medición y control de procesos industriales.pdf

MEDICIN Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES

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DIRECTORIO

DR. JOS ENRIQUE VILLA RIVERADirector General

DR. EFRN PARADA ARIASSecretario General

DR. JOS MADRID FLORESSecretario Acadmico

ING. MANUEL QUINTERO QUINTEROSecretario de Extensin e Integracin Social

DR. LUIS HUMBERTO FABILA CASTILLOSecretario de Investigacin y Posgrado

DR. VCTOR MANUEL LPEZ LPEZSecretario de Servicios Educativos

DR. MARIO ALBERTO RODRGUEZ CASASSecretario de Administracin

LIC. LUIS ANTONIO ROS CRDENASSecretario Tcnico

ING. LUIS EDUARDO ZEDILLO PONCE DE LENSecretario Ejecutivo de la Comisin de Operacin

y Fomento de Actividades Acadmicas

ING. JESS ORTIZ GUTIRREZSecretario Ejecutivo del Patronato

de Obras e Instalaciones

ING. JULIO DI-BELLA ROLDNDirector de XE-IPN TV Canal 11

LIC. LUIS ALBERTO CORTS ORTIZAbogado General

LIC. ARTURO SALCIDO BELTRNDirector de Publicaciones

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MEDICIN Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES

Gustavo Villalobos OrdazRal Rico Romero

Fernando Eli Ortiz HernndezMarcela Adriana Montfar Navarro

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL Mxico

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Medicin y control de procesos industriales

Primera edicin: 2006

ISBN: 970-36-0339-4

D.R. 2006 InstItuto PolItcnIco nacIonalDireccin de PublicacionesTresguerras 27, 06040, Mxico, DF.

Impreso en Mxico / Printed in Mexico

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Con todo cario a la memoria de mis padres Ignacia y Gustavo.

Gustavo Villalobos Ordaz

Con cario a mis hijos Ral, Marco Antonio, y Mara Esther. A mi esposa Gary, como un regalo de amor, por su esfuerzo y dedicacin. A mi mam Aurora (Lola) como un reconocimiento a

su amor y prudencia. A Martha Pohls, por toda su ayuda en la elaboracin de este libro. A mi escuela esperando con esta pequea aportacin ayudar para que da con da, se engrandezca.

Ral Rico Romero

Con amor para Ins.

Fernando Eli Ortiz Hernndez

A mi hijo Ignacio Maximiliano con todo mi amor y cario.

Marcela Adriana Montfar Navarro

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Contenido

Captulo 1DEFINICIONES

Interpretacin de las especificaciones ................................................................1Rango (Range) ............................................................................................................20Rango de medicin ...................................................................................................20Alcance (Span)...........................................................................................................20Rango con cero elevado ..........................................................................................21Rango con cero suprimido ......................................................................................21Variabilidad del rango (Rangeability) ................................................................21Exactitud (Accuracy) ...............................................................................................21Exactitud basada en el valor ms alejado ..........................................................22Exactitud basada en la desviacin promedio .....................................................22Exactitud basada en la desviacin estndar ......................................................22Error de medicin .....................................................................................................23Error de incertidumbre ...........................................................................................23Precisin .....................................................................................................................24Repetibilidad ..............................................................................................................24Reproducibilidad .......................................................................................................24Resolucin ..................................................................................................................25Sensitividad (Funcin de transferencia) ...........................................................26Linealidad ..................................................................................................................26Histresis ....................................................................................................................27Banda muerta (Dead zone or dead band) .............................................................28Corrimiento del cero ...............................................................................................28Ruido ............................................................................................................................2Trminos dinmicos ..................................................................................................2Tiempo de respuesta ..................................................................................................30Trminos relacionados con la energa ................................................................31Trminos relacionados con la operacin ...........................................................32Unidades de medicin ..............................................................................................32Unidades del Sistema Internacional (SI) ............................................................32Prefijos ........................................................................................................................33Unidades inglesas .....................................................................................................34Masa y peso .................................................................................................................35

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Calibracin ................................................................................................................35Estndares ..................................................................................................................36Laboratorio de calibracin ....................................................................................37Estndares de laboratorio .....................................................................................37Certificados y registros de calibracin ..............................................................38Resumen .......................................................................................................................3

Captulo 2SMBOLOS Y DIAGRAMAS

Simbologa ..................................................................................................................41Identificacin del lazo............................................................................................44Instrumentos con igual identificacin funcional ...........................................44Smbolos de las seales de la instrumentacin .................................................45Empleo de los smbolos ............................................................................................45Smbolos para diferentes variables .......................................................................47Temperatura ...............................................................................................................48Presin ........................................................................................................................4Nivel ............................................................................................................................4Flujo .............................................................................................................................50Elementos finales de control ................................................................................50Smbolos varios ..........................................................................................................52Diagramas ...................................................................................................................52Diagrama de ubicacin ...........................................................................................54Diagramas de lazos ..................................................................................................54Diagrama de instalacin ........................................................................................55Diagrama de alambrado ..........................................................................................55Resumen .......................................................................................................................62

Captulo 3TEMPERATURA

Temperatura ...............................................................................................................63Dilatacin .................................................................................................................64Por qu se dilatan los slidos ...............................................................................65Dilatacin lineal .....................................................................................................65Coeficiente de dilatacin lineal ...........................................................................65Dilatacin superficial y volumtrica ..................................................................66

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Dilatacin en lquidos ............................................................................................67Comportamiento de los gases .................................................................................67Transformacin isotrmica ..................................................................................68Transformacin isobrica ......................................................................................68Dilatacin en los gases ...........................................................................................6Calor ...........................................................................................................................6Transmisin de calor ...............................................................................................70Capacidad trmica ....................................................................................................71Calor especfico ........................................................................................................72Estado fsico cambiante (Calor de absorcin) ...................................................72Escalas de temperatura ...........................................................................................72Escalas de calibracin ...........................................................................................73Estndares primarios y secundarios .....................................................................77Aplicacin industrial de mediciones de temperatura ......................................77Clasificacin por mtodo de deteccin ...............................................................78Rangos ........................................................................................................................78Deteccin de temperatura mediante cambios de color y forma ....................7Resumen .......................................................................................................................83

Captulo 3.1INSTRUMENTOS DE MEDICIN ELCTRICA

Termopares ................................................................................................................85Propiedades de termopares .....................................................................................3Materiales de los termopares ................................................................................4Tablas de temperatura-milivoltaje .......................................................................4Relacin voltaje-temperatura para diferentes termopares ............................5Respuesta de diferentes termopares ......................................................................6Conversin de temperatura a voltaje ..................................................................6Polaridad....................................................................................................................8Alambres de extensin ...........................................................................................100Fabricacin ...............................................................................................................100Tipos de uniones ......................................................................................................101Termopozos ...............................................................................................................105Consideraciones de diseo. ...................................................................................106Seleccin del termopar y del tipo de alambre. .................................................107Tamao de alambre .................................................................................................10Blindaje .....................................................................................................................110

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Circuitos de medicin ............................................................................................113Compensacin de temperatura ambiente ...........................................................113Compensacin con resistencias ...........................................................................114Compensacin con circuitos electrnicos........................................................114Conceptos de transductores resistivos de temperatura ................................115Efectos de la temperatura en los conductores ...............................................116Coeficiente de temperatura de la resistencia ..................................................116Bulbo de resistencia RTD ......................................................................................118Caractersticas de los materiales ......................................................................11Construccin de un RTD ......................................................................................11Terminales de conexin .........................................................................................120Configuracin de alambres de conexin ...........................................................121Fundas y cabezas .....................................................................................................121El elemento sensor .................................................................................................122Caractersticas ......................................................................................................123Termopozos para los RTD .....................................................................................124Circuitos puente con RTD ....................................................................................125Errores en la medicin ..........................................................................................126Ventajas y desventajas de los RTDs...................................................................12Termistores .............................................................................................................12Tipos de termistores ...............................................................................................130Caractersticas bsicas de los termistores ......................................................130Resistencia fra .......................................................................................................131Resistencia caliente ...............................................................................................131Resistencia contra temperatura .........................................................................131Voltaje contra corriente ......................................................................................132Corriente contra tiempo ......................................................................................132Temperatura estndar de referencia .................................................................133Rangos de operacin ..............................................................................................133Constante de tiempo ...............................................................................................134Constante de disipacin ( d ) .................................................................................134Sensitividad ..............................................................................................................134Coeficiente de temperatura ..................................................................................134Potencia (Mxima Pm) ............................................................................................134Fabricacin ...............................................................................................................136Aplicaciones ............................................................................................................138Circuitos integrados para medicin de temperatura ....................................140Resumen .....................................................................................................................144

