Este documento describe conceptos fundamentales de instrumentación industrial como campo de medida, alcance, error, exactitud y precisión. Define variables físicas comunes como longitud, área, volumen, fuerza, presión, temperatura y caudal. También explica efectos físicos como el efecto Peltier y Seebeck que son útiles para la medición de variables.

1. INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL
CONCEPTOS FUNDAMENTALES
La terminología empleada se ha unificado con el fin de que los
fabricantes, usuarios, organismos relacionados con el campo de
la instrumentación industrial empleen el mismo lenguaje.
DEFINICIONES
Los instrumentos de control empleados en procesos industriales,
tales como química, petroquímica, metalurgia, etc., tienen su
propia terminología, la cual permite definir las características
de las respectivas variables. Para ello, se utilizan
instrumentos de diversas características, tales como:
Indicadores, registradores, controladores, transmisores y
actuadores.
Es importante que se utilice un lenguaje y una simbología
estándar.
CAMPO DE MEDIDA (RANGE)
Espectro o conjunto de valores de la variable medida,
comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la
capacidad de medida o de transmisión del instrumento, viene
expresado por dos valores extremos. Ejemplo: el campo de medida
de un instrumento de temperatura es de 100 a 300°C.
ALCANCE (SPAN)
Es la diferencia algebraica entre los valores superior e
inferior del campo de medida del instrumento. En el instrumento
indicado, el span es de 200°C.
ERROR
Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido
por el instrumento y el valor real de la variable medida. Si el
proceso está en condiciones de régimen permanente existe el
llamado “error estático”. En condiciones dinámicas el error
varía considerablemente debido a que los instrumentos tienen
características comunes a los sistemas físicos. Absorben energía
del proceso y esta transferencia produce retardos en la lectura.
Siempre que las condiciones sean dinámicas, existirá un mayor
grado de desviación llamado error dinámico (diferencia entre el
valor instantáneo de la variable y el indicado por el
instrumento.
El error medio del instrumento es la media aritmética de los
errores en cada punto de la medida determinados para todos los
valores crecientes y decrecientes de la variable medida.
EXACTITUD
Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a
dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida.
PRECISIÓN
La precisión es la tolerancia de medida o de transmisión del
instrumento (intervalo donde es admisible se sitúe la magnitud
de la variable)y define los límites de los errores cometidos
cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de

2. servicio, durante un tiempo determinado (normalmente 1 año). Se
puede expresar de varias maneras:
Porcentaje del alcance
Directamente en unidades físicas
Porcentaje de la lectura efectuada
Porcentaje del máximo del campo de medida
Porcentaje de la longitud de la escala.
ZONA MUERTA
Es el campo de valores de la variable que no hace variar la
indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que
no produce respuesta. Se expresa en porcentaje del alcance de la
medida.
SENSIBILIDAD
Es la razón entre el incremento 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 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 cc, la sensibilidad es:
Viene dada en porcentaje del alcance de la medida. Si la
sensibilidad del instrumentode temperatura es de +/-0.05%, su
valor será de 0,05*200/100=+/-0,1°C/°C.
Los Controladores comparan la variable controlada (presión,
nivel, temperatura) con un valos deseado y ejercen una acción
correctiva de acuerdo con la desviación.
La variable controlada la puede recibir directamente, como
controladores locales o bien indirectamente en forma de señal
neumática, electrónica o digital procedente de un transmisor.
El elemento final de control recibe la señal del controlador y
midifica el caudal del fluido o agente de control. En el control
neumático, el elemento suele ser una válvula neumática o un
servomotor neumático que efectúan su carrera completa de 3 a 15
psi. En el caso del control electrónico la válvula son
accionados a través de un convertidor intensidad/presión (I/P).

4. VARIABLES FÍSICAS.
Lo primero a considerar es la definición de las variables
físicas a medir, es decir, una referencia precisa, comenzando
por definir el significado de las palabras.
DISTANCIA
En Física, la distancia es la longitud total de la trayectoria
realizada por un objeto móvil entre dos puntos. Como tal, se
expresa en una magnitud escalar, mediante unidades de longitud,
principalmente el metro, según el Sistema Internacional de
Unidades
LONGITUD
La longitud es un concepto para entidades geométricas sobre las
que se ha definido una distancia. Más concretamente, dado un
segmento, curva o línea fina, se puede definir su longitud a
partir de la noción de distancia. Sin embargo, no debe
confundirse longitud con distancia, ya que para una curva
general (no para un segmento recto) la distancia entre dos
puntos de la misma es siempre inferior a la longitud de la curva
comprendida entre esos dos puntos.
La longitud es una de las magnitudes físicas fundamentales, en
tanto que no puede ser definida en términos de otras magnitudes.
La longitud se expresa en unidades lineales, tales como, cm, m,
Km, inch, ft.
ÁREA
El área es un concepto métrico que puede permitir asignar
una medida a la extensión de una superficie. El área es un
concepto métrico que requiere la especificación de una medida de
longitud.
El área es una magnitud métrica de tipo escalar definida como la
extensión en dos dimensiones de una recta al plano del espacio.
Para superficies planas, el concepto es más intuitivo.
La superficie se expresa en unidades de longitud al cuadrado,
tales como, cm2, m2, Km2, inch2, ft2.
VOLUMEN
El volumen es una magnitud métrica de tipo escalar definida como
la extensión en tres dimensiones de una región del espacio. Es
una magnitud derivada de la longitud, ya que en un ortoedro se
halla multiplicando tres longitudes: el largo, el ancho y
la altura. El volumen se expresa en unidades de longitud al
cubo, tales como, cm3
, m3
, Km3
, inch3
, ft3
.
FUERZA
En física, la fuerza es una magnitud vectorial que mide la razón
de cambio de momento lineal entre dos partículas o sistemas de
partículas. Según una definición clásica, fuerza es todo agente
capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los
materiales. No deben confundirse con los conceptos de esfuerzo o
de energía.
En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de medida de
la fuerza es el newton que se representa con el símbolo N,

5. nombrada así en reconocimiento a Isaac Newton por su aportación
a la física, especialmente a la mecánica clásica. El newton es
una unidad derivada del Sistema Internacional de Unidades que se
define como la fuerza necesaria para proporcionar
una aceleración de 1 m/s² a un objeto de 1 kg de masa.
PRESIÓN
La presión es una magnitud física que mide la proyección de la
fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y
sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza
resultante sobre una línea.
En el Sistema Internacional de Unidades la presión se mide en
una unidad derivada que se denomina pascal (Pa), que es
equivalente a una fuerza total de un newton (N) actuando
uniformemente sobre un área de un metro cuadrado (m²). En
el sistema anglosajón la presión se mide en libra por pulgada
cuadrada (pound per square inch o psi), que es equivalente a una
fuerza total de una libra actuando sobre un área de una pulgada
cuadrada.
TORQUE
El torque es la fuerza de torsión que se aplica respecto de un
punto de referencia. Matemáticamente, es producto de la
intensidad de la fuerza (módulo) por la distancia desde el punto
de aplicación de la fuerza hasta el eje de giro.
El caso típico es la torsión que desarrolla un motor en su eje.
El torque normalmente se expresa en kilógramos metro (kg-
m),libras pie (lb-ft), Newton metro (N-m).
TEMPERATURA
La temperatura es una magnitud escalar que sistematiza la noción
de frío y caliente haciéndola medible mediante un termómetro. La
temperatura está relacionada con la energía interna de un
sistema termodinámico, más específicamente, está relacionada
directamente con la parte de la energía interna asociada a los
movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido
traslacional, rotacional o en forma de vibraciones, la
llamada agitación térmica. A mayor agitación térmica el sistema
se encuentra más «caliente», su temperatura es mayor.
La temperatura es una propiedad que determina si un sistema se
encuentra o no en equilibrio térmico con otros sistemas.
La temperatura se expresa en grados centígrados (°C), grados
Fahrenheit (°F), grados Kelvin (°K).
CAUDAL
En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que
circula a través de una sección del ducto (tubería, cañería,
oleoducto, río, canal, etc.) por unidad de tiempo. Normalmente
se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un
área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se
identifica con el flujo másico o masa que pasa por un
área dada en la unidad de tiempo.
El caudal se expresa normalmente en metros cúbicos por minuto
(m3/min), pie cúbico por minuto (CFM), metros cúbicos por hora
(m3
/h)

6. MASA
En física, es la magnitud que cuantifica la cantidad de materia
de un cuerpo. La unidad de masa, en el Sistema Internacional de
Unidades (SI) es el kilogramo (kg). Es una cantidad escalar y no
debe confundirse con el peso, que es una fuerza.
¿Qué es una variable?
Una variable es algo que cambia, pero no solo eso, sino que
representa un concepto, un fenómeno, que puede cuantificarse.
Así es posible hablar por ejemplo de variables de la economía,
la inflación las tasas de interés, etcétera, índices que
“varían”, que cambian. Como se observa del ejemplo anterior la
palabra puede tener un significado muy amplio dependiendo del
contexto en el que se esté hablando. En el caso particular, la
referencia es el campo de la Física, es decir “Variables
Físicas”, esto lleva a decir que una variable física es la
representación de un fenómeno físico o propiedad física. Cuando
se habla de algo físico es evidente que se refiere a objetos
materiales, por lo tanto, una variable física implica fenómenos
y propiedades de la materia. Es Posible mencionar por ejemplo la
Temperatura, que es una medida de una propiedad de la materia y
dice si un objeto está caliente o frío; la dureza de un
material, la cual da una idea de la fortaleza del material o el
peso, que indica la fuerza con que la tierra atrae los objetos.
EFECTOS FÍSICOS.
A continuación se indican algunos efectos que interpretan
algunos fenómenos relacionados con propiedades de la materia y
que serán de mucha utilidad para la medición de variables
físicas.
EFECTO PELTIER
Cuando se hace circular una corriente por un circuito compuesto
por materiales de diferentes, cuyas uniones están a la misma
temperatura, se absorbe calor por una y se irradia en la otra.
La parte que se enfría puede estar a 25°C y la otra puede llegar
a 80°C. Al invertir la polaridad, se invierte el efecto. La
dirección de la corriente determina que la temperatura suba o
baje. Los primeros metales en ser investigados fueron el Bismuto
y el Cobre; si la corriente fluye del Bismuto al Cobre la
temperatura se eleva, si por el contrario la corriente fluye al
revés, la temperatura baja. El efecto fue descubierto en 1834
por Jean Peltier (1785-1845) y recientemente se ha utilizado
para la refrigeración en baja escala.
CELDAS PELTIER
Las celdas Peltier son bloques conectados eléctricamente en
serie y térmicamente en paralelo, Cada célula puede alcanzar 0,5
Watts. Para una potencia frigorífica de 15 a 20 Watts se
requieren de 30 a 40 células.
Una célula posee un salto térmico indicado por el fabricante. Un
salto térmico de 70°C significa que una temperatura de 45°C, en
el lado frío existe una temperatura de 45 – 70°C = -25°C.

