Instituto Tecnológico Superior de Coatzacoalcos División de Ingeniería Eléctrica Alumnos: OSORIO LIRA RAMIRO, PLASCENCIA SANTIAGO EITER ANTONIO, ESTRADA MARTÍNEZ DANIEL, GONZÁLEZ VÁSQUEZ JOSÉ LUIS, GONZÁLEZ MARTÍNEZ MANUEL DE JESÚS, Y MARTÍNEZ MARTÍNEZ GUSTAVO INSTRUMENTACIÓN Docente: M.I. Jesús Alberto Cruz Toy Portafolio Final de Evidencias Fecha: 25 /10 /20 INDICE Competencia específica de la asignatura ................................................................................ 1 Competencias genéricas ......................................................................................................... 1 UNIDAD 1 ............................................................................................................................. 2 1.1 Definiciones y conceptos .............................................................................................. 3 1.2 Clasificación y características de los instrumentos ...................................................... 6 1.3 Simbología, Normas (SAMA, ISA) y Sistema de Unidades ........................................ 9 1.4 Principios generales para la selección de la instrumentación ..................................... 18 1.5 Propagación del error.................................................................................................. 19 UNIDAD 2 ........................................................................................................................... 23 2.1 Medición de Presión ................................................................................................... 24 2.2 Medición de Nivel y densidad .................................................................................... 43 2.3 definición de flujo....................................................................................................... 64 2.4 medición de temperatura ............................................................................................ 79 2.5 medición de otras variables ........................................................................................ 82 2.6 procedimiento para calibración .................................................................................. 84 2.6.1 consideraciones previas a la calibración .............................................................. 86 2.6.2 error ..................................................................................................................... 86 2.6.3 incertidumbre ....................................................................................................... 87 2.7 criterios de selección .................................................................................................. 90 2.8 acondicionamiento de señales. ................................................................................... 94 UNIDAD 3 ........................................................................................................................... 98 3.1 Actuadores electrónicos.............................................................................................. 99 3.2 Actuadores hidráulicos ............................................................................................. 128 3.3 Actuadores neumáticos ............................................................................................. 144 3.4 Tipos de Válvulas ..................................................................................................... 162 3.5 Criterios de Selección de Actuadores ....................................................................... 182 3.6 Señal de Mando para Actuadores ............................................................................. 184 UNIDAD 4 ......................................................................................................................... 186 4.1 aplicaciones de sistemas de lazo abierto y lazo cerrado. .......................................... 187 4.2 modos de control aplicados en instrumentación: ...................................................... 191 4.2.1. on-off ................................................................................................................ 192 4.2.2. Proporcional...................................................................................................... 193 4.2.3. Proporcional + integral. .................................................................................... 195 4.2.4 Proporcional + Derivativo ................................................................................. 197 4.2.5. Proporcional + integral + derivativo. ................................................................ 199 4.3 Criterios para la Selección de un controlador ........................................................... 200 4.4. Sintonización de controles. ...................................................................................... 201 4.5. Aplicaciones de controladores. ................................................................................ 202 UNIDAD 5 ......................................................................................................................... 203 5.1 Adquisición de datos ................................................................................................ 204 5.2 Control supervisorio ................................................................................................. 207 5.3 Control digital ........................................................................................................... 208 5.4 Control distribuido.................................................................................................... 209 5.5 Instrumentación virtual ............................................................................................. 212 5.6 Pantallas Táctil (TOUCHSCREEN) ........................................................................ 213 Competencia específica de la asignatura Selecciona, aplica, calibra y opera los instrumentos de medición y control para automatizar los procesos industriales, mediante la configuración y programación adecuada de los mismos. Competencias genéricas Capacidad de abstracción, análisis y síntesis Capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica Capacidad para organizar y planificar el tiempo Capacidad de comunicación oral y escrita Habilidades en el uso de las tecnologías de la información y de la comunicación. Capacidad para identificar, plantear y resolver problemas. Habilidades interpersonales. Capacidad de trabajo en equipo. Habilidades para buscar, procesar y analizar información procedente de fuentes diversas Habilidad para trabajar en forma autónoma. Preocupación por la calidad. 1 UNIDAD 1 2 Introducción a la Instrumentación Cuando uno mira a su alrededor percibe que los instrumentos de medida están en todas partes. El más ubicuo es el reloj, pero en las calles abundan los termómetros y los salpicaderos de los coches están llenos de indicadores: velocidad, revoluciones, nivel de gasolina, etc. El común de los mortales está familiarizado con los indicadores que constituyen el extremo visible de la cadena de medida, como quien dice la punta del iceberg. Poca gente conoce, ni siquiera a grandes rasgos, el funcionamiento interno de un sistema o aparato de medida. Aunque el saber no ocupa lugar, un usuario ordinario no tiene porqué conocer cómo funciona por dentro un aparato, siempre que ese conocimiento no sea preciso para poder hacer un uso adecuado del mismo. Este es el caso de aparatos “cerrados”, cuyo correcto funcionamiento está certificado por el fabricante o por una empresa que realiza el mantenimiento y calibrado del mismo. Este es el caso de los instrumentos de un coche, de la balanza electrónica de un supermercado o del medidor de un surtidor de gasolina. Sin embargo, un ingeniero de materiales, igual que otros profesionales, debe conocer algo más acerca de cómo funcionan los sistemas de medida que se utilizan en la caracterización de los materiales y en los procesos de fabricación de los mismos, tanto para poder juzgar lo adecuado de los sistemas utilizados por otros, como para poder seleccionar un sistema adecuado de medida para un uso particular. Denominaremos instrumentación al conjunto de instrumentos que hacen posible la medida de una variable física particular y, por extensión, también al conjunto de instrumentos de medida que permite seguir la evolución de un sistema físico, cualquiera que sea el número de variables físicas involucradas. Denominaremos también instrumentación a la disciplina que estudia las técnicas de diseñar, construir y utilizar correctamente los sistemas de medida. En este curso introductorio vamos a ceñirnos a los conceptos mínimos necesarios para comprender el funcionamiento de los sistemas eléctricos o electrónicos de medida a efectos, fundamentalmente, de poder utilizarlos correctamente. En este capítulo se describen los aspectos más generales de un sistema de medida, sus componentes y propiedades estáticas. 1.1 Definiciones y conceptos Es el conocimiento de la correcta aplicación de los equipos encaminados para apoyar al usuario en la medición, regulación, observación, transformación, ofrecer seguridad, etc., de una variable dada en un proceso productivo. Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, de la 3 industria cerámica, de las centrales generadoras de energía, de la siderurgia, de los tratamientos térmicos, de la industria papelera, de la industria textil, etc. En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la conductividad, la velocidad, la humedad, el punto de rocío, etcétera. Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas que las que el propio operador podría realizar. En los inicios de la era industrial, la operatoria de los procesos se llevaba a cabo con un control manual de estas variables utilizando sólo instrumentos simples, manómetros, termómetros, válvulas manuales, etc., control que era suficiente por la relativa simplicidad de los procesos. Sin embargo, la gradual complejidad con que éstos se han ido desarrollando, ha exigido su automatización progresiva por medio de los instrumentos de medición y control. Estos instrumentos han ido liberando al personal de campo de su función de actuación física directa en la planta y al mismo tiempo, le han permitido una labor única de supervisión y de vigilancia del proceso desde centros de control situados en el propio proceso o bien en salas aisladas separadas; asimismo, gracias a los instrumentos ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y de características, condiciones que al operario le serían imposibles o muy difíciles de conseguir, realizando exclusivamente un control manual. Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categorías: procesos continuos y procesos discontinuos. En ambos tipos, deben mantenerse en general las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado fijo, bien en un valor variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, o bien guardando una relación determinada con otra variable. 4 En pocas palabras la instrumentación se encarga de mantener funcionando el proceso de manera óptima a través de elementos que sirven para medir, convertir, transmitir, controlar o registrar las variables. Figura 1-. Algunos componentes de la instrumentación Se observan algunos de los componentes principales de la instrumentación que se mencionan a continuación Transmisor Convierte la señal del transductor en una señal estándar que se transmite al sistema de control (al ser estándar es compatible con cualquier instrumento de control con independencia de su marca comercial Registrador Instrumentos registradores son aquellos que permiten, además de conocer el valor de la magnitud variable medida en determinado momento, sino también el carácter de su variación en el tiempo. En la imagen se muestra pantalla de instrumento registrador oscilador Salida del controlador Este mediante operaciones matemáticas de algebra booleana obtiene un resultado de referencia del comportamiento físico de la variable física de campo, comparando este valor obtenido con el valor de referencia configurado mediante parámetros preestablecidos obteniendo una relación de desviación la cual ajusta y manda a corregir mediante una señal 5 de salida hacia el elemento final de salida, manteniendo la variable a controlar lo más cercano al punto de ajuste set point Elemento final de control En el control automático de los procesos industriales, la válvula de control juega un papel muy importante en el bucle de regulación. Realiza la función de variar el caudal de fluido de control que modifica, a su vez, el valor de la variable medida, comportándose como un orificio de área continuamente variable. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como el elemento primario, el transmisor y el controlador. 1.2 Clasificación y características de los instrumentos Existen dos formas de clasificar los instrumentos las cuales son: 1. De acuerdo a su función en el proceso. 2. De acuerdo a la variable de proceso que miden. Este modo de clasificarlos no es necesariamente el único, pero se considera bastante completo. De acuerdo a su función estos serán. Instrumentos ciegos Son aquellos que no tienen indicación visible de la variable. Ejemplos termostatos, presos tatos, etc. Figura 2. Instrumentos ciegos 6 Instrumentos indicadores Disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Según la amplitud de la escala se dividen en indicadores concéntricos y excéntricos. Existen también indicadores digitales que muestran la variable en forma numérica con dígitos Figura 3. Instrumentos indicadores Instrumentos registradores: Registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado según sea la forma del gráfico. Los registradores de gráfico circular suelen tener el grafico de una revolución en 24 horas, mientras que en los de gráfico rectangular, la velocidad normal del gráfico es de unos 20 mm/hora. Figura 4. Instrumentos registradores 7 Elementos primarios Están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica, etc. Transmisores Capta la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática (margen de 3 a 15 psi = libras por pulgada cuadrada), o electrónica (de 4 a 20 mA. De corriente continua). Transductores: Son instrumentos que reciben una señal de entrada, función de una o más cantidades físicas y la convierten modificada o no en una señal de salida. Convertidores Son aparatos que reciben una señal de entrada neumática o electrónica procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar. Receptores: Reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada a los valores ya indicados (3-15 psi en señal neumática, o 4-20 mA de c.c. en señal electrónica, que actúan sobre el elemento final de control. Controladores Comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación. Elemento final de control: recibe la señal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. De acuerdo a la variable del proceso: de acuerdo con la variable del proceso, los instrumentos se dividen en: 8 A. Instrumentos de caudal B. Instrumentos de nivel C. Instrumentos de presión D. Instrumentos de temperatura E. Instrumentos de densidad y peso especifico F. Instrumentos de humedad y punto de rocío G. Instrumentos de viscosidad H. Instrumentos de posición I. Instrumentos de velocidad J. Instrumentos de pH K. Instrumentos de Conductividad L. Instrumentos de frecuencia M. Instrumentos de fuerza N. Instrumentos de turbidez, etc.… 1.3 Simbología, Normas (SAMA, ISA) y Sistema de Unidades Generalidades de la simbología. La instrumentación empleada en el control de un proceso forma parte integral del mismo, por lo que es importante que la documentación relacionada con los sistemas de control, permita un conocimiento claro del criterio de diseño empleado, las especificaciones de los instrumentos y la forma en que estos están instalados e interconectados. A continuación se da una lista, no exhaustiva, de algunos de los documentos relacionados con el sistema de instrumentación de una planta industrial: • Diagrama de flujo del proceso • Criterio de diseño del sistema de instrumentación • Diagrama de tubería e instrumentos (P&ID) • Índice de instrumentos • Hojas de especificación de los instrumentos • Memorias de cálculo 9 • Diagramas de lazo • Planos y especificaciones del tablero de control • Planos de distribución (eléctrica, neumática) en el campo • Planos de interconexión eléctrica • Listas de cables y conductos eléctricos • Planos esquemáticos de control • Detalles de instalación de instrumentos (mecánicos, neumáticos) • Detalles de instalación eléctrica • Documentos de compra de instrumentos • Documentos de seguimiento y control del proyecto Entre las normas internacionales empleadas para la preparación de algunos de estos documentos, se encuentran las siguientes de la ISA – The Instrumentation, Systems and Automation Society: • Standard ISA S5.1 - “Instrumentation Symbols and Identification”, 1984 (R1992) • Standard ISA S5.4 - “Instrument Loop Diagram”, 1991 • Standard ISA S20 - “Specification Forms for Process Measurement and Control Instruments, Primary Elements and Control”, 1981 Diagrama de Flujo de Instrumentos El Diagrama de Flujo de Instrumentos, normalmente denominado P&ID por sus siglas en inglés, es el documento que muestra toda la instrumentación empleada en el control de una planta industrial y por lo tanto permite entender cómo se efectúa el control, que tipo de instrumentos se emplean y donde están localizados. En este diagrama, cada instrumento estará representado por una etiqueta o identificación y por un símbolo. La etiqueta es un conjunto de letras y números que indica cual es la variable medida o controlada y cuáles son las funciones del instrumento. La simbología empleada en el diagrama permite ubicar el instrumento, determinar el tipo señales empleadas y otras características de los mismos. 10 Etiqueta o Identificación del instrumento con Norma ISA. Cada instrumento tendrá asociada una etiqueta compuesta por letras y números la cual lo describe funcionalmente. Esta etiqueta de identificación está compuesta de dos partes: una Identificación Funcional y una Identificación de Lazo. La identificación funcional a su vez está compuesta de una Primera Letra que identifica a la variable medida o controlada y una serie de Letras Sucesoras que describen las funciones del instrumento. Por su parte la identificación del lazo está constituida por un Número del Lazo y un Sufijo si este fuera necesario. Tabla 1. Identificación del instrumento La siguiente tabla muestra el significado de las letras dependiendo de su posición dentro de la etiqueta del instrumento. 11 Tabla 2. Etiqueta del instrumento 12 Símbolos y Números de Instrumentación La indicación de los símbolos de varios instrumentos o funciones ha sido aplicada en las típicas formas. El uso no implica que la designación o aplicaciones de los instrumentos o funciones estén restringidas en ninguna manera. Donde los símbolos alternativos son mostrados sin una preferencia, la secuencia relativa de los números no implica una preferencia. Un símbolo distintivo cuya relación con el lazo es simplemente aparentar que un diagrama no necesita ser etiquetado individualmente. Por ejemplo, una placa con orificio o una válvula de control que es parte de un sistema más largo no necesita ser mostrado con un número de etiqueta en un diagrama. También, donde hay un elemento primario conectado a otro instrumento en un diagrama, hace uso de un símbolo para representar que el elemento primario en un diagrama puede ser opcional. Símbolos generales. Los tamaños de las etiquetas y de los símbolos de los misceláneos son los tamaños generalmente recomendados. Los tamaños óptimos pueden variar dependiendo en donde o no es reducido el diagrama y dependiendo el número de caracteres seleccionados apropiadamente acompañados de otros símbolos de otros equipos en un diagrama. La etiqueta o rótulo del instrumento, se encerrará dentro de un círculo de aproximadamente 1 cm de diámetro, el cual indica la localización del instrumento, ya sea que este esté instalado directamente en el campo en los equipos mismos, en un tablero de control accesible al operador (por la parte frontal) o en su parte interior (trasera). Figura 5. Localización del instrumento Líneas de interconexión (señales) Las líneas de señales pueden ser dibujadas en un diagrama enteramente o dejando la parte apropiada de un símbolo en cualquier ángulo. La función de los designadores de bloque y los números de las etiquetas podrían ser siempre mostrados con una orientación horizontal. Flechas direccionales podrían ser agregadas a las líneas de las señales cuando se necesite 13 aclarar la dirección del flujo para información. La aplicación de flechas direccionales facilita el entendimiento de un sistema dado. Eléctrico, neumático o cualquier otro suministro de energía para un instrumento no se espera que sea mostrado, pero es esencial para el entendimiento de las operaciones de los instrumentos en un lazo de control. En general, una línea de una señal representara la interconexión entre dos instrumentos en un diagrama de flujo siempre a través de ellos. Pueden ser conectados físicamente por más de una línea. La interconexión de los instrumentos al proceso y entre estos, se realiza con líneas que indican el tipo se conexión o señal empleada. Figura 6. Líneas de señal Un globo o círculo simboliza a un instrumento aislado o instrumento discreto, pare el caso donde el círculo esta dentro de un cuadrado, simboliza un instrumento que comparte un display o un control. Los hexágonos se usan para designar funciones de computadora. Para terminar en los controles lógicos programables PLC's se simbolizan con un rombo dentro de un cuadrado. Descripción de cómo los círculos indican la posición de los instrumentos. 14 Los símbolos también indican la posición en que están montados los instrumentos. Los símbolos con o sin líneas nos indican esta información. Las líneas son variadas como son: una sola línea, doble línea o líneas punteadas. Figura 7. Descripción simbólica Las líneas punteadas indican que el instrumento esta mondado en la parte posterior del panel el cual no es accesible al operador Instrumento Discreto Función de Computadora Control Lógico Programable Figura 8. Líneas punteadas El método sama (scientific, aparatus makers association) de diagramas funcionales que emplean para las funciones block y las designaciones de funciones. Para ayudar en procesos industriales donde la simbología binaria es extremadamente útil aparecen nuevos símbolos binarios en líneas. El propósito de esta norma es establecer un medio uniforme de designación los instrumentos y los sistemas de la instrumentación usados para la medición y control. Con este fin, el sistema de designación incluye los símbolos y presenta un código de identificación. 15 En todo proceso trabajan diferentes usuarios o especialidades. La estandarización debe reconocer esta realidad y además ser consistente con los objetivos del estándar, por lo tanto debe entregar métodos para una simbología alternativa. Se entregan una serie de ejemplos como información adicional o simplificaciones para una determinada simbología según se desee. La simbología de los equipos de los procesos, no es el motivo de este apunte, por lo tanto al incluirse se hará, en razón de ilustrar aplicaciones de símbolos, de instrumentación. Aplicaciones industriales La estandarización de la instrumentación es importante para diversas industrias como: • Industria química • Industria petrolera • Generación eléctrica • Aire acondicionado • Refinadoras de metales • Otros procesos industriales. Existen otros campos con instrumentos muy especializados y diferentes a la industria convencional como: • Astronomía • Navegación • Medicina Ningún esfuerzo específico se ha hecho para establecer una norma que reúna los requerimientos de estas actividades, sin embargo, se espera que la norma sea lo suficientemente flexible como para abarcar áreas muy especializadas. El estándar es recomendable emplearlo cada vez que se requiera cualquier referencia para un instrumento o para una función de control de un sistema con los propósitos de identificación y simbolización • Esquemas diseño • Ejemplos para enseñanza • Fichas técnicas, literatura y discusiones 16 • Diagramas en sistemas de instrumentación, diagramas lógicos, diagramas de lazos en procesos. • Descripciones funcionales • Diagramas de flujo en: procesos, sistemas, elementos mecánicos, tuberías de procesos e instrumentación • Dibujos de construcción • Especificaciones, órdenes de compra, manifiestos y otros listados • Identificación (etiquetado o marcas) de instrumentos y funciones de control • Instrucciones de mantención, operación, instalación, dibujos informes El estándar pretende dar la suficiente información, que habilite a cualquiera para revisar documento de representación, de medición y control de procesos para que entienda el significado y el control del proceso no se requiere un conocimiento detallado de un especialista en instrumentación, como requisito para su comprensión. Aplicaciones a clases de instrumentación y para funciones de instrumentos La simbología y las identificaciones entregadas en este estándar son aplicables a toda clase de mediciones en instrumentación para control de procesos. Estas se pueden emplear no solo para describir instrumentos discretos y sus funciones, sino que también funciones de sistemas análogos, donde aparecen términos como “display compartido”, “control compartido”,” control distribuido”,” control computarizado”. Sistema de Unidades La observación de un fenómeno es en general, incompleta a menos que dé lugar a una información cuantitativa. Para obtener dicha información, se requiere la medición de una propiedad física. Así, la medición constituye una buena parte de la rutina diaria del físico experimental. La medición es la técnica por medio de la cual asignamos un número a una propiedad física, como resultado de una comparación de dicha propiedad con otra similar tomada como patrón, la cual se ha adoptado como unidad. El Sistema Internacional de Unidades (del francés Le Système International d’Unités), abreviado SI, es el sistema de unidades que se usa en casi todos los países. Las unidades del SI constituyen referencia internacional de las indicaciones de los instrumentos de medición, 17 a las cuales están referidas mediante una concatenación ininterrumpida de calibraciones o comparaciones. Esto permite lograr equivalencia de las medidas realizadas con instrumentos similares, utilizados y calibrados en lugares distantes y, por ende, asegurar —sin necesidad de duplicación de ensayos y mediciones— el cumplimiento de las características de los productos que son objeto de transacciones en el comercio internacional, su intercambiabilidad. 1.4 Principios generales para la selección de la instrumentación Para seleccionar correctamente un instrumento, se deben conocer los datos de los procesos o aplicación donde se desea instalar el equipo. Generalmente los usuarios no toman estos datos en cuenta, al final les cuesta más y pierden tiempo por una alta rotación de sus instrumentos. La configuración para elegir el instrumento siempre estará basada por las características del proceso donde se utilizará. Figura 9. Ejemplo de selección con manómetro Criterio de selección adicional Según la aplicación y condiciones de trabajo podemos definir cuál es el adecuado: unidades, fluido interno, exactitud de la medición, temperatura de trabajo, escala de medición, diámetro del instrumento y rosca mecánica para instalación. Motivos de fallo y cómo prevenir las averías en el proceso: 18 1. Vibraciones mecánicas: Movimientos y oscilaciones periódicos que producen deformaciones. 2. Pulsación: Aumento y disminución rítmica de presión o caudal. 3. Temperatura: Grado de calor o frío medido en una escala determinada. 4. Sobrepresión: Por presión superior al límite causando daños en el elemento sensible. Se debe distinguir entre picos de sobrepresión puntuales y una sobrepresión continua. 5. Corrosión: Destrucción gradual del material causada por ataques químicos. 6. Obturación: Limitar o impedir la medición debido a sustancias ajenas que se adhieren a los conductos del fluido. 7. Uso inadecuado: Mal manejo o instalación en aplicaciones inadecuadas. 1.5 Propagación del error Los mejores instrumentos de medición carecen de estabilidad absoluta, es decir: se desvían y pierden su capacidad de dar mediciones precisas. Por esta razón es necesaria la calibración. Generalmente su estabilidad en la medición se ve afectada por el medio ambiente y el tiempo en servicio. Con las calibraciones periódicas se busca tener mediciones confiables, asegurar la calidad, cumplir con normas de seguridad y ambientales. Definiciones de términos metrológicos que regularmente utilizamos y encontramos en los reportes de servicios y calibración. a) Trazabilidad: Las calibraciones tienen que ser trazables. La trazabilidad es la declaración en la que se especifica con qué patrón se ha comparado un instrumento determinado a través de una cadena continua de comparaciones a patrones nacionales y/o internacionales. b) Calibración: una señal medida desconocida se compara con una señal de referencia conocida. c) Resolución: Es el mínimo intervalo legible entre dos lecturas. d) Vibraciones mecánicas: Movimientos y oscilaciones periódicos que producen deformaciones. e) Pulsación: Aumento y disminución rítmica de presión o caudal. f) Temperatura: Grado de calor o frío medido en una escala determinada. 19 g) Sobrepresión: Por presión superior al límite causando daños en el elemento sensible. Se debe distinguir entre picos de sobrepresión puntuales y una sobrepresión continua. h) Corrosión: Destrucción gradual del material causada por ataques químicos. i) Obturación: Limitar o impedir la medición debido a sustancias ajenas que se adhieren a los conductos del fluido. j) Uso inadecuado: Mal manejo o instalación en aplicaciones inadecuadas. Notas y recomendaciones para sus calibraciones. • Mantener registros de calibración. • Realizar las calibraciones según los procedimientos aprobados. • Definir un periodo de calibración y límites de error para cada instrumento. • Los patrones deben ser trazables con patrones nacionales e internacionales. • Cada instrumento debe tener un registro histórico maestro. • Todos los instrumentos deben tener un identificador único y tienen que estar etiquetados físicamente. Tipos de errores Los errores experimentales son de dos tipos: determinados (sistemáticos) e indeterminados. Los errores determinados o sistemáticos Significa que cuando se realizan mediciones repetidas, el error tiene la misma magnitud y el mismo signo algebraico, Determinado, significa que pueden ser reconocidos e identificados, por lo tanto, la magnitud y el signo son determinables. Ejemplos: un instrumento o escala no calibrada, una persona que no distingue colores correctos, el uso de un valor no correcto de una constante (o unidades no adecuadas). Errores indeterminados Están siempre presentes en las mediciones experimentales. En estos no existe la manera de determinar el signo ni la magnitud del error en mediciones repetidas. Los errores indeterminados resultan, en el proceso de medición, en la obtención de diferentes valores cuando se efectúan mediciones repetidas (asumiendo que todas las condiciones permanecen constantes). Las causas en los errores indeterminados son diversas; error del operador o 20 sesgo, condiciones experimentales fluctuantes, variabilidad inherente en los instrumentos de medición, etc. El efecto que tienen los errores indeterminados en los resultados se puede minimizar al efectuar mediciones repetidas y después calcular el promedio. El promedio se considera una mejor representación del valor verdadero que una sola medición, ya que los errores de signo positivo y los de signo negativo tienden a compensarse en el cálculo de la media. Los errores determinados pueden ser más importantes que los indeterminados por tres razones; • no existe método seguro para descubrirlos e identificarlos al analizar los datos experimentales, • sus efectos no pueden ser reducidos al promediar mediciones repetidas, • los errores determinados tienen la misma magnitud y signo para cada medición en un conjunto de mediciones repetidas, por lo que no tienden a cancelarse los errores negativos y los positivos. Expresión del error Se ha mencionado que el error en la medición está asociado al concepto de incertidumbre. Se desea expresar el grado de error en las mediciones o el limite probabilístico de la incertidumbre. Conceptualmente se concibe el error como la dispersión de las diferentes mediciones de un valor central. Esto se expresa como: 𝑥 ± ∆𝑥 = (𝑥 - ∆𝑥) < 𝑥 < (𝑥 + ∆𝑥) 24.2 ± .8 = (24.2 - .8) < 24.2 < (24.2 + .8) El error se puede expresar como: • Error absoluto є = ∆𝑥 • Error relativo є𝑥 = ∆𝑥/𝑥 • Error porcentual є𝑥 % = є𝑥 ∗ 100 Precisión y exactitud La precisión de un instrumento o método de medición está asociado a la sensibilidad o menor variación de la magnitud que se puede detectar con dicho instrumento o método, la exactitud es una medida de la cercanía de nuestro resultado con respecto al valor verdadero. Una medición con un error indeterminado relativamente pequeño se dice que tiene una alta precisión. Una medición con un error pequeño indeterminado y determinado se dice que tiene 21 una alta exactitud. La precisión no implica necesariamente exactitud. Una medición precisa puede ser inexacta si tiene un error determinado. Propagación de errores Supongamos que se miden dos dimensiones con sus respectivos errores (𝑥 ± ∆ 𝑥) , (𝑦 ± ∆𝑦) y con las mismas unidades, pero se desea encontrar una tercera cantidad que es el resultado de operaciones aritméticas de las dos primeras mediciones (x, y). Lo cual puede ser: 𝑧 = 𝑥 + 𝑦 𝑧 = 𝑥 – 𝑦 𝑧 = 𝑥 ∗ 𝑦 𝑧 = 𝑥/𝑦 Por lo tanto, se propaga para el resultado (z) a partir de los errores asociados a cada dimensión original (𝑥, 𝑦). Finalmente se expresa el resultado respectivo con un error propagado. 𝑍 ± ∆𝑧 Para encontrar el error propagado ∆z se emplean diversas fórmulas, dependiendo de la operación aritmética empleada en el cálculo de z. Los valores de ∆x y ∆y corresponden a la desviación estándar respectiva. Fórmulas de propagación de errores: • Caso suma y resta 𝑍 =𝑥+𝑦 ∆𝑧 = {(∆𝑥)2 + (∆𝑦)2} 1/2 𝑍 =𝑥-𝑦 ∆𝑧 = {(∆𝑥)2 + (∆𝑦)2} 1/2 • Caso multiplicación y división 𝑍 =𝑥∗𝑦 (∆𝑧 /𝑍𝑧) = {(∆𝑥/𝑥)2 + (∆𝑦/𝑦)2} 1/2 𝑍 = 𝑥/𝑦 (∆𝑧/𝑍) = {(∆𝑥/𝑥)2 + (∆𝑦/𝑦)2} ½ 22 UNIDAD 2 23 2.1 Medición de Presión Generalidades Definición de presión Es la fuerza por unidad de superficie, cuando la fuerza es perpendicular a dicha superficie. Esto es lo que ocurre comúnmente en fluidos confinados. Referencias de presión La presión siempre se mide respecto a una referencia o valor patrón, la cual puede ser el vacío absoluto u otra presión como en el caso más común en que se trata de la presión atmosférica. Según la referencia de presión utilizada se les dan nombres distintos a las medidas de presión. Presión absoluta Es la presión referida al vacío absoluto. Presión manométrica Es la presión referida a la `presión atmosférica. Presión de vacío Es la presión referida a la presión atmosférica, pero por debajo de ella. Presión diferencial Es la diferencia entre dos presiones cualesquiera Presión atmosférica Es la presión ejercida por el peso de la atmósfera sobre la tierra. AS nivel del mar esta es de aproximadamente 760 mm de Hg, 14.7 psia o 100 KPa. En Mérida que se encuentra a aproximadamente 1600 metros de altitud esta es de aproximadamente 85 KPa. Presión barométrica Es la medida de la presión atmosférica la cual varía levemente con las condiciones climáticas. 24 Unidades de presión Las unidades de presión expresan una unidad de fuerza sobre unidad de área. Las más usadas son Kg/cm2, psi (lbf/pulg2), Pascal (N/m2), bar, atmósfera, Torr (mm de columna de Hg). La siguiente tabla resume los factores de conversión de las unidades de presión más comunes. psi Pa Kg/cm2 Bar Atmósfera Torr Cm H2O Pulg H2O Pulg Hg Pulg H2O psi Pa Kg/cm2 Bar Atmósfera Torr Cm H2O 1 6896.5 0.0703 0.0689 0.0680 51.715 70.31 27.68 2.036 0.000145 Pulg Hg 1 0.00001019 0.00001 0.00000987 0.0075 0.01 0.0039 0.00029 14.22 98067 1 0.9807 0.9678 735.58 1000 393.7 28.96 14.50 100000 1.019 1 0.9869 750.062 1024 401.46 29.53 14.70 101325 1.0332 1.01325 1 760 1033 406.78 29.92 0.01934 133.32 0.001359 0.00133 0.001316 1 1.359 0.5352 0.0394 0.0142 100 0.0010 0.0009 0.00096 0.7356 1 0.3937 0.0289 0.0361 254.6 0.00254 0.00249 0.00246 1.8683 2.540 1 0.07355 0.4912 3386 0.0345 0.0333 0.0334 25.40 34.53 13.6 1 Presión en fluidos Fluidos estáticos En un fluido estático la presión en un punto dado es igual al peso de la columna de líquido por unidad de área. Dicho de otra forma, en un líquido la presión será igual a la altura de la columna de líquido (h) por el peso específico ( ): P h 25 Vemos entonces que la presión en un líquido será directamente proporcional a la altura de líquido sobre él. Algunas de las unidades de presión provienen de hecho de esta propiedad de la presión en los fluidos, por ejemplo, Pulg Hg, Pulg H2O, Cm H2O. Fluidos en movimiento En un fluido en movimiento se presentan diversos tipos de presiones a saber. Presión estática Es la presión ejercida por el fluido en todas sus direcciones. Esta corresponde a la presión que se mediría con un instrumento que se mueve con el fluido. Para medirla se puede usar una toma perpendicular a la dirección del flujo. Presión dinámica Es la presión que se produce por el efecto de la velocidad del fluido. Esta se ejerce solamente en la dirección del fluido. En un fluido estático la presión dinámica es cero. Para medirla se debe hacer la diferencia entre la presión de estancamiento y la presión dinámica. Presión de estancamiento Es la presión resultante de la presión estática más la presión dinámica. Su valor será el de la presión cuando el fluido se desacelera hasta obtener una velocidad cero en un proceso sin rozamiento. Medidores de presión de columna de líquido Es el más simple, directo y exacto de todos los métodos utilizados en la medición de presión. 