1 rea de Educacin a Distancia y Semipresencial, Formal y No Formal Docente: Ing. Pablo Marelli. Ing Diego Lopez.

Curso Instrumentacin

Industrial

Manual del alumno

2 rea de Educacin a Distancia y Semipresencial, Formal y No Formal Docente: Ing. Pablo Marelli. Ing Diego Lopez.

INDICE

Introduccin. 3

Simbologa Norma ISA.. 7

Sensores.. 20

Detectores 42

Transmisores de Seal. 58

Actuadores... 61

Controladores.... 84

Controlador Lgico Programable PLC. 87

Comunicaciones. 94

Ejemplos de procesos 99

INTRODUCCIN

Se define a la automatizacin como el estudio de los mtodos y procedimientos cuya finalidad es la sustitucin del operador humano por un operador artificial en la generacin de una tarea fsica o mental previamente programada.

Partiendo de esta definicin y refirindonos al mbito industrial, puede definirse a la automatizacin como el estudio y aplicacin de los mtodos de control a los procesos industriales

En funcin del tipo de proceso que se pretende controlar y de la forma en la que se realice dicho control, el operador artificial o sistema de control presentar una configuracin y caractersticas determinadas.

Hay dos formas de realizar el control de un proceso industrial.

Control en lazo abierto

El control de lazo abierto se caracteriza porque la informacin o variables que controlan el proceso circulan en una sola direccin, desde el sistema de control al proceso. El sistema de control no recibe la confirmacin de que las acciones que a travs de los actuadotes ha de realizar sobre el proceso se han ejecutado correctamente.

Control en lazo cerrado

El control en lazo cerrado se caracteriza porque existe una realimentacin a travs de los sensores desde el proceso hacia el sistema de control, que permite a este ltimo conocer si las acciones ordenadas a las actuadotes se han realizado correctamente sobre el proceso.

La mayora de procesos existentes en la industria utilizan el control en lazo cerrad, bien, porque el producto que se pretende obtener o la variable que se controla necesita un control continuo en funcin de unos determinados parmetros de entrada, o bien, porque el proceso a controlar se

subdivide en una serie de acciones elementales de tal forma que, para realizar una determinada accin sobre el proceso, es necesario que previamente se hayan realizado otra serie de acciones elementales.

Como veremos posteriormente, la configuracin del sistema de control, el nmero de variables de entrada y salida de que dispone, as como la naturaleza de estas variables, depende del tipo de proceso industrial que se pretende controlar.

Tipos de procesos industriales

Los procesos industriales, en funcin de su evolucin con el tiempo, pueden clasificarse en alguno de los grupos siguientes: Continuos. Discontnuos o por lotes. Discretos.

Tradicionalmente, el concepto de automatizacin industrial se ha ligado al estudio y aplicacin de

los sistemas de control empleados en los procesos discontinuos y los procesos discretos, dejando los procesos continuos a disciplinas como regulacin o servomecanismos.

No obstante haremos a continuacin una breve descripcin sobre los diferentes tipos de procesos y los sistemas de control que pueden emplearse en ellos.

Procesos continuos

Un proceso continuo se caracteriza porque las materias primas estn constantemente entrando por un extremo del sistema, mientras que en el otro extremo se obtiene de forma contina un producto terminado

Un ejemplo tpico de proceso continuo puede ser un sistema de calefaccin: para mantener una

temperatura constante en una determinada instalacin industrial. La materia prima de entrada es la temperatura que se quiere alcanzar en la instalacin; la salida ser la temperatura que realmente existe. El sistema de control consta de un comparador que proporciona una seal de error igual a la diferencia entre la temperatura deseada y la temperatura que realmente existe; la seal de error se aplica al regulador que adaptar y amplificar la seal que ha de controlar la electrovlvula que

permite el paso de gas hacia el quemador de la caldera. El regulador en funcin de la seal de error y de las prdidas de calor existentes en la instalacin

mantendr la temperatura deseada en la instalacin, controlando la cantidad de gas que pasa por la electrovlvula. El actuador esta constituido por la electrovlvula; se utilizan dos sensores: la temperatura real existente en la sala y la temperatura programada por el operario.

A la vista de la instalacin se comprueba dos caractersticas propias de los sistemas

continuos:

El proceso se realiza durante un tiempo relativamente largo. Las variables empleadas en el proceso y sistema de control son de tipo analgico; dentro de

unos lmites determinados las variables pueden tomar infinitos valores.

El estudio y aplicaci6n de los sistemas continuos es objeto de disciplinas como Regulaci6n y Servomecanismos.

Procesos discretos

El producto de salida se obtiene a travs de una serie de operaciones, muchas de ellas con gran similitud entre s. La materia prima sobre la que se trabaja es habitualmente un elemento discreto que se trabaja de forma individual

Un ejemplo de proceso discreto es la fabricacin de una pieza metlica rectangular con dos

taladros. El proceso para obtener la pieza terminada puede descomponerse en una serie de estados que han de realizarse secuencialmente, de forma que para realizar un estado determinado es necesario que se hayan realizado correctamente los anteriores. Para el ejemplo propuesto estos estados son:

Corte de la pieza rectangular con unas dimensiones determinadas, a partir de una barra

que alimenta la sierra. Transporte de la pieza rectangular a la base del taladro. Realizar el taladro A

Realizar el taladro B. Evacuar pieza.

Cada uno de estos estados supone a su vez una serie de activaciones y desactivaciones de los

actuadores (motores y cilindros neumticos) que se producirn en funcin de:

Los sensores (sensores de posicin situados sobre la cmara de los cilindros y contactos auxiliares situados en los contactores que activan los motores elctricos).

Variable que indica que se ha realizado el estado anterior.

Procesos discontinuos o por lotes

Se reciben a la entrada del proceso las cantidades de las diferentes piezas discretas que se necesitan para realizar el proceso. Sobre este conjunto se realizan las operaciones necesarias para producir un producto acabado o un producto intermedio listo para un procesamiento posterior.

Por ejemplo, se trata de formar una pieza de una mquina partiendo de las piezas representadas en la figura, que se han obtenido a partir de una serie de procesos discretos; las piezas se ensamblarn como se indica en la figura; una vez colocadas se remacharn los cilindros superiores de las piezas C, D y E deforma que pueda obtenerse la pieza terminada.

El proceso puede descomponerse en estados, que, por ejemplo, podran ser: Posicionar piezas C, D y E. Posicionar piezas B. Posicionar pieza A. Remachar los cilindros superiores de C, D y E.

Estos estados se realizarn de forma secuencial, y para activar los dispositivos encargados de

posicionar las diferentes piezas -como ocurra en el proceso discreto- sern necesarias: Seales de sensores. Variables de estados anteriores.

SIMBOLOS Y DIAGRAMAS

Es necesario, para la correcta comprensin de los esquemas de control y para la estandarizacin de los mismos, comprender la simbologa para la representacin de las principales variables de un proceso y los diagramas de detalle de lazos de control.

La Instruments Society of America ISA, publica normas para smbolos, trminos y diagramas que son generalmente reconocidos en la industria. Estas normas nos permiten interpretar el tipo de seales empleadas, la secuencia de componentes interconectados, la instrumentacin utilizada, con el propsito de indicar la aplicacin en el control de procesos.

Identificacin del Instrumento

Los instrumentos son generalmente identificados por nmeros en una etiqueta. El nmero de la etiqueta identifica (1) la funcin en el proceso y (2) el lazo de control en el cual est localizado. La figura 1 indica cmo las letras y los nmeros son seleccionados y agrupados para lograr una rpida identificacin.

PRIMERA LETRA

LETRAS SIGUIENTES

NUMERO DE LAZO DE CONTROL

SUFIJO (SI ES NECESARIO)

F

RC

102

A

IDENTIFICACION FUNCIONAL

IDENTIFICACION DEL LAZO

La funcin o variable de proceso puede ser fcilmente asociada con el tipo de medicin realizada en el proceso. As, FRC (Flow Recorder Controler) mostrado en la figura. 1 identifica un controlador registrador de flujo. Las letras del alfabeto son utilizadas para formar la combinacin de estos nombres. En la figura. 2 su muestra la tabla con las letras correspondientes a cada termino.

Los nmeros para la identificacin del lazo de control tienen una base diferente y sirve para un propsito diferente. El FRC de la figura 1, por ejemplo, es tambin el nmero del lazo del instrumento en este caso el 102 en un proceso. Normalmente cuando se tiene varios instrumentos del mismo tipo se agrega una letra despus del nmero.

Por ejemplo, si el registrador de flujo recibe seales de dos transmisores de flujo separados, la etiqueta de un transmisor se podra leer FT 102 A y la otra se podra identificar por FT 102 B.

PRIMERA LETRA

LETRAS POSTERIORES

Letra

Variable medida

Letra de Modificacin

Funcin de lectura pasiva

Funcin de Salida

Letra de Modificacin

A

Anlisis

Alarma

B

Quemador (Burneo)

C

Conductividad

Controlador

D

Densidad

Diferencial

E

Tensin

Elemento sensor

F

Flujo

Relacin

G

Seleccin del usuario

H

Manual (hand)

Alto

I

Corriente

Indicador

J

Potencia

K

Estacin de control

L

Nivel (Level)

Luz

Bajo

M

Humedad (moisture)

Medio

N

Seleccin del usuario

O

Seleccin del usuario

Orificio

P

Presin

Punto de control

Q

Calidad (Quality)

Totalizador

R

Radioactividad

Registrador

S

Velocidad (Speed)

Seguridad

Interruptor (Switch)

T

Temperatura

Transmisor

U

Multivariable

Multifuncin

V

Vibracin

Vlvula

W

Peso (Weight)

Vaina (pozo)

X

Seleccin del usuario

Y

Seleccin del usuario

Rele Calculador

Z

Posicin

Actuador Accionamiento

Fig. 2 Identificacin del Instrumento con Letras

En los diagramas los nmeros de la etiqueta son colocados dentro de crculos. La figura 3 muestra varias normas de arreglos de crculos. Note que la identificacin funcional est siempre en la mitad superior del globo mientras que el nmero del lazo de control est en la mitad inferior. Una lnea dibujada en el centro indica un instrumento montado en el panel de control.