7. Curvas de operación de una celda Peltier

8. Ventajas
No requiere refrigerante
No requiere tubos ni accesorios
Sistema de control sencillo
Compactas y portátiles
Pueden alimentarse con energía renovable
Desventajas
Alto costo de fabricación
Bajo rendimiento frigorífico
Alimentación con bajo voltaje y alta corriente.
Dt=Th-Tc
Dt: diferencial de temperatura
Qc: capacidad de enfriamiento lado frío
I: corriente nominal
V: voltaje nominal
Tc: temperatura lado frío
Th: temperatura lado caliente

9. EFECTO SEEBECK (EFECTO TERMOELÉCTRICO).
La generación de una f.e.m. en un circuito conteniendo dos
metales diferentes o semiconductores, cuando la unión entre
estos dos se mantiene a diferentes temperaturas. La magnitud de
la f.e.m. depende de la naturaleza de los metales y la
diferencia en temperatura. El efecto Seebek es la base de los
termopares. Éste fue nombrado por Thomas Seebeck (1770-1831)
quien encontró que un campo magnético envolvería un circuito
consistente de dos metales conductores solamente si la unión
entre ambos metales fuera mantenida a diferentes temperaturas.
Él asumió de forma incorrecta que los metales habían sido
magnetizados por la diferencia de temperaturas.
Dos metales se ponen en contacto, aparece una diferencia de
potencial y los electrones se mueven de un metal a otro. Cuando
se hace circular corriente en sentido contrario a la ddp, los
electrones pierden energía, enfriando el punto de unión, en caso
contrario los electrones ceden energía, calentando la unión
Cantidad de calor: Q = 0,24*V*i*t
TERMOPAR (TERMOCUPLA).
Un dispositivo que consiste de dos metales diferentes o rodillos
de semiconductor soldados por uno de sus extremos. Una f.e.m.
termoeléctrica se genera en el dispositivo cuando los extremos
se mantienen a diferentes temperaturas, la magnitud de la f.e.m.
se relaciona con la diferencia de temperatura. Esto hace posible
que un termopar se pueda utilizar como un termómetro dentro de
un rango limitado de temperatura. Una de las uniones llamada
unión caliente o unión de medición, se expone a la temperatura a
ser medida. La otra unión conocida como unión fría o unión de
referencia, se mantiene a una temperatura de referencia
conocida. La f.e.m. generada se mide en mili volts.
Al aplicar calor en el extremo soldado, en el otro extremo se
produce una fem proporcional a la temperatura de la unión.
Las más utilizadas son las J y K.

10. EFECTO FOTO ELÉCTRICO.
La liberación de electrones (véase foto electrón) de una
sustancia expuesta a la radiación electromagnética. El número de
electrones emitidos depende de la intensidad de radiación. La
energía cinética de los electrones emitidos depende de la
frecuencia de la radiación. El efecto es un proceso cuántico en
el cual la radiación es tomada en cuenta como una corriente de
fotones, cada uno teniendo una energía de hf donde h es la
constante de Planck y f es la frecuencia de radiación. Un fotón
solo puede proyectar un electrón si la energía del mismo excede
la función trabajo (phi) del sólido, por ejemplo, si hf0 = (phi)
se proyectará un electrón, f0 es la frecuencia mínima (o
frecuencia de umbral) en la que una proyección puede ocurrir.
Para muchos sólidos el efecto foto eléctrico sucede en
frecuencias del ultravioleta o por encima, pero para algunos
materiales (con función de traba baja) éste se produce con luz.
La energía cinética máxima Em del fotoelectrón está dada por la
ecuación de Einstein: Em = hf-(phi). Véase también foto
ionización.
Aparte de la liberación de electrones de los átomos, otros
fenómenos son también referidos como efectos foto eléctricos.
Estos son el efecto foto conductivo y el efecto foto voltaico.
En el efecto foto conductivo, un incremento de la conductividad
eléctrica del semiconductor es causado por la radiación como
resultado de la excitación de portadores de carga libres
adicionales debido a los fotones incidentes. Las celdas foto
conductivas, utilizan tales materiales foto sensibles como el
sulfuro de cadmio y estos son ampliamente utilizados como
detectores de radiación e interruptores de luz, un ejemplo de
ello, en las luces de alumbrado público.

11. En el efecto foto voltaico, una f.e.m. se produce entre dos
capas diferentes de material como resultado de la irradiación.
Este efecto es utilizado en las celdas foto voltaicas, la
mayoría de las cuales consisten de una unión PN semiconductora
(véase foto diodo y foto transistor). Cuando los fotones se
absorben cerca de la unión PN se producen nuevos portadores de
carga libres (como en la foto conductividad), sin embargo, en el
efecto foto voltaico el campo eléctrico en la unión causa que
estos portadores de carga se muevan creando un flujo de
corriente en un circuito externo sin la necesidad de una
batería. Véase también celda foto eléctrica.
EFECTO HALL.
La producción de una f.e.m. dentro de un conductor o
semiconductor a través del cual está fluyendo una corriente,
cuando se está en un fuerte campo magnético transversal.
Desarrolla una diferencia de potencial de forma ortogonal a la
corriente y el campo. Esto se debe a la deflexión de los
portadores de carga por causa del campo y fue descubierto
primeramente por Edwin Hall (1855-1938). La fuerza del campo
eléctrico EH producida está dada por la relación: EH = RH j B
donde j es la densidad de corriente, B la densidad de flujo
magnético y RH es una constante llamada el coeficiente Hall. El
valor de RH puede ser calculado por 1/n e donde n es el número
de portadores de carga por unidad de volumen y e es la carga del
electrón. El efecto se utiliza para investigar la naturaleza de
los portadores de carga en los metales y semiconductores, en la
punta de prueba Hall para la medición de campos magnéticos y en
dispositivos interruptores operados magnéticamente.

12. EFECTO NERNST
Un efecto en el cual un gradiente de temperatura junto con un
conductor eléctrico o semiconductor, puestos de forma
perpendicular a un campo magnético causa una diferencia de
potencial de manera ortogonal a éstos y en los extremos del
conductor. Este efecto es análogo al efecto Hall, fue
descubierto en 1886 por Walter Nernst (1864-1941).
EFECTO PIEL.
El efecto inductivo que causa una gran proporción de corriente
llevada en un conductor a alta frecuencia, y que se conduce en
la parte externa (piel) de éste. La corriente varía
exponencialmente x de la superficie como EXP(-x/()), la
profundidad de la piel (Δ) está dada por:

13. ῳ (sigma) es la conductividad del conductor o alambre, (µ) es la
permeabilidad y omega es la frecuencia angular de la corriente.
De esta forma las frecuencias altas son bien conducidas por
tubos delgados, así como también por conductores gruesos.
EFECTO PIEZOELÉCTRICO.
La generación de una diferencia de potencial a través de caras
opuestas en ciertos cristales no conductores (cristales
piezoeléctricos) como resultado de la aplicación de una presión
mecánica entre estas caras. La polarización eléctrica producida
es proporcional a la presión y la dirección de la polarización
se invierte si la presión mecánica cambia de compresión a
tensión. El efecto piezoeléctrico inverso es el fenómeno
opuesto: si las caras opuestas de un cristal piezoeléctrico se
someten a una diferencia de potencial, el cristal cambia su
forma. Las sales de Rochelle y el cuarzo son los materiales
piezoeléctricos más comúnmente utilizados. En tanto que las
sales de Rochelle producen la diferencia de potencial más grande
para una presión dada, el cuarzo se usa más ampliamente dado que
sus cristales tienen mayor fortaleza y son más estables a
temperaturas mayores a los 100 °C.
Si una placa de cuarzo se somete a un campo eléctrico
alternante, el efecto piezoeléctrico inverso causa que este se
expanda y contraiga a la frecuencia del campo. Si este campo se
hace a la frecuencia que coincida con la frecuencia natural
elástica del cristal entonces la placa resuena; el efecto
piezoeléctrico directo aumenta entonces el campo eléctrico
aplicado. Esto es la base del oscilador de cristal en el reloj
de cuarzo. Véase también micrófono de cristal y cristal pick up.

14. EFECTO FOTOELÉCTRICO
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones de
un material al incidir sobre éste, un haz de luz (fotones).
Experimentalmente se colocan dos placas metálicas paralelas en
un tubo al vacío. Las placas se polarizan y se ilumina el
cátodo, de inmediato se aprecia una pequeña corriente. Al variar
el potencial entre las placas varía la corriente.
Al invertir la polaridad de las placas, se encuentra un voltaje
umbral para el cual la corriente se hace cero. Este potencial
multiplicado por la carga, es la energía cinética máxima de los
electrones fotoemitidos.

15. ECUACIONES DE ESCALAMIENTO
Cuando se requiere realizar la medición de variables físicas de
proceso, debido a la gran variedad que existe, es necesario
convertirlas a una variable de control estándar. El estándar más
usado es 4 a 20 mA, lo que permite que cualquier variable se
traduce a ese rango y es leída e interpretada por el
controlador. Este estándar permite independizarse del origen y
rango de la variable física, considerando el valor máximo
equivalente a una corriente de 20mA y el mínimo a 4mA, esto
último para evitar lecturas erróneas en caso de corte del lazo
de control.
Si se tiene una variable física que va de 0 a 100, el
controlador asume 2mA para el valor 0 y 20mA para 100.
La relación entre las variables es lineal. Por lo tanto, queda
la siguiente ecuación de escalamiento:
CONVERTIDOR ANÁLOGO DIGITAL
El convertidor análogo digital permite obtener un dato digital a
partir de una señal análoga. Para ello es importante tener en
cuenta la resolución del convertidor para definir el grado de
discretización, es decir, la cantidad de bits.
Por ejemplo
Si un convertidor AD tiene 3 bits, existen 22
niveles de
discretización:

16. SENSORES.
En el campo de la medición y la instrumentación se utilizan
muchos sensores y transductores.
Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de
energía de entrada en otro de tipo diferente de energía de
salida. Por lo tanto, un dispositivo como este considera una
entrada, una salida y una transformación de energía.
Un sensor es un dispositivo que pertenece al conjunto de los
transductores, pero con la característica particular, que tiene
una energía de salida eléctrica. Esto significa que la energía
de entrada puede ser de diferente índole pero la salida siempre
será una variable eléctrica. Como un ejemplo se puede tener un
termopar que tiene su base en el efecto Seebeck, genera una
f.e.m. (variable eléctrica) teniendo como entrada una energía
calorífica. A menudo no se consideran algunos dispositivos que
transforman un tipo de energía en otro, como transductores. Tal
sería el caso de un motor por ejemplo. El motor transforma una
energía de entrada de tipo eléctrica en una energía de tipo
mecánica en la salida, lo cual lo ubica como un transductor, sin
embargo, esta palabra se utiliza en el campo de la
instrumentación como un sinónimo de sensor, o viceversa. Un
ejemplo más, una batería, esta transforma una energía de tipo
químico en una energía eléctrica de salida (el voltaje). Esta es
un transductor pero también un sensor en el sentido estricto de
la palabra, siendo entonces los sensores un subconjunto del
conjunto de los transductores.

