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Cuáles son las variables típicas de medición en un proceso
Jaime R. Vargas V., Estudiante, Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Abstract—En este artículo se estudiará y se analizará las variables más comunes de medición, tales como presión, caudal, nivel, temperatura, etc.
Index Terms—Caudal, temperatura, nivel, presión, peso, ve-locidad, densidad,
I. Introducción
NA medición es, un acto de asignar un valor específico a una
variable física. Dicha variable física es la variable medida. Un
sistema de medición es una herramienta utilizada para cuantificar la
variable medida.
El elemento clave fundamental de un sistema de instrumentación,
es el elemento sensor. La función del sensor es percibir y convertir
la entrada (variable física) percibida por el sensor, en una variable
de la señal de salida.
El sensor es un elemento físico que emplea algún fenómeno
natural por medio del cual sensar la variable a ser medida. El
transductor, convierte esta información sensada en una señal
detectable, la cual puede ser eléctrica, mecánica, óptica, u otra. El
objetivo es convertir la información sensada en una forma que pueda
ser fácilmente cuantificada.
Las variables a medir o controlar pueden ser por ejemplo:
• Variables físicas: Caudal, presión, temperatura, nivel,
velocidad, peso, humedad.
• Variables químicas: pH, Conductividad eléctrica, Redox.
II. Sustentación Teórica
A. PRESIÓN
La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede
expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmósferas,
kilogramos por centímetro cuadrado y psi (libras por pulgada
cuadrada). En el Sistema Internacional (S.I.) está normalizada en
pascal. El pascal es 1 newton por metro cuadrado (1 N/m2), siendo
el newton la fuerza que aplicada a un cuerpo de masa 1 kg le
comunica una aceleración de 1 m/s2.
Como el pascal es una unidad muy pequeña, se emplean también
el kilopascal (1 kPa = 10-2 bar), el megapascal (1 MPa = 10 bar) y el
gigapascal (1 GPa = 10.000 bar). En la industria se utiliza también
el bar (1 bar = 105 Pa = 1,02 kg/cm2).
Definición matemática.: La presión es la magnitud escalar que
relaciona la fuerza con la superficie sobre la cual actúa, es decir,
equivale a la fuerza que actúa sobre la superficie. Cuando sobre una
superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera
uniforme, la presión P viene dada de la siguiente forma:
P = F/A
Presión absoluta y relativa.: En determinadas aplicaciones la
presión se mide no como la presión absoluta sino como la presión
por encima de la presión atmosférica, denominándose presión
relativa, presión normal, presión de gauge o presión manométrica.
Consecuentemente, la presión absoluta es la presión atmosférica
(Pa) más la presión manométrica (Pm) (presión que se mide con el
manómetro).
Pab = Pa + Pm
B. CAUDAL
Caudal es la cantidad de fluido que circula a través de una
sección del ducto (tubería, cañería, oleoducto, río, canal,... ) por
unidad de tiempo. Se lo podría definir también como la masa por
unidad de tiempo(Qm) o Volumen por unidad de tiempo (Qv) de
un fluido que atraviesa una sección de un cierto conducto.
Caudal volumétrico: Depende solo de la sección considerada y
de la velocidad del fluido.
Caudal másico: Depende además de la densidad del fluido y
ésta, a su vez, de la presión y temperatura.
Definición matemática.: En el caso de que el flujo sea normal a
la superficie o sección considerada, de área A, entre el caudal y la
velocidad promedia del fluido existe la relación:
Q = Av
donde:
• Q Caudal ([L3T-1];m3/s)
• A Es el área ([L2]; m2)
• V Es la velocidad promedio. ([LT-1]; m/s)
C. NIVEL.
La medición de nivel puede definirse como la determinación de
la posición de una interfase que existe entre dos medios separados
por la gravedad, con respecto a una línea de referencia.
Existen muchas situaciones en la industria donde estas inter- fases
deben ser establecidas dentro de los límites específicos, bien sea, por
razones de control de procesos o de la calidad del producto.
Existen básicamente dos métodos:
Métodos Directos: Estos consisten en medir directamente la
superficie libre del líquido a partir de una línea de referencia. Pueden
ser:
• Observación visual directa de la altura sobre una escala
graduada: medidor de vara, de tubo de vidrio, etc.
• Determinación de la posición de un flotador que descansa
sobre la superficie libre del líquido: flotador y cinta, flotador y
eje, etc.
