aunque tambinpuede ser agua. El lquido se vaca en el tubo hasta que alcanza la maraca de cero, conambas columnas abiertas hacia la atmsfera, el nivel del fluido permanece en cero. Cuandouna lnea de presin se conecta a una columna de manmetro, el fluido en la columna se vaforzado a bajar y en la otra columna se eleva, midiendo la diferencia en la altura de fluidoen las dos columnas, se expresa la presin en cm. o pulgadas del fluido.

Hay otros dos tipos de manmetros que son el tubo inclinado y el tubo de cubeta.

En el tubo inclinado la columna de columna de medicin de manmetro est a un ngulocon respecto con la vertical, el ngulo sirve para expandir la escala del instrumento ymejorar la lectura, generalmente se aplica para mediciones de baja presin y, entonces, elagua se usa como lquido. En el manmetro de tipo cubeta, la columna es un granrecipiente de fluido donde se aplica la presin, debido a este diseo, la presin se puedemedir simplemente refiriendo al nivel de fluido en el tubo vertical.


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Fig. a) Manmetro de tubo en U; b) Manmetro de cubeta

Los manmetros requieren dos lecturas para obtener la lectura del lquidodesplazado y que representa la presin. En forma de ecuacin, esto se expresa en la formasiguiente:

)( 21hhKdP

Donde:P = presin del sistemad = densidad de lquidoK = constante de proporcionalidad para efectuar correcciones para unidadesy factores (cuando es necesario)h1 = altura del lquido del brazo conectado a P1h2 = altura del lquido del brazo conectado a P2

Elementos de Presin

Hay una serie de dispositivos mecnicos, los cuales estn diseados para ampliar suforma para cuando se aplica la presin a ellos, estos dispositivos elemento de presin de

deformacin elstica y cada elemento en particular responde a un rango de presindistinta.

En la figura siguiente se muestran varios instrumentos de presin y sus diferentes camposde aplicacin.


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Fig. 2 Instrumentos de presin y campo de aplicacin.

Para fines de mantenimiento es necesario identificar las partes principales de un medidorde presin tipo industrial con elemento Bourdon.


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Fig. Ilustracin de un tubo de bourdon

Medidas de presin

Unidades y clases de presin

La presin es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidadestales como Pascal, bar, Atmsferas, Kg cm2 y PSI (libras por plg2). En el sistemainternacional (SI) est normalizada en Pascal de acuerdo con las Conferencias Generalesde Pesas y Medidas 13 y 14 que tuvieron lugar en Paris en octubre de 1967 y 1971, y segn


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Recomendacin Internacional nmero 17, ratifica la III Conferencia General de laOrganizacin de Metrologa Legal. El Pascal es 1Nw m2, siendo el Nw la fuerza aplica aun cuerpo de masa 1Kg, le comunica una aceleracin de 1m/s2. Como el Pascal es unaunidad muy pequea, se emplean tambin el kilo-Pascal (1 kPa = 10-2 Bar), el mega-Pascal(1 MPa = 10 Bar) y el giga-Pascal (1 Gpa = 10000 Bar). En la industria se utiliza tambinel Bar (1 Bar = 105 Pa = 1.02 Kg/cm2) y el Kg/cm2, si bien esta ultima unidad, a pesar de

su uso todava muy extendido se emplea cada vez con menos frecuencia.

La presin puede medirse en valores absolutos o diferenciales. La presin absolutase mide con relacin al cero absoluto de presin.

La presin atmosfrica es la presin ejercida por la atmsfera terrestre medidamediante un barmetro. A nivel del mar, la presin es prxima a 760mm (29.9plgs) demercurio absolutos o 14.7 psia (lb plg2 absolutas) y estos valores definen la presinejercida por la atmsfera estndar.

La presin relativa es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre

la presin absoluta y la atmosfrica del lugar donde se efecta la medicin. Hay quesealar que al aumentar o disminuir la presin atmosfrica, disminuye o aumentarespectivamente la presin leda, si bien ello es despreciable al medir presiones elevadas.

La presin diferencial es la diferencia entre dos presiones. El vaco es la diferenciade presiones entre la presin atmosfrica existente menos la presin absoluta, es decir, es lapresin medida por debajo de la atmsfera. Viene expresada en mm columna de Hg, mmcolumnas de Agua o pulg. de columna de Agua. Las variaciones de la presin atmosfricainfluyen considerablemente en las lecturas del vaco.

Las tablas siguientes muestran algunas conversiones de unidades de presin:


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Los instrumentos de presin se clasifican en tres grupos: mecnicos, neumticos,electromecnicos y electrnicos.

Elementos mecnicos


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elemento mecnico consiste en un tubo Bourdon, espiral, hlice, diafragma, fuelle o unacombinacin de los mismos que, a travs de un sistema de palancas convierte la presin enuna fuerza o en un desplazamiento mecnico.

