Dosier Regulacion Y Control Bloque 1 PDF

Regulación y control BLOQUE 1: INSTRUMENTOS DE MEDIDA ÍNDICE Tema 1: Introducción a los instrumentos de medida...................................................... 1 1. Introducción...............................................................................................................

Regulación y control BLOQUE 1: INSTRUMENTOS DE MEDIDA ÍNDICE Tema 1: Introducción a los instrumentos de medida...................................................... 1 1. Introducción............................................................................................................ 1 2. Características generales de los instrumentos de medida...................................... 2 Tema 2: Sensores de temperatura................................................................................ 6 1. Introducción............................................................................................................ 6 2. Unidades y conversiones........................................................................................ 7 3. Termopares............................................................................................................ 8 4. Termoresistencias (RTD)...................................................................................... 12 5. Termistores.......................................................................................................... 14 6. Pirómetros de radiación........................................................................................ 16 7. Elección del sensor de temperatura...................................................................... 19 Tema 3.- Sensores de nivel......................................................................................... 22 1. Introducción:......................................................................................................... 22 2. Unidades y conversiones...................................................................................... 23 3. Sensores de nivel basados en la densidad........................................................... 25 4. Sensores de nivel basados en propiedades eléctricas......................................... 32 5. Sensores de nivel basados en ondas electromagnéticas...................................... 34 6. Sensores de nivel basados en la viscosidad......................................................... 38 7. Elección del sensor de nivel................................................................................. 39 Tema 4: Sensores de presión...................................................................................... 42 1. Introducción.......................................................................................................... 42 2. Definiciones.......................................................................................................... 42 3. Unidades y conversiones...................................................................................... 45 4. Clasificación de los sensores de presión.............................................................. 46 5. Elementos mecánicos: columna de líquido,.......................................................... 47 6. Elementos mecánicos: elásticos,.......................................................................... 49 7. Elementos electromecánicos,............................................................................... 51 8. Accesorios de los manómetros............................................................................. 58 9. Elección del sensor de presión,............................................................................ 59 Tema 5: Sensores de caudal....................................................................................... 61 1. Introducción.......................................................................................................... 61 1. Unidades y conversiones...................................................................................... 62 2. Clasificación de los sensores de caudal............................................................... 62 3. Instrumentos de presión diferencial...................................................................... 64 4. Medidores de inserción......................................................................................... 68 5. Medidores proporcionales a la velocidad.............................................................. 69 Regulación y control 6. Desplazamiento positivo....................................................................................... 74 7. Caudalímetros másicos........................................................................................ 76 8. Elección del sensor.............................................................................................. 78 TEMA 6: ANALIZADORES EN LÍNEA...................................................................... 81 1. Características:................................................................................................... 82 2. Clasificación........................................................................................................ 84 3. Componentes de los analizadores en línea....................................................... 84 Regulación y control Tema 1 BLOQUE 1: INSTRUMENTOS DE MEDIDA Tema 1: Introducción a los instrumentos de medida 1. Introducción Aunque aún no se ha definido en el módulo qué es un sistema de control, no es difícil entender que si se quiere controlar alguna variable física o química en cualquier proceso, lo primero que hay que hacer es medir esa variable. Por ejemplo, si tú quieres mantener la temperatura de tu casa a 21 ºC, es imprescindible que en primer lugar dispongas de algún equipo que te permita realizar la medida de la temperatura (sensor). Sin este componente del sistema de control, no se puede garantizar que seamos capaces de mantener esta variable dentro de los valores deseados (valor de consigna). El proceso de medida consiste en la comparación de una medida con la unidad estándar o patrón de medida. En algunos casos la comparación se hace de forma directa, pero en muchos otros se realiza de forma indirecta utilizando algún principio físico- químico que permita relacionar la magnitud de la variable que se quiere medir con la magnitud de otro tipo, más fácilmente medible. Por ejemplo, una medida directa podría ser la longitud, si lo hacemos con una regla (patrón). Pero también se puede realizar la medida de la longitud utilizando un método indirecto como los ultrasonidos (el tiempo que tarda el sonido en devolver el eco del sonido emitido, es directamente proporcional a la longitud). El equipo responsable de realizar esta medida (directa o indirecta) se le llama sensor, elemento primario, captador o detector. El sensor o elemento primario, en muchas ocasiones, necesita de otros elementos para transformar la señal. Estos elementos son:  El transductor: es el elemento o dispositivo capaz de transformar o traducir un determinado tipo de energía de entrada en otra diferente de salida que es más adecuada para el sistema, generalmente una señal eléctrica. Se trata de 1 Regulación y control Tema 1 transformar la magnitud física que no puede interpretar el sistema en una señal que sí puede interpretar.  El transmisor: es el dispositivo encargado de transformar la señal que sale del sensor o del transductor en una señal normalizada. Las señales de transmisión utilizadas en la industria química son la neumática (3-15 psi), la eléctrica (generalmente 4-20 mA) o la digital. Sensor: Transductor: Transmisor: Mide la señal primaria Transforma la señal normaliza la señal Los sensores se pueden clasificar de muchas maneras, aunque la más utilizada es según la variable que miden. En este caso, la clasificación que se va a utilizar es diferenciar entre sensores de Temperatura, Nivel, Presión y Caudal, las cuatro variables más utilizadas en la industria química. 2. Características generales de los instrumentos de medida Si tuvieras que comprar un sensor cualquiera, lo primero que te pedirían es que definas algunas de sus características principales. A continuación aprenderás cuales son los términos básicos que hay que conocer de un sensor sea de temperatura, nivel, caudal o presión para poder caracterizarlo con detalle y ser capaz de interpretar las hojas técnicas que los fabricantes suministran junto con el captador Estos términos están definidos por la ISA, sociedad internacional que define y establece los estándares de Instrumentación y automatización industrial. Se encargan de unificar la terminología, y que fabricantes y usuarios utilicen el mismo lenguaje. A continuación se definen los principales conceptos que caracterizan un sensor:  Rango y alcance Rango (o campo de medida): Espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro del límite superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos, límite inferior y superior. Por ejemplo, el termómetro de mercurio que tenemos en el botiquín de casa tiene un campo de medida de 35ºC-42ºC. 2 Regulación y control Tema 1 Alcance: Es la diferencia entre el valor mínimo y máximo del rango. Por ejemplo, un termómetro con un rango de medida entre 60 – 200ºC, tiene un alcance de 140 ºC.  