U
Unidades de presión:
mmHg (Torr) baria (din/cm2) bar (106 barias) milibar Pascal(N/m2) atm. técnica
(kp/cm2) atmósfera
1 mmHg(Torr) 1 1332,8 1,3328 10'3 1,3328 133,28 1,36 10'3 1,316 10'3 1 baria (din/cm2)
7,503 10-4 1 10’6 10’3 0,1 1,02 10'6 9,9 10'7
1 Bar (106 barias) 7,503 102 106 1 103 105 1,02 9,9 10'1
milibar 7,503 10’1 103 10'3
1 102 1,02 10'3 9,9 10-4 1 Pascal(N/m2)
7,503 10’3 10 10'5 10'2 1 1,02 10'5 9,9 10-6
1 atm. técnica (kp/cm2) 735,7212 9,8 105 0.98 980 9,8 104 1 0,967
atmósfera 760 1,013 106 1,013 1,013 103 1,013 105 1,033 1
2
• Electrodos que hacen contacto con la superficie libre del
líquido.
Métodos Indirectos : Estos consisten en medir otros efectos que
cambian con el nivel del líquido. Entre ellos están:
• Medición de presión hidrostática o presión diferencial.
• Medición de fuerza de empuje. Como en el de tubo de
torsión.
• Medición de la radiación nuclear. Medidor radioactivo.
• Reflexión de ondas de radio, de radar o sónicas desde la
superficie libre del líquido. Medidor ultrasónico.
• Medición de la capacitancia eléctrica.
Estos métodos tienen un error inherente debido a que el nivel se
determina a partir de la medida de otra variable.
D. TEMPERATURA.
La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes
de caliente, tibio o frío que puede ser medida con un termómetro. En
física, se define como una magnitud escalar relacionada con la
energía interna de un sistema termod- inámico, definida por el
principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está
relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida
como nenergía cinéticaz, que es la energía asociada a los
movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido
traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que
sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se
encuentra más ncalientez; es decir, que su temperatura es mayor.
En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser
las vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido. En el
caso de un gas ideal monoatómico se trata de los movimientos
traslacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos los
movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta
también).
La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser
calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a
unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional
de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (K), y la escala
correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el
valor ncero kelvinz (0 K) al ncero absolutoz, y se gradúa con un
tamaño de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del
ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común.
La escala más extendida es la escala Celsius, llamada ncentígradaz;
y, en mucha menor medida, y prácticamente solo en los Estados
Unidos, la escala Fahrenheit. También se usa a veces la escala
Rankine (°R) que establece su punto de referencia en el mismo
punto de la escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamaño de
grado igual al de la Fahrenheit, y es usada únicamente en Estados
Unidos, y solo en algunos campos de la ingeniería.
Escalas de temperatura:
E. OTRAS VARIABLES.
1) PESO: El peso de un cuerpo es la fuerza con que es atraído
por la Tierra. La relación entre la masa del cuerpo, es decir, la
cantidad de materia que contiene, y su peso viene dado por la
expresión:
P = mg
2) VELOCIDAD: En la industria, la medición de la velocidad
se efectúa de dos formas: con tacómetros mecánicos y con
tacómetros eléctricos. Los primeros detectan el número de vueltas
del eje de la máquina por medios exclusivamente mecánico,
mientras que los segundos captan la velocidad por sistemas
eléctricos.
Tacómetro mecánico.:
3) DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO.: La densidad o masa
específica de un cuerpo se define como su masa por unidad de
volumen, expresandose normalmente en g/cm3 (o k g / m 3). Como la
densidad varía con la temperatura y con la presión (en los gases), se
especifica para un valor base de la temperatura que en líquidos suele
ser de 0°C o de 15°C, y en los gases de 0°C y para un valor estándar
de la presión que en los gases es de 1 atmósfera. La densidad relativa
es la relación para iguales volúmenes de las masas del cuerpo y del
agua a 4°C en el caso de líquidos, y en los gases la relación entre la
masa del cuerpo y la del aire en condiciones normales de presión y
de temperatura (0°C y 1 atmósfera).
El peso específico es el peso del fluido por unidad de volumen.