Un circulo sin lnea en el centro indica que est montado en forma local o en el campo. Una lnea punteada indica que est montado atrs del tablero de control Cuando dos crculos son dibujados unidos estn indicando mltiples funciones.

Por ejemplo si el FRC ( Control registrador de flujo) mostrado en la figura 1 incluye una segunda plumilla para graficar presin, un circulo doble aparecera en el dibujo para indicar su funcin.

Un nmero colocado fuera del crculo identifica el tablero de control donde el instrumento est instalado (Figura 3).

Montado localmente, en campo

Montado en el panel principal, accesible al operador

Montado detrs del panel

Elementos individuales

Display en sistemas de control distribudo

Calculador de funciones lgicas

Controlador lgico programable

Fig. 3 Smbolos Estndar

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

Fig. 4. Lneas de Conexin de Instrumentos

Smbolos en el Control de Procesos

En un proceso de intercambio de calor como el mostrado en la figura 5 se utilizan varios elementos primarios y varios tipos de seales. Seales elctricas y neumticas son utilizadas en este diagrama para demostrar aplicaciones tpicas de los smbolos de instrumentos.

Se puede observar:

Lazo 100: Un transmisor de flujo donde el elemento primario es un tubo venturi. La seal al registrador es elctrica.

Lazo 101: el controlador registrador de temperatura 101, montado sobre panel, tiene una entrada capilar y una salida neumtica a la vlvula de control. Las letras FO justo debajo del smbolo de la vlvula, indica que la vlvula abre si el diafragma se rompe, o la seal de aire falla, o si existe una condicin similar. El segundo crculo unido al TRC (TS 101) significa que se utiliza un interruptor para activar un TAL (alarma por baja temperatura en el panel de control. En el controlador tiene salidas de alarma y corte.

Lazo 102: sobre el elemento sensor a brida orificio, se leen las seales de presin para el transmisor de flujo. La salida neumtica del transmisor montado localmente FT 102, enva una seal al registrador que est sobre el panel de control con la identificacin FR 102.

Lazo 103: se utiliza una de las tomas del FE 102 para el transmisor de presin que corresponde al Lazo 103. Notar que la lnea que une el transmisor de presin al proceso es colocada en el lado de salida de la placa de orificio, lo cual indica que se registra la presin de salida. Cuando se miden fluidos compresibles (gas, aire, vapor), el uso de la presin de entrada o la de salida afectar significativamente la cantidad final o el volumen que se calcule con los datos registrados. La presin de salida es registrada.

Los lazos combinados para la medicin del flujo de vapor (FR 102) y la presin del vapor (PR 103) ilustran cmo son aplicados los smbolos para un mismo con dos funciones.

Se puede obtener considerable informacin sobre el proceso y la instrumentacin estudiando dibujos similares a los de la figura 5.

En el ejemplo mostrado en la figura 5, el vapor fluye al intercambiador para calentar el fluido del proceso.

Fig. 5 Smbolos de Instrumentos en un Proceso Simple

Reconocimiento de Smbolos

Si se requiere determinar el significado de las conexiones de los lazos, debern reconocerse los smbolos representativos de los elementos primario y final. Se muestran los dispositivos primarios para temperatura, presin, nivel y flujo en las figuras 6 a la 9. La figura 10 est dedicada a los dispositivos finales. Existen otros dispositivos primarios y finales adems de los mostrados en las figuras, sin embargo, reconociendo los aqu presentados facilita el reconocimiento de otros.

Temperatura

En la figura 6, los TW (termopozos) son incluidos dentro de los elementos primarios. Por ejemplo el elemento primario TR 31 indica un registrador de temperatura que est directamente conectado a la tubera del proceso por un sistema de llenado trmico. Para probar los instrumentos instalados con exactitud y sin mover o reemplazar el elemento primario, se inserta un termmetro de vidrio, termopar de prueba o un bulbo de resistencia en el termopozo.

Fig. 6 Elementos Primarios para Control de Temperatura

Presin

La figura 7 muestra algunas aplicaciones de medicin de presin ms comunes en instrumentacin de procesos.

Fig. 7 Elementos Primarios para Control de Presin

Nivel

La figura 8 muestra que los smbolos de nivel y las instalaciones tienen mucho en comn. Note la diferencia entre LT 18 y LT 19. El LT 18 tiene una derivacin diferencial aplicada a

un recipiente cerrado o presionado y el LT 19 es conectado a un tanque abierto, adems el lado de baja presin es venteado a la atmsfera.

Fig. 8 Elementos Primarios de Control de Nivel

Flujo

En la figura 9, el FE-5 es un tubo Pitot y el FE 9 (Flow element) es un medidor de turbina, ambos dibujos se asemejan en los mecanismos de los medidores de flujo que representan, porque se busc que los smbolos fueran lo ms parecido posible a los aparatos medidores.

Fig. 9 Elementos Primarios para Control de Flujo

Elementos finales de control.

Las vlvulas, elementos finales en los lazos de control se muestran en la figura 10, las vlvulas son los elementos de control ms comunes, sin embargo se utilizan tambin otros elementos finales de control como son los amortiguadores, controles de velocidad o circuitera de posicin. Ntese que cualquiera de los actuadores listados puede ser utilizado con cualquiera de los cuerpos de las vlvulas mostradas. Usualmente se utilizan slo los smbolos ms simples y se reservan las especificaciones detalladas para los diagramas de los lazos de control.

Fig. 10 Elementos Finales de Control

Diversos Smbolos

La figura 11 muestra otros smbolos frecuentemente utilizados que en varios ejemplos stos aparecen en los dibujos subsecuentes, es importante familiarizarse con ellos.

Fig. 11 Diversos Smbolos

Aplicaciones

Para mostrar un proceso y el control de procesos, particularmente, se utilizan un diagrama denominado P & I (o Diagrama de Tuberas e Instrumentacin o Diagrama de Proceso e Instrumentos) . El P & I es la base de cualquier diseo de procesos. Es un diagrama que puede medir grandes dimensiones, dado que recipientes, bombas y otros componentes se muestran en este tipo de dibujo.

Las lneas en l representan la tubera que se requiere para operar el proceso. As, es un "diagrama de rutas" de los caminos tomados por los diferentes fluidos del proceso. Las dimensiones de bombas y los tubos pueden estr contenidos.

Un P & I bien detallado, simplifica sus decisiones sobre cmo controlar o instrumentar el proceso. No todos los instrumentos mostrados en el P & I trabajan como instrumentos de control.

Revisin de especificaciones de instrumentos

Ubicacin. Los diagramas de ubicacin muestran con detalle la posicin de la instrumentacin y equipo instalado en y alrededor del proceso.

La figura 12 es una vista simplificada de un evaporador. Este diagrama es en realidad un plano que muestra las principales partes del equipo del proceso, tales como calefactores, cabezales de vapor y bombas. Los crculos adyacentes identifican los instrumentos utilizados en el sistema. Debajo de cada circulo que representa un instrumento, est una notacin indicando la elevacin a la cual el instrumento est instalado.

Fig. 12 Dibujo Tpico de Localizacin de instrumentos y equipos. (FT significa elevacin en pies)

Un diagrama de ubicacin es especialmente til para el tcnico que no est familiarizado con el rea; es tambin de valor para el que instala el equipo, puesto que da una elevacin definida y una posicin para cada uno de los instrumentos y equipos del proceso.

Otros diagramas muestran la tubera de aire del instrumento y las principales vas de las seales del instrumento.

Diagramas de lazos

Los diagramas de lazos de control son probablemente los ms importantes para el tcnico o instrumentista de mantenimiento. La figura 13 es un diagrama de lazo de control tpico, muestra un lazo de flujo con un transmisor diferencial electrnico conectado a una placa de orificio.

Fig. 13 Diagrama de un Lazo de control

Informacin restante podra darse indicando si el orificio est excntrico o segmentado. Este dato permite hacer la calibracin, probar o determinar una posible falla.

Diagrama de cableado

La figura 15 ilustra un concepto de cableado nico. Dado que todos los conductores se conectan bornes terminales y no hay conductores conectndose de un componente a otro, cualquier equipo puede ser desconectado sin alterar la seal del resto de los instrumentos.

1. El diagrama en pocas lneas

2. Los componentes son divididos en dos clasificaciones: los principales instrumentos del frente del pnel estn numerados. Las piezas secundarias del equipo, tales como extractores de raz cuadrada o interruptores de alarmas, son identificados con letras.

3. El tcnico o instrumentista de mantenimiento no necesita un diagrama impreso con los conductores desde un borne a otro dado que el sistema los identifica en ambos extremos de cada conductor, proporcionando toda la informacin requerida.

Note que: el terminal 2 al borne 10 en el componente 1, el terminal 3 al borne 10 en el componente 2 y el terminal 4 a los bornes 3 y 6 del componente A.

Los cuadros indican que los conductores van a un instrumento en el panel rontal. Los crculos indican que los conductores van a un instrumento en el panel trasero. Con un poco de prctica se familiariza rpidamente con este tipo de diagramas.

Fig. 15 Diagrama de cableado

Fig. 16. Tabla de Funciones Lgicas

Resumen

Un sistema de identificacin de instrumentos podra incluir los siguientes componentes:

1. Etiqueta definir la funcin en el proceso y la localizacin del instrumento.

2. Smbolos para identificar las seales del control de procesos neumticas, hidrulicas, capilares, electrnicas, snicas o radiactivas.

3. Smbolos para representar dispositivos de control primarios y finales que gobiernan el flujo, nivel, presin y temperatura.

Se utilizan distintos tipos de dibujos en sistemas de control de procesos.

1. El de tuberas e instrumentos, como la base de cualquier diseo de procesos.

2. Esquemas para indicar la posicin de instrumentos y equipos instalados

3. Esquemas de instalacin para proporcionar detalles de partes y posiciones de los instrumentos

4. Diagramas de lazos de control para calibracin y localizacin de fallas.

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SENSORES Y TRANDUCTORES

En todo proceso a controlar, es preciso obtener mediciones de distintas variables del mismo para poder tomar accin sobre estas u otras variables.

