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UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA

POSTGRADO EN INGENIERÍA ELÉCTRICA

ESPECIALIZACIÓN EN AUTOMATIZACIÓN E INFORMATICA INDUSTRIAL

INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

POR OMAR BUSTILLOS PONTE PUERTO LA CRUZ, NOVIEMBRE DEL 2001

UNI VERSI DAD DE ORI ENTE ESCUELA DE I NGENI ERI A Y CI ENCI AS APLI CADAS – DEPARTAMENTO DE ELÉCTRI CA Página 2 ESPECI ALI ZACI ÓN EN AUTOMATI ZACI ÓN E I NFORMÁTI CA

INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

POR OMAR BUSTILLOS PONTE

Prof. Omar Bustillos Ponte CIV 12.549

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I NDI CE

Descripción

Página

Í ndice I nt roducción

3 8

Capítulo 1 . 1.1 Introducción. 1.2 Definición de variable. 1.3 Clasificación de las variables. a. Variables térmicas b. Variables de radiación c. Variables de fuerza d. Variables de velocidad e. Variables de cantidad f. Variables de tiempo g. Variables geométricas h. Variables de propiedades físicas i. Variables de composición química j. Variables eléctricas 1.4 Clasificación por señal de medición. a. Movimiento b. Fuerza c. Señales eléctricas d. Señales de medición de tiempo modulado 1.5 Relación del instrumento y el control de procesos. 1.6 Señales de medición para las variables 1.7 Sistemas de control

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Capítulo 2. 2.1 Errores de medición. 2.2 Definición de error. 2.3 Tipos de medición. a. Comparación directa b. Ajuste hasta la igualdad c. Acción directa de algún sistema físico 2.4 Fuentes de error. a. Ruido en las mediciones b. Tiempo de respuesta c. Limitaciones de diseño d. Errores de observación y de interpretación 2.5 Clasificación de los errores.

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a. Errores sistemáticos b. Errores casuales 2.6 Tratamiento estadístico de los datos. a. Promedio o media aritmética b. Desviación normalizada c. Error probable de una medición simple d. Error probable de la media e. Intervalos de confianza f. Valores significativos

30 30 31 32 32 33 34 35 37

Capítulo 3. 3.1 Métodos de medición. 3.2 Exactitud del instrumento. 3.3 Efecto del retardo del instrumento en la respuesta dinámica. 3.4 Interpretación de la medición. a. Medida de la calidad del vapor de agua b. Medida del contenido de humedad del papel c. Temperatura en la medición del flujo de gases 3.5 ¿Qué es lo que debe lograrse como resultado de la medición?

40 41 43 45 46 46 47 48 49

Capítulo 4. 4.1 Medición del instrumento. 4.2 Error del instrumento 4.3 Alcance (span). 4.4 Incertidumbre de la medida (uncertainty). 4.5 Repetibilidad. 4.6 Precisión (accuracy). 4.7 Fiabilidad. 4.8 Reproducibilidad o estabilidad. 4.9 Sensibilidad (sensitivity). 4.10 Resolución o discriminación. 4.11 Campo de medida. 4.12 Espacio muerto o banda muerta (Dead zone o dead band). 4.13 Umbral. 4.14 Desplazamiento del cero. 4.15 Demora. 4.16 Histéresis (Hysteresis). 4.17 Función de transferencia. 4.18 Calibración. 4.19 Deriva. 4.20 Temperatura de servicio. 4.21 Vida útil de servicio.

51 52 54 55 55 55 55 57 57 58 58 58 58 59 59 59 59 59 60 60 60 60

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Capítulo 5. 5.1 Señales. 5.2 Tipos de señales. 5.3 Señal Analógica. 5.4 Señal Discreta. 5.5 Señal Eléctrica. 5.6 Señal Neumática. 5.7 Señal Hart. 5.8 Transmisión de la señal. 5.9 Unidad terminal remota (RTU). 5.10 Unidad de lógica y procesamiento (PLC). 5.11 Normas. a. Resumen Norma ISA-S5.1 b. Resumen Norma ISA-S5.2 c. Resumen Norma ISA-S5.3

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Capítulo 6. 6.1 Tipos de instrumentos. a. Según la función b. Según la variable de proceso c. Funcionamiento analógico y digital 6.2 Los elementos de un instrumento. 6.3 Elementos activos y pasivos. 6.4 Transductores. 6.5 Conversores. 6.6 Conversores D/A. 6.7 Conversores A/D.