Sensibilidad, zona muerta y resolución Sensibilidad: la sensibilidad de un instrumento de medida es la relación existente entre el incremento de la señal de salida del instrumento y el incremento correspondiente de la variable medida. Por ejemplo, un sensor de nivel eléctrico proporciona una variación de 10 mV a su salida por cada metro de altura de nivel. Por tanto, la sensibilidad de este equipo es de 10 mV/m. Zona muerta: es el rango de variación de la variable medida que no produce un cambio perceptible de salida del mismo, es decir, que no produce respuesta en el instrumento. Por ejemplo, el termómetro de un sistema de calefacción común, mide sólo cambios de 0.5 ºC, es decir, si la temperatura varia 0.45 ºC, el termómetro no detecta dicho cambio. El valor se suele especificar en porcentaje del alcance. Resolución: es el incremento más pequeño de la variable medida que produce un cambio observable a la salida o lectura del instrumento. Este concepto va atado estrechamente con el concepto de banda muerta y sensibilidad y se puede expresar en términos absolutos (en función de la unidad de medida) o en relativos (% del alcance del sensor).  Histéresis: Histéresis: con frecuencia la lectura que ofrece un instrumento delante un mismo valor de la variable medida, es diferente si la variable se mueve en sentido creciente o decreciente. La histéresis es el valor máximo de la diferencia entre las dos medidas en sentido creciendo y decreciente de la variable. Se suele expresar como un porcentaje sobre el alcance total del equipo. Por ejemplo, si un sensor de temperatura con un rango de 0 a 100 ºC, para un valor real de la temperatura de 50 ºC, marca un valor de 49,6 ºC cuando provienen de una lectura de temperatura inferior e indica 50,5 ºC si la temperatura está bajando de un valor inicialmente superior. De esta forma se puede calcular la histéresis como: 3 Regulación y control Tema 1  Precisión y exactitud: Estos valores son suministrados por los fabricantes del instrumento, resultante del estudio y calibración del sensor en diferentes condiciones de trabajo. Exactitud: cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida. Se cuantifica como la proximidad absoluta entre el valor medido y el real. La exactitud define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales. Existen diferentes formas de expresar la exactitud, pero las más utilizadas son en tanto por ciento del alcance del sensor (ej. 100 ºC ± 1 % ) o directamente en las unidades de la medida (Ej. 85 ºC ± 0,7 ºC) lo que sería el error. La exactitud de la medida puede variar en cada punto del campo de medida, puesto que la sensibilidad del sensor no es igual en todos los puntos. Hay 3 tipos de errores: error de cero, error de multiplicación y error de angularidad. Las características de cada uno de ellos se visualizan muy bien en el siguiente gráfico: En condiciones dinámicas (que el valor de la variable medida cambie con el tiempo), el error varía mucho debido a que los instrumentos tienen características comunes a los sistemas físicos, es decir, absorben energía del 4 Regulación y control Tema 1 proceso y esta transferencia requiere un cierto tiempo para ser transmitida; esto provoca errores en la lectura del aparato. Este tipo de error se identifica como error dinámico. Siempre que las condiciones de medida sean dinámicas, habrá error, sea más pequeño o más grande, pero el error dinámico es inherente a cualquier sistema de medida. Precisión: 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. Precisión es sinónimo de repetibilidad. El parámetro que aúna estos dos conceptos es la incertidumbre la cual es obtenida a partir de la calibración del sensor: Incertidumbre: En el proceso de calibración del instrumento, se comparan los valores del instrumento a calibrar con un aparato patrón para averiguar si el error se encuentra dentro los límites indicados por el fabricante. Como el equipo patrón no puede medir exactamente el valor medido (también contiene error) y como en el proceso de comparación también intervienen otras posibles fuentes de error, no es posible caracterizar la medida por un único valor, lo que da lugar a la conocida como incertidumbre de medida. Así pues, la incertidumbre es la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida. Cuando el error no puede ser eliminado, se debe tener en cuenta en la incertidumbre lo que aumentará esta. 5 Regulación y control Tema 2 Tema 2: Sensores de temperatura 1. Introducción La temperatura es la variable medida con más frecuencia en la industria farmacéutica o biotecnológica. No sólo para conocer el contenido energético de las corrientes de fluidos, sino también para controlar las reacciones o la composición. El rango de medidas a realizar en los procesos es muy amplio, desde - 250 ºC (procesos criogénicos) hasta aproximadamente los 3000 ºC (hornos). A causa de la gran variabilidad de aplicaciones en que se puede medir la temperatura, debe haber una gran variabilidad de equipos sensores para satisfacer cada una de estas. Algunas de las características que pueden determinar qué elemento sensor se debe escoger son el fluido donde se mide la temperatura (Sólido, Líquido, Gas, Vapor), el tiempo de respuesta, las condiciones ambientales o la precisión. Dado el objetivo de este módulo es el control automático, no se contemplarán los equipos que no pueden transmitir de forma eléctrica la medida, es decir, aquellos utilizados únicamente para visualizar la medida. Los sensores de temperatura se clasifican según el principio físico utilizado:  Expansión térmica (utilizados más por indicación).  Efecto termoeléctrico (termopar).  Variación de la resistencia eléctrica de un conductor con la temperatura (termoresistencia). Variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor con la temperatura (termistor). Radiación térmica (pirómetro). 6 Regulación y control Tema 2  Otros: o Cambio de la frecuencia de resonancia con la temperatura. o Variación de la velocidad del sonido a través de un gas con la temperatura. o Termografía. En este tema centrarás tu estudio en cuatro de estos termómetros, los que realmente se utilizan en los procesos y tienen más interés a nivel de automatización y control, ya que son capaces de transmitir los datos los otros equipos que integran el lazo de control (transmisores, controladores). 2. Unidades y conversiones. Antes de empezar a conocer cómo funcionan los diferentes sensores de temperatura es bueno realizar un repaso a que unidades se utilizan para medir la temperatura, así como se convierten los valores entre estas unidades. Las escalas de medición de la temperatura se dividen fundamentalmente en dos tipos, las relativas y las absolutas. Los valores que puede adoptar la temperatura en cualquier escala de medición, no tienen un nivel máximo, sino un nivel mínimo: el cero absoluto. Mientras que las escalas absolutas se basan en el cero absoluto, las relativas tienen otras formas de definirse: Grado Celsius (°C). Para establecer una base de medida de la temperatura Anders Celsius utilizó, en 1742, los puntos de fusión y ebullición del agua. Se considera que una mezcla de hielo y agua que se encuentra en equilibrio con aire saturado a 1 atm está en el punto de fusión. Una mezcla de agua y vapor de agua (sin aire) en equilibrio a 1 atm de presión se considera que está en el punto de ebullición. Celsius dividió el intervalo de temperatura que existe entre estos dos puntos en 100 partes iguales a las que llamó grados centígrados °C. Sin embargo, en 1948 fueron renombrados grados Celsius en su honor; así mismo se comenzó a utilizar la letra mayúscula para denominarlos. 7 Regulación y control Tema 2 Grado Fahrenheit (°F). Toma divisiones entre el punto de congelación de una disolución de cloruro amónico (a la que le asigna valor cero) y la temperatura normal corporal humana (a la que le asigna valor 100). Es una unidad típicamente usada en los Estados Unidos; erróneamente, se asocia también a otros países anglosajones como el Reino Unido o Irlanda, que usan la escala Celsius. Las escalas que asignan los valores de la temperatura en dos puntos diferentes se conocen como escalas a dos puntos. Sin embargo en el estudio de la termodinámica es necesario tener una escala de medición que no dependa de las propiedades de las sustancias. Las escalas de éste tipo se conocen como escalas absolutas o escalas de temperatura termodinámicas. Kelvin (K): El Kelvin es la unidad de medida del SI (Sistema internacional). La escala Kelvin absoluta es parte del cero absoluto y define la magnitud de sus unidades, de tal forma que el punto triple del agua es exactamente a 273,16 K. Es importante anotar que al grado Kelvin no se le antepone la palabra grado ni el símbolo º. A continuación se detalla la conversión entre las diferentes unidades utilizadas en la medición de la temperatura. Conversiones entre las diferentes unidades de temperatura Conversión Celsius (ºC) Kelvin (K) Fahrenheit (ºF) Celsius (ºC) ºC= K-273,15 ºC= (ºF-32)/1,8 Kelvin (K) K=ºC+273,15 K=(ºF+459,67)/1,8 Farenheit (ºF) ºF=1,8·ºC+32 ºF=K·1,8 - 459,67 3. Termopares. Es importante que conozcas las características de funcionamiento y construcción de los termopares, ya que algún día puede que tengas que decidir cuál es el sensor más apropiado para una determinada aplicación. En los siguientes apartados podrás profundizar qué se esconde en el interior de un sensor y aprender cuáles son los puntos fuertes y también negativos de los termopares. Las tablas resumen te ayudarán a esclarecer cuáles son las virtudes y diferencias entre los diferentes termopares comerciales existentes en el mercado. En 1821 el físico alemán Thomas Seebeck descubrió por accidente que la unión entre dos metales diferentes genera un voltaje en función de la diferencia de temperatura entre sus dos extremos. Los termopares (también conocidos como termocupla) funcionan bajo este principio renombrado efecto Seebeck. 