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Captulo 3.2TERMMETROS

Termmetros bimetlicos ......................................................................................145Dilatacin lineal ...................................................................................................145Termmetro de vidrio ............................................................................................150Termmetros de sistema lleno .............................................................................152Clasificacin de los sistemas llenos ..................................................................153Sistemas llenos de lquido ....................................................................................153Sistemas de presin de vapor ................................................................................156Sistemas llenos de gas ...........................................................................................15Clasificacin de termmetros clase III .............................................................15Sistemas llenos de mercurio .................................................................................160Clasificacin de termmetros clase V ..............................................................161Bulbos, termopozos y tubos capilares .................................................................161Tipos de bulbos de los termmetros ....................................................................162Caractersticas de respuesta................................................................................162Transmisores de temperatura para sistema de bulbo ......................................163Ventajas y desventajas ...........................................................................................164Resumen .....................................................................................................................165

Captulo 3.2PIROMETRA

Actividad molecular y radiacin electromagntica .....................................167Definicin de pirometra .......................................................................................16Emisividad .................................................................................................................170Relacin energa radiante-temperatura ..........................................................172Intensidad contra longitud de onda .................................................................173Pirmetros y longitudes de onda ........................................................................174Pirmetros de banda angosta (Pirmetros pticos)........................................174Pirmetro ptico manual .....................................................................................175Usos de un pirmetro ptico ................................................................................176Pirmetros pticos automticos .........................................................................177Pirmetros de banda amplia (Pirmetros de radiacin) ................................178Uso de los pirmetros de banda ancha ..............................................................180Pirmetros pasabanda............................................................................................181Correcciones en las lecturas ..............................................................................182Resumen .....................................................................................................................184

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Captulo 4CLASIFICACIN DE LAS PRESIONES

Presin en lquidos .................................................................................................186Definicin de presin .............................................................................................187Unidades de medicin de presin .........................................................................187El volumen de un lquido y su relacin con la presin .................................188Densidad y densidad relativa ...............................................................................188El concepto head para la medicin de niveles de lquidos........................10Presin en lquidos .................................................................................................11Presin manomtrica y presin absoluta ..........................................................12Medicin de presin en lquidos ..........................................................................13Medicin de presin en gases ...............................................................................16Modelo de un gas ....................................................................................................16Volumen y presin de un gas.................................................................................17Relacin entre presin y temperatura de un gas .............................................17Tipos de presin .......................................................................................................18Presin en una tubera ..........................................................................................1Resumen .....................................................................................................................201

Captulo 4.1SENSORES DE PRESIN

Instrumentos sensores de presin hmedos y secos .........................................203Manmetros hmedos ............................................................................................203Balanza de pesos muertos .....................................................................................206Manmetros secos ..................................................................................................207Sensores de tubo de bourdn ................................................................................208Cuidados del tubo bourdn ..................................................................................213Medicin de presin con diafragma ...................................................................215Medicin de presin con cpsula ........................................................................216Medicin de presin con fuelle ...........................................................................217Resumen .....................................................................................................................21

Captulo 4.2TRANSDUCTORES DE PRESIN

Transductor de presin neumtico .....................................................................221Transductor de presin electrnico ..................................................................224

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Transductor de presin tipo potenciomtrico .................................................224Transductor de presin mediante capacitancia variable ..............................226Transductor de presin mediante reluctancia ................................................228Servotransductores de presin ...........................................................................230Transmisor tipo medidor de esfuerzos (Strain gauge) ....................................233Transductores de presin en base al efecto piezorresistivo .........................235Interruptor de Presin ..........................................................................................237Resumen .....................................................................................................................240

Captulo 5MEDICIN DE NIVEL

Nivel de lquidos en tanques abiertos y cerrados ...........................................241Indicacin visual de nivel con mirillas e indicadores de vidrio .................242Medicin de nivel por burbujeo ...........................................................................243Sistema de caja con diafragma ............................................................................245Transmisor de nivel de brida con diafragma ...................................................245Medicin de nivel con instrumentos tipo flotador y desplazador .............250Flotador y cable ......................................................................................................254Medidor tipo radiactivo .......................................................................................255Transmisor de nivel por ultrasonido ................................................................256Medidor de nivel tipo capacitivo ........................................................................25Medicin de nivel de slidos ................................................................................262Instrumentos para control de un punto de nivel ...........................................262Interruptor tipo diafragma ..................................................................................263Interruptor de nivel tipo paleta .........................................................................264Interruptor de nivel de cono colgante .............................................................265Interruptor de nivel tipo celda ...........................................................................266Medicin continua de nivel de slidos..............................................................266Resumen .....................................................................................................................268

BIBLIOGRAFA ........................................................................................................26

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INTRODUCCIN

El mundo de la instrumentacin y el control de procesos est entrando en una era de cambio total, en donde los dispositivos de medicin se vuelven cada vez ms rpidos mediante el manejo de seales digitales, de equipos ms sofisticados, y las comuni-caciones estndares se mueven al mismo ritmo y por consiguiente los principios de operacin de la mayora de la instrumentacin aplicada en el control de procesos ha cambiado significativamente.

Si consideramos que todo elemento primario tiene de alguna manera que interaccionar con la variable de proceso para poder registrar los cambios que en ella se realicen, en-tonces es necesario conocer primeramente los principios fsicos, elctricos, hidrulicos y neumticos bsicos con los cuales funcionan dichos detectores y la manera que se adecuan las seales para poder ser transmitidas y manipuladas.

Este libro, que es el resultado de un exhaustivo trabajo hecho por los autores dentro del Proyecto de Investigacin CGEPI 2001 057 y con registro en CONACYT SIBEJ 20000 50 3002, tiene varios propsitos: primeramente, ver el entorno en el rea de instrumen-tacin, comenzando con algunas definiciones que se emplean en las hojas de especifi-caciones de equipos e instrumentos.

Otra funcin de esta obra es describir los lineamientos que se emplean en la elabora-cin de diagramas y la simbologa establecida, para llevar a cabo la documentacin necesaria que toda planta de procesos requiere; y por ltimo, explicar los mtodos ms modernos de deteccin de las variables en cada punto importante de la planta y el ma-nejo adecuado de la seal para indicar, registrar o controlar, de forma tradicional o con sistemas de control por computadora, las variables de proceso.

Sin embargo, ya que da con da se estn liberando nuevas tecnologas, ser necesario que el lector incursione en fuentes de investigacin en el rea de instrumentacin y pro-cesos, como lo son los temas que trata este libro, lo que le permitir estar actualizado en el estado del arte para hacer ingeniera de diseo y de detalle con el fin de instrumentar adecuadamente plantas de proceso, o modernizar las ya existentes con nuevos y ms avanzados sistemas de control que permitan a las industrias ser competitivas en el en-torno de la globalizacin.

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1

Captulo 1

definiCiones

En este captulo conocer:

Los trminos ms comnmente empleados en la medicin y el control de procesos

Las unidades empleadas para especificar el valor de las variables de procesos

Algunos conceptos de calibracin

Uno de los puntos principales en el mundo de la instrumentacin, es la terminologa que se emplea para poder conocer las especificaciones con la que los fabricantes de equipo e instrumentos disean, desarrollan, prueban y los calibran. Aunado a esto, los tcnicos, ingenieros e individuos relacionados con el campo de control de procesos debern de conocer esta terminologa para poder comunicarse de manera adecuada y poder emplear lo mejor de la instrumentacin para el control de los procesos.

Por ejemplo, si especialistas en la industria petrolera establecen que la temperatura dentro de un reactor ser de 500oC para asegurar la calidad del producto, entonces se deber de conocer qu equipo emplear, en qu rango de operacin y con qu exactitud y precisin deber operar para efectuar la medicin adecuada, adems de otras carac-tersticas como los materiales de las partes en contacto con el proceso, tipo de montaje, si debe tener proteccin para reas peligrosas o no y otras ms que se manejan en la instrumentacin. Finalmente se deber cumplir con las especificaciones establecidas.

Interpretacin de las especificaciones

En el control de procesos el trmino especificaciones se usa para describir las caracters-ticas de un sistema de medicin o transductor que usualmente se muestra en las hojas de especificaciones de cada instrumento. Esos trminos son usados por los ingenieros que disean el proceso para seleccionar el tipo de equipo requerido.

Aunque no existe un acuerdo universal en el significado de los trminos, s se tiene un acuerdo en su interpretacin. Usualmente se manejan ciertas especificaciones gene-rales en los equipos, los trminos descritos posteriormente podrn ser una gua para identificar las caractersticas de los instrumentos de control de procesos que se estn empleando. Antes de instalar cualquier equipo, asegrese de contar con las hojas de especificaciones para seleccionarlos en funcin de las condiciones del proceso.