99 100 100 102 103 104 108 109 110 110 112

Capítulo 7. 7.1 Principios básicos de la presión. 7.2 Tipos de instrumentos para medir presión. a. Instrumentos mecánicos b. Instrumentos electromecánicos y electrónicos 7.3 Descripción de los instrumentos de medir presión. a. Columnas de líquido b. Instrumentos elásticos c. instrumentos electrónicos

114 115 116 116 117 118 118 120 124

Capítulo 8. 8.1 Medición de flujo. 8.2 Factores que afectan el flujo de un fluido. a. Velocidad del fluido b. Fricción del fluido en contacto con la tubería.

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c. Viscosidad del fluido d. Densidad del fluido e. Efectos de la presión y de la temperatura del fluido 8.3 Medidores de flujo diferenciales. a. Placas orificio b. Tubo Venturi c. Tobera d. Tubo Pitot e. Medidor de impacto Target 8.4 Medidores de flujo de desplazamiento positivo. 8.5 Medidores de flujo de área variable. 8.6 Medidores de flujo de volumétricos. 8.7 Medidores de flujo de flujo másico. a. Medidor térmico b. Medidores de flujo tipo Coriolis

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Capítulo 9. 9.1 Medición de nivel. 9.2 Tipos de instrumentos para medir nivel. 9.3 Métodos visuales para medición de nivel. a. Tubos de vidrio b. Cintas graduadas 9.4 Flotadores. 9.5 Desplazadores. 9.6 Instrumentos de nivel de tipo hidrostático. a. Aplicación de transmisores de nivel b. Otros métodos hidrostáticos 9.7 Métodos electrónicos para medir nivel. a. Sensores de nivel de tipo capacitivo b. Sensores de nivel de tipo conductivo 9.8 Métodos térmicos para medir nivel. 9.9 Sensores de nivel de tipo ultrasónico. 9.10 Sensores de nivel de tipo fotoeléctrico. 9.11 Sensores de nivel de tipo radioactivo. 9.12 Sensores de nivel de tipo microondas.

171 172 172 174 175 176 176 179 182 185 186 187 187 189 190 190 191 192 192

Capítulo 10. 10.1 Medición de temperatura. 10.2 Tipos de instrumentos para medir temperaturas. a. Termómetros de bulbo b. Termómetros bimetálicos c. Termopares c.1 Leyes termoeléctricas

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c.2 Conversión de voltaje a temperatura c.3 Tipos de termopares c.4 Termopozos c.5 Instalación de termopares d. Termómetros de resistencia e. Termistores f. Pirómetros de radiación

202 206 207 208 211 213 214

Capítulo 11. 11.1 Otras variables 11.2 Direcciones de Internet

217 218 218

Bibliografía

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I NTRODUCCI ÓN En el presente trabajo se muestra el material didáctico de la materia I nstrument ación I ndustrial con los avances tecnológicos que están actualmente en el mercado en forma de dispositivos de medición, control y transmisión, estos dispositivos son empleados en todas las industrias de proceso, tanto continuos como por lotes, para mantener las especificaciones del producto dentro de los límites establecidos por las exigentes normas de calidad y seguridad vigentes. El origen de este compendio de información radica en que la bibliografía actual de la materia no cubre en su totalidad todo el programa, es por lo que el autor se propuso resumir y actualizar de la forma más breve el conocimiento básico que requieren los estudiantes del Postgrado de Ingeniería Eléctrica. Esta materia es complementaria de estudios en el área Control y Automatización. Dado que la Ingeniería de medición es una materia que depende del grado de actualización de la bibliografía, de los adelantos técnicos de las empresas proveedoras de los diversos dispositivos; se pretende a través del trabajo mostrar el conocimiento básico elemental necesario para comprender los principios de trabajo de cualquier tecnología empleada para la medición. El trabajo fue organizado en once capítulos, con los cuales se pretende no solo cubrir el programa, sino más bien entregar al estudiante un material de estudio que pueda servirle en el futuro como referencia en su actividad profesional.