17. Una manera lógica de clasificar los sensores es respecto de las
propiedades físicas de diseño de la variable a medir. Así se
tienen sensores de temperatura, fuerza, presión, movimiento,
etc. Sin embargo, los sensores pueden medir diferentes variables
de entrada, pero la salida es siempre eléctrica del mismo tipo.
SENSORES CAPACITIVOS
Consta de una sonda situada en la parte posterior de la cara del
sensor, que es la placa del condensador. Al aplicar corriente al
sensor, se genera un campo electrostático que reacciona a los
cambios de la capacitancia causados por la cercanía de un
objeto. Cuando el objeto se encuentra fuera del campo
electrostático, el oscilador permanece inactivo, pero cuando el
objeto se aproxima, se desarrolla un acoplamiento capacitivo

18. entre éste y la sonda capacitiva. Cuando la capacitancia alcanza
un límite especificado, el oscilador se activa, lo cual dispara
el circuito de encendido y apagado. Los sensores capacitivos
funcionan de manera opuesta a los inductivos, a medida que el
objetivo se acerca al sensor capacitivo las oscilaciones
aumentan hasta llegar a un nivel limite que activa el circuito
disparador, produciendo el cambia el estado del switch.

19. Sensores Inductivos:
Un detector inductivo consta esencialmente de un oscilador cuyo
bobinado constituye la cara sensible. Frente a ésta se crea un
campo magnético alterno. Cuando se coloca una pantalla metálica
en ese campo, las corrientes inducidas generan una carga
adicional que provoca la parada de las oscilaciones.
Después de la configuración según el modelo, se libera una señal
de salida correspondiente a un contacto de cierra NA, de
apertura NC (2 hilos) o complementaria NA+NC (3 hilos).
La función principal de este circuito es generar una señal
senoidal, aunque también funciona como un filtro de alta
selectividad.
Cuando un objeto metálico entra al campo, las corrientes de
Foucault circulan dentro de la placa y estas generan a la vez un
campo magnético opuesto al generado por el oscilador. La
disminución del campo magnético tiene el efecto de reducir la
inductancia de la bobina, cambiando levemente la frecuencia de
las oscilaciones.
Blindaje de los sensores
Los sensores de proximidad contienen bobinas que se enrollan en
núcleos de ferrita. Estos pueden ser blindados o no blindados.
Los sensores no blindados usualmente tienen una mayor distancia
de sensado que los sensores blindados.
Los detectores empotrables en el metal (dibujo izquierdo)
disponen de un blindaje que evita la extensión lateral del
campo. Su alcance nominal es inferior al de los detectores sin
blindaje, no empotrables en el metal (dibujo derecho).

20. Sensores inductivos blindados
El núcleo de ferrita concentra el campo de radiación en la
dirección de uso. Un aro de metal es puesto alrededor del núcleo
para restringir la radiación lateral del campo. Los sensores
blindados pueden ser montados al ras en una superficie metálica,
pero se recomienda un espacio libre de metales por encima y
alrededor de la superficie de sensado.
Sensores inductivos no blindados
Los sensores de proximidad no blindados no tienen un aro de
metal alrededor del núcleo de ferrita que restrinja la radiación
lateral del campo. Los sensores no blindados no pueden ser
montados al ras en superficie de sensado.

21. TRANSMISORES
Los transmisores son instrumentos que captan la variable de
proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor
indicador, registrador, controlador o una combinación de éstos.
Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas,
electrónicas, digitales, hidráulicas y telemétricas. Las más
utilizadas son las hidráulicas, cuando se requiere de gran
potencia o telemétricas cuando se requiere de largas distancias
de transmisión de datos.
Los transmisores neumáticos generan una señal variable
linealmente de 3 a 15 psi, para el rango de medida de 0 a 100%.
En los países que utilizan el sistema métrico decimal, se emplea
la señal de 0,2 a 1 bar (1bar=1,02kg/m2
)
Los transmisores electrónicos generan la señal estándar de 4-
20mA cc, para distancias de 200 m a 1 km, según sea el tipo de
instrumento transmisor.
La señal 1–5Vcc es útil cuando existen problemas en el
suministro electrónico. Se requiere conectar una línea de 250Ω
para tener la señal electrónica de 4-20mA.
La señal digital consiste en una serie de impulsos en forma de
bits. Cada bit consiste en dos estados, 0 y 1 (código binario).
Por ejemplo, dentro de la señal electrónica de 4-20mA, los
valores binarios 4, 12 y 20 mA, son respectivamente 0000 0000,
0111 1111 y 1111 1111. Si la señal digital que maneja el

22. procesador es de 8 bits, puede enviar 8 señales binarias
simultáneamente. El mayor valor binario posible es:
1111 1111= 10 + 11 + 12 + 13 +…..+17 = 255
La precisión obtenida con el transmisor debido a la señal
digital es de:
(1/255)*100% = 0.4%
La fibra óptica en la transmisión se está utilizando en lugares
de la planta donde las condiciones son más complejas (campos
magnéticos intensos que influyen sobre la señal), los módulos de
transmisión son activados por fuentes led o láser. Los módulos
receptores disponen de foto-detector, preamplificador, cables de
fibra óptica y convertidores electro-ópticos.
La transmisión de datos puede efectuarse con multiplexores,
transmitiendo simultáneamente a la velocidad máxima definida por
la norma RS232 de transmisión de datos para módems y
multiplexores. La ventaja principal es la inmunidad al ruido
electromagnético, un mayor ancho de banda que el hilo de cobre,
poco peso, baja pérdida de energía y comunicación segura.
TRANSMISORES NEUMÁTICOS
Amplificador de dos etapas
Los transmisores neumáticos se basan en el sistema tobera-
obturador, que convierte el movimiento del elemento de medición
en una señal neumática.
El sistema tobera-obturador consiste en un tubo neumático
alimentado a una presión constante con una reducción en su
salida en forma de tobera, la cual puede ser obstruida por una
lámina llamada obturador, cuya posición depende del elemento de
medida.

23. TRANSMISORES ELECTRÓNICOS
Transmisores de equilibrio de fuerzas
Los transmisores electrónicos son generalmente de equilibrio de
fuerzas. Consiste en su forma sencilla en una barra rígida
apoyada en un punto sobre el que actúan dos fuerzas en
equilibrio.
La fuerza ejercida por el elemento mecánico de medición (tubo
Bourdon, espiral, fuelle)
La fuerza electromagnética de una unidad magnética.
El desequilibrio entre dos fuerzas da lugar a una variación de
posición relativa de la barra, activando un transductor de
desplazamiento tal como un detector de inductancia o un
transformador diferencial.
Estos instrumentos debido a su constitución mecánica presentan
un ajuste de cero y span muy complicados y una alta sensibilidad
a vibraciones. Su precisión es del orden del 0,5 al 1%.
Detector de Posición de Inductancia
Este detector está formado por dos piezas de ferrita, una en la
barra y la otra fijada rígidamente en el chasis del
transmisor, que contiene una bobina conectada a un circuito
oscilador. Cuando varía el entrehierro, varía la inductancia de
la bobina detectora modulando la señal de salida del oscilador
Transformador Diferencial
El transformador diferencial (LVDT-Linear Variable Differential
Transformer) consiste en un núcleo magnético con tres o más
polos bobinados. El bobinado central está conectado a una línea

24. de alimentación estabilizada y se denomina arrollamiento
primario. Los otros dos bobinados tienen el mismo número de
espiras y la misma disposición. El transformador se cierra
magnéticamente con la barra de equilibrio de fuerzas. Al variar
la presión, cambia la posición de la barra, induciendo tensiones
distintas en las dos bobinas, mayor en la bobina de menor
entrehierro y menor en la opuesta. La tensión diferencial de
salida se aplica a un amplificador electrónico que alimenta la
unidad de reposición de la barra.
Transmisores Digitales
Los transmisores digitales denominados también, transmisores
inteligentes, incorporan funciones adicionales proporcionadas
por un microprocesador. Hay dos modelos de transmisores
inteligentes.
Transmisor Capacitivo
Basado en la variación de la capacidad que se produce en un
condensador formado por dos placas fijas y un diafragma sensible
interno unido a las mismas cuando se les aplica una presión
diferencial. La transmisión de la presión se realiza a través
del fluido al interior del condensador. El desplazamiento del
diafragma es de 0,1mm. Un circuito formado por un oscilador y
demodulador, transforma la variación de capacidad en señal
analógica. Ésta a su vez se convierte en una señal digital y
pasa finalmente a un microprocesador.

25. Transmisor por Semiconductor
Esto tipo de transmisor aprovecha las propiedades eléctricas al
ser sometido a tensiones. El modelo de semiconductor difundido
se fabrica a partir de una delgada capa de silicio y utiliza
técnicas de dopaje para generar una zona sensible a los
esfuerzos. Se comporta como circuito dinámico tipo puente
Wheastone aplicable a la medida de presión, presión diferencial
por una pastilla de silicio difundido en el que se hallan
embebidas las resistencias RA, RB, RC y RD del puente. El
desequilibrio del puente da lugar a una señal de 4-20mA.

27. MEDICIÓN DE PRESIÓN
La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede
expresarse en unidades tales como Pascal, bar, atmósferas.
Kilógramos por centímetro cuadrado y psi. En el sistema
internacional, está normalizada en Pascal, de acuerdo a las
conferencias generales de pesos y medidas. El Pascal es un
Newton (N) por metro cuadrado (m2
).
La presión absoluta se mide con relación al cero absoluto de
presión (puntos A A’).
La presión atmosférica es la presión ejercida por la atmósfera
terrestre medida mediante un barómetro. A nivel del mar esta
presión es próxima a 760mm de Hg absolutos o 14,7 psia (psi
absolutas), esto constituye la presión estándar.
La presión relativa es la determinada por un elemento que mide
la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del
lugar conde se efectúa la medición (punto B). Al aumentar o
disminuir la presión atmosférica, disminuye o aumenta la presión
leída (B’ y B’’), siendo despreciable al medir presiones
elevadas.
La presión diferencial es la diferencia entre dos presiones,
puntos C y C’. El vacío es la diferencia medida por debajo de la
atmósfera (puntos D, D’ y D’’). Se expresa en mm de columna de
mercurio, mm de columna de agua o pulgadas de columna de agua.
Los instrumentos de presión se clasifican en tres grupos:
mecánicos, electromecánicos y electrónicos.

28. Elementos mecánicos
Se dividen en: 1. Elementos primarios de medida directa, que
miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de
densidad y altura conocidas (barómetro cubeta, manómetro de tubo
en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro pendular,
manómetro de campana. 2. Elementos primarios elásticos, que se
deforman por la presión interna del fluido que contiene, tales
como el tubo Bourdon, el elemento espiral, el helicoidal, el
diafragma y el fuelle.
El tubo Bourdon es un tubo de sección elíptica que forma un
anillo casi completo, cerrado en un extremo. Al aumentar la
presión al interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el
movimiento es transmitido a la aguja indicadora que se desplaza
sobre una escala graduada.