8 Regulación y control Tema 2 Aunque cualquier par de metales pueden ser utilizados para crear un termopar, se utiliza un grupo reducido debido a que producen voltajes fácilmente medibles y amplios rangos de medida. La relación que presenta un la fuerza electromotriz y la temperatura es prácticamente lineal y estable en una amplio rango de temperaturas. Donde E es la f.e.m. (fuerza electromotriz) en mV, T es la temperatura (K) y k es un coeficiente que depende de la combinación de materiales. Los metales más comúnmente utilizados para la construcción de un termopar son: Hierro, Platino,Tungsteno, Alumel (aleación entre Níquel, Manganeso, Aluminio y Silicio), Chromel (Níquel, Cromo), Constatan (Cobre, Níquel), Nicrosil (Níquel ,Cromo, Silicio), Nisil (Níquel, Silicio), Aleación Platino- Rodio, Aleación Tungsteno- Renio.  Tipos de termopares. Solo algunas combinaciones de entre ellos se utilizan para fabricar termopares. Las más comunes se designan por una letra: Tipo K (Aleación entre Chromel y Alumel): uno de los tipos más utilizados por su bajo coste y amplia variedad de aplicaciones. Se utiliza en temperaturas entre -40 ºC y 1000 ºC. Tipo E (Chromel / Constatan ): gracias a su sensibilidad son ideales para el uso a bajas temperaturas, en ambiente criogénico. Adecuado para temperaturas entre – 200 ºC y 900 ºC. 9 Regulación y control Tema 2 Tipo J (Hierro/ Constantan): a causa de su rango limitado, el tipo J es el menos popular que la K. Se utilizan principalmente en equipos antiguos que no pueden utilizar termopares más modernos. No se puede utilizar a Temperaturas superiores a 760 ºC es a partir de esta temperatura que se descalibra de forma permanente. Tipo N (Nicrosil / Nisil): es adecuado para las medidas de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación. Con vainas protectoras de metales de molibdeno y de tantalio puede tener rangos de 0 ºC hasta los 1700 ºC. Tipo B (Platino/Rodio): son adecuados para la medida a temperaturas superiores a 1800 ºC. Poco preciso a temperaturas bajas. Tipo T (Cobre/Constatan): es un termopar adecuado por las medidas entre -200 ºC y 0 ºC. Puedes observar que según el rango que se necesite medir ya se pueden descartar algunos de los termopares. Si se quiere aumentar la sensibilidad del sensor de temperatura se conectan varios termopares en serie, manteniendo las uniones de referencia a la misma temperatura, al igual que las uniones calientes expuestas a la temperatura medida. Al unir n termopares, la sensibilidad se multiplica por n. Por ejemplo, conectando 25 termopares de tipo E, se consigue una resolución de 0.001 ºC. Este montaje se conoce con el nombre de termopila.  Características constructivas. En los diseños más comunes los dos materiales constituyentes del termopar se unen mediante una soldadura. Cuando esta soldadura se expone directamente al fluido, la respuesta del instrumento es muy rápida, pero los hilos pueden sufrir el ataque químico de los cables con posibilidad de tener un corte de corriente. Por este motivo, se utilizan vainas de acero inoxidable o de alguna aleación que protege del ataque químico y mecánico. El problema, sin embargo, es que la instalación de este tipo de protección aumenta de 3 a 10 veces el tiempo de respuesta. Uno de los pasos más importantes en la elección del equipo sensor, es escoger el material de construcción de la vaina. En los catálogos de los 10 Regulación y control Tema 2 fabricantes puedes encontrar una gran variedad, aunque los más utilizados son el de acero inoxidable, Hierro, Inconel (Aleación de Níquel- Cromo) y cerámico. Con estos cuatro materiales se cubren la mayoría de aplicaciones posibles. Lo más sensato es dejarse aconsejar por el fabricante en esta elección, cuya experiencia te ayudará a escoger la mejor alternativa. Tipo de vainas de protección de los termopares según su campo de aplicación Industria Aplicación Tubo o vaina Hornos. Cerámica Secadores. Inconel o hierro. Esmaltado vítreo. Cerámico o hierro. Acero inoxidable en general. Química Debido a la gran variedad de aplicaciones químicas es difícil establecer recomendaciones. Alimentación Acero inoxidable. Desparafinador. Acero inoxidable. Acero inoxidable. Acero inoxidable. Columna de Acero inoxidable. Inconel o Hierro. fraccionamiento. Petroquímica Cámara de reacción. Unidades catalíticas. Torres (llama). Centrales Conducto de gases. Hierro. Hierro. térmicas Precalentadores. Acero inoxidable. Líneas de vapor. Acero dulce. Líneas de agua. Incineradores. hasta Inconel o Hierro. Varios 1100ºC. superior a Cerámico y carburo de silicio. 1000 ºC.  Características de los termopares. Para finalizar el apartado de los termopares, se incluye una tabla resumen con las principales características de los termopares más comunes. En algunas ocasiones, los fabricantes de termopares te facilitarán este tipo de tablas que te ayudarán a conocer las principales diferencias entre ellos. 11 Regulación y control Tema 2 Tabla resumen de las principales características de los termopares más comunes Límite Termopar Precisión Exactitud Desventajas Ventajas máximo Alta resistencia Tipo T 0.4-2 % Límite máximo a la corrosión y (Cobre- (0.4-0.8 ~ 0.11 ºC 370 ºC de humedad. Constantan) ºC) temperatura bajo. Bueno a temperaturas bajas Tipo J 0.3 – 0.5 A partir de 760 ºC se Resistente (Hierro- % (1.1- ~ 0.11 ºC 550 ºC descalibra de forma Económico. Const) 2.2ºC) permanente. Tipo K Resistente 0.8 % (Cromel- ~ 0.11 ºC 1100 ºC Más caro que T o J. Linealidad. (±3ºC) Alumel) 4. Termoresistencias (RTD).  Fundamento. Un material conductor experimenta un incremento de su resistencia eléctrica al aumentar su temperatura. En algunos conductores metálicos esta dependencia entre resistencia y temperatura es aproximadamente lineal, en un rango amplio. 12 Regulación y control Tema 2 La relación entre estos factores puede verse en la siguiente expresión matemática: donde: R0: Resistencia del material a 0ºC (en ohmios). Valor de referencia. RT: Resistencia a la Tª medida (en ohmios). α: Coeficiente de temperatura de la resistencia (1/ºC). Las principales características que debe reunir un conductor para poder utilizarlo como material para la medición de temperatura a partir de su variación de resistencia eléctrica son: 1. Linealidad en el rango de medida. 2. Valores elevados de Ro y α, lo que garantiza una buena sensibilidad al sensor. 3. Estabilidad en sus propiedades, lo que implica una buena repetitividad en la medida. 4. Rigidez y ductilidad del material (así se puede enrollar fácilmente utilizando hilos muy finos del material). Algunos de los materiales que reúnen estas propiedades y son utilizados para la construcción de termorresistencias son el Platino (Pt), el Níquel (Ni), y el Cobre (Cu). Sin embargo, es el platino el material por excelencia que destaca por su exactitud y estabilidad con el único inconveniente del coste del material. En la industria se acostumbran a utilizar las sondas que tienen una resistencia de 100 Ω a 0 ºC, conocidas como Pt100. Características de las termorresistencias según el metal utilizado en su construcción Coeficiente de Rango de Diámetro Resistencia Resistividad temperatura temperatura mínimo del Coste de la sonda a Precisión Metal (μΩ/cm) (1/ºC) relativo (ºC) (ºC) hilo (mm) 0ºC Platino 9,83 0,00385 -200 a 950 0,05 Alto 25,100,130 0,01 Níquel 6,38 0,0063-0,0066 -150 a 300 0,05 Medio 100 0,5 13 Regulación y control Tema 2 Cobre 1,56 0,00425 -200 a 120 0,05 Bajo 10 0,1 El níquel es más barato que el platino y posee una resistencia más elevada con mayor variación por grado, sin embargo, tiene como desventaja la falta de linealidad en su relación resistencia temperatura y las variaciones que experimenta su coeficiente de resistencia según los lotes fabricados. El cobre tiene una variación de resistencia uniforme, es estable y barato, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad lo que se traduce en una baja sensibilidad comparado con el platino.  Características constructivas. En la construcción del sensor, el hilo de material conductor se enrolla para conseguir una longitud de material que provoque una elevada resistencia. De esta manera se consigue que el resto de resistencias del montaje sean comparativamente despreciables. Las que llevan enrollado el hilo de resistencia están encapsuladas y situadas dentro de un tubo de protección o vaina de material adecuado al fluido de proceso (acero, acero inoxidable 304, acero inoxidable 316, hastelloy, monel) de forma parecida a los termopares. En muchos casos es imposible diferenciar los termopares de las termorresistencias solo por su apariencia externa ya que son físicamente iguales. Algunas de las características del equipo, códigos o referencias que el fabricante marque en el exterior del cabezal pueden servirnos para identificar de qué tipo de sensor se trata. 5. Termistores. Aunque los termistores se utilizan en menor grado en la industria química, tienen muchas aplicaciones en otros campos como, por ejemplo, la electrónica. Al igual que las termorresistencias, los termistores se basan en la variación de la resistencia eléctrica que experimenta un material, pero en este caso se trata de un semiconductor, cuando cambia la temperatura. En la gran mayoría de casos este semiconductor se trata de un óxido de un metal. 