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Medicin y control de procesos industriales20

Rango (Range)

Las caractersticas de los instrumentos relacionadas con el rango engloban las particu-laridades distintivas que poseen los mismos con respecto a la banda de valores de la variable medida. A continuacin se presentan las caractersticas ms importantes.

Rango de medicin

Es el espectro de valores de la variable medida comprendido entre dos lmites, den-tro de los cuales es recibida, transmitida, o indicada la seal. El rango de medicin debe estar expresado en unidades de la variable medida, aun cuando en algunos casos tambin se puede especificar en funcin del rango de la variable recibida o transmitida.

Por ejemplo: un transmisor de temperatura puede tener un rango de medicin de 10oC a 50oC en funcin de la variable medida, un rango en la entrada de 10 a 100 milivolts equivalente al rango de temperatura, y un rango en la salida de 4 a 20 mi-liamperes. Al lmite alto del rango de medicin se le denomina rango superior (RS), mientras que al lmite bajo del rango de medicin se le denomina rango inferior (RI).

Un instrumento no necesariamente debe ser calibrado en un rango de medicin nico. Por ejemplo un multmetro digital puede tener los siguientes rangos de medicin selec-cionados con un interruptor o perilla de seleccin: 0 a 2 volts, 0 a 20 volts, 0 a 200 volts y 0 a 2000 volts; en este caso se dice que el instrumento es de multirrango.

Alcance (Span)

El alcance del instrumento se define como el rango superior (RS) menos el rango in-ferior (RI).

Alcance (Span) = Rango Superior (RS) Rango Inferior (RI)

Tpicamente en los instrumentos multirrango tambin puede variar el alcance. El al-cance del instrumento es un parmetro muy importante, ya que gran parte de las carac-tersticas del mismo estn expresadas en funcin del alcance o del rango superior (RS). Como ejemplo, si tenemos un medidor de temperatura con un rango de 100C a 500C ste tendr un alcance (Span) de 400C.

Alcance (Span) = Rango Superior (RS) Rango Inferior (RI)

= 500C 100C = 400C

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definiciones 21

Rango con cero elevado

La variabilidad del rango de un instrumento, se define como la relacin entre el valor mxi-mo y el valor mnimo que se puede medir. El factor de elevacin de cero (FE) se calcula de la siguiente manera:

Factor de Elevacin (FE) = Valor absoluto de Rango Inferior | (RI) | / Alcance (Span)

Rango con cero suprimido

Cuando el cero de la variable medida est por debajo del rango inferior (RI), se dice que el instrumento tiene el rango en el cero suprimido o que tiene supresin de cero. Ejemplos: 30 a 300, 100 a 500. El factor de supresin de cero (FS) se calcula como:

Factor de supresin (FS) = Valor absoluto de Rango Inferior | (RI) | / Alcance (Span)

La siguiente tabla muestra un ejemplo del uso de la terminologa asociada al rango y al alcance, donde RI es el rango inferior y RS el superior.

Variabilidad del rango (Rangeability)

La variabilidad del rango de un instrumento, se define como la relacin entre el valor mximo y el valor mnimo que se puede medir. Por ejemplo, un indicador de flujo que tenga una variabilidad de rango de 3:1, indica que el mximo flujo que puede medir es tres veces mayor que el rango mnimo. Normalmente la variabili-dad del rango es una caracterstica principalmente asociada a los instrumentos de medicin de flujo y a las vlvulas para control de flujo.

Exactitud (Accuracy)

Es la proximidad de concordancia entre el resultado de una medicin y el valor verda-dero de la variable medida. La exactitud es usualmente expresada como un porciento

Rangos tpicos Nombre Rango RI RS SpanDatos

adicionales

0 100--- 0 a 100 0 100 100 ----

-25 0 100

Ceroelevado

-25 a 100 -25 100 125 Factor deelevacin = 0.25

20 100

Cerosuprimido

20 a 100 20 100 80 Factor desupresin = 0.20

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de incertidumbre con respecto a alguna parte de la medicin. As, un sistema para me-dir presin de 0 a 150 libras por pulgada cuadrada (psi por sus siglas en ingls pounds per square inches) puede ser especificado para tener una exactitud de 2 % a escala total (FS por sus siglas en ingls Full Scale). Esto significa que cualquier lectura puede tener una incertidumbre de (0.2)(150) = 3 psi. Si la lectura es de 49 psi entonces la presin actual se encuentra entre 46 y 52 psi.

La exactitud de un instrumento de medicin es su aptitud para dar respuestas prxi-mas al valor verdadero, y su inexactitud es una fuente de error en la medicin, aunque generalmente no es la nica. Muchos fabricantes de instrumentos incluyen en el valor de exactitud, los errores por histresis, banda muerta, repetibilidad y linealidad de un instrumento. Existen varias formas de estimar la exactitud de un instrumento, las cua-les se explican a continuacin.

Exactitud basada en el valor ms alejado

En este caso se toma el error mayor obtenido durante el proceso de calibracin del instrumento, ya sea que ste halla sido recorriendo la escala en sentido ascendente o descendente. Dicho error corresponde al valor ms alejado del valor real o ideal.

Exactitud = [Vm(valor ms alejado) Vr(valor real)]

Exactitud basada en la desviacin promedio

En este caso se calcula la desviacin promedio de todas las mediciones tomadas para una misma entrada, y se expresa como la exactitud d

Un instrumento tiene diferentes exactitudes en diferentes puntos del rango de medi-cin. Para calcular la exactitud total (en todo el rango de medicin) se toma entonces la desviacin promedio mayor encontrada.

Exactitud basada en la desviacin estndar

En este caso se calcula la desviacin estndar del error de todas las mediciones toma-das, para lo cual se asume que el error sigue una curva de distribucin normal. La fr-mula utilizada para calcular la desviacin estndar S, es la siguiente:

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definiciones 23

donde xi es el resultado de la isima medicin y x es la media aritmtica de los n resul-tados considerados.

El error en la medicin e, puede estar expresado en unidades de la variable medida o relativos al alcance. La exactitud se calcula entonces de acuerdo a la siguiente frmula:

Xi = (ei eprom)

ei = error en la medicin isima

eprom = error promedio de las mediciones

Exactitud = (e kS)

Frecuentemente la exactitud total de una medicin es determinada por la exactitud de cada uno de los elementos que componen el sistema. As, si un transductor es usado con algn acondicionador de seal o un transmisor, cada elemento tendr una rela-cin de entrada/salida. Para determinar el peor de los casos, se deben sumar todas las exactitudes de todos los elementos. La exactitud de un transductor o de otro equipo e instrumento de medicin es parte de las especificaciones que acompaan a ste.

Error de medicin

El error es el resultado de una medicin, menos el valor verdadero (el resultado de un mensurando menos el valor verdadero del mensurando) y expresa una diferencia entre el valor actual de alguna variable y el valor que debera indicar la medicin de esa variable. En toda aplicacin se deseara que el error fuese 0; sin embargo, todos los instrumentos modifican su comportamiento a lo largo de su vida y por tanto deben ser calibrados peridicamente.

El valor de un error est determinado por la cuidadosa medicin hecha con un ins-trumento de calibracin. Por lo tanto, si un transductor indica el valor de 50 libras por pulgada cuadrada y la presin real es de 45 psi, entonces se tiene un error de 5 psi (10%) por descalibracin del instrumento

Error de incertidumbre

Un error de incertidumbre es el valor que se determina para un instrumento y que debe ser tomado en cuenta cuando se registra la lectura de una cierta variable. La mayor par-te de los trminos definidos posteriormente tendrn que ver con este tipo de error. Por ejemplo: si se tiene un instrumento con una exactitud de 3 % de lectura instantnea en un proceso con temperatura real de 350oC, como el 3 % de 350 es 10.5, se puede tener

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una lectura de incertidumbre de 350C - 10.5C = 339.5C a 350C + 10.5C = 360.5C; porque ste fue el error que se determin para este instrumento ( 3 %), y no habr for-ma de medir la temperatura ms cercana a la real que cualquiera de estos dos puntos.

Precisin

Muchos autores consideran sinnimos los trminos exactitud y precisin, sin embargo en instrumentacin se ha considerado la exactitud con la definicin ya expresada la proximidad de concordancia entre el resultado de una medicin y el valor verdadero de la variable medida; y el trmino precisin considera el grado de legibilidad del instrumento.

Repetibilidad

La repetibilidad es la proximidad de concordancia entre los resultados de mediciones sucesivas de la misma variable realizadas bajo las mismas condiciones de operacin.

Reproducibilidad

Es la proximidad de concordancia entre los resultados de mediciones de la misma variable realizadas bajo condiciones cambiantes de medicin.

Corrimientos internos impredecibles e influencias externas pueden causar que un instrumento indique diferentes valores para un mismo valor de la variable, y las lec-turas podrn estar dentro del valor de la exactitud del instrumento, pero diferirn una de la otra.