29. El material empleado normalmente en el tubo Bourdon es acero
inoxidable, aleación de cobre o aleaciones especiales como
hastelloy y monel
El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en
forma de espiral alrededor de un eje común y en más de una
espira en forma de hélice. Este elemento permite grandes
desplazamientos del extremo libre y por ello, son ideales para
registradores.
El diafragma consiste en una o varias cápsulas circulares
conectadas rígidamente entre sí por soldadura, de manera que el
aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de los
pequeños desplazamientos, es amplificada por un juego de
palancas. El sistema se proyecta de tal modo que al aplicar
presión, el movimiento se aproxima a una relación lineal en un
intervalo de medida lo más amplio posible con un mínimo de
histéresis y de desviación permanente en el cero del
instrumento.
El material del diafragma es normalmente aleación de níquel o
inconel X. Se utiliza para pequeñas presiones.
El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola
pieza flexible axialmente y puede dilatarse o contraerse con un
desplazamiento considerable.
Hay que señalar que los elementos de fuelle se caracterizan por
su larga duración, demostrada en ensayos en los que han
soportado sin deformación alguna, millones de ciclos de
operación. El material empleado para el fuelle es usualmente

30. bronce fosforoso y el muelle es tratado térmicamente para
mantener fija su constante de fuerza por unidad de compresión.
Se emplean para pequeñas presiones.
Los medidores de presión absoluta consisten en un conjunto
fuelle y muelle opuestos, sellados al vacío absoluto. El
movimiento resultante de la unión de los dos fuelles, equivale a
la presión absoluta del fluido. El material empleado para los
fuelles es latón o acero inoxidable. Se usa para la medida
exacta y control de bajas presiones, a las que pueden afectar la
presión atmosférica. Por ejemplo, en el caso de emplear un
vacuómetro para mantener presión absoluta de 50mm de Hg en una
columna de destilación, el set point sería 710mm, con una
presión atmosférica de 760mm de Hg. Si la presión atmosférica
cambiase a 775mm, el vacuómetro indicaría 710+15= 725mm, con lo
cual la presión absoluta de la columna sería controlada a 50+15=
65mm, es decir, un 30% más de la deseada.
Elementos neumáticos
Como elementos neumáticos se consideran los instrumentos
transmisores neumáticos mencionados anteriormente. Por ejemplo,
un transmisor de 2-20 kg/cm2 utilizará un transmisor de
equilibrio de fuerzas de tubo Bourdon, mientras que uno de 3-15
psi de equilibrio de movimientos con elemento de fuelle.
Elementos electromecánicos
Estos elementos usan un elemento mecánico elástico con un
transductor eléctrico que genera la señal eléctrica
correspondiente. El elemento mecánico consiste en un tubo
Bourdon espiral que a través de un sistema de palancas,
convierte la presión en un desplazamiento mecánico.
Los elementos electromecánicos de presión se clasifican según el
principio de funcionamiento, en los siguientes tipos:
Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas
Resistivos
Magnéticos
Capacitivos
Extensométricos
Piezoeléctricos

31. Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas
En la figura se muestra un transmisor de este tipo, descrito
anteriormente. En este instrumento el elemento mecánico de
medición (tubo Bourdon, espiral, fuelle…) ejerce una fuerza
sobre una barra rígida del transmisor.
Para cada valor de la presión, la barra adopta una posición
determinada excitándose un transductor de desplazamiento tal
como un detector de inductancia, un transformador diferencial o
bien un detector fotoeléctrico. Un circuito oscilador asociado
con cualquiera de estos detectores alimenta una unidad magnética
y la fuerza generada reposiciona la barra de equilibrio de
fuerzas. Se completa así un circuito de realimentación variando
la corriente de salida en forma proporcional al intervalo de
presiones del proceso.
El detector de posición de inductancia y el transformador
diferencial han sido ya estudiados anteriormente.
En el transmisor de equilibrio de fuerzas con detector
fotoeléctrico la barra rígida tiene en su extremo una ventanilla
ranurada que interrumpe o parcialmente un rayo de luz que incide
en una célula fotoeléctrica de dos elementos. Esta célula forma
parte de un circuito puente de Wheastone auto-equilibrado y por
lo tanto, cualquier variación de presión que cambie la barra de
posición, moverá la ventana ranurada y desequilibrará el puente.
La señal diferencial que se produce en los dos elementos de la
célula es amplificada y excita un servomotor, el cual, al girar
atornilla una varilla roscada que comprime un resorte de
realimentación que a su vez aprieta la barra de equilibrio de
fuerzas con una fuerza tal que compensa la fuerza desarrollada
por elemento de presión. De este modo, el sistema se estabiliza
en una nueva posición de equilibrio.
Este transmisor dispone de un contador óptico mecánico acoplado
al servomotor que señala los valores de presión en una pantalla
exterior.
Los transductores electrónicos de equilibrio de fuerzas se
caracterizan por tener un movimiento muy pequeño de la barra de
equilibrio, poseen realimentación, una elasticidad muy buena y
un nivel alto en la señal de salida. Por su constitución
mecánica presentan un ajuste del cero y del alcance (span)
complicado y una alta sensibilidad a vibraciones y su
estabilidad a vibraciones y su estabilidad en el tiempo es de
media a pobre.
Su intervalo de medida corresponde al del elemento mecánico que
utilizan (Bourdon, espiral, fuelle…) y su precisión es del
orden de 0,5 a 1%.

32. Transductores Resistivos
Constituyen uno de los transductores más sencillos. Consiste en
un elemento elástico (tubo Bourdon) que varía la resistencia
óhmica de un potenciómetro en función de la presión. El
potenciómetro puede adoptar la forma de un hilo continuo o bien
estar enrollado tratando de seguir un valor lineal de
resistencia. Existen varios tipos de potenciómetros según sea el
elemento de la resistencia: grafito, resistencia bobinada,
lámina metálica, plástico moldeado

33. El movimiento del elemento de presión se transmite a un brazo
móvil aislado que se apoya sobre el potenciómetro de precisión,
el cual se encuentra conectado a un puente Wheastone.
Transductor Magnético
Se clasifican en dos grupos según su principio de
funcionamiento.
a. Transductores de inductancia variable, en los que el
desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta
la inductancia de ésta en forma proporcional a la porción
metálica del núcleo contenida dentro de la bobina.
El devanado de la bobina se alimenta con una corriente alterna y
la fem de autoinducción generada, se opone a la fem de
alimentación, de manera que al ir penetrando el núcleo móvil
dentro de la bobina, la corriente presente en el circuito se va
reduciendo por aumento de la fem de autoinducción.
El transformador diferencial de equilibrio de fuerzas es también
un transductor de inductancia variable, si bien en lugar de
considerar una sola bobina con un núcleo móvil, se trata de tres

34. bobinaas en las que la bobina central o primaria es alimentada y
el flujo generado induce tensiones en las otras dos bobinas, con
la particularidad que si el núcleo está al centro, las dos
tensiones son iguales y opuestas y si se desplazan a la derecha
o a la izquierda, las tensiones son distintas, es decir, el
transformador diferencial es un aparato de relación de
inductancias.
Los transductores de inductancia variable tienen las siguientes
ventajas: no producen rozamientoen la medición, tienen una
repsuesta lineal, son pequeños y de construcción robusta y no
requieren de ajustes críticos en el montaje. Su precisión es del
orden del +/-1%.
b. Los transductores de reluctancia variable, consisten de un
imán permanente o un electroimán que crea un campo magnético
dentro del cual se mueve una armadura de material magnético.
El circuito se alimenta con una fuerza magneto-motriz constante,
con lo cual, al cambiar la posición de la armadura, varía la
reluctancia y por lo tanto el flujo magnético. Esta variación de
flujo, da lugar a una corriente inducida en la bobina,
proporcional al grado de desplazamiento de la armadura móvil.
El movimiento de la armadura es pequeño, sin contacto con las
partes fijas, por lo cual, no existe roce, eliminando la
histéresis mecánica típica de otros instrumentos. Los
transductores de reluctancia variable presentan una alta
sensibilidad a las vibraciones, una estabilidad media en el
tiempo y son sensibles a la temperatura. Su precisión es del
orden del +/-0,5%.

35. Ambos transductores posicionan el núcleo o armadura móviles con
un elemento de presión y utilizan circuitos eléctricos bobinados
en corriente alterna.
Transductores Capacitivos
Se basan en la variación de la capacidad que se produce eb un
condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación
de presión. La placa móvil tiene forma de diafragma y se
encuentra situada entre dos placas fijas. Así se tienen dos
condensadores, uno de capacidad fija o de referencia y el otro
de capacidad variable, que puede aplicarse en circuitos
oscilantes o del tipo puente en corriente alterna.
Los transductores capacitivos se caracterizan por su pequeño
tamaño y su construcción robusta. Tienen un pequeño
desplazamiento volumétrico y son adecuados para medidas
estáticas y dinámicas. Su señal de salida es débil, por lo que
requiere de amplificadores, lo cual puede introducir errores en
la medición. Son sensibles a las variaciones de temperatura y a
las aceleraciones transversales y requieren de ajuste a los
circuitos oscilantes y de los puentes a los que se acoplan.
Su intervalo de medida es relativamente amplio, va desde 0.05-5
bar a 0.5-600 bar y su precisión es del orden de +/-0.2 a +/-
0.5%.
Galgas Extensométricas (strain gage)
Se basan en la variación de longitud y diámetro, por lo tanto la
resistencia, que tiene lugar cuando un hilo está sometido a una
tensión mecánica por la acción de una presión.
Existen dos tipos de galgas extensométricas:
Galgas cementadas, formadas por varios lazos de hilo fino
pegados a una base de cerámica, papel o plástico.

36. Galgas no cementadas en las que los hilos de resistencias
descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera
tensión inicial.
En ambos tipos de galgas, la aplicación de presión estira o
comprime los hilos sea la disposición que el fabricante haya
adoptado, modificando la resistencia de los mismos.
La galga forma parte de un puente y cuando está sin tensión
tiene una resistencia eléctrica determinada. Se aplica al
circuito una tensión nominal tal que la pequeña corriente que
circula por la resistencia, crea una caída de tensión en la
misma y equilibra el puente.
Cualquier variación de presión que mueva el diafragma del
transductor cambia la resistencia de la galga y desequilibra el
puente. El intervalo de medida de estos transductores varía de
0-0,6 a 0-10.000 bar y su precisión es del orden de +/-0,5%.
Transductores Piezoeléctricos
Los elementos piezoeléctricos son materiales cristalinos que al
deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una
señal eléctrica. Dos materiales típicos en los transductores
piezoeléctricos son el cuarzo y el titanato de bario, capaces de
soportar temperaturas del orden de 150°C en servicio continuo y
230°C en servicio intermitente.

37. Son ligeros, de pequeño tamaño y de construcción robusta. Su
señal de respuesta a una variación de presión es lineal y son
adecuadas para medidas dinámicas, al ser capaces de respuestas
de hasta un Mega Hertz. Tiene la desventaja de ser sensibles a
los cambios de temperatura y de experimentar deriva en el cero y
precisar ajuste de impedancias en caso de fuerte choque.
Asimismo, su señal de salida es relativamente débil por lo que
precisa de amplificadores y acondicionadores de señal, los
cuales pueden introducir errores en la medición.
Transductores de ionización
Se basan en la formación de los iones que se producen en las
colisiones que existen entre moléculas y electrones. La
velocidad de formación de estos iones, es decir, la corriente
iónica varía directamente con la presión.
El transductor de filamento caliente consiste en un tubo
electrónico con un filamento de tungsteno rodeado por una
rejilla en forma de bobina, la cual a su vez está envuelta por
una placa colectora. Los electrones emitidos por el filamento
caliente se aceleran hacia la rejilla, pasan a través y en su
camino hacia la placa colectora de carga negativa, algunos
colisionan con moléculas de gas. La corriente positiva formada
es una función del número de iones y por lo tanto, constituye
una medida de la presión de gas. Estos instrumentos son muy
delicados y deben manejarse con cuidado. El filamento puede
quemarse si se somete accidentalmente a presiones superiores a
0,001mm Hg absolutos.