Los elementos electromecnicos de presin se clasifican segn el principio defuncionamiento en los siguientes tipos:

Transmisores electrnicos de equilibrio de fuerzas Resistivos Magnticos Capacitivos Extensiomtricos Piezoelctricos

Transmisores electrnicos de equilibrio de fuerzas

Para cada valor de la presin, la barra adopta una posicin determinada excitndoseun transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia, un transformadordiferencial o bien un detector fotoelctrico. Un circuito oscilador asociado con cualquierade estos detectores alimenta una unidad magntica y la fuerza generada reposiciona labarra de equilibrio de fuerzas. Se completa as un circuito de realimentacin variando lacorriente de salida en forma proporcional al intervalo de presiones del proceso.

El detector de posicin de inductancia y el transformador diferencial han sido yaestudiados anteriormente.

En el transmisor de equilibro de fuerzas con detector fotoelctrico la barra rgidatiene en su extremo una ventanilla ranurada que interrumpe total o parcialmente un rayo deluz que incide en una clula fotoelctrica de dos elementos. Esta clula forma parte de uncircuito de puente de Wheatstone autoequilibrado y, por tanto, cualquier variacin depresin que cambie la barra de posicin, mover la ventana ranurada y desequilibrar el

puente. La seal diferencial que se produce en los dos elementos de la clula esamplificada y excita un servomotor. ste, al girar, atornilla una varilla roscada la calcomprime un resorte de realimentacin que a su vez aprieta la barra de equilibro de fuerzascon una fuerza tal que compensa la fuerza desarrollada por el elemento de presin. De estemodo, el sistema se estabiliza en una nueva posicin de equilibrio. Este transmisor disponede un controlador ptico-mecnico acoplado al servomotor que seala los valores depresin en una pantalla exterior.

Los transductores electrnicos de equilibrio de fuerzas se caracterizan por tener unmovimiento muy pequeo de la barra de equilibro, poseen realimentacin, una elasticidadmuy buena y un nivel alto en la seal de salida. Por su constitucin mecnica presentan unajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones y suestabilidad en el tiempo es de media a pobre.

Su intervalo de medida corresponde al del elemento mecnico que utilizan y suprecisin es del orden de 0.5-1%.


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Transductores resistivos

Constituyen, sin duda, uno de los transmisores elctricos ms sencillos. Consistenen un elemento elstico (tubo Bourdon o cpsula) que vara la resistencia hmica de unpotencimetro en funcin de la presin. El potencimetro puede adoptar la forma de unsolo hilo continuo o bien estar arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal o no deresistencia. Existen varios tipos de potencimetros segn sea el elemento de resistencia:potencimetros de grafito, de resistencia bobinada, de pelcula metlica y de plsticomoldeado.

Un transductor resistivo representativo consta de un muelle de referencia, elelemento de presin y un potencimetro de presin. El muelle de referencia es el corazndel transductor ya que su desviacin al comprimirse debe ser nicamente una funcin de la


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presin y adems debe ser independiente de la temperatura, de la aceleracin y de otrosfactores ambientes externos.

Los transductores resistivos son simples y su seal de salida es bastante potentecomo para proporcionar una corriente de salida suficiente para el funcionamiento de losinstrumentos de indicacin sin necesidad de amplificacin. Sin embargo, son insensibles apequeos movimientos del contacto del cursor, muy sensibles a vibraciones y presentan

una estabilidad pobre en el tiempo.

Transductores magnticos

Se clasifican en dos grupos segn el principio de funcionamiento:Transductores de inductancia variable (figura siguiente) en los que el

desplazamiento de un ncleo mvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de sta enforma casi proporcional a la porcin metlica del ncleo contenida dentro de la bobina.

El devanado de la bobina se alimenta con una corriente alterna y la f.e.m. deautoinduccin generada se opone a la f.e.m. de alimentacin, de tal modo que al irpenetrando el ncleo mvil dentro de la bobina la corriente presente en el circuito se vareduciendo por aumentar la f.e.m. de autoinduccin.

El transformador diferencial estudiado en los transmisores electrnicos deequilibrio de fuerzas es tambin un transductor de inductancia variable, si bien, en lugar deconsiderar una sola bobina con un ncleo mvil, se trata de tres bobinas en las que la

bobina central o primaria es alimentada con una corriente alterna y el flujo magnticogenerado induce tensiones en las otras dos bobinas, con la particularidad de que si elncleo est en el centro, las dos tensiones son iguales y opuestas y se desplaza a la derechao a la izquierda, las tensiones son distintas. Es decir, que el transformador diferencial esms bien un aparato de relacin de inductancias.

Los transductores de inductancia variable tiene las siguientes ventajas: no producenrozamiento en la medicin, tiene una respuesta lineal, son pequeos y de construccinrobusta y no precisan ajustes crticos en el montaje. Su precisin es del orden de 1 %.


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Los transductores de reluctancia variable consisten en un imn permanente o unelectroimn que crea un campo magntico dentro del cual se mueve una armadura dematerial magntico.El circuito magntico se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante con lo cual alcambiar la posicin de la armadura varia la reluctancia y por lo tanto el flujo magntico.Esa variacin del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es, por tanto,

proporcional al grado de desplazamiento de la armadura mvil.