26 Trabajan aprovechando el principio de los vasos comunicantes, y utilizan el efecto de la presión de una columna de líquido para la indicación del valor de la presión medida. Por lo general están limitados a la medición de presiones diferenciales por debajo de los 200 KPa (≈30 psi). Esto debido a la resistencia del material del tubo (vidrio generalmente) y a la longitud que deberían tener estos para presiones mayores. El más conocido de estos instrumentos es el manómetro de tubo en U, pero existes otras variantes que utilizan el mismo principio. Tipos de medidores de presión de columna de líquido Manómetro de tubo en U Este medidor consta de dos tubos transparentes de misma sección transversal que están conectados por su parte inferior, ya sea por un tubo del mismo material o por un material distinto. Dentro del tubo se coloca un líquido de mayor densidad que el fluido del proceso a medir y que nos sea miscible en él, agua para aire o mercurio para agua por ejemplo. Luego se conecta uno de los tubos al proceso (P1) y el otro se deja a la presión de referencia con respecto a la cual se quiere hacer la medición (P2), La atmósfera para presiones manométricas o Si P1 P2se trata de un manómetro de tubo en U 27 Si P1 P2se trata de un vacuómetro de tubo en U. El vacío absoluto para presiones absolutas, se trata de un barómetro Otra presión del proceso para presiones diferenciales. La medida de presión será directamente proporcional a la diferencia de nivel en los líquidos de los tubos (h), según las relaciones: Para medida de presión de gases (peso despreciable respecto del líquido manométrico) P1 P2 mh o Para medida de presión en líquidos (peso no despreciable) P1 P2 m l h Manómetro de pozo y vaso alargado Este es una modificación del manómetro de tubo en U en donde uno de los tubos tiene una sección transversal de mayor área que la otra. Esto permite realizar la lectura de la presión directamente con la posición de la superficie del líquido en el tubo de área menor, con una mayor precisión y permite medir presiones mayores. 28 Manómetro de pozo y vaso inclinado Este es una variación del manómetro de pozo y vaso alargado en donde el vaso alargado se inclina con el fin de darle mayor precisión al instrumento. Esto ya que para un mismo desplazamiento vertical del fluido, el desplazamiento de este sobre el tubo será mayor. Manómetro de anillo de balanceo Este medidor utiliza el efecto del cambio de nivel del fluido manométrico por efecto de la presión junto con un balance de fuerzas ejercidas por el peso del líquido y un contrapeso. Se compone de un anillo tubular en el cual está un líquido manométrico y que posee un contrapeso en la parte inferior. Este anillo puede rotar sobre su centro y posee una aguja que indicará directamente la presión en función del ángulo de rotación del instrumento. En este caso al producirse una diferencia de presión entre los dos lados del manómetro el líquido manométrico se desplaza produciendo una fuerza (F) debido al peso del lado de mayor altura de líquido manométrico. Esta fuerza hace rotar el anillo. El contrapeso (W) contrarresta esta fuerza hasta alcanzar una posición de equilibrio como en el caso de una balanza. En ese momento la posición de la aguja indicará directamente en una escala el valor de la presión. 29 Las ecuaciones que rigen el funcionamiento de este sistema son: Peso del líquido = peso del contrapeso: hAr Wa hAr Wd sin Obsérvese que en este instrumento la presión es directamente proporcional a K sin, donde K es una constante del medidor que depende de sus parámetros geométricos. En este instrumento la densidad del líquido manométrico no tiene ninguna influencia sobre la medida. Manómetro de campana invertida Este instrumento utiliza el líquido solamente como elemento de sello, mientras que la medida de presión se realiza por un balance de fuerzas entre la presión ejercida por el proceso por el área sobre la cual actúa, la presión de referencia por la misma área y una otra fuerza que limita el movimiento como por ejemplo un resorte u otra campana. Este instrumento consta de un tanque en donde se coloca un fluido de sello en el cual se sumerge un vaso o campana en forma invertida dentro del cual actuará la presión del proceso. Al aumentar la presión dentro del vaso este tratará de elevarse por efecto de la fuerza que esta ejerce. Un resorte ubicado en la parte exterior del vaso producirá una fuerza opuesta proporcional al desplazamiento producido en el vaso. Una vez que las dos fuerzas en contraposición se encuentren en equilibrio, la posición de una aguja conectada físicamente al vaso indicará el valor de la presión. 30 Manómetro de campana invertida Líquidos manométricos: El líquido manométrico debe seleccionarse función de sus características y del proceso a medir. El primer parámetro en esta selección es el rango de presiones que se quiere medir, en función de esto: • Para bajas presiones (0 a 7 KPa ≈ 1 psi) se deben usar líquidos inorgánicos de baja densidad. • o Aceites o Glicerina Para presiones medianas (0 a 17 KPa ≈ 2.5 psi) se puede usar agua. 31 • Para presiones altas (0 a 70 KPa ≈ 10 psi) se debe usar mercurio Los líquidos manométricos más usados son el agua y el mercurio. Ventajas y desventajas del agua y del mercurio Ventajas Agua Mercu rio Desventajas Económica No tóxica Insoluble en algunos líquidos (aceites) Densidad menor al mercurio lo que permite mayor sensibilidad Bajo punto de fusión -39 ºC Alto punto de ebullición 357 ºC Baja presión de vapor a temperatura ambiente No moja las paredes del recipiente Insoluble en muchos líquidos comunes Punto de fusión 0 ºC Punto de ebullición 100ºC Moja las paredes del recipiente Tiene una presión de vapor alta Densidad menor al mercurio permite solo un rango menor Se amalgama con muchos metales Es costoso Es tóxico Líquidos selladores En algunos casos en los que el fluido del proceso puede ser corrosivo o miscible para el líquido manométrico se puede usar un líquido sellador, que permite aislar el proceso del manómetro. En este caso se deberá tomar también en cuenta el peso específico de este líquido. 32 Sensores de presión Estos elementos transforman la variable presión en un desplazamiento. Para ello utilizan la propiedad de los materiales de deformarse dentro del rango elástico cuando se someten a un esfuerzo y regresar a su posición cuando cesa el esfuerzo aplicado. Sabiendo que en este rango la relación esfuerzo deformación es lineal. Los sensores de presión consisten en elementos de sección delgada que al someterse a una presión se deforman en su rango elástico, deformación que es proporcional a la presión. Existen principalmente tres tipos de sensores de presión: • El tubo Bourdon • El fuelle • El diafragma El tubo de Bourdon Este consiste en un tubo de sección transversal aplanada con un extremo abierto y empotrado y el otro extremo cerrado y libre de moverse. Este tubo se le da una forma curvada específica, que varía según el rango de la presión a medir y las características del tubo. De acuerdo a la forma del tubo se tienen los siguientes tipos de tubo Bourdon: En el tubo Bourdon el tubo forma un arco de algo más de 180 grados, en el tipo espiral el tubo da más de una vuelta alrededor del eje reduciendo el diámetro en cada vuelta para formar una espiral y en el helicoidal el tubo también da más de una vuelta alrededor de su eje pero en vez de reducir el diámetro este se deforma también en la otra dirección para formar un helicoide. Al aumentar la presión en el interior del tubo éste tiende a enderezarse y producir un desplazamiento en el extremo libre, el cual es proporcional a la presión aplicada. 33 La ley que relaciona este desplazamiento con la presión es compleja debido a la forma compleja de estos instrumentos, por ello se han determinado ecuaciones empíricas experimentales para estas relaciones. La linealidad del tubo suele ser de aproximadamente 0.5% de la deflexión máxima y en muchos casos una desviación máxima de 1% es permisible. La sensibilidad de estos instrumentos es excelente obteniéndose respuestas hasta de 0.01% en algunos de ellos. Rangos de presión: El rango de presión depende principalmente del material con el cual está fabricado el tubo y puede abarcar valores • Manómetro: desde 0 a 35 KPa (≈ 5 psi) hasta 0 a 70000 KPa (≈ 10 000 psi). Vacuómetro: de -100 a 0 KPa (≈ -30 a 0 “Hg) El Diafragma El diafragma es un disco metálico (o no metálico) al cual se le han hecho corrugaciones circulares concéntricas. Ese se acopla a una caja por la cual se introduce la presión a medir, midiendo este la diferencia de presión existente entre las dos caras del diafragma. La fuerza de presión origina una deflexión en el centro del disco la cual es proporcional a la presión aplicada. Los diafragmas metálicos emplean directamente la característica elástica del material, mientras que los no metálicos tienen por lo general un resorte calibrado cuya fuerza se opone al movimiento. 34 Estos elementos se usan por lo general para medir presiones diferenciales bajas o presiones de vacío y la sensibilidad de estos instrumentos suele ser muy grande pudiendo detectar comúnmente valores del0.01 % de la presión para la cual fue diseñado. Cuando dos diafragmas iguales se unen por sus periferias herméticamente se obtiene una cápsula. Esta produce una mayor deflexión para una misma presión aplicada. Materiales de construcción para diafragmas Metálicos • • • • • Latón Bronce fosforoso Cobre berilio Acero inoxidable Monel No metálicos • Neopreno • Teflón • Polietileno • Cuero Estos resisten mayor corrosión, pero se usan para presiones más bajas. Rangos de presión: El rango de presión depende principalmente del material con el cual está fabricado el tubo y puede abarcar valores 35 • Manómetro: desde 0 a 1.2 KPa (≈ 5” H2O) hasta 0 a 5500 KPa (≈ 800 psi). • Vacuómetro: desde -1.2 a 0 KPa hasta -100 a 0 KPa (≈ -30 a 0 “Hg) El fuelle Este elemento consiste en un tubo de material flexible con uno de sus extremos empotrado y conectado al proceso al cual se le quiere medir la presión; y el otro cerrado y libre de moverse. Para producir flexibilidad del tubo se hacen corrugaciones o convoluciones circulares sobre las paredes del tubo, de tal forma que este trabaje como un resorte helicoidal. Para aumentar el rango de presión o la vida útil del fuelle se acostumbra acoplarlo a un resorte interno o externo. Estos elementos se usan principalmente para medir bajas presiones. Materiales de construcción de fuelles: Metálicos • • • • Latón Bronce fosforoso Monel Acero inoxidable Nó metálicos • Neopreno • Teflón • Polietileno 36 Rangos de presión: El rango de presión depende principalmente del material con el cual está fabricado el tubo y puede abarcar valores • Manómetro: desde 0 a 0.5 KPa (≈ 0.2” H2O) hasta 0 a 7000 KPa (≈ 1000 psi). • Vacuómetro: desde -0.5 a 0 KPa hasta -100 a 0 KPa (≈ -30 a 0 “Hg) Transductores eléctricos de presión Todos los elementos estudiados anteriormente permiten medir presión en el proceso. Sin embargo, para procesos industriales se requiere en muchos casos conocer el valor de la medición en una sala de control o en un lugar alejado del proceso. Otras veces se requiere de la medida para la aplicación de una acción de control. Para todo esto se requiere entonces poder comunicar el valor de la variable a otros instrumentos. Una de las formas sencillas para realizar esto es tener una salida eléctrica en el instrumento de medición, para esto se debe entonces utilizar un transductor eléctrico de presión. La función de este elemento será el de transformar la el desplazamiento producido por un sensor de presión en una señal eléctrica que se pueda leer. Los tipos más comunes de transductores eléctricos son: Transductor resistivo Este elemento está conformado por un potenciómetro (resistencia variable) en donde la guía móvil (elemento que permite variar la resistencia) está conectada a un sensor de presión (diafragma, fuelle o tubo Bourdon), el desplazamiento producido por el sensor de presión producirá un cambio en la resistencia del potenciómetro. La medida del valor de esta resistencia será entonces proporcional al valor de la presión del proceso. 37 El elemento de resistencia puede ser: • Grafito depositado • Películas metálicas • Resistencias bobinadas Este elemento es muy usado, ya que su eficiencia eléctrica es alta y genera salidas suficientes para alimentar otros elementos sin necesidad de amplificación. Su precisión es pequeña, del orden del 2 %. Transductor Extensométrico En el transductor extensométrico se utiliza un extensómetro o galga extensométrica (Strain gage) para transformar la deformación que se produce sobre un diafragma en una señal eléctrica. El extensómetro es un elemento que está diseñado para medir deformaciones en materiales sometidos a esfuerzos. Estos están compuestos por varios lazos de un alambre muy fino o por un material semiconductor, el cual al estirarse produce un cambio en la sección transversal del alambre o en el área transversal del semiconductor. El cambio de sección transversal de este alambre hace que cambie su resistencia eléctrica, este cambio de resistencia será proporcional a la deformación al cual está sometido el extensómetro. 38 Existen varios tipos de transductores extensométricos: Galgas cementadas: Estas están formadas por un extensómetro que se pega a una hoja base de cerámica, papel o plástico, el cual se adhiere mediante un pegamento especial al miembro al cual se le quiere medir la deformación. En este caso se trata generalmente de medir la deformación producida por un cambio de presión a un diafragma. Galgas no cementadas: En este caso el extensómetro no se adhiere en toda su superficie, sino que los extremos de los hilos de este descansan entre una armazón móvil y una fija, sometido a una ligera tensión inicial. En este caso se trata generalmente de medir el alejamiento entre las dos paredes, que suelen ser las dos caras de un diafragma. Ventajas Salida alta Económico Se puede usar con corriente alterna o continua No es necesario amplificar o acoplar impedancias Desventajas Usualmente requiere gran tamaño Posee una alta fricción mecánica Tiene una vida limitada Es sensible a vibraciones o choques Requiere un gran desplazamiento por lo cual el sensor de presión debe ser relativamente grande Tiene una baja respuesta a la frecuencia Desarrolla altos niveles de ruido con el desgaste Es insensible a pequeños movimientos (baja sensibilidad) Galgas de silicio difundido. Las galgas de silicio difundido utilizan el mismo principio de cambio en la resistencia eléctrica, pero en este caso de un material semiconductor. En este caso la galga está conformada por un monocristal de silicio en cuyo seno se difunde boro para formar varias resistencias, conectadas en forma de puentes de Wheatstone constituyendo una galga extensométrica autocontenida. 39 Para medir la resistencia de las galgas estas se conectan a un puente de Wheatstone o alguna variante más elaborada de este. Este es un arreglo de cuatro resistencias (en su versión básica) que cuando se encuentran en equilibrio, si se aplica una tensión al circuito (VIN) la tensión de salida (VOUT) será de cero. Transductor Magnético Los transductores magnéticos utilizan unas bobinas con un núcleo magnético móvil conectado a un sensor de presión, con lo cual al producirse el movimiento del núcleo magnético cambian las características magnéticas del circuito eléctrico. Existen principalmente dos tipos: Transductor magnético de inductancia variable En este caso se mide la inductancia de la bobina que varía en forma proporcional a la porción de núcleo magnético contenido en ella. La precisión es para estos instrumentos del orden de 1%. Transductor magnético por transformador diferencial En este caso el núcleo móvil que está conectado a un sensor de presión se desplaza dentro de un transformador diferencial. El voltaje obtenido en la salida será: 40 Ventajas Desventajas Salida alta Se excitan solo con Corriente alterna por lo que el receptor debe funcionar con corriente alterna Respuesta lineal No precisan ajustes críticos en el montaje Requiere un gran desplazamiento del núcleo magnético Baja histéresis por no haber roce Sensible a choques y vibraciones Construcción robusta Transductor Capacitivo Se basan en la variación de la capacidad de un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de la presión. En este caso la placa móvil suele ser un diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas, con lo cual se tienen dos condensadores: uno de referencia y uno de capacidad variable. Las dos capacidades se comparan en circuitos osciladores. Como la capacidad es función del ancho del dieléctrico (distancia entre placas) cuando el diafragma se reflecta por efecto de la presión, cambia la capacitancia del condensador. 41 La precisión de estos transductores suele ser del orden del 0.2 a 0.5 % de la amplitud. Ventaj as Excelente respuesta a la frecuencia Construcción sencilla Mide presiones estáticas y dinámicas Costo relativamente bajo Para pequeños desplazamientos De resolución contínua Poco afectado por vibraciones Desventajas El movimiento de cables de gran longitud origina distorsión y error Alta impedancia de salida Deben balancearse reactiva y resistidamente Sensible a variaciones de temperatura El instrumento receptor es grande y complejo Transductor Piezoeléctrico Cuando ciertos cristales se deforman elásticamente a lo largo de planos específicos de esfuerzos se produce un potencial eléctrico en el cristal. Por lo tanto, si se acopla un diafragma a un cristal de características geométricas adecuadas para que este pueda deformarse con la deformación del diafragma, entonces al producirse la deformación se producirá una corriente eléctrica que será proporcional a la deformación del cristal. Entre los cristales usados están: el cuarzo, la turmalina, el titanio de bario y las sales de Rochelle. Los cristales naturales como el cuarzo permiten medir variaciones lentas de presión porque operan a bajas frecuencias, son resistentes a la temperatura y se pueden usar en aplicaciones duras como choques. Los cristales sintéticos como las sales de Rochelle dan una salida mucho mayor para una presión dada, pero son incapaces de resistir altos esfuerzos mecánicos sin fracturarse rápidamente. Con estos instrumentos se pueden medir presiones hasta de 70 MPa (10000 psi). 42 Ventajas Tamaño pequeño, compacto y ligero Muy lineales Alta respuesta a la frecuencia hasta 100000 ciclos/s No requieren frecuente calibración Desventajas Son sensibles a cambios de temperatura No miden presiones estáticas Alta impedancia de salida Cables de conexión largos originan ruido Después de un choque severo no retornan rápidamente a la salida de referencia previa Su señal de salida es relativamente débil por lo que precisan de amplificadores acondicionadores de señal que pueden introducir errores de medición 2.2 Medición de Nivel y densidad Medición de nivel En la industria, la medición de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista del funcionamiento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuado de materias primas o de productos finales. La utilización de instrumentos electrónicos con microprocesador en la medida de otras variables, tales como la presión y la temperatura, permite añadir "inteligencia" en la medida del nivel, y obtener exactitudes en la lectura altas, del orden del ± 0,2%, en el inventario de materias primas o finales o en transformación en los tanques del proceso. Las distintas técnicas de medición de nivel constituyen entre otras, una herramienta muy importante en la rama de la Instrumentación y el Control, ya que la importancia de ciertos factores como la seguridad de las instalaciones, el control de la calidad del producto, la optimización de los procesos, y la protección del ambiente, dependen de la calidad de la medición que se esté haciendo y por ende la responsabilidad que esto conlleva al momento de tomar una decisión. Por lo tanto, para realizar una acertada selección se debe tener un sólido conocimiento del proceso así como de los principios de funcionamiento, aplicaciones, ventajas, y desventajas de los instrumentos a utilizar La medición de nivel se define como la determinación de la posición de la interface entre dos medios. Estos son usualmente fluidos, pero pueden existir sólidos o combinación de ellos. La interface puede existir entre un líquido y un gas, un líquido y su vapor, dos líquidos, un sólido o sólido diluido y un gas. Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y de sólidos, que son dos mediciones claramente diferenciadas. 43 y Medidores de nivel de líquidos: Los medidores de nivel de líquidos se dividen en: 1.- Los instrumentos de medida directa: • • • • • • • Sonda Cinta y plomada Nivel de cristal Nivel de flotador Magnético Palpador servo operado Magnetostrictivo 2.- Los aparatos que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática: • Medidor manométrico • Medidor de tipo burbujeo • Medidor de presión diferencial de diafragma 3.- El empuje producido por el propio líquido lo aprovecha el medidor de desplazamiento. 4.- Los instrumentos que utilizan las características eléctricas del líquido: • Medidor resistivo/conductivo • Medidor capacitivo • Medidor ultrasónico • Medidor de radar o microondas • Medidor de radiación • Medidor de láser 5.-Y los que se basan en otros fenómenos: • Medidor óptico • Vibratorio • Detector de nivel térmico o de dispersión térmica Instrumentos de medida directa 44 La Sonda consiste en una varilla o regla graduada de la longitud conveniente para introducirla dentro del depósito. La determinación del nivel se efectúa por lectura directa de la longitud mojada por el líquido. En el momento de la lectura el tanque debe estar abierto a presión atmosférica. Se utiliza, generalmente, en tanques de fuel-oil o gasolina. La varilla con gancho se sumerge en el seno del líquido y se levanta después, hasta que el gancho rompe la superficie del líquido. La distancia desde esta superficie hasta la parte superior del tanque representa indirectamente el nivel. La cinta métrica metálica graduada con plomada se emplea cuando la regla graduada no tiene acceso al fondo del tanque. El instrumento está compuesto por tres partes principales: el carrete, la cinta graduada y un peso o plomada. La plomada sirve para que se mantenga la cinta tensa al penetrar en el líquido. Para medir el nivel, se deja que la cinta baje lentamente hasta que la plomada toque el fondo del recipiente. Una vez que la plomada toca el fondo se empieza a recoger la cinta con el carrete, hasta que aparezca la parte donde el líquido ha dejado la marca que indica su nivel. Se usan cuando la regla graduada no tenga acceso al fondo del tanque. 45 Características Aplicación del generales del medidor de sonda Ventajas medidor de sonda Tanques abiertos. Medición de Campo de aceite. medida limitado Medición de Buena exactitud: gasolina. 0,5 mm fe Procesos Presión máxima: granulosos atmosférica Temperatura máxima de fluido: 60 ºC medidor de sonda Desventajas del Baratos. Son manuales. Se usan sin olas. Sólo para tanques abiertos. No para procesos continuos Indicador de cristal El funcionamiento del indicador de cristal se basa en el principio de los vasos comunicantes: con igual presión, el líquido del tanque sube en el tubo de vidrio hasta que ambos niveles sean iguales. Cuando el nivel varía en el tanque, varía también en el tubo de vidrio obteniéndose así una indicación real de nivel del proceso. En la Fig. Se representa este método de medición y se puede observar que sirve tanto para tanques abiertos como cerrados. 46 Características del Aplicaciones del indicador Ventajas del indicador Desventajas del indicador de cristal de cristal de cristal indicador de cristal Exactitud: Medición de Económico. Manipular con 0,5 mm fe líquidos. cuidado para Seguridad en evitar roturas. Temperatura Lecturas periódicas la lectura del máxima de de nivel. nivel del No para control fluido: 200 líquido. directo. Tanques abiertos. °C Preciso. Campo de Tanques cerrados: medida Presión: Hervidores. hasta 7 bar limitado. Evaporadores. (700 000 Indicación Condensadores. Pa) para local. Columnas de baja presión Susceptibles de destilación Longitud: ensuciarse por Hasta 1,78 las m para baja características presión del líquido. Hasta 2,5 m para alta presión Los instrumentos de Flotador consisten en un flotador situado en el seno del líquido y conectado al exterior del tanque indicando directamente el nivel. La conexión puede ser directa, magnética o hidráulica. a) El flotador conectado directamente está unido por un cable que desliza en un juego de poleas a un índice exterior que señala sobre una escala graduada. Es el modelo más antiguo y el más utilizado en tanques de gran capacidad, tales como los de fuel-oil y gas-oil. 47 b) El indicador de nivel magnético se basa en el seguimiento magnético de un flotador que desliza por un tubo guía y que contiene un potente electroimán. Hay dos modelos básicos: 1. Flotador tubo guía situados verticalmente en el interior del tanque. Dentro del tubo, una pieza magnética sigue al flotador en su movimiento y mediante un cable y un juego de poleas arrastra el índice de un instrumento situado en la parte superior del tanque. El instrumento puede, además, incorporar un transmisor neumático, electrónico o digital. 2. Flotador que desliza a lo largo de un tubo guía sellado acoplado externamente al tanque. El flotador contiene un potente imán y, en la parte externa, hay un tubo de vidrio no poroso herméticamente sellado, dotado de un indicador fluorescente o de pequeñas cintas magnéticas que siguen el campo magnético del flotador. c) Flotador acoplado hidráulicamente, El movimiento del flotador actúa sobre un fuelle de tal modo que, varía la presión de un circuito hidráulico y señala a distancia en el receptor el nivel correspondiente. Se usa en aplicaciones bajo presión y tiene la facilidad del control directo del proceso de ser necesario. Características El flotador puede tener formas muy variadas y estar formado por materiales muy diversos según sea el tipo de fluido Campo de medida de (0 a 10) m Exactitud: ± 0,25 in Precisión: ± 0,5 % Presión máxima: 5 000 psi(g) Temperatura máxima de fluido: 530 °C Ventajas Instalación sencilla. Método de medición probado y confiable. Permite medición continua. Turbulencias y espuma en la superficie del líquido no afectan de manera significativa la medición. Aplicaciones de los instrumentos de flotador Tanques abiertos. Tanques cerrados a presión o al vacío. Desventajas de los instrumentos de flotador La medición puede ser afectada por depósitos de materiales sobre el flotador. Los tubos guías muy largos pueden dañarse ante olas bruscas en la superficie del líquido o ante la caída violenta del líquido en el tanque. No son adecuados para líquidos viscosos. Las partes móviles están sujetas a desgaste requiriendo mantenimiento frecuente. La medición es afectada por los cambios en la gravedad específica del fluido. 48 Los medidores por palpador servo operado disponen de un elemento de medida que consiste en un disco de desplazamiento suspendido por una cinta perforada (o un cable) de acero inoxidable que está acoplada a un tambor ranurado, el cual almacena o dispensa la cinta. El tambor está conducido por un servomotor controlado y montado en unos cojinetes de precisión. Cuando el nivel del producto sube o baja, el desplazador es subido o bajado automáticamente manteniendo el contacto con la superficie del producto. El tambor de medida está montado en el techo del tanque y dispone de un codificador óptico y del transmisor de los datos de nivel. Generalmente, la transmisión de la información es digital serie y codificada, sujeta a estándar. Para proteger el disco palpador del oleaje que pueda producirse en el tanque se instala un tubo tranquilizador dotado de orificios. El instrumento tiene una exactitud de ± 3 mm, y un campo de medida de 1 mm a 30 m. El medidor de nivel magno restrictivo utiliza un flotador cuya posición, que indica el nivel, se determina por el fenómeno de la magnetostricción. Para detectar la posición del flotador, el transmisor envía un impulso alto de corriente de corta duración (impulso de interrogación) hacia abajo al tubo de guía de ondas, con lo que crea un campo magnético tubular que interacciona inmediatamente con el campo magnético generado por los imanes del flotador. Esta interacción da lugar a una fuerza de torsión en el tubo, como si fuera una onda o vibración ultrasónica, que se traslada, a una velocidad típica, por el tubo guía hacia el circuito sensor que capta el impulso ultrasónico torsional y lo convierte en un impulso eléctrico. El circuito mide el intervalo de tiempo entre el impulso inicial de corriente y el impulso de retorno y lo convierte a una señal dentro del intervalo de 4-20 mA, y esta señal indica la posición del flotador, es decir, el nivel. El reloj utilizado en este sistema es capaz de medir el tiempo con una exactitud de 1/100 millonésimas de segundo. 49 Instrumentos basados en la presión hidrostática Medidor manométrico: En este tipo de medidor se conecta un manómetro en la línea de descarga de un tanque de almacenamiento, en la cual se pueden observar varios accesorios como son una válvula de cierre para mantenimiento, y un pote de decantación con una válvula de purga. La lectura del manómetro se puede calibrar para medir directamente nivel, teniendo en cuenta la densidad del líquido almacenado utilizando la ecuación de presión hidrostática, P = h · ( l) · s = h · s Dónde: P= Presión; h= Altura del nivel del líquido; s= Gravedad específica; l = Presión causada por un 1 cm Se asume que la gravedad específica del líquido es constante, sin embargo, las variaciones en la temperatura pueden afectar considerablemente la densidad del líquido introduciendo error en la medición. 50 Medidor tipo burbujeo El sistema de burbujeo de aire, está formado por un suministro continuo de aire, un regulador, un indicador visual de flujo y un indicador de nivel. Consiste en introducir un tubo dentro del tanque y luego aire a presión la cual se regula a un valor ligeramente superior a la presión hidrostática ejercida por la columna de líquido en el tanque al nivel máximo. Cuando se va a realizar una medición de nivel, el aire de alimentación se ajusta de modo que la presión sea ligeramente superior que la presión ejercida por la columna de líquido. Esto se consigue regulando la presión del aire hasta que se observan burbujas saliendo del extremo de la tubería colocada dentro del recipiente. Debido a que puede ser que no sea conveniente la inspección visual para detectar la presencia de burbujas, se instala en la línea de acceso de aire, un indicador visual de flujo, el cual es normalmente un rotámetro. La importancia de mantener un flujo a través del tubo es debido al hecho de que el líquido en el tubo debe ser desplazado por el aire creando una contrapresión que va a depender del nivel existente en el recipiente, siendo detectada por el indicador de nivel como el nivel existente en el recipiente. La tubería empleada suele ser de 0,5 in con el extremo biselado para una fácil formación de las burbujas de aire. Una tubería de menor diámetro tipo capilar reduciría el tiempo de respuesta, pero produciría un error en la medición provocado por la pérdida de carga del tubo. 51 Características Aplicaciones Exactitud: ± 1 % fe Tanques abiertos. Presión máxima: 400 kg/cm² Líquidos muy corrosivos o con sólidos en (0,058 Pa) suspensión Temperatura máxima de fluido: 200 °C Ventajas Desventajas Barato y versátil Durante el mantenimiento se puede contaminar el líquido. Su campo de medida está limitado por la altura del tanque Instrumentos de presión diferencial En los sistemas de presión diferencial se puede conectar un tubo entre la toma de presión baja (L) y la parte superior del tanque, para medir así la diferencia de presión ΔP entre las tomas inferior y superior del tanque, pudiéndose calibrar esta ΔP en función de la altura del nivel en estudio. Los transmisores de presión diferencial de diafragmas se utilizan en la medición de nivel en tanques cerrados bajo presión, aunque también se pueden usar para medir nivel en tanques abiertos dejando la toma de presión baja (L) igual a la presión atmosférica. Los casos que se presentan con más frecuencia son: tanques abiertos, tanques cerrados con atmósfera condensable sobre el líquido y tanque cerrado con atmósfera no condensable sobre el líquido. Las variaciones de presión dentro del tanque afectan la medición de nivel, por lo que se hace necesario hacer compensación en las mediciones. El medidor de presión diferencial consiste en un diafragma en contacto con el líquido del tanque. En el tipo más utilizado, el diafragma está fijado en una brida que se monta rasante al tanque para permitir, sin dificultades, la medida de nivel de fluidos. 52 Debido a que el instrumento mide presión diferencial, la presión estática sobre la superficie del líquido no tiene efecto en la medición, por lo que, variaciones en la presión estática no causan errores en la medición. Supresión de la señal del nivel Cuando el transmisor de nivel está montado por debajo de la tubería que lo conecta al tanque, la toma de alta presión tiene una presión positiva cuando el nivel está al mínimo, de modo que señalaría nivel (1 m en la figura) en estas condiciones. Para que la señal del transmisor sea 4 mA c.c. (0,2 bar o 3 psi), es necesario suprimir la altura de líquido indicada. Para ello, en los transmisores neumáticos y electrónicos convencionales se utiliza el tornillo de supresión, que lo que hace es trasladar a la derecha (10 KPa o 0,1 bar suponiendo que el fluido sea agua) el cero del instrumento. Elevación de la señal del nivel En tanques cerrados y a presión con fluidos que pueden vaporizar a temperatura ambiente y a la presión de operación, existe el riesgo de condensación del líquido en la línea de compensación o tubería húmeda (wet leg) que comunica con la toma de baja presión del instrumento. Una solución es instalar un pote de condensado en la parte inferior de esta tubería con una válvula de asilamiento y purgar periódicamente el condensado, si bien, tiene el gran inconveniente del mantenimiento excesivo Al ser condensables los gases o vapores que están sobre el líquido, la tubería húmeda (wet leg) se llena gradualmente con el condensado hasta llenar todo el tubo, en cuyo caso tendrá mayor presión que la tubería de alta presión (HP) y, por lo tanto, el transmisor leerá el nivel a la inversa (indicará bajo cuando el nivel sea alto y viceversa). Por lo tanto, cuando el nivel es mínimo, el transmisor enviará una señal inferior a 4 mA c.c. (0,2 bar o 3 psi). Por lo tanto, para que la señal sea positiva hay que elevarla (5,5 m en la figura equivalente a 55 KPa o 0,55 bar suponiendo que el fluido es agua). Para ello, en los transmisores neumáticos y electrónicos convencionales se utiliza el tornillo de elevación, que lo que hace es trasladar a la izquierda (55 KPa o 0,55 bar) el cero del instrumento. 