El trabajo está presentado también en forma digital en un disco compacto CD con archivos .PDF, de esta manera se puede difundir económicamente el conocimiento e incluir otra información, tal como programas realizados por proveedores para cálculo de válvulas y otros dispositivos. El material que cubre cada capítulo esta expuesto a continuación: Capít ulo 1. Introducción. Definición de variable. Clasificación de las variables. Clasificación por señal de medición. Relación del instrumento y el control de procesos. Control abierto. Control cerrado. Capít ulo 2. Errores de medición. Definición de error. Tipos de medición. Fuentes de error. Clasificación de los errores. Tratamiento estadístico de los datos.

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Capít ulo 3. Métodos de medición. Exactitud del instrumento. Efecto del retardo del instrumento en la respuesta dinámica. Interpretación de la medición. Capít ulo 4. Medición del instrumento. Alcance (span). Incertidumbre de la medida. (uncertainty). Repetibilidad. Precisión (accuracy). Fiabilidad. Reproducibilidad

o estabilidad. Sensibilidad

(sensitivity). Resolución o discriminación. Campo de medida. Espacio muerto o banda muerta (Dead zone o dead band). Umbral. Desplazamiento del cero. Demora. Histéresis (Hysteresis). Función de transferencia. Calibración. Deriva. Temperatura de servicio. Vida útil de servicio. Capít ulo 5. Señales. Tipos de señales. Señal Analógica. Señal Digital. Señal Eléctrica. Señal Neumática. Señal Hart. Captación de la medida. Conversión de la medida en señal. Transmisión de la señal. Unidad terminal remota (RTU). Unidad de lógica y procesamiento (PLC). Normas. Capít ulo 6. Los elementos de un instrumento. Elementos activos y pasivos. Transductores Conversores A/D. Conversores D/A. Capít ulo 7. Instrumentación para medir presión. Tipos de instrumentos para medir presión. Transductores de presión. Capít ulo 8. Instrumentación para medir flujo. Factores que afectan el flujo de un fluido. Tipos de medidores de flujo. Capít ulo 9. Instrumentación para medir nivel. Tipos de instrumentos para medir nivel. Selección de sensores de nivel. Aplicación de transmisores de nivel. Capít ulo 10. Instrumentación para medir temperatura. Tipos de instrumentos para medir temperatura. Transductores de temperatura. Características de termopar, RTD, termistor. Capít ulo 11. Otras variables que se pueden medir y/o detectar. Direcciones de Internet de interés.

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Capítu lo 1 Variables y seña les de medición

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Capítulo 1 1.1 I ntroducción

Toda industria que maneja procesos requiere cuantificar las cantidades de productos que entran o salen de un recipiente, tubería o sencillamente de un espacio limitado por bordes virtuales, en plantas de procesos por lo general hay que medir también las propiedades (temperatura, presión, masa, densidad, etc.). La medición de las cantidades involucradas permite controlar el proceso, agregando otro componente a la mezcla, reduciendo o incrementando la temperatura y/ o la presión, en fin, permite tomar decisiones acerca del paso siguiente para lograr un objetivo. La cuantificación de las cantidades se realiza a través de dispositivos que emiten señales dependientes por lo general del cambio en la cantidad involucrada, definiéndose entonces la señal como un estimulo externo o interno a un sistema que condiciona su comportamiento. Matemáticamente la señal se representa como una función de una o mas variables independientes que contienen información acerca de la naturaleza o comportamiento de algún fenómeno, los sistemas responden a señales particulares produciendo otras señales. Para citar un ejemplo cotidiano, cuando el conductor de un automóvil presiona el pedal del acelerador, el automóvil responde incrementando la velocidad del vehículo. En este caso, el sistema es el automóvil, la presión sobre el pedal del acelerador es la entrada del sistema y la velocidad del automóvil es la respuesta.

Figura 1.1. Representación gráfica de señales de (a) tiempo continuo y (b) tiempo discreto

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1.2 Def inición de variable

Las cantidades o características que se miden (las cuales sirven de base de control) se denominan variables,

frecuentemente

reciben

el

nombre

de

variables

de

medición,

variables

de

instrumentación o variables de proceso. Existen variables dependientes e independientes. Las fórmulas siguientes ilustran la relación entre variables

Y = f (X )

(01)

Q = m ⋅ c p ⋅ ∆T

(02)

1.3 Clasif icación de las variables Las características que se miden, las variables de medición, se han clasificado según el campo a la cual están dedicados, así entonces se pueden establecer: a. Variables térmicas Las variables térmicas se refieren a la condición o carácter de un material que depende de su energía térmica. Para cuantificar la energía térmica de un material se requiere conocer las condiciones:



Temperatura: Se define como la condición de un cuerpo o material que determina la transferencia de calor hacia o desde otros cuerpos.



Calor específ ico: Es la propiedad de un cuerpo que define la relación entre el cambio de temperatura y la variación del nivel de energía térmica.



Variables de energía térmica: Se evalúan a partir de la entalpía y entropía relacionadas con la energía térmica total y la disponible en un cuerpo.

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Valor calorífico: Representa la característica de un material que determina la cantidad de energía térmica (calor) que se produce o absorbe por un cuerpo sometido a condiciones específicas.

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b. Variables de radiación Las variables de radiación se refieren a la emisión, propagación y absorción de energía a través del espacio o de algún material en la forma de ondas; y por extensión, la emisión, propagación y absorción corpuscular. Deben incluir las variables fotométricas (color, brillo, reflectancia, etc.) relacionadas con la luz visible y las variables acústicas que incluyen los sonidos perceptibles y las ondas imperceptibles que se propagan a través de cualquier medio, tales como las ondas ultrasónicas. 

Radiación nuclear: Es la radiación asociada con la alteración del núcleo del átomo.



Radiación electromagnética: El espectro de radiación electromagnética incluye la energía radiante desde la emisión a frecuencias de potencia pasando por las bandas de transmisión de radio; calor radiante, luz infrarroja, visible y ultravioleta y los rayos X y cósmicos. Una forma de radiación electromagnética son los rayos gamma procedentes de fuentes de suministro nucleares.

c. Variables de f uerza Las variables de fuerza son aquellas cantidades físicas que modifican la posición relativa de un cuerpo, la modificación puede incluir hasta la alteración de las dimensiones en forma permanente (deformaciones plásticas) o en forma transitoria (deformaciones elásticas), las fuerzas pueden tener un carácter estático (peso propio) o dinámico. Las pueden producir desplazamientos y/o deformaciones lineales, flexionantes y/o torsionantes. Las cargas que representan interés son las fuerzas totales, momentos flexionantes, momentos o par de torsión, la presión o vacío (variable dependiente de la fuerza y del área sobre la que actúa). d. Variables de velocidad Estas variables están relacionadas con la velocidad a la que un cuerpo se mueve hacia o en dirección opuesta a un punto de referencia fijo. El tiempo siempre es uno de los componentes de la variable velocidad, el término velocidad se asocia a un fluido a través del flujo o caudal, en caso de cuerpos se puede apreciar la rapidez con que el cuerpo recorre una medida por unidad de tiempo, la medida puede ser lineal o angular. La variable velocidad puede también cambiar en el tiempo dando origen a otra variable representada por la aceleración.

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e. Variables de cantidad Las variables de cantidad se refieren a la cantidad total de material que existe dentro de ciertos límites específicos, así por ejemplo: la masa es la cantidad total de materia dentro de límites específicos. En este caso, el peso es la medida de la masa en base a la atracción de la gravedad. f. Variables de t iempo Las variables de tiempo son las medidas del lapso transcurrido, es la duración de un evento en unidades de tiempo, la cantidad de periodos que se repiten en una unidad de tiempo se define como la frecuencia, la cual por lo general se mide en Hertz. g. Variables geométricas Estas se refieren a la posición o dimensión de un cuerpo. Las variables geométricas están relacionadas con el estándar fundamental de longitud. Se...