1.2. Variables de medida: presión, nivel, temperatura, caudal, humedad, velocidad, analizadores químicos

Introducción

Las variables de medida son magnitudes físicas o químicas que se monitorean y controlan en los procesos industriales para garantizar la calidad, seguridad y eficiencia operativa. La correcta selección del sensor o transmisor adecuado para cada variable es fundamental para obtener datos fiables. En esta lección estudiaremos las principales variables, sus principios de medición, sensores habituales y conceptos clave como rango, exactitud y resolución, definidos por normas como IEC 60770 (transmisores de presión) e IEC 60751 (RTD).

Presión

La presión es la fuerza ejercida por un fluido por unidad de superficie. En la industria se mide para controlar procesos en tuberías, tanques y reactores. El principio físico más común es la deformación elástica de un elemento sensor (generalmente un diafragma o tubo Bourdon) ante la presión aplicada. Los transductores de presión convierten esta deformación en una señal eléctrica proporcional (4-20 mA, 0-10 V). Otros sensores incluyen manómetros, transmisores piezorresistivos y capacitivos.

Ejemplo práctico 1: En una tubería de vapor a 10 bar, se instala un transmisor de presión piezorresistivo con rango 0-16 bar y salida 4-20 mA. La señal se lleva al PLC para controlar la apertura de una válvula de seguridad.

Ejemplo práctico 2: Para medir vacío en un evaporador (presión absoluta de 50 mbar), se utiliza un transmisor de presión absoluta con rango 0-100 mbar y exactitud ±0.5%.

El rango depende del proceso y puede ir desde vacío absoluto hasta cientos de bar. La exactitud indica el error máximo permitido, y la resolución es la mínima variación de presión detectable. La unidad de medida habitual es el pascal (Pa) o sus múltiplos, como bar (1 bar = 100 kPa).

Nivel

El nivel indica la altura de un producto dentro de un recipiente. Se fundamenta en varios principios físicos:

• Presión hidrostática: mide la presión ejercida por la columna de líquido ( sensores de presión o transmisores hidrostáticos).
• Ultrasónico y radar: calculan el tiempo que tarda una onda en reflejarse en la superficie del líquido.
• Conductividad: detecta el nivel mediante el contacto de electrodos con el líquido.
• Desplazamiento: usan flotadores o varillas.

Ejemplo práctico 1: En un tanque de agua potable de 5 m de altura, se instala un sensor de nivel ultrasónico con rango 0-6 m y salida 4-20 mA. La señal se usa para activar una bomba cuando el nivel baja de 1 m.

Ejemplo práctico 2: Para un líquido corrosivo (ácido), se emplea un transmisor de nivel por radar sin contacto, con antena de PTFE, rango 0-10 m y exactitud ±2 mm.

El rango se ajusta a la altura del tanque. La exactitud y resolución dependen de la tecnología; el nivel suele medirse en metros (m) o milímetros (mm).

Temperatura

La temperatura es una de las variables más medidas en la industria. Se basa en la propiedad de ciertos materiales de cambiar su resistencia eléctrica o generar una señal electromotriz al variar la temperatura. Los sensores más comunes son:

• Termopares: generan una tensión proporcional a la diferencia de temperatura entre dos metales distintos. Ejemplo: tipo K (NiCr-NiAl) rango -200°C a 1260°C, exactitud ±1.5°C.
• RTD (detectores de temperatura por resistencia): varía la resistencia de un metal (usualmente platino). Ejemplo: PT100, resistencia 100Ω a 0°C, rango -200°C a 600°C, exactitud ±0.1°C.
• Termistores: resistencias semiconductoras muy sensibles, pero de rango limitado (típicamente -50°C a 150°C).

Ejemplo práctico 1: En un horno de cemento a 900°C, se utiliza un termopar tipo R (Pt13%Rh-Pt) con vaina de cerámica, conectado a un transmisor con salida 4-20 mA.

Ejemplo práctico 2: En una cámara frigorífica a -20°C, se emplea una sonda PT100 con transmisor a 4-20 mA y exactitud ±0.2°C.