38. MEDIDAS DE CAUDAL
En la mayor parte de las operaciones realizadas en los procesos
industriales y en las efectuadas en laboratorio y en plantas
piloto, es muy importante la medición de los caudales de
líquidos o de gases.
Existen varios métodos para medir el caudal, si se trata de
volumétrico o másico deseado. Entre los transductores más usados
se mencionan los siguientes:

39. MEDIDORES VOLUMÉTRICOS
Los medidores volumétricos determinan el caudal en volumen del
fluido, bien sea directamente (desplazamiento) o indirectamente
(presión diferencial, área variable, etc.)
La medida de 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 o diafragma, la tobera y el Venturi
Instrumentos de presión diferencial. La fórmula de caudal
obtenida con los elementos de presión diferencial, se basa en la
aplicación del teorema de Bernoulli (altura cinética + altura de
presión + altura potencial = cte a una tubería horizontal. En la
figura se aprecian los valores de las presiones a lo largo de la
tubería en una placa orificio o diafragma.

40. Si Pa, Pc y Va, Vc son las presiones y velocidades absolutas en
la zona anterior a la placa donde el fluido llena todo el
conducto y en la vena contraída respectivamente y Sa, Sc son las
secciones correspondientes, resulta:
Siendo ρo la densidad del fluido, habiendo supuesto que ρo no
varía en toda la longitud estudiada de la vena. Se obtiene:

41. Donde:
d= diámetro del orificio (m)
D= diámetro interior de la tubería aguas arriba (m)
Siendo β la relación entre d/D
Elementos de presión diferencial
La placa orificio o diafragma consiste en una placa perforada
instalada en la tubería. Dos tomas conectadas en la parte
anterior y posterior de la placa, captan esta presión
diferencial, proporcional al cuadrado del caudal
Toma en el flange.
Es bastante utilizada porque su instalación es cómoda y las
tomas están taladradas en los flanges que soportan la placa y
situada a 1” de distancia de la misma.
Toma en la vena contraída.
La toma posterior está situada en un punto donde la vena alcanza
su diámetro más pequeño, lo cual depende de la razón de
diámetros y se presentan aproximadamente a medio diámetro de la
tubería. La toma anterior se sitúa a un diámetro de la tubería.

42. Las Tomas radiales.
Son parecidas a las tomas de vena contraída, pero fijando
siempre las tomas anterior y posterior fijadas a uno y a medio
diámetro de la tubería respectivamente.
Toma en la cámara anular (corner taps).
Están situadas inmediatamente antes y después del diafragma y
requieren el empleo de una cámara anular especial. Son muy
utilizadas en Europa.
Tomas en la tubería (pipe taps).
Las tomas anterior y posterior, están situadas a 2 1/2 y 8 veces
el diámetro de la cañería respectivamente. Se emplean cuando se
requiere aumentar el intervalo de medida de un medidor de caudal
dado. La situación de las tomas está en ligar menos sensible a
la medida.

43. El orificio de la placa puede ser concéntrico o segmental con un
pequeño orificio de purga para los pequeños arrastres sólidos o
gaseosos que pueda llevar el fluido. Los dos últimos diafragmas
permiten medir caudales de fluidos que contengan una cantidad
pequeña de sólidos y de gases. La precisión obtenida con la
placa es del orden de +/-1 a +/-2%.
La tobera está situada en la tubería con dos tomas, una anterior
y la 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 de 30
a 80% de la presión diferencial. Puede emplearse para fluidos
que arrastren sólidos en pequeña cantidad, si bien, estos
sólidos son abrasivos, pueden afectar la precisión del elemento.
El costo de la tobera es de 8 a 16 veces el de diafragma y su
precisión es del orden de +/-0.95 a 1,5%.
El tubo Venturi 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 sólo 10 a 20% de la presión
diferencial.
Posee una gran precisión y permite el paso de fluidos con un
porcentaje relativamente grande de sólidos, si bien afectan la
exactitud de la medida. El costo del tubo Venturi es elevado del
orden de 20 veces el de un diafragma y su precisión es del orden
de +/-0,75%.

44. Tubo Pitot
El tubo Pitot mide la diferencia entre la presión total
estática, o sea, la presión dinámica proporcional al cuadrado de
la velocidad. La ecuación correspondiente es:
En la que:
P2= presión de impacto o total absoluta en el punto donde el
líquido anula su velocidad.
P1= presión estática absoluta en el fluido
ρ= densidad
V1= velocidad del fluido en el eje de impacto
De lo anterior se obtiene:
Introduciendo el coeficiente de velocidad C para tener en cuenta
la irregular distribución de velocidades, la rugosidad de la
tubería, se tiene:

45. 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. La máxima exactitud en la medida se
consigue efectuando varias medidas en puntos determinados y
promediando las raíces cuadradas de las velocidades medidas.
Su precisión es baja, del orden 1,5 – 4% y se emplea normalmente
para la medición de grandes caudales de fluidos limpios con una
baja pérdida de carga.
Tubo Annubar
El 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 de un anillo de área transversal de la
tubería. Estos anillos tienen áreas iguales. Estas tuberías de
tamaño mayor que 1”, se dispone en el interior del tubo otro que
promedia las presiones obtenidas en los orificios.
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
debajo de la misma.
El tubo Annubar es de mayor precisión que el Pitot, del 1%,
tiene una baja pérdida de carga y se emplea para la medida de
pequeños o grandes caudales de líquidos y de gases.

46. La placa orificio variable es una innovación de la placa
orificio. Permite obtener una gama de variaciones de caudal
mucho más amplia que puede llegar hasta la relación de 50 a 1,
mientras que en la placa orificio viene limitada por la relación
3 a 1.
Transmisores de fuelle y diafragma
La presión diferencial creada por la placa, la tobera o el tubo
Venturi, puede medirse con un tubo en U de mercurio, o bien
transmitirse con instrumentos llamados convertidores
diferenciales.
Los transmisores de fuelle contienen dos cámaras para alta y
baja presión. La alta presión comprime el fuelle
correspondiente, arrastrando la palanca de unión, el cable y un
eje exterior, cuyo movimiento actúa sobre el transductor
neumático o eléctrico.
La protección contra sobrecargas está asegurada por dos anillos
de sello que cierran herméticamente el paso de líquido de
llenado de un fuelle al otro e impiden su destrucción ante una
maniobra incorrecta. Otro accesorio es una válvula contra
pulsaciones de caudal que restringe el paso del líquido de
llenado entre fuelles.
Los transmisores de diafragma se diferencian de los anteriores
en que la separación entre las dos cámaras se efectúa mediante
diafragmas, en lugar de fuelles, con lo cual el desplazamiento
volumétrico es casi nulo. El cuerpo de estos transmisores suele
ser de acero al carbono, acero inoxidable o aluminio, el fuelle
o diafragma de acero inoxidable 316 (disponible en Monel,
Hastelloy C, Teflón en inoxidable o Kel-F en monel) y el
líquido de llenado silicona.

47. Si la tubería está sometida a una vibración fuerte, es
aconsejable unir el instrumento al sistema mediante conexiones
flexibles adecuadas a las condiciones de trabajo de la
instalación.
Si el fluido es corrosivo, viscoso o bien condensa o se evapora
o se congela o solidifica, es necesario utilizar sistemas de
sello que aíslen el instrumento del proceso. Un caso típico es
la medida de caudal de vapor en la que el fluido de sello es el
propio condensado del vapor. En otros casos suele emplearse una
mezcla de 50% de glicerina y 50% de agua.
Si el fluido de proceso es susceptible de condensación,
solidificación o congelación a las temperaturas ambiente más
bajas que puedan encontrarse en las tuberías, es necesario
disponer de un sistema de calentamiento en general con vapor a
baja presión que impida este fenómeno. La calefacción eléctrica,
si bien no está muy extendida es cómoda y admite un buen control
de temperatura.
Area variable (Rotámetros)
Los rotámetros son medidores de caudal de área variable en los
cuales un flotador cambia su posición dentro de un
tubo,proporcionalmemte al flujo del fluido. En condiciones de
equilibrio se cumplen las ecuaciones.

48. Desplazamiento positivo
Los medidores de desplazamiento positivo miden el caudal
contando e integrando los volúmenes de líquido por separado. Las
partes mecánicas del instrumento se mueven aprovechando la
energía del fluido y dan lugar a una pérdida de carga. La
precisión depende de los huelgos entre las partes móviles y las
fijas y aumenta con la calidad de la mecanización y con el
tamaño del instrumento. Existen cuatro tipos de medidores:
Disco oscilante
Pistón oscilante
Pistón alternativo
Rotativos
De diafragma
Medidor de disco oscilante

49. El instrumento dispone de una cámara circular con un disco móvil
dotado de una ranura en la que se intercala una placa fija. Esta
placa separa la entrada de la salida e impide el giro del disco
durante el paso del fluido. La cara baja del disco está siempre
en contacto con la parte inferior de la cámara en el lado
opuesto. De este modo la cámara está dividida en compartimientos
separados de volumen conocido.
Cuando pasa el fluido, el disco toma un movimiento parecido al
de un trompo caído de modo que cada punto de su circunferencia
exterior sube y baja alternativamente estableciendo contacto con
las paredes de la cámara desde su parte inferior a la superior.
Este movimiento de balanceo se transmite mediante el eje del
disco a un tren de engranaje. El par disponible es pequeño, lo
que pone un límite en la utilización de los accesorios
mecánicos. Empleado originalmente en aplicaciones domésticas
para agua, se utiliza industrialmente en la medición de caudales
de agua fría, agua caliente, aceite y líquidos alimenticios. La
precisión es de +/-12%. El caudal máximo es de 600l/min y se
fabrica para pequeños tamaños de tubería.
Medidor de pistón oscilante
El instrumento se compone de una cámara de medida cilíndrica con
una placa divisora que separa los orificios de entrada y salida.
La única parte móvil es un pistón cilíndrico que oscila
suavemente en un movimiento circular entre las dos caras planas
de la cámara, provisto de una ranura que desliza en la placa
divisora fija que hace la guía del movimiento oscilante. El eje
del pistón al girar, transmite su movimiento a un tren de
engranajes y a un contador. El par disponible es elevado de modo
que el instrumento puede accionar los accesorios mecánicos
necesarios.