14 Regulación y control Tema 2 La gran diferencia con las RTD es la evolución de la resistencia con la temperatura, fuertemente no lineal y valores de resistencia de una escala superior. A continuación se muestra cuál es la forma que representa la variación de la resistencia en función de la temperatura. Donde: R: Resistencia eléctrica (Ohmios). Ro: Resistencia de referencia a la temperatura de referencia (Tr). T: Temperatura (ºC o K). Tr: Temperatura de referencia (ºC o K). α: coeficiente variable en función de la temperatura. Como los valores de resistencia absolutos son muy grandes, una de las grandes virtudes de este tipo de sensores es su gran sensibilidad, es decir, mucha variación de resistencia por un incremento pequeño de temperatura. También se observa la no linealidad entre Resistencia y Temperatura. Esta característica limita el uso de los termistores a rangos de trabajo muy pequeños, aunque con una gran resolución. Los termistores se clasifican en 2 grandes grupos: NTC (coeficiente de temperatura negativo- acrónimo en inglés- Negative Temperature Coeficient): al subir la temperatura la resistencia disminuye (inversamente proporcional). La gran mayoría de termistores son de este grupo. PTC (coeficiente de temperatura positivo- acrónimo en inglés- Positive Temperature Coeficient): al aumentar la temperatura también aumenta la resistencia (directamente proporcional). 15 Regulación y control Tema 2 Los termistores se fabrican mediante la sinterización a elevadas temperaturas de mezclas de óxidos puros de Níquel, Cromo, Cobalto, Hierro y Manganeso. Para medir el incremento de temperatura, simplemente hay que hacer pasar la corriente eléctrica por el termistor (corriente de excitación) y leer directamente la resistencia o el microamperaje que pasa por el circuito. Algunas de las características más importantes de los termistores es que son baratos y pueden tener un tamaño muy pequeño, esto se traduce también en un tiempo de respuesta prácticamente inmediato. La apariencia exterior de los termistores puede ser idéntica a la de los termopares o termoresistencias, si se montan con vaina protectora, aunque también por sus características puede localizarse en elementos muy pequeños de la construcción (por ejemplo tornillos). 6. Pirómetros de radiación. Por último, en este apartado verás cómo se puede realizar la medida de la temperatura por pirometría. Aunque te parezca un sistema complicado o sacado de una película de ciencia ficción, la pirometría tiene sus aplicaciones, normalmente cuando ninguno de los sensores de temperatura estudiados con anterioridad se pueden utilizar. Los pirómetros de radiación miden la temperatura de un objeto sin contacto físico con él. Se basan en la ley de Stefan-Boltzman: Se basan en el principio de que todas las sustancias a cualquier temperatura por encima de cero grados absolutos irradian energía como resultado de la agitación atómica asociada a su temperatura. 16 Regulación y control Tema 2 De esta forma un pirómetro consiste en un sistema óptico que recoge la energía radiada y la concentra sobre un detector, que genera una señal proporcional a su temperatura. La energía radiante emitida depende, como se ha dicho, de la temperatura pero también de la naturaleza de la superficie del cuerpo. Esto plantea la necesidad de definir un radiador ideal, al que llamaremos "cuerpo negro" que tiene la propiedad de absorber el máximo de energía por unidad de superficie, sin reflejar energía. No existe ninguna superficie real con estas características, aunque un recinto cerrado con un pequeño orificio de entrada se puede comportar como tal. De hecho, se utilizan estos objetos para la calibración de los pirómetros. De la definición de cuerpo negro se puede deducir que en los materiales reales, la energía emitida siempre será un poco inferior a esta idealidad, habrá una parte de energía reflejada. Así pues, habrá que saber cuál es la emisividad, factor de corrección entre el valor real y el de cuerpo negro, que será diferente en función del material. Valores de la emisividad (energía radiante emitida real/ energía radiante emitida por cuerpo negro a la misma temperatura) de algunos materiales Material Emisividad Asfalto 0.95 Latón 0.5 Cerámica 0.95 Hierro 0.98 Papel 0.95 Pintura 0.93 17 Regulación y control Tema 2 Arena 0.9  Aplicaciones y tipos de pirómetros de radiación. ¿No parece sorprendente que se pueda medir la temperatura a distancia? Esta propiedad nos brinda la oportunidad de medir esta variable en situaciones extremas que con otros sensores sería imposible. De todo lo que hemos aprendido de los pirómetros no es difícil deducir que la medida de temperatura mediante uno de estos sensores es muy complicada, principalmente porque hay que calibrar el equipo para cada material que se quiera medir. Afortunadamente, en muchas aplicaciones dónde se usan estos detectores es más importante la repetitividad de la medida que su exactitud. De hecho, estos equipos sólo se utilizan cuando termopares, termistores o termoresistencias no son útiles, y es que hay numerosas circunstancias dónde el pirómetro es la única opción si se quiere medir la temperatura: El uso del pirómetro esta especialmente recomendado en los siguientes casos:  Para medir altas temperaturas (superiores a 1700ºC).  Para la medida en superficies sólidas.  Para la medida en objetos en movimiento.  Cuando se desee una gran velocidad de respuesta en sistemas que cambian la temperatura bruscamente.  Cuando las condiciones mecánicas (vibraciones, choques) y ambientales reduzcan la vida de otro tipo de sensores. Los pirómetros de radiación se pueden clasificar según su principio de medida: Pirómetros de radiación total. Es capaz de medir toda la energía emitida por el cuerpo y por eso es utilizable por medir temperaturas inferiores a 0ºC hasta más de 3000ºC. Pirómetros de banda estrecha. Este tipo de pirómetro solo mide determinadas longitudes de onda de la radiación emitida por el cuerpo. Es utilizado por la medida de la temperatura de 18 Regulación y control Tema 2 cuerpos transparentes. Al sólo analizar parte específica de la radiación, se evita medir la T de los cuerpos que están situados detrás del cuerpo transparente que interesa. Pirómetros de dos colores. Solo mide la radiación emitida a dos longitudes de onda muy próximas. Este efecto mejora la precisión de la medida en atmósferas con presencia de agentes dispersantes (polvo, vapor de agua, dióxido de carbono). Pirómetros ópticos. Solo mide la parte de radiación emitida en el espectro visible. Al captar la radiación en un cierto rango, solo es utilizable a temperaturas superiores a los 600 ºC. Se compara el color del objeto con el de un filamento incandescente situado en el interior del equipo. Cuando el color del objeto y el filamento coinciden, la temperatura del filamento es la misma que la del objeto analizado. 7. Elección del sensor de temperatura. ¿Qué sensor de temperatura escoger? Esta es la pregunta que intentamos responderte en la siguiente tabla resumen. Según las necesidades de tu aplicación, usando esta tabla serás capaz de escoger el sensor idóneo. A continuación se presenta en forma de tabla, un exhaustivo resumen dónde se pueden analizar las principales características de cada uno de los captadores de temperatura. Resumen de las principales características de los cuatro grandes 19 Regulación y control Tema 2 grupos de sensores de Temperatura Característica Termopar Termistor Termoresistencia Pirómetros Rango de operación -200 a 1700 -195 a 450 -250 a 650 -40 a 3000 (ºC) ± 2,2 ºC (0ºC) ± 9,4 ± 0,2 ºC (25ºC) ± 0,1 ºC (0ºC) 1.3ºC Exactitud típica - ± 0,5 % ºC (1250 ºC) ± 1ºC (150ºC) (650ºC) Deriva < ± 5ºC/año < ± 0,1ºC/año < ± 0,1ºC/año n.d. Alcance mínimo (ºC) 20 1 5 100 a 500 Alcance máximo (ºC) Todo el rango. 100 Todo el rango. n.d. Tiempo (s) de 1 1 3 n.d. respuesta (63 %) Repetibilidad (ºC) 0,11 0,03 a 0,11 0,04 Muy buena. Linealidad Buena. Pobre. Excelente. Muy pobre. De forma más general, se pueden resumir las diferencias entre los sistemas de medida de la temperatura según las ventajas y desventajas que presentan ante los otros tipos. De esta forma te será más fácil saber cuáles son las virtudes y defectos de los sensores de temperatura estudiados. Tabla resumen de ventajas y desventajas de los cuatro tipos de sensores de temperatura estudiados Ventajas Desventajas  Capacidad para medir Tª  Máxima deriva. elevadas.  Requiere una continua Termopar  Respuesta rápida. compensación (mantenimiento).  Adaptables a la mayoría de  Baja señal de salida ambientes de trabajo.  Gran precisión y estabilidad en  Frágil. amplios alcances. Termoresistencia  Sujeto a errores de  Señal de salida mayor que en autocalentamiento. termopar (no hace falta amplificarla). 20 Regulación y control Tema 2  Máxima  Poco alcance. sensibilidad.  No puede medir temperaturas muy Termistor  Tamaño reducido. elevadas.  Respuesta rápida.  Sujeto a errores de  Bajo precio. autocalentamiento.  Única opción a temperaturas superiores a 1700ºC.  Linealidad muy pobre. Pirómetros  No requiere contacto con  Precio Elevado. el material.  Excelente repetibilidad. 21 Regulación y control Tema 3 Tema 3.- Sensores de nivel. 