Fig. Transductor de reluctancia variable

El movimiento e la armadura es pequeo (del orden de un grado como mximo enarmaduras giratorias) sin contacto alguno con las partes fijas, por lo cual no existenrozamientos eliminndose la histresis mecnica tpica de otros instrumentos. Lostransductores de reluctancia variable presentan una alta sensibilidad a las vibraciones, unaestabilidad media en el tiempo y son sensibles a la temperatura. Su presin es del orden de 0.5 %. Ambos tipos de transductores posicionan el ncleo o la armadura mviles con unelemento de presin (tubo Bourdon, espiral...) y utilizan circuitos elctricos bobinados depuente de inductancia de corriente alterna.

Transductores capacitivos

Se basan en la variacin de capacidad que se produce en un condensador aldesplazarse una de sus placas por la aplicacin de presin (figura siguiente). La placamvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. De este modose tiene dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidadvariable, que pueden comparase en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente deWheatstone alimentados con corriente alterna.


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Fig. Galga cementada. Fig. Galga sin cementar.

La galga forma parte de un puente de Wheatstone y cuando est sin tensin tieneuna resistencia elctrica determinada. Se aplica al circuito una tensin, nominal tal que lapequea corriente que circula por la resistencia crea una cada de tensin en la misma y el

puente se equilibra para estas condiciones. Cualquier variacin de presin que mueva eldiafragma del transductor cambia la resistencia de la galga y desequilibra el puente. Elintervalo de medida de estos transductores varia de 0-0.6 a 0-10000 bar y su precisin esdel orden de 0.5 %.

Una innovacin de la galga extensomtrica la constituyen los transductores depresin de silicio difuminado. Consisten en un elemento de silicio situado dentro de unacmara conteniendo silicona que est en contacto con el proceso a travs de un diafragmaflexible. El sensor est fabricado a partir de un monocristal de silicio en cuyo seno sedifunde boro para formar varios puentes de Wheatstone constituyendo as una galgaextensomtrica auto-contenida. El espesor del sensor determina la medida del instrumento.

El sensor con su puente de Wheatstone incorporado forma parte del circuito de lafigura siguiente.

Fig. Puente deWheatstone para galga

extenciomtrica


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Transductor de presin de silicio difundido

Cuando no hay presin, las tensiones E1 y E2 son iguales y, al aplicar la presin delproceso Rb y Rc disminuyen su resistencia y Ra y Rd la aumentan dando lugar a cadas detensin distintas y a una diferencia entre E1 y E2. Esta diferencia se aplica a unamplificador diferencial de alta ganancia que controla un regulador de corriente variable.Un margen de corriente continua de 3 a 9 mA con 1 mA del puente produce una seal desalida de 4 a 20 mA c.c. Esta corriente circula a travs de la resistencia de realimentacinRfb y produce una cada de tensin que equilibra el puente. Como esta cada esproporcional a Rfb esta resistencia fija el intervalo de medida (span) del transductor. Elcero del instrumento se varia intercalando resistencias filas en el brazo izquierdo delpuente (cero basto) y un potencimetro en el brazo derecho (cero fino). El intervalo demedida de los transductores de silicio difundido vara de 0-2 a 0-600 bar, con una precisindel orden de 0.2%.

Las galgas extensiomtricas pueden alimentarse con c.c. o c.a. Tienen una respuestafrecuencial excelente y pueden utilizarse en medidas estticas y dinmicas. Presentan unacompensacin de temperatura relativamente fcil y generalmente no son influidas porcampos magnticos. Con excepcin de las galgas de silicio difundido poseen las siguientesdesventajas: Seal de salida dbil, pequeo movimiento de la galga, alta sensibilidad avibraciones y estabilidad dudosa a lo largo del tiempo de funcionamiento.La galga de silicio difundido tiene la ventaja adicional de estar en contacto directo con el

proceso sin mecanismos intermedios de medicin de la presin pudiendo as trabajarcorrectamente aunque el fluido se deposite parcialmente sobre el diafragma del elemento

ya que mide directamente la presin del fluido y no la fuerza que este hace sobre eldiafragma.

Transductores piezoelctricos

Los elementos piezoelctricos son materiales cristalinos que, al deformarsefsicamente por la accin de una presin, generan una seal elctrica. Dos materialestpicos en los transductores piezoelctricos son el cuarzo y el titanato de bario, capaces de


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soportar temperaturas del orden de 150 C en servicio continuo y de 230 C en serviciointermitente.

Fig. Transductor piezoelctrico

Son elementos ligeros, de pequeo tamao y de construccin robusta. Su seal derespuesta a una variacin de presin es lineal y son adecuados para medidas dinmicas, alser capaces de respuestas frecuenciales de hasta un milln de ciclos por segundo. Tienen ladesventaja de ser sensibles a los cambios en la temperatura y de experimentar deriva encero y precisar ajuste de impedancias en caso de fuerte choque. As mismo, su seal desalida es relativamente dbil por lo que precisan de amplificadores y acondicionadores deseal que pueden introducir errores en la medicin.

sensores y medicción de nivel flujo temperatura presión

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