La variables ms comnmente medidas y monitoreadas son: Temperatura, nivel, presin y caudal. En menor medias otras como humedad, etc.

SENSORES DE TEMPERATURA

Los sensores ms comunes son: Termocupla, termorresistencia y elementos de estado slido.

A fin de seleccionar el mejor sensor para una aplicacin dada, se deben considerar varios factores, como ser rangos de temperatura, exactitud, velocidad de respuesta, costo y requerimientos de mantenimiento. Estos factores sern analizados a continuacin en relacin a aquellos dispositivos de uso ms comn en las industrias de proceso: termocuplas, termoresistencias, termistores, sistemas de dilatacin y pirmetros de radiacin u pticos.

En la Tabla se listan los rangos de temperatura medidos normalmente mediante sensores estndar. Estos rangos no representan los extremos alcanzables, sino los lmites que pueden medirse con los dispositivos disponibles por lo general en el mercado y que son suministrados por la mayora de los fabricantes. Se pueden medir mayores y menores temperaturas, pero generalmente con una menor exactitud y a un mayor costo.

SISTEMA

RANGO EN C

Termocuplas

Sistemas de dilatacin (capilares o bimetlicos ) Termorresistencias Termistores

Pirmetros de radiacin

-200 a 2800

-195 a 760

-250 a 850

-195 a 450

-40 a 4000

TERMORRESISTENCIAS

El principio de medicin de la temperatura con termmetros de resistencia est basado en la variacin de valor de la resistencia elctrica de un conductor metlico en funcin de la temperatura.

De una forma aproximada, pero no por ello lejos de lo real, la variacin de la resistencia elctrica de un metal a raz de la temperatura puede presentarse mediante la expresin:

donde: R(t) = R0 (1 + t)

R(t): Resistencia elctrica a la temperatura t

R0: Resistencia elctrica a la temperatura de 0 C

: Coeficiente de variacin de la resistencia elctrica en funcin de la temperatura medida en C;

t: Temperatura medida en C.

El coeficiente vara a raz de la temperatura y ese hecho debe considerarse en los termmetros de resistencia, sobre todo cuando stos se utilizan para medicin en un intervalo de temperatura superior a los 100C.

Entre los metales ms adecuados que se utilizan para termometra de resistencia estn:

Aleacin de Rh 99,5% + Fe 0,5%:

Se usa en la medicin de temperatura en la franja de 0,5K a 25K (-272,65C a -248,15C);

Cobre:

Se utiliza en la medicin de temperatura en la franja de 193,15K a 533,15 K (-80C a 260C).

Posee una linealidad de 0,1C en un intervalo de temperatura de 200C.

Sin embargo, su baja resistencia a la oxidacin limita su franja de temperatura de utilizacin.

Nquel:

Utilizado para medicin de temperatura en la franja de 213,15K a 453,15K (-60C a 180C).

Los principales atractivos en su utilizacin son su bajo costo y la alta sensibilidad. Su principal desventaja es la baja linealidad.

Platino:

Utilizado para medicin de temperaturas en la franja de 25K a 1235K (-248C a 962C). Es el metal ms utilizado en la construccin de termmetros de resistencia por su amplia franja de utilizacin, tiene buena linealidad y mejor resistencia a la oxidacin. De este material esta construido el sensor mas conocido, llamado PT100. Debe su nombre a que a 0C tiene un resistencia de 100 .

Tipos de Bulbos: Bulbos de Cermica El cable es bobinado en forma helicoidal y encapsulado en cermica. Entre todos los tipos de bulbos es el que permite utilizarse en toda franja de temperatura, proporciona mayor estabilidad y hay versiones para ser utilizadas con aplicaciones sujetas a choques mecnicos y vibracin.

Bulbos de Vidrio

El cable es bobinado en forma bifilar directamente sobre una base de vidrio y posteriormente revestido tambin con vidrio. Este ensamblaje permite su utilizacin en condiciones severas de choque mecnico y vibracin y la cpsula de vidrio permite la utilizacin directa en soluciones cidas, alcalinas y lquidos orgnicos.

Bulbos de Pelcula Fina

En este tipo de bulbo, el platino se deposita en un substrato cermico que permite la fabricacin de bulbos con dimensiones reducidas tanto en la versin plana como en la versin cilndrica.

Sistemas de Conexiones

Configuracin bsica del elemento sensor.

Esta figura representa el elemento sensor de un TRPI, el cual tiene como dimensiones tpicas:

- E: 10 mm a 40 mm;

- D: 1 mm a 4 mm;

En la extremidad del bulbo van soldados los cables de conexin acondicionados en un soporte adecuado. El conjunto es introducido en el interior de un tubo metlico.

Como el valor de resistencia que permite determinar la temperatura es solamente la resistencia del bulbo y no a la resistencia de los cables de conexin, existen tres esquemas bsicos de conexin del bulbo.

Justificamos a cada uno de ellos:

Conexin a Dos Cables

Se tendr la siguiente relacin entre las resistencias.

RBULBO + RL1 + RL2 = R1.R3 / R2

Si R3 = R2 entonces RBULBO + RL1 + RL2 = R1. Una vez que se conoce R1, queda determinado el valor de RBULBO + RL1 + RL2.

Es evidente que al valor de la resistencia del bulbo se suman los valores de la resistencia de los cables de conexin, hecho que disminuye la calidad de la medicin con el consecuente error en la determinacin de temperatura.

Conexin a Tres Cables

Considerando nuevamente que R2 = R3, el equilibrio del puente resultar de la condicin:

RBULBO + RL2 = R1 + RL1

Como es posible, con buena aproximacin considerar RL1 aproximadamente igual a RL2 el cual es aproximadamente igual a RL3, el efecto de los cables de conexin es muy acentuado.

Este es el tipo de conexin ms utilizado en termmetros de resistencia para aplicaciones industriales.

Conexin a Cuatro Cables

El sistema de conexin a cuatro cables elimina completamente las resistencias de los cables de conexin y se utiliza en situaciones que requieren mediciones muy precisas. Los TRPPs se muestran con conexiones a cuatro cables, por ejemplo:

De acuerdo con la figura, una corriente de excitacin de valor conocido (usualmente 1mA) circula por el bulbo por dos de los cables de conexin mientras que por los otros dos se mide la diferencia de potencial entre los terminales A y B del sensor. Mediante Ley Ohm tenemos que:

Por tanto:

El sistema de conexin a cuatro cables elimina completamente las resistencias de los cables de conexin y se utiliza en situaciones que requieren mediciones muy precisas.

TERMOCUPLAS

En el ao 1821, Seebeck not que al juntar dos conductores de metales distintos, de manera que se forme un circuito elctrico cerrado, flua una corriente elctrica que dependa de la diferencia de temperatura entre las junturas.

Junta Material X

Fra Material Y Junta Caliente

I

El principio de medicin de temperatura utilizando termocuplas se basa en tres principios fsicos, que son:

1.- Efecto Seebeck: al unir dos cables de materiales diferentes formando un circuito, se presenta una corriente elctrica cuando las junturas se encuentran a diferente temperatura.

2.- Efecto Peltier: consiste en que cuando una corriente elctrica fluye a travs de una juntura de dos metales diferentes, se libera o absorbe calor. Cuando la corriente elctrica fluye en la misma direccin que la corriente Seebeck, el calor es absorbido en la juntura caliente y liberado en la juntura fra.

3.- Efecto Thomson: un gradiente de temperatura en un conductor metlico est acompaado por un gradiente de voltaje, cuya magnitud y direccin depende del metal que se est utilizando.

Material X

Material Y

V

Es importante destacar que las termocuplas funcionan con un punto fro y otro caliente. La "juntura fra" suele ser parte del instrumento amplificador, asunto que debe ser verificado al seleccionar equipos.

Existen varios tipos de termocupla, puesto que cualquier par de metales conformara un tipo determinado. Sin embargo, la emprica ha llevado al uso de ciertos tipos estandarizados, a los que se les cita por una letra (las ms tpicas son las tipo J, K y T). Cada tipo difiere en el material de los metales A y B. Al diferir los materiales de construccin difieren los rangos de trabajo, el voltaje generado por unidad de grado y la mxima temperatura til (antes que se funda).

Termocuplas metlicas

Lmite de error

Tipo ANSI- ISA

Combinacin de metales

Cdigos de los termo- elementos

Composicin qumica

Rangos de temperatura

Standard

Especial

J

Hierro/ constantan

JP

JN

Fe

44 Ni:55 Cu

- 73C a 427C

427C a 760C

2,2C ( %)

1,1C (1/3%)

K

Cromel/ Alumel

KP

KN

90 Ni:9 Cr

94 Ni:A1:Mn:Fe

0C a 277C 277C a 1149C -101C a -60C

2,2C ( %) 1.7C

1,1C (3/8 %) (1%)

T

Cobre/ constantan

TP

TN

Cu

44 Ni:55 Cu

-75C a 93C

99C a 371C

0,8C ( %)

( %) (3/8 %)

E

Cromel/ constantan

EP

EN

90 Ni:9 Cr

44 Ni:55 Cu

0C a 316C 316C a 871C

1,7C (1/2 %)

1,1C (3/8 %)

N

Nicrosil/ Nisil

NP

NN

Ni:14.2 Cr:1.4Si

Ni:4Si:0.15Mg

0C a 277C 277C a 1149C

2,2C (3/4 %)

--

Por su naturaleza, las termocuplas presentan una resistencia prcticamente nula y su capacidad de generar potencia es muy dbil. El amplificador a utilizar debe solicitar el mnimo posible de corriente desde la termocupla.

Puesto que la fem neta generada por una termocupla es funcin de las temperaturas de ambas juntas, se requiere el control o la compensacin de la temperatura de la junta de referencia (o junta fra), lo cual se puede lograr de tres maneras distintas.