1. Introducción: Una de las tareas más comunes en la industria es la medida de los niveles de líquido o sólido en un tanque, reactor, columna, recipiente o silo. Cuando se piensa en la medida de nivel, lo más común es hacerlo únicamente en la medida de la interfase entre líquido-gas o sólido-gas, pero algunas veces también se desea medir el nivel entre dos líquidos inmiscibles (ej. agua y aceite) o entre líquido-sólido. Desafortunadamente, no existe un sensor de nivel "universal", sino que se debe elegir en función de las características del tipo de control que se deseé. El grado de complejidad de la medida depende tanto las propiedades del líquido (viscosidad, si es corrosivo, sólidos en suspensión) o del sólido (fluidez, medida, ángulo de talud) como de las condiciones de trabajo (tanque abierto en la atmósfera o a cerrado a presión, temperatura de operación, agitación, espumas). Dependiendo del tipo de control que se quiera realizar, la medida de nivel se realizará únicamente en uno o dos puntos (lectura todo o nada) o para conocer con precisión la altura exacta (lectura proporcional). En el primer caso nos referiremos a estos sensores como interruptores (en inglés switch) de nivel y en el segundo hablaremos de medida continua de nivel. El nivel se puede medir por métodos directos, donde se mide el desplazamiento de la superficie mediante sistemas ópticos, ultrasónicos, flotadores, o indirectos donde se relaciona con otros variables (presión hidrostática, peso, propiedades eléctricas, radiación, etc..). Existen una variedad enorme de sensores de nivel, pero en este apartado se verán solamente los más utilizados. Sin embargo, la medida directa de nivel en sólidos está sujeta a unas ciertas particularidades que complican su indicación. La superficie libre de un sólido granulado no es horizontal, sino que lo hace de forma angular, conocido como ángulo de talud. Este ángulo depende de la humedad y la medida de las partículas. Por ejemplo, cuando se acumula grano de trigo este lo hace en forma de montículo de unos 30º, y el cemento oscila entre 30º y 45º, principalmente en función de la humedad. El problema se agrava cuando el tanque se vacía, ya que la montaña central se acaba convirtiendo un agujero cónico, por tanto, si se mide el nivel de sólido en el centro del silo se cometerá un importante error en función de la 22 Regulación y control Tema 3 operación que se realice. Las soluciones a este problema pasan por buscar un sistema de agitación mecánico o por vibración que nivelen el sólido o realizar la lectura a una distancia de 1/6 del diámetro del tanque. En este último caso, da la casualidad que independientemente del ángulo de talud, o si el tanque se está llenando o vaciando, medir a una distancia de 1/6 del diámetro del tanque es equivalente a si se hiciera con el sólido homogéneamente distribuido horizontalmente. La lectura de nivel en sólidos en algunos casos puede comportar muchos problemas y de diferente tipología en función de la naturaleza, tamaño o dimensiones del recipiente. Pero siempre se puede encontrar una solución gracias a la gran cantidad de diferentes captadores de nivel existentes en el mercado. 2. Unidades y conversiones. Antes de empezar a describir los diferentes tipos de sensores, repasa en que unidades se mide el nivel. Ten en cuenta que mucha de esta instrumentación proviene de países anglosajones. Esto significa que la unidad utilizada son los pies y pulgadas. ¿Sabes pasar una altura de pies a metros? Normalmente el nivel de un tanque se mide en unidades de longitud, aunque en algún caso aislado se utilice el volumen para indicar esta variable. La unidad del Sistema Internacional será el metro (m), utilizando sus submúltiplos en caso que sea necesario. La fuerte influencia del mundo anglosajón en el campo de la industria, y más concretamente en la instrumentación, implica que constantemente debamos utilizar otros sistemas de unidades con los que no estamos familiarizados. Las hojas técnicas o documentación de calibrado de un sensor que provenga de estos países son claros ejemplos de situaciones en la que habrá que utilizar la conversión entre unidades para adaptar estos equipos a nuestros procesos. Las unidades de longitud utilizadas para la medida de nivel en países con influencia inglesa o americana son principalmente los pies (ft- Foot), las pulgadas (inch) y yardas (yard). En la siguiente tabla se especifican las diferentes relaciones entre los dos sistemas de unidades. 23  Regulación y control Tema 3 Tabla de conversión de la unidad de longitud entre Tabla de conversión de las unidades de el Sistema Internacional a sistema imperial longitud utilizadas por el sistema imperial a sistema Internacional Sistema Internacional Sistema Imperial Sistema Internacional Sistema Imperial (SI) 1 pulgada 0,0254 metros. =39,370 pulgadas (inch). 1 pie 0,3048 metros. 1 metro =3,281 pies (foot). 1 yarda 0,9144 metros. =1,0936 yardas (yard). Hay que irse familiarizando con estas medidas a partir de su equivalencia con el sistema que utilizamos como referencia, el sistema internacional, ya que muchos sensores se fabrican en países anglosajones y usan por defecto el sistema imperial. 24 Regulación y control Tema 3 3. Sensores de nivel basados en la densidad. Imagínate que tienes una botella de agua de litro y medio y no puedes ver la cantidad de líquido que contiene en su interior. Si te pidiera que me dijeras aproximadamente cual es el nivel de líquido en su interior, seguramente lo primero que harías es levantarla y según su peso, me contestarías con más o menos acierto. Lo que estarías haciendo no es más que establecer una relación entre peso y volumen, es decir, utilizando la densidad para predecir el nivel de líquido. Pues esto es lo que se expone a continuación, diferentes sensores de nivel que utilizan esta propiedad de los líquidos y sólidos.  Medidor de nivel por pesada (líquido y sólido). Un método práctico y fácil para medir niveles de líquidos o sólidos es pesar el recipiente con el producto y compararlo con el peso del recipiente vacío. Si la densidad del material es aproximadamente constante y su distribución en el interior homogénea, se puede establecer una simple relación lineal entre peso y nivel. El montaje es simple, se coloca todo el tanque encima una báscula o sobre células de carga colocadas en cada una de las patas del recipiente. La precisión depende del método de pesada utilizado, puede variar de ±0.5 % a ±1 %. Las tuberías conectadas a estos tanques pueden ejercer tensiones que falseen la medida, en estos casos se utilizan tramos de tubería flexible que liberen de tensiones el recipiente. El sistema es relativamente caro, sobre todo en el caso de grandes silos o si se trabaja a altas presiones y temperaturas. 25 Regulación y control Tema 3  Flotador (sólo líquido). Una forma muy usual cuando se pretende medir grandes variaciones de nivel, o bien detectar un nivel de líquido en un punto determinado, es el de utilizar un flotador de baja densidad que sube o baja en función del nivel de líquido. Este sistema se utiliza en los interruptores de nivel con el fin de dar alarmas de bajo o alto nivel, así como para medir el nivel en los tanques de almacenamiento que generalmente tienen una altura considerable. La principal limitación de uso es la presión en el recipiente, que puede llegar a aplastar el flotador. Normalmente se deberá consultar en los catálogos de los fabricantes ya que eso dependerá del tamaño, forma y material del flotador, aunque su uso por encima de presiones de 50 kg/cm2 es extraño. En este caso, se deberá utilizar algún otro método como puede ser la medida por desplazamiento. En los interruptores de nivel, el flotador está montado en el extremo de una varita que pivota en la pared del recipiente. Cuando el nivel del líquido sube, la varita del flotador llega a tener una posición horizontal, haciendo funcionar el interruptor y provocando la acción deseada, que generalmente es una alarma o parada de algún elemento del proceso en el que esté incluido el recipiente. La conexión del flotador puede ser de tres tipos: directa, magnética o hidráulica. 26 Regulación y control Tema 3  Flotador conectado directamente. Está unido por un cable que desliza con 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 gasóleo. Tiene el inconveniente de que las partes móviles están expuestas al fluido y pueden romperse. El tanque no puede estar sometido a presión y además el flotador se debe mantener limpio.  Flotador acoplado magnéticamente. Este se desliza exteriormente a lo largo de un tubo guía sellado, situado 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 además puede ser un transmisor neumático o eléctrico.  Flotador acoplado hidráulicamente. Su movimiento actúa sobre un fuelle de tal manera que varía la presión de un circuito hidráulico. Como ventaja decir que se puede utilizar en tanques cerrados. Pero necesita una instalación y calibración compleja, tiene partes móviles al interior del tanque, característica que aumenta notablemente sus posibilidades de mal funcionamiento. Los instrumentos de flotador tienen una precisión de ± 1 – 2 %. Son convenientes en la medida de niveles en tanques abiertos y cerrados a presión o al vacío, y son independientes del peso específico del líquido (independientes de la naturaleza del líquido). Por otro lado, el flotador se puede agarrotar en el tubo guía por un eventual depósito de los sólidos o cristales que el líquido pueda contener y además los tubos guía muy largos pueden sufrir desperfectos ante las ondas bruscas en la superficie del líquido o ante la caída violenta del líquido en el tanque. En general, los flotadores no se recomiendan para la medida de niveles de sólidos, ya que pueden quedar sepultados cuando se llene el tanque. 