53 Características Exactitud: ± 0,5 % Presión máxima: 150 kg/cm² Temperatura máxima fluido: 200 °C Aplicaciones Es adecuado para la medición de nivel de interface. de Aplicaciones de indicación, registro y control de nivel. Ventajas Desventajas No tienen partes móviles El rango de medición está limitado por los dentro del tanque. intervalos del manómetro diferencial de que se disponga. Son de fácil limpieza. Precisos y confiables. No son influidos por las fluctuaciones de presión. En tanques cerrados presentan el inconveniente de la posible condensación de los vapores del tanque en el tubo de conexión al instrumento. Algunos fluidos presentan el riesgo de depósitos de cristales o de sólidos en la superficie del diafragma. Medición de la interfase de líquidos La interfase puede medirse en tanques abiertos y cerrados bajo presión. En los tanques abiertos destinados a la separación de dos líquidos de diferente densidad, el líquido más denso descarga por una salida del tanque que corresponde al valor inferior del intervalo de medida del transmisor, mientras que por la salida superior circula el líquido más ligero que corresponde al valor superior del intervalo de medida. Instrumento basado en el desplazamiento 54 El funcionamiento del medidor tipo desplazamiento, está basado en el Principio de Arquímedes, el cual establece que un cuerpo (flotador) sumergido en un líquido es empujado hacia arriba por una fuerza que es igual al peso del líquido desplazado. La ecuación utilizada para determinar la fuerza de flotación disponible es: F = V·s Donde: F = Fuerza de flotación V = Volumen del flotador s = Gravedad específica del líquido La fuerza que actúa sobre el área (presión) del cuerpo sumergido crea la fuerza llamada flotabilidad, la cual permite a un cuerpo cuya densidad media sea inferior a la de un líquido, flotar parcialmente sumergido en la superficie libre del líquido. Un cuerpo al flotar pierde un peso equivalente al peso del volumen de líquido desplazado. Para relacionar la pérdida de peso de un cuerpo con el nivel de líquido en un recipiente, normalmente se utilizan dos mecanismos: • Mecanismo de resorte. • Mecanismo con barra de torsión. Instrumentos basados en características eléctricas del líquido El medidor de nivel conductivo o resistivo consiste en uno o varios electrodos y un circuito electrónico que excita un relé eléctrico o electrónico al ser los electrodos mojados por el líquido. Este debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito electrónico, y de este modo el aparato puede discriminar la separación entre el líquido y su vapor, tal como ocurre, por ejemplo, en el nivel de agua de una caldera de vapor. La impedancia mínima es del orden de los 25 MW/cm, y la tensión de alimentación entre los electrodos y el tanque es alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas, por causa del fenómeno de la electrólisis. El relé electrónico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del líquido o ante cualquier perturbación momentánea, o bien en su lugar se disponen dos electrodos poco separados enclavados eléctricamente en el circuito. El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, y con la sensibilidad ajustable permite detectar la presencia de espuma en el líquido. 55 Medidor de capacidad: El principio básico de funcionamiento del medidor de nivel capacitivo, Fig. 3.16, se basa en las propiedades que tiene un capacitor de almacenar cargas eléctricas y así, oponerse a cambios en el voltaje de un circuito. En el medidor capacitivo, una de las placas del condensador está formada por un electrodo sumergido en el fluido y la otra, está comprendida por las paredes del tanque. El dieléctrico es el del fluido dentro del tanque. La ecuación que define la capacitancia del medidor capacitivo es: C= (KxA) D Donde: C = Capacitancia; K = Constante dieléctrica; A = Área común entre las placas; D = Distancia entre las placas Medidor de ultrasonido El ultrasonido es utilizado en mediciones donde no se permite el contacto del instrumento de medición con el líquido. En el medidor de nivel por ultrasonido, cuando las ondas sonoras viajan en un medio que absorbe el sonido y golpean a otro medio tal como una pared, una partícula en el líquido, o la superficie del líquido, solamente una pequeña porción de la energía de la onda sonora penetra la barrera y el resto de la energía se refleja. La onda sonora reflejada es un eco. El medidor de ultrasonido utiliza el principio del eco para su funcionamiento. La cantidad de energía reflejada depende del coeficiente de absorción de los materiales el cual se define como: (Energía absorbida) / (Energía reflejada por el material) Este valor depende de la frecuencia y propiedades del líquido tales como: porosidad, grosor del material y rigidez. 56 El diagrama de bloques que ilustra el principio de funcionamiento del medidor de ultrasonido se muestra en la Fig. Características Aplicaciones Campo de medida: (0,5 a 100) ft (0,152 a 30,48) m Exactitud: ± (1 a 3) % fe Presión máxima: 400 kg/cm² Temperatura máxima de fluido: 200 °C Frecuencia de ultrasonido: (1 a 20) kHz Potencia de consumo < 10 W Repetibilidad: 6,4 mm Ventajas Se utilizan para hacer mediciones de nivel continuas y para alarmas Desventajas Adecuados para todos los tipos de tanques y de líquidos. Muy exactos. Más sofisticados que los medidores convencionales. No poseen partes móviles. No requieren mantenimiento. No es intrusivo. 57 Costosos. La medición es afectada por las propiedades del medio como porosidad de la superficie, espesor del material y rigidez. Sensibles a la densidad. Dan señales erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida como en el caso de un líquido que forme espuma. La velocidad del sonido cambia con la temperatura: al aumentar la temperatura, la velocidad del sonido en el aire aumenta mientras que en el agua disminuye. Medidor de nivel de radar o microondas El sistema de radar de microondas se basa en la emisión continua de una onda electromagnética, típicamente dentro del intervalo de los rayos X (10 GHz). El sensor está situado en la parte superior del tanque y envía las microondas hacia la superficie del líquido. Una parte de la energía enviada es reflejada en la superficie del líquido y la capta el sensor. El tiempo empleado por las microondas es función del nivel en el tanque. Una técnica empleada es utilizar una onda continúa modulada en alta frecuencia (por encima de los 10 GHz), de modo que se detecta la diferencia de frecuencia entre la señal emitida y el eco recibido. La técnica recibe el nombre de FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave – Onda continúa modulada en frecuencia). La diferencia de frecuencias es proporcional al tiempo empleado por estas señales de transmisión y retorno, es decir, al nivel. Y así: d= v x dt 2 Con: v= c √e siendo: d = distancia del emisor al líquido v = señal de velocidad dt = tiempo de recorrido c = velocidad de la luz 58 e = constante dieléctrica La fórmula anterior indica que la velocidad de la microonda a través del aire (u otro gas o vapor) es igual a la velocidad de la luz dividida por la raíz cuadrada de la constante dieléctrica del gas o vapor. Como la constante dieléctrica de los vapores sobre el líquido es casi la unidad, la variación de la velocidad es despreciable, por lo que puede afirmarse que la espuma es transparente a la señal de radar y, por lo tanto, deja de ser un problema, tal como ocurría en el medidor de nivel de ultrasonidos. Otra ventaja de esta técnica es que las señales de medida del nivel son en FM en lugar de AM, Lo que suprime los ruidos parásitos del tanque que se encuentran en la banda de AM. Si la constante dieléctrica del líquido es baja, pueden presentarse problemas en la medida ya que, en este caso, la energía reflejada es muy pequeña. El agua (εr = 80) produce una reflexión excelente en la superficie del líquido. Medidor de nivel de radiación El sistema de radiación (medición por rayos gamma) consiste en un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del tanque y con un contador Geiger que transforma la radiación gamma recibida en una señal eléctrica de corriente continua. Otro tipo de detector consiste en un haz de fibras ópticas que transmiten los fotones luminosos, creados en la estructura cristalina (dotada de materiales dopantes) cuando reciben la radiación gamma, a un tubo fotomultiplicador. Como la transmisión de los rayos es inversamente proporcional a la masa del líquido en el tanque, la radiación captada por el receptor es inversamente proporcional al nivel del líquido, ya que el material absorbe parte de la energía emitida. Los rayos emitidos por la fuente son similares a los rayos X, pero de longitud de onda más corta. La fuente radiactiva pierde igualmente su radiactividad en función exponencial del tiempo. La vida media (es decir, el tiempo necesario para que el emisor pierda la mitad de su actividad) varía según la fuente empleada. La intensidad de la radiación recibida por el detector depende del isótopo del emisor, de la densidad y demás características físicas del fluido, del espesor de las paredes del recipiente, del espesor de los aislamientos y de la distancia emisor/receptor, pre_ riéndose el método en el que la fuente de radiación sea de menor actividad. Los microprocesadores han aportado una mayor sensibilidad a este tipo de medida de nivel, permitiendo una mayor duración de aprovechamiento de la fuente y una mayor seguridad para el personal, ya que puede utilizarse la fuente con menores niveles de radiación. 59 La exactitud de la medida es del ± 0,5% al ± 2%. El instrumento puede emplearse para todo tipo de líquidos, ya que no está en contacto con el proceso. Su lectura viene influida por el aire o por los gases disueltos en el líquido. El sistema se emplea en caso de medida de nivel en tanques de acceso difícil o peligroso. Es ventajoso cuando existen presiones elevadas en el interior del tanque que impiden el empleo de otros sistemas de medición. Hay que señalar que el sistema es caro y que la instalación no debe ofrecer peligro alguno de contaminación radiación va, siendo necesario señalar debidamente las áreas donde están instalados los instrumentos y realizar inspecciones periódicas de seguridad. Medidor de nivel láser En aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y donde los instrumentos de nivel convencionales fallan, encuentra su aplicación el medidor láser (y también el de radiación). Tal es el caso de la medición de metal fundido, donde la medida del nivel debe realizarse sin contacto con el líquido y a la mayor distancia posible por existir unas condiciones de calor extremas. El sistema mide el nivel de forma parecida al medidor de nivel de ultrasonidos con la diferencia de que emplea la luz en lugar del sonido. Consiste en un rayo láser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radia_ on) enviado a través de un tubo de acero y dirigido por reflexión en un espejo sobre la superficie del metal fundido. La señal puede ser por impulsos o por onda continúa modulada en alta frecuencia. En el primer caso, cada impulso de láser llega hasta el nivel de líquido y regresa al receptor. En forma parecida a la del nivel por radar, la distancia desde el sensor hasta el nivel se calcula por la fórmula: Distancia = (velcidad de la luz)(tiempo transcurrido) 2 La señal pulsante tiene buena penetración y un gran intervalo de medida, por lo que es la típica usada en aplicaciones industriales. La señal láser de onda continua está modulada en alta frecuencia y cambia de fase al chocar contra el nivel de líquido. Cuando alcanza el receptor, el circuito electrónico calcula la distancia midiendo el desfase entre la onda emitida y la recibida, la frecuencia y la longitud de onda. 60 El sistema de rayo láser no es influido por los cambios de temperatura y presión, ni por las turbulencias y las capas de gases, ni por los materiales absorbentes del sonido y, asimismo, tampoco por los de baja constante dieléctrica (como ocurre en el medidor de nivel de radar). Es inmune a reflexiones y ecos provocados por polvo y al movimiento de palas del agitador. Medidores de nivel de sólidos En los procesos continuos, la industria ha ido exigiendo el desarrollo de instrumentos capaces de medir el nivel de sólidos en puntos fijos o de forma continua, en particular en los tanques o silos destinados a contener materias primas o productos finales. Los detectores de nivel de punto fijo proporcionan una medida en uno o varios puntos fijos determinados. Los sistemas más empleados son: el diafragma, los interruptores de nivel alto con sonda, el capacitivo, las paletas rotativas, el de vibración y el medidor de radar de microondas. Los medidores de nivel continuo proporcionan una medida continua del nivel desde el punto más bajo al más alto. Entre los instrumentos empleados se encuentran el de sondeo electromecánico, el de báscula, el capacitivo, el de ultrasonidos, el de radar de microondas, el de radiación y el láser. En la figura pueden verse los sistemas de medición de nivel de sólidos fijos y continuos. El detector de diafragma Consiste en una membrana flexible que puede entrar en contacto con el producto dentro del tanque y que actúa sobre un microrruptor. El material del diafragma puede ser de tela, goma, neopreno o fibra de vidrio. El medidor de diafragma tiene la ventaja de su bajo coste y trabaja bien con materiales de muy diversa densidad. La exactitud es de ± 50 mm. 61 Los interruptores de nivel alto están montados en la parte superior o lateral del tanque y consisten en una sonda de tubo, o paleta o varilla flexible, que excita un microrruptor cuando el sólido los alcanza. Son aparatos de bajo coste, necesitan estar protegidos y se utilizan sólo en tanques abiertos. La exactitud es de ± 25 mm. El medidor capacitivo es un detector de proximidad capacitivo, dotado de un circuito oscilante RC que está ajustado en un punto crítico y que entra en oscilación cuando se encuentra próximo al lecho del sólido. El aparato se monta en el tanque, en posición ver_ cal o inclinada, y su sensibilidad se coloca al mínimo para evitar el riesgo de excitación del aparato en el caso de que una mínima can_ dad del sólido pueda depositarse en el detector. La exactitud es de ± 25 mm. Las paletas rotativas consisten en un eje vertical, dotado de paletas, que gira continuamente a baja velocidad accionado por un motor síncrono. Cuando el producto sólido llega hasta las paletas, las inmoviliza, con lo que el soporte del motor y la caja de engranajes empiezan a girar en sentido contrario actuando, consecutivamente, sobre dos interruptores, el primero excita el equipo de protección (por ejemplo, una alarma) y el segundo desconecta la alimentación eléctrica del motor. Cuando el producto baja de nivel y deja las palas al descubierto, un resorte vuelve el motor a su posición inicial liberando los dos microrruptores. De este modo, el motor se excita con lo que las palas vuelven a girar y la alarma queda desconectada. Estos aparatos son adecuados en tanques abiertos a baja presión, tienen una exactitud de unos ± 25 mm y se emplean preferentemente como detectores de nivel de materiales granulares y carbón. Pueden trabajar con materiales de muy diversa densidad y existen modelos a prueba de explosión El detector de vibración consiste en una sonda de vibración en forma de horquilla que forma parte de un sistema resonante mecánico excitado piezoeléctricamente. Cuando el material entra en contacto con la sonda amortigua su vibración, lo que detecta el circuito electrónico actuando sobre un relé y una alarma al cabo de un tiempo de retardo ajustable. Algunos instrumentos disponen de un sistema auto limpiante que impide el bloqueo de la sonda por el producto. Es adecuado para una gran variedad de polvos, carbón, azúcar, grano, cemento y arena. La exactitud es del ± 1%. El medidor de radar de microondas, similar al de medida de nivel de líquidos, consta de una fuente de microondas, situada a un lado del recipiente, y un detector en el lado opuesto, en el mismo horizontal. Cuando el producto alcanza dicho horizontal, la señal deja de recibirse y se excita una alarma. Se aplica en la detección de bajo nivel de sólidos abrasivos. 62 Detectores de nivel continuos El medidor de nivel de sondeo electromecánico, consiste en un pequeño peso móvil sostenido por un cable, desde la parte superior del silo, mediante poleas. Un motor y un programador situados en el exterior establecen un ciclo de trabajo del peso. Éste baja suavemente en el interior de la tolva hasta que choca contra el lecho de sólidos. En este instante, el cable se afloja y un detector adecuado invierte el sentido del movimiento del peso con lo que éste asciende hasta la parte superior de la tolva, donde se para, repitiéndose el ciclo nuevamente. Un indicador exterior señala el punto donde el peso ha invertido su movimiento, indicando así el nivel en aquel momento. El instrumento se caracteriza por su sencillez, puede emplearse en el control de nivel, pero debe ser muy robusto mecánicamente para evitar una posible rotura del conjunto dentro de la tolva, lo que podría dar lugar a la posible rotura de los mecanismos de vaciado. La exactitud es del ± 1%. El medidor de nivel de báscula mide el nivel de sólidos indirectamente a través del peso del conjunto tolva más producto; como el peso de la tolva es conocido, es fácil determinar el peso del producto y, por lo tanto, el nivel. La tolva se apoya en una plataforma de carga actuando sobre la palanca de una báscula o bien carga sobre otros elementos de medida neumáticos, hidráulicos o eléctricos (galga extensiométrica y microprocesador). El medidor de nivel capacitivo es parecido al estudiado en la medición de nivel de los líquidos, con la diferencia de que tiene más posibilidades de error por la mayor adherencia que puede presentar el sólido en la varilla capacitiva. La lectura viene influida, además, por las variaciones de densidad del sólido. La varilla del medidor está aislada y situada verticalmente en el tanque y bien asegurada mecánicamente para resistir la caída del producto y las fuerzas generadas en los deslizamientos internos del sólido. El medidor de nivel de ultrasonidos consiste en un emisor de ultrasonidos que envía un haz horizontal a un receptor colocado al otro lado del tanque. Si el nivel de sólidos está más bajo que el haz, el sistema entra en oscilación enclavando un relé. Cuando los sólidos interceptan el haz, el sistema deja de oscilar y el relé se des excita actuando sobre una alarma o sobre la maquinaria de descarga del depósito. Su exactitud es de, ± 0,15 a, ± 1%, puede construirse a prueba de explosión, pudiendo trabajar a temperaturas de hasta 150 °C. 63 El medidor de radar de microondas similar al de nivel de líquidos, consta de una fuente de microondas situada en la parte superior del tanque que emite un haz de microondas que se refleja sobre el sólido y es captado por un detector. El sistema es ideal en productos muy viscosos como el asfalto. Su exactitud es de ± 2 mm y su campo de medida puede llegar a 40 metros. El medidor de nivel de radiación es parecido al instrumento estudiado en la determinación del nivel de líquidos. Consiste en una fuente radiactiva de rayos gamma, dispuesta al exterior y en la parte inferior del tanque, que emite su radiación a través del lecho de sólidos, siendo captada por un detector exterior. El instrumento puede trabajar a altas temperaturas hasta unos 1.300 °C, presiones máximas de 130 bares, en materiales peligrosos o corrosivos, no requiere ninguna abertura o conexión a través del tanque y admite control neumático o electrónico. Sin embargo, es un sistema de coste elevado que necesita una supervisión periódica desde el punto de vista de seguridad, debe calibrarse para cada tanque y no puede aplicarse a materiales a los que afecte la radiactividad. Su exactitud es del ± 1% y su campo de medida de 0,5 m por cada fuente, pudiendo emplearse varias para aumentar el intervalo de media del nivel. El medidor de nivel láser envía impulsos desde el sensor hasta el nivel de sólido y capta el impulso reflejado, calculando la distancia por la multiplicación entre la velocidad de la luz y la mitad del tiempo que ha tardado el haz entre el emisor y el receptor del pulso, después de reflejarse éste en la superficie del sólido. Tiene la ventaja de que no hay dispersión del haz de luz (solo 0,2°), no existen falsos ecos y el haz puede dirigirse hasta distancias de 75 m y a espacios tan pequeños como 25 cm2. Su exactitud es del ± 1% 2.3 definición de flujo “Un fluido es una sustancia que posee la propiedad de que una porción de la misma puede desplazarse respecto a la otra, es decir, puede fluir venciendo las fuerzas de atracción entre las moléculas, que originan una resistencia interna a este desplazamiento relativo. Los fluidos pueden ser un líquido, un gas o mezcla de estos dos. El flujo indica lo rápido que una sustancia (fluido) está en movimiento”. 64 CLASIFICACION DE MEDICION DE FLUJO Medidores Volumétricos: Los medidores volumétricos determinan el caudal en volumen del fluido, bien sea directamente (desplazamiento), bien indirectamente por deducción (presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza, tensión inducida, torbellino). Hay que señalar que la medida del caudal volumétrico en la industria se efectúa principalmente con elementos que dan lugar a una presión diferencial al paso del fluido. Entre estos elementos se encuentran la placa-orificio, la tobera y el tubo Venturi. Presión diferencial Los elementos de presión diferencial se basan en la diferencia de presiones provocada por un estrechamiento en la tubería por donde circula el fluido (líquido, gas o vapor). La presión 65 diferencial provocada por el estrechamiento es captada por dos tomas de presión situadas inmediatamente aguas arriba y aguas abajo del mismo, o bien a una corta distancia. Su valor es mayor que la pérdida de carga real que debe compensar el sistema de bombeo del fluido. Placa Orificio o diafragma: consiste en una placa perforada instalada en la tubería. Dos tomas conectadas en la parte posterior de la placa, captan la presión diferencial la cual es proporcional al cuadrado del caudal. Tipo Aplicación A Gases o líquidos limpios. Pequeños orificios de drenaje o venteo para eliminar pequeñas cantidades de líquidos o gas B Líquidos con considerables cantidades de gas C Gases con considerable cantidad de líquido condensado. Líquidos con arrastre de sólidos D Líquidos con posible sedimentación de sólidos. Tobera: Está situada en la tubería con dos tomas, una anterior y otra en el centro de la sección más pequeña. La tobera permite caudales 60% superiores a los de la placa-orificio en las mismas condiciones de servicio. Su pérdida de carga es del 30% al 80% de la presión diferencial. 66 Puede emplearse para fluidos que arrastren sólidos en pequeña cantidad, si bien, si estos sólidos son abrasivos, pueden afectar a la precisión del elemento. El coste de la tobera es de 8 a 16 veces el de un diafragma y su exactitud es del orden de ± 0,95% a ± 1,5%. Tomas de presión Tubo Venturi: Consiste en que un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye su presión cuando aumenta la velocidad al pasar por una zona de sección menor. En ciertas condiciones, cuando el aumento de velocidad es muy grande, se llegan a producir presiones negativas y entonces, si en este punto del conducto se introduce el extremo de otro conducto, se produce una aspiración del fluido de este conducto, que se mezclará con el que circula por el primer conducto. Permite la medición de caudales 60% superiores a los de la placa-orificio en las mismas condiciones de servicio y con una pérdida de carga de solo 10 a 20% de la presión diferencial. Aplicaciones del tubo Venturi: El Tubo Venturi puede tener muchas aplicaciones entre las cuales se pueden mencionar: En la Industria Automotriz: en el carburador del carro, el uso de éste se pude observar en lo -que es la Alimentación de Combustible. Los motores requieren aire y combustible para funcionar. Un litro de gasolina necesita aproximadamente 10.000 litros de aire para quemarse, y debe existir algún mecanismo dosificador que permita el ingreso de la mezcla al motor en la proporción correcta. A ese dosificador se le denomina carburador, y se basa en el principio de Venturi: al variar el diámetro interior de una tubería, se aumenta la velocidad del paso de aire. Tubo Pitot: Mide la diferencia entre la presión total y la presión estática, o sea, la presión dinámica, la cual es proporcional al cuadrado de la velocidad. El tubo Pitot es sensible a las variaciones en la distribución de velocidades en la sección de la tubería, de aquí que en su empleo es esencial que el flujo sea laminar, disponiéndolo en un tramo recto de tubería. Si el 67 eje del tubo está en el centro de la tubería, se considera C = 0,9 y se obtiene una exactitud del orden del ± 2% al ± 5%. Aplicaciones del tubo pitot: Los aviones poseen un tubo pitot para medir su velocidad respecto al aire. Básicamente el dispositivo consiste en: Un tubo pitot que normalmente se sitúa debajo de las alas orientado hacia adelante, se ve como Un tubito en forma de codo, o directamente en el morro del avión Dos agujeros (llamados tomas de estática) que se sitúan a los lados del fuselaje. Una cámara dividida en dos por una membrana, dicha cámara se conecta por un lado al tubo pitot y por el otro a las tomas de estática Presión Total Presión Estática 68 • Tomas de Esquina: Los orificios estáticos se perforan uno corriente arriba y otro corriente abajo de la brida haciendo que las aberturas queden tan cerca como sea posible de la placa orificio. • Tomas de Radio: Los orificios estáticos se localizan a un diámetro de tubería corriente arriba y a ½ diámetro de tubería corriente abajo con relación a la placa. • Tomas de Tubería: Los orificios estáticos se localizan a 2½ diámetros de tubería corriente arriba y a 8 diámetros de tubería corriente abajo con relación a la placa. •Tomas de Brida: Los orificios estáticos se ubican a 25.4 mm (1 in.) corriente arriba y a 25.4 mm (1 in.) corriente abajo con relación a la placa. • Tomas de Vena Contracta: El orifico estático corriente arriba quedo entre ½ y 2 diámetros de tubería desde la placa. La toma corriente abajo se localiza en la posición de presión mínima. 69 Tubo de Dall: Es un tubo de Venturi especial. La caída de presión de este elemento es menor que con cualquier otro elemento, pero es mayor que la generada por un tubo de Venturi. En el cono de convergencia, la entrada es un cono clásico, pero la parte inclinada es más corta. E1 cono de divergencia es más corto que la salida de un tubo de Venturi normal. Debido a la forma del tubo, el flujo se adhiere a sus paredes en toda su extensión, evitando así los remolinos. De esta forma se elimina casi por completo la turbulencia y siendo el cono de salida más corto se recobra rápidamente y casi por completo la caída de presión. El tubo de Dall queda instalado en el interior de la tubería. Como éste no tiene que soportar la presión de la línea, sus paredes no necesitan ser muy gruesas y su costo, por consiguiente, es menor que el de un tubo de Venturi normal. Ventajas y desventajas del tubo de Dall. Ventajas: - El mantenimiento que se requiere es mínimo. - La caída de presión es pequeña Desventajas: - Alto costo. - Difícil eje instalar. Tubo Annubar: Es una innovación del tubo Pitot y consta de dos tubos, el de presión total y el de presión estática. El tubo que mide la presión total está situado a lo largo de un diámetro transversal de la tubería y consta de varios orificios de posición crítica, determinada por computador, que cubren cada uno la presión total en un anillo de área transversal de la tubería. 70 Estos anillos tienen áreas iguales. El tubo que mide la presión estática se encuentra detrás del de presión total, con su orificio en el centro de la tubería y aguas abajo de la misma. El tubo Annubar es de mayor precisión que el tubo Pitot, del orden del ± 1%, tiene una baja pérdida de carga y se emplea para la medida de pequeños o grandes caudales de líquidos y gases. La Cuña de Flujo: La cuña es una restricción al flujo en forma de V que se coloca dentro de la tubería. Esta restricción produce una presión diferencial la cual permite medir el flujo en un amplio rango de números de Reynolds. Las tomas de presión son equidistantes viene suministradas por el fabricante junto con el elemento que viene instalado dentro de un tubo corto. 71 De área variable Los elementos de área variable se caracterizan por el cambio de área que se produce entre el elemento primario en movimiento y el cuerpo del medidor. Pueden asimilarse a una placaorificio cuyo diámetro interior fuera variable dependiendo del caudal y de la fuerza de arrastre producida por el fluido. Rotámetro: son medidores de caudal de área variable en los cuales un flotador cambia su posición dentro de un tubo, proporcionalmente al flujo del fluido. En el rotámetro, un flotador cambia su posición dentro de un tubo, proporcionalmente al flujo del fluido. El flotador está en equilibrio entre su peso, la fuerza de arrastre del fluido y la fuerza de empuje del fluido sobre el flotador. El caudal depende del peso específico del líquido, de su viscosidad y de los valores de la sección interior del tubo, ya que la misma cambia según sea el punto de equilibrio del flotador. Los rotámetros son adecuados para la medida de pequeños caudales llegando a límites mínimos de 72 0,1 cm3 /minuto en agua y de 1 cm3 //minuto en aire. El valor máximo que pueden alcanzar es de 3,5 m3 //minuto en agua y de 30 m3 //minuto en aire. Pueden utilizarse en la medida de mayores caudales montándose como rotámetros by-pass en la tubería. Características del Rotámetro: Linealidad: El flujo es proporcional al área, por lo que la escala es casi lineal, especialmente si el ángulo del cono es pequeño. Un rotámetro típico tiene una escala que se aleja de lo lineal en un 5 %. Exactitud: Esta varía con la longitud de la escala y el grado de calibración. Es común una exactitud de ± 2% de la escala completa. Repetibilidad: Es excelente Capacidad: Los rotámetros son los instrumentos más comúnmente utilizados en la medición de pequeños flujos. Ventajas: Se pueden obtener lecturas locales del flujo y en forma de señales. La escala es casi lineal. No requieren gran longitud de tubería antes y después del medidor. Son resistentes a fluidos corrosivos Desventajas: Son sensibles a los cambios de viscosidad del fluido. El tubo de virio es poco resistente. Para rotámetros de más de 4" el costo es elevado. Aplicación de los Rotámetros: El uso de Rotámetros es más común dentro de procesos industriales e influyen positivamente en aquellos procesos que requieren de resultados más precisos. Entre sus usos destacan el control del rendimiento de bombas y válvulas, medición de capilares en equipos de refrigeración, para determinar el consumo de combustibles en equipos como calderas, dosificación de aditivos, etc. 73 De velocidad En la medición del caudal en canales abiertos se utilizan vertederos de formas variadas que provocan una diferencia de alturas del líquido en el canal, entre la zona anterior del vertedero y su punto más bajo. El vertedero debe formar un ángulo recto con la dirección del caudal y el canal aguas arriba debe ser recto como mínimo en una distancia de 10 veces la anchura. La diferencia de alturas debe medirse en un punto aguas arriba lo suficientemente alejado como para no ser influido por la curva de bajada de la superficie del agua y es conveniente, incluso, utilizar un pozo de protección (tubería de Ø ligeramente mayor que el flotador) para el flotador del instrumento de medida, caso de utilizar este sistema. Vertederos: Se utilizan para medir caudales en canales abiertos y se encuentran en formas variadas. Estos provocan una diferencia de alturas del líquido en el canal entre la zona anterior del vertedero y su punto más bajo. 74 Vertedero Parshall 75 Los medidores de turbina o Caudalímetro de Turbina: Consiste en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. Como la velocidad del fluido baja inmediatamente después de las palas de la turbina, por el principio de Bernoulli aumenta la presión aguas abajo de la turbina y, como consecuencia, se ejerce una fuerza igual y opuesta a la del fluido aguas arriba y, de este modo, el rotor está equilibrado hidrodinámicamente y gira entre los conos anterior y posterior sin necesidad de utilizar rodamientos axiales, evitando así los efectos indeseables de un rozamiento que necesariamente se produciría. Existen dos tipos de convertidores para captar la velocidad de la turbina. En el de reluctancia, la velocidad viene determinada por el paso de las palas individuales de la turbina a través del campo magnético creado por un imán permanente montado en una bobina captadora exterior. El paso de cada pala varía la reluctancia del circuito magnético. Esta variación cambia el flujo, induciendo en la bobina captadora una corriente alterna que, por lo tanto, es proporcional al giro de la turbina. En el tipo inductivo, poco usado actualmente, el rotor lleva incorporadas piezas magnéticas y el campo magnético giratorio que se origina induce una corriente alterna en una bobina captadora exterior. Bobina magnética Señal Eléctrica 76 Caudalímetro ultrasónico: Miden el caudal por diferencia de velocidades del sonido al propagarse éste en el sentido del flujo y en el sentido contrario. Fundamentalmente existen dos tipos de medidores ultrasónicos uno conocido cómo de tiempo de tránsito o de propagación que utiliza la transmisión por impulsos, el otro tipo se basa en el Efecto Doppler que usa la transmisión continua de ondas. Los de tiempo de tránsito, tienen transductores colocados a ambos lados del flujo, las ondas de sonido viajan entre los dispositivos con una inclinación de 45 grados respecto a la dirección de flujo del líquido, la diferencia de tiempo de las dos señales una en contra del ruido y la otra en la misma dirección más el conocimiento sobre la geometría de la cañería y la velocidad del sonido en el medio permiten evaluar la velocidad del fluido o el caudal. Un ejemplo que explica su funcionamiento es el de dos canoas atravesando un río sobre una misma línea diagonal, una en el sentido del flujo y la otra en contra del flujo, la canoa que se desplaza en el sentido del flujo necesitará menos tiempo en alcanzar su objetivo. Los de transmisión continua de ondas (Efecto Doppler), miden los cambios de frecuencia causados por el flujo del líquido. Se colocan dos sensores cada uno a un lado del flujo a medir y se envía una señal de frecuencia conocida a través del líquido, los sólidos, burbujas y discontinuidades en el líquido harán que el pulso enviado se refleje, pero como el líquido que causa la reflexión se está moviendo la frecuencia del pulso que retorna también cambia y ese cambio de frecuencia será proporcional a la velocidad del líquido. 77 De fuerza: Medidor por placa de impacto: Consiste en una tarjeta que se introduce en la tubería sobre la cual el fluido ejerce una fuerza; dicha fuerza es proporcional a la raíz cuadrada de la velocidad del fluido. De tensión inducida: Caudalímetro magnético: es un caudalímetro volumétrico que no tiene piezas móviles y es ideal para aplicaciones de aguas residuales o cualquier líquido sucio que sea conductor o a base de agua estos dispositivos en general no funcionan con hidrocarburos, agua destilada y muchas soluciones no acuosas. Los caudalímetros magnéticos también son ideales para aplicaciones en las que se requiere una baja caída de presión y bajo mantenimiento. El principio de funcionamiento se basa en la Ley de inducción electromagnética de Faraday. 78 2.4 medición de temperatura ¿Qué es la temperatura? La temperatura es una magnitud escalar que se define como la cantidad de energía cinética de las partículas de una masa gaseosa, líquida o sólida. Cuanto mayor es la velocidad de las partículas, mayor es la temperatura y viceversa. La medición de la temperatura está relacionada con la noción de frío (menor temperatura) y de calor (mayor temperatura), que se puede percibir de manera instintiva. Además, la temperatura actúa como un valor de referencia para determinar el calor normal del cuerpo humano, información que sirve para estimar estados de salud. El calor también se utiliza para los procesos químicos, industriales y metalúrgicos. Existen distintos tipos de escalas para medir la temperatura. Las más comunes son: La escala Celsius. También conocida como “escala centígrada”, es la más utilizada junto con la escala Fahrenheit. En esta escala, el punto de congelación del agua equivale a 0 °C (cero grados centígrados) y su punto de ebullición a 100 °C. La escala Fahrenheit. Es la medida utilizada en la mayoría de los países de habla inglesa. En esta escala, el punto de congelación del agua ocurre a los 32 °F (treinta y dos grados Fahrenheit) y su punto de ebullición a los 212 °F. La escala Kelvin. Es la medida que suele utilizarse en ciencia y establece el “cero absolutos” como punto cero, lo que supone que el objeto no desprende calor alguno y equivale a -273,15 °C (grados centígrados). La escala Rankine. Es la medida usada comúnmente en Estados Unidos para la medición de temperatura termodinámica y se define al medir los grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos o bajo cero. ¿Cómo se mide la temperatura? 