50. Los diagramas indican el movimiento del pistón desde que entra
el líquido en la cámara hasta que ha sido medido y descargado.
La precisión normal es de +/-1% pudiéndose llegar a +/-2% con
pistón metálico y +/-0.5% con pistón sintético, dentro de un
margen de caudal de 5:1. Se fabrican para tamaños de tubería
hasta 2” con caudales máximos de 600l/min. Se aplican en la
medición de caudales de agua y líquidos viscosos o corrosivos.
Medidor de pistón alternativo
El medidor de pistón convencional es el más usado antiguo de los
medidores de desplazamiento positivo. El instrumento se fabrica
en muchas formas: de varios pistones, pistones de acción doble,
válvulas rotativas, válvulas deslizantes horizontales. Estos
instrumentos se han empleado mucho en la industria petroquímica
y pueden alcanzar una precisión del orden de +/-0,2%.
Su capacidad es pequeña comparada con los tamaños de otros
medidores. Su costo inicial es alto, dan una pérdida de carga
alta y son difíciles de reparar.
Medidor rotativo
Este tipo de instrumento tiene válvulas rotativas que giran
excéntricamente rozando con las paredes de una cámara circular y
transportan el líquido en forma en forma incremental de la
entrada a la salida. Se emplean mucho en la industria
petroquímica para la medida de crudos y de gasolina con
intervalos de medida que van desde unos pocos l/min de líquidos
limpios de baja viscosidad hasta 64.000 l/min de crudos
viscosos.
Hay varios tipos de medidores rotativos, siendo los más
empleados, los cicloidales, los de dos rotores (birrotor) y los
ovales.

51. Los cicloidales contienen dos lóbulos del tipo Root engranajes
entre sí que giran en direcciones opuestas manteniendo una
posición relativa fija y desplazando un volumen fijo de fluido
líquido o gas en cada revolución.
Se fabrican en tamaños que van de 2 a 24” y con caudales de
líquidos de 30 a 66.500 l/min y en gas hasta 3 m3/h. su
precisión +/-1% para caudales de 10 a 100% del intervalo de
medida, bajando mucho la precisión en caudales bajos debido a
los huelgos que existen entre los lóbulos.
El sistema birrotor consiste en dos rotores sin contacto
mecánico entre sí que giran como únicos elementos móviles en la
cámara de medida. La relación de giro mutuo se mantiene gracias
a un conjunto de engranajes helicoidales totalmente cerrado y
sin contacto con el líquido. Los rotores están equilibrados
estática y dinámicamente y se apoyan en rodamientos de bolas de
acero inoxidable. Al no existir contacto mecánico entre los
rotores, la vida útil es larga y el mantenimiento es fácil. El
instrumento puede trabajar con bajas presiones diferenciales del
orden de 1” c de a.
Son reversibles, admiten sobrevelocidades esporádicas, sin
recibir daño alguno, no requieren filtros, admiten el paso de
partículas extrañas y permiten desmontar fácilmente la unidad de
medida sin necesidad de desmontar el conjunto completa. Su
ajuste es sencillo y son de fácil calibración mientras el
instrumento está bajo presión y sin pérdida de líquido. Se
aplican en la medición de caudales de crudos y productos
petrolíferos.
Su tamaño varía de 3 a 12”. La precisión es de +/-0,2%. Con unan
pérdida de carga de 5 psi y con un margen de caudal de 5:1.

52. Los medidores ovales disponen de dos ruedas ovales que engranan
entre sí y tienen un movimiento de giro debido a la presión
diferencial creada por el líquido. La acción del líquido va
actuando alternativamente sobre cada una de las ruedas dando
lugar a un giro suave de un par casi constante. La cámara de
medida y las ruedas están mecanizadas con gran precisión para
conseguir un deslizamiento mínimo entre las mismas, sin
formación de bolsas o espacios muertos en la cámara de medida y
barriendo completamente la misma en cada rotación. De este
modo, la medida es prácticamente independiente de variaciones en
la densidad y en la viscosidad del líquido. La precisión es de
+/-0,5% del caudal total. Los tamaños varías de 1/2 a 3”.
Torbellino y Vórtex
El medidor de caudal por torbellino se basa en la determinación
de la frecuencia del torbellino producido por la hélice estática
situada dentro de la tubería través de la cual pasa el fluido.
La frecuencia del torbellino es proporcional a la velocidad del
fluido de acuerdo con la expresión conocida como número de
Strouhal.

53. El número de Strouhal es constante para números de Reynolds
comprendidos entre 10.000 y 1.000.000 y d es mantenido constante
por el fabricante del medidor.
Q= s*v Q= caudal volumétrico del fluido
S= sección de la tubería
Resulta lo siguiente:
Q= f*d*s = f*K
St
Siendo K= (d*s)/St
Por lo tanto, el caudal volumétrico del fluido es proporcional a
la frecuencia por torbellino.
Los instrumentos de Vórtex son parecidos al de torbellino,
excepto que están basados en el efecto Von Karman donde un
cuerpo en forma de cono genera alternativamente vórtices (áreas
de baja presión e inestabilidad) desfasados en 180°, cuya
frecuencia es directamente proporcional a la velocidad y por lo
tanto, al caudal. La precisión es del +/-1%.
Medidor Oscilante
Consiste en un pequeño orificio situado en el cuerpo del
medidor, que genera una presión diferencial y provoca el paso
del fluido por área de medida. A medida que este flujo
turbulento pasa a través de la abertura se crea una zona de baja
presión detrás de la válvula, con lo que ésta oscila a una
frecuencia directamente proporcional al caudal. Un transductor
de impulsos capta las oscilaciones de la válvula e indica el
caudal.

54. El medidor es adecuado en la medida de caudales de fluidos con
partículas en suspensión y en las mezclas de líquidos y gases
provocadas por vaporizaciones imprevistas del líquido al bajar
la presión. Su precisión es del orden del+/-0,5%.
El medidor axial de una turbina
Consiste en un rotor radial con canales de paso del fluido que
gira a una velocidad constante por acoplamiento magnético con un
motor síncrono, comunicando al fluido un momento angular. Una
turbina adyacente al rotor impulsor elimina el momento angular
del fluido y recibe un par proporcional al mismo. La turbina
está frenada por un resorte y su posición angular es
proporcional al par dando la medida de caudal masa.
Este sistema es sencillo comparado con otros métodos para
obtener el caudal masa verdadero, pero es inexacto para caudales
bajos, solo puede medir caudales en un solo sentido y es incapaz
de medir variaciones rápidas en el caudal.

55. Medidor Coriolis
El medidor Coriolis se basa en el teorema de Coriolis, que
observó que un objeto de masa m que se desplaza con una
velocidad lineal V a través de una superficie giratoria con
velocidad angular ϖ, experimenta una velocidad tangencial
proporcional a la distancia del centro. Si el móvil se desplaza
del centro hacia la periferia, experimentará un aumento gradual
de su velocidad tangencial, lo cual indica que se le aplica una
aceleración y por lo tanto, una fuerza sobre la masa del objeto.
Como el radio de giro va aumentando gradualmente, la velocidad
tangencial también varía, con lo que se concluye que una
variación de velocidad es una aceleración, la que a su vez
debida a una fuerza que actúa sobre la bola.
La diferencia en tiempo (Δt) de las señales de los sensores de
posición, está relacionada con θ y la velocidad (Vi) del tubo en
su punto medio, según:
tg θ = Vi * Δt
2r

56. MEDICIÓN DE NIVEL
En la industria, la medición de nivel es muy importante, tanto
desde el punto de vista del funcionamiento correcto del proceso
de la consideración del balance adecuado de materias primas o
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 altas precisiones de lectura, del orden de +/-0,2% en
el universo de las materias primas o finales o en la
transformación en los tanques del proceso. Un transmisor de
nivel inteligente hace posible la interpretación del nivel real,
la eliminación de las falsas alarmas y la fácil calibración del
aparato en cualquier punto de la línea de transmisión.
Los transmisores pueden conectarse a través de un sistema RS-
232, a un ordenador personal, que con el software adecuado, es
capaz de configurar transmisores inteligentes.
Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel
de líquidos y sólidos que son dos mediciones claramente
diferenciadas y sus aplicaciones particulares para cada caso.
Medidores de Nivel de Líquidos
Los medidores de nivel de líquidos trabajan midiendo, bien
directamente la altura de líquido sobre una línea de referencia
o sobre la presión hidrostática o el desplazamiento de un
flotador por el propio líquido contenido en el tanque del
proceso o aprovechando las características eléctricas de los
líquidos.
Los primeros instrumentos de medida directa se dividen en:
sonda, cinta, plomada, nivel de cristal e instrumentos de
flotador.
Los aparatos que miden el nivel aprovechando la presión
hidrostática se dividen en:
Medidor manométrico
Medidor de membrana
Medidor tipo burbujeo
Medidor de presión diferencial de diafragma
El empuje producido por el propio líquido lo aprovecha el
medidor de desplazamiento a barra de torsión.

57. Los instrumentos que utilizan características eléctricas del
líquido se clasifican en:
Medidor resistivo
Medidor conductivo
Medidor capacitivo3
Medidor de radiación
Medidor de láser
Instrumentos de medida directa
El medidor de sonda consiste en una varilla o regla graduada de
la longitud conviene 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 combustibles líquidos. Otro medidor
consiste en una varilla graduada con un gancho que se sumerge en
un líquido. La distancia desde esta superficie hasta la parte
superior del tanque representa indirectamente el nivel. Se
emplea en tanques de agua a presión atmosférica. Otro sistema
parecido es el medidor de cinta graduada y plomada que se emplea
cuando es difícil que la regla graduada tenga acceso al fondo
del tanque.
El nivel de cristal consiste en un tubo de vidrio con sus
extremos conectados a bloques metálicos y cerrados por
prensaestopas que están unidos al tanque generalmente mediante
tres válvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del
tubo para impedir el escape del líquido en caso de rotura del
cristal y una de purga.
El nivel de cristal normal se emplea para presiones hasta 7 bar.
A presiones más elevadas el cristal es grueso, la sección
rectangular y está protegido por una armadura metálica la
lectura de nivel se efectúa con un cristal a reflexión o bien
por transparencia. En el primer caso que puede verse, el vidrio

58. en contacto con el líquido está provisto de ranuras
longitudinales que actúan como prismas de reflexión indicando la
zona de líquido con un color oscuro casi negro y la zona en
contacto con el vapor de color claro.
Los instrumentos de flotador consisten en un flotador situado en
un líquido y conectado al exterior del tanque indicando
directamente el nivel. La conexión puede ser directa magnética o
hidráulica.
Un 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
combustibles líquidos. Tiene el inconveniente de que las partes
móviles están expuestas al fluido y pueden romperse y de que el
tanque no puede estar sometido a presión. Además el flotador
debe mantenerse limpio.

59. El flotador acoplado magnéticamente 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 puede además ser un
transmisor neumático o eléctrico.
Instrumentos basados en la presión hidrostática.
Medidor manométrico
El medidor manométrico consiste en un manómetro conectado
directamente a la parte inferior del tanque. En la figura se ve
un instrumento de este tipo en el que se aprecian los
accesorios como la válvula de cierre para mantenimiento y un
pote de decantación con una válvula de purga. El manómetro mide
la presión debida a la altura de líquido h que existe entre el
nivel del tanque y el eje del instrumento.