27 Regulación y control Tema 3  Medidores de nivel : peso y cable (sólo sólido). Este sistema es semejante al del flotador de líquidos, con la única diferencia de sustituir el flotador por un peso. Así pues, el peso es suspendido mediante un cable o cinta de un tambor movido por un motor el cual larga cable hasta que el peso toca el material el nivel del que se quiere medir. Este material debe ser de tipo polvoriento o granulado y el peso debe tener una sección suficiente para la que no se hunda en el material cuando llega a contactar con él, momento en que se para el motor indicando el nivel. Si el nivel sube, el peso deja de colgar, con lo cual el motor arranca recogiendo el cable hasta que el peso vuelve a quedar en equilibrio. El aparato es simple, proporciona una medida continua y es insensible al polvo, la humedad y a las variaciones de temperatura. La precisión es de ±3 a ±5 cm.  Desplazador (sólo líquidos). Este método de medida del nivel, se basa en el principio de que un cuerpo sumergido en un fluido experimenta una pérdida de peso equivalente al peso del fluido que desplaza. Así pues mediante la medida del peso aparente de un cilindro sumergido en un fluido, se obtendrá una medida de nivel. Cuando el nivel sube, el peso aparente del cilindro baja en proporción lineal con el nivel. 28 Regulación y control Tema 3 Consiste en un flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión unido rígidamente en el tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varita que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior al tanque. Este instrumento se puede utilizar tanto en tanques cerrados como abiertos, a presión o a vacío, tiene una buena sensibilidad pero presenta el inconveniente del riesgo de depósito de sólidos o de crecimiento de cristales en el flotador que afectan a la precisión de la medida y sólo es apto para la medida de pequeñas diferencias de nivel (2000 mm máximo). Es un dispositivo muy sensible a las vibraciones externas y a las perturbaciones del proceso, por eso es conveniente montarlos fuera y no dentro del recipiente. Se puede utilizar hasta temperaturas de 600 ºC, también son relativamente insensibles a la presión. Como principales inconvenientes de este sistema, a parte de los depósitos en el desplazador antes comentados) son los fluidos corrosivos que pueden interferir el trabajo del tubo de torsión o de cualquiera de las partes móviles que no estén protegidas provocando averías graves e incluido la inutilización del medidor. 29  Regulación y control Tema 3 Lógicamente, variaciones de la densidad provocan errores de medida, por lo que no acostumbran a utilizarse en sistemas que la variación de esta variable sea importante durante el proceso. La precisión es del ± 0.5 % al ±1 %.  Manométrico (para líquidos y sólidos). La presión hidrostática del líquido al fondo del recipiente está directamente relacionada con el nivel de líquido: P2: Presión a la parte inferior del del tanque. (Pa). P0: Presión de la fase gaseosa superior del tanque. ρ: Densidad (Kg/m3). g: Constante gravitatoria (9,81 m/s2). h: Altura o nivel de líquido (m). Si el tanque está abierto en la atmósfera sólo hay que hacer una medida al fondo del tanque (P0=1 atm o 101325 Pa), y a partir de la presión calcular h, el nivel de líquido. Es condición indispensable conocer la densidad del líquido, si no es posible conocer con exactitud esta variable este sistema de medida puede dar lugar a importantes errores. La presión se puede medir con manómetros tipo fuelle, diafragma o tubo Bourdon (ya lo estudiarás a fondo cuando llegues al apartado de sensores de presión). Si el tanque está a presión, hay que medir también en la parte superior mediante un manómetro (sensor de presión) con el fin de conocer la diferencia de presión entre la parte superior y la inferior. En este caso la ecuación se simplifica de la siguiente forma ΔP: Diferencia de presión (Pa). 30 Regulación y control Tema 3 En este caso, con el valor de la presión en el fondo del tanque (P2) y la presión de la fase gas en la parte superior del tanque (P0), se calcula el valor del nivel (h), puesto que se conoce la densidad y la constante gravitatoria. Si la densidad del tanque varía (contenido de concentración variable), se puede calcular la altura a partir de dos lecturas de la presión a diferentes alturas (distancia entre sensores conocido) y la presión del tanque. Utilizando la diferencia de presión entre los dos sensores sumergidos: Se puede calcular la densidad del líquido conociendo la diferencia de altura (m) entre los dos sensores (d= h2-h1). Así pues, reordenando los términos de la ecuación anterior se obtiene Conocida la densidad, finalmente se puede calcular el nivel del líquido utilizando la medida de la presión de gas a la que está sometida la parte superior del tanque y la presión de la parte inferior del mismo: En el caso de sólidos, la medida de la presión que ejerce la altura de sólido en el fondo de recipiente o las mismas patas se puede relacionar fácilmente con la altura de sólido.  Burbujeo (sólo líquidos). Básicamente consiste en un tubo sumergido en el recipiente hasta el nivel mínimo y mediante un regulador de presión se hace pasar por el tubo un pequeño caudal de gas inerte o de aire, hasta que burbujee por el extremo de este tubo. La presión necesaria para producir este flujo constante de burbujas, es exactamente igual a la columna del líquido, es decir, al nivel. 31 Regulación y control Tema 3 El regulador de caudal permite mantener un caudal de aire constante a través del líquido independientemente del nivel (suele ser de unos 150 L/h). La tubería utilizada suele ser de ½ pulgada con el extremo biselado con el fin de facilitar la formación de las burbujas. La precisión está directamente relacionada con la densidad, sin embargo, si esta es constante, la precisión puede estar entre el ±1 % y ±2 %. No se recomienda en el caso de fluidos muy viscosos donde las burbujas formadas por el aire tengan el riesgo de no separarse rápidamente del tubo. Nada aconsejable para líquidos volátiles y que produzcan espumas. Tampoco es utilizado para tanques a presión, porque la variación de presión al tanque falsea la medida. 4. Sensores de nivel basados en propiedades eléctricas La electrónica es una gran aliada en el mundo de la instrumentación. Muchos son los sensores basados en propiedades eléctricas capaces de medir variables como el nivel. ¿Quieres conocer algunos de ellos?  Sensor de nivel resistivo o conductivo (líquidos y sólidos). La mayor parte de los líquidos pueden, en mayor o menor grado, conducir el corriente eléctrico. La resistividad (inversa de la conductividad) varía desde cero en algunos ácidos y soluciones hasta 200000 ohmios en el agua destilada. Así pues, el nivel de un líquido puede ser detectado con sondas que midan la conductividad en un punto dado cuando el líquido conductor llega el electrodo. El mismo concepto se puede utilizar para la medida continua de nivel, mediante una sonda que sea conductora en toda su longitud y siguiendo la diferencia 32 Regulación y control Tema 3 de potencial entre dos puntos (polo positivo y negativo) cuando se va cubriendo la superficie de la sonda. En ambos casos, en la medida puntual y continua del nivel, la precisión depende de la conductividad. A menos conductividad peor precisión. Desde el punto de vista constructivo, el sensor consiste en uno o varios electrodos y un relé eléctrico o electrónico que es excitado cuando el líquido moja los electrodos. El líquido debe ser suficientemente conductor para excitar el circuito electrónico, y de esta manera el aparato puede distinguir la separación entre el líquido y su vapor, tal como pasa, por ejemplo, en el nivel de agua de una caldera de vapor. El instrumento es robusto, ya que no tiene partes móviles que se puedan romper o atrancar. Su campo de medida es grande con la limitación física de la longitud de los electrodos, aunque si se instala con la única función de detectar o no nivel (interruptor), se puede colocar en el lateral del recipiente, como se aprecia en la imagen. El líquido contenido en el tanque debe tener un mínimo de conductividad y si su naturaleza lo exige, el potencial transmitido debe ser bajo con el fin de evitar el deterioro del producto. Por otro lado, conviene que la sensibilidad del aparato sea ajustable con el fin de detectar la presencia de espuma en caso necesario. Normalmente los depósitos y recipientes metálicos son conductores, utilizándose como terminales de retorno. Si el depósito es de plástico o sustancia no conductora, es necesario utilizar una segunda sonda como terminal de retorno. En la medida de nivel en sólidos, este sensor es bueno en el caso de fangos, pero no mucho en el caso de sólidos polvorientos o grandes. Los sólidos deben tener una conductividad eléctrica apreciable para poder excitar el circuito.  Sensor de nivel basado en la capacidad (líquidos y sólidos). Este sensor de nivel mide la capacidad del condensador formado por 33 Regulación y control Tema 3 electrodo sumergido en el líquido y las paredes metálicas del tanque o recipiente (realiza la función de sonda). La capacidad se puede definir como la magnitud física que define la facultad de un cuerpo para almacenar carga eléctrica. Así pues, la carga eléctrica que puede almacenar un tanque de líquido es directamente proporcional a su nivel. Se relaciona de forma directa la cantidad de energía que es capaz de almacenar el sistema entre las dos placas y la cantidad de material existente. En caso de que el tanque no sea metálico, se soluciona el problema introduciendo dos sondas. El valor de la capacitancia es cuantificado en Faradays (F) y depende de la constante dieléctrica del medio. Si las condiciones de operación varían (variaciones de composición, Temperatura, humedad o presión), el valor de la medida será erróneo (con más o menos intensidad en función de la variación de la constante dieléctrica). Normalmente son empleados para conocer el valor exacto del nivel, sin embargo, también pueden ser utilizados como interruptores de nivel (on-off), aunque no es muy común. La exactitud de este sistema de medida es de ±1 %. Se caracterizan por no tener partes móviles, son ligeros y resistentes a líquidos corrosivos. 