79 La temperatura se mide mediante magnitudes termométricas, es decir, diferentes unidades que representan la temperatura a distintas escalas. Para eso se emplea un dispositivo llamado “termómetro” del que existen varios tipos dependiendo del fenómeno que se necesite medir, por ejemplo Dilatación y contracción. Existen termómetros para medir los gases (termómetro de gas a presión constante), los líquidos (termómetro de mercurio) y los sólidos (termómetro de columna líquida o bimetálico), que son elementos que se expanden con temperaturas altas o se contraen con temperaturas bajas. Variación de resistencia eléctrica. Las resistencias eléctricas, es decir, los flujos de electrones que se mueven a través de un material conductor, varían según la temperatura que adquieren. Para su medición se emplean termómetros de resistencia eléctrica como los sensores (en base a una resistencia capaz de transformar la variación eléctrica en una variación de temperatura) y los termoeléctricos (que generan fuerza motriz). Termómetro de radiación térmica. Los fenómenos de radiación emitidos en el sector industrial pueden ser medidos mediante sensores de temperatura como los pirómetros infrarrojos (para medir temperaturas muy bajas de refrigeración) y los pirómetros ópticos (para medir altas temperaturas de hornos y metales de fusión). Potencial termoeléctrico. La unión de dos metales diferentes que se someten a temperaturas distintas entre sí, genera una fuerza electromotriz que se convierte en potencial eléctrico y que se mide en voltios. Tipos de temperatura Existen distintos tipos de temperatura y, por eso, se miden con diferentes herramientas, como, por ejemplo: La temperatura ambiente. Es la temperatura que se puede registrar en los espacios en los que se desenvuelve el ser humano y para su medición se emplea un termómetro ambiental que emplea valores Celsius o Fahrenheit. 80 La temperatura del cuerpo. Es la temperatura corporal. Se considera que 36 °C es un valor normal para el ser humano y si la temperatura supera los 37 °C (o 98°F), se considera que el individuo padece fiebre. Otros tipos de medición de temperatura permiten calcular la sensación térmica, por ejemplo: La temperatura seca. Es la temperatura ambiente, sin tener en cuenta la radiación calorífica del ambiente y la humedad. Se mide con un termómetro de bulbo pintado de color blanco brillante para no absorber la radiación. La temperatura radiante. Es la temperatura de las superficies y paredes de un entorno cerrado y se mide a través de un termómetro de bulbo. La temperatura húmeda. Es la temperatura que mide un termómetro ubicado en la sombra, con su bulbo envuelto con algodón húmedo y ubicado bajo una corriente de aire. A través de este sistema, el agua del algodón se evapora y se absorbe el calor, lo que genera una disminución de la temperatura que capta el termómetro respecto a la temperatura del ambiente. Esto da como resultado una medida de la humedad del aire que se utiliza para medir la sensación térmica. Los termómetros bimetálicos se fundan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como latón, monel y acero y una aleación de ferroníquel o invar laminados conjuntamente. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices. El principio de medición es que volumen del bimetal varia con la temperatura. El termómetro de vidrio consta de un depósito de vidrio que contiene, por ejemplo, mercurio y que al calentarse se expande y sube en el tubo capilar. Los termómetros tipo bulbo consisten esencialmente en un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expande y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo. 81 Hay cuatro clases de este tipo de termómetros: • Clase I: Termómetros actuados por líquidos. • Clase II: Termómetros actuados por vapor. • Clase III: Termómetros actuados por gas. • Clase IV: Termómetros actuados por mercurio 2.5 medición de otras variables NIVELES DE MEDICION Los niveles de medición son las escalas nominales, ordinal, de intervalo y de razón. Se utilizan para ayudar en la clasificación de las variables, el diseño de las preguntas para medir variables, e incluso indican el tipo de análisis estadístico apropiado para el tratamiento de los datos. Una característica esencial de la medición es la dependencia que tiene de la posibilidad de variación. La validez y la confiabilidad de la medición de una variable depende de las decisiones que se tomen para operación alisarla y lograr una adecuada comprensión del concepto evitando imprecisiones y ambigüedad, por en caso contrario, la variable corre el riesgo inherente de ser invalidada debido a que no produce información confiable. a) Medición Nominal. En este nivel de medición se establecen categorías distintivas que no implican un orden especifico. Por ejemplo, si la unidad de análisis es un grupo de personas, para clasificarlas se puede establecer la categoría sexo con dos niveles, masculino (M) y femenino (F), los respondientes solo tienen que señalar su género, no se requiere de un orden real. Es diferente de B). b) Medición Ordinal. 82 Se establecen categorías con dos o más niveles que implican un orden inherente entre sí. La escala de medición ordinal es cuantitativa porque permite ordenar a los eventos en función de la mayor o menor posesión de un atributo o característica. Por ejemplo, en las instituciones escolares de nivel básico suelen formar por estatura a los estudiantes, se desarrolla un orden cuantitativo, pero no suministra medidas de los sujetos Peso: Es una variable requerida para determinar el nivel de solidos en un silo, la transferencia de solidos a través de una faja transportadora o la velocidad de descarga de un alimentador y lógicamente el peso neto del producto en sí. Se define como la fuerza ejercida sobre el objeto por la gravedad. Viscosidad: Es la medición de la resistencia de ese fluido que debe deformarse por los métodos de estrés. La fricción del fluido también se llama viscosidad. O también se refiere como grueso (liquido). Agua es tener menos viscosidad; por otro lado, la miel es más viscosa. Velocidad: La medición de la velocidad en la industria se efectúa de dos formas, con tacómetros mecánicos con tacómetros eléctricos detectan el número de vueltas del eje de la maquina por medios exclusivamente mecánicos pudiendo incorporar o no la medición conjunta del tiempo para determinar el número de revoluciones por minuto (r.p.m) mientras que los segundos captan la velocidad por sistemas eléctricos Densidad: Masa especifica de un resorte se define como su masa por unidad de volumen, expresándose normalmente en gm/cm3. La densidad relativa es la relación para iguales volúmenes de las masas del cuerpo y del agua a 4 grados en el caso de líquidos, y en los gases la relación entre la masa y el cuerpo y la del aire en condiciones normales de presión y de la temperatura (0 y 1 atm) Punto de rocío: El punto de rocío o temperatura de rocío es la temperatura a la que empieza a condenarse el vapor de agua contenido en el aire, produciendo rocío, neblina, cualquier tipo de nube o, en caso de que la temperatura sea lo suficientemente baja, escarcha 83 2.6 procedimiento para calibración Para llevar a cabo una mejor gestión del mantenimiento de los equipos, un software de calibración con el que se realice de forma integrada y automática, facilita el trabajo y ahorra costes. Pero, ¿por qué es tan importante calibrar los instrumentos, y cómo se realiza este proceso? La calibración de los instrumentos es el proceso en el cual las lecturas obtenidas del instrumento se comparan con las de referencia o estándar obtenidas en laboratorio, en diferentes puntos del rango de calibración. En líneas generales el proceso de calibración comienza por comparar las lecturas obtenidas de la escala del instrumento con los valores estándar y se traza la curva de calibración con los valores obtenidos. En este proceso el instrumento es alimentado con algunos valores conocidos obtenidos del estándar, y son detectados por el componente transductor del instrumento. El resultado obtenido del instrumento se compara con el valor estándar. Un sólo punto de calibración es suficiente si el sistema es linear, sus lecturas del instrumento es linear con el estándar. Si no, las lecturas deberán ser tomadas en múltiples puntos. La precisión del instrumento viene determinada por la coincidencia de las curvas trazadas: la correspondiente a las lecturas obtenidas y la correspondiente al estándar. Si existe una desviación del valor medido del instrumento respecto al valor estándar, el instrumento necesitará ser calibrado para la correcta medición de valores. Todos los nuevos instrumentos deberían ser calibrados desde el principio de su utilización. Tras un continuo uso del instrumento para largos periodos de tiempo, algunas veces se pierde la calibración o la escala se distorsiona, en cuyo caso el instrumento puede ser recalibrado de nuevo. Aunque los instrumentos estén trabajando en buenas condiciones, siempre es recomendable calibrarlos de vez en cuando para evitar lecturas incorrectas sobre todo en parámetros altamente críticos. 84 El fabricante es el que especifica cómo debe ser calibrado el instrumento y la periodicidad de este mantenimiento. Hay diferentes métodos o técnicas de calibración, dependiendo si se requiere alta precisión o es una calibración rutinaria. La calibración puede desvelar averías o desviaciones que de otra forma sería difícil de detectar. Por ejemplo, para el sistema de combustible es importante una gestión, almacenamiento y tratamiento adecuados de los combustibles para asegurar que se mantiene la calidad del producto. Por lo que es importante asegurarse, por ejemplo, de que los parámetros de densidad y temperatura sean los apropiados para el correcto funcionamiento de la purificadora, o que el combustible se mantiene en el tanque almacén a una correcta temperatura. La temperatura, presión y viscosidad del combustible deben estar dentro de unos parámetros y los sistemas de control de los mismos deben estar calibrados. A bordo se requiere disponer de un equipo de detección para asegurar que los espacios sean seguros para entrar, trabajar y realizar otras operaciones. En un buque LNG su uso incluye la detección de vapores de la carga en el aire, gas inerte, concentraciones de gas cerca del punto de inflamación, concentraciones de oxígeno en gas inerte, espacios cerrados o vapores de la carga, o gases tóxicos. El análisis sólo dará lecturas precisassi la calibración se lleva a cabo estrictamente de acuerdo con las instrucciones del fabricante, y usando los gases de calibración correctos. Los instrumentos deben ser siempre chequeados, y tras cada uso deben ajustarse al cero y al intervalo de medida, tal como indica las instrucciones del fabricante. Los resultados del test deberían ser registrados en el sistema de mantenimiento planificado. La industria marítima tiene regulaciones que requieren que los buques tengan sus certificados de calibración actualizados para todos los equipos que llevan a bordo. La falta de documentación correcta puede resultar en la prohibición de navegar, con los subsecuentes cargos y sanciones impuestas. El equipo que no haya sido calibrado puede proporcionar lecturas incorrectas y comprometer la seguridad del barco. Para llevar a cabo una mejor gestión del mantenimiento de los equipos, el uso de un software de calibración con el que se pueda llevar a cabo de forma integrada y automática, facilita el 85 trabajo y ahorra costes. Beamex , por ejemplo, es una de las grandes marcas que desarrollan esta herramienta, presente en 80 países. La integración de un conjunto de sistemas informáticos es esencial para conseguir una mayor eficiencia y rentabilidad en la gestión del mantenimiento de los sistemas a bordo. Ahorra tiempo, reduce costes y aumenta la productividad al evitar la duplicación innecesaria de tareas y la reintroducción de procedimientos en distintos sistemas informáticos. 2.6.1 consideraciones previas a la calibración Cuando el instrumento se calibra contra un instrumento de referencia, su exactitud mostrara si esta fuera o dentro de los límites de exactitud, si el instrumento está dentro del límite de medición el único curso de acción requerida es registrar los resultados de calibración en la hoja de control del instrumento y ponerlo en funcionamiento hasta el siguiente periodo de calibración. Documentación de los sistemas de medición y su calibración: Todos los sistemas de medición y calibración implementados deben estar documentados, en el caso de pequeñas compañías toda información relevante debe estar contenido dentro de un manual, mientras que para una empresa grande es apropiado tener volúmenes separados cubriendo o procedimientos corporativos y por áreas. 2.6.2 error El error de medición se define como la diferencia entre el valor medido y el "valor verdadero". Los errores de medición afectan a cualquier instrumento de medición y pueden deberse a distintas causas. Las que se pueden de alguna manera prever, calcular, eliminar mediante calibraciones y compensaciones, se denominan deterministas o sistemáticos y se relacionan con la exactitud de las mediciones. Los que no se pueden prever, pues dependen de causas desconocidas, o estocásticas se denominan aleatorios y están relacionados con la precisión del instrumento. Errores de medición. Errores de paralelo: Se produce cuando el observador efectúa la lectura de modo que la línea de observación al índice no es perpendicular a la escala del instrumento. Para disminuirlo, algunos instrumentos tienen el sector graduado separado de la escala y a muy poca distancia del índice, y otros poseen un sector especular, con lo que la línea de observación debe ser perpendicular a la escala para que coincidan el índice y su imagen. 86 Errores de escala (exactitud): Se presenta cuando el índice no coincide exactamente con la graduación de la escala y el observador redondea sus lecturas por exceso o por defecto Errores de proceso (montaje): Muchas de las causas del error de proceso se deben al operador, por ejemplo: Falta de agudeza visual, descuido, cansancio, alteraciones emocionales, etc. Errores de calibración: En un instrumento ideal (sin error), la relación entre los valores reales de la variable comprendidos dentro del campo de medida y los valores de lectura del aparato es lineal. Se considera que un instrumento está bien calibrado cuando, en todos los puntos de su campo de medida, la diferencia entre el valor real de la variable y el valor indicado, o registrado o transmitido, está comprendido entre los límites determinados por la exactitud del instrumento. 2.6.3 incertidumbre Es el parámetro asociado con el resultado de una medición, que caracteriza la dispersión de los valores que podrían ser razonablemente atribuidos al valor a medir. El valor de incertidumbre incluye componentes procedentes de efectos sistemáticos en las mediciones, debido a componentes que se calcula a partir de distribuciones estadísticas de los valores que proceden de una serie de mediciones y valores que se calculan a partir de funciones de densidades de probabilidad basadas en la experiencia u otra información. También puede expresarse como el valor de la semi amplitud de un intervalo alrededor del valor resultante de la medida, que se entiende como el valor convencionalmente verdadero. El carácter convencional, y no real de tal valor, es consecuencia de que el intervalo se entiende como una estimación adecuada de la zona de valores entre los que se encuentra el valor verdadero del mensurando, y que en términos tanto teóricos como prácticos es imposible de hallar con seguridad o absoluta certeza: teóricamente porque se necesitaría una sucesión infinita de correcciones, y en términos prácticos porque no sería útil continuar con las correcciones una vez que la incertidumbre se ha reducido lo suficiente como para no afectar técnicamente al objeto al que va a servir la medida. Diferencia entre error e incertidumbre Es importante no confundir el término “error” con el concepto “incertidumbre”. Error es la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero de la pieza que se mide, mientras que 87 la incertidumbre es una cuantificación de la duda sobre el resultado de la medida. Es posible realizar correcciones para mitigar los efectos producidos por los errores conocidos, pero todos aquellos errores cuyo valor no se conoce constituyen una fuente de incertidumbre. Si el origen de los errores fuese conocido, la componente sistemática del error, el sesgo, podría ser corregido. Sin embargo, los errores al azar cambian de una determinación a otra y generan una duda cuantificable con la incertidumbre. De este modo, si la estimación de la incertidumbre de un procedimiento analítico o de un determinado tipo de muestra es conocida, se puede aplicar para todas las determinaciones, puesto que la incertidumbre no se puede corregir. Importancia del concepto de incertidumbre en la medida Uno de los aspectos interesantes del concepto de incertidumbre de medida es la posibilidad de aumentar la calidad de medida y ayudar a comprender su resultado. Cuando hay un margen de duda sobre una medida es necesario preguntar: ¿Cuán grande es el margen o intervalo? ¿Cuál es el nivel de confianza? ¿Cómo estamos de seguros de que el valor verdadero de la medida esté dentro del intervalo? Además, tras el proceso de calibración de la incertidumbre de medida se debe indicar el certificado de calibración, que deberá ser correctamente comprendido e interpretado. También a la hora de realizar un test se debe conocer la incertidumbre asociada para poder aplicar correctamente un determinado criterio de aceptación o rechazo. En la redacción de las especificaciones que debe cumplir un producto la incertidumbre asociada decide si el producto cumple los requisitos de calidad. Para poder valorar la incertidumbre total hay que aislar y analizar cada componente para poder conocer su contribución. Cada una de esas contribuciones es un componente de la incertidumbre total y al expresarlo como desviación estándar se obtendrá la incertidumbre estándar. En caso de haber correlación entre los componentes, se tendría que tener en cuenta la covarianza. Estadística básica aplicada al cálculo de incertidumbres 88 Hay un dicho muy empleado entre los sastres artesanos: “Medir tres veces, cortar una”. Esto nos viene a decir que es posible reducir el riesgo de cometer un error en el trabajo chequeando la medida que realizar una segunda vez y una tercera vez antes de proceder. En efecto, es de sabios realizar una medida al menos tres veces, pues realizando solo una medida un determinado error podría pasar totalmente inadvertido. Empero, si se realizan solo dos medidas y estas no coinciden no podremos estar seguros de cuál de ellas es la correcta. Ahora bien, si realizamos tres medidas y dos de ellas coinciden entre sí mientras que la tercera es muy diferente, entonces podemos sospechar de la tercera. Por tanto, se deben realizar al menos tres intentos para cualquier medición. La incertidumbre de medida no solo está ligada al error del operador, sino que hay otras buenas razones para repetir las medidas muchas veces. En consecuencia, se puede incrementar la información acerca de una medición tomando un número determinado de lecturas y aplicándoles luego unos cálculos básicos estadísticos para encontrar su valor promedio o media aritmética y su desviación estándar. Fuentes de incertidumbres Muchas cosas pueden hacer que una medición tenga incertidumbre, y los defectos en la medición pueden ser visibles o invisibles, pues los procesos de medición reales nunca se realizan en perfectas condiciones y menos en entornos industriales. Podemos distinguir varios tipos de errores: a) Errores asociados con el instrumento de medida utilizado. El instrumento de medida puede ser objeto de errores propios debido a cambios sufridos por envejecimiento, desgaste, deriva, escasa legibilidad, ruido eléctrico (para los instrumentos eléctricos), vibraciones y muchos otros problemas. b) Errores relacionados con el dispositivo que está siendo medido. Pues puede que dicho dispositivo no sea estable. c) Errores debidos al procedimiento de medición. Puede que el proceso de medición sea dificultoso de realizar 89 d) Incertidumbres importadas. El instrumento con el que se van a realizar las medidas tiene que estar calibrado. La calibración del instrumento viene validada por su correspondiente certificado de calibración, en el que debe indicarse claramente la incertidumbre de uso del instrumento de medida. Esto no es ni más ni menos que la primera de las incertidumbres que considerar en el resultado de las medidas obtenidas en la práctica cuando se realice un proceso de medición. e) Errores del operador. Algunos tipos de medición dependen en gran medida de la experiencia y habilidades del operador. Una persona puede ser mejor que otra a la hora de efectuar mediciones delicadas. Sin embargo, este tipo de errores no se suelen considerar en el cálculo de incertidumbres, pues se parte de la base de que el personal encargado de realizar las medidas tiene la experiencia y cualificación adecuadas. f) Problemas de muestreo. El muestreo utilizado para la toma de medidas tiene que ser representativo de la magnitud que se quiere medir. g) Errores debidos a las condiciones del entorno. La temperatura, la presión atmosférica, la humedad y muchas otras condiciones pueden afectar al instrumento de medida o al propio mensurando. 2.7 criterios de selección Con cientos, si no miles de diferentes modelos de sensores de presión, transductores y transmisores disponibles, los ingenieros se enfrentan a desafíos importantes en la selección del instrumento adecuado para la aplicación y a consecuencias a veces graves si no toman a decisión correcta. Los sistemas y máquinas de control modernas son cada vez más avanzados, y mientras las exigencias referentes a la cantidad de puntos de medición han aumentado, los presupuestos se mantienen igual o incluso se reducen. Por lo tanto, un profesional de instrumentación tiene que evaluar el valor total aparte de los costos de adquisición. Y, un equilibrio adecuado se basa en la comprensión de la tecnología de sensores y su funcionalidad, así como la aplicación y varios de los parámetros necesarios para su correcto funcionamiento. 90 Al seleccionar un sensor o transmisores para una aplicación en particular hay que considerar varios factores: Es conveniente conocer: • Sensores disponibles en el mercado. • Características generales. • Ventajas e inconvenientes específicos. En la selección existen tres etapas: • Definición de especificaciones. • Selección de la tecnología. • Selección del producto. Definición de especificaciones. • Naturaleza y tipo de la magnitud a medir. • Tipo de sensor buscado teniendo en cuenta la naturaleza de la señal de salida. • Características metrológicas esenciales • Alcance de medida. • Precisión. • Rapidez de respuesta. • Condiciones de uso • Gama de temperaturas. • Sobrecargas admisibles. • Duración de vida. Protecciones (polvo, humedad...). 91 • Especificaciones geométricas. • Especificaciones económicas. Otras especificaciones: • Alimentación. • Consumo. • Masa. También deben ser considerados otros parámetros como 1. El tipo de medición que se requiere, por ejemplo, la variable que se va a medir, su valor nominal, el rango de valores, la exactitud, velocidad de medición y confiabilidad requeridas, las condiciones ambientales en las que se realizará la medición. 2. El tipo de salida que se requiere del sensor, lo cual determinará las condiciones de acondicionamiento de la señal, a fin de contar con señales de salida idóneas para la medición. 3. Con base en lo anterior se pueden identificar algunos posibles sensores, teniendo en cuenta rango, exactitud, linealidad, velocidad de respuesta, confiabilidad, facilidad de mantenimiento, duración, requisitos de alimentación eléctrica, solidez, disponibilidad y costo. Selección de traductores Cuando se intenta hacer una medición de una cantidad no eléctrica convirtiendo la cantidad a una forma eléctrica, se debe seleccionar un transductor adecuado para llevar a cabo una conversión. por lo cual hay que considerar algunos puntos tales como: • Rango. el rango del transductor debe ser lo suficiente grande tal que abarque todas las magnitudes esperadas de la cantidad a ser medida. • Sensibilidad. para obtener datos significativos, el transductor debe producir una señal de salida suficiente por unidad que se da en la entrada. 92 • Efectos de carga. como los transductores siempre consumirán algo de energía del efecto físico, debe determinarse si se puede despreciar o si pueden ser aplicados factores de corrección para las perdidas. • Respuesta a la frecuencia. el transductor debe ser capaz de responder a velocidad máxima de cambio en el efecto que se esté observando • Formato de salida eléctrica. la forma eléctrica de salida del transductor debe ser compatible con el resto del sistema de medición. por ejemplo, un voltaje de salida de no ser compatible con un amplificador que solo pueda responder a señales de corriente alterna. • Impedancia de salida. debe tener un valor que lo haga compatible con las siguientes fases eléctricas del sistema. • Requerimiento de potencia. los transductores pasivos necesitan de excitación externa por lo que si en el sistema se encuentra uno debe haber fuentes de poder adecuadas para operarlos. • Medio físico. el transductor seleccionado debe poder resistir a las condiciones ambientales a las que estará sujeto. • Errores. los errores inherentes a la operación del transductor o aquellos errores originados por alas condiciones del ambiente, deben ser lo suficientemente pequeños o controlables para que permitan tomar datos. Una vez seleccionado el transductor se deben seguir algunas recomendaciones como: • Calibración del transductor se debe calibrar con algún estándar conocido y llevar acabo calibraciones de manera regular a medida que se hagan mediciones. • Monitorear de forma continua los cambiones en las condiciones ambientales del transductor. • Controlar arterialmente el ambiente de medición, como ejemplo encerrar el transductor en una caja de temperatura controlada, aislamiento del dispositivo a golpes y vibraciones externas. 93 2.8 acondicionamiento de señales. El acondicionamiento de señal es un proceso de adquisición de datos que se lleva a cabo mediante un instrumento llamado acondicionador de señal. Ese instrumento convierte un tipo de señal eléctrica o mecánica (señal de entrada) en otro (señal de salida). El objetivo consiste en amplificar la señal y convertirla a otro formato fácil de leer y compatible con fines de adquisición de datos o de control de una máquina. Un acondicionador de señal ayuda a obtener medidas precisas, como condición esencial para la exactitud de la adquisición de datos o del control de máquinas. Este tipo de instrumentos son capaces de efectuar otras funciones adicionales. A continuación, se describen las últimas tendencias. Funciones de un acondicionador de señal Conversión de señal La función principal de un acondicionador de señal consiste en recoger una señal y transformarla en una señal eléctrica de nivel superior. La conversión de señal se suele utilizar en aplicaciones industriales que emplean un amplio espectro de sensores para efectuar mediciones. Debido a la variedad de sensores utilizados, puede ser preciso convertir las señales generadas, para que puedan ser utilizadas por los instrumentos conectados a los sensores. En principio, cualquier señal procedente de un sensor puede convertirse en cualquier señal de proceso estándar. Linealización Determinados acondicionadores de señal pueden llevar a cabo una linealización, si las señales que proporciona un sensor no tienen una correspondencia del todo lineal con la magnitud física. Para ello, llevan a cabo un proceso de interpretación de la señal mediante software. Es habitual en el caso de las señales de termopares. Este método se emplea para obtener una mayor exactitud, porque no todos los sensores son totalmente lineales. Los parámetros para la linealización se evalúan durante la calibración del sensor y se indican en el protocolo de calibración del sensor. 94 Amplificación El paso siguiente es la amplificación de la señal y el proceso de incrementar la señal para procesamiento o digitalización. Hay dos maneras de amplificar una señal: incrementar la resolución de la señal de entrada o aumentar la relación señal-ruido. En el acondicionamiento de señales se emplean diferentes amplificadores para distintos fines; entre ellos cabe citar los amplificadores de instrumentación, que están optimizados para trabajar con señales de corriente continua, y que se caracterizan por una elevada impedancia de entrada, una alta supresión de la cadencia sincrónica (CMRR) y una elevada ganancia. Otro ejemplo de acondicionador de señal empleado en amplificación es el amplificador de aislamiento, que está diseñado para aislar altos niveles de corriente continua de un equipo, al tiempo que deja pasar una pequeña señal de corriente alterna o diferencial. Filtrado Otra función importante de los acondicionadores de señal es el filtrado. Consiste en filtrar el espectro de frecuencia de la señal conservando solo los datos válidos y bloqueando todo el ruido. Los filtros pueden consistir en componentes pasivos y activos o en un algoritmo digital. Un filtro pasivo utiliza exclusivamente condensadores, resistencias e inductores con una ganancia máxima de uno. Un filtro activo utiliza componentes pasivos combinados con componentes activos, como amplificadores operacionales y transistores. Los acondicionadores de señal más avanzados emplean filtros digitales, porque son fáciles de ajustar y no requieren equipos físicos. Un filtro digital es un filtro matemático que se emplea para manipular una señal; por ejemplo, para bloquear o dejar pasar un intervalo de frecuencia determinado. Utilizan componentes lógicos como circuitos integrados para aplicaciones específicas (ASIC) o matrices de puertas programables (FPGA), o un programa secuencial con un procesador de señales. Evaluación y funciones inteligentes Para aportar beneficios adicionales al usuario y al proceso, los acondicionadores de señal modernos cuentan con funciones especiales de evaluación de señales y preprocesamiento de datos medidos. Así, ayudan a monitorizar y evaluar alarmas y avisos de forma rápida y directa, mediante una salida eléctrica conmutada. Otras funciones inteligentes adicionales, 95 como los canales de cálculo internos, se encargan de realizar operaciones matemáticas, como sumar señales de sensores, u operaciones tecnológicas como, por ejemplo, actuar como un controlador PID. Estas funciones ayudan a que el sistema reaccione más rápido y reducen la carga de trabajo del control de la máquina. Interfaces Los convertidores de señal deben transmitir las señales de los sensores hasta el control de la máquina, utilizando para ello interfaces y protocolos estándar. Las interfaces pueden ser analógicas o digitales. Las interfaces analógicas típicas son señales de tensión (+/-10 V) o corriente (+/-20 mA), que son fáciles de manipular pero que tienen el inconveniente de que cada señal requiere un cableado independiente. Las interfaces digitales modernas están diseñadas como interfaces de bus basadas en Ethernet (Profinet, Ethercat, Ethernet/IP) y permiten conectar varios componentes con un solo hilo. De este modo se simplifica el cableado y se puede transmitir información adicional; por ejemplo, información de diagnóstico de los componentes, que es muy importante para reducir los tiempos de parada y para acelerar el mantenimiento. Acondicionadores de señal de HBM HBM suministra un amplio catálogo de acondicionadores de señal, capaces de desempeñar funciones muy variadas, entre ellas todas las que se mencionan en este artículo. Nuestros acondicionadores de señal son una solución para implantar cadenas de medida completas en entornos de control de producción y fabricación. Si desea más información acerca de nuestra gama de acondicionadores de señal, póngase en contacto con nosotros. INTERCONECTÁNDOSE CON UN MICROPROCESADOR Los dispositivos de entrada y de salida están conectados con un sistema de microprocesador mediante puertos. el término "interfaz" se refiere a un elemento que se usa para interconectar diversos dispositivos y un puerto. existen así entradas de sensores, interruptores y teclados, y salidas para indicadores y actuadores. la más sencilla de las interfaces podría ser un simple trozo de alambre. en realidad, la interfaz cuenta con acondicionamiento de señal y protección; 96 esta última previene daños en el sistema del microprocesador. por ejemplo, cuando es necesario proteger las entradas de voltajes excesivos o de señales de polaridad equívoca. PROCESOS DEL ACONDICIONAMIENTO 1. Protección para evitar daño al siguiente elemento, por ejemplo, un microprocesador, como consecuencia de un voltaje o una corriente elevados. 2. Convertir una señal en un tipo de señal adecuado. sería el caso cuando es necesario convertir una señal a un voltaje de cd, o a una corriente. 3. Obtención del nivel adecuado de la señal. en un termopar, la señal de salida es de unos cuantos milivolts. si la señal se va a alimentar a un convertidor analógico a la digital para después entrar a un microprocesador, será necesario ampliarla en forma considerable. 4. Eliminación o reducción del ruido. Por ejemplo, para eliminar el ruido en una señal se utilizan filtros. 5. Manipulación de la señal, por ejemplo, convertir una variable en una función lineal. Las señales que producen algunos sensores, por ejemplo, los medidores de flujo, son alinéales y hay que usar un acondicionador de señal para que la señal que se alimenta, en el siguiente elemento sea lineal. 97 UNIDAD 3 98 Actuadores Los servomotores pueden ser neumáticos, eléctricos, hidráulicos, digitales y manuales, si bien se emplean generalmente los dos primeros por ser más simples, de actuación rápida y tener una gran capacidad de esfuerzo. Puede armarse que el 90% de las válvulas de control utilizadas en la industria son accionadas neumática mente. 3.1 Actuadores electrónicos Los actuadores son dispositivos que llevan incorporado un motor eléctrico y un reductor que permite accionar cualquier dispositivo para llevar a cabo determinado movimiento u acción. Por ejemplo, se emplean en la industria para accionar compuertas, válvulas y en general diferentes elementos que ponen en comunicación un proceso con otro o un estado de un proceso con otro. El actuador eléctrico es el que almacena los datos de válvulas y carrera y posteriormente dicha información es procesada por la parte de control que es precisamente la que se encarga de conectarlo y desconectarlo según las necesidades. Así pues, un actuador en general es un dispositivo que puede transformar un tipo de energía en un proceso que se activa a raíz de ella. De ahí precisamente viene su nombre. Su objetivo es conseguir dicho efecto sobre el proceso de automatizado. El controlador recibe la orden del actuador y a partir de ella genera una respuesta para activar un elemento final como podría ser una compuerta. Podemos decir que en el caso específico de los actuadores eléctricos la fuente que inicia dicho proceso es una fuente eléctrica. Por ello es por lo que precisamente su estructura suele ser más simple que la de los actuadores neumáticos o hidráulicos. Tipos de actuadores eléctricos Motores de Corriente Alterna Definición: Se denomina motor de corriente alterna a aquellos motores eléctricos que funcionan con este tipo de alimentación eléctrica. Un motor es una máquina motriz, esto es, un aparato que convierte una forma determinada de energía en energía mecánica de rotación o par. Un motor eléctrico convierte la energía eléctrica en fuerzas de giro por medio de la acción mutua de los campos magnéticos. 99 Un generador eléctrico, por otra parte, transforma energía mecánica de rotación en energía eléctrica y se le puede llamar una máquina generatriz de FEM (fuerza eléctrica motriz). Las dos formas básicas son el generador de corriente continua y el generador de corriente alterna, este último más correctamente llamado alternador. Todos los generadores necesitan una máquina motriz (motor) de algún tipo para producir la fuerza de rotación, por medio de la cual un conductor puede cortar las líneas de fuerza magnéticas y producir una FEM. La máquina más simple de los motores y generadores es el alternador. Motores universales Los motores universales trabajan con voltajes de corriente continua o corriente alterna. Tal motor, llamado universal, se utiliza en sierras eléctricas, taladros, utensilios de cocina, ventiladores, sopladores, batidoras y otras aplicaciones donde se requiere gran velocidad de giro con cargas débiles o fuerzas resistentes pequeñas. Este motor para corriente alterna y continua, incluyendo los universales, se distinguen por su conmutador devanado y las escobillas. Los componentes de este motor son: Los campos (estator), la masa (rotor), las escobillas (los excitadores) y las tapas (las cubiertas laterales del motor). El circuito eléctrico es muy simple, tiene solamente una vía para el paso de la corriente, porque el circuito está conectado en serie. Su potencial es mayor por tener mayor flexibilidad en vencer la inercia cuando está en reposo, o sea, tiene un par de arranque excelente, pero tiene una dificultad, y es que no está construido para su uso continuo o permanente (durante largos períodos de tiempo). Otra dificultad de los motores universales son las emisiones electromagnéticas. Las chispas del colector ("chisporroteos") junto con su propio campo magnético generan interferencias o ruido en el espacio radioeléctrico. Esto se puede reducir por medio de los condensadores de paso, de 0,001 μF a 0,01 μF, conectados de las escobillas a la carcasa del motor y conectando ésta a masa. Estos motores tienen la ventaja de que alcanzan grandes velocidades de giro, pero con poca fuerza. Existen también motores de corriente alterna trifásica que funcionan a 380 V y a otras tensiones. 