Por lo tanto, entre el peso específico y la densidad existirá la
relación:
Pesoe = densidad ■ g
4) HUMEDAD Y PUNTO DE ROCÍO.: Las variables
humedad y punto de rocío son de extraordinaria importancia en la
industria y se utilizan en el acondicionamiento de aire, en atmósferas
protectoras empleadas en tratamientos térmicos, en secadores, en
humidificadores, en la industria textil, en la conservación de fibras,
etc.
En aire o en los gases, se usan varios términos al hablar de
humedad o punto de rocío:
Humedad absoluta. Cantidad de agua, en kg, por kg de aire seco.
Porcentaje de humedad. Cociente multiplicado por 100 entre la
Conversión de unidades:
3
cantidad, en kg, del vapor de agua contenido en 1 kg de aire seco y
la cantidad, en kg, de vapor de agua contenida en 1 kg de aire seco,
si el aire está en condiciones de saturación.
Humedad relativa. Es el cociente entre la presión parcial del vapor
de agua a una temperatura t0 y la presión total del vapor a saturación
y a la misma temperatura t0. Equivale al porcentaje de humedad.
Punto de rocío. Es la temperatura límite a la que el vapor de agua,
existente en el aire o en el gas, se condensa pasando al estado
líquido.
5) VISCOSIDAD Y CONSISTENCIA.: La viscosidad y la
consistencia son términos que se aplican a los fluidos y que
representan la resistencia que ofrecen al flujo, o a la deformación,
cuando están sometidos a un esfuerzo cortante.
La viscosidad de un fluido, definida por Newton, es la resistencia
que ofrece el fluido al movimiento entre dos placas paralelas
separadas por una distancia unidad, una de ellas fija y la otra móvil
que se mueve con la unidad de velocidad. Esta resistencia se expresa
como cociente entre el esfuerzo cortante por unidad de área (F/A) y
la velocidad cortante por unidad de espesor de la capa de fluido
(V/e).
La expresión es:
F M = V
7) INTENSIDAD DE RADIACIÓN SOLAR.: La intensidad
de radiación solar tiene un interés particular en el tratamiento de
aguas y en la determinación del rendimiento de los paneles solares.
La radiación solar global (directa + difusa) se mide con un
instrumento llamado piranómetro.
8) pH.: El pH es una medida de la acidez o alcalinidad del
agua con compuestos químicos disueltos. Su expresión viene dada
por el logaritmo de la inversa de la concentración del ion H,
expresada en moles por litro:
pH = log
9) REDOX(potencial de oxidación-reducción): El potencial
de oxidación-reducción de materiales disueltos en agua se mide con
un metal noble y un electrodo de referencia y es una medida de su
potencial electrónico de equilibrio y de su capacidad relativa para
reaccionar con otros materiales oxidantes o reductores que pueden
añadirse al agua.
III. Conclusiones
• La medición de las variables de proceso más comunes que se
encuentran en la industria son: la presión, el caudal, el n ivel y
la temperatura.
• Existen otros tipos de variables que son también de interés
industrial y que pueden clasificarse como físicas y químicas.
• Las variables físicas son aquellas relacionadas con las causas
físicas que actúan sobre un cuerpo,con su movimiento o bien
con las propiedades físicas de las sustancias.
• Las variables químicas están relacionadas con las propiedades
químicas de los cuerpos o con su composición.
• Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes
físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y
transformarlas en variables eléctricas.
IV. Crítica(Aporte)
Necesariamente tenemos que tener claro que y cuáles son las
variables de medición en un proceso, ya que a dichas variables se
las controlará, es por eso que debemos saber que son, sus
caracteristicas,el sistema de medición para poder cuantificar la
variable medida,etc.e
6) TURBIDEZ.: La turbidez es una medida de la falta de
transparencia de una muestra de agua debida a la presencia de
partículas extrañas. Estas partículas pueden ser plancton,
microorganismos, barro, etc.
La medida de la turbidez se efectúa para determinar el grado
de penetración de la luz en el agua o a su través y permite
interpretar, conjuntamente con la luz solar recibida y la cantidad
de oxígeno disuelto, el aumento o disminución del material
suspendido en el agua.
La turbidez está expresada en unidades arbitrarias llamadas
unidades nefelométricas de turbidez (NTU). Por ejemplo, el
agua de uso doméstico, industrial y residual tiene de 0,05 a 40
NTU. V. BIBLIOGRAFIA
Instrumentación industrial, Antonio Creus, 8v“Edición, Editorial
Alfaomega, 2010.
http://es.wikipedia.org/wiki/Instrumentación_industrial