5. Sensores de nivel basados en ondas electromagnéticas. Las ondas electromagnéticas son sin duda una de las mejores soluciones para medir el nivel. Estos últimos años se están comercializando un sinfín de sensores basados en este principio que se pueden usar en muchísimas aplicaciones. Además su precio cada vez es más competitivo. ¿Quieres saber cómo funcionan por dentro?. 34 Regulación y control Tema 3 La medición de nivel por ultrasonidos es una de las más utilizadas. La medición del nivel por radar o con láser es también utilizada en la industria. Sin embargo, sus aplicaciones son más concretas y se instalan cuando otras sensores más baratos no son capaces de medir con precisión. Su principio de medida es parecido al sensor ultrasónico, sólo que sustituimos el sonido por microondas o luz.  Medida de nivel por ultrasonidos (líquidos y sólidos). Se basa en la emisión de un impulso ultrasónico sobre una superficie reflectora y la recepción del eco del mismo en un receptor. El retraso en la captación del eco o lo que es lo mismo el tiempo transcurrido entre el envío y la recepción es inversamente proporcional al nivel de líquido o sólido Los sensores trabajan a alta frecuencia a más de 20 kHz (fuera del rango de audición humano). Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión el medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del sólido o del líquido. El montaje del sensor puede realizarse de muchas maneras según si se quiere utilizar como interruptor para activar alguna alarma o para la indicación continua de nivel. Aunque lo más común es instalarlo a la parte superior del equipo, también se puede realizar la medida desde la parte inferior, donde se detectará el cambio de medio. En este caso, el tiempo de captación de eco es proporcional al nivel de líquido. Si se desea indicación continua de nivel, la fuente ultrasónica genera impulsos periódicos que son detectados por el receptor una vez ha transcurrido el tiempo correspondiente de ida y vuelta de la onda a la superficie del líquido o sólido. La precisión de estos instrumentos es de ±1 % a ± 3 %. Son aconsejables para todo tipo de tanques y de líquidos o fangos. Se pueden construir a prueba de explosión. Son capaces de realizar una medida con atmósferas cargadas de polvo y humedad. Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar señales erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida, como es el caso de un líquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos. La temperatura afecta a la indicación del nivel por ultrasonidos, por tanto, hay que compensarla con una medida constante de esta variable. Es utilizado para medir sólidos, fangos y las interfases entre sólidos y líquidos en suspensión. La precisión está entre ±1 % y ±2 %, pudiendo poner el receptor y el 35 Regulación y control Tema 3 transmisor tanto por bajo como por encima de la superficie de la interfase.  Medida de nivel por radar de microondas (líquidos y sólidos). El sensor de nivel por microondas es capaz de medir el nivel de sólido o líquido bajo las condiciones de trabajo más extremas. Impulsos continuos de microondas extremadamente cortos se envían sobre el producto a medir, siendo reflejados por la superficie del producto y captados nuevamente por el sensor. Cuando esta onda percibe una discontinuidad en el medio, por ejemplo un cambio en la constante dieléctrica entre el medio (aire) y el producto de proceso (líquido o sólido), parte de esta señal es reflejada. Se propagan a la velocidad de la luz y el tiempo que pasa entre la emisión y la recepción es inversamente proporcional al nivel. La constante dieléctrica es la capacidad de un medio para almacenar carga eléctrica. Cada producto tiene una constante dieléctrica diferente, siendo, por ejemplo, 1 al vacío y 80 para el agua. Las ondas electromagnéticas se desplazan a una velocidad conocida al vacío. Cuando estas ondas se desplazan en otro medio la velocidad esta se reduce en función de su constante dieléctrica, a mayor valor de la constante, menor es la velocidad. La constante dieléctrica de un medio es función de la temperatura, humedad 36 Regulación y control Tema 3 y a veces de la presión. A la práctica, cada producto incluso con el mismo nombre tiene un dieléctrico diferente. Estas alteraciones pueden afectar de forma directa al cálculo del nivel. Algunos de los sensores de microondas son capaces de calcular, mediante algoritmos matemáticos a partir de la respuesta, cuál es la constante dieléctrica del producto, aumentando la precisión de la medida. En líquidos son capaces de penetrar por espumas e incrustaciones (que tienen constantes dieléctricas muy diferentes al líquido), resultando una buena solución para condiciones de trabajo difíciles. La señal de nivel es independiente de la temperatura, humedad, presión, composición del medio. En la medida para niveles de sólido, la estructura y forma del tanque no interfieren en la señal, así como las incrustaciones que puede haber en las paredes. Pueden realizar la medida de más de 70 m y no quedan afectados por el polvo y corriente de aire. Es empleado cuando se necesita una señal de calidad en sistemas que varían continuamente las condiciones de trabajo.  Medida del nivel con láser (líquido y sólido). Cuando las condiciones de trabajo son extremadamente duras y el resto de sensores de nivel no funcionan como sería deseable, se puede utilizar el medidor de láser. Algunas de estas aplicaciones pueden ser la medida de un recipiente con metal fundido, dónde se necesita medir el nivel sin entrar en contacto con él y a gran distancia por el calor extremo del líquido. El sistema consiste en un rayo láser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radianton) enviado en forma de pequeños impulsos sobre la superficie del líquido, que rebota y vuelve reflejada al receptor del mismo equipo. De forma parecida al detector de nivel por radar de microondas, a partir del tiempo que tarda la señal en chocar contra la superficie medida y volver al receptor se puede calcular la distancia entre el sensor y el líquido o sólida. Esta distancia es inversamente proporcional al nivel que se quiere conocer. El sistema de medida con láser no es influido por la temperatura, ni presión, ni por turbulencias, ni por cambios en la constante dieléctrica del material a medir. Ideal en tanques con muchas obstrucciones por su poca dispersión de la señal (unos 5 cm), de esta forma se puede instalar en pequeños orificios sin que le afecten agitadores, deflectores u otros accesorios insertados en el interior de los recipientes. 37 Regulación y control Tema 3 La velocidad de toma de datos puede llegar a ser de tres lecturas por minuto, más que suficiente para la gran mayoría de aplicaciones industriales. Conocidos los efectos negativos de la radiación láser en la vista, apuntar que se limita la potencia de esta en los sensores a límites inferiores a los considerados como perjudiciales para que no sea necesario llevar gafas al trabajar con él. 6. Sensores de nivel basados en la viscosidad. Los siguientes sensores que se presentan son interruptores de nivel que realizan algún movimiento muy sensible y cuando el sólido los cubre, dejan de moverse provocando el accionamiento de un interruptor. Su principio de funcionamiento puede parecerte muy sencillo, pero te garantizamos que son una buena solución para conocer si el nivel de sólido ha llegado a la altura del sensor.  Medidores de nivel por paletas rotativas (sólidos). Para la detección de la medida de niveles de sólidos en forma de polvo o granulado se utiliza un dispositivo consistente en una rueda con unas paletas que giran despacio (aproximadamente a 10 rpm). Al subir el nivel, el producto obstruye la rotación de las paletas y esto provoca un aumento de corriente en el motor, indicando la presencia del producto. El eje de las palas puede ser flexible o rígido para adaptarse así a las diversas condiciones de trabajo dentro del silo (caída de producto, deslizamiento del producto, etc.). Este dispositivo es bueno para tanques abiertos o a baja presión (Máximo 10 Kg/cm2); Tienen una precisión de unos 25 mm y se utilizan preferentemente como detectores de nivel de materiales granulares. Pueden trabajar con materiales de densidad muy diversa y hay modelos a prueba de explosión (cumplen la normativa ATEX). Su instalación puede ser en el lateral o en la parte superior del tanque, en función de la altura a la que se desee conocer si el nivel de sólido ha llegado o no.  Detector de nivel por vibración (sólidos). 38 Regulación y control Tema 3 Sonda en forma de diapasón que vibra constantemente a 80 Hz (ciclos por segundo). Cuando el material cubre el diapasón las vibraciones se amortiguan, el dispositivo se para y activan la señal de un relé (interruptor). Sólo sirve como interruptor de nivel para sólidos. Sin embargo, puede trabajar en condiciones difíciles (corrosivos, altas presiones y temperaturas). Su instalación es normalmente lateral y es utilizado para la medida de gran variedad de polvos. 7. Elección del sensor de nivel. De forma resumida en una tabla, se pueden comparar algunas de las características de los principales sensores de nivel para líquidos. 