El mtodo bsico y ms exacto es el de controlar la temperatura de la junta de referencia, normalmente colocando la junta en un bao de hielo (0C).

Otro mtodo consiste en medir la temperatura en la junta de referencia utilizando cualquier tipo de dispositivo de medicin de temperatura, y luego, en base a esa temperatura y a la salida elctrica de la junta de medicin compensar la lectura de la temperatura de la junta de medicin.

(Ni -

(Ni -

(Cu -

Hierro

Conductor

Conductor

Cables compensados y de extensin

Como se ver ms adelante, es de fundamental importancia la prolongacin de los alambres termopares, muchas veces hasta la junta de referencia que puede estar lejos de la junta de medicin y no siempre afectada por altas temperaturas como en el caso de los alambres de termocupla. Es all donde aparece el uso de los conocidos cables compensados. Su misin es nicamente la de trasladar la junta de referencia hasta un lugar adecuado (de temperatura estable o conocida) y luego utilizar, para compensar el error, cualquiera de los dos primeros sistemas de compensacin de junta fra mencionados.

Los cables compensados reproducen las misma curvas de respuesta y de tolerancia mV/C , que las termocuplas entre 0 y 200 C. Se las utiliza slo por razones econmicas ya que su composicin qumica difiere de las aleaciones de termocupla, buscndose entonces que los materiales sustitutivos sean ms econmicos que stos.

Resumiendo entonces:

Alambres o cables de extensin son pares termoelctricos con aleaciones iguales a las del termopar utilizado en la medicin de temperatura del proceso.

La diferencia bsica entre el alambre o el cable esta en la rigidez del mismo.

Alambres o cables de compensacin son pares termoelctricos con aleaciones diferentes de aquellas que constituyen el termopar, pero que tienen un comportamiento termoelctrico muy prximo al del termopar, en las franjas de temperatura en que el mismo tendr que trabajar.

Los alambres/cables de extensin/compensacin estn disponibles en varios dimetros y tipos de aislacin, cada una de ellas adecuadas a las condiciones que quedaran sometidas.

Adems del tipo de aleacin que debe ser utilizada, la eleccin del aislamiento, es dato esencial en la especificacin correcta del cable o alambre que debe ser utilizado.

Un dato a destacar, es que cuando el cable es muy largo, o queda sometido a campos electromagnticos intensos, pude actuar como una antena, ocasionado, fuerzas electromotrices inducidas en el circuito termoelctrico, que se adicionan a la f.e.m. termoelctrica, lo cual es indeseable.

Tipo

Aleacin

Clase

ANSI

IEC

584-3

DIN

432710 Conductor +

Hierro (Fe)

Jx (magnesi o)

Nquel-Cromo

(Ni - Cr)

Conductor -

Constantan

(Cu - Ni)

Nquel-Alumnio

(Ni - Al) (magntico)

Especial Extensin

En estas situaciones se recomienda el uso de alambres/cables con una trenza metlica, puesta a tierra, con el fin de evitar estas inducciones.

Al conectar una termocupla, es muy fcil incurrir en un error de cableado, que nos llevara a un error en la medicin de la temperatura del proceso.

Existen dos posibilidades de hacer incorrectamente la conexin entre la junta de referencia del termopar y el instrumento de medicin con un cable de extensin/compensacin:

La inversin simple

La inversin doble.

TERMISTORES

Compuesto de una mezcla sintetizada de xidos metlicos, el termistor es esencialmente un semiconductor que se comporta como un "resistor trmico" con un coeficiente trmico de temperatura de valor muy elevado.

En algunos casos, la resistencia de un termistor a la temperatura ambiente puede disminuir en hasta 6% por cada 1C de aumento de temperatura.

Esta elevada sensibilidad a variaciones de temperatura hace que el termistor resulte muy adecuado para mediciones precisas de temperatura, utilizndoselo ampliamente para aplicaciones de control y compensacin en el rango de 150C a 450C.

El termistor se fabrica a partir de xidos metlicos comprimidos y sintetizados. Los metales utilizados son nquel, cobalto, manganeso, hierro, cobre, magnesio y titanio, como tpicas se pueden considerar las preparaciones de xido de manganeso con cobre y xido de nquel con cobre. Modificando las proporciones de xido se puede variar la resistencia bsica un termistor; se dispone de termistores con resistencias bsicas a 25 C desde unos pocos cientos hasta varios millones de ohms.

Los termistores sirven para la medicin o deteccin de temperatura tanto en gases, como en lquidos o slidos. A causa de su muy pequeo tamao, se los encuentra normalmente montados en sondas o alojamientos especiales que pueden ser especficamente diseados para posicionarlos y protegerlos adecuadamente cualquiera sea el medio donde tengan que trabajar.

Se los puede adosar fcilmente o montar con tornillos, ir roscados en superficies o cementados.

Los alojamientos pueden ser de acero inoxidable, aluminio, plstico, bronce u otros materiales.

Las configuraciones constructivas del termistor de uso ms comn son los glbulos, las sondas y los discos. Los glbulos se fabrican formando pequeos elipsoides de material de termistor sobre dos alambres finos separados unos 0,25 mm. Normalmente recubiertos con vidrio por razones de proteccin, son extremadamente pequeos (0,15 mm a 1,3 mm de dimetro) y ofrecen una respuesta extremadamente rpida a variaciones de temperatura.

En comparacin con las termocuplas y las termorresistencias, el termistor no ofrece ventajas de exactitud de salida y estabilidad. Posiblemente, una ventaja importante est en la extremadamente elevada sensibilidad del termistor a variaciones de temperatura

Los termistores no sirven para la medicin de temperatura dentro de alcances amplios puesto que sus variaciones de resistencia son demasiado grandes para que puedan medirse de una manera adecuada con un solo instrumento; alcances de alrededor de 100K suelen ser lo mximo admisible.

Los termistores resultan particularmente tiles para medir alcances reducidos de temperatura justamente a causa de sus grandes variaciones de resistencia; por ejemplo, la resistencia de un termistor tpico vara 156 ohms de 0C a 1C , mientras la del platino vara tan slo 0,385 ohm.

La elevada resistencia de los termistores no slo hace aumentar la sensibilidad, posibilitando la medicin de alcances reducidos de temperatura, sino tambin permite la conexin bifilar. La resistencia del alambre de conexin y los efectos de la temperatura ambiente son despreciables si se los compara con la resistencia del termistor y las variaciones de resistencia.

Existen dos clases de termistores: NTC y PTC.

Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rpidamente con la temperatura.

Se emplean en su fabricacin xidos semiconductores de nquel, zinc, cobalto, tc.

La relacin entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial:

donde A y B son constantes que dependen del termistor.

La caracterstica tensin-intensidad (V/I) de un termistor NTC presenta un carcter peculiar ya que, cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeas, el consumo de potencia (R * I2) ser demasiado pequeo para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia hmica; en esta parte de la caracterstica, la relacin tensin-intensidad ser prcticamente lineal y en consecuencia cumplir la ley de Ohm.

Si seguimos aumentando la tensin aplicada al termistor, se llegar a un valor de intensidad en que la potencia consumida provocar aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementndose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio trmico. Ahora nos encontramos, pues, en una zona de resistencia negativa en la que disminuciones de tensin corresponden aumentos de intensidad.

Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve aumentado a medida que aumenta la temperatura.

Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitacin de corriente, sensor de temperatura, desmagnetizacin y para la proteccin contra el recalentamiento de equipos tales como motores elctricos. Tambin se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensacin.

El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado alta.

Las aplicaciones de un termistor PTC estn, por lo tanto, restringidas a un determinado margen de temperaturas.

Hasta un determinado valor de voltaje, la caracterstica I/V sigue la ley de Ohm, pero la resistencia aumenta cuando la corriente que pasa por el termistor PTC provoca un calentamiento y se alcanza la temperatura de conmutacin. La caracterstica I/V depende de la temperatura ambiente y del coeficiente de transferencia de calor con respecto a dicha temperatura ambiente. En ambos casos (PT100 y termistores), dado que se mide resistencia, se debe cuidar, en primer lugar, que la resistencia de los cables de conexin (que tambin cambia con la temperatura) no incida sobre la medicin y, en segundo lugar, que la corriente que circule por el elemento para medir su resistencia sea lo suficientemente pequea como para calentar slo mnimamente el propio sensor. A ese fin se utilizan sistemas de compensacin que incorporan cables idnticos pero sin el sensor, en el brazo adyacente de un puente de Wheaston, amn de circular una corriente nula por el sensor.

PIRMETROS

Cabe, naturalmente, preguntarse cmo medir la temperatura en equipos de proceso cuya temperatura exceda la de fusin del elemento sensor (por ejemplo, hornos de fundicin de metales). En tal caso, se recurre a los pirmetros pticos. Estos sensores se basan en la radiacin de cuerpos negros y contienen en su interior un filamento que debe poder alcanzar la misma temperatura del cuerpo medido (al menos). Al dirigir el pirmetro al cuerpo caliente, se observa un filamento (fro) que destaca contra la radiacin del objeto observado. El filamento recibe potencia y se calienta hasta que "desaparece" del campo visual. En ese momento la temperatura del filamento y del cuerpo radiante son la misma. Si se grada el control de potencia (una perilla) en los grados Kelvin del filamento a una u otra posicin, se podr leer la temperatura en esta escala. En el caso de pirmetros automticos, la temperatura se conoce por el voltaje y corriente (es decir, potencia) que se aplica al filamento cuando las radiaciones son iguales. (en el caso de cuerpos que viajan a alta velocidad se debe corregir su efecto Doppler).

Ventajas:

Rangos de medicin de temperaturas superiores al de cualquier otro instrumento.

No requieren conexin fsica con el medio

En el pirmetro ptico se compara el brillo de un filamento de una lmpara calibrada con el del objeto caliente.

En el pirmetro de radiacin se mide la energa neta irradiada por el objeto

Poseen respuesta rpida y su exactitud es excelente.

Pueden utilizarse para:

Medir temperaturas que estn por encima de las que pueden medir las termocuplas o termoresistencias.