El instrumento con mejor repetibilidad ser el que sus lecturas se repitan en un mismo valor y es usualmente definida como un porcentaje de la lectura, as que si un instru-mento de presin tiene una repetibilidad de 0.1%, que es lo comn en especificacio-nes, indica que para un mismo valor de la variable se repetir la lectura de tal manera que de cada 1000 lecturas slo una ser diferente, considerando el mismo procedimien-to de medicin, el mismo observador, el mismo instrumento de medicin utilizado bajo las mismas condiciones.

En la figura 1-1, se puede ver que la diferencia entre exactitud y la precisin radica en que en la primera, las lecturas pueden estar dentro del margen de error de exactitud y en la otra pueden estar dentro o fuera del margen de error de exactitud del instru-mento siempre y cuando las lecturas estn dentro del margen de error de precisin establecido.

Obviamente cuando las lecturas estn dentro de los mrgenes de error muy pequeos, tanto de exactitud como de precisin, el instrumento tendr un mejor desempeo.

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definiciones 25

Fig. 1-1. Diferencia entre exactitud y precisin.

Resolucin

La resolucin de un sistema de medicin se refiere al cambio mnimo detectable en la variable medida y por consiguiente contribuye a la exactitud del sistema. Por ejemplo, si un sistema medidor de presin tiene una resolucin de 0.5 psi en el rango de 0 a 100 psi, significa que si la presin cambia 0.5 psi, el sistema de medicin ser capaz de detectar que este cambio ha ocurrido. (Si la presin cambia 0.4 psi, entonces el sistema no detectar ningn cambio.) La resolucin no siempre es fcil de definir, ya que sta depende de las condiciones de la seal y otros aspectos del sistema de medicin.

Por ejemplo, si un transductor convierte una fuerza a un cambio en resistencia, la re-solucin es determinada por los pequeos cambios de resistencia que pueden ser me-didos.

La resolucin forma parte de la exactitud establecida, y un instrumento no puede tener ms exactitud que la capacidad de resolucin que le permita el sistema. Supongamos que tenemos un sistema rotatorio usando un potencimetro de alambre como el mostrado en la figura 1-2.

Fig. 1-2. Potencimetro de alambre con una resolucin de un grado.

Brazo giratorio Flecha

ResistenciaRotacin

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Notar que se tiene enrollado un alambre con 360 vueltas (espiras) y se requiere de un grado de rotacin para que el potencimetro se mueva de una espira a la otra.

Sensitividad (Funcin de transferencia)

Aunque la resolucin y la sensitividad de un transductor o sistema de medicin estn muy relacionados, normalmente la sensitividad es la que se menciona en las hojas de especificaciones de los instrumentos. La funcin de transferencia se relaciona con una parte especfica de un sistema, as como en todo el sistema de medicin o control. La funcin de transferencia es la relacin de salida/entrada de un sistema lineal y tam-bin se podra considerar el trmino de ganancia.

Un ejemplo de sensitividad sera el considerar un transductor que convierte tempe-ratura a resistencia. La relacin salida/entrada (funcin de transferencia) indica qu tanto cambio de resistencia se tiene con respecto a la temperatura. Si el dispositivo se especific con una resistencia de 500 ohms a 20C, su sensitividad es de 25 ohms/C; en-tonces se puede conocer el valor de la resistencia a cualquier temperatura, como el de la temperatura a cualquier valor de resistencia. Si la temperatura aumenta de 20oC a 25C, se tendr un nuevo valor de resistencia, que ser 500 ohms ms 25 ohms/C, ya que la resistencia aumenta 125 ohms por grado Celsius (oC), de tal manera que finalmente se tendr un valor de resistencia de 625 ohms.

Linealidad

La aproximacin ms cercana de una curva de calibracin, a una lnea recta previa-mente establecida, es lo que se conoce como linealidad Como una especificacin de desempeo en un instrumento, la linealidad debe ser expresada como linealidad in-dependiente, linealidad basada en un extremo o linealidad basada en cero. Cuando se expresa simplemente como linealidad, se supone que se refiere a la linealidad indepen-diente.

En la figura 1-3, se muestra un ejemplo de respuesta lineal que relaciona la resistencia con la temperatura. Observe que la relacin entre la temperatura y la resistencia se puede graficar como una lnea recta. En estos casos, la sensitividad (funcin de transfe-rencia) es especficamente la pendiente de la lnea (mientras ms inclinada es la lnea, ms sensible es el dispositivo).

La curva A podra corresponder a un transductor como el que se mencion anterior-mente, y la curva B representa el instrumento con el cual fue comparada. Podemos observar que la curva A, aunque no se apega a los valores del instrumento con el que se compar, tiene una respuesta que se considera lineal.

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definiciones 27

Fig. 1-3. Ejemplos de funciones de transferencia lineales.

Como en una respuesta no lineal no se puede relacionar la salida y la entrada, con una ecua-cin lineal, se toma la parte donde la curva sea lo ms lineal posible y se busca su funcin de transferencia.

Histresis

En un proceso de operacin o calibracin, cuando se le aplica seal (entrada) a un equi-po o instrumento, su respuesta (salida) tiende a ser de manera continua y repetitiva, independientemente de si el valor de la variable ha estado aumentando o disminuyen-do. Cuando por la caracterstica del elemento o por la fatiga del mismo, la respuesta no es la misma si el valor de la variable va en aumento o en disminucin, este fenmeno es llamado histresis.

La figura 1-4 inciso A representa un instrumento sin histresis para el cual una relacin de presin dada, produce una corriente con una funcin de transferencia; se observa que a 0 psi (libras por pulgada cuadrada) se tiene una corriente de 4 mA (miliamperes) y a 100 psi se tiene 20 mA. Como se puede observar la entrada es de 0-100 psi y la sali-da de 4-20 mA. En consecuencia, para cada punto de presin le corresponde un valor proporcional en corriente, por ejemplo: si la presin aumenta de 0 a 50 psi, la corriente aumenta de 4 a 12 mA, o si la presin disminuye de 100 a 50 psi, la corriente disminuye de 20 a 12 mA.

6

5

4

B

3

2 A

0Temperatura

RESISTENCIA

164 8 12

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En la figura 1-4 (B) se tiene un instrumento con histresis. Se puede observar que la res-puesta en la relacin presin-corriente, depende de si la presin ha estado por arriba o por debajo de la lectura actual. En este caso, las corrientes y presiones en los extremos son siempre 0-100 psi y 4-20 mA, pero en los puntos intermedios, la corriente depende si la presin est aumentando o disminuyendo. En consecuencia, para 50 psi la corrien-te ser 12 mA si el valor de la presin est aumentando partiendo de 0 psi. Pero si la presin est disminuyendo desde 100 psi, entonces al valor en 50 psi le corresponder una salida de 14 mA.

Esta condicin es expresada a menudo como un porcentaje de incertidumbre de lectura en las especificaciones del transductor y es un componente de la exactitud especificada por el fabricante del instrumento.

Fig. 1-4. La histresis relaciona la entrada del instrumento con su salida.

Banda muerta (Dead zone or dead band)

Es el rango de valores de la variable de entrada en donde no se logra cambiar la indica-cin o la seal de salida del instrumento, es decir, que la salida no responde a la entra-da. Viene dado en porciento del alcance (Span). La causa directa de la banda muerta, es la friccin o juego entre las piezas del instrumento. El trmino de sensitividad es frecuentemente empleado para representar la banda muerta.

Corrimiento del cero

La lectura en cero suele cambiar por razones asociadas al uso de un instrumento o por el envejecimiento que las etapas amplificadoras sufren generando corrimientos de la seal en el tiempo (como, por ejemplo, la lnea base de un cromatograma). Los instrumentos deben especificar su tolerancia al corrimiento del cero y adems, los procedimientos y

20 20

16 16

12 12

8 8

4 4

PRESION PRESION

100

A

20 40 60 80 80 100

B

20 40 60

CORRIENTE

CORRIENTE

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definiciones 2

periodicidad en que deben efectuarse recalibraciones. Un caso muy tpico es el cero de la escala de pH, donde la concentracin molar de iones hidrgeno H+ es igual a la de iones hidroxilo OH- con un valor de pH igual a 7.00 y que se debe recalibrar frecuentemente.

Ruido

Es cualquier perturbacin elctrica o seal accidental no deseada que modifica la trans-misin, indicacin o registro de los datos deseados.

Trminos dinmicos

Constante de tiempo. Este concepto es conocido tambin como retraso en la transmi-sin o tiempo muerto y es el tiempo que tarda el instrumento en alcanzar el 63% del cambio total de la variable. Para entender este fenmeno se considerar la ecuacin en el tiempo para un sistema de primer orden, en la cual la constante de tiempo es parte de los componentes fsicos del sistema, pudiendo ser una resistencia (R) y un capacitor (C), que en este caso definen la constante de tiempo.