100 Motores asíncronos El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: de jaula de ardilla o bobinado; y un estátor, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º en el espacio. Según el teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, por el cual el desfase en el tiempo es también de 120º, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la Ley de inducción de Faraday: Entonces se da el efecto Laplace (o efecto motor): todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (ó efecto generador): en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión. El campo magnético giratorio, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del estátor, corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción. La acción mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor. La diferencia entre las velocidades del rotor y del campo magnético se denomina deslizamiento. Motores síncronos De acuerdo con estos principios, se puede utilizar un alternador como motor en determinadas circunstancias, aunque si se excita el campo con CC y se alimenta por los anillos colectores a la bobina del rotor con CA, la máquina no arrancará. El campo alrededor de la bobina del rotor es alterno en polaridad magnética, pero durante un semiperiodo del ciclo completo, intentará moverse en una dirección y durante el siguiente semiperiodo en la dirección opuesta. El resultado es que la máquina permanece parada. La máquina solamente se calentará y posiblemente se quemará. 101 Para generar el campo magnético del rotor, se suministra una CC al devanado del campo; esto se realiza frecuentemente por medio de una excitatriz, la cual consta de un pequeño generador de CC impulsado por el motor, conectado mecánicamente a él. Se mencionó anteriormente que, para obtener un par constante en un motor eléctrico, es necesario mantener los campos magnéticos del rotor y del estator constantes el uno con relación al otro. Esto significa que el campo que rota electromagnéticamente en el estator y el campo que rota mecánicamente en el rotor se deben alinear todo el tiempo. Características de los Motores de Corriente Alterna Los parámetros de operación de una máquina designan sus características, es importante determinarlas, ya que con ellas conoceremos los parámetros determinantes para la operación de la máquina. Las principales características de los motores de C.A. son: Potencia: Es la rapidez con la que se realiza un trabajo; en física la Potencia = Trabajo/tiempo, la unidad del Sistema Internacional para la potencia es el joule por segundo, y se denomina watt (W). Sin embargo, estas unidades tienen el inconveniente de ser demasiado pequeñas para propósitos industriales. Por lo tanto, se usan el kilowatt (kW) y el caballo de fuerza (HP) Voltaje: También llamada tensión eléctrica o diferencia de potencial, existe entre dos puntos, y es el trabajo necesario para desplazar una carga positiva de un punto a otro. Corriente: La corriente eléctrica [I], es la rapidez del flujo de carga [Q] que pasa por un punto dado [P] en un conductor eléctrico en un tiempo [t] determinado. Corriente nominal: En una máquina, el valor de la corriente nominal es la cantidad de corriente que consumirá en condiciones normales de operación. Corriente de vacío: Es la corriente que consumirá la máquina cuando no se encuentre operando con carga y es aproximadamente del 20% al 30% de su corriente nominal. 102 Corriente de arranque: Todos los motores eléctricos para operar consumen un excedente de corriente, mayor que su corriente nominal, que es aproximadamente de dos a ocho veces superior. Corriente a rotor bloqueado: Es la corriente máxima que soportara la máquina cuando su rotor esté totalmente detenido. Revoluciones por minuto (R.P.M.) o velocidad angular: Se define como la cantidad de vueltas completas que da el rotor en el lapso de un minuto; el símbolo de la velocidad angular es omega [W], no obstante, en la industria se utilizan también para referirse, la letra: "N" o simplemente las siglas R.P.M. Factor de potencia: El factor de potencia [cos Φ] se define como la razón que existe entre Potencia Real [P] y Potencia Aparente [S], siendo la potencia aparente el producto de los valores eficaces de la tensión y de la corriente: Número de fases: Depende directamente del motor y del lugar de instalación, por ejemplo: Para motores con potencia menor o igual a 1 HP (a nivel doméstico), generalmente, se alimentan a corriente monofásica (127 V.); cuando la potencia del motor oscila entre 1 y 5 HP lo más recomendable es conectarlo a corriente bifásica o trifásica (220 V.); y para motores que demanden una potencia de 5 HP o más, se utilizan sistemas trifásicos o polifásicos. Par: Un par de fuerzas es un conjunto de dos fuerzas de magnitudes iguales, pero de sentido contrario. El momento del par de fuerzas o torque, se representa por un vector perpendicular al plano del par. Par Nominal: Es el par que se produce en un motor eléctrico para que pueda desarrollar sus condiciones de diseño. Par de arranque: Es el par que va a desarrollar el motor para romper sus condiciones iniciales de inercia y pueda comenzar a operar. Par máximo: También llamado par pico, es el par que puede desarrollar el motor sin perder sus condiciones de diseño, es decir, que es el límite en el que trabaja el motor sin consumir más corriente y voltaje, asimismo de que sus revoluciones son constantes, y conjuntamente está relacionado con el factor de servicio. 103 Par de aceleración: Es el par que desarrolla el motor hasta que alcanza su velocidad nominal. Par de desaceleración: Es el par en sentido inverso que debe emplearse para que el motor se detenga. Par a rotor bloqueado: Se considera como el par máximo que desarrolla un motor cuando se detiene su rotor. Aplicaciones del Motor de Corriente Alterna como Actuador en la Industria El compresor con motor de corriente alterna. Los sistemas de aire comprimido son una de las utilidades de mayor uso en la industria y a su vez uno de los que más consume energía. Dado a que mucho de los procesos en la industria son neumáticos (apertura de válvulas neumáticas, entre otros); el sistema de aire comprimido se convierte en un proceso crítico; a tal punto que se estima que cerca del 10% del gasto energético en una industria se consume por los compresores de aire comprimido. El compresor accionado por motores de corriente alterna generalmente son utilizados para generar grandes unidades de presión para la apertura y cierre de válvulas neumáticas. Las válvulas de cierre y apertura neumáticos son unos de los equipos más relevantes en los procesos de instrumentación por lo tanto dependen de una fuente que proporcione presión de aire para su accionamiento. Actuadores multivuelta con motor de corriente alterna 104 Un motor eléctrico multivueltas mueve un reductor. El par en la salida del reductor se transmite a la válvula mediante una interface mecánica estandarizado. Una unidad de control en el actuador registra el camino recorrido y monitoriza el par transmitido. La unidad de control señaliza al control del motor el alcance de una posición final de la válvula o de un valor límite de par previamente ajustado. El control del motor, normalmente integrado en el actuador, desconecta entonces el actuador. Para el intercambio de órdenes de maniobra y señales entre el control del motor y el sistema de automatización, el control del motor incorpora una interface eléctrica especialmente ajustado para el sistema de automatización en cuestión. 105 Estator Constituye la parte fija del motor. El estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor. El estator no se mueve mecánicamente, pero si magnéticamente. Existen dos tipos de estatores: a) Estator de polos salientes b) Estator ranurado El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio (se les llama “paquete”), que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos. Los polos de un motor siempre son pares (pueden ser 2, 4, 6, 8, 10, etc.,), por ello el mínimo de polos que puede tener un motor para funcionar es dos (un norte y un sur). Rotor Constituye la parte móvil del motor. El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos: 106 a) Rotor ranurado b) Rotor de polos salientes c) Rotor jaula de ardilla Bobinado Un motor monofásico tiene dos grupos de devanados en el estator: el primer grupo, se conoce como el devanado principal o devanado de trabajo; el segundo, se le conoce como devanado auxiliar o de arranque. Estos dos devanados se conectan en paralelo entre sí, el voltaje de línea se aplica a ambos al energizar el motor. Los dos devanados difieren entre sí física y eléctricamente. El devanado de trabajo está formado de conductor grueso y tiene más espiras que el devanado de arranque, éste, generalmente se aloja en la parte superior de las ranuras del estator, en tanto que el de trabajo se aloja en la parte inferior. El devanado de arranque tiene menos espiras de una sección delgada o pequeña de conductor. Carcasa La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el material empleado para su fabricación depende del tipo de motor, de su diseño y su aplicación. Así pues, la carcasa puede ser: a) Totalmente cerrada b) Abierta c) A prueba de goteo d) A prueba de explosiones e) De tipo sumergible La base Es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de operación del motor, puede ser de dos tipos: a) Base frontal b) Base lateral 107 Caja de Conexiones: Por lo general, en la mayoría de los casos los motores eléctricos cuentan con caja de conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los conductores que alimentan al motor, resguardándolos de la operación mecánica del mismo, y contra cualquier elemento que pudiera dañarlos. Cojinetes Contribuyen a la óptima operación de las partes giratorias del motor. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecánicos, y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se consuma menos potencia. Los cojinetes pueden dividirse en dos clases generales: a) Cojinetes de deslizamiento: Operan basándose en el principio de la película de aceite, esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre el eje y la superficie de apoyo. b) Cojinetes de rodamiento: Se utilizan preferentemente en lugar de los cojinetes de deslizamiento por varias razones: • Tienen un menor coeficiente de fricción, especialmente en el arranque. • Son compactos en su diseño • Tienen una alta precisión de operación. • No se desgastan tanto como los cojinetes de tipo deslizante. • Se remplazan fácilmente debido a sus tamaños estándares Criterios para la Selección de un Motor de Corriente Alterna La potencia Es la fuerza que el motor genera para mover una carga a una determinada velocidad. La potencia especificada en placa de los motores indica la potencia mecánica disponible en la punta del eje del motor y va expresada en Kilowatts (KW) y en su equivalente en Caballos de Vapor (HP / CV). 108 La velocidad/rotación Expresada en rpm (revoluciones por minuto), es el número de giros que el eje del motor desarrolla en cada minuto. En los motores de corriente alterna la rotación del eje está sincronizada con la frecuencia de la corriente de alimentación (Hz), dándonos el número de pares de polos del motor. • La tensión La tensión es el voltaje de entrada para el cual está diseñado el motor; es decir, es la presión con la que el motor empuja la corriente a través de un circuito eléctrico cerrado. Se expresa en voltios (V) y debe coincidir con el voltaje de la máquina que se desee accionar • La frecuencia Es el número de veces que un determinado evento se repite en un determinado intervalo de tiempo. La frecuencia de la red de alimentación utilizada en Latinoamérica es 50 Hz o 60 Hz, dependiendo del país. Eso significa que la tensión de la red repite su ciclo sesenta veces por segundo. • La carcasa/tamaño Dimensiones del motor expresadas a través de valores estándares establecidos por normativas IEC para los motores eléctricos. El tipo de carcasa es un dato fundamental en la elección del motor eléctrico, ya que permite identificar gran parte de sus dimensiones mecánicas. • Las formas constructivas Determinan cómo el motor va a ser fijado y acoplado a la carga. Los motores eléctricos son normalmente suministrados en la forma constructiva B3D, (montaje en la posición horizontal, motor con patas, eje a la derecha mirando hacia la caja de conexión). Las demás formas constructivas pueden ser observadas en la tabla abajo. 109 Motores de Corriente Continua Definición: El motor de corriente continua, denominado también motor de corriente directa, motor CC o motor DC (por las iniciales en inglés direct current), es una máquina que convierte energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción de un campo magnético. Un motor de corriente continua se compone, principalmente, de dos partes: El estátor da soporte mecánico al aparato y contiene los polos de la máquina, que pueden ser o bien devanados de hilo de cobre sobre un núcleo de hierro, o imanes permanentes. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, alimentado con corriente directa a través del colector formado por delgas. Las delgas se fabrican generalmente de cobre y están en contacto alternante con las escobillas fijas. Las escobillas de los motores de baja potencia se fabrican de grafito. Para los que requieren corrientes elevadas, como los motores de arranque de los vehículos, se fabrican con una aleación de grafito y metal. El principal inconveniente de estas máquinas es el mantenimiento costoso y laborioso, debido principalmente al desgaste que sufren las escobillas al entrar en contacto con las delgas. Algunas aplicaciones especiales de estos motores son: los motores lineales, cuando ejercen tracción sobre un riel, servomotores y motores paso a paso. Además, existen motores de CC sin escobillas (brushless en inglés) utilizados en el aeromodelismo por su bajo par motor y su gran velocidad. Es posible controlar la velocidad y el par de estos motores utilizando técnicas de control de motores de corriente continua. Tipos de motores de corriente continua: El motor serie o motores de excitación en serie: es un tipo de motor eléctrico de corriente continua en el cual el inducido y el devanado inductor o de excitación van conectados en serie. El voltaje aplicado es constante, mientras que el campo de excitación aumenta con la 110 carga, puesto que la corriente es la misma corriente de excitación. El flujo aumenta en proporción a la corriente en la armadura, como el flujo crece con la carga, la velocidad cae a medida que aumenta esa carga. Las principales características de este motor son: Se embala cuando funciona en vacío, debido a que la velocidad de un motor de corriente continua aumenta al disminuir el flujo inductor y, en el motor serie, este disminuye al aumentar la velocidad, puesto que la intensidad en el inductor es la misma que en el inducido. La potencia es casi constante a cualquier velocidad. Le afectan poco las variaciones bruscas de la tensión de alimentación, ya que un aumento de esta provoca un aumento de la intensidad y, por lo tanto, del flujo y de la fuerza contraelectromotriz, estabilizándose la intensidad absorbida. El motor shunt: o motor de excitación en paralelo es un motor eléctrico de corriente continua cuyo bobinado inductor principal está conectado en derivación o paralelo con el circuito formado por los bobinados inducido e inductor auxiliar. Al igual que en las dinamos shunt, las bobinas principales están constituidas por muchas espiras y con hilo de poca sección, por lo que la resistencia del bobinado inductor principal es muy grande. En el instante del arranque, el par motor que se desarrolla es menor que en el motor serie (también uno de los componentes del motor de corriente continua). Al disminuir la intensidad absorbida, el régimen de giro apenas sufre variación. Es el tipo de motor de corriente continua cuya velocidad no disminuye más que ligeramente cuando el par aumenta. Los motores de corriente continua en derivación son adecuados para aplicaciones en donde se necesita velocidad constante a cualquier ajuste del control o en los casos en que es necesario un rango apreciable de velocidades (por medio del control del campo). El motor en derivación se utiliza en aplicaciones de velocidad constante, como en los accionamientos para los generadores de corriente continua en los grupos motogeneradores de corriente continua. 111 Un motor compound (o motor de excitación compuesta) es un Motor eléctrico de corriente continua cuya excitación es originada por dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie con el bobinado inducido y otro conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados: inducido, inductor serie e inductor auxiliar. Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt. Este campo serie, el cual consiste de pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en serie con la armadura y lleva la corriente de armadura. El flujo del campo serie varía directamente a medida que la corriente de armadura varía, y es directamente proporcional a la carga. El campo serie se conecta de manera tal que su flujo se añade al flujo del campo principal shunt. Los motores compound se conectan normalmente de esta manera y se denominan como compound acumulativo Esto provee una característica de velocidad que no es tan “dura” o plana como la del motor shunt, ni tan “suave” como la de un motor serie. Un motor compound tiene un limitado rango de debilitamiento de campo; la debilitación del campo puede resultar en exceder la máxima velocidad segura del motor sin carga. Los motores de corriente continua compound son algunas veces utilizados donde se requiera una respuesta estable de par constante para un rango de velocidades amplio. El motor compound es un motor de excitación o campo independiente con propiedades de motor serie. El motor da un par constante por medio del campo independiente al que se suma el campo serie con un valor de carga igual que el del inducido. Cuantos más amperios pasan por el inducido más campo serie se origina, claro está, siempre sin pasar del consumo nominal. Características de los Motores de Corriente Continua Fuerza contra electromotriz inducida en un motor. Es la tensión que se crea en los conductores de un motor como consecuencia del corte de las líneas de fuerza. La polaridad de la tensión en los generadores es opuesta a la aplicada en los bornes del motor. Durante el arranque de un motor de corriente continua se producen fuertes picos de corriente ya que, al estar la máquina parada, no hay fuerza contraelectromotriz y el bobinado se comporta como un simple conductor de baja resistencia. 112 La fuerza contraelectromotriz en el motor depende directamente de la velocidad de giro del motor y del flujo magnético del sistema inductor. Número de escobillas Las escobillas deben poner en cortocircuito todas las bobinas situadas en la zona neutra. Si la máquina tiene dos polos, tenemos también dos zonas neutras. En consecuencia, el número total de delgas ha de ser igual al número de polos de la máquina. En cuanto a su posición, será coincidente con las líneas neutras de los polos. En realidad, si un motor de corriente continua en su inducido lleva un bobinado imbricado, se deberán poner tantas escobillas como polos tiene la máquina, pero si en su inducido lleva un bobinado ondulado, como solo existen dos trayectos de corriente paralela dentro de la máquina, en un principio es suficiente colocar dos escobillas, aunque si se desea se pueden colocar tantas escobillas como polos. Sentido de giro En máquinas de corriente directa de mediana y gran potencia, es común la fabricación de rotores con láminas de acero eléctrico para disminuir las pérdidas asociadas a los campos magnéticos variables, como las corrientes de Foucault y las producidas por histéresis Reversibilidad Los motores y los generadores de corriente continua están constituidos esencialmente por los mismos elementos, diferenciándose únicamente en la forma de utilización. Por reversibilidad entre el motor y el generador se entiende que si se hace girar el rotor, se produce en el devanado inducido una fuerza electromotriz capaz de transformarse en energía eléctrica. En cambio, si se aplica una tensión continua al devanado inducido del generador a través del colector delga, el comportamiento de la máquina ahora es de motor, capaz de transformar la fuerza contraelectromotriz en energía mecánica. En ambos casos el inducido está sometido a la acción del campo magnético del inductor principal en el estátor. 113 Aplicaciones del Motor de Corriente Continua como Actuador en la Industria Los actuadores lineales Un actuador lineal es un dispositivo que generar movimiento rectilíneo. Podemos controlar este tipo de actuadores desde un procesador o controlador. Internamente un actuador lineal está formado por un motor de CC con un mecanismo reductor que consta por varios engranajes y un tornillo sinfín. El tornillo empuja un émbolo o vástago, que puede extenderse o retraerse en función del sentido de giro del motor. Los actuadores lineales tienen la ventaja de ejercer grandes fuerzas y grandes desplazamientos. Según modelos, pueden ejercer de 20 a 150kgf, con desplazamientos de 100 a 800mm. Generalmente son utilizados en la industria para el cierre de válvulas las cuales reducen el parcialmente el paso de caudales, en los se controla la velocidad en la que estos flujos son enviados por tuberías. Existen actuadores lineales de diferentes tensiones de alimentación, siendo frecuentes modelos de 12V y 24V. El consumo de corriente es, en general, elevado, del orden de 3A a 5A en los modelos de 12V, y de 2A-3A en modelos de 24V. 114 Partes Constitutivas del Motor de corriente continua Carcasa metálica o cuerpo del motor. Aloja en su interior, de forma fija, dos imanes permanentes con forma de semicírculo, con sus correspondientes polos norte y sur. • Rotor o parte giratoria del motor. Se compone de una estructura metálica formada por un conjunto de chapas o láminas de acero al silicio, troqueladas con forma circular y montadas en un mismo eje con sus correspondientes bobinas de alambre de cobre, que lo convierten en un electroimán giratorio. Por norma general el rotor de la mayoría de los pequeños motores de C.D. se compone de tres enrollados o bobinas que crean tres polos magnéticos. Los extremos de cada una de esas bobinas se encuentran conectados a diferentes segmentos del colector. • Colector o conmutador. Situado en uno de los extremos del eje del rotor, se compone de un anillo deslizante seccionado en dos o más segmentos. Generalmente el colector de los pequeños motores comunes de C.D. se divide en tres segmentos. • Escobillas. Representan dos contactos que pueden ser metálicos en unos casos, o compuesto por dos piezas de carbón en otros. Las escobillas constituyen contactos eléctricos que se deslizan por encima de los segmentos del colector mientras estos giran. Su misión es suministrar a la bobina o 115 bobinas del rotor a través del colector, la corriente eléctrica directa necesaria para energizar el electroimán. En los pequeños motores las escobillas normalmente se componen de dos piezas o flejes metálicos que se encuentran fijos en la tapa que cierra la carcasa o cuerpo del motor. • Tapa de la carcasa (izquierda en la foto). Es la tapa que se emplea para cerrar uno de los extremos del cuerpo o carcasa del motor. En su cara interna se encuentran situadas las escobillas de forma fija. El motor de esta foto utiliza en función de escobillas dos flejes metálicos. Criterios para la Selección de un Motor de Corriente Continua • Determine la potencia requerida del motor DC • Potencia en cargas lineales • Potencia en cargas rotatorias • Medición de la Fuerza • Medida del par (fuerza rotatoria) Motores Paso a Paso El motor paso a paso (Stepper) conocido también como motor de pasos es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa que es capaz de girar una cantidad de grados (paso o medio paso) dependiendo de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma manera que un conversor digital-analógico (D/A) y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas digitales. Este motor presenta las ventajas de tener precisión y repetitividad en cuanto al posicionamiento. Tipos de Motores Paso a Paso El motor de pasos de reluctancia variable (VR): Tiene un rotor multipolar de hierro y un estátor devanado, opcionalmente laminado. Rota cuando el (o los) diente(s) más cercano(s) del rotor es (o son) atraído(s) a la(s) bobina(s) del estátor energizada(s) (obteniéndose, por lo tanto, la ruta de menor reluctancia). La respuesta de este motor es muy rápida, pero la inercia permitida en la carga es pequeña. Cuando los devanados no están energizados, el par estático de este tipo de motor es cero. 116 El motor de pasos de rotor de imán permanente: Permite mantener un par diferente de cero cuando el motor no está energizado. Dependiendo de la construcción del motor, es típicamente posible obtener pasos angulares de 7.5, 11.25, 15, 18, 45 o 90°. El ángulo de rotación se determina por el número de polos en el estátor. El motor de pasos híbrido: Se caracteriza por tener varios dientes en el estátor y en el rotor, el rotor con un imán concéntrico magnetizado axialmente alrededor de su eje. Se puede ver que esta configuración es una mezcla de los tipos de reluctancia variable e imán permanente. Este tipo de motor tiene una alta precisión y alto par, se puede configurar para suministrar un paso angular tan pequeño como 1.8°. Características de los Motores de Paso a Paso Hay que empezar por resaltar que son un tipo de motor que no sólo puede ser pensado por el voltaje que presente, sino que existen otro tipo de variables que vale la pena analizar al momento de plantear una descripción. Entre ellas está la magnitud que los puede caracterizar. Voltaje – Se halla impreso de manera directa en la unidad o se lo especifica en la hoja de características del equipo. En determinadas circunstancias es preciso que se exceda el voltaje nominal para que se obtenga el par deseado, pero lo anterior va a contribuir en que se dé un calentamiento mayor y hasta un acortamiento en la vida del motor. Resistencia – La resistencia por bobina va a determinar la corriente del estator y en ese orden de ideas afecta la curva características del par y la velocidad máxima en sí misma. Resolución – Tal y como se ha comentado en otros párrafos, el ángulo girado en cada uno de los pasos es el factor que pasa a ser más relevante en un motor paso a paso en lo que se refiere a los efectos de una aplicación en particular. La operación de medio paso va a doblar el número de los pasos por cada revolución. Los Números grados/paso habituales son: 0.72, 1.8, 3.6, 7.5, 15 e incluso en ocasiones 90. 117 Aplicaciones del Motor Paso a Paso como Actuador en la Industria Los motores paso a paso son usados en las válvulas para controlar el flujo de un fluido, las cuales cuentan con un orificio de área continuamente variable, que modifica la pérdida de carga, según lo dirigido por la señal de un controlador. Esto permite el control del caudal y el consiguiente control de las variables del proceso tales como presión, temperatura y nivel. En la terminología de la técnica de Regulación y control, la válvula es el órgano de control o elemento de control final. Éstos son motores son idóneos para aplicaciones industriales de control de elevada precisión en las valvulas como aplicaciones de posicionamiento tales como ajuste de topes para corte de longitud, control de válvulas, dispositivos ópticos y de medida, carga y descarga de prensas o máquinas-herramienta entre otras. Rele Definición: relevador es un dispositivo electromagnético. Funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835. Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador eléctrico. Como tal 118 se emplearon en telegrafía, haciendo la función de repetidores que generaban una nueva señal con corriente procedente de pilas locales a partir de la señal débil recibida por la línea. Tipos de Relé: Relés de tipo armadura: pese a ser los más antiguos, siguen siendo los más utilizados en multitud de aplicaciones. Un electro imán provoca la basculación de una armadura al ser activado, cerrando o abriendo los contactos dependiendo de si es N. A. (normalmente abierto) o N. C. (normalmente cerrado). Relés de núcleo móvil: a diferencia del anterior modelo estos están formados por un émbolo en lugar de una armadura. Debido a su mayor fuerza de atracción, se utiliza un solenoide para cerrar sus contactos. Es muy utilizado cuando hay que controlar altas corrientes Relé tipo reed o de lengüeta: están constituidos por una ampolla de vidrio, con contactos en su interior, montados sobre delgadas láminas de metal. Estos contactos conmutan por la activación de una bobina, que se encuentra alrededor de la mencionada ampolla. Relés polarizados o biestables: se componen de una pequeña armadura, solidaria a un imán permanente. El extremo inferior gira dentro de los polos de un electroimán, mientras que el otro lleva una cabeza de contacto. Al excitar el electro imán, se mueve la armadura y provoca el cierre de los contactos. Si se polariza al revés, el giro será en sentido contrario, abriendo los contactos o cerrando otro circuito. Relés tripolares: Usados para cualquier tipo de fase (monofásico, bifásico y trifásico). Relé de estado sólido Se llama relé de estado sólido a un circuito híbrido, normalmente compuesto por un optoacoplador que aísla la entrada, un circuito de disparo, que detecta el paso por cero de la corriente de línea y un triac o dispositivo similar que actúa de interruptor de potencia. Su nombre se debe a la similitud que presenta con un relé electromecánico; este dispositivo es usado generalmente para aplicaciones donde se presenta un uso continuo de los contactos del relé que en comparación con un relé convencional generaría un serio desgaste mecánico, además de poder conmutar altos amperajes que en el caso del relé electromecánico destruirían en poco tiempo los contactos. Estos relés permiten una velocidad de conmutación muy superior a la de los relés electromecánicos. 119 Relé de corriente alterna Cuando se excita la bobina de un relé con corriente alterna, el flujo magnético en el circuito magnético, también es alterno, produciendo una fuerza pulsante, con frecuencia doble, sobre los contactos. Es decir, los contactos de un relé conectado a la red, en algunos lugares, como varios países de Europa y América Latina oscilarán a 2 x 50 Hz y en otros, como en Estados Unidos lo harán a 2 x 60 Hz. Este hecho se aprovecha en algunos timbres y zumbadores, como un activador a distancia. En un relé de corriente alterna se modifica la resonancia de los contactos para que no oscilen. Relé de láminas Este tipo de relé se utilizaba para discriminar distintas frecuencias. Consiste en un electroimán excitado con la corriente alterna de entrada que atrae varias varillas sintonizadas para resonar a sendas frecuencias de interés. La varilla que resuena acciona su contacto, las demás no. Los relés de láminas se utilizaron en aeromodelismo y otros sistemas de telecontrol. Características del Rele Parte electromagnética • Corriente de excitación. - Intensidad, que circula por la bobina, necesaria para activar el relé. • Tensión nominal. - Tensión de trabajo para la cual el relé se activa. • Tensión de trabajo. - Margen entre la tensión mínima y máxima, garantizando el funcionamiento correcto del dispositivo. • Consumo nominal de la bobina. - Potencia que consume la bobina cuando el relé está excitado con la tensión nominal a 20ºC. Contactos ó Parte mecánica • Tensión de conexión. - Tensión entre contactos antes de cerrar o después de abrir. • Intensidad de conexión. - Intensidad máxima que un relé puede conectar o desconectarlo. • Intensidad máxima de trabajo. - Intensidad máxima que puede circular por los contactos cuando se han cerrado. 120 Los materiales con los que se fabrican los contactos son: plata y aleaciones de plata que pueden ser con cobre, níquel u óxido de cadmio. El uso del material que se elija en su fabricación dependerá de su aplicación y vida útil necesaria de los mismos. Aplicación del Relé en la Industria como Actuador Se utilizan principalmente para controlar un circuito de alta potencia utilizando una señal de baja potencia. Generalmente se utiliza en los tableros de control debido a que una señal de CC puede ser controlada en el circuito que es impulsado por alta tensión, en el control de válvulas eléctricas o neumáticas. También los relés pueden ser utilizados como protección, ya que pueden prevenir daños al equipo detectando anormalidades eléctricas, incluyendo sobrecorriente, subcorriente, sobrecargas y corrientes inversas. Además, los relés también se utilizan ampliamente para conmutar bobinas de arranque de actuadores lineales tipo solenoide, elementos calefactores y luces piloto de tablero. 121 Partes Constitutivas del Relé Bobina de cobre: Es un cable de cobre muy delgado con un gran número de espiras enrollado alrededor de un núcleo ferro magnético o núcleo de hierro. Núcleo de hierro: Es una barra de hierro dulce, parte metálica, generalmente en forma de E que se encuentra fijado a la carcasa. Balancín o armadura: Elemento móvil, su función es cerrar el circuito magnético una vez energizada la bobina, ya que debe estar separado del núcleo, por acción de un muelle. Contactos: Simbología de polos N.C. (normalmente cerrado) y N.O. o N.A (normalmente abierto), son elementos conductores que permiten establecer o interrumpir el paso de la corriente en cuanto la bobina se energice. 122 Criterios de selección para un Relé • Para la elección del este mecanismo hay que tener en cuenta el tiempo máximo que puede soportar una sobre intensidad no admisible, y asegurarnos de que la intensidad del receptor esté comprendida dentro del margen de regulación de la intensidad del relé. • Tensión Asignada. • Corriente asignada Contactor La finalidad de un contactor es la de accionar cargas elevadas que pudieren producir algún efecto perjudicial en la salud del operador. Sea el caso de una descarga atmosférica entre contactos de un interruptor a cuchillas en el momento de accionar el arranque de un motor que posea una carga de inercia acoplada, que pudiera producir quemadura. La funcionalidad se describiría de la siguiente manera. Se dispone de un elemento electroimán (bobina que al circular una corriente produce efectos magnéticos de atracción o repulsión) que atrae un hueco al cual están solidario los contactos móviles que cierran el circuito interconectando los correspondientes contactos principales, además posee contactos auxiliares (NA / NC) que sirven para realizar acciones de enclavamiento (dejar que el contactor siga funcionando sin tener que presionar todo el tiempo un pulsador). Tipos de contactares Estos son los tipos de contactores eléctricos más comunes disponibles y por una buena razón, ya que son más eficientes que los tipos mencionados anteriormente. Estos contactores funcionan electromecánicamente y no requieren intervención humana. Con sus tecnologías avanzadas, se pueden operar de forma remota, y esto los hace más seguros y más eficientes, ya que no será necesario que se operen manualmente. El contactor magnético solo necesita una pequeña cantidad de electricidad para abrir / cerrar el circuito, por lo que también es energéticamente eficiente. 123 Interruptor de cuchilla Los tipos de contactores eléctricos de cuchilla se introdujeron a fines del siglo XIX. Es seguro asumir que probablemente fueron los primeros tipos de contactores que se utilizaron. Sus aplicaciones fueron principalmente para controlar motores eléctricos. Consistían en una tira de metal que está diseñada para caer en un contacto cuando está operativa Contactos de doble ruptura: Después de descubrir los peligros involucrados con el uso de la navaja de cuchilla, los ingenieros e investigadores idearon otros tipos de contactores eléctricos que ofrecían una mayor seguridad y una serie de características que no estaban disponibles en el interruptor de la cuchilla. El nuevo diseño se llamaba Controlador manual 124 Características de los Contactores • Tensión Asignada. • Corriente asignada. • Poder de corte. Pdc. • Endurancia eléctrica y mecánica. • Tensión y corriente de alimentación al electroiman. • Número de polos principales. • Contactos auxiliares (abiertos,cerrados, y temporizados). Aplicación del Contactor en la Industria Su principal aplicación en la industria es la de efectuar maniobras de apertura y cierra de circuitos eléctricos relacionados con instalaciones de motores. Debido a que pueden llegar a conmutar conexiones trifásicas con una sola señal de 127v. • Debido a que los equipos a utilizar en la industria son de capacidades grandes, por obvias razones exigen una cantidad grande de corriente provocando picos de arranque elevados. Los contactores pueden ser utilizados para el arreglo de despeje suave, son los equipos idóneos para esta acción aportando un ahorro de energía. 