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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