C(t) = ( 1 e -t/RC) u ( t )

La constante de tiempo representa el tiempo transcurrido desde el instante en que se aplica la excitacin hasta que la respuesta alcanza el 63% de su valor final. Si se tiene un cambio repentino en la variable de entrada como se muestra en la figura 1-5, en donde la entrada es la presin y la salida es un voltaje, se observa que en 3 segundos, la salida del transductor ha alcanzado los 2.52 volts.

Como la salida vara de 0 a 4 volts, para un cambio total de 4 V, el 63% es 2.52 V. As pues, una medicin de 2.52 V representa 63% del cambio esperado.

Fig. 1-5. Respuesta de la constante de tiempo de un sistema.

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Por lo tanto, la constante de tiempo de este transductor es de 3 segundos. Se considera que cuando la salida alcanza el 63% de la seal de excitacin (entrada) se dice que se tiene una constante de tiempo, para este caso dos constantes de tiempo seran 6 segun-dos y as sucesivamente.

Para describir este efecto, necesitamos asignar algn valor a RC para definir la respues-ta en el tiempo de un sistema de medicin. As pues, la curva A en la figura 1-6 muestra la respuesta en el tiempo de un transductor A con una constante de tiempo diferente al de las curvas B y C.

Fig. 1-6. Diferentes constantes de tiempo.

Estas curvas difieren obviamente en la velocidad de respuesta ante un cambio de entra-da de la variable medida. La constante de tiempo es utilizada para cambiar la velocidad de respuesta del sistema en el tiempo, y esta velocidad de respuesta depende de los componentes empleados en la construccin del mismo.

Mientras ms grande sea la constante de tiempo, ms lenta ser la respuesta del sistema (pendiente menos inclinada) y mientras ms pequea sea la constante de tiempo, ms rpida ser la respuesta del sistema (pendiente ms inclinada). La constante de tiempo es otro aspecto importante dentro de las especificaciones de un transductor o equipo.

Tiempo de respuesta

La medicin de cualquier variable de proceso puede implicar una demora, (debida a fe-nmenos de equilibrio, transporte, etc.) que debe ser definida adecuadamente. Si la medi-cin tiene una cintica ms lenta que la de la propia variable, habr que disponer de siste-mas de prediccin del valor en lugar de descansar slo sobre la medicin instrumental.

PSI6

200

5

4A

3

B

100

2

C1

0 4 8 12 16Tiempo

VOLTS

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definiciones 31

Se puede entender mejor el tiempo de respuesta de un transductor, si se considera el tiempo que puede tardar en responder el sistema (retardo por transporte) y la constan-te de tiempo del mismo. Para comprender este concepto, considrese que la variable medida cambia sbitamente de valor. Por ejemplo, en la figura 1-7 se muestra que la presin que se est midiendo de pronto cambia de 0 a 200 psi. No es posible esperar que el sistema de medicin responda a la misma velocidad a la que la presin cambi. As pues, se debe esperar un cierto tiempo (tiempo muerto L), ms un tiempo de subi-da (T), para obtener una respuesta aproximada de salida a esa variacin. El tiempo de respuesta usualmente se establece entre un 90, 95 o 99 % del escaln.

Fig. 1-7. Respuesta en tiempo de un sistema, a una entrada tipo escaln.

Trminos relacionados con la energa

Suministro de presin: A los instrumentos neumticos como transmisores o controla-dores, se les suministra aire a la presin de 20 psi.

Suministro de voltaje: es la seal elctrica suministrada a las terminales de los instru-mentos electrnicos. Los voltajes tpicos son los siguientes:

117 volts 10%, 60 Hertz24 volts de corriente directa 10%

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Trminos relacionados con la operacin

Son las condiciones de operacin tales como: temperatura ambiente, humedad, presin ambiente, vibraciones, etc. a las cuales est sujeto un instrumento.

En los equipos e instrumentos electrnicos la hoja de especificaciones indican la hume-dad, temperatura y vibracin que resiste el instrumento, y que el fabricante determina en base a pruebas especiales, lo que permite conocer los rangos de operacin entre los cuales el equipo operar sin que sus componentes mecnicas y electrnicas se vean afectadas. Algunos equipos funcionan en rangos mayores que otros, debido a que los equipos de campo estn fabricados para que soporten condiciones extremas del medio ambiente y los equipos de tablero o de laboratorio no lo requieren.

Unidades de medicin

Debe haber un entendimiento comn sobre las unidades que se usarn en las medicio-nes de variables. Por ejemplo, si se quiere hablar de distancia, entonces se debe acordar en la definicin de una unidad de distancia estndar y expresar todas las distancias en trminos de esta unidad.

En el presente, existe cierta confusin en todas partes del mundo sobre ciertas unidades de medicin. Esto se debe a que en los Estados Unidos an no se generaliza el uso del Sistema Internacional de Unidades SI.

An cuando la mayora de los dems pases usan las unidades del SI, los Estados Uni-dos utiliza el sistema ingls. Sin embargo, es necesario que una persona con orientacin tcnica, conozca ambos sistemas de unidades para lograr una buena comunicacin. Aunque en las industrias de control de procesos esta conversin parece estar sucedien-do ms rpido que en muchas otras reas, es especialmente importante familiarizarse con ambos sistemas.

Unidades del Sistema Internacional (SI)

Las unidades ms comnmente utilizadas en el mundo tcnico fueron desarrolladas a travs de un acuerdo internacional por lo cual se le conoce como el Systme Internatio-nal dUnites, y se abrevia SI. Este sistema utiliza las siguientes definiciones fundamen-tales como base: 1. Longitud metro (m) 2. Masa kilogramo(kg) 3. Tiempo segundo (s) 4. Corriente elctrica ampere (A) 5. Temperatura kelvin (K) 6. ngulo, plano radian (rad)

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definiciones 33

7. ngulo, slido steradian (sr) 8. Luminosidad candela (cd)

Las abreviaturas para las unidades listadas anteriormente se muestran entre parntesis. Todas las dems cantidades (incluyendo la fuerza, la energa y el potencial elctrico), se definen en trminos de estas unidades. As pues, para la energa se utiliza el Joule (J) que es equivalente a un kilogramo por metro cuadrado por segundo cuadrado (1kg x 1m2/s2).

Las unidades del SI se resumen en la tabla 1-1. Se debe estar familiarizado con estas unidades y desarrollar un concepto de la magnitud de cada unidad en funcin de la experiencia diaria. As pues, si alguien requiere levantar 233 kg, sabr de inmediato si se trata de una masa pesada o ligera.

Prefijos

Las unidades del SI se emplean con multiplicadores (prefijos) para facilitar la expresin de nmeros muy grandes o muy pequeos. Estos multiplicadores tienen nombres y abreviaturas estandarizadas que se emplean rutinariamente, en la tabla 1-2 se mues-tran los prefijos estndar.

tabla 1-1. Unidades del si e inglesas

Cantidad Unidad del si Unidad inglesa Multiplique la inglesa para obtener si

Longitud metro pie 0.3048

Tiempo segundo segundo 1

Masa kilogramo libra 0.4536

Corriente ampere ampere 1

Temperatura kelvin rankine 5/9

celsius fahrenheit 5/9 (F -32)

ngulo radian radian 1

Luminosidad candela candela 1

Fuerza candela libra 4.448

Energa joule pie-libra 1.356

Presin pascal psi 6896.6

Volumen metro cbico galn 0.00379

tabla 1-2. Prefijos mtricos

nmero Potencia de 10 nombre Abreviatura

1000000000000 12 Tera T

1000000000 9 Giga G

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1000000 6 Mega M

1000 3 Kilo K

1 0 - -

0.001 -3 Mili m

0.000001 -6 Micro m0.000000001 -9 Nano n

0.000000000001 -12 Pico P

Una presin de 20,000,000 pascales (Pa) puede ser escrita 20x 1,000,000 Pa. Tambin po-demos utilizar el prefijo para un milln, el cual es mega (M) y escribir 20 MPa. De ma-nera similar, podemos describir una distancia de 0.00025 metros (m) como 0.25 x 0.001 m, o, utilizando el prefijo para 0.001 que es mili (mm), escribindolo como 0.25 mm.

Observe que estos prefijos pueden ser escritos como potencias de 10 en notacin cien-tfica. En este caso, un nuevo prefijo es definido por cada cambio de 3 en la potencia de diez. Si se quisiera reescribir un nmero como 2.31 x 10-5 amperes (A), entonces se debe desplazar el punto decimal hasta que la potencia corresponda a uno de los prefijos: 23.1 x 10-6 A o 23.1 mA. En este caso el trmino micro (m) significa 10-6 o una millonsima de ampere.

