Manual de Instrumentacion-1

INSTRUMENTACIÓN BÁSICA

Instructor: Ing. Gilberto Páramo Marcial 2007

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INSTRUMENTACIÓN BÁSICA Objetivo: Conocer y comprender los principios básicos de la instrumentación, así como su aplicación en las variables mas comunes de un proceso. Presentación 1 . (Introducción) Importancia de los instrumentos de medición y control 1.1. Clase de instrumentos 1.2 Elementos primarios de medición 1.3. Elementos secundarios de medición y transmisión 1.4. Elemento detector del error y controlador 1.5. Elemento final de control 1.6. Nomenclatura y simbología 1.7. Materiales y herramientas 1.8. Patrones de calibración 1.9. Multimetro y mediciones 1.10. Tablas de conversiones 2. Medición de presión 2.1. Concepto de presión y sus unidades 2.2. Definición de los términos de presión 2.3. Tipos de medidores de presión 2.4. Manómetro de tubo Bourdon 2.5. Prestoswitch 3. Medición de temperatura 3.1. Definición de temperatura 3.2. Escalas de temperatura, unidades y tablas 3.3. Efectos de Peltier y Thomson 3.4. Termopares prácticos y construcciones 3.5. RTD´S 3.6. Termopozos y accesorios 3.7. Transmisor de temperatura 4. Medición de nivel 4.1. Métodos directos 4.1.1. Tubo de vidrio o indicadores de cristal 4.1.2 . Regla graduada o limnímetro 4.1.3. Válvulas de purga 4.1.4. Mecanismos de flotador 4.2. Métodos indirectos 4.2.1. Medidores de tipo hidrostático 4.2.2. Elementos tipo desplazamiento 4.2.3. Sistemas eléctricos y electrónicos

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5. Medición de flujo 5.1. Métodos directos 5.1.1. Medidores de desplazamiento positivo 5.1.2. Medidores magnéticos 5.1.3. Medidores de turbina 5.2. Métodos indirectos 5.2.1. Tubo ventura 5.2.2. Tobera de flujo 5.2.3. Tubo ventura de inserción 5.2.4. Tubo de flujo dall 5.2.5. Placa de orificio 5.2.6. Annubar

Material requerido por participante: Lápiz 2H Bolígrafo Goma Sacapuntas Cuaderno profesional u hojas blancas t/c Equipo: Un Proyector de acetatos o cañón Hojas de rotafolio y plumones Una década de resistencia Un potenciómetro Un patrón de presión o un patrón multifuncional Un multimetro digital Refrigerio: Galletas, te, café, vasos, etc., Bibliografía recomendada: Ingeniería de control automático Tomo I y II Autor: José Nacif Carchi Ed. Costa- Amic Editores,S.A. Instrumentación de procesos industriales Autor: CREUSS Ed. Marcombo Electrónica básica Autor: Milton Kaufman Ed. McGraw-Hill

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INTRODUCCION A LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL 1

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INTRODUCCIÓN Importancia de la Instrumentación. Las exigencias de cada época han dado lugar a muchos de los avances tecnológicos; a principios del siglo XVIII se desarrollaron las primeras maquinas de vapor y con ello las primeras fabricas modernas que requerían de medios de control y medición que permitieran fabricar productos de calidad. Con el paso del tiempo las fabricas se han perfeccionado, requiriendo ya no solamente unos cuantos dispositivos de medición y control sino toda una serie técnicas modernas de control e instrumentación, para obtener productos que satisfagan todas las necesidades del creciente mercado. Queda claro entonces que para obtener una calidad y cantidad que puedan competir en el mercado es necesario que las fábricas cuenten con los instrumentos y el personal adecuado para el proceso de producción. En una planta industrial en donde se efectúan procesos de refinación, petroquímica, papel, alimenticia, etc., existe una gran cantidad de instrumentos necesarios para la medición y el control de variables físicas y / o químicas. Estos instrumentos se concentran en áreas dentro de la planta. Estas son:

1).- Campo (equipos) 2).- Tablero principal (cuarto de control)

Sería difícil localizar rápidamente un instrumento tanto por el orden que tiene, como por su función, sólo con dos clasificaciones.. Sin embargo existen ciertas normas que encierran dentro de lo que se llama Nomenclatura y Simbología (de acuerdo a la Sociedad de Instrumentistas de América). En estas normas, los instrumentos son representados por caracteres y símbolos en planos y diagramas. Por otro lado, es fundamental familiarizarse con los métodos y medios para medir, registrar y controlar cada una, de las variables que intervienen en el proceso. En este curso se presentaran las características de las cuatro variables: temperatura, presión, flujo y nivel.

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CIRCUITO DE CONTROL AUTOMATICO IMPORTANCIA DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y CONTROL Todas las operaciones de las plantas dependen de la medición y el control de determinadas variables del proceso. Los instrumentos se han convertido en parte importante de las operaciones de las plantas y no se consideran un equipo auxiliar. Es necesario enfatizar que el funcionamiento de muchos procesos continuos sería imposible sin una instrumentación adecuada. La operación de los procesos exige que cada uno de sus pasos se lleve a cabo en condiciones controladas en todo momento. Con el empleo de instrumentos de control automático aumenta la eficiencia del equipo así como la calidad de los productos obtenidos, la uniformidad de la producción y el control de las variables que intervienen en el proceso. CLASES DE INSTRUMENTOS 1.- Los que miden 2.- Los que miden y controlan Un instrumento de medida puede usarse por sí solo o combinarse con un dispositivo controlador para formar lo que se llama un controlador automático. Un controlador automático.- Es un instrumento que mide el valor de una variable, la compara con un valor de referencia y actúa de manera de hacer que la variable se mantenga en el valor deseado, el cual se conoce como punto de ajuste. ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICIÓN.- Es aquel que detecta el valor de la variable. Es aquella parte de los medios de medición, lo cual primero utiliza o trasforma la energía del medio controlado produciendo un efecto que es función del cambio en el valor de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, potencia eléctrica, posición, etc. ELEMENTO SECUNDARIO DE MEDICIÓN Y TRANSMISIÓN. Se encarga de amplificar la señal proveniente del elemento primario de medición, o bien en trasformar esa función en una señal útil, fácilmente medible, como una señal eléctrica o una presión neumática. Señales de 4 a 20 mA en los electrónicos y de 3 a 15 PSI en los neumáticos. La señal medida y transmitida es una función de la variable controlada. La señal de la variable controlada ya sea eléctrica o neumática es trasmitida simultáneamente a un dispositivo de indicación y/o registro y a un controlador. ELEMENTO DETECTOR DE ERROR Y CONTROLADOR.-La señal de la variable que va al controlador (constituido éste por dos partes: elemento detector de error y medios de control), llega al elemento del error donde se compara con una referencia seleccionada llamada punto de ajuste o set-point, encontrándose una diferencia o error. Esta señal es enviada a los medios de control donde se realizan las funciones de control, o sea, cuenta con los medios necesarios 6

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para corregir la desviación, mandando una señal correctiva a un elemento final de control, que es una válvula automática. ELEMENTO FINAL DE CONTROL.- Sirve para convertir variaciones en la señal de salida del controlador, en variaciones correspondientes en la variable manipulada, cuyos cambios afectan en valor de la variable controlada. ACCIÓN DE UNA VALVULA AUTOMÁTICA: DIRECTA.- Cuando la válvula cierra con aire (Abre a falla de aire o corriente de 4-20 mA.) INVERSA.- Cuando la válvula abre con aire (Cierra a falla de aire o de corriente de 4-20 mA)

CIRCUITO DE CONTROL AUTOMATICO DISTURBIO ELEMENTOVARIA VARIABLE FINAL DE CONTROL MANIPULADA

ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICIÓN

PROCESO

E

Y ELEMENTO DETECTOR DE ERROR MEDIOS DE+/- X= +/- X=P-E CONTROL

E

PUNTO DE AJUSTE

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ELEMENTO SECUNDARIO DE MEDICIÓN Y TRANSMISIÓN

INDICADOR Y /O REGISTRO

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Donde: E= VARIABLE CONTROLADA P= PUNTO DE AJUSTE (CONOCIDO POR SET-POINT) X= DESVIACIÓN O ERROR Y= SEÑAL CONTROLADA REGLAMENTO DE HIGIENE Y SEGURIDAD DE PEMEX APARATOS DE MEDICIÓN Y CONTROL IX. ARTICULO 122. Para facilitar el entrenamiento del personal nuevo, debe señalarse con letreros fácilmente legibles, la función que desempeñan los principales aparatos de control y medición IX. ARTÍCULO 123.- No debe modificarse la instrumentación de plantas de proceso y otros equipos , sin estudiar previamente la respuesta de los aparatos y casos de falta accidental de corriente eléctrica, aire, vapor etc. IX. ARTICULO 124. Los indicadores de nivel de cristal o de vidrio, deben conservarse con las válvulas de bloqueo adecuadas y en perfectas condiciones de operabilidad para evitar fugas en caso de rotura. IX. ARTICULO 125. Para comprobar o verificar el funcionamiento adecuado de los aparatos automáticos de control y medición se deben comparar los datos de campo con los de los instrumentos del tablero de control. CAPITULO XX ARTICULO 266. AL 274 CAPITULO II ARTICULO 3.

NOMENCLATURA Y SIMBOLOGIA NOMENCLATURA Cada instrumento debe identificarse con un sistema de letras y números que lo clasifique funcionalmente. A esta identificación se le conoce como “TAG” o etiqueta. La nomenclatura nos permite conocer acerca del instrumento: 1).- Su variable de proceso 2).- Su función o funciones 3).- Su número de orden 4).- Su localización 8

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Las letras que usan, nos dicen la variable que manejan, y la función del instrumento (o funciones). Existen letras definidas para las diferentes variables y funciones. Entonces se puede decir que: a) 1ª. Letra.- La variable que maneja el instrumento. b) 2ª, 3ª,4ª, letras.- La función o funciones adicionales al instrumento. En la tabla SN-1, se tienen las literales que nos representan a las variables. En la tabla SN-2, se tienen a las literales que nos dicen las funciones del instrumento También se tienen símbolos (figuras) para saber tanto localización del instrumento dentro de la planta como el tipo de señalización de otros instrumentos incluyendo la interconexión con el proceso.

TABLA SN-1 CODIGO DE LITERAL 1ª letra (variable)

Literales A B C D E F I K L M N P Q R S T U V W X

Z 9

Descripción Análisis Flama Conductividad eléctrica Densidad F.E.M. (voltaje) Flujo Intensidad de corriente eléctrica Tiempo Nivel Humedad A elección del usuario Presión Totalización (cantidad total) Radioactividad Velocidad Temperatura Multivariable Viscosidad Peso Instrumento en un equipo comprado (suministrado por el fabricante con características proporcionadas en manuales) , o sea un paquete. Posición Ing. Jesús Parroquìn Hernández Y Gilberto Páramo Marcial

TABLA SN- 2 Funciones del instrumento (2ª,3ª,4ª,etc., literales)

Literal (función)

Descripción

I

Indicador

R

Registrador

C

Controlador

T

Transmisor

Y

Convertidor de señal

E

Elemento primario de medición

H

Instrumento manualmente

A

Alarma

1) L

Condición baja

2) H

Condición alta

S

manejado

Interruptor (switch)

OR

Orificio de restricción

V

Válvula de control

SOV

Solenoide

Ejemplo sea un instrumento cuyo TAG es el siguiente:

1ª Letra P

Letras sucesivas I C

Identificación funcional

-

Número de lazo de instrumento 1 2 3 4 Identificación de lazo de instrumento

Definiciones de Control Los instrumentos de control empleados en las industrias de proceso tales como química, petroquímica, alimenticia, metalúrgica, energética, textil, papel, etc., tienen su propia terminología; los términos empleados definen las características propias de medida y de control. Entre las definiciones más importantes tenemos: 10

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Campo de Medida: Es el conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos entre los limites superior e inferior de la capacidad de medida del instrumento. Son los valores mínimo y máximo en que se espera que cambie la variable de un proceso. Por ejemplo, el campo de medida de un termómetro seria de 0 a 150 C

SÍMBOLOS Los traductores empleados en un diagrama de control de procesos, frecuentemente se dividen en un elemento primario y un transmisor para tomar en cuenta al transductor y la señal de condicionamiento, el elemento final de control se puede dirigir en varios elementos, pero el elemento de control final real debe estar por si mismo en la línea de proceso. A continuación se muestra algunos módulos símbolos para transductores y elementos de control final. Conexión a proceso o enlace mecánico, o alimentación de instrumentos. Todas las líneas son delgadas en relación a las tuberías de proceso. Señal neumática, Líneas aéreas Señal eléctrica Tubos capilares. Señal hidráulica Señal electromagnética

INSTRUMENTOS GENERALES Y FUNCIONES Localización primaria accesible al operador Instrumentos discretos

Escala compartida control compartido

Función de calculo o computadora

Localización auxiliar normalmente accesible al operador

Montado en campo 