Medir temperaturas donde la atmsfera o las condiciones impidan el uso de otro mtodo.

Medir temperaturas de objetos que se mueven.

Medir temperaturas de objetos que no son accesibles.

Medir temperaturas de objetos que seras daados si se les conecta un elemento primario.

Medir temperaturas promedio de superficies muy grandes

Pirmetros de baja temperatura

Gracias a los grandes avances en microelectrnica y en sensibilidad instrumental, se comercializan comnmente termmetros sin contacto, basados tambin en la radiacin infrarroja de los cuerpos segn su temperatura. Este tipo de termmetros son muy tiles para medir la temperatura de sistemas en movimiento (por ejemplo un rodamiento) en los que no se podra instalar un termmetro que requiera equilibrio trmico.

SENSORES DE NIVEL

En la industria, la medicin de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista del funcionamiento del proceso como de la consideracin del balance adecuado de materias primas o de productos finales.

La utilizacin de instrumentos electrnicos con microprocesador en la medida de otras variables, tales como la presin y la temperatura, permite aadir inteligencia en la medida del nivel, y obtener precisiones de lectura altas, del orden del 0,2 %, en el intervalo de materias primas o finales o en transformacin en los tanques del proceso. El transmisor de nivel inteligente hace posible la interpretacin del nivel real (puede eliminar o compensar la influencia de la espuma en flotacin del tanque, en la lectura), la eliminacin de las falsas alarmas (tanques con olas en la superficie debido al agitador de paletas en movimiento), y la fcil calibracin del aparato en cualquier punto de la lnea de transmisin.

El transmisor o varios transmisores pueden conectarse, a travs de una conexin RS-232, a un ordenador personal, que con el software adecuado, es capaz de configurar transmisores inteligentes.

Son muchas las maneras de medir nivel, desde las indicativas (sensor de cristal, de plomada) hasta las mas desarrolladas, pero en este curso veremos solo algunas de ellas, que tienen la capacidad de entregar una salida elctrica, que nos permita ejercer un control sobre el sistema.

Sensores de Nivel de Lquidos

Los Sensores de nivel de lquidos trabajan midiendo, bien directamente la altura de lquido sobre una lnea de referencia, bien la presin hidrosttica, bien el desplazamiento producido en un flotador por el propio lquido contenido en el tanque del proceso, o bien aprovechando caractersticas elctricas del lquido.

Sensor de flotador; consiste en un flotador ubicado en el seno del lquido y conectado al exterior del estanque indicando directamente el nivel sobre una escala graduada. Es el modelo ms antiguo y el ms utilizado en estanques de gran capacidad tales como los de petrleo y gasolina. Tiene el inconveniente de que las partes mviles estn expuestas al fluido y pueden romperse, adems el flotador debe mantenerse limpio.

Hay que sealar que en estos instrumentos, el flotador puede tener formas muy variadas y estar formados por materiales muy diversos segn sea el tipo de fluido.

Los instrumentos de flotador tienen una precisin de 0,5 %. Son adecuados en la medida de niveles en estanques abiertos y cerrados a presin o a vaco, y son independientes del peso especfico del lquido. Por otro lado, el flotador puede agarrotarse en el tubo gua por un eventual depsito de los slidos o cristales que el lquido pueda contener y adems los tubos gua muy largos pueden daarse ante olas bruscas en la superficie del lquido o ante la cada violenta del lquido en el estanque.

El Sensor de nivel conductivo o resistivo; consiste en uno o varios electrodos y un rel elctrico o electrnico que es excitado cuando el lquido moja a dichos electrodos. El lquido debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito electrnico, y de este modo el aparato puede discriminar la separacin entre el lquido y su vapor, tal como ocurre, por ejemplo, en el nivel de agua de una caldera de vapor. La impedancia mnima es del orden de los 20 M/cm, y la tensin de alimentacin es alterna para evitar fenmenos de oxidacin en las sondas por causa del fenmeno de la electrlisis. Cuando el lquido moja los electrodos se cierra el circuito electrnico y circula una corriente segura del orden de los 2 mA; el rel electrnico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del lquido o ante cualquier perturbacin momentnea o bien en su lugar se disponen dos electrodos poco separados enclavados elctricamente en el circuito.

El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, utiliza rels elctricos para lquidos con buena conductividad y rels electrnicos para lquidos con baja conductividad. Montado en grupos verticales de 24 o ms electrodos, puede complementar los tpicos niveles de vidrio de las calderas, y se presta a la transmisin del nivel a la sala de control y a la adicin de las alarmas correspondientes.

Sensor de nivel capacitivo; mide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el lquido y las paredes del estanque. La capacidad del conjunto depende linealmente del nivel del lquido.

En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacidad total del sistema se compone de la del lquido, la del gas superior y la de las conexiones superiores.

En fluidos conductores el electrodo est aislado usualmente con tefln interviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo en la zona del lquido y del gas. La precisin de los transductores de capacidad es de 1 %.

Se caracterizan por no tener partes mviles, son ligeros, presentan una buena resistencia a la corrosin y son de fcil limpieza. Su campo de medida es prcticamente ilimitado. Tiene el inconveniente de que la temperatura puede afectar las constantes dielctricas (0,1 % de aumento de la constante dielctrica / C) y de que los posibles contaminantes contenidos en el lquido puedan adherirse al electrodo variando su capacidad y falseando la lectura, en particular en el caso de lquidos conductores.

Sensor de presin diferencial; consiste en un diafragma en contacto con el lquido del estanque, que mide la presin hidrosttica en un punto del fondo del estanque. En un estanque abierto esta presin es proporcional a la altura del lquido en ese punto y a su peso especfico, es decir:

P = h g en la que:

P = presin

h = altura del lquido sobre el instrumento

= densidad del lquido

g = 9,8 m/s2

El diafragma forma parte de un transmisor neumtico, electrnico o digital de presin diferencial.

En el tipo ms utilizado, el diafragma est fijado en un flanje que se monta rasante al estanque para permitir sin dificultades la medida de nivel de fluidos, tales como pasta de papel y lquidos con slidos en suspensin, pudiendo incluso ser de montaje saliente para que el diafragma enrase

completamente con las paredes interiores del estanque tal como ocurre en el caso de lquidos extremadamente viscosos en que no puede admitirse ningn recodo.

4-20mA 4-20mA

LT LT

Tanque Abierto Tanque Cerrado

La precisin de los instrumentos de presin diferencial es de 0,5 % en los neumticos, 0,2 % a 0,3 % en los electrnicos, y de 0,15 % en los inteligentes con seales de salida de 4-20 mA CC.

Hay que sealar que el material del diafragma debe ser el adecuado para resistir la corrosin del fluido (existen materiales de acero inoxidable 316, monel, tantalio, hastelloy B, inoxidable recubierto de tefln).

Sensor de nivel ultrasnico; se basa en la emisin de un impulso ultrasnico a una superficie reflectante y la recepcin del eco del mismo en un receptor. El retardo en la captacin del eco depende del nivel del estanque.

Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 KHz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexin el medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del slido o del lquido.

La precisin de estos instrumentos es de 1 a 3 %. Son adecuados para todos los tipos de estanques y de lquidos o fangos pudiendo construirse a prueba de explosin. Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar seales errneas cuando la superficie del nivel del lquido no es ntida como es el caso de un lquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos.

La utilizacin de la computadora permite, a travs de un programa, almacenar el perfil ultrasnico del nivel, y as tener en cuenta las caractersticas particulares de la superficie del lquido, tal como la espuma, con lo cual se mejora la precisin de la medida.

Presin

Lquido

SENSORES DE PRESIN

Junto con la temperatura, la presin es la variable ms comnmente medida en plantas de proceso. Su persistencia se debe, entre otras razones, a que la presin puede reflejar la fuerza motriz para la reaccin o transferencia de fase de gases; la fuerza motriz para el transporte de gases o lquidos; la cantidad msica de un gas en un volumen determinado; etc. Es tambin comn medir la presin en una lnea para cuantificar caudal, cuando se conoce la prdida de carga; o prdida de carga cuando se conoce el caudal.

La presin queda determinada por la razn de una fuerza al rea sobre la que acta la fuerza. As, si una fuerza F acta sobre una superficie A, la presin P queda estrictamente definida por la razn P=F/A. Dado que tanto la fuerza como el rea son de naturaleza vectorial, la presin es una magnitud escalar (es decir, slo tiene magnitud, no direccin).

Manmetro de tubo en forma de "U"

Los instrumentos utilizados para medir presin reciben la denominacin: "manmetros".

La forma ms tradicional de medir presin en forma precisa utiliza un tubo de vidrio en forma de "U", donde se deposita una cantidad de lquido de densidad conocida (para presiones altas, se utiliza habitualmente mercurio para que el tubo tenga dimensiones razonables; sin embargo, para presiones pequeas el manmetro en U de mercurio sera poco sensible).

Este tipo de manmetros tiene una ganancia que expresa la diferencia de presin entre los dos extremos del tubo mediante una medicin de diferencia de altura (es decir, una longitud).

Lquido

Presin

La ganancia se puede obtener analticamente, de modo que este tipo de manmetros conforma un estndar de medicin de presin. Si el gas sobre el lquido en ambos extremos del manmetro fuese de densidad despreciable frente a la del lquido, si el dimetro del tubo es idntico en ambas ramas, si la presin en los extremos fuesen P1 y P2, si el lquido (a la temperatura de operacin) tuviese densidad r , si la diferencia de altura fuese h, entonces la diferencia de presiones estar dada por P2- P1=D P=r gh. Cul ser la ecuacin si la densidad del fluido superior no fuese despreciable?

No es difcil obtener expresiones para este tipo de manmetros en condiciones de operacin en las que sobre el lquido de alta densidad est otro lquido, de densidad no despreciable.

El manmetro en forma de "U" conforma, segn se especific, un sistema de medicin ms bien absoluto y no depende, por lo tanto, de calibracin. Esta ventaja lo hace un artefacto muy comn. Su desventaja principal es la longitud de tubos necesarios para una medicin de presiones altas y, desde el punto de vista de la instrumentacin de procesos, no es trivial transformarlo en un sistema de transmisin remota de informacin sobre presin.