60. O bien, expresando ϓ en g/cm3 se obtiene 0-0,098 hϓ bar (o bien
0-0,1hϓ kg/cm2
).
El medidor tipo burbujeo utiliza una membrana conectada con un
tubo estanco al instrumento receptor.
La fuerza ejercida por la columna de líquido sobre el área de la
membrana comprime el aire interno a una presión igual a la
ejercida por la columna de líquido. El volumen de aire interno
es relativamente grande, por lo cual el sistema está limitado a
distancias no mayores de unos 15 metros, debido a la
compresibilidad del aire. Como antes, la presión máxima que el
líquido ejercerá es de 0,098hϓ bar. El instrumento es dedicado,
ya que cualquier pequeña fuga del aire contenido en el diafragma
destruiría la calibración del instrumento.
El medidor tipo burbujeo emplea un tubo sumergido en el líquido
través del cual, se hace burbujear aire mediante un rotámetro
con un regulador de caudal incorporado. La presión del aire en
la tubería equivale a la presión hidrostática ejercida por la
columna de líquido, es decir, al nivel. El regulador de caudal
de aire a través del líquido independientemente del nivel (150
Nl/h), si no existiera, habría una gran diferencia en los
caudales de aire necesarios desde el nivel mínimo al máximo con

61. el inconveniente de un gasto de aire indebido. La tubería
empleada suele ser de 1/2” 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 medida provocando por la pérdida de
carga del tubo.
La presión de aire en la tubería, es decir, el nivel se idea
mediante un manómetro de fuelles cuyo campo de medida
corresponde a la presión máxima ejercida por el líquido (0,098hϓ
bar, con h en m y ϓ en g/cm3
). El manómetro receptor puede
colocarse hasta distancias de 200m.
El medidor de presión diferencial consiste en un diafragma en
contacto con el líquido del tanque, que mide la presión
hidrostática en un punto del fondo del tanque. En un tanque
abierto esta presión es proporcional a la altura del líquido en
ese punto y a su peso específico, es decir P= h*g*ϓ.
P: presión
H: altura del líquido sobre el instrumento
ϓ: densidad del líquido
g: aceleración de gravedad (m/s2
)
El diafragma forma parte de un transmisor neumático, electrónico
o digital de presión diferencial semejante a los transmisores de
caudal de diafragma.
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, tales como pasta de papel y líquido
con sólidos en suspensión, pudiendo incluso ser de montaje
saliente para que el diafragma enrase completamente con las

62. paredes interiores del tanque. Tal como ocurre en el caso de
líquidos viscosos en que no puede admitirse ningún recodo.
El nivel cero del líquido se selecciona en un eje a la altura
del diafragma. Si el instrumento se calibra en el tanque. El 0%
del aparato debe comprobarse con el nivel más bajo en el borde
inferior del diafragma.
Cuando los gases o vapores encima del líquido son condensables,
la línea desde la toma superior se llena gradualmente con el
condensadohasta llevar todo el tubo, en cuyo caso la tubería
dibujada a la derecha del transmisor de la figura, tendrá mayor
presión que la tubería izquierda, y por lo tant, habrá que
cambiar las conexionies del instrumento, ya que éste indicará
bajo cuando el nivel sea alto y viceversa. Según la figura, se
tiene:
P= (H-h)ϓ para h=0 P=H
De este modo, el instrumento tendrá que estar graduado a la
inversa, es decir, 0% va 3psi y 100%a 15psi en un transmisor
neumático, o bien nseñalar 0% a 4mA y 100% a 20mA en un
transductor de señal de slaida 4.20mA.
Para corregir este inconveniente se utiliza un muelle llamado de
supresión que está aplicado a la barrra de equilibrio de fuerzas
del transmisor y que produce una fuerza igual a la diferencia
entre el nivel máximo y el mínimo, pudiendo ajustar la tensión

63. del muelle para cada caso particular. Algunos fluidos presentan
el riesgo de depósito de cristales o sólidos en la superficie
del diafragma recubierto de teflón para reducir el depósito
gradual del producto. No obstante, como el movimiento del
diafragma en muy pequeño y se considera el sólido algo flexible,
sin embargo, si parte del diafragma queda rígido, el instrumento
marcará en forma errática o permanente menos nivel del real.
Este inconveniente se resuelve empleando un transmisor de nivel
de presión diferencial con membranas de sello que responde a la
presión transmitida en lugar de la fuerza creada por el líquido
sobre la membrana.
En tanques cerrados y a presión con líquidos de vapor
condensable existe el riesgo de obturación de la línea de
compensación , en particular si el fluido no es limpio. Para
evitarlo puede purgarse la línea con líquido o gas, método que
no se recomienda por los problemas de mantenimiento y la posible
pérdida de precisión que presenta o bien emplear un transmisor
de presión diferencial unido con dos capilares a dos diafragmas
conectados en las partes inferior y superior del tanque. Los
diafragmas deben estar a la misma temperatura para los errores
en la medida que se presentarán por causa de las distintas
dilataciones del fluido contenido en el capilar.
El medidor de presión diferencial puede emplearsetambién en la
medida de interfases. La amplitud de la medida vendrá dada por
la diferencia de presiones sobre el diafragma del elemento,
primero con el tanque lleno del líquido más denso y después con
el líquido menos denso. Por ejemplo, si la interfase es agua-
keroseno (ϓ=0,8) y el tanque tiene 3 m de altura, la presión
diferencial disponible será:
(0,098*3*1)-(0,098*3*0,8) = 0,0588bar = 600mm c de a
Puede modificarse fácilmente con un transmisor de presión
diferencial sensible dotado de resorte de elevación para
compensar la presión inicial del lenos denso.

64. La precisión de los instrumentos de presión diferencial es de
+/-0,5% en los neumáticos +/-0,2% a +/-0,3% en los electrónicos
y de +/-0,15% en los inteligentes con señal de salida 4-20mA.
INSTRUMENTO BASADO EN EL DESPLAZAMIENTO
El medidor de nivel tipo desplazamiento consiste en un flotador
parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un
brazo a un tubo de torsión unido rígidamente el tanque. Dentro
del tubo y unido a su extremo a su extremo libre se encuentra
una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor
exterior al tanque.
El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el
ángulo de rotación de su extremo libre es directamente
proporcional a la fuerza aplicada, es decir, al momento ejercido
por el flotador. El movimiento angular del extremolibre del tubo
de torsión es muy pequeño, del orden de los 9°. El tubo
proporciona además un cierre estanco y el exterior del tanque.
Según el principio de Arquímides, el flotador sufre un empuje
hacia arriba que viene dado por la ecuación:
F = S*H*ϓ*g
Donde:
F = empuje del líquido
S = sección del flotador
H = altura sumergida del flotador
ϓ = densidad del fluido
g = aceleración de gravedad (m/s2
)
El torque sobre la barra de torsión es:
M = (S*H*ϓ*g-P)*l
Siendo l el brazo del tubo y P el peso del flotador.
Tal como puede verse en la expresión anterior, al aumentar el
nivel líquido ejerce un empuje sobre el flotador igual al
volumen de la parte sumergida multiplicada por la densidad del
líquido, tendiendo a neutralizar su peso propio, así que el
esfuerzo medido por el tubo de torsión será muy pequeño.

65. Instrumentos basados en características eléctricas del líquido
El medidor de nivel conductivo o resistivo consiste en uno o
varios electrodos y un relé eléctrico o electrónico que se
activa cuando el líquido moja a dichos elementos. El líquido
debe ser lo suficientemente conductor como para activar el
circuito electrónico y de este modo, el aparato puede
discriminar la separación entre el líquido y su vapor, como por
ejemplo en el nivel de agua de una caldera de vapor. La
impedancia mínima es del orden de 20 MΩ/cm y la tensión de
alimentación es alterna para evitar fenómenos de oxidación de
las sondas. Cuando el líquido moja los electrodos, se cierra el
circuito electrónico y circula una corriente segura del orden de
2mA, el relé dispone de un temporizador de retardo que impide su
enclavamiento ante una ola de nivel del líquido o ante cualquier
perturbación momentánea.
El instrumento es versátil sin partes móviles, con amplio campo
de medida, limitada por la longitud de los electrodos. El
líquido contenido en el tanque debe tener un mínimo de
conductividad y si su naturaleza lo exige, la corriente debe ser
baja para evitar el deterioro del producto. Por otro lado,
conviene que la sensibilidad del aparato sea para detectar la
presencia de espuma en caso necesario.
El medidor de capacidad mide la capacidad del condensador
formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes
del tanque. La capacidad del conjunto depende linealmente del
nivel de líquido.
En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y la
capacidad total del sistema se compone de la del líquido, la del
gas superior y la de las conexiones superiores.

66. Los fluidos conductores con una conductividad mínima de 100
microhms/cc el electrodo está aislado usualmente con teflón
interviniendo las capacidades adicionales entre el material
aislante y el electrodo en la zona del líquido y del gas.
El circuito electrónico alimenta el electrodo a una frecuencia
elevada, lo cual disminuye la reactancia capacitiva del conjunto
y permite aliviar en parte el inconveniente del posible
recubrimiento del electrodo por el producto.
El sistema es sencillo y apto para muchas clases de líquidos.
Sin embargo hay que señalar que en los fluidos conductores, los
sólidos y líquidos conductores en suspensión o emulsión, y las
burbujas de aire o de vapor existentes, aumentan y disminuyen
respectivamente la constante dieléctrica del fluido dando lugar
a un erro máximo del 3% por cada tanto por ciento de
desplazamiento volumétrico.

67. La precisión de los transductores de capacidad es de +/-1%. Se
caracterizan por no tener partes móviles, son ligeros, presentan
una buena resistencia a la corrosión y son de fácil limpieza. Su
campo de medida es prácticamente limitado y pueden emplearse en
la medida de nivel de interfaces. Tienen el inconveniente de que
la temperatura puede afectar las constantes dieléctricas (0,1%
de aumento de la constante dieléctrica/°C) y de que los posibles
contaminantes contenidos en el líquido pueden adherirse al
electrodo variando su capacidad y falseando la lectura, en
particular en el caso de líquidos conductores.
El sistema ultrasónico de medición de nivel se basa en la
emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y
la recepción del eco del mismo en el receptor. El retardo en la
captación del eco depende del nivel del tanque.
Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20KHz. 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.
Sistema de medición de 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 cc. Como la
transmisión de los rayos en 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

68. igualmente su energía de manera exponencial en el tiempo. La
vida media varía según la fuente empleada. En el cobalto 60 es
de 5,5 años y en el Cesio 137 es de 33 años y en el americio 241
es de 458 años.