Unidades inglesas

Dado que en los Estados Unidos an se utiliza el sistema ingls de unidades para la mayora de la comunicacin comercial y parte de la industrial, se debe ser capaz de convertir de un conjunto de unidades a otro.

Tomando como referencia nuevamente a la tabla 1-1, sta enlista algunas de las uni-dades inglesas ms comunes, el equivalente del SI, y los factores de multiplicacin utilizados para convertir de un sistema a otro. Una pulgada equivale a 2.54 cm (cent-metros) y hay 30.48 cm por pie. No existe equivalente ingls para la corriente elctrica, la luminosidad y muchas otras unidades por lo que las unidades del SI son utilizadas en estos casos. Se pueden emplear estos factores de conversin para relacionar las mag-nitudes del SI con las del sistema ingls. Los siguientes ejemplos ilustran el uso de la informacin contenida en la tabla.

1. Convertir una fuerza de 4.5 libras (lb) a Newtons (N). Segn la tabla el factor es 4.448, de modo que la fuerza es

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definiciones 35

2. Convertir una distancia de 3.14 metros (m) a pies (ft). Observamos que el factor de multiplicacin para convertir de pies a metros es de 0.3048, as que debemos dividir para convertir de metros a pies

3. Convertir una presin de 140 psi a kPa (kilopascales). 1 psi = 6896.6 Pa o 6.8966 kPa. Por lo tanto 140 psi x 6.8966 kPa/1 psi = 965.5 kPa.

La misma conversin se puede realizar de otra forma:

As pues,

Masa y peso

Existe cierta confusin en el uso de la unidad mtrica de masa (kg) y fuerza inglesa (lb). En el sistema ingls se expresa el peso de un objeto a travs de la fuerza (en libras) con la que la Tierra atrae al objeto. En consecuencia, si alguien pesa 180 lb, esto significa que la Tierra ejerce una fuerza de atraccin sobre esa persona de 180 lb. La fuerza de atraccin de la Tierra sobre un objeto es proporcional a la masa del objeto; as, tanto esta fuerza o la masa por s sola puede ser utilizada para describir el peso. En el sistema internacional (SI), el peso se expresa por la masa en kilogramos, en lugar de hacerlo con la fuerza de atrac-cin en Newton. El factor de conversin es tal, que un objeto de 1 kg ser atrado con una fuerza de 9.8 N o 2.2 libras. As, si alguien pesa 180 lb, su peso en kilogramos es

Por otra parte, una masa de 233 kg pesar

Calibracin

Una buena comunicacin de conceptos tcnicos requiere de una definicin consistente de los trminos y las unidades usadas para las variables que son medidas. El ltimo elemento requerido para una buena comunicacin es que se pueda confiar plenamente en los instrumentos de medicin que estn utilizando.

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Por ejemplo, si se quiere medir una temperatura con una exactitud de 1C, entonces se debe adquirir un instrumento con especificaciones que digan que la medicin puede realizarse con una exactitud de 1C o mejor. Sin embargo, conforme pasa el tiempo es natural esperar que el uso y otros factores disminuirn la exactitud del instrumento; y an si sta no disminuye, cmo saber si el instrumento retiene las mismas especifica-ciones que cuando era nuevo?

En muchas operaciones industriales, los instrumentos de medicin deben ser confia-bles de modo que provean la exactitud estipulada por el diseo original para asegurar un producto satisfactorio. Esta confianza se logra haciendo pruebas peridicas y ajus-tando el instrumento para verificar su desempeo. A este tipo de mantenimiento se le llama calibracin.

Estndares

Antes de que la calibracin pueda ser realizada, se debe contar con ciertos valores pre-cisos conocidos de cantidades medidas para compararlos contra las mediciones reali-zadas con el instrumento que se desea calibrar.

As pues, para un instrumento que se utiliza para medir presin con exactitud de 0.01 psi se debe tener, para comparar, una fuente de presin de la cual est seguro que provea presin en este rango u otro rango mejor. Slo entonces se podr decidir si el instrumento funciona satisfactoriamente. La tabla 1-3 enlista estndares para corriente, presin, tiempo y flujo.

tabla 1-3. estndares de calibracin

Magnitud estndar

Voltaje Celda estndar, fuente de alta precisin.

Corriente Estndares de voltaje y estndares de resistencia o fuente de corriente de precisin.

Presin Calibracin de presin con alta exactitud en la medicin.

Tiempo(Frecuencia)

WWV o contador de precisin de frecuencia con cristal.

Temperatura Ambiente con temperatura controlada con medicin exacta (RTD)

Flujo Sistema de flujo controlado con exactitud en la medicin.

Una cantidad conocida y sumamente exacta utilizada para calibrar instrumentos de medi-cin es conocida como estndar. Una alternativa para un estndar es otro instrumento de medicin capaz de medir con la misma o mayor exactitud que el instrumento que se desea calibrar. Aun as, este instrumento debe ser calibrado peridicamente para asegurar su confiabilidad.

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definiciones 37

El conjunto de estndares (patrones) con los cuales la calibracin final debe realizarse son desarrollados entre otros organismos, por la Oficina Nacional de Estndares de los Estados Unidos (NBS por sus siglas en ingls).

Si un complejo industrial est interesado en realizar una medicin de masa, se puede instalar en la planta un laboratorio de calibracin donde los instrumentos de medicin de masa sean calibrados peridicamente, utilizando algunos estndares propios.

Aunque esto es vlido, peridicamente el laboratorio debe enviar sus propios es-tndares e incluso su equipo, a un laboratorio con las caractersticas de la NBS para corroborar la calibracin. En este sentido, la compaa puede solicitar un se-guimiento (trazabilidad) a sus procesos de calibracin por parte de un organismo certificado.

Laboratorio de calibracin

Cualquier operacin industrial relacionada con la calidad en la manufactura puede tener su propio laboratorio de calibracin o usar los servicios de un laboratorio de ca-libracin comercial certificado; en cualquier caso, el equipo de medicin utilizado en la operacin crtica de los procesos se lleva a los laboratorios de calibracin con cierta periodicidad

El laboratorio de calibracin sirve en todas las fases de la operacin industrial desde la fabricacin hasta la investigacin y las funciones de desarrollo. En todos los casos, es necesario tener plena confianza en la exactitud de las mediciones, para asegurar que se est elaborando un producto satisfactorio, adems de tener la confianza en el desarrollo e investigacin de los productos.

Estndares de laboratorio

Normalmente un laboratorio de calibracin tpico calibra los equipos que son crticos en los procesos de produccin de una compaa.

En la tabla 1- 3 se mencionan algunos parmetros comunes que son utilizados en la indus-tria y que requieren operaciones de calibracin. En cada caso, el laboratorio en particular debe mantener estndares locales que puedan ser supervisados por la dependencia co-rrespondiente de cada pas.

Es muy importante para todo el personal, el cooperar con la operacin de calibracin, an cuando esto parezca interferir con el desarrollo del trabajo de la planta. El efectuar una mala calibracin de los instrumentos se reflejar en la calidad del producto.

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Certificados y registros de calibracin

En la mayora de los casos, cuando la calidad del producto es crtica el equipo es cali-brado y posteriormente certificado por el laboratorio de calibracin, ste es sellado de modo que no se puedan hacer ajustes sin romper este sello.

Esto se hace para que quienes operen los instrumentos, estn seguros que el equipo est calibrado cuando se efectan mediciones del proceso. En muchos casos los sellos tienen una nota de calibracin requerida seguida de una fecha para indicar cundo debe ser regresado el equipo al laboratorio para ser recalibrado. Estas fechas deben ser respetadas, y el equipo debe ser regresado en la fecha que se indica. En los laboratorios de calibracin se mantienen registros del equipo que es crtico, de modo que el historial de la calibracin del equipo pueda ser consultado en el momento que se requiera. Esto puede ser sumamente importante para identificar alguna falla o algn funcionamiento fuera de especificaciones del proceso de manufactura.

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definiciones 3

Resumen

Las caractersticas de un transductor o sistema de medicin estn descritas en las hojas de especificaciones proporcionadas por el fabricante de los instrumentos.

Los trminos usados incluyen: error, precisin, exactitud, resolucin, funcin de trans-ferencia, sensibilidad, grado de linealidad de la funcin de transferencia, histresis, tiempo de respuesta y constante de tiempo.

Tanto las unidades del Sistema Internacional de Unidades SI, como las del sistema in-gls, se utilizan para describir longitud, masa, tiempo, corriente elctrica, temperatura, ngulo slido y plano y luminosidad. Las unidades del SI se utilizan junto con multi-plicadores para facilitar la expresin de nmeros muy grandes o muy pequeos. Para el sistema ingls no existe un arreglo similar lo que obliga a hacer conversiones de un sistema a otro.