Manmetro de Bourdon

Para cualquier tipo de carga, la relacin entre la carga y la deformacin es una constante del material, conocida como el mdulo de Young: E=Carga/e .

Por ende, si la constante de deformacin es conocida, se puede obtener la carga segn: Carga = E*e

De

Vaco de

(3)

de

Toma

s

De modo que frente a deformaciones pequeas de materiales elsticos, ser posible obtener una cuantificacin reproducible de las cargas (fuerzas) solicitantes.

El manmetro de Bourdon depende, precisamente, de la elasticidad de los materiales utilizados en su construccin. Este manmetro, tal vez el ms comn en plantas de procesos que requieran medicin de presiones, consiste de un tubo metlico achatado y curvado en forma de "C", abierto slo en un extremo (ver figura).

Al aplicar una presin al interior del tubo (se le infla, por ejemplo) la fuerza generada en la superficie (rea) exterior de la "C" es mayor que la fuerza generada en la superficie interior, de modo que se genera una fuerza neta que deforma la "C" hacia una "C" ms abierta. Esta deformacin es una medicin de la presin aplicada y puede trasladarse a una aguja indicadora tanto como a un sistema de variacin de resistencia o campos elctricos o magnticos.

Galgas de extensin (strain gauges)

Segn se observ, las propiedades de elasticidad de los materiales pueden dar origen a sistemas de medicin de fuerzas (y, por ende, tambin presin).

El manmetro de Bourdon utiliza, precisamente, la propiedad de elasticidad de los materiales slidos (en particular, metlicos slidos); pero, ese manmetro no permite producir una seal elctrica directamente, si bien se podra adaptar algn sistema. El mtodo de construccin de sensores de presin modernos depende del principio de elasticidad pero la deformacin es convertida en una seal elctrica mediante las galgas de extensin, conocidas a menudo como "celdas de torsin" o, en ingles, como strain gauges.

Una galga de extensin se construye sobre un metal de coeficiente de elasticidad dado, adosndole un alambre, una tira semiconductora o pistas conductoras. Al deformarse el soporte de la galga, se "estira" o se "comprime" el sensor, variando as su

Conexin Elctrica

Filtro

Proteccin electromagntica

Acondicionamiento De Seal

Generadores de Vaco de referencia

(3) Galgas Extensiomtricas

Aislante de presin

Toma de presin

resistencia. El cambio de resistencia ser, precisamente, el reflejo de la deformacin sufrida. En trminos de su caracterizacin, dada la resistencia R sin deformacin, la aplicacin de una fuerza F deformante producir un cambio de resistencia, D R, cuya medicin permite calcular la fuerza mediante:

donde se ha definido una constante "G", conocido como la constante de la galga y que suele variar entre 2 y 2,2 para galgas de soporte metlico.

Naturalmente, la posibilidad de medir fuerza permite construir, con estas galgas, balanzas electrnicas tanto como sistemas de medicin de presin.

Habitualmente se utilizan circuitos en puentes, diseados para los valores tpicos de estas galgas (resistencias nominales de 120W , 350W , 600W y 1000W ) utilizando corrientes que no excedan los 10 mA.

Transmisores capacitivos

Los transmisores capacitivos emplean diafragmas de aislamiento. Estos diafragmas transmiten la presin externa a travs de un fluido de siliconas, a las placas del capacitor. Solo se mueve una placa central del capacitor, para generar la seal de salida.

La celda capacitiva usa solo una pequea cantidad de fluido de siliconas. Esto se traduce en una excelente estabilidad con la temperatura, dado que no hay una gran cantidad de fluido que se pueda expandir a medida que aumenta la temperatura.

Sensor de Presin Diferencial

Los sistemas discutidos antes, para medicin de Presin (Bourdon, Tubos en "U" de lquidos de alta densidad, Galgas de torsin [strain gauges], etc.) miden, en general, la presin relativa a la presin atmosfrica (si bien tanto P1 como P2 en el manmetro en "U" podran ser parte de un proceso). A menudo es necesario conocer la presin relativa entre dos puntos; tales sistemas se conocen como sensores (o manmetros) de presin diferencial.

La figura describe un sensor de presin diferencial, basado en una galga de extensin.

Las seales de presin, P1 y PR, se entregan a dos diafragmas aislantes, que impiden que el fluido ingrese a la cmara sensible. La presin es transmitida a la seccin sensible (la galga propiamente tal) mediante capilares, que estn llenos de un fluido adecuado (usualmente aceite de silicona). Existen dos cmaras separadas por la galga en el centro, conocida como el diafragma sensor, cuyo nico requisito es que impida el paso del fluido interno de un lado hacia el otro.

SENSORES DE CAUDAL

La seleccin eficaz de un Sensor de caudal exige un conocimiento prctico de la tecnologa del Sensor, adems de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medir. Cuando la medida del caudal se utiliza con el propsito de facturar un consumo, deber ser lo ms precisa posible, teniendo en cuenta el valor econmico del fluido que pasa a travs del Sensor, y la legislacin obligatoria aplicable en cada caso. En este estudio se examinan los conceptos bsicos de la medida de caudal y las caractersticas de los instrumentos de medida. Aunque se hace referencia a diferentes tipos de Sensores de caudal, es obvio que no todos estn contemplados en este estudio, dada la amplia variedad de los mismos.

Sensores de presin diferencial

La medida de caudal en conducciones cerradas, consiste en la determinacin de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccin por unidad de tiempo. Los instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan, habitualmente, caudalmetros o Sensores de caudal, constituyendo una modalidad particular los contadores, los cuales integran dispositivos adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccin.

Los Sensores de caudal volumtrico pueden determinar el caudal de volumen de fluido de dos formas:

directamente, mediante dispositivos de desplazamiento positivo, o indirectamente, mediante dispositivos de: presin diferencial, rea variable, velocidad, fuerza, etc.

Puesto que la medida de caudal volumtrico en la industria se realiza, generalmente, con instrumentos que dan lugar a una presin diferencial al paso del fluido, abordaremos en primer lugar los Sensores de presin diferencial.

Esta clase de Sensores presenta una reduccin de la seccin de paso del fluido, dando lugar a que el fluido aumente su velocidad, lo que origina un aumento de su energa cintica y, por consiguiente, su presin tiende a disminuir en una proporcin equivalente, de acuerdo con el principio de la conservacin de la energa, creando una diferencia de presin esttica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del Sensor.

Principales Sensores de presin diferencial

Entre los principales tipos de Sensores de presin diferencial se pueden destacar los siguientes:

placas de orificio,

toberas,

tubos Venturi,

tubos Pitot,

tubos Annubar,

codos,

Sensores de placa.

Se estima que, actualmente, al menos un 75% de los Sensores industriales en uso son dispositivos de presin diferencial, siendo el ms popular la placa de orificio.

Las principales ventajas de dichos Sensores son:

su sencillez de construccin, no incluyendo partes mviles,

su funcionamiento se comprende con facilidad,

no son caros, particularmente si se instalan en grandes tuberas y se comparan con otros Sensores,

pueden utilizarse para la mayora de los fluidos, y

hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usos.

Sus principales desventajas son:

la amplitud del campo de medida es menor que para la mayora de los otros tipos de Sensores, pueden producir prdidas de carga significativas,

la seal de salida no es lineal con el caudal,

deben respetarse unos tramos rectos de tubera aguas arriba y aguas abajo del Sensor que, segn el trazado de la tubera y los accesorios existentes, pueden ser grandes,

pueden producirse efectos de envejecimiento, es decir, acumulacin de depsitos o la erosin de las aristas vivas,

la precisin suele ser menor que la de Sensores ms modernos, especialmente si, como es habitual, el Sensor se entrega sin calibrar.

La placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tubera.

El orificio de la placa, puede ser: concntrico, excntrico y segmental.

Con el fin de evitar arrastres de slidos o gases que pueda llevar el fluido, la placa incorpora, normalmente, un pequeo orificio de purga.

Para captar la presin diferencial que origina la placa de orificio, es necesario conectar dos tomas, una en la parte anterior y otra en la parte posterior de la placa.

Toberas

La tobera presenta una entrada curvada que se prolonga en un cuello cilndrico, siendo el coeficiente de descarga similar al del tubo Venturi. Sin embargo, la cada de presin es del mismo orden que en la placa de orificio, para el mismo caudal y con el mismo tamao de tubera.

Tubos Venturi

En la figura se muestra el perfil de un tubo Venturi clsico, donde se puede apreciar la disposicin de las tomas de presin para determinar la presin diferencial.

Como se aprecia en la figura se pueden destacar tres partes fundamentales: a) una seccin de entrada cnica convergente en la que la seccin transversal disminuye, lo que se traduce en un aumento de la velocidad del fluido y una disminucin de la presin; b) una seccin cilndrica en la que se sita la toma de baja presin, y donde la velocidad del fluido se mantiene prcticamente constante, y c) una tercera seccin de salida cnica divergente en la que la seccin transversal aumenta, disminuyendo la velocidad y aumentando la presin. La incorporacin de esta seccin de salida

permite una recuperacin de la mayor parte de la presin diferencial producida y, por tanto, un ahorro de energa.

Con el fin de reducir las prdidas de carga causadas por una tobera, puede acoplarse a continuacin de la tobera una seccin divergente similar a la utilizada para un tubo Venturi, resultando una combinacin que se denomina Venturi-tobera.

Las principales limitaciones de los tubos Venturi son su elevado coste y la longitud necesaria para su instalacin, sobre todo para grandes tamaos de tubera. Sin embargo, debido a su baja prdida de carga, son justificados en casos donde tienen que bombearse grandes cantidades de lquido de forma continua. Cuando la prdida de carga no es importante, suele prescindirse del tubo Venturi y sustituirse por una placa de orificio debido a su menor coste y mayor facilidad de instalacin y mantenimiento.