125 Partes Constitutivas del Contactor Carcasa Es el soporte sobre el cual se fijan todos los componentes conductores al contactor. Es de un material no conductor, posee rigidez y soporta el calor no extremo. Además, es la presentación visual del contactor. Materiales diferentes son usados para las carcasas. Electroimán Es el elemento motor del contactor. Está compuesto por una serie de dispositivos. Los más importantes son el circuito magnético y la bobina. Su finalidad es transformar la energía eléctrica en magnetismo, generando así un campo magnético muy intenso, que provocará un movimiento mecánico. Bobina Es un arrollamiento de alambre de cobre muy delgado con un gran número de espiras, que al aplicársele tensión genera un campo magnético. Este a su vez produce un campo electromagnético, superior al par resistente de los muelles, que a modo de resortes separan la armadura del núcleo, de manera que estas dos partes pueden juntarse estrechamente. Cuando una bobina se alimenta con corriente alterna, la intensidad que absorbe (denominada corriente de llamada) es relativamente elevada, debido a que el circuito solo tiene la resistencia del conductor. Esta corriente elevada genera un campo magnético intenso, de manera que el núcleo puede atraer a la armadura y vencer la resistencia mecánica del resorte o muelle que los mantiene separados en estado de reposo. Una vez que el circuito magnético se cierra, al juntarse el núcleo con la armadura, aumenta la impedancia de la bobina, de tal manera que la corriente de llamada se reduce, obteniendo así una corriente de mantenimiento o de trabajo más baja. Se hace referencia a las bobinas de la siguiente forma: A1 y A2. Núcleo Es una parte metálica, de material ferromagnético, generalmente en forma de E, que va fijo en la carcasa.Su función es concentrar y aumentar el flujo magnético que genera la bobina (colocada en la columna central del núcleo), para atraer con mayor eficiencia la armadura. 126 Espira de sombra Se utiliza para evitar las vibraciones en un contactor. Se coloca de tal manera que abrace parte del campo magnético fijo generando vibraciones. Para evitarlo, la espira de sombra desfasa en el tiempo parte del flujo magnético, lo que a su vez desfasa en el tiempo la fuerza de atracción obteniéndose 2 fuerzas que trabajan en conjunto para evitar las vibraciones. En caso de operar con corriente continua no es necesario utilizar espira de sombra debido a que el flujo magnético es constante y no genera vibraciones. Armadura Elemento móvil, cuya construcción es similar a la del núcleo, pero sin espiras de sombra. Su función es cerrar el circuito magnético una vez energizada la bobina, ya que debe estar separado del núcleo, por acción de un muelle. Este espacio de separación se denomina cota de llamada. Las características del muelle permiten que tanto el cierre como la apertura del circuito magnético se realicen muy rápido, alrededor de unos 10 milisegundos. Cuando el par resistente del muelle es mayor que el par electromagnético, el núcleo no logrará atraer a la armadura o lo hará con mucha dificultad. Por el contrario, si el par resistente del muelle es demasiado débil, la separación de la armadura no se producirá con la rapidez necesaria. Criterios de selección para un Contactor • Debemos tener en cuenta algunas cosas, como las siguientes: • El tipo de corriente, la tensión de alimentación de la bobina y la frecuencia. 127 • La potencia nominal de la carga. • Si es para el circuito de potencia o de mando y el número de contactos auxiliares que necesita. • Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobra muy altas es recomendable el uso de contactores estáticos o de estado sólido. 3.2 Actuadores hidráulicos Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren mucho equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento. Los actuadores hidráulicos son dispositivos automáticos que funcionan directamente con aceite o agua, los hay para baja presión (250-500 psi) y alta presión (600-5000 psi), utilizan agua de las plantas de tratamiento, aceite hidráulico industrial y aceite biodegradable, son utilizados para automatización de válvulas de compuerta, bola, macho, mariposa o dampers. Existen diferentes mecanismos de actuación tales como yugo escocés simétrico o canteado, piñón y cremallera, vena, y del tipo pistón para válvulas lineales. Estos actuadores dependen de la instrumentación y/o accesorios para poder funcionar, tales como solenoides, interruptores de límite, filtro, regulador, manómetros, pilotos de alta y/o baja presión, interruptores eléctricos, válvulas de bypass, válvulas para mantenimiento, dispositivo euteticos, dispositivos de prueba parcial, tanques de almacenamiento, unidades de potencia hidráulica, botoneras de operación local, botoneras de operación remota, controladores, PLC, protocolos de comunicación, protección ignifuga entre otros más. Los tiempos de operación son rápidos a una tasa de 1 seg/pulg. o menor. Así mismo están equipados por bomba hidráulica manual. Su uso ideal es en ductos que transportan líquidos o gas amargo que no se puede emplear como fuerza motriz, así mismo donde se requiere de un control muy fino. Son ideales para paros por emergencia, seccionamiento de ductos o antisurge. Estos actuadores se basan, para su funcionamiento, en la presión ejercida por un líquido generalmente un tipo de aceite. Las máquinas que normalmente se encuentran conformadas 128 por actuadores hidráulicos tienen mayor velocidad y resistencia mecánica y son de gran tamaño, por ello, son usadas para aplicaciones donde requieren de una carga pesada. Los actuadores hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Clasificación de actuadores hidráulicos. Actuadores Lineales Cilindro de presión dinámica. Cilindro de simple efecto. Cilindro de doble efecto. Cilindro telescópico Cilindro hidráulico Actuadores Hidráulicos Motor con pistón eje inclinado. Motor oscilante con pistón axial. Motor Motor de veleta hidráulico Motor de hélice Motor de leva excéntrica Motor hidráulico de Actuadores oscilación Rotativos Relación de potencia en actuadores hidráulicos. Potencia de Entrada = Presión x Caudal Potencia Entregada en el Actuador = Variación de Presión x Caudal. Esta variación de presión deberá computarse entre la entrada y la salida del actuador. En estas expresiones no consideramos las pérdidas por rozamiento que existen y no se debe dejar de tenerlas en cuenta para las realizaciones prácticas. La potencia mecánica de salida estará dada en los actuadores lineales por: Potencia de Salida = Fuerza x Velocidad 129 Y en los actuadores rotativos por: Potencia de Salida = Momento Motor (Torque) x Velocidad Angular Es evidente que las perdidas entre la potencia de entrada y salida serán las pérdidas por rozamiento. Actuadores Hidráulicos Lineales Cilindro hidráulico. Los cilindros hidráulicos son mecanismos que constan de un cilindro dentro del cual se desplaza un émbolo o pistón, y que transforma la presión de un líquido mayormente aceite en energía mecánica. Los cilindros hidráulicos obtienen la energía de un fluido hidráulico presurizado, que es típicamente algún tipo de aceite. El cilindro hidráulico consiste básicamente en dos piezas: un cilindro barril y un pistón o émbolo móvil conectado a un vástago. El cilindro barril está cerrado por los dos extremos, en uno está el fondo y en el otro, la cabeza por donde se introduce el pistón, que tiene una perforación por donde sale el vástago. El pistón divide el interior del cilindro en dos cámaras: la cámara inferior y la cámara del vástago. La presión hidráulica actúa en el pistón para producir el movimiento lineal. La fuerza máxima es función de la superficie activa del émbolo y de la presión máxima admisible, donde: F=P*A Esta fuerza es constante desde el inicio hasta la finalización de la carrera y mientras todo el trayecto. La velocidad depende del caudal de fluido y de la superficie del pistón. Según la versión, el cilindro puede realizar fuerzas de tracción y/o compresión. De forma general los cilindros pueden ser clasificados en dos grupos: de simple efecto. de doble efecto. Cilindros de simple efecto: en ese caso sólo una cámara es alimentada por aceite, la otra queda vacía conectada al exterior y el movimiento que correspondería al aceite llenando la cámara se reemplaza por la gravedad, o bien por un resorte. 130 Cilindro de doble efecto: cuando se alimenta con fluido hidráulico por la boca posterior avanza. La velocidad de avance es proporcional al Caudal e inversamente proporcional al área posterior del pistón. Es de hacer notar que para que el pistón avance será necesario que el fluido presente en la cámara anterior salga por la boca correspondiente. Cuando se desea que el pistón entre se debe alimentar por la boca anterior y sacar el fluido de la cámara posterior. Este cambio de direcciones del fluido se logra mediante las válvulas direccionales. Cilindro de presión dinámica: lleva la carga en la base del cilindro. Los costos de fabricación por lo general son bajos ya que no hay partes que resbalen dentro del cilindro 131 Cilindro telescópico: está compuesto por varios cilindros encajados. Por regla general, se monta como estructura de efecto simple, aunque también se puede montar como estructura de efecto doble. Asimismo, es posible combinar etapas de efecto simple con una etapa de efecto doble. La ventaja de los cilindros telescópicos reside en que pueden elevarse considerablemente, aun con longitudes de montaje relativamente pequeñas. Actuadores Rotativos Motor hidráulico: Es un actuador mecánico que convierte presión hidráulica y flujo en un par de torsión y un desplazamiento angular, es decir, en una rotación o giro. Su funcionamiento es pues inverso al de las bombas hidráulicas y es el equivalente rotatorio del cilindro hidráulico. Se emplean sobre todo porque entregan un par muy grande a velocidades de giro pequeñas en comparación con los motores eléctricos. Existen diversos tipos tanto de motores como de bombas hidráulicas, en algunos modelos se pueden emplear las bombas como motores (cuando estos giran en un solo sentido o cuando las bombas están especialmente diseñadas para dicha función) es fundamental verificar que, por su diseño, dicha bomba resista la presión. En todos los motores hidráulicos se recomienda que el drenaje se conecte directamente al depósito, sin pasar por otras líneas de retorno o por filtros que pudieran crear contrapresiones en el drenaje. El mejor método para saber el desgaste interno de un motor hidráulico es midiendo el retorno de carcasa, compararlo con los parámetros del manual y verificar si está en el rango adecuado de trabajo. En los motores hidráulicos, el movimiento rotatorio es generado por la presión. Estos motores los podemos clasificar en dos grandes grupos: El primero es uno de tipo rotatorio en el que los engranajes son accionados directamente por aceite a presión, y el segundo, de tipo oscilante, el movimiento rotatorio es generado por la acción oscilatoria de un pistón o percutor; este tipo tiene mayor demanda debido a su mayor eficiencia. 132 Motores de engranajes: Los motores de engranaje interno caen dentro de dos categorías. Un motor tipo gerotor de acople directo consiste en un set de ruedas dentadas interna-externa (hembra-macho) y un eje. La rueda interna tiene un diente menos que la externa y los dientes tienen una forma de manera tal que todos los dientes de la rueda interna estén en contacto con alguna porción de la rueda externa en todo momento. Cuanto fluido a presión ingresa al motor, ambas ruedas giran. La carcasa tiene pórticos integrados en forma de riñones. Los centros de rotación de las ruedas tienen una separación específica conocida como excentricidad. El centro de la rueda interna coincide con el del eje principal. Son de tamaño reducido y pueden girar en los dos sentidos, pero el par es pequeño son ruidosos, pueden trabajar a altas velocidades, pero de forma análoga a los motores de paletas. Motores de paletas: Los motores de paleta tienen un rotor con agujeros montado en un eje que acciona el mismo. Paletas, estrechamente introducidas en las cavidades del rotor se desplazan radialmente sellando contra el anillo. Éste cuenta con dos secciones mayores y dos menores radiales unidas mediante secciones de transición o rampas. Los contornos y las presiones introducidas se balancean diametralmente (al igual como ocurre en las bombas de paletas balanceadas). Algunos diseños incluyen resortes de baja tensión que fuerzan a las paletas contra el anillo para garantizar el sellado cuando no esté en movimiento, de manera que el motor pueda desarrollar torque de arranque. Los resortes son asistidos por la fuerza centrífuga a velocidades más altas. Ranuras y agujeros radiales a través de las paletas equilibran las fuerzas radiales en las mismas en todo momento. 133 Fluido a presión ingresa y sale de la carcasa del motor a través de aperturas en los platos laterales en las rampas mencionadas anteriormente. El fluido que ingresa por el pórtico de entrada mueve al rotor en sentido anti-horario en este caso. El rotor transporta al fluido hacia las aperturas de rampa en los pórticos de salida para regresar a tanque. Si la presión fuese introducida por estos pórticos, el motor rotaría en sentido horario. La separación axial del rotor y los platos laterales se logra mediante la presencia de una película de aceite. El plato frontal se encuentra sostenido contra el anillo mediante la presión y mantiene una separación optima incluso con cambios en la misma y temperatura. Los motores de paletas presentan buenos niveles de eficiencia, aunque no tan altos como la de los de pistones. Sin embargo, el costo de estos es generalmente menor a caballajes comparativos. Ahora, la vida útil de un motor de paletas es generalmente mas corta que la de uno de pistones. Los motores de paletas por lo general tienen una capacidad limitada a baja velocidad Motores de hélice: Este motor hidráulico es accionado por una bomba hidráulica, si una bomba hidráulica y un tanque asociado ya están instalados a bordo, entonces, en la mayoría de los casos, este conjunto también se puede usar para impulsar el propulsor de proa. Se suministra de serie una conexión especial de toma de fuerza (PTO) que simplifica enormemente la instalación de la bomba hidráulica. 134 Motor de leva excéntrica: las levas y excéntricas son mecanismos que transforman el movimiento circular de un eje en movimiento rectilíneo alternativo. Están formados por una pieza giratoria, la leva o excéntrica propiamente dicha, y por un elemento que roza en ella: el seguidor o varilla. Las excéntricas tienen forma circular, con la particularidad de que su eje de giro no coincide con su centro. Las levas pueden tener cualquier forma, en función del tipo de movimiento que se pretende que tenga el seguidor. Motores de pistones: Son los más empleados de todos ya que se consiguen las mayores potencias trabajando a altas presiones. En función de la posición de los pistones con respecto al eje. Motor de pistones radiales: los pistones van dispuestos perpendicularmente al eje del motor. El principio de funcionamiento es análogo al de los axiales, pero aquí el par se consigue debido a la excentricidad, que hace que la componente transversal de la fuerza que el pistón 135 ejerce sobre la carcasa sea distinta en dos posiciones diametralmente opuestas, dando lugar a una resultante no nula que origina el par de giro. Los motores de pistones radiales tienen un barrilete o cilindro unido a un eje. El mismo contiene un numero de pistones que reciprocan en cavidades radiales. El lado externo de los pistones se apoya sobre un anillo impulsor. El fluido a presión ingresa a través de un pin ubicado en el centro del cilindro para accionar los pistones hacia fuera. Estos son entonces presionados contra el anillo impulsor y las fuerzas reactivas generan rotación en el barrilete. Al mover el bloque de deslizamiento en dirección lateral, se cambia la carrera de los pistones, lo que por ende causa un cambio en el desplazamiento del motor. Cuando la línea central del barrilete y la carcasa coinciden, el flujo se anula, por lo que el cilindro se detiene. Al mover el bloque fuera de centro hacia el otro lado invierte la dirección de rotación. Los motores de pistones radiales son muy eficientes. A pesar de que se requiere un nivel alto de precisión en la fabricación y que esto implica costos elevados de manufactura, por lo general tienen una vida útil larga. Proporcionan un torque alto a velocidades relativamente bajas y una excelente operación a baja velocidad con una alta eficiencia. Cabe destacar que tienen limitaciones en lo que respecta a velocidades altas. Motores de pistones axiales: los pistones van dispuestos en la dirección del eje del motor. El líquido entra por la base del pistón y lo obliga desplazarse hacia fuera. Como la cabeza del pistón tiene forma de rodillo y apoya sobre una superficie inclinada, la fuerza que ejerce sobre ella se descompone según la dirección normal y según la dirección tangencial a la superficie. Esta última componente la obligará a girar, y con ella solidariamente, el eje sobre 136 la que va montada. Variando la inclinación de la placa o el basculamiento entre el eje de entrada y salida se puede variar la cilindrada y con ella el par y la potencia. Los motores de pistones axiales también utilizan el principio de movimiento reciprocante para accionar el eje principal, pero lo hace de manera axial en vez de radial. Sus características en cuanto a la eficiencia son similares a las de los motores de pistones radiales. Presentan un costo que inicialmente es mas alto que los de paletas o engranajes de caballaje comparable. Al igual que los de pistones radiales, presentan una vida útil larga por lo que el costo alto inicial no refleja verdaderamente los costos generales esperados durante la vida útil del equipo. Por lo general, los motores de pistones axiales presentan excelente capacidad a altas velocidades. A diferencia de los motores de pistones radiales, presentan como se esperaba, limitaciones a bajas velocidades. Por lo general, los motores de configuración en línea operan sin problemas a velocidades tan bajas como el 100 rpm y los de eje inclinado hasta 4 rpm. 137 Instrumentos específicos con actuadores hidráulicos. Servomotores hidráulicos, consisten en una bomba de accionamiento eléctrico que suministra fluido hidráulico a un servo válvula. La señal del instrumento de control actúa sobre el servo válvula que dirige el fluido hidráulico a los dos lados de un pistón actuador hasta conseguir, mediante una retroalimentación, la posición exacta de la válvula. Otro modelo de pistón es parecido al servomotor de diafragma, por un lado, es alimentado por el fluido hidráulico y por el otro tiene un resorte. Los servomotores hidráulicos se caracterizan por ser extremadamente rápidos, potentes y suaves, si bien su coste es elevado, por lo que sólo se emplean cuando los servomotores neumáticos no pueden cumplir con las especificaciones de servicio. Válvulas Direccionales. Veamos cómo se comanda un cilindro de simple efecto con una válvula direccional de tres vías dos posiciones vemos la válvula física y simbólicamente representada en sus distintas posiciones de funcionamiento. La simbología de las válvulas direccionales cumple con los siguientes lineamientos: Cada posición se indica con un cuadrado en el que se dibujan con flechas las conexiones que la válvula realiza en dicha posición. Las Vías u orificios principales de conexión de la válvula se llaman así P = Presión, T = Tanque, A y B conexiones de utilización, es decir van a las bocas del cilindro o 138 motor hidráulico. En la figura 20 vemos como ejemplo de esto a la válvula 4vias dos posiciones. Válvula 4 vías - 2 posiciones, (Figura No.14.), la válvula tiene dos entradas más de fluido, en el caso que sea pilotada hidráulicamente, los pilotos se denominan X e Y, o bien están numerados. Las formas de mando de las válvulas pueden ser: Manuales (palanca, pedal, botón). Eléctrica a través de bobinas (Solenoides). Neumática con pilotos neumáticos. Hidráulica con pilotos hidráulicos. Lo más usual son los mandos electro hidráulicos, es decir se colocan dos válvulas en cascada, una válvula pequeña mandada eléctricamente , maneja a través de pilotos hidráulicos a una válvula grande. 139 Válvulas hidráulicas: Las válvulas son elementos indispensables en las conducciones de regadío y tienen la finalidad de interrumpir la circulación del agua cuando ha terminado el tiempo de riego o bien aislar uno o varios tramos de la conducción para realizar reparaciones y trabajos de mantenimiento sin necesidad de vaciar todo el circuito. Asimismo, regulan el caudal y la presión del agua de riego, controlar el gasto y otros parámetros. Las válvulas hidráulicas pueden realizar todas estas funciones: abrir, cerrar y regular el paso del agua en la tubería donde van instaladas, utilizando para ello la energía propia del agua que circula a través de ellas. La importancia de este tipo de accesorios se debe, precisamente, al hecho de ser autónomas y no necesitar para su funcionamiento ningún aporte de energía del exterior, si bien son susceptibles de recibir órdenes eléctricas de funcionamiento a través de solenoides de bajo consumo. Todo esto las hace especialmente indicadas para la regulación de presiones, caudales, niveles en depósitos, etc., en las redes de riego. Composición. La válvula hidráulica se compone generalmente de tres partes principales: La válvula básica o cuerpo, que es el elemento que abre, cierra o modifica el paso de agua. Uno o varios pilotos encargados de dirigir la válvula básica. 140 El circuito de control, que incluye filtro de protección, llaves manuales, microtubos, dispositivos de regulación, etc., y las conexiones de todos estos elementos con la válvula básica, con los pilotos y con la red de tubería. Funcionamiento. El funcionamiento de estas válvulas es sencillo. Un piloto, perfectamente regulado desde fábrica, recibe la información a través del circuito de control del parámetro que debe controlar (caudal, presión, nivel de agua…). Ante cualquier variación de los datos recibidos, el piloto hace reaccionar el pistón o diafragma de la válvula posicionándolo de nuevo, de manera que se alcance la consigna preestablecida Según el sistema de accionamiento –o el tipo de obturador-, pueden ser de pistón o de diafragma. Para operar con aguas no muy limpias, como son las de riego, el pistón está totalmente desaconsejado, ya que las impurezas que transporta el agua se introducen entre el pistón y la camisa que le envuelve, eliminando la estanqueidad y necesitando, por tanto, un gran mantenimiento. Clasificación. Según el número de cámaras que contengan la válvula pueden ser de cámara simple o de cámara doble. Las cámaras son espacios independientes utilizados para, con la ayuda de la presión hidráulica del circuito, posicionar el diafragma de la válvula y por tanto variar su grado de apertura. 141 Con respecto a las válvulas de diafragma, según la forma de su cuerpo, encontraremos válvulas con forma de "Y", con forma de "globo" o en forma de "ángulo". Funcionamiento básico: Para cerrar la válvula introducimos agua a presión en la cámara de tal forma que la ecuación de fuerzas resultante sea: P3xA2 > P1xA1. Observamos una válvula de cámara simple y otra de cámara doble, ambas cerradas, pues se ha puesto en comunicación la presión de aguas arriba con la cámara [podemos observar, en la parte derecha de la Figura No.18, una válvula de tres vías instalada en el circuito que se utiliza para el cierre y apertura manual de la válvula, poniendo en comunicación la presión hidráulica de aguas arriba con la cámara –cerrar- o bien desalojando la presión hidráulica de la cámara a la atmósfera –abrir-] Para abrir la válvula, liberamos el agua de la cámara y la ecuación se transforma en P3xA2 < P1xA1. 142 Mediante la presión P3 ejercida en la cámara puede modificarse el equilibrio de las fuerzas que actúan en la válvula y con ello los parámetros del flujo en la conducción. La apertura y cierre de la válvula puede efectuarse manualmente (maniobrando directamente sobre la llave del circuito de control como hemos visto) o bien mediante el uso de solenoides. dispositivos que, utilizando la corriente eléctrica, actúan de forma automática sobre el circuito de control. Ventajas. Las ventajas que presentan los actuadores de esta naturaleza son: Altos índices entre potencia y carga. Mayor exactitud. 143 Respuesta de mayor frecuencia. Desempeño suave a bajas velocidades. Amplio rango de velocidad. Produce más fuerza que un sistema neumático del mismo tamaño. Desventajas. Continuo mantenimiento. Altos costos de adquisición. Altos costos de mantenimiento y reparación. Requerimiento de varios equipos para suministro de energía. Criterios de selección. Puesto que existe una gran variedad de actuadores hidráulicos e instrumentos con estos equipamientos, se debe ser muy metódico y critico al instante de adquirir o preordinar uno de estos. Algunos de estos criterios son: Rango de operación adecuado. Dimensiones del equipo. Constitución de los materiales (puesto que no todos los materiales se pueden emplear para los mismos procesos) Uso que se le dará. Presión hidráulica de suministro. Proceso para el que se adecuara. Accionamiento del actuador (efecto simple o efecto doble) 3.3 Actuadores neumáticos Son los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico. Aunque en esencia son idénticos a los actuadores hidráulicos, el rango de compresión es mayor en este caso, además de que hay una pequeña diferencia en cuanto al uso y en lo que se refiere a la estructura, debido a que estos tienen poca viscosidad. 144 En esta clasificación aparecen los fuelles y diafragmas, que utilizan aire comprimido y también los músculos artificiales de hule, que últimamente han recibido mucha atención. Cilindros neumáticos Los cilindros neumáticos se clasifican por la forma de realizar su trabajo y tipo de operación. En la industria se utilizan los siguientes tipos Cilindro neumático de efecto simple: son cilindros utilizados para operaciones limitadas, pues realizan el trabajo en un solo sentido y necesitan de un resorte para regresar el embolo interno. Su eficiencia es menor con respecto a otros tipos de cilindros neumáticos 145 Características: Estos cilindros tienen una sola conexión de aire comprimido. No pueden realizar trabajos más que en un sentido. Se necesita aire sólo para un movimiento de traslación. El vástago retorna por el efecto de un mue le incorporado o de una fuerza externa. El resorte incorporado se calcula de modo que haga regresar el émbolo a su posición inicial a una velocidad suficientemente Cilindros neumáticos de doble efecto: este tipo de cilindros no necesita de un resorte interno, pues está diseñado para realizar el trabajo en ambos sentidos. Los cilindros de doble efecto tienen mayores aplicaciones en la industria además pueden hacer trabajos más precisos De los cilindros neumáticos de doble efecto pueden existir los siguientes tipos: • Cilindro neumático de impacto • Cilindro neumático de fuelle • Cilindro neumático multiposición • Cilindro neumático guiado • Cilindro neumático sin vástago 146 Características: • La fuerza ejercida por el aire comprimido anima al émbolo, en cilindros de doble efecto, a realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos. • Se dispone de una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno • Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial. • En principio, la carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener en cuenta el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago salido. Criterios selección de los Cilindros Neumáticos Al seleccionar un cilindro neumático, es importante tener en cuenta todos los aspectos del entorno operativo para asegurarse que se toma la decisión correcta. Los factores ambientales a veces se pueden pasar por alto al seleccionar un cilindro neumático, pero son importantes si los ingenieros de diseño desean optimizar el funcionamiento, maximizar la vida útil y garantizar la fiabilidad. Los factores a considerar incluyen la temperatura ambiente, medios operativos / productos químicos y otros fluidos o materiales presentes: • Entornos explosivos • Temperatura de funcionamiento • Entornos corrosivos • Ambientes limpios Aplicaciones Los cilindros neumáticos cuentan con infinidad de aplicaciones en la industria, pues facilitan y hacen más eficientes los procesos. Entre las aplicaciones más comunes de los cilindros neumáticos se encuentran: • Empaque y embalaje de productos 147 • Automatización de procesos de manufactura • Apertura de compuertas • Llenado de botellas • Transportadoras • Paletizadoras Motores neumáticos Un motor neumático o motor de aire comprimido es un tipo de motor que realiza un trabajo mecánico por expansión de aire comprimido. Los motores neumáticos generalmente convierten el aire comprimido en trabajo mecánico a través de un movimiento lineal o principalmente rotativo. Los motores neumáticos son una fuente versátil de potencia, la cual puede usar clases de operaciones donde se requiere un arrastre mediante giro. Estos tienen muchas ventajas sobre los motores eléctricos y algunas veces llegan a ser el único método factible de operación. Ideales para operaciones de mezclado, bandas transportadoras y entornos libres de chispa eléctrica. Características comunes a los motores neumáticos. • Diseño compacto y ligero. Un motor neumático pesa menos que un motor eléctrico de la misma potencia y tiene un volumen más pequeño. • Los motores neumáticos desarrollan más potencia con relación a su tamaño que la mayoría de los otros tipos de motores. • El par del motor neumático aumenta con la carga. • Los motores neumáticos no se dañan cuando se bloquean por sobrecargas y no importa el tiempo que estén bloqueados. Cuando la carga baja a su valor normal, el motor vuelve a funcionar correctamente. • Los motores neumáticos, se pueden arrancar y parar de forma ilimitada. El arranque, el paro y el cambio de sentido de giro son instantáneos, incluso cuando el motor esté trabajando a plena carga. • Control de velocidad infinitamente variable. • Par y potencia regulables respecto a la variando la presión de trabajo. 148 • Como no hay ninguna parte eléctrica en el motor, la posibilidad de que se produzca una explosión en presencia de gases inflamables es reducida. • Cuando el motor gira, el aire expandido enfría el motor. Por esto, los motores pueden usarse en ambientes con temperaturas altas (70 grados centígrados). Motor neumático con engranaje En este tipo de motor, el par de rotación es engendrado por la presión que ejerce el aire sobre los flancos de los dientes de piñones engranados. Uno de los piñones es solidario con el eje del motor. Estos motores de engranaje sirven de máquinas propulsoras de gran potencia 44 kW (60 CV). El sentido de rotación de estos motores, equipados con dentado recto o helicoidal, es reversible. Como se puede observar, el motor está compuesto de dos engranajes, uno de ellos está conectado con el eje del motor, y el otro, transmite movimiento al otro engranaje. Este tipo de motor es de bajo rendimiento, porque consume más energía que la que transmite. Pero, es capaz de dar 60 cv de potencia. Características • Regulación sin escalones de la velocidad de rotación y del par motor • Gran selección de velocidades de rotación • Pequeñas dimensiones (y reducido peso) Motores neumáticos de paletas 149 Estos motores tienen un rotor montado excéntricamente en un cilindro, con paletas longitudinales alojadas en ranuras a lo largo del rotor. El par se origina cuando el aire a presión actúa sobre las paletas. El número de paletas suele ser de 4 a 8. Normalmente cuatro o cinco paletas son suficientes para la mayoría de las aplicaciones. Se utilizan mayor número de paletas cuando se necesita mejorar la fiabilidad de la máquina y su par de arranque. Los motores de paletas giran desde 3000 a 25000 R.P.M., en vacío. Como norma general, los motores deben trabajar con una precarga para evitar que giren a velocidades altas. Al girar en vacío el motor, el número de veces que las paletas rozan sobre el cilindro es casi doble que en carga. Esto supone un desgaste innecesario de las paletas y de la pared del cilindro sobre la que deslizan. La vida de las paletas se prolongará a varios cientos de horas trabajando el motor a velocidades moderadas y metiendo aire al motor debidamente limpio y lubricado con aceite en suspensión. Los motores de paletas giran a velocidades más altas y desarrollan más potencia en relación con su peso que los motores de pistones, sin embargo, tienen un par de arranque menos efectivo. 150 Criterios de selección del motor neumático El motor que se va a utilizar debe ser seleccionado a partir del momento de torsión requerido a un régimen de revoluciones específico. En otras palabras, para seleccionar un motor debemos conocer el régimen de revoluciones y el momento de torsión requeridos. Dado que la potencia máxima se logra a la mitad del régimen de revoluciones, la elección debe recaer sobre un motor cuya potencia máxima se encuentre lo más cerca posible del punto al que queremos llegar. Debido al principio de regulación del motor neumático, a medida que se lo frena aumenta el momento de torsión, que a su vez intenta aumentar el régimen de revoluciones y así 151 sucesivamente; lo que lleva a concluir que el motor tiene incorporada una especie de autorregulación de revoluciones. Utilizar los diagramas siguientes para seleccionar el motor correcto y en caso de necesidad también el engranaje correcto Aplicación Los motores de paletas son utilizados en un sinnúmero de aplicaciones, las más indicadas son para operación liviana a media a grandes velocidades de giro del eje. Para bajas velocidades de giro con altos torques están disponibles una gran cantidad de moto reductores. Las aplicaciones más típicas de los motores neumáticos de paletas son: • • • • • • • • Equipos de mezcla y agitadores. Ventiladores Accionamiento de bombas Polipastos y aparejos Cintas transportadoras Mesas giratorias Máquinas de embalaje Minería Motores neumáticos de pistón Los motores neumáticos de pistones tienen de 4 a 6 cilindros. La potencia se desarrolla bajo la influencia de la presión encerrada en cada cilindro. Trabajan a revoluciones más bajas que los motores de paletas. Tienen un par de arranque elevado y buen control de su velocidad. Se emplean para trabajos a baja velocidad con grandes cargas 152 Trabajan a revoluciones más bajas que los motores de paletas. Tienen un par de arranque elevado y buen control de su velocidad. Se emplean para trabajos a baja velocidad con grandes cargas. Pueden tener los pistones colocados axial o radialmente. El trabajo lo produce el aire comprimido sobre los pistones alojados en cada cilindro. La mayor restricción de los motores neumáticos de pistones es su baja eficiencia comparada con los motores eléctricos, debido a las mermas de aire presurizado dentro de las cámaras, donde éstas han sido poco a poco minimizadas en los cilindros neumáticos por el desarrollo de técnicas de sellado efectivo. Características • Opciones modulares del motor, freno, engranaje y válvula de control. • Control de velocidad variable. • Intrínsecamente seguro en entornos peligrosos (p.ej., minas, petroquímicas, etc.). • Reversible al instante. • Resistente a condiciones de suciedad y humedad. • Arranque positivo. • Diseño robusto. Criterios de selección -Selección del motor. 