Es necesario realizar pruebas peridicas as como los ajustes de los instrumentos (cali-bracin) para verificar su operacin.

Deben existir estndares disponibles contra los cuales se pueda comparar el instrumen-to que se quiera calibrar. Los estndares son valores conocidos (patrones) muy exactos usados para la calibracin de instrumentos de medicin.

Las operaciones de calibracin son comnmente realizadas en laboratorios de calibra-cin. Las operaciones industriales relacionadas con el control de calidad se valen de los servicios de los laboratorios de calibracin.

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Captulo 2

sMbolos y diAgrAMAs

En este captulo conocer:

La simbologa de las principales variables de un proceso

Los diagramas de lazos de control

Como en todas las ciencias, es importante la estandarizacin de las partes y el todo de un proceso, cuyo propsito es establecer de manera uniforme la designacin de los instrumentos y sistemas usados en la medicin y control de variables. En el rea de instrumentacin se ha desarrollado el tema de smbolos y diagramas buscando tener la descripcin de los sistemas de control de una planta o proceso de manera estanda-rizada.

Los smbolos y diagramas son usados en el control de procesos para indicar la aplica-cin en el proceso, el tipo de seales empleadas, la secuencia de componentes interco-nectados, y de alguna manera, la instrumentacin empleada. En Amrica, la Sociedad de Instrumentistas de Amrica (ISA por sus siglas en ingls de Instruments Society of America) publica normas para smbolos, trminos y diagramas que son generalmente reconocidos y adoptados por la industria en general.

Simbologa

El smbolo ms empleado en todo diagrama de instrumentos, es un crculo el cual con-tiene una combinacin de letras y nmeros que definen el tipo de variable, el instru-mento que acta con sta y el nmero de lazo. En la figura 2-1 se muestra la simbologa empleada para diferentes aplicaciones con el fin de definir un instrumento dentro de un diagrama de instrumentos.

Como se mencion anteriormente, para poder identificar la variable de proceso se cre el manejo de letras y nmeros que nos permiten conocer el tipo de la variable, el instrumento con el cual se registra, indica o manipula la variable y el nmero de identifica-cin de la misma, de esta manera se puede asociar fcilmente el tipo de medicin que se efecta en el proceso.

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Los dispositivos que se encuentren ocultos (por ejemplo atrs de un panel), pueden simbolizarse de la misma forma, pero con una lnea punteada.

Fig. 2-1. Simbologa para elementos de control.

En los diagramas, los nmeros de identificacin se colocan dentro de crculos, las letras estn en la mitad superior mientras que los nmeros del lazo de control estn en la mitad inferior. Las lneas dibujadas en el centro de los crculos tienen diferentes signifi-cados: una lnea continua indica un instrumento montado en el panel de control y una lnea punteada indica que est atrs del tablero de control.

Un crculo sin lnea en el centro indica que est montado de manera local, en el campo, o dicho de otra manera, junto al equipo de proceso. Es obvio que todo instrumento debe tener una etiqueta como identificacin, la cual debe tener la misma nomenclatura que en el diagrama de instrumentos.

En la figura 2-2 se mencionan las letras y su significado: considerando las letras de la primera columna, se tiene que: la letra F significara flujo, la T Temperatura, la L (level) Nivel, etc. La combinacin de la primera columna y el resto de ellas dar como

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sMbolos y diagraMas 43

resultado una combinacin de funciones que indicar cmo se est manipulando la variable. Si se emplea la primera letra combinada con el modificador, esto puede indi-car, si se emplea la letra D que es una lectura diferencial, o que se est totalizando si se emplea la letra Q; y as sucesivamente.

Con un poco de prctica se podrn conocer las posibles combinaciones que se requie-ran para poder identificar la instrumentacin de un diagrama o para disearlo.

Primera letra letras posteriores

Variable de proceso Modificador Lectura Salida Modificador

A Anlisis Alarma

B Quemador de flama Como se prefiera

Como se prefiera

Como se prefiera

C Conductividad Controlador

D Densidad o peso especfico

Diferencial

E Voltaje (fem) Elemento pri-mario

F Flujo (caudal) Relacin

G Como se prefiera Vidrio

H Manual Alto

I Corriente elctrica Indicador

J Potencia Muestrear

K Tiempo Controlador

L Nivel Luz piloto Bajo o alto

M Humedad Medio

N Como se prefiera Como se pre-fiera

Como se pre-fiera

Como se prefiera

O Como se prefiera Orificio, restric-cin

P Presin o vacio Punto de co-nexin

Q Cantidad Integrador,totalizador

R Radiactividad Registrador

S Velocidad o fre-cuencia

Seguridad Interruptor

T Temperatura Transmisor

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U Multivariable Multifuncin Multifuncin Multifuncin

V Viscosidad Vlvula

W Peso o fuerza Pozo

X No clasificada Eje x No clasificada No clasificada No clasifi-cada

Y Como se prefiera Eje y Relevador

Z Posicin Eje z Elemento final de control

Fig. 2-2. Letras de identificacin del instrumento.

Identificacin del lazo

En la figura 2-3 se muestra cmo se dibuja normalmente en los diagramas un smbolo de un instrumento, en el que se indica el tipo de variable, cmo se manipula y el nme-ro que ocupa dentro del proceso.

Fig. 2-3. Letras y nmeros utilizados en las etiquetas.

As, el TRC 123 (Temperature Recorder Controler por sus siglas en ingls) mostrado en la figura 2-3 identifica un controlador registrador de temperatura correspondiente al lazo de temperatura 123. (Conforme a la norma, en la identificacin de instrumentos, las letras se colocan con las siglas de las abreviaturas en ingls de las funciones aun cuando la ingeniera y la aplicacin se realicen en un pas de habla hispana.)

Instrumentos con igual identificacin funcional

Por ejemplo, si un registrador de temperatura recibe seales de dos transmisores de flujo separados, la etiqueta de un transmisor se podra leer TT 123A (transmisor de

Letra primeracolumna

Letra del resto delas columnas

T

123

RC

Nmero de lazo de control

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L L L L X X X X

temperatura por sus siglas en ingls de Temperature Transmitter que en este caso coin-cide con las siglas en espaol) y la otra se podra identificar por TT 132B. En la tabla 2-1 se presentan algunos ejemplos de la aplicacin de estas normas.

eJeMPlos

tit-101 Transmisor e indicador de temperatura. (Temp. Indicating Xmitter)

te-101 Elemento de temperatura del TIT-101 (p. Ej. RTD). (Temp. Element)

tW-101 Termopozo del sensor de temperatura del TIT-101. (Termowell)

fQi-143 Transmisor, indicador y totalizador del flujo.

dPt-097 Transmisor de presin diferencial. (Diferential pressure transmitter)

Pt-089 Transmisor de presin. (Pressure transmitter)

lsl-122 Interruptor de bajo nivel. (Level switch low)

lsH-122 Interruptor de alto nivel. (Level switch high)

Tabla 2-1. Ejemplos de aplicacin de identificacin de instrumentos.

Smbolos de las seales de la instrumentacin

Las seales de instrumentacin utilizadas en el control de procesos son usualmente de los siguientes tipos: conexin a proceso, electrnica (elctrica), neumtica, hidrulica, capilar, snica o indicando radioactividad. Cada seal tiene un smbolo diferente y los smbolos son mostrados en la figura 2-4

Fig. 2-4. Simbologa de las lneas de conexin de instrumentos.

Empleo de los smbolos

En la figura 2-5 se ilustra un diagrama que muestra la instrumentacin de un proceso de un intercambiador de calor, en el cual se manipulan las variables de flujo de vapor, flujo de agua, nivel y temperatura.

Conexin a proceso o alimentacin

Seal elctrica

Seal hidrulica

Capilar (sistema trmico)

Unin o conexin interna

Seal electromagntica snica o radiactiva

Seal neumtica

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En dicho proceso se est calentando un lquido que entra por la parte superior del diagra-ma y se registra el flujo de entrada a travs del grupo de instrumentos rotulados con el nmero 200, la temperatura se controla dejando pasar ms o menos lquido al tanque, adems de registrarla y accionar alarmas en caso de baja temperatura, por medio de los instrumentos involucrados con el nmero 201; as mismo el nivel es controlado dentro del intercambiador a travs de la instrumentacin nmero 202, de tal manera que el reci-piente no llegue a estar vaco y finalmente mediante la instrumentacin 203 se registra el flujo y la presin del vapor, con el que es calentado el lquido en el recipiente.