Sensores de desplazamiento positivo

Los Sensores de desplazamiento positivo miden la cantidad de fluido que circula por un conducto, dividiendo el flujo en volmenes separados y sumando los volmenes que pasan a travs del Sensor.

En cada Sensor, se pueden destacar tres componentes comunes:

cmara, que se encuentra llena de fluido,

desplazador, que, bajo la accin del fluido circulando, transfiere el fluido desde el final de una cmara a la siguiente, y

mecanismo (indicador o registrador), conectado al desplazador, que cuenta el nmero de veces que el desplazador se mueve de una parte a otra en la cmara de trabajo.

Un problema importante que se debe tener en cuenta al fabricar un Sensor de desplazamiento positivo es conseguir una buena estanqueidad de las partes mviles, evitando un par de rozamiento inaceptable y que la cantidad de lquido de escape a travs del Sensor sea moderada. Por esta razn, es necesario calibrar el Sensor de desplazamiento a varios caudales, dentro del margen de utilizacin, con un fluido de viscosidad conocida.

En principio, los Sensores de desplazamiento positivo para gases deberan ser similares a los utilizados para lquidos, sin embargo, en la prctica hay una diferencia importante. La energa de un fluido en movimiento es proporcional a su densidad, lo que significa que un gas no puede suministrar con facilidad la energa suficiente para hacer funcionar un Sensor con una mecnica compleja. Por consiguiente, los Sensores de desplazamiento positivo para gases tienen que tener una baja

resistencia a la friccin. No obstante, en este estudio solo trataremos de los Sensores de desplazamiento positivo para lquidos.

Dentro de los diferentes tipos de Sensores para lquidos existen los siguientes:

Sensores de tipo pistn,

Sensores de paletas deslizantes, y

Sensores de engranajes.

Los Sensores de tipo pistn se utilizan, habitualmente, para medidas precisas de pequeos caudales, siendo una de sus aplicaciones en unidades de bombeo de distribucin de petrleo. Los Sensores de paletas deslizantes se usan para medir lquidos de elevado coste, siendo instalados, generalmente, en camiones cisternas para la distribucin de combustible para la calefaccin. Los Sensores de engranajes encuentran aplicaciones para un amplio margen de lquidos y condiciones de funcionamiento, aunque la precisin de la medida no es tan elevada.

Sensores de rueda oval

El Sensor de rueda oval dispone de dos ruedas ovales que engranan entre s y tienen un movimiento de giro debido a la presin diferencial creada por el flujo de lquido. La accin del lquido acta de forma alternativa sobre cada una de las ruedas, dando lugar a un giro suave de un par prcticamente constante. Tanto la cmara de medida como las ruedas estn mecanizadas con gran precisin, con el fin de conseguir que el deslizamiento entre ellas se produzca con el mnimo rozamiento, sin que se formen bolsas o espacios muertos y desplazando la misma cantidad de lquido en cada rotacin.

La principal ventaja de estos Sensores es que la medida realizada es prcticamente independiente de variaciones en la densidad y en la viscosidad del lquido.

Sensores de turbina

Los Sensores para gas y para lquido funcionan bajo el mismo principio. Consta de una longitud de tubera en el centro de la cual hay un rotor de paletas mltiple, montado sobre cojinetes, para que pueda girar con facilidad, y soportado aguas arriba y aguas abajo por un dispositivo de centrado tipo cruceta que, habitualmente, incorpora un enderezador de la vena fluida. La energa cintica del fluido circulando hace girar el rotor con una velocidad angular que, en el margen lineal del Sensor, es proporcional a la velocidad media axial del fluido y, por tanto, al caudal volumtrico.

Los Sensores de turbina para gas o lquido difieren fundamentalmente en el diseo del rotor.

Una salida mediante impulsos elctricos se produce cuando se detecta el paso de cada paleta alrededor de uno o ms sensores situados en el campo del Sensor.

El punto ms dbil en un Sensor de turbina para lquidos son los cojinetes, ya que tienen que soportar el peso del rotor.

Sensores de caudal electromagnticos

El Sensor de caudal electromagntico utiliza el mismo principio bsico que el electrogenerador, es decir, cuando un conductor se mueve a travs de un campo magntico se genera una fuerza electromotriz en el conductor, siendo su magnitud directamente proporcional a la velocidad media del conductor en movimiento. Si el conductor es una seccin de un lquido conductor circulando por un tubo aislado elctricamente, a travs de un campo magntico y se montan los electrodos diametralmente opuestos en la pared de la tubera la fuerza electromotriz generada a travs de los electrodos es directamente proporcional a la velocidad media del fluido.

Es importante sealar que la diferencia de potencial entre los electrodos es del orden de milivoltios, por lo que dicha seal tiene que ser amplificada mediante un dispositivo secundario denominado convertidor, que proporciona una seal de salida en miliamperios, en voltios o en impulsos.

Puesto que los electrodos tienen que hacer un contacto con el fluido, su material tiene que ser compatible con las propiedades qumicas del

fluido que circula. Entre los materiales ms utilizados se pueden citar los siguientes: acero inoxidable no magntico, platino/iridio, monel hasteloy, titanio, y circonio para lquidos particularmente agresivos.

Entre las ventajas ms fundamentales se pueden sealar las siguientes:

No presentan obstrucciones al flujo, por lo que son adecuados para la medida de todo tipo de suspensiones, barros, melazas, etc.

No dan lugar a prdidas de carga, por lo que son adecuados para su instalacin en grandes tuberas de suministro de agua, donde es esencial que la prdida de carga sea pequea.

Se fabrican en una gama de tamaos superior a la de cualquier otro tipo de Sensor.

No son prcticamente afectados por variaciones en la densidad, viscosidad, presin temperatura y, dentro de ciertos lmites, conductividad elctrica.

No son seriamente afectados por perturbaciones del flujo aguas arriba del Sensor.

La seal de salida es, habitualmente, lineal.

Pueden utilizarse para la medida del caudal en cualquiera de las dos direcciones.

Entre las desventajas se pueden destacar las siguientes:

El lquido cuyo caudal se mide tiene que tener una razonable conductividad elctrica.

La energa disipada por las bobinas da lugar al calentamiento local del tubo del Sensor.

Sensores ultrasnicos

Dos tipos de Sensores ultrasnicos son utilizados, fundamentalmente, para la medida de caudal en circuitos cerrados. El primero (tiempo de trnsito o de propagacin) utiliza la transmisin por impulsos, mientras que el segundo (efecto Doppler) usa la transmisin continua de ondas.

Sensores ultrasnicos por impulsos

Los Sensores ultrasnicos modulados por impulsos son los ms precisos y se utilizan, preferentemente, con lquidos limpios, aunque algunos tipos permiten medidas de lquidos con cierto contenido de partculas y gas. El mtodo diferencial de medida por tiempo de trnsito, se basa en un sencillo hecho fsico. Si imaginamos dos canoas atravesando un ro sobre una misma lnea diagonal, una en el sentido del flujo y la otra en contra del flujo, la canoa que se desplaza en el sentido del flujo necesitar menos tiempo en alcanzar su objetivo.

Las ondas ultrasonoras se comportan exactamente de la misma forma

Las ecuaciones bsicas son las mismas para ambos mtodos de diferencia de frecuencia y tiempo de propagacin. Como se muestra en la figura un impulso ultrasnico se emite diagonalmente a travs de la tubera.

captulo Adquisicin de datos: deteccin

Presentacin: Funciones y tecnologas en deteccin Tabla de seleccin

A Fig. 1 Funciones de los sensores

El campo de la adquisicin de datos se divide en dos familias. La primera, conocida como deteccin, comprendre los productos que pueden detectar un umbral o lmite, o estimar una magnitud fsica.La segunda medicin o instrumentacin mide una magnitud fsica con un determinado nivel de precisin. En esta seccin, slo describiremos los sensores y dispositivos de deteccin para mquinas y sus sistemas de automatizacin. Los sensores diseados para la seguridad en mquinas se tratarn en otro captulo. Si usted est interesado, existe una densa bibliografia sobre seguridad en mquinas que describe todos los dispositivos disponibles en el mercado. Estos productos tienen tres funciones fundamentales como se ve en la figura 1. La diversidad de estas funciones obliga a los fabricantes a producir un gran nmero de variantes de producto para cubrir todas las necesidades. Recientes avances en la modulacin del producto permiten a Schneider Electric ofrecer rangos ms reducidos con aplicaciones ms verstiles.

6.1 Introduccin

A Fig. 2 Cadena de transmisin de datos

b La deteccin: una funcin esencial La funcin de "deteccin" es esencial dado que es el primer eslabn de la cadena de transmisin de datos (C Fig. 2) de un proceso industrial. En un sistema de automatizacin, los detectores aseguran la captura de datos:

- en todas las etapas necesarias para el funcionamiento que se utilizan por parte de los sistemas de control de acuerdo con un programa preestablecido;

- en el desarrollo del proceso cuando el programa est ejecutndose.

b Funciones de la deteccin Hay un amplio rango de necesidades de deteccin. Las bsicas son:

- controlar la presencia, ausencia o posicin de un objeto, - chequear el movimiento, flujo u obstruccin de objetos, - contaje.

Para ello se utilizan dispositivos "todo o nada", es el caso de las aplicaciones tpicas de deteccin de piezas en cadenas de montaje o en manutencin, as como de la deteccin de personas o vehculos. Hay otras necesidades ms especficas como la deteccin de:

- presencia (o nivel) de un gas o fludo, - formas, - posicin (angular, lineal, etc.), - etiquetas, con la lectura y escritura de datos codificados.

Hay otros requerimientos adicionales, especialmente en lo que refiere al ambiente de trabajo, donde, dependiendo de la situacin, los detectores deben ser capaces de resistir:

- humedad o inmersin, - corrosin (es el caso de industrias qumicas e instalaciones de agricultura), - grandes variaciones de temperatura (como en regiones tropicales), - polvo (en el aire ambiente o en las mquinas), - e incluso vandalismo, etc.