153 Lo primero que debe saberse es la velocidad a la que debe trabajar el motor y el par para esa velocidad. La combinación de ambas variables nos indicará la potencia del motor. Entre todos los motores posibles que den las características que buscamos hay que elegir el que da máxima potencia para los valores buscados. Asegurarse de que se ha elegido el valor de par adecuado. (No el par de arranque o bloqueo, sino el del motor girando a la velocidad seleccionada.) -Aire comprimido. Las características de los motores se han definido para la presión de trabajo y el caudal de aire comprimido que figura en el folleto del motor. Esta presión es la del aire que llega al motor, medida en la boca de entrada del mismo y cuando el motor está trabajando. La instalación de aire debe tener la sección suficiente para que el caudal de aire que necesita el motor le llegue sin pérdidas de presión. Las características del motor pueden ser modificadas de varias maneras: • Regulando la presión de entrada de aire al motor, • Reduciendo la cantidad de aire que llega al motor se consiguen resultados parecidos al actuar sobre la presión de entrada. Se bajan las revoluciones y el par disminuye en mayor medida. • Estrangulando el escape de aire puede bajarse en mayor proporción la velocidad, con lo que el par motor disminuye menos. Cuando se quieran silenciar los escapes, para disminuir el ruido de los motores, hay que poner el silencioso adecuado al caudal de aire que sale del motor. -Tratamiento del aire. El aire que llega al motor debe de estar limpio y engrasado. Hay que colocar cerca la entrada de aire a los motores un filtro de aire, seguido de un regulador de presión y de un lubricador. Asegurarse que estos componentes tienen la capacidad necesaria para los motores que se van a usar. El elemento filtrante del filtro de aire 154 tiene que ser de 64 micrones o menos. El lubricador tiene que regularse para que se viertan en la corriente de aire de 2 a 4 gotas de aceite por minuto cuando el motor trabaje en régimen continuo. Motor rotatorio ó rotativo Descripción El motor rotativo fue uno de los primeros tipos de motores de combustión interna en el cual el cigüeñal permanece fijo y el motor entero gira a su alrededor. El diseño fue muy usado en los años anteriores a la Primera Guerra Mundial y durante esta para propulsar aviones, y también en algunos de los primeros autos y motocicletas. A principios de los años 20 del siglo XX el motor rotativo comenzó a volverse obsoleto, principalmente debido a su bajo par motor, consecuencia de la forma en que trabaja el motor. También estaba limitado por su restricción inherente dada por la forma de aspirar la mezcla de aire/combustible a través del cigüeñal y cárter hueco, que afectan directamente a su rendimiento volumétrico. Sin embargo, en su tiempo fue una solución muy eficiente para los problemas de potencia, peso y fiabilidad. Aplicaciones Los motores rotativos son usados en múltiples disciplinas de potencia vehicular desde su creación donde generaba muchos conflictos hasta la invención del motor rotativo Wankel el cual tiene muchas áreas de uso como las siguientes: • Motocicletas • Automóviles • Aviones • Moto nieves • Herramientas • Recreación 155 Característica Es un motor de combustión interna que funciona de una manera completamente diferente a los motores alternativos. Es un motor rotativo de cuatro tiempos, pero en zonas distintas del estátor o bloque, con el pistón moviéndose sin detenciones de un tiempo a otro. Tipos de actuadores neumáticos. -Actuador de diafragma. El actuador tipo diafragma se puede usar para una válvula de control general. La presión de señal P del actuador neumático del diafragma actúa sobre el diafragma para deformarlo, y mueve la varilla de empuje del diafragma para que se mueva, de modo que el ajuste de la válvula se desplaza, cambiando así La apertura de la válvula. Tiene una estructura simple, bajo precio, mantenimiento conveniente y amplia aplicación. Los actuadores neumáticos de diafragma tienen dos formas de acción directa y acción inversa. Cuando la presión de la señal del controlador o del posicionado de la válvula aumenta, el movimiento hacia abajo del vástago de la válvula se denomina actuador de acción positiva; Cuando la presión de la señal aumenta, el movimiento hacia arriba del vástago de la válvula se llama un actuador contrarrestarte. La presión de señal del actuador de acción 156 positiva se pasa a la cámara de aire del diafragma por encima del diafragma corrugado; La presión de la señal del actuador contrarrestarte se pasa a la cámara de aire del diafragma debajo del diafragma corrugado. Al reemplazar partes individuales, las dos se pueden adaptar entre sí. Actuadores neumáticos de yugo escocés. Los actuadores neumáticos de yugo escocés se utilizan para servicios pesados y de alta frecuencia, que se ensambla con válvulas de torque grandes. Garantiza la seguridad continua y la resistencia a la corrosión durante las condiciones más peligrosas. El mecanismo de yugo de acero simétrico e inclinado del actuador neumático de tipo yugo escocés de alta potencia permite dos tipos de características de salida de par. Entre ellos, el mecanismo de yugo escocés inclinado de acero tiene un par de arranque muy alto y un par de funcionamiento más bajo, que es adecuado para el control de válvulas de mariposa; El mecanismo simétrico de yugo escocés de acero tiene una curva de par más equilibrada, que es principalmente adecuada para válvulas de bola y de tapón. 157 Actuador de cremallera y piñón. El actuador neumático de tipo cremallera y piñón tiene las características de estructura compacta, apariencia hermosa, respuesta rápida, operación estable y larga vida útil. Todos los accesorios adoptan la tecnología de tratamiento anticorrosión más avanzada, que puede adaptarse a diversas condiciones de trabajo adversas. Su temperatura alta y baja y varios actuadores de carrera especiales tienen un buen rendimiento en diversos campos de aplicación. Sus características son las siguientes: • Estructura compacta de piñón y cremallera doble, malla precisa, alta eficiencia y par de salida constante. • El cilindro de aluminio, el pistón y la cubierta final tienen el peso más ligero en comparación con el actuador de la misma estructura de especificación. • El cuerpo del cilindro está hecho de aleación de aluminio extruido y se trata con oxidación anódica dura. La superficie interna tiene una textura dura, alta resistencia y dureza. El rodamiento deslizante hecho de materiales de baja fricción evita el contacto directo entre metales, tiene bajo coeficiente de fricción, rotación flexible y larga vida útil. 158 • Las dimensiones de instalación y conexión de actuadores neumáticos y válvulas están diseñadas de acuerdo con los estándares internacionales ISO5211, DIN3337 y VDI / VDE3845, y pueden intercambiarse con actuadores neumáticos comunes. • Los tornillos de ajuste en ambos extremos pueden ajustar el ángulo de apertura de la válvula. Válvulas de distribución Las válvulas de distribución o válvulas de vías, tienen por misión dirigir el aire hacia diferentes conductos en función de una o varias señales de mando. Estas señales de mando pueden ser mecánicas, eléctricas, neumáticas, etc. Salvo excepciones para casos de control muy fino, estas válvulas son todo o nada, y no funcionan de forma proporcional. Una válvula de distribución queda especificada por el número de vías y posiciones: • El número de vías es el número de conductos que pueden ser conectados a la válvula. Las diferentes conexiones que pueden establecerse entre los conductos es lo que se denomina posición. Para identificar una válvula se indica el número de vías y el número de posiciones separados por una barra. De esta forma una válvula 5/2 indica que es de cinco vías y dos posiciones. • La representación de las válvulas tanto en un diagrama esquemático como en el mismo dispositivo físico sigue el siguiente convenio: • Las posiciones se representan por cuadros contiguos. • El número de cuadros corresponde al número de posiciones. 159 • En el interior del cuadro se indican las conexiones que se establecen en esa posición mediante flechas (conexión) o trazos transversales que indican bloqueo. • Las vías se representan en un solo cuadro y externo al mismo mediante trazos perpendiculares. • En el funcionamiento de la válvula, se supone que las vías permanecen quietas mientras los cuadros se desplazan estableciendo conexiones o cierres en las mismas. • Las vías conectadas son las correspondientes al estado de reposo y el paso entre posiciones viene dado por diferentes elementos de mando, cuya naturaleza puede ser mecánica, eléctrica, magnética, o neumática • En los extremos de las válvulas se representa el tipo de mando asociado al movimiento de los cuadros (posiciones). se muestran las representaciones de diferentes tipos de electroválvulas atendiendo a su número de vías y posiciones: • Válvula 2/2: Se utiliza para abrir o cerrar el paso de aire a una zona del circuito. Si se desea controlar un cilindro de simple efecto harían falta dos de estas válvulas funcionando de forma complementaria. • Válvula 3/2: Se utiliza para el mando de cilindros de simple efecto. • Válvula 5/2: Es de las válvulas más frecuentes puesto que su aplicación habitual es el control de cilindros de doble efecto. • Válvula 4/2: Permiten el control de un cilindro de doble efecto. Su construcción es más compleja que la 5/2 que cumple la misma función, por lo que es menos frecuente. • Válvulas 4/3 y 5/3: Similar a las válvulas 4/2 y 5/2, pero con una posición intermedia de reposo en la que todas las vías son bloqueadas. Las válvulas también pueden actuar como sensores. Por ejemplo, una válvula, accionada mediante rodillo, puede actuar como sensor de fin de carrera. Por ejemplo, al expandirse o contraerse un cilindro, presionaría sobre el rodillo, activando la válvula. 160 Las distintas vías de las válvulas siguen distintas nomenclaturas, entre las que se encuentran la DIN 24300 y la CETOP (Comité Europeo de fluidos). Los símbolos para “Fuente de presión” y “Escape de aire” se muestran a continuación. Sistemas monoestables y biestables Atendiendo a sus posiciones, las válvulas pueden ser monoestables o biestables Válvulas monoestables. Son aquellas que tienen una posición de reposo estable, que es en la que permanecerá la válvula de forma indefinida si no actúa sobre ella el dispositivo de mando. El regreso a la posición de reposo suele realizarse con un muelle; así en el caso de válvula monoestable de dos posiciones, la posición estable será la correspondiente al muelle, que por convenio suele situarse a la derecha. En el caso de tres posiciones la posición estable es la central. Válvulas biestables. Son aquellas que no tienen una única posición de reposo estable. Es decir, que, aunque se anule la señal que provocó la posición en la que se encuentra, la válvula seguirá en esa misma posición hasta que se active la señal correspondiente a una nueva posición. El dispositivo de mando y la forma en que se activa cada posición en la válvula se representa simbólicamente añadiendo en la parte lateral del cuadrado el símbolo del accionamiento correspondiente. 161 Selección de actuadores neumáticos. Antes de seleccionar un actuador neumático, verifique y confirme el par de la válvula. Luego aumente el factor de seguridad del par según el medio específico. Por ejemplo, aumenta el valor de seguridad en un 25% para vapor de agua o medio líquido no lubricante; aumentar el valor de seguridad en un 30% para medio líquido de suspensión no lubricante. Cuando el par de la válvula es de 210NM, la presión de la fuente de aire es de solo 5bar, y el medio es vapor de agua no lubricado, considerando factores de seguridad, aumenta el valor de seguridad en un 25%, que es 262NM, y busca el aire de acuerdo con la doble mesa de par de salida de acción. El valor de par correspondiente cuando la presión de la fuente es de 5 bar. Debe elegir 277NM, el modelo es AT300. Modelo 2.5bar 3.0bar 3.5bar 4.0bar 4.5bar 5.0bar 5.5bar 6.0bar 7.0bar 8.0bar 11.6 13.3 15 16.6 18.3 19.9 23.3 26.6 AT20 8.3 AT40 14.7 17.6 20.5 23.5 26.4 29.3 32.2 35.2 41 46.9 AT80 29.1 34.9 40.7 46.5 52.3 58.2 64 69.8 81.4 93 AT130 45.7 54.9 64 73.2 82.3 91.5 101 110 128 146 AT200 66.5 79.7 93 106 120 133 146 160 186 213 AT300 138 166 194 221 249 277 304 332 387 443 AT500 217 261 304 348 391 434 478 521 608 695 AT850 283 340 397 453 510 567 623 680 793 907 AT1200 383 459 536 612 689 765 842 918 1071 1224 AT1750 531 638 744 850 956 1063 1169 1275 1488 1700 AT2500 935 1122 1309 1496 1683 1870 2057 2244 2618 2992 AT4000 1347 1617 1886 2156 2425 2695 2964 3234 3772 4311 10 3.4 Tipos de Válvulas Una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos. Las válvulas son unos de los instrumentos de control más esenciales en la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, 162 modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van desde una fracción de pulgada hasta 30 ft (9 m) o más de diámetro. Pueden trabajar con presiones que van desde el vació hasta más de 20000 lb/in² (140 Mpa) y temperaturas desde las criogénicas hasta 1500 °F (815 °C). En algunas instalaciones se requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen importancia. La palabra flujo expresa el movimiento de un fluido, pero también significa para nosotros la cantidad total de fluido que ha pasado por una sección de terminada de un conducto. Caudal es el flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de fluido que circula por una sección determinada del conducto en la unidad de tiempo. Válvula de control. La válvula automática de control generalmente constituye el último elemento en un lazo de control instalado en la línea de proceso y se comporta como un orificio cuya sección de paso varia continuamente con la finalidad de controlar un caudal en una forma determinada. Partes de la válvula de control. Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son: la parte motriz o actuador y el cuerpo. • Actuador: el actuador también llamado accionador o motor, puede ser neumático, eléctrico o hidráulico, pero los más utilizados son los dos primeros, por ser las más sencillas y de rápidas actuaciones. Aproximadamente el 90% de las válvulas utilizadas en la industria son accionadas neumáticamente. Los actuadores neumáticos constan básicamente de un diafragma, un vástago y un resorte tal como se muestra en lLo que se busca en un actuador de tipo neumático es que cada valor de la presión recibida por la válvula corresponda una posición determinada del vástago. Teniendo en cuenta que la gama usual de presión es de 3 a 15 lbs/pulg² en la mayoría de los actuadores se selecciona el área del diafragma y la constante del resorte de tal manera que un cambio de presión de 12 lbs/pulg², produzca un desplazamiento del vástago igual al 100% del total de la carrera. 163 • Cuerpo de la válvula: este está provisto de un obturador o tapón, los asientos del mismo y una serie de accesorios. La unión entre la válvula y la tubería puede hacerse por medio de bridas soldadas o roscadas directamente a la misma. El tapón es el encargado de controlar la cantidad de fluido que pasa a través de la válvula y puede accionar en la dirección de su propio eje mediante un movimiento angular. Esta unido por medio de un vástago al actuador. Categorías de válvulas. Debido a las diferentes variables, no puede haber una válvula universal; por tanto, para satisfacer los cambiantes requisitos de la industria se han creado innumerables diseños y variantes con el paso de los años, conforme se han desarrollado nuevos materiales. Todos los tipos de válvulas recaen en nueve categorías: válvulas de compuerta, válvulas de globo, válvulas de bola, válvulas de mariposa, válvulas de apriete, válvulas de diafragma, válvulas de macho, válvulas de retención y válvulas de desahogo (alivio). Estas categorías básicas se describen a continuación. Sería imposible mencionar todas las características de cada tipo de válvula que se fabrica y no se ha intentado hacerlo. Más bien 164 se presenta una descripción general de cada tipo en un formato general, se dan recomendaciones para servicio, aplicaciones, ventajas, desventajas y otra información útil para el lector. Válvulas de compuerta. La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento. Aplicaciones Servicio general, aceites y petróleo, gas, aire, pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor, gases y líquidos no condensables, líquidos corrosivos. Ventajas Alta capacidad. Cierre hermético. Bajo costo. Diseño y funcionamiento sencillos. Poca resistencia a la circulación. Desventajas Control deficiente de la circulación. Se requiere mucha fuerza para accionarla. Produce cavitación con baja caída de presión. 165 Debe estar cubierta o cerrada por completo. La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco. Válvulas de macho La válvula de macho es de ¼ de vuelta, que controla la circulación por medio de un macho cilíndrico o cónico que tiene un agujero en el centro, que se puede mover de la posición abierta a la cerrada mediante un giro de 90 grados. Recomendada para: Servicio con apertura total o cierre total. Para accionamiento frecuente. Para baja caída de presión a través de la válvula. Para resistencia mínima a la circulación. Para cantidad mínima de fluido atrapado en la tubería. Aplicaciones: Servicio general, pastas semilíquidas, líquidos, vapores, gases, corrosivos. Ventajas: Alta capacidad. Bajo costo. 166 Cierre hermético. Funcionamiento rápido. Desventajas Requiere alta torsión (par) para accionarla. Desgaste del asiento. Cavitación con baja caída de presión. Variaciones Lubricada, sin lubricar, orificios múltiples. Materiales Hierro, hierro dúctil, acero al carbono, acero inoxidable, aleación 20, Monel, níquel, Hastelloy, camisa de plástico. Válvulas de globo Una válvula de globo es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o tapón que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con la circulación en la tubería. Recomendada para Estrangulación o regulación de circulación. Para accionamiento frecuente. 167 Para corte positivo de gases o aire. Cuando es aceptable cierta resistencia a la circulación. Aplicaciones Servicio general, líquidos, vapores, gases, corrosivos, pastas semilíquidas. Ventajas Estrangulación eficiente con estiramiento o erosión mínimos del disco o asiento. Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el tiempo y desgaste en el vástago y el bonete. Control preciso de la circulación. Disponible con orificios múltiples. Desventajas Gran caída de presión. Costo relativo elevado. Variaciones: Normal (estándar), en "Y", en ángulo, de tres vías. Materiales: Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, plásticos. Válvulas de bola Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto 168 Recomendada para: Para servicio de conducción y corte, sin estrangulación. Cuando se requiere apertura rápida. Para temperaturas moderadas. Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación. Aplicaciones: Servicio general, altas temperaturas, pastas semilíquidas. Ventajas: Bajo costo. Alta capacidad. Corte bidireccional. Circulación en línea recta. Pocas fugas. Se limpia por si sola. Poco mantenimiento. No requiere lubricación. Tamaño compacto. Cierre hermético con baja torsión (par). Desventajas Características deficientes para estrangulación. Alta torsión para accionarla. 169 Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras. Propensa a la cavitación. Corte bidireccional. Circulación en línea recta. Pocas fugas. Se limpia por si sola. Poco mantenimiento. No requiere lubricación. Tamaño compacto. Cierre hermético con baja torsión (par). Desventajas Características deficientes para estrangulación. Alta torsión para accionarla. Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras. Propensa a la cavitación. Válvulas de mariposa La válvula de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la circulación por medio de un disco circular, con el eje de su orificio en ángulos rectos con el sentido de la circulación 170 Recomendada para Servicio con apertura total o cierre total. Servicio con estrangulación. Para accionamiento frecuente. Cuando se requiere corte positivo para gases o líquidos. Cuando solo se permite un mínimo de fluido atrapado en la tubería. Para baja ciada de presión a través de la válvula. Aplicaciones Servicio general, líquidos, gases, pastas semilíquidas, líquidos con sólidos en suspensión. Ventajas Ligera de peso, compacta, bajo costo. Requiere poco mantenimiento. Número mínimo de piezas móviles. No tiene bolas o cavidades. Alta capacidad. Circulación en línea recta. Se limpia por si sola. Desventajas Alta torsión (par) para accionarla. Capacidad limitada para caída de presión. Propensa a la cavitación Válvulas de diafragma Las válvulas de diafragma son de vueltas múltiples y efectúan el cierre por medio de un diafragma flexible sujeto a un compresor. Cuando el vástago de la válvula hace descender el compresor, el diafragma produce sellamiento y corta la circulación 171 Recomendada para Servicio con apertura total o cierre total. Para servicio de estrangulación. Para servicio con bajas presiones de operación. Aplicaciones Fluidos corrosivos, materiales pegajosos o viscosos, pastas semilíquidas fibrosas, lodos, alimentos, productos farmacéuticos. Ventajas Bajo costo. No tienen empaquetaduras. No hay posibilidad de fugas por el vástago. Inmune a los problemas de obstrucción, corrosión o formación de gomas en los productos que circulan. Desventajas Diafragma susceptible de desgaste. Elevada torsión al cerrar con la tubería llena. 172 Variaciones Tipo con vertedero y tipo en línea recta. Materiales Metálicos, plásticos macizos, con camisa, en gran variedad de cada uno. Válvulas de apriete La válvula de apriete es de vueltas múltiples y efectúa el cierre por medio de uno o más elementos flexibles, como diafragmas o tubos de caucho que se pueden apretar u oprimir entre sí para cortar la circulación. Recomendada para • Servicio de apertura y cierre. • Servicio de estrangulación. • Para temperaturas moderadas. • Cuando hay baja caída de presión a través de la válvula. • Para servicios que requieren poco mantenimiento. Aplicaciones Pastas semilíquidas, lodos y pastas de minas, líquidos con grandes cantidades de sólidos en suspensión, sistemas para conducción neumática de sólidos, servicio de alimentos. Ventajas 173 • Bajo costo. • Poco mantenimiento. • No hay obstrucciones o bolsas internas que la obstruyan. • Diseño sencillo. • No corrosiva y resistente a la abrasión. Desventajas • Aplicación limitada para vació. • Difícil de determinar el tamaño Válvulas de retención de elevación Una válvula de retención de elevación es similar a la válvula de globo, excepto que el disco se eleva con la presión normal e la tubería y se cierra por gravedad y la circulación inversa. Recomendada para • Cuando hay cambios frecuentes de circulación en la tubería. • Para uso con válvulas de globo y angulares. • Para uso cuando la caída de presión a través de la válvula no es problema. Aplicaciones Tuberías para vapor de agua, aire, gas, agua y vapores con altas velocidades de circulación. 174 Ventajas • Recorrido mínimo del disco a la posición de apertura total. Acción rápida. Variaciones • Tres tipos de cuerpos: horizontal, angular, vertical. • Tipos con bola (esfera), pistón, bajo carga de resorte, retención para vapor. • Materiales • Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, PVC, Penton, grafito impenetrable, camisa de TFE. Componentes: diversos. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento • La presión de la tubería debe estar debajo del asiento. • La válvula horizontal se instala en tuberías horizontales. • La válvula vertical se utiliza en tubos verticales con circulación ascendente, desde debajo del asiento. • Si hay fugas de la circulación inversa, examinar disco y asiento. Válvula de retención de mariposa Una válvula de retención de mariposa tiene un disco dividido abisagrado en un eje en el centro del disco, de modo que un sello flexible sujeto al disco este a 45° con el cuerpo de la válvula, cuando esta se encuentra cerrada. Luego, el disco solo se mueve una distancia corta desde el cuerpo hacia el centro de la válvula para abrir por completo. Recomendada para • Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación en la tubería. • Cuando hay cambios frecuentes en el sentido de la circulación. • Para uso con las válvulas de mariposa, macho, bola, diafragma o de apriete. Aplicaciones 175 Servicio para líquidos o gases. Ventajas • El diseño del cuerpo se presta para la instalación de diversos tipos de camisas de asiento. • Menos costosa cuando se necesita resistencia a la corrosión. • Funcionamiento rápido. • La sencillez del diseño permite construirlas con diámetros grandes. • Se puede instalar virtualmente en cualquier posición. Válvulas de desahogo (alivio) Una válvula de desahogo es de acción automática para tener regulación automática de la presión. El uso principal de esta válvula es para servicio no comprimible y se abre con lentitud conforme aumenta la presión, para regularla. La válvula de seguridad es similar a la válvula de desahogo y se abre con rapidez con un "salto" para descargar la presión excesiva ocasionada por gases o líquidos comprimibles. El tamaño de las válvulas de desahogo es muy importante y se determina mediante fórmulas específicas. 176 Recomendada para: Sistemas en donde se necesita una gama predeterminada de presiones. Aplicaciones: Agua caliente, vapor de agua, gases, vapores. Ventajas: • Bajo costo. • No se requiere potencia auxiliar para la operación. Variaciones: • Seguridad, desahogo de seguridad. • Construcción con diafragma para válvulas utilizadas en servicio corrosivo. Materiales • Cuerpo: hierro fundido, acero al carbono, vidrio y TFE, bronce, latón, camisa de TFE, acero inoxidable, Hastelloy, Monel. • Componentes: diversos. • Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento • Se debe instalar de acuerdo con las disposiciones del Código ASME para recipientes de presión sin fuego. • Se debe instalar en lugares de fácil acceso para inspección y mantenimiento. Otros tipos de actuadores Actuadores acústicos: Un actuador es un tipo de transductor que toma una señal eléctrica y produce una variación en una magnitud física. • Los actuadores de sonido son los encargados de propagar ondas a través de un medio que puede ser sólido, líquido o gaseoso. • Las partículas materiales que transmiten tales ondas oscilan en la dirección de la propagación de las mismas ondas. 177 • Los actuadores que generan sonidos a más de 20.000 Hz se denominan ultrasonidos. • Altavoces: imán + bobina móvil que mueve un diafragma • –Diversas configuraciones y frecuencias • Transductores ultrasónicos: • materiales piezoeléctricos • Altas frecuencias Actuadores calefactores: Los actuadores calefactores son los que producen calor gracias al efecto Joule. Este efecto relaciona la corriente que circula por una resistencia y la energía liberada en forma de calor. El calor se produce cuando una elevada corriente (muchos electrones) al atravesar un conductor con poca resistencia, provocan entre ellos numerosas colisiones y fricciones, lo cual hace incrementar la temperatura. Se utilizan como resistencias calefactoras hilo metálico con una aleación determinada (cromo-níquel) que le confiere un elevado coeficiente de resistividad (alto valor óhmico) y además posee una gran resistencia al calor. 178 Aplicaciones Bujías de precalentamiento diésel: los motores diésel están equipados con bujías de precalentamiento para facilitar el arranque en frío. Son autorreguladas, de calentamiento rápido y están diseñadas como resistencias PTC: su resistencia aumenta con la temperatura. En frío presentan muy baja resistencia, por lo que fluye mucha corriente y se alcanza rápidamente la temperatura normal de servicio, pero una vez caliente, su resistencia aumenta limitando y regulando así el paso de la corriente. Actuadores electromotores: Los electromotores o motores eléctricos basan su funcionamiento en el principio de que la energía eléctrica se puede transformar en energía mecánica. Un Inductor de imanes permanentes del motor. Aplicaciones en donde se utilizan electromotores. Por ejemplo, las siguientes: 179 Actuadores Lorentz o actuadores magnéticos: Actuadores de Lorentz trabajan en la corriente eléctrica de la presencia y el campo magnético. Es un actuador que puede manejar o aprovechar mucha fuerza. También cuando se requiere un movimiento de gran ancho de banda hay una necesidad de Lorentz o actuadores magnéticos. 180 Actuadores de nanotubo de carbono: Actuadores de tubo de carbono nano Mantenga la propiedad de eléctricas y mecánicas. Han demostrado un buen conductor de electricidad y calor debido a que estos actuadores de tubo de carbono nano pueden usarse en lugar de actuadores eléctricos de todo tipo de aplicaciones Actuadores de plasma: Actuadores de plasma tienen un alto significado en controlar el flujo. Los actuadores de plasma se utilizan especialmente en aerodinámica o en otras palabras se utilizan para controlar el flujo en las condiciones atmosféricas. Actuadores de cinturón rígido: El otro nombre para actuadores de cinturón rígido es push pull actuadores, también son conocidos por el nombre de actuadores de correa de cremallera. Y a partir del nombre podemos ver que este tipo de actuador se utiliza en aplicaciones de empuje, tracción y 181 elevación. Actuadores rígidos se utilizan para desplazar una carga dinámica de hasta 230 libras y puede ser movido a 3 pies aproximadamente. 3.5 Criterios de Selección de Actuadores Rango Espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida, de recepción o de transmisión del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos. Ejemplo: Un manómetro de intervalo de medida 0-10 bar, un transmisor de presión electrónico de 0-25 bar con señal de salida 4-20 mA ó un instrumento de temperatura de 100-300 °C. Alcance Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. En los ejemplos anteriores es de 10 bar para el manómetro, de 25 bar para el transmisor de presión y de 200 ° C para el instrumento de temperatura. Error El error de la medida es la desviación que presentan las medidas prácticas de una variable de proceso con relación a las medidas teóricas o ideales, como resultado de las imperfecciones de los aparatos y de las variables parásitas que afectan al proceso. Es decir: 182 Error = Valor leído en el instrumento - Valor ideal de la variable medida El error absoluto es: Error absoluto — Valor leído ~ Valor verdadero. Exactitud La exactitud, es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida. En otras palabras, es el grado de conformidad de un valor indicado a un valor estándar aceptado o valor ideal, considerando este valor ideal como si fuera el verdadero. Precisión La precisión es la cualidad de un instrumento por la que tiende a dar lecturas muy próximas unas a otras, es decir, es el grado de dispersión de las mismas. Un instrumento puede tener una pobre exactitud, pero una gran precisión. Por ejemplo, un manómetro de intervalo de medida de 0 a 10 bar, puede tener un error de cero considerable marcando 2 bar sin presión en el proceso y diversas lecturas de 7,049, 7,05, 7,051, 7,052 efectuadas a lo largo del tiempo y en las mismas condiciones de servicio, para una presión del proceso de 5 bar. Sensibilidad La sensibilidad es la razón entre el incremento de la señal de salida o de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. Por ejemplo, si en un transmisor electrónico de 0-10 bar, la presión pasa de 5 a 5,5 bar y la señal de salida de 11,9 a 12,3 mA., la sensibilidad es 0,5 mA c.c/bar. Histéresis La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento o la señal de salida para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida. 183 3.6 Señal de Mando para Actuadores La unidad de control es el centro de cálculo que procesa las señales de entrada de los sensores, y a partir de esos datos calcula el tiempo de inyección como medida de la cantidad de combustible a inyectar, así como los ángulos óptimos de cierre y avance del encendido. Además, puede encargarse de otras funciones. Unidad de Mando La unidad de mando dispone de un microordenador, con microprocesador (CPU), memoria de programa (ROM) y de datos (RAM) y unidad de entrada y salida, así como de un convertidor analógico digital (A/D) y un conformador de impulsos (CI). Además, también consta de etapas de potencia que amplifican señales de salida. La estructura y el funcionamiento son en términos generales comunes a todos los microordenadores datados de microprocesadores. CI: los impulsos se modifican en magnitud y forma. A/D: Transforma las señales analogica en digitales CPU: Realiza los distintos calculos. ROM: Estan almacenadas los distintos datos y curvas caracteristicas RAM: Se amplifican las señales de salida Etapas: Se amplifican las señales de salida 184 Un actuador o accionamiento es un dispositivo capaz de intervenir en el proceso que pretendemos controlar. El actuador puede funcionar directamente bajo el control directo de la parte de mando, pero en muchas ocasiones es necesario algún preaccionamiento (en algunos casos llamados Drivers) para amplificar la señal de mando. Hay una gran variedad de actuadores, pero los más usados son los destinados a producir movimiento (motores y cilindros), los destinados a trasiego de fluidos (bombas) y los de tipo térmico (hornos, intercambiadores, etc.). 185 UNIDAD 4 186 Controladores Un controlador automático compara el valor real de la salida de una planta con la entrada de referencia (el valor deseado), determina la desviación y produce una señal de control que reducirá la desviación a cero o a un valor pequeño. la manera en la cual el controlador automático produce la señal de control se denomina acción de control. Clasificación de los controladores industriales. Los controladores industriales se clasifican, de acuerdo con sus acciones de control, como: 1. De dos posiciones o de encendido y apagado (ON/OF) 2. Proporcionales 3. Integrales 4. Proporcionales-integrales 5. Proporcionales-derivativos 6. Proporcionales-integrales-derivativos Casi todos los controladores industriales emplean como fuente de energía la electricidad o un fluido presurizado, tal como el aceite o el aire. los controladores también pueden clasificarse, de acuerdo con el tipo de energía que utilizan en su operación, como neumáticos, hidráulicos o electrónicos. el tipo de controlador que se use debe decidirse con base en la naturaleza de la planta y las condiciones operacionales, incluyendo consideraciones tales como seguridad, costo, disponibilidad, confiabilidad, precisión, peso y tamaño. 4.1 aplicaciones de sistemas de lazo abierto y lazo cerrado. LAZO ABIERTO Generalmente son manuales, pues requieren que una persona ejecute una acción que indique al sistema qué hacer. la estabilidad del sistema no es un problema importante en este tipo de sistemas y es más fácil de lograr. son aplicables cuando se conoce con anticipación las entradas y no existen perturbaciones significativas. Se usan componentes relativamente precisos y baratos para obtener el control adecuado. 187 En la figura se muestra un sistema a lazo abierto. para mantener constante el nivel del agua en el tanque es necesario que una persona accione la válvula cuando el caudal de salida cambie LAZO CERRADO Son automáticos y operan sin interrupción, ni participación externa. 188 En la figura se muestra un sistema a lazo cerrado en donde la válvula se abre o cierra automáticamente, de acuerdo con las variaciones de nivel, para mantenerlo constante ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE UN SISTEMA A DE CONTROL A LAZO CERRADO La figura muestra los elementos de un sistema a lazo cerrado. cada bloque representa un elemento del sistema y ejecuta una función en la operación de control. las líneas entre los bloques muestran las señales de entrada y salida de cada elemento, y las flechas, la secuencia de acciones en el orden en que ocurren. VARIABLE CONTROLADA: Se refiere a la variable cuyo valor debe mantenerse igual al de referencia, durante el proceso VARIABLE MEDIDA: Es el valor de la variable que se desea controlar. para hacerlo, es necesario conocer su valor en el proceso y compararlo con el valor de referencia. INSTRUMENTOS DE MEDICÍON: Es el conjunto de sensores que mide la variable que deseamos controlar y produce señal/es de salida que proporcionales al valor de esta variable. SEÑAL DE RETROALIMENTACIÓN: Es la salida del instrumento de medida VALOR DE REFERENCIA: (. SET POINT.). Es el valor deseado de la variable controlada 189 COMPARADOR: Compara el valor de referencia con el valor medido de la variable controlada SEÑAL DE ERROR: Es la salida del detector comparador. provee el valor de la diferencia entre el valor deseado y el medido ACTUADOR: Es un aparato o instrumento que ejecuta las acciones que conducen a la variable controlada a adquirir el valor de referencia VARIABLE MANIPULADA: Es la variable que se manipula para cambiar las condiciones de la variable controlada. en un horno, la válvula del gas se abre o cierra para cambiar el valor del flujo de gas que alimenta al quemador. si el flujo aumenta, lo hace también la temperatura, que es la variable controlada. PERTURBACIÓN: Es cualquier factor responsable de cambiar el valor de la variable controlada y que está fuera del control del sistema CONTROLADOR: Recibe la señal de error y produce los ajustes necesarios para minimizarla. Para nosotros, usualmente un microcontrolador o una pc corriendo un programa o algoritmo que determine las acciones a tomar LAZO DE CONTROL Como vimos entonces, el control a lazo cerrado o control realimentado se refiere a una operación que en presencia de perturbaciones tiende a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y la entrada de referencia de manera continua y automática, tratando de mantener les diferencia por debajo de un margen de error previamente determinado. para ello es necesario implementar en el controlador un algoritmo, es decir una serie de pasos y cálculos, que determine las acciones a tomar. por ejemplo, si estamos controlando la temperatura de un proceso químico y se está enfriando ¿cuánto debe abrirse la válvula del gas para mantener esa temperatura sin recalentarlo? El algoritmo más comúnmente utilizado para el control es el conocido como pid, por las iniciales, en inglés o español, de los tres modos diferentes de control que integra en uno solo: proporcional, integral y derivativo. 