69. MEDICIÓN DE TEMPERATURA
La medida de temperatura constituye una de las mediciones más
comunes y más importantes que se efectúan en los procesos
industriales. Las limitaciones del sistema quedan definidas en
cada tipo de aplicación por la precisión, por la velocidad de
captación de la temperatura, por la distancia entre el elemento
de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento
indicador, registrador o controlador necesarios, es importante
señalar que es esencial una comprensión clara de los distintos
métodos de medida con sus ventajas y desventajas propias para
lograr una selección adecuada del sistema.
Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos
influidos por la temperatura y entre las cuales figuran:
a. Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos
(sólidos, líquidos o gases)
b. Variación de resistencia de un conductor (sondas de
resistencia)
c. Variación en volumen de un semiconductor (termistores)
d. F.e.m. creada en la unión de dos metales distintos
(termopares)
e. Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo
(pirómetros de radiación)

70. f. Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del
sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal)
De este modo se emplean los instrumentos siguientes:
Termómetro de vidrio, termómetros bimetálicos, elemntos
primarios de bulbo y capilar rellenos de líquido, gas o vapor,
termopares, pirómetros de radiación, termómetros de resistencia,
termómetros ultrasónicos, termómetros de cristal de cuarzo.
Termómetro de vidrio
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 márgenes de trabajo de los fluidos
empleados son:
Mercurio -35 hasta +280°C
Mercurio (tubo capilar lleno de gas) - 35 hasta +450°C
Pentano -200 hasta + 20°C
Alcohol -110 hasta + 50°C
Tolueno - 70 hasta +100°C
Termómetro bimetálico
Los termómetros bimetálicos se fundan en el distinto coeficiente
de dilatación de dos metales diferentes tales como latón, monel
o acero y una aleación de ferroníquel o Invar (35,5% de níquel)
laminados conjuntamente. Las láminas bimetálicas pueden ser
rectas o curvas, formando espirales o hélices.
Un termómetro bimetálico típico contiene pocas partes móviles,
solo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral
de la hélice y el propio elemento bimetálico.
El eje y el elemento están sostenidos con cojinetes y el
conjunto está construido con precisión para evitar rozamientos.
No hay engranajes que exijan un mantenimiento. La precisión del
instrumento es de +/-1% y su campo de medida de -200 a +500°C.

71. Termómetro de bulbo y capilar
Consisten 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 expanden y la espiral tiende a desarrollarse
moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de
la temperatura en el bulbo.
Hay tres clases de este tipo de manómetros:
Clase I: termómetros actuados por líquido
Clase II: termómetros actuados por vapor
Clase III: termómetros actuados por gas
Clase IV: termómetros actuados por mercurio
Los termómetros actuados por líquido tienen el sistema de
medición lleno de líquido y con su dilatación es proporcional a
la temperatura, la escala de medición resulta informe. El
volumen del líquido depende principalmente de la temperatura del
bulbo, de la del capilar y de la del elemento de medición. Por
lo tanto, para capilares cortos hasta m5, solo hay que compensar
el elemento de medición para evitar errores debido a variaciones
de la temperatura ambiente (clase IB), para capilares más
largos hay que compensar también el volumen del tubo capilar
(clase IA), los líquidos que se utilizan son: alcohol y éter.
El campo de medición de estos instrumentos varía entre 1500hasta
500°C, dependiendo del tipo de líquido que se emplee.
Los termómetros actuados por vapor contienen un líquido volátil
y se basan en el principio de presión de vapor. Al subir la
temperatura aumenta la presión de vapor del líquido. La escala
de medición no es uniforme, sino que las distancias entre
divisiones van aumentando hacia la parte más alta de la escala.
La presión en el sistema depende solamente de la temperatura en
el bulbo.

72. Termómetros de resistencia
La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia
depende de las características de resistencia en función de la
temperatura que son propias del elemento de detección.
Elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy
fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material
aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o cerámica.
El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado
“coeficiente de temperatura de resistencia en Ohms del conductor
para cada grado que cambia su temperatura.
La relación entre estos factores puede verse en la expresión
lineal siguiente:
Rt = Ro*(1+αt)
Donde:
Ro = resistencia en Ohms a 0°C
Rt = resistencia en Ohms a t°C
α = coeficiente de temperatura de ka resistencia cuyo
valor entre 0 y 100°C. Es de 0,003850 Ω °C-1
. (IPTS-68)

73. Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben
poseer las siguientes características:
a. Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que
de este modo el instrumento de medida será muy sensible.
b. Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia
a una temperatura dada, tanto mayor será la variación por
grado (mayor sensibilidad.
c. Relación lineal resistencia-temperatura.
d. Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesos
de fabricación de estirado y arrollamiento del conductor
en las bobinas de la sonda, a fin de obtener tamaños
pequeños (rapidez de respuesta)
e. Estabilidad de las características durante la vida útil
del material.
Los materiales que se usan normalmente en las sondas de
resistencia son el platino y el níquel.

74. El platino es el material más adecuado desde el punto de vista
de precisión y de estabilidad pero presenta el inconveniente de
su costo. En general la sonda de resistencia de platino
utilizada en la industria tiene una resistencia de 100 Ohms a
0°C.
El níquel es más barato que el platino y posee una resistencia
más elevada con una 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.
Termistores
Los termistores son semiconductores electrónicos con un
coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor
elevado, por lo que presentan variaciones rápidas y
extremadamente grandes para los cambios relativamente pequeños
en la temperatura. Los termistores se fabrican con óxidos de

75. níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, titanio y otros
metales y están encapsulados.
La relación entre la resistencia del termistor y la temperatura
viene dada por la expresión:
La distancia entre el termistor y el instrumento de medida puede
ser considerable siempre que el elemento posea una alta
resistencia comparada con la de los cables de la unión. La
corriente que circula por el termistor a través del circuito de
medida debe ser baja para garantizar que la variación de
resistencia del elemento sea debida exclusivamente a los cambios
de temperatura del proceso.
Loso termistores encuentran su principal aplicación en la
medición, la compensación y el control de temperatura y como
medidores de temperatura diferencial.
Termopares
El termopar se basa en el efecto descubierto por Seebeck en
1821, de la circulación de corriente en un circuito formado por

76. dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a distinta
temperatura. Esta circulación obedece a dos efectos
termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la
liberación o absorción de calor en la unión de dos metales
distintos cuando una corriente circula a través de la unión y el
efecto Thompson que consiste en la liberación o absorción de
calor cuando una corriente circula a través de un metal
homogéneo en el que existe un gradiente de temperatura.
El efecto Peltier puede ponerse de manifiesto en el montaje de
la figura. En una cruz formada por la unión en su centro de dos
metales distintos se hace pasar una corriente en uno u otro
sentido con el interruptor K2 abierto. Después de cada paso de
corriente, se abre K1 y se cierra K2, leyendo en el galvanómetro
la fem creada, proporcional a la temperatura alcanzada por la
cruz térmica en cada caso.
El efecto Thompson puede detectarse en el circuito de la figura
formado por una barra metálica MN, con un termopar AB aislado y
una bobina H para calentamiento eléctrico centrada respecto de
AB.

77. En régimen calentado con la bobina H uno de los puntos, el B por
ejemplo, se presentará una diferencia de temperatura con A, lo
que se indicará en el galvanómetro. Si ahora se hace pasar una
corriente por la barra MN, se notará un aumento o disminución de
la temperatura diferencial con el efecto contrario si se
invierte la corriente.

79. Pirómetro de radiación
Los pirómetros de radiación se fundan en la ley de Stefan
Boltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante (J/s
por área) emitida por la superficie de un cuerpo, aumenta
proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura
absoluta (°K) del cuerpo, es decir W = ET4
. En la figura se
representa el gráfico de energía radiante de un cuerpo negro a
varias temperaturas en función de la longitud de onda. Desde el
punto de vista de medición de temperaturas industriales, las
longitudes de onda térmica abarcan desde 0,1 micra para las
radiaciones ultravioletas, hasta 12 micras para las radiaciones
infrarrojas.
Puede observarse que la radiación visible ocupa un intervalo
entre la longitud de onda de 0,45 micras para el violeta, hasta
0,7 micras para el rojo.

80. Los pirómetros de radiación miden la temperatura de un cuerpo a
distancia en función de su radiación. Los instrumentos que
miden la temperatura de un cuerpo en función de la radiación
luminosa que éste emite, se denominan pirómetros ópticos de
radiación parcial o pirómetros ópticos y los que miden la
temperatura captando toda o una gran parte de la radiación
emitida por el cuerpo, se llaman pirómetros de radiación total.
Pirómetros ópticos
Los pirómetros ópticos manuales se basan en la desparición del
filamento de una lámpara al compararlo visualmente con la imagen
del objeto enfocado. Pueden ser de dos tipos: a)de corriente
variable en la lámpara y b)de corriente constante en la lámpara
con variación del brillo de la imagen de la fuente.
Los pirómetros ópticos automáticos son parecidos a los de
radiación infrarrojos y consisten en un disco rotativo que
modula desfasadas la radiación del objeto y la de una lámpara
estándar que inciden en el fototubo multiplicador. Este envía
una señal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de
corriente continua que convenientemente acondicionada modifica
la corriente de alimentación de la lámpara estándar hasta aque
coinciden en brillo la radiación del objeto la de la lámpara. En
este momento la intensidad de corriente que pasa por la lámpara
es función de la temperatura.
Pirómetros de infrarrojos
El pirómetro de infrarrojos capta la radiación espectral del
infrarrojo, invisible al ojo humano y puede medir temperaturas
inferiores a 700°C, supliendo al pirómetro óptico que solo puede
trabajar eficazmente a temperaturas superiores a 700°C, donde la
radiación visible emitida es significativa.
En la figura se muestra un pirómetro infrarrojo. La lente filtra
la radiación infrarroja emitida por el área del objeto examinado
y la concentra en un sensor de temperatura (termopar o
termistor). La distancia focal de la lente varía entre 500 y
1.500mm. Análogamente al pirómetro óptico, debe considerarse el
coeficiente de emisión del cuerpo. El aparato dispone de un
compensador de emisividad que permite corregir la temperatura
leída, no solo para la pérdida de radiación en cuerpos con
emisividad menor que uno, sino también cuando hay vapores,
gases, humos o materiales transparentes que se interponen en el
camino de la radiación. La precisión es de +/-0,3%.

81. Pirómetro fotoeléctrico
Al tener un detector fotoeléctrico es mucho más rápido que los
sensores térmicos, pero debe mantenerse refrigerado a muy baja
temperatura mediante nitrógeno líquido para reducir el nivel de
ruido eléctrico.
La señal de salida depende de la temperatura instantánea del
volumen del detector, por lo que evita los retardos inherentes
al aumento de la temperatura de la masa del detector que existen
en los otros modelos de pirómetros.
El detector genera una tensión proporcional al cubo de la
temperatura V = KT3
.
Para amplificar la señal, el instrumento interrumpe la misma
mediante un disco ranurado a varios cientos de Hertz, con lo que
se obtiene una señal de c.a. que puede ser amplificada con un
amplificador de c.a. de alta ganancia.
COMUNICACIONES
La mayor parte de las comunicaciones entre los instrumentos de
proceso y el sistema de control se basan en señales análogas
(neumáticas 3-15psi, 4-20mA,). Sin embargo, los instrumentos
digitales capaces de manejar grandes volúmenes de datos y
almacenarlos como datos históricos, es lo que se impone. Su
precisión es unas diez veces mayor que la señal clásica de 4-
20mA. En lugar de enviar cada variable por un par de hilos,
transmiten secuencialmente las variables a través de
comunicaciones llamado Bus.
La tecnología Fieldbus y bus de campo es un protocolo de
comunicaciones digital de alta velocidad, que ha sustituido a la
señal clásica en los sistemas de control distribuido(DCS) y