En el diagrama se muestran los elementos primarios de medicin (sensores de flujo, temperatura y presin), los equipos de control y monitoreo (controladores, indicadores y registradores) y los elementos finales de control (vlvulas). Note que se utilizan: lazos de control, indicacin y registro de las variables nicamente. As mismo se est indi-cando el tipo de conexin entre cada instrumento y el proceso (toma directa o mediante tubos capilares) y entre instrumentos (seales elctricas y neumticas).

Referente a la ubicacin de los instrumentos, si revisamos la figura 2-1, los que estn mon-tados en el panel de control son: FR-200, FR-202, PR-202 y TRC-201, mientras que los que estn montados en campo son todos los dems. As mismo, los equipos que manejan seales neumticas son: las salidas de TRC-201, FT-202, PT-202, LIC-203 y las vlvulas TV-201 y LV-202, los de seales elctricas son: FT-200 con FR-200 y TS-201 con TAL-201 y los de seales por medio de tubo capilar son: el TIC-201 (la entrada).

El poder reconocer la manera en que se manejan las seales en el proceso y cmo se logra la identificacin de los lazos, ser parte de una constante manipulacin de este tipo de diagramas. Sin embargo es importante recalcar que un elemento primario (sensor) debe estar en contacto directo con la variable de proceso, mientras que los elementos finales de control (vlvulas) como su nombre lo indica, estarn al final del lazo haciendo que la variable cambie conforme el proceso lo requiera. Considerando esto, el lazo de temperatura estar formado por TE-201 (elemento primario), TRC-201 (controlador-indicador) y TV-201 (elemento final de control).

Respecto a los elementos que lo conforman, este tipo de diagramas proporciona cierta informacin adicional, en este caso los elementos primarios, segn su simbologa, re-presentan: medidor de turbina el FE-200, mientras el FE-202 es una placa de orificio con bisel; en la figura 2-9 se ilustran ms smbolos de sensores de flujo.

En los lazos de temperatura (TRC-201) y nivel (LIC-203), el elemento final de control es una vlvula. Las letras justo debajo de los smbolos de las vlvulas, indican que stas abren (FO por su siglas en ingls Fail Open) o cierran (FC por su siglas en ingls Fail Close) si el diafragma se rompe, o la seal de aire falla.

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Fig. 2-5. Smbolos de instrumentos en un proceso.

El segundo crculo unido al TRC (TS 201) significa que se utiliza un interruptor para activar un TAL (alarma por baja temperatura por sus siglas en ingls Temperature Alarm Low), la cual tambin est localizada en el panel de control.

Smbolos para diferentes variables

Los smbolos han sido divididos, obviamente, en funcin del tipo de variable que se desee representar, a continuacin se presentan las variables ms empleadas en el con-trol de procesos. Por supuesto aqu no se presenta toda la simbologa; sin embargo, si se dominan estos smbolos, el resto ser muy fcil de manejar.

FO

Entrada del fluido al proceso (agua fra)

Vapor

Intercambiador de calor del proceso

Salida de vapor

Salida de exceso de agua

Fig 2-5 Smbolos de instrumentos en un proceso

FR200

FE200

PR202

FR200

FT202

PT202

FE202

LV203

LIC203

TW201

TE201

TRC201

TS201

TAL201

TV201

FT2200

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Temperatura

Usualmente en la medicin de temperatura se emplean termopozos para proteger el ele-mento sensor del ataque qumico o de otro tipo de las sustancias del proceso, de esta manera se logra alargar la vida til de los sensores. Los materiales normalmente empleados en los termopozos son acero inoxidable y cermica, con una longitud de insercin de 250 a 475 mm (10 a 12 pulgadas).

En la figura 2-6, los TW (termopozos por sus siglas en ingls Termo Well) son incluidos dentro de los elementos primarios. Por ejemplo, el TR-4 (temperature recorder por sus siglas en ingls) indica que es un registrador de temperatura que est conectado a la tubera del proceso con un termopozo.

El empleo de termopozos puede provocar que las lecturas tengan un retardo en la respuesta de la medicin, si el elemento sensor no queda perfectamente pegado en el fondo del termopozo.

Fig. 2-6. Elementos primarios para control de temperatura.

Tubo de proceso

Elemento detemperatura sin

termopozo

Elemento detemperatura con

termopozo

Tubo de proceso

Tubo de proceso

Registrador local con termopar o resistenciacon termopar

Tubo de proceso

Indicador de temperatura detipo capilar con termopozo

Tubo de proceso

Termmetro de vidrio o bimetlico

Horno

Transmisor indicador y sistemade llenado trmico

Horno

Transmisor indicador y sistemade llenado trmico

Tubo de proceso

Conexin de termopozo

xx

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Presin

As como en temperatura se usan los termopozos, en presin se utilizan los diafragmas para aislar el elemento primario (sensor) del proceso, tratando con esto de evitar que los productos agresivos puedan daar el sensor. Un lado del diafragma tiene contacto directo con los productos del proceso y del otro lado se llena con un lquido llamado se-llo qumico. En la figura 2-7 se muestran las aplicaciones ms comunes en la medicin de presin en instrumentacin de procesos.

Fig. 2-7. Elementos primarios para control de presin.

Nivel

En esta variable la consideracin que debe hacerse notar, es la diferencia entre los trans-misores de presin y los de presin diferencial (P). El LT-4 (transmisor de nivel por sus siglas en ingls de Level Transmitter) debe ser conectado a un tanque abierto porque la presin atmosfrica que acta sobre la superficie del lquido, acta tambin sobre la otra conexin del transmisor que est venteado a la atmsfera. El LT-5, tiene una conexin de tipo diferencial que generalmente se conecta a un recipiente cerrado

Tubo de proceso

Indicador de presinconectado directamente

Indicador de presin conectado mediante diafragma con sello qumico

Tubo de proceso

Transmisor indicador depresin con medidor de

esfuerzos (Strain-Gauge)

Tanque

Indicador conectadodirectamente

Montado directamenteen el instrumento

Montado en el proceso

Transmisor conectadodel lado de baja presindel transmisor de flujo

Flujo

Tubo de proceso

Utilizando sifn paravapor

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o presionado, el cuerpo del transmisor se dibuja pegado al tanque para indicar la toma de alta presin; la lnea conectada a la parte superior del tanque indica la toma de baja presin y esto se hace para compensar la presin sobre la superficie del lquido, de esta manera se estar midiendo nicamente la presin que se genera por la columna del lquido. En la figura 2-8 se muestran los smbolos de los instrumentos primarios para medicin de nivel.

Fig. 2-8. Elementos primarios de control de nivel.

Flujo

En la variable de flujo, se tiene una gran variedad de smbolos, los que se asemejan a los mecanismos fsicos de los medidores de flujo, por ejemplo el FE 9 (Flow Element) es un medidor de tipo propela, en cuyo caso este dispositivo fsicamente, tiene una propela mediante la cual se efecta la medicin del flujo. Ver figura 2-9.

Elementos finales de control

El elemento que acta sobre el proceso para producir una accin de tal manera que se obtenga el valor deseado de la variable (producto) en los lazos de control, recibe el nom-bre de elemento final, en esta seccin se muestran las vlvulas que son los elementos finales de control ms comnmente usados. Para accionar la vlvula existen diferentes tipos de actuadores: neumticos, hidrulicos, elctricos; los cuales pueden ser utiliza-dos con cualquiera de los cuerpos de las vlvulas, aqu mostrados. Ver figura 2-10.

Tanque

Tanque

Tanque

Tanque Tanque Tanque

Tanque Tanque Tanque

LG1

LG2

Manmetro de vidrio montado externamente

Manmetro de vidrio montado localmente

LI3

Indicador de nivel con dos conexiones

LT4

Transmisor de nivelcon una conexin

LT5

LT6

LE22

LR7

Transmisor de nivel tipo radiactivo o snico con sensor integral

LT 8

Tubo de burbujeo o con transmisor

LI9

Indicador de nivel de tipo flotador

Transmisor de nivel de presin diferencial ( P)

Transmisor ( P) de nivelconectado el lado de alta(lado de baja venteado)

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Fig. 2-9. Elementos primarios para control de flujo.

Placa de orificio con bisel

FT3

FE2

FE5

FE6

Placa de orificiocon vena contracta ytransmisor diferencial

Placa de orificiocon accesorios

de cambio rpido

Tubo pitot-venturi

FE7

FE7

FE9

X

FE10

FE

Tubo venturi Vertedero Canal Medidor deturbina o propela

Medidor de flujoelectromagnticocon transmisor

FE13

FE12

FE14

FE15

Medidor deobjetivo (target)

Medidor de flujoultrasnico

con transmisor

Medidor indicador totalizadorde desplazamiento positivo

M

FE18

FE16

FE16

FE19

M

Sensor vortex Tobera Medidor de flujosnico dopler o

transicin de tiempo

Transmisor deflujo magntic

medición y control de procesos industriales.pdf

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