Para cumplir estos requerimientos, los fabricantes han desarrollado todo tipo de detectores usando diferentes tecnologas.

b Tecnologas de deteccin Los fabricantes de detectores utilizan diferentes magnitudes fsicas, siendo las ms usuales:

- mecnicas (presin, fuerza) para interruptores electromecnicos de posicin, - electromagnticas (campo, fuerza) para sensores magnticos, detectores de

proximidad inductivos,

6 - datos:

6

- de luz (potencia lumnica o desviacin) para clulas fotoelctricas, - de capacidad para detectores de proximidad capacitivos, - acsticas (tiempo de recorrido de una onda) para detectores por ultrasonidos, - de fludo (presin) para presostatos, - pticas (anlisis de imagen) para la visin.

Estos sistemas tienen ventajas y lmites para cada tipo de sensor: algunos son robustos pero necesitan estar en contacto con la pieza a detectar, mientras que otros trabajan en ambientes hostiles pero nicamente con piezas metlicas. La descripcin de las tecnologas usadas, que se presenta a continuacin, est pensada para ayudar a comprender que se debe de hacer para instalar y utilizar los sensores disponibles en el mercado de los sistemas de automatizacin y del equipamiento industrial.

b Funciones auxiliares de la deteccin Existen algunas funciones desarrolladas para para facilitar el uso de los detectores, uno de los cuales es el autoaprendizaje. Esta funcin de aprendizaje puede implicar un botn que se presiona para definir el dominio de deteccin del dispositivo, como es el caso de unos rangos mximos y mnimos (precisin de 6mm para detectores por ultrasonidos) y de factores ambientales para detectores fotoelctricos.

6.2 Interruptores electromecnicos de posicin

La deteccin se realiza a travs del contacto fsico (palpador u rgano de control) con un objeto mvil o inmvil. Los datos se envian al sistema de procesado a travs de un contacto elctrico (todo o nada). Estos dispositivos (rgano de control y contacto elctrico) son conocidos como interruptores de posicin. Se encuentran en todas las instalaciones automatizadas y en diferentes aplicaciones debido a las numerosas ventajas de su tecnologa.

A Fig. 3 Movimientos posibles en los sensores ms utilizados

A Fig. 4 Contacto de ruptura brusca

b Movimientos del detector El palpador puede tener diferentes tipos de movimiento (C Fig. 3), por lo que es capaz de detectar mltiples posiciones y adaptarse a los objetos a detectar de una manera fcil:

- movimiento rectilneo, - movimiento angular, - movimiento multidireccional.

b Modos de funcionamiento de los contactos La oferta de los fabricantes se diferencia por la tecnologa de funcionamiento del contacto usado. v Contacto de ruptura brusca Se caracteriza por un fenmeno de histresis, esto es, los puntos de accionamiento y de desaccionamiento son diferentes (C Fig. 4). La velocidad de desplazamiento de los contactos mviles es independiente a la velocidad del elemento de mando. Esta particularidad permite obtener rendimientos elctricos satisfactorios an en el caso de bajas velocidades de desplazamiento. Cada vez ms los interruptores de posicin con contacto de ruptura brusca tienen apertura positiva; esto envuelve la apertura del contacto y se define como sigue: "Un dispositivo cumple este requerimiento cuando se pueden llevar con certeza todos los elementos de sus contactos de apertura a su posicin de apertura, esto es, sin ningn tipo de enlace elstico entre partes mviles y dispositivos de control sujeto al esfuerzo del funcionamiento." Todos los interruptores de posicin de Telemecanique, ya sean con contactos de ruptura brusca o lenta, son de apertura positiva, de acuerdo con IEC 947-5-1. El uso en aplicaciones de seguridad requiere dispositivos de apertura positiva.

6 - datos:

v Contacto de ruptura lenta (C Fig.5) Este modo de funcionamiento se caracteriza por:

- puntos de accionamiento y de desaccionamiento no diferenciados, - velocidad de desplazamiento de los contactos mviles igual o proporcional

a la velocidad del elemento de mando (que no debe ser inferior a 0,001 m/s). Por debajo de este valor, los contactos se abren demasiado lentamente, cosa que no es buena dado que existir riesgo de arco elctrico de larga duracin,

- distancia de apertura dependiente de la carrera del elemento de mando. El diseo de estos contactos es por naturaleza en modo de apertura positiva: el pulsador acta directamente sobre los contactos mviles.

A Fig. 5 Contacto de ruptura lenta

6.3 Detectores de proximidad inductivos

El principio fsico de estos detectores se basa en el hecho de que slo funcionan en sustancias metlicas.

b Principio de funcionamiento El componente sensible es un circuito inductivo (inductancia L). Este circuito est conectado a una capacitancia C para formar un circuito de resonancia a una frecuencia Fo usualmente comprendida entre 100kHz y 1MHz. Un circuito electrnico mantiene las oscilaciones del sistema basndose en la siguiente frmula:

Estas oscilaciones crean un campo magntico alternativo en frente de la bobina. Una armadura metlica situada dentro del campo permite crear corrientes de Foucault que inducen una carga extra y alteran la oscilacin (C Fig.6). La presencia de un objeto metlico en frente del detector disminuye el factor de calidad del circuito de resonancia. Caso 1, sin armadura:

Recordatorio:

Caso 2, con armadura:

A Fig. 6 Principio de funcionamiento de un detector inductivo

La deteccin se realiza a travs de la medida de la variacin del factor de calidad (del 3% al 20% del umbral de deteccin). La aproximacin de la armadura metlica provoca que el factor de calidad se reduca y, de ese modo, se reduzca tambin la amplitud de oscilacin. La distancia de deteccin depende del metal a detectar.

6 - datos:

A Fig. 7 Esquema de un detector inductivo

b Descripcin de un detector inductivo (C Fig.7) Transductor: consta de una bobina de cobre de varios hilos (tipo Litz) dentro de un recipiente ferrtico que dirige las lneas de campo hacia la parte frontal del detector. Oscilador: existen varios tipos de osciladores, incluyendo el de "resistencia negativa" fija R, igual en valor absoluto a la resistencia paralelo Rp del circuito oscilando dentro del alcance:

- si el objeto a detectar est ms all del alcance nominal, lRpl > l-Rl, la oscilacin se mantiene,

- si el objeto a detectar est dentro del alcance nominal, lRpl < l-Rl, la oscilacin no se mantiene y el oscilador se bloquea.

Fase de dar forma: consiste en un detector de pico monitorizado por un comparador con dos umbrales (trigger) para prevenir conmutaciones repentinas cuando el objeto a detectar se acerca al rango de alcance. Crea lo que se conoce como histresis del detector (C Fig.7bis). Fases de entrada y salidia de potencia: alimenta el detector con un amplio rango de tensiones (de 10V CC a 264 V CA). La tensin de salida controla cargas de 0,2A CC a 0,5A CA, con o sin proteccin contra cortocircuitos.

b Factores que afectan a los dispositivos de deteccin inductiva Los dispositivos de deteccin inductiva pueden ser afectados por determinados factores, incluyendo:

- la distancia de deteccin (hay que tener en cuenta que esta distancia depende de la extensin de la superficie de deteccin), - el alcance nominal (en acero templado) varia de 0,8mm (detector 4) 6

a 60mm (detector 80 x 80); el alcance nominal se designa con Sn, - la histresis, que es la carrera diferencial (del 2% al 10% del valor de

Sn), para prevenir rebotes en la conmutacin, - la frecuencia con la que los objetos pasan por delante del detector, conocida

como conmutacin (lmite mximo de aproximadamente 5kHz).

A Fig. 7bis Histresis del detector

b Funciones especiales Detectores protegidos contra los campos magnticos generados por mquinas

de soldadura. Detectores con salida analgica. Detectores con un factor de correccin de 1* donde la distancia de deteccin es

independiente del metal detectado (frrico o no-frrico). Detectores para seleccionar metales frricos y no-frricos. Detectores para controlar la rotacin: estos detectores son sensibles a la

frecuencia de paso de objetos metlicos. Detectores para atmsferas explosivas (normas NAMUR).

*Cuando el objeto a detectar no es de acero, la distancia de deteccin del detector (D) debera ser proporcional al factor de correccin del material de la que el objeto est hecho. DMaterial X = DAcero x KMaterial X Los tpicos valores de los factores de correccin (KMaterial X) son: - Acero = 1 - Acero inoxidable = 0,7 - Latn = 0,4 - Aluminio = 0,3 - Cobre = 0,2 Ejemplo: DAcero inoxidable = DAcero x 0,7

6 - datos:

6.4 Detectores de proximidad capacitivos

Esta tecnologa se emplea para detectar todo tipo de sustancias conductoras y aislantes como vidrio, aceite, madera, plstico, etc.

A Fig. 8 Sin objeto entre electrodos

A Fig. 9 Presencia de un objeto aislante entre electrodos

A Fig. 10 Presencia de un objeto conductor entre electrodos

b Principio de funcionamiento En este caso, la superficie sensible del detector constituye la armadura de un condensador. A esta superfcie se le aplica una tensin senoidal para crear un campo elctrico alternativo en frente del detector. Dado que esta tensin se referencia con relacin a un potencial de referencia (como es el caso de la tierra), se constituye una segunda armadura con un electrodo conectado al potencial de referencia. Los electrodos, uno enfrente del otro, constituyen un condensador de capacidad:

Donde 0 = 8,854187.10-12 F/m persmisividad del vaco y r permisividad relativa de la sustancia entre los dos electrodos. Caso 1: Sin objeto entre electrodos (C Fig.8)

Caso 2: Presencia de un objeto aislante entre electrodos (C Fig.9) => (r = 4) En este caso, el electrodo de tierra puede ser, por ejemplo, la cinta metlica de una cinta transportadora.

Cuando r excede de 1 en presencia de un objeto, C se incrementa. La medida del incremento del valor de C se usa para detectar la presencia de un objeto aislante. Caso 3: Presencia de un objeto conductor entre electrodos (C Fig.10)

Con r =1 (air) =>

La presencia de un objeto metlico tambin provoca el aumento del valor de C.

b Tipos de detector capacitivo v Detectores ca