El rango depende del sensor y aplicación, desde -200°C hasta más de 1200°C. La exactitud y resolución varían según el sensor. La unidad es el grado Celsius (°C).

Caudal

El caudal representa el volumen o masa de fluido que pasa por un punto en un tiempo determinado. Las mediciones se basan en:

• Diferencia de presión: placas orificio, tubos Venturi y tubos de Pitot. Generan una presión diferencial proporcional al cuadrado del caudal.
• Electromagnéticos: aplicables a líquidos conductores; miden la tensión inducida al pasar el fluido por un campo magnético.
• Ultrasónicos: miden el tiempo de tránsito de ondas (tiempo de vuelo) o el efecto Doppler.
• Turbina: utilizan la rotación de una hélice; generan pulsos proporcionales al caudal.

Ejemplo práctico 1: En una planta de tratamiento de aguas, se mide el caudal de entrada con un caudalímetro electromagnético de 300 mm de diámetro, rango 0-1000 m³/h, exactitud ±0.5%.

Ejemplo práctico 2: Para gas natural en una tubería de 4", se usa un caudalímetro másico térmico con rango 0-2000 Nm³/h y salida 4-20 mA.

El rango depende del tamaño de la tubería y el tipo de fluido. Se expresa en litros por segundo (L/s), metros cúbicos por hora (m³/h), etc. La exactitud y resolución son críticas en procesos de facturación (custody transfer).

Humedad

La humedad es la cantidad de vapor de agua en un gas. Se mide principalmente por:

• Higrómetros capacitivos: la constante dieléctrica de un polímero cambia según la humedad.
• Psicrómetros: miden la diferencia de temperatura entre un bulbo seco y otro húmedo.
• Sensores resistivos: alteran su resistencia en función de la humedad.

Ejemplo práctico 1: En una sala blanca farmacéutica, se instalan sensores de humedad relativa con rango 0-100% HR, exactitud ±2% HR, conectados a un sistema de monitorización.

Ejemplo práctico 2: En un secadero de madera, se emplean sensores de humedad de bulbo seco/húmedo (psicrómetro) para controlar la temperatura de secado.

El rango suele ser 0–100% HR (humedad relativa). La exactitud y resolución son clave en industrias alimentaria y farmacéutica.

Velocidad

La velocidad de un fluido o elemento mecánico puede medirse por:

• Efecto Doppler: cambio de frecuencia de una onda reflejada (para fluidos con partículas).
• Paletas o anemómetros: cuentan las vueltas de una hélice.
• Sensores magnéticos: detectan el paso de elementos metálicos (ruedas dentadas).

Ejemplo práctico 1: En un túnel de viento, se utiliza un anemómetro de hilo caliente para medir velocidades de 0-50 m/s con alta resolución.

Ejemplo práctico 2: En una cinta transportadora, se mide la velocidad lineal mediante un encoder incremental acoplado a una rueda, generando pulsos que el PLC convierte en m/s.

El rango varía según la aplicación. Se expresa en metros por segundo (m/s) y requiere adecuada exactitud y resolución para un control eficiente.

Parámetros químicos

Incluyen pH, conductividad, oxígeno disuelto, entre otros. Se miden mediante:

• Electrodos de pH: miden la diferencia potencial producida por la concentración de iones H+. Rango típico 0-14 pH, exactitud ±0.02 pH.
• Celdas de conductividad: determinan la capacidad de un líquido para conducir corriente eléctrica. Rango desde 0.1 µS/cm hasta 200 mS/cm.
• Sensores amperométricos: miden la corriente producida por la reacción química con el analito (ej. oxígeno disuelto).

Ejemplo práctico 1: En una planta de tratamiento de aguas residuales, se controla el pH con electrodos de vidrio, con compensación automática de temperatura.

Ejemplo práctico 2: En una caldera, se mide la conductividad del agua de alimentación para evitar incrustaciones, con alarmas por alta conductividad.

El rango, exactitud y resolución son definidos por la variable y el proceso. Las unidades varían: pH, µS/cm (conductividad), mg/L (concentración).