39  Regulación y control Tema 3 Características principales de los sensores de nivel para líquidos Medida Temp. Trabajo Press. nivel Máx. con Densidad Sensor Interruptor Máx. Ventajas continua (ºc) espumas variable (atm.) Peso Sí Sí Atmosférica 60 Sí No Preciso. Simple, barato, independiente de la Flotador Sí No 400 250 No Sí naturaleza del líquido. Robusto, barato y buen Desplazador Sí No 100 170 No Sí funcionamiento con olas. Sí ( con 2 Manométrico No Ilimitado 150 200 Sí Barato. manómetros) Barato, versátil, Burbujeo No Ilimitado 400 200 No No trabajo con líquidos corrosivos. Resistivo o conductivo Sí No 80 200 No Sí Versátil. Resistencia a la Sí Sí 250 400 No No Capacitativo corrosión Ultrasonidos No Sí (0 a 400 200 No No Muy versátil. 30 m) Sí (0 a Radar Versátil. No 30 m) - - Sí Sí microondas Poco No necesita Láser Sí común(0 a 1500 No Sí contacto con el 2 m) - líquido. 40 Regulación y control Tema 3 Al igual que la tabla anterior, te presentamos en forma de tabla las principales características de los sensores para sólidos más utilizados. El objetivo de la misma es que la utilices para la elección de el sensor en función del uso que quieras darle. Características principales de los sensores de nivel para sólidos Tºmax Tanques Sensor Interruptor Continuo (Cº) cerrados Ventajas Desventajas Preciso y seguro, altas Peso No Si 900 Si temperaturas y Coste elevado. presiones. Partes móviles. Peso y cable No Si 60 No Sencillo. Poca resistencia mecánica. Se puede bloquear Respuesta por partes mecánicas. Manométrico No Si 300 Si rápida. Coste elevado El material tiene que Resistivo o Ideal por tanques ser conductor de la conductivo Si Si 300 Si electricidad. Hay que calibrar individualmente. No puede medida sólidos no Capacitativo No Si 150 Si Bajo coste. conductores. Materiales variados Ultrasonidos Si 150 Si Cumple Coste elevado. normativa ATEX. Radar Si Si 150 Si Versátil. Coste elevado. Todo tipo de Láser Si Si 1300 Si tanques. Coste elevado. Cumple normativa Paletas ATEX. Solo trabaja a bajas rotatorias Si No 60 No Puede trabajar presiones. con multitud Cumple Normativa ATEX. Solo trabaja a bajas Vibración Si No 100 No Muy robusto. presiones. 41 Regulación y control Tema 4 Tema 4: Sensores de presión 1. Introducción La presión y la temperatura son variables muy importantes en el control de un proceso, principalmente por seguridad (protección personal y de los equipamientos), especialmente en el caso de tener líquidos inflamables o corrosivos. Algunos de los accidentes más graves en la industria mundial han sido causados por la falta de control de la presión. Aparte de la importancia de mantener la presión controlada por motivos de seguridad, esta variable también tiene relación directa o indirecta sobre otras variables el proceso. Por ejemplo, en una columna de destilación la presión afecta directamente a la composición de salida del producto, es decir, su variación en el interior del equipo provoca un cambio de porcentaje de producto en la salida. Mirándolo desde otro punto de vista, sólo manteniendo la presión constante en el valor deseado se consigue obtener un producto de salida de la composición requerida, por lo que no hace falta utilizar complejos sensores para medir directamente cuál es su grado de pureza. Desde un punto de vista físico, se puede definir la presión (P) como la fuerza (F) que se realiza por unidad de superficie (S): La medida de esta magnitud física, la presión, se basa en cualquier caso en un desplazamiento físico de un líquido o pieza mecánica por la acción de una fuerza. No existe ningún tipo de sensor que mida directamente la presión por otro principio físico, a diferencia de otras magnitudes. Por ejemplo, el nivel de un tanque, que se puede medir a través de ultrasonidos o por propiedades eléctricas del fluido. La fuerza puede hacer variar la forma de un cuerpo. Cuando más grande es la variación de forma, más grande es también la fuerza que actúa sobre aquel cuerpo. Existe pues una proporcionalidad entre presión y deformación. Si somos capaces de medir y cuantificar este desplazamiento, estamos realizando la medida directa de la presión. El sensor de presión también es conocido como Manómetro. 2. Definiciones. 42 Regulación y control Tema 4 La presión se puede medir en valores absolutos o diferenciales, según el punto de referencia que se utilice. Es importante que aprendas a diferenciar los términos que se definen a continuación, puesto que el error en su interpretación puede tener nefastas consecuencias. La figura que se muestra a continuación puede ayudarte a ver las diferencias entre ellas.  Presión Absoluta: se mide en relación al cero absoluto de presión o vacío absoluto.  Presión atmosférica: es la presión ejercida por la atmósfera terrestre. Al nivel del mar, esta presión es próxima a 760 mmHg absolutos (unidades de presión).  Presión relativa o manométrica: es la determinada por un elemento que mida la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se efectúa la medida. Hay que señalar que a medida que aumenta o disminuye la presión atmosférica, disminuye o aumenta respectivamente la presión.  Presión diferencial: es la diferencia entre un determinado valor de presión y otro utilizado como referencia. En cierto sentido, la presión absoluta podría considerarse como una presión diferencial que toma como referencia el vacío absoluto, y la presión manométrica como otra presión diferencial que toma como referencia la presión atmosférica.  Vacío: es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión medida por debajo del atmosférica. Las variaciones de la presión atmosférica influyen considerablemente en las medidas de vacío. 43 Regulación y control Tema 4  Presión hidrostática: es la presión existente bajo la superficie de un líquido, ejercida por el mismo.  Presión de línea: es la fuerza ejercida por el fluido, por unidad de superficie, sobre las paredes de una conducción por la que circula. 44 Regulación y control Tema 4 3.Unidades y conversiones. Conocer y dominar que tipos de unidades y como realizar la conversión entre ellas es básico en la formación de cualquier persona que este en contacto con estos equipos. Por eso es importante que prestes atención. En este apartado se resumen las unidades de presión más utilizadas y como realizar la conversión entre ellas. La presión es una fuerza por unidad de superficie y se puede expresar en unidades tales como: Pascal (Pa).  Bares (bar)  Atmósferas (atm)  Centímetros de agua (cm agua)  Milímetros de mercurio (mm Hg)  Kg/cm2  psi (libras por pulgada cuadrada). En el Sistema Internacional de unidades (S.I.) se cuantifica la presión en Pascales (Pa) equivalente a 1 Newton por metro cuadrado (1 N/m2), siendo el Newton la fuerza que aplicada a un cuerpo de masa de un kilogramo se le comunica una aceleración igual a 1 m/s2. El Pascal es una unidad muy pequeña y normalmente se acostumbra a utilizar múltiples de la misma, por ejemplo, el kPa (1 kilopascal= 103 Pa) o el MPa (1Megapascal=106 Pa). Algunos valores que debes conocer son por ejemplo, el valor de la presión atmosférica; 101325 Pa o 760 mmHg, ya que se utilizan con frecuencia en el cálculo de problemas relacionados con la presión. En la industria es común el uso de otras unidades como el bar y el Kg/cm2 (1 bar = 105 Pa = 1.02 Kg/cm2), aunque esta última unidad, cada vez se utiliza con menos frecuencia. Conversiones entre las unidades de presión más utilizadas en la industria 45  Regulación y control Tema 4 Unidad a la que se desea convertir psi atm Kg/cm2 Cm H20 mmHg bar Pa psi 1 0,0680 0,0703 70,31 51,72 0,0689 6894,76 atm 14,7 1 1,033 1033 760 1,01325 1,01325·105 Kg/cm2 14,22 0,9678 1 1000 735,6 0,98 98066 cmH20 0,0142 0,00096 0,0010 1 0,7355 0,0009 98,06 Unidad de origen mmHg 0,0193 0,0013 0,0013 1,359 1 0,00133 133,32 bar 14,5 0,987 1,02 1020 750 1 105 0,987 10-5 0,102 10- 4 Pa 0,00014 0,01 0,0075 10-5 1 4.Clasificación de los sensores de presión El campo de aplicación de los medidores de presión es muy amplio y va desde valores muy bajos (vacío) hasta presiones con valores de miles de bares. Aunque puedes encontrar otros tipos de sensores de presión que no están presentes en esta clasificación, te presentamos los más comunes. 46 Regulación y control Tema 4 5. Elementos mecánicos: columna de líquido, Como verás a continuación, los sensores de presión son equipos sencillos. Puedes construir alguno de ellos con elementos que tengas en casa, como una manguera o un globo. Si lo haces, ten cuidado y no lo hagas delante del ordenador, por si acaso. Los elementos mecánicos para la medición de la presión se dividen en:  Elementos primarios de medida directa, que miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad conocida. Son los medidores de elementos en columna de líquido como el manómetro de tubo en U.  Elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna del fluido que contienen. Los más utilizados son el tubo Bourdon, el elemento en espiral, el helicoidal, el diafragma y el fuelle (“fuelle”). A continuación se analizan de forma individual cada uno de ellos para conocer cómo funcionan y sus principales características de uso. Dentro del grupo de los elementos en columna de líquido podemos encontrar:  Tubo en U abierto Tubo en U con dos ramas abiertas, una en comunicación con la atmósfera 47 Regulación y control Tema 4 (P atmosférica, Pa) y la otra a la presión de proceso (P), de manera que la diferencia de altura entre las ramas indicará la presión (en este caso, presión relativa): Siendo ρ la dens