190 El modo proporcional determina la reacción al valor de error existente en el instante actual. el modo integral considera la reacción basado en la acumulación de los errores recientes en el tiempo y el modo derivativo lo hace según la tasa de cambio (velocidad de variación) de esos errores recientes. La sumatoria de los tres -ponderada cada una por una constante KP, KI, KD, respectivamente- determina la acción correctiva final que se tomará sobre la variable controlada. ajustando las constantes k en el algoritmo se puede conseguir un control muy preciso sobre el el grado de respuesta al error, así como la prevención de las sobrecargas y de la oscilación brusca del sistema. 4.2 modos de control aplicados en instrumentación: Los actuadores o elementos finales de control, puede hacer correcciones en varias formas: En caso de ser una válvula, puede abrir o cerrar instantáneamente Puede abrir o cerrar la válvula lentamente, a una velocidad constante, mientras se mantenga desviación Puede abrir la válvula en mayor grado cuando la desviación es más rápida Puede abrí la válvula un numero de vueltas constantes, por cada unidad de desviación 191 Estas correcciones, son hechas por el controlador, en los sistemas industriales se emplean básicamente uno o una combinación de los siguientes sistemas de control. Proporcional Proporcional + Integral Proporcional + Derivativo Proporcional + Integral + Derivativo On-Off. 4.2.1. on-off Acción de control de dos posiciones o de encendido y apagado (on/off). en un sistema de control de dos posiciones, el elemento de actuación solo tiene dos posiciones fijas que, en muchos casos, son simplemente encendido y apagado. el control de dos posiciones o de encendido y apagado es relativamente simple y barato, razón por la cual su uso es extendido en sistemas de control tanto industriales como domésticos. Es común que los controladores de dos posiciones sean dispositivos eléctricos, en cuyo caso se usa extensamente una válvula eléctrica operada por solenoides. los controladores neumáticos proporcionales con ganancias muy altas funcionan como controladores de dos posiciones y, en ocasiones, se denominan controladores neumáticos de dos posiciones se muestra un sistema De control del líquido que es controlado por una acción de control de dos posiciones. 192 4.2.2. Proporcional acción de control proporcional para un controlador con acción de control proporcional, la relación entre la salida del controlador U(T) Y la señal de error E(T) ES: UT=KPET O bien, en cantidades transformadas por el método de LAPLACE USES=KP EN DONDE KP se considera la ganancia proporcional cualquiera que sea el mecanismo real y la forma de la potencia de operación, el controlador proporcional es, en esencia, un amplificador con una ganancia ajustable. el controlador proporcional es el tipo más simple de controlador, con excepción del controlador de dos estados (del cual se hace mención en la primera parte del texto) la ecuaci6n con que se describe su funcionamiento es la siguiente: MT=M+KCRT-CT O MT=M+KCET DONDE: M(T) = Salida del controlador, PSIG O MA R(T) = Punto de control, PSIG O MA C(R) = Variable que se controla, PSIG O MA; Ésta es la señal que llega DEL TRANSMISOR. E(R) = Señal de error, PSI O MA; Ésta es la diferencia entre el punto de control y la variable que se controla. KC = Ganancia del controlador, PSI/PSI Ó MA/MA M = Valor base, PSIG O MA. El significado de este valor es la salida del controlador cuando el error es cero; generalmente se tija durante la calibración del controlador, en el medio de la escala, 9 PSIG O 12 MA. Es interesante notar que es para un controlador de acción inversa; si la variable que se controla, C(F), se incrementa en un valor superior al punto de control, R(T), el error se vuelve negativo y, como se ve en la ecuación, la salida del controlador, m(t), decrece. la manera 193 común con que se designa matemáticamente un controlador de acción directa es haciendo negativa la ganancia del controlador, KC; sin embargo, se debe recordar que en los controladores industriales no hay ganancias negativas, sino únicamente positivas, lo cual se resuelve con el selector inverso/directo. la KC negativa se utiliza cuando se hace el análisis matemático de un sistema de control en el que se requiere un controlador de acción directa. se ve que la salida del controlador es proporcional al error entre el punto de control y la variable que se controla; la proporcionalidad la da la ganancia del controlador, K,; con esta ganancia o sensibilidad del controlador se determina cuánto se modifica la salida del controlador con un cierto cambio de error. esto se ilustra gráficamente Efecto de la ganancia del controlador sobre la salida del controlador. (A) controlador de acción directa. (B) controlador de acción inversa. los controladores que son únicamente proporcionales tienen la ventaja de que solo cuentan con un parámetro de ajuste, KC sin embargo, adolecen de una gran desventaja, operan con una desviación, o “error de estado estacionario” en la variable que se controla. a fin de apreciar dicha desviación gráficamente, considérese el circuito de control de nivel que se muestra en la figura 2.2; supóngase que las condiciones de operación de diseño son QI = QO = 150 GPM Y H = 6 PIES; supóngase también que, para que pasen 150 GPM Por la válvula de salida la presión de aire sobre ésta debe ser de 9 PSIG. si el flujo de entrada se incrementa, QI, la respuesta del sistema con un controlador proporcional es como se ve. 194 El controlador lleva de nuevo a la variable a un valor estacionario pero este valor no es el punto de control requerido; la diferencia entre el punto de control y el valor de estado estacionario de la variable que se controla es la desviación. se muestran dos curvas de respuesta que corresponden a dos diferentes valores del parámetro de ajuste KC, se aprecia que cuanto mayor es el valor de kc, tanto menor es la desviación, pero la respuesta del proceso se hace más oscilatoria; sin embargo, para la mayoría de los procesos existe un valor máximo de kc, más allá del cual el proceso se hace inestable 4.2.3. Proporcional + integral. La mayoría de los procesos no se pueden controlar con una desviación, es decir, se deben controlar en el punto de control, y en estos casos se debe añadir inteligencia al controlador 195 proporcional, para eliminar la desviación. esta nueva inteligencia o nuevo modo de control es la acción integral o de reajuste y en consecuencia, el controlador se convierte en un controlador proporcional-integral (pi). la siguiente es su ecuación descriptiva: MT=M+KCRT-CT+KCΤIRT-CTDT MT=M+KCET+KCΤIETDT DONDE ΤI = tiempo de integración o reajuste minutos/repetición. por lo tanto, el controlador pi tiene dos parámetros, KC, Y ΤI, que se deben ajustar para obtener un control satisfactorio. para entender el significado físico del tiempo de reajuste, ΤI , considérese el ejemplo hipotético que se muestra , donde 7, es el tiempo que toma al controlador repetir la acción proporcional y, en consecuencia, las unidades son minutos/repetición. tanto menor es el valor de ΤI , cuanto más pronunciada es la curva de respuesta, lo cual significa que la respuesta del controlador se hace más rápida Respuesta del controlador proporcional integral (PI) (ACCIÓN DIRECTA) a un cambio escalón en el error. otra manera de explicar esto es mediante la observación de la ecuación, tanto menor es el valor de ti, cuanto mayor es el término delante de la integral, KCΤI y, en 196 consecuencia, se le da mayor peso a la acción integral o de reajuste. también se nota que, mientras está presente el término de error, el controlador se mantiene cambiando su respuesta y, por lo tanto, integrando el error, para eliminarlo; recuérdese que integración también quiere decir sumatoria. la función de transferencia del controlador es: USES=KP1+1TIS En donde kp, es la ganancia proporcional y TI se denomina tiempo integral. tanto KP como ti son ajustables. el tiempo integral ajusta la acción de control integral, mientras que un cambio en el valor de KP afecta las partes integral y proporcional de la acción de control. el inverso del tiempo integral TI se denomina velocidad de reajuste. la velocidad de reajuste es la cantidad de veces por minuto que se duplica la parte proporcional de la acción de control. la velocidad de reajuste se mide en términos de las repeticiones por minuto. muestra un diagrama de bloques de un controlador proporcional más integral. si la señal de error e(t) es una función escalón unitario, la salida del controlador U(T) se convierte en lo que se muestra. 4.2.4 Proporcional + Derivativo En la regulación derivada existe una relación lineal continua entre la velocidad de variación de la variable controlada y la posición del elemento final de control. Es decir, el control derivativo actúa cuando existen cambios en la variable. Esta actuación es proporcional a la pendiente de la variable, es decir, a su derivada. 197 La acción derivada se caracteriza por el llamado tiempo de acción derivada en minutos de principio que es el intervalo durante el cual, la variación de la señal de salida del controlador, debida a la acción proporcional, iguala a la parte de variación de la señal debida a la acción derivativa cuando se aplica una señal en rampa al instrumento. El torque de salida va a invertirse antes de que ocurra la alineación de la salida, actuando efectivamente como un freno que reduce el tiempo transigente. Por ende, en términos cualitativos, el control derivativo puede aplicarse para controlar la pendiente de la respuesta de posición, con lo que el tiempo de respuesta va a ser más corto Ahora bien, la posición anticipada en del tiempo de la válvula de control, que se consigue con la acción derivada, precisa de la detección de cambios en el proceso por parte del controlador. Es como si el conductor de un automóvil, al subir una cuesta, en lugar de apretar el pedal del gas al ver a distancia el cambio de pendiente, sólo lo hiciera cuando observase en el cuentakilómetros la disminución de velocidad. 198 4.2.5. Proporcional + integral + derivativo. Algunas veces se añade otro modo de control al controlador pi, este nuevo modo de control es la acción derivativa, que también se conoce como rapidez de derivación o preactuación; tiene como propósito anticipar hacia dónde va el proceso, mediante la observación de la rapidez para el cambio del error, su derivada. la ecuación descriptiva es la siguiente: MT=M+KCET+KCΤIETDT+KCΤDD ETDT DONDE: ΤD= rapidez de variación en minutos, por lo tanto, el controlador pid se tiene tres parámetros, C O PB, Τ I O ΤIR Y ΤD que se deben ajustar para obtener un control satisfactorio. nótese que solo existe un parámetro para ajuste de derivación, τd , el cual tiene las mismas unidades, minutos, para todos los fabricantes. cómo se acaba de mencionar, con la acción derivativa se da al controlador la capacidad de anticipar hacia dónde se dirige el proceso, es decir, “ver hacia adelante”, mediante el cálculo de la derivada del error. la cantidad de “anticipación” se decide mediante el valor del parámetro de ajuste, ΤD los controladores pid se utilizan en procesos donde las constantes de tiempo son largas. ejemplos típicos de ello son los circuitos de temperatura y los de concentración. los procesos en que las constantes de tiempo son cortas (capacitancia pequeña) son rápidos y susceptibles al ruido del proceso, son característicos de este tipo de proceso los circuitos de control de flujo y los circuitos para controlar la presión en corrientes de líquidos. considérese el registro de flujo que se ilustra en la aplicación del modo derivativo solo da como resultado la amplificación del ruido, porque la derivada del ruido, que cambia rápidamente, es un valor grande. los procesos donde la constante de tiempo es larga (capacitancia grande) son generalmente amortiguados y, en consecuencia, menos susceptibles al ruido; sin embargo, SE debe estar alerta, ya que se puede tener un proceso con constante de tiempo larga, por ejemplo, un circuito de temperatura, en el que el transmisor sea ruidoso, en cuyo caso se’ debe reparar el transmisor antes de utilizar el controlador PID. 199 En resumen, los controladores PID tienen tres parámetros de ajuste: la ganancia o banda proporcional, el tiempo de reajuste o rapidez de reajuste y la rapidez derivativa. la rapidez derivativa se da siempre en minutos. los controladores PID se recomiendan para circuitos con constante de tiempo larga en los que no hay ruido. la ventaja del modo derivativo es que proporciona la capacidad de “ver hacia dónde se dirige el proceso” 4.3 Criterios para la Selección de un controlador La utilización de un controlador ofrece un mejoramiento exponencial dentro de la producción, para saber cuál usar debemos tener en cuenta el seguimiento de los lineamentos basados en las normas, así que tenemos que utilizar un método matemático riguroso para saber que controlador utilizar y poder aprovecharlo al máximo. Para empezar, debemos seleccionar un método matemático, de preferencia la eficacia, para después calcular el valor de esta en P, PI, y PD con los valores óptimos de los parámetros. A veces es preferible recurrir a enfoques empíricos, basados en la observación del efecto de los distintos controladores (P, PI o PID) sobre los procesos simulados (Control Station). Control Proporcional: Acelera la respuesta del proceso controlado Produce un offset (excepto integradores puros) Control Integral: Elimina todo offset 200 Eleva las desviaciones máximas Produce respuestas arrastradas y largas oscilaciones El aumento de Kc aumenta acelera la respuesta, pero produce más oscilaciones y puede llegar a desestabilizar el sistema Control Derivativo: Anticipa el error y actúa en función del error que iría a ocurrir Estabiliza la respuesta de bucle cerrado La ruta empírica será usar siempre el controlador más simple; p.e., puede que el offset no sea importante o que exista un término integral puro (1/s) en la función de transferencia (presión de gas; nivel de líquido). 4.4. Sintonización de controles. El diseño de controladores, tal como se mostró en la sección anterior, se realiza en unción del conocimiento del proceso, es decir, a partir del modelo del proceso, del esquema de control y de las restricciones que se le imponen al mismo. a diferencia de ello, la sintonización de los controladores se realiza sin que se disponga de dicha información y resulta sumamente útil en los casos en que la obtención del modelo del proceso es muy engorrosa. los métodos de diseño utilizan restricciones particulares impuestas a la respuesta deseada que permiten determinar con precisión los parámetros del controlador, en tanto que, en el caso de la sintonización de un controlador, dichos parámetros se van ajustando de forma tal que se obtenga una respuesta temporal aceptable. Los métodos de sintonización están basados en estudios experimentales de la respuesta al escalón de diferentes tipos de sistemas, razón por la cual los parámetros del controlador que se determinan utilizando estas metodologías podrían dar como resultado una respuesta medianamente indeseable. es por ello que dichos parámetros se utilizan como punto de partida para la lenitiva sintonización de los mismos, lo cual se realizará ajustándolos neamente de forma tal que se logre obtener la respuesta deseada. en esta sección se mostrarán dos reglas de sintonización de controladores desarrolladas por ziegler y nichols, las cuales implican altamente el problema de bajar los parámetros de un controlador. dichas reglas 201 podrían no ser la mejor alternativa, pero su sencillez y disponibilidad las mantienen como una fuerte opción aún hoy en día. 4.5. Aplicaciones de controladores. Los reguladores PID son de mucha utilidad, en la regulación de procesos industriales, de tal modo que la gran mayoría de reguladores utilizados en la industria, son de este tipo, ya que, por lo general, se busca simplicidad en las estrategias de control. se suelen utilizar en plantas industriales, en el control de niveles, presiones, flujos, temperaturas, movimientos o posiciones, velocidades etc. los procesos anteriormente mencionados, poseen ciertas características dinámicas, muy importantes, como por ejemplo el tiempo muerto, constantes de tiempo, tiempo de establecimiento o ganancias de proceso. las cuales definen, la clasificación del proceso, en procesos de primer orden, de segundo orden o de orden superior. En el presente caso, el estudio de respuesta, en lazos de control con reguladores PID, se limitará hasta procesos de segundo orden, ya que es hasta los cuales se alcanza una regulación adecuada o estable, y por lo tanto, es la situación que se encuentra en la práctica, debiéndose utilizar para procesos de orden superior, otro tipo de estrategias de control. por tal razón, se propondrá un modelo equivalente para estos procesos, con el fin de realizar análisis de respuesta o modelaciones, ya que las características dinámicas de estos procesos industriales son iguales cualitativamente, aunque cambian cuantitativamente dependiendo de la variable o proceso a ser regulado, 202 UNIDAD 5 203 Introducción Ante la complejidad creciente de los procesos industriales y el aumento en la producción de estos, resulta necesario desde el punto de vista financiero lograr una producción óptima; que sea capaz de reducir sus costos y de proporcionar una calidad buena en sus productos. Lo anterior solo puede lograrse con un adecuado control industrial. Un proceso o un sistema que gestiona o en otras palabras controlado por computadoras se llama como asistido por ordenador de control o control asistido por ordenador. Mediante el uso de diversas herramientas podemos obtener datos electrónicos, estos datos electrónicos se usa el equipo para controlar el proceso del sistema. Para controlar el proceso significa dos cosas: • Mantener el sistema en su estado actual. • Cambiar el estado según los requisitos. las variables del proceso que se necesitan para ser controlada son las siguientes: 1. variable de control 2. punto de ajuste 3. manipulación de la variable 4. perturbación 5.1 Adquisición de datos El propósito de adquisición de datos es medir un fenómeno eléctrico y físico como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. la adquisición de datos basada en pc utiliza una combinación de hardware modular, software de aplicación y un pc para realizar medidas. Mientras cada sistema de adquisición de datos se define por sus requerimientos de aplicación, cada sistema comparte una meta en común de adquirir, analizar y presentar información. Los sistemas de adquisición de datos incorporan señales, sensores, actuadores, acondicionamiento de señales, dispositivos de adquisición de datos y software de aplicación. 204 La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora o pac. Se requiere una etapa de condicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de adquisición de datos (daq). A lo largo del curso se ha observado que existen dos tipos de control, el analógico y el digital, si bien es cierto que el primero es el más usado en países del tercer mundo como el nuestro; el segundo es hasta hoy, el más ventajoso a emplear en los procesos industriales. Debido a lo cómodo que resulta tratar exclusivamente con números puros y ser ideal para la resolución de problemas numéricos. Asimismo, la alta velocidad conseguida en las señales de mando a los diversos instrumentos de control, permite mantener el set point casi constante y monitoreado en todo momento. Sin embargo, este tipo de control frente al analógico, tiene la desventaja de que al muestrear el proceso pierde parte de la información. lo anterior puede ser corregido con complejos algoritmos matemáticos (al comparar este y el analógico en cuestión de costos, el control digital pierde gravemente) que le asignan versatilidad e interacción amigable en la modificación de parámetros y variables que operan en el proceso. El control digital asistido por computador puede: • Lograr mayor rendimiento de los procesos y por lo tanto una mejor producción con menores costes gracias a la utilización eficiente del material y del equipo. • Mayor calidad en los productos fabricados a costos muy reducidos. • Mayor seguridad, ya que la acción de corrección y activación de alarmas es casi inmediata. ¿Cómo se constituye un sistema de adquisición de datos? 205 Tipos de sistema de adquisición de datos: Sistemas de adquisición de datos inalámbricos • Los sistemas de adquisición de datos inalámbricos pueden eliminar el costoso y demorado cableado en campo de los sensores de proceso. Estos sistemas consisten en uno o más transmisores inalámbricos que envían datos a un receptor inalámbrico conectado a una computadora remota. • Los transmisores inalámbricos están disponibles para una temperatura ambiente y humedad relativa, termopares, rtd, sensores de salida de pulso, transmisores 4 a 20 ma y transductores de salida de voltaje. los receptores se pueden conectar al puerto usb o ethernet en el pc. Sistemas de adquisición de datos por comunicaciones en serie • Los sistemas de adquisición de datos por comunicaciones en serie son una buena opción cuando es necesario hacer la medición en una ubicación alejada de la computadora. • Hay varios estándares de comunicación diferentes; rs232 es el más común pero sólo es compatible con distancias de transmisión de hasta 50 pies. rs485 es superior a rs232 y es compatible con distancias de transmisión de hasta 5,000 pies. 206 Sistemas de adquisición de datos usb • El bus serie universal (usb) es un nuevo estándar para conectar el pc a dispositivos periféricos como impresoras, monitores, módems y dispositivos de adquisición de datos. • USB ofrece varias ventajas respecto a las conexiones en serie y paralelo convencionales, como un mayor ancho de banda (hasta 12 mbits/s) y la capacidad de proporcionar energía al dispositivo periférico. usb es ideal para aplicaciones de adquisición de datos. 5.2 Control supervisorio Sistema de control en el cual los bucles de control operan independientemente, sujetos a acciones de corrección intermitente a través de sus puntos de consigna. En la figura se muestra este esquema de control, el cual por orden histórico fue el primero en utilizarse. En este esquema la computadora juega solamente el papel de un supervisor, ya que no tiene acceso a ningún lazo de control y su única función es monitorear las variables controladas del proceso o bien, modificar las referencias de control (set points). Los lazos de control en este esquema se siguen realizando mediante controladores analógicos. La expresión “scada” está compuesta por las iniciales de la denominación inglesa “supervisory control and data adquisition”, que en nuestro idioma se traduce como “control supervisorio y adquisición de datos”. Sin embargo, dado que los primeros sistemas de 207 supervisión se originaron en los estados unidos, se ha generalizado el uso de las siglas scada para aludir a dichos sistemas. Se trata de un sistema capaz de obtener y procesar información de procesos industriales dispersos y de actuar en forma remota sobre los mismos. Esto significa que permite supervisar simultáneamente procesos e instalaciones industriales distribuidas en grandes áreas, tales como las redes de distribución eléctrica, oleoductos, gasoductos, etc. Un scada no debe confundirse con un sistema de control distribuido (dcs, distributed control system), aunque actualmente los principios y tecnologías que utilizan son muy similares. Su principal diferencia consiste en que los sistemas de control distribuido, normalmente se usan para controlar procesos industriales más complejos y restringidos al perímetro de una planta; por ejemplo, los sistemas de control de una refinería, los de una planta de glp, etc. El scada describe un número de unidades terminales remotas (rtu´s, remote terminal units) instaladas en las cercanías del proceso, las cuales se comunican con una estación maestra (mtu, master terminal station) ubicada en una sala de control central. 5.3 Control digital En el control digital que apareció hacia los años 1960, el computador llevaba a cabo todos los cálculos que realizaban individualmente los controladores p, p+i, p+i+d generando directamente las señales que van a las válvulas. Este tipo de control se denomina (control digital directo), el computador esta enlazado con el proceso. 208 El ddc permite una transferencia automático-manual sin perturbaciones y admite una fácil modificación de las acciones y de las configuraciones de los sistemas de control lo cual es muy importante en la puesta en marcha de la planta. el ddc tiene la ventaja sobre los controladores convencionales de estar provisto de un calibrado automático que corresponde a las acondiciones de operación instantánea. es decir, el computador ajusta la calibración de sus algoritmos de acuerdo con una función predeterminada de la variable medida o de una combinación de variables en lugar de requerir periódicamente la calibración individual de cada instrumento por un instrumentista o especialista tal como acurre en los instrumentos convencionales. Sistema de control que realiza un aparato digital que establece directamente las señales que van a los elementos finales de control. En la fig., se muestra el esquema de una computadora trabajando en control digital directo. En este esquema la computadora ejecuta uno o varios algoritmos de control para realizar directamente el control de una o varias variables de un proceso. 5.4 Control distribuido En esencia, la diferencia entre el control distribuido y el control digital radica en que el primero necesita se configurado manualmente nodo a nodo y el segundo puede ser codificado electrónicamente. 209 El ordenador personal también ha incorporado al control distribuido. Permite la visualización de las señales de múltiples transmisores, el diagnostico de cada lazo de transmisión, el acceso a los datos básicos de calibración y a los datos de configuración de los transmisores. En este esquema, que es el más difundido a nivel industrial en la actualidad se utilizan computadoras o microcontroladores para reemplazar los lazos de control individuales que en el esquema antiguo se implementaban con controladores analógicos. Además, se usa una gran computadora de gran capacidad para realizar la función de supervisora que ya se describió en el esquema supervisor anterior, con la diferencia que en el nuevo esquema dicha computadora se auxilia de subsistemas que controlan una red local que sirve de interfaz de comunicación con cada controlador funcionando en control digital directo. Componentes del control distribuido • El controlador multifunción que, al utilizar en su programación un lenguaje de alto nivel, se asemeja a un ordenador personal, proporciona las funciones de control lógico que permiten regular un proceso discontinuo (bach control), y el manejo de procesos complejos, en las que el control básico está limitado. 210 • El control secuencial enlaza el control analógico (modulante con posiciones que varían continuamente en la válvula de control) con el control lógico, por ejemplo, el arranque y el paro de una cadena de vapor deben hacerse de modo secuencial para eliminar totalmente el riesgo de una explosión que ocurriría si, en el peor de los casos, entrara agua en la caldera con el nivel muy bajo y con los tubos del serpentín al rojo vivo. • En el control discontinuo (bach control) es usual automatizar la entrada de ingredientes, en particular en la industria farmacéutica, definiendo la naturaleza y cantidades en lo que se llama la formula (récipe). Debido a que se fabrican muchos productos diferentes en la misma unidad de fabricación, es necesario que el equipo de control sea versátil para satisfacer la gran variedad de fórmulas (récipes) que pueden presentarse. • Los controles programables sustituyen a los relés convencionales utilizados en la industria. En lugar de disponer de pulsadores y relés para los circuitos de enclavamiento y para el accionamiento de los motores de la planta, con el correspondiente panel o cuadro de mandos y con los consiguientes cables de conexión, voluminosos y caros, el controlador programable aporta la solución versátil, practica y elegante del software en un lenguaje especial, basado en la lógica de los relés. Lógica de los relés. • La estación de operación proporciona la comunicación con todas las señales de la planta para el operador de proceso, el ingeniero de proceso y el técnico de mantenimiento. • Las alarmas son importantes en el control de procesos. existen alarmas de alto y bajo valor de la variable (lpv, hpv), alarmas de desviación entre el punto de consigna (sp) y la variable controlada (pv), alarmas de tendencia que actúan si la variación de la variable excede de un valor prefijado, alarmas de estado de la señal de entrada o de salida, alarmas de situación crítica, alarmas que indican que el proceso está fuera de control y que se acerca un desastre inminente (como las de chernovil), alarmas que indican el restablecimiento del control. 211 5.5 Instrumentación virtual La rápida adopción del pc en los últimos 20 años generó una revolución en la instrumentación de ensayos, mediciones y automatización. Un importante desarrollo resultante de la ubicuidad del pc es el concepto de instrumentación virtual, el cual ofrece variados beneficios a ingenieros y científicos que requieran mayor productividad, precisión y rendimiento. 212 Un instrumento virtual consiste de una computadora del tipo industrial, o una estación de trabajo, equipada con poderosos programas (software), hardware económico, tales como placas para insertar, y manejadores (drivers) que cumplen, en conjunto, las funciones de instrumentos tradicionales. los instrumentos virtuales representan un apartamiento fundamental de los sistemas de instrumentación basados en el hardware a sistemas centrados en el software que aprovechan la potencia de cálculo, productividad, exhibición y capacidad de conexión de las populares computadoras de escritorio y estaciones de trabajo. El concepto de instrumentación virtual nace a partir del uso de la computadora personal, como forma de reemplazar equipos físicos por software, permite a los usuarios interactuar con la computadora como si estuviesen utilizando un instrumento real. El usuario manipula un instrumento que no es real, se ejecuta en una computadora, tiene sus características definidas por software, pero realiza las mismas funciones que un equipo real. Los instrumentos virtuales son definidos por el usuario mientras que instrumentos tradicionales tienen funcionalidad fija, definida por el usuario. Ventajas de la instrumentación virtual: Flexibilidad. Intercambio de información con otras aplicaciones. Aplicaciones distribuidas. Control remoto a través de redes locales e internet. Reduce espacio, peso, tiempo y dinero. Se edita y se “virtualiza el instrumento”. 5.6 Pantallas Táctil (TOUCHSCREEN) ¿Qué son? Es una pantalla que mediante un toque directo sobre su superficie permite la entrada de datos que se asocian a la parte posterior de arriba del touch, siendo el componente que permite que funcione al dar sus datos y órdenes al dispositivo, y a su vez muestra los resultados introducidos previamente; actúa de esta forma como periférico de entrada y de salida al mismo tiempo, así como emulador de datos interinos erróneos al no tocarse efectivamente. 213 Este contacto también se puede realizar por medio de un lápiz óptico o de otras herramientas similares. Existen varias tecnologías para implementar los sistemas táctiles, cada una basada en diferentes fenómenos y con distintas aplicaciones. Las pantallas táctiles se volvieron comercialmente exitosas por su uso en dispositivos de la industria, en ordenadores públicos (como exposiciones de museos, pantallas de información, cajeros automáticos de bancos y otros) donde los teclados y los ratones no permiten una interacción satisfactoria, intuitiva, rápida o exacta del usuario. Desde finales del siglo XX y especialmente en los comienzos del XXI, alcanzaron un uso habitual en la mayoría de los dispositivos con pantalla: por ejemplo, monitores de computadora, teléfonos móviles y tabletas. Según la tecnología que usen, hay tres tipos de pantallas táctiles de uso habitual: Pantalla resistiva de teléfono celular Nokia N97. Resistivas: Son más baratas y no les afectan el polvo ni el agua salada y, además de ser más precisas, pueden ser usadas con un puntero o con el dedo. Sin embargo, tienen hasta un 15% menos de brillo y son más gruesas, por lo que están siendo sustituidas por otras en los dispositivos móviles que precisan un tamaño y un peso ajustado y mayor brillo en la pantalla por la posibilidad de estar expuestos a la luz directa del sol. Pantalla capacitiva de un celular Alcatel, one touch POP (2014). Capacitivas: Basadas en sensores capacitivos, consisten en una capa de aislamiento eléctrico, como el cristal, recubierto con un conductor transparente, como el ITO (tin-doped 214 indium oxide). Como el cuerpo humano es también un conductor eléctrico, el contacto con la superficie de la pantalla genera una distorsión del campo electrostático de la pantalla, que se mide a través del cambio en la capacitancia (capacidad eléctrica). Pueden utilizarse diferentes tecnologías para determinar en qué posición de la pantalla se hizo el toque. La posición se envía al controlador, para su procesamiento. En este tipo de pantallas, la imagen tiene una mayor calidad, la respuesta es mejor, y algunas permiten el uso de varios dedos a la vez (multitouch). Sin embargo, son más caras y no se pueden usar con el puntero habitual, sino con uno especial para las pantallas capacitivas. Onda acústica de superficie: La tecnología de ondas de superficie utiliza ondas ultrasónicas que pasan sobre el panel de la pantalla táctil. Cuando se toca el panel, se absorbe una parte de la onda. Este cambio en las ondas ultrasónicas registra la posición del evento táctil y envía esta información al controlador, para su procesamiento. El panel de pantalla táctil de onda de superficie es el más avanzado de los tres tipos, pero puede dañarse con elementos externos. Tipos de pantallas táctiles Pantallas Táctiles por Infrarrojo: Este sistema tiene la ventaja de la simplicidad y de no oscurecer la pantalla, pero desventajas: tiene son claras caras y voluminosas, muy sensibles a la suciedad y pueden detectar fácilmente falsas pulsaciones (una mosca que se pose, por ejemplo). Pantallas Táctiles Resistivas: La pantalla táctil propiamente dicha está formada por dos capas de material conductor transparente, con una cierta resistencia a la corriente eléctrica, y con una separación entre las dos capas. Cuando se toca la capa exterior 215 se produce un contacto entre las dos capas conductoras. Pantallas Táctiles y Touchpad Capacitivo El touchpad está formado por una rejilla de dos capas de tiras de electrodos, una vertical y otra horizontal, separadas por un aislante y conectadas a un sofisticado circuito. El circuito se encarga de medir la capacidad mutua entre cada electrodo vertical y cada electrodo horizontal. Un dedo situado cerca de la intersección de dos electrodos modifica la capacidad mutua entre ellos al modificarse las propiedades dieléctricas de su entorno. El dedo tiene unas propiedades dieléctricas muy diferentes a las del aire. Pantallas Táctiles de Onda Acústica Superficial, (SAW) A través de la superficie del cristal se transmiten dos ondas acústicas inaudibles para el hombre. Una de las ondas se transmite horizontalmente y la otra verticalmente. Cada onda se dispersa por la superficie de la pantalla rebotando en unos reflectores acústicos. El circuito controlador mide el momento en que recibe una onda atenuada y determina las coordenadas del punto de contacto. 216 Sistemas operativos y software Existe una gran variedad de programas de cómputo para el manejo de máquinas con pantallas táctiles que pueden ejecutarse en los principales sistemas operativos tales como, por ejemplo, GNU/Linux, MacOS y Windows. En los tres casos, existen versiones especiales adaptadas para su uso en tabletas y en portátiles táctiles. Android es un sistema operativo de código abierto basado en el núcleo (kernel) de Linux, inicialmente desarrollado por Android Inc. y respaldado por Google. Apple ha desarrollado su sistema iOS para iPad, y Microsoft ha incluido un desarrollo específico en las distintas versiones: desde Windows XP Tablet PC Edition hasta el Windows 8, en el cual el desarrollo táctil no es específico de una versión sino de la versión. En otro tipo de dispositivos, como las PDA o teléfonos con pantalla táctil, también existen sistemas operativos como: PalmOS, Windows Phone, iOS, Android, BlackBerry OS, WebOS, Symbian OS, MeeGo o Maemo. Respecto al software específico para pantallas táctiles, al igual que en el caso de otros dispositivos similares como las tabletas digitalizadoras, destacan los programas de reconocimiento de escritura manual, como Inkwell en Macintosh. En el caso de Windows XP Tablet PC Edition, el propio sistema operativo incluye reconocimiento de escritura. También son habituales los programas de dibujo, como por ejemplo Corel Painter, que pueden incluso reconocer la fuerza con la que se está pulsando sobre la pantalla o la inclinación del objeto con el que se está tocando. Muchas aplicaciones utilizan las características táctiles de los dispositivos y de los sistemas operativos: teclados virtuales, juegos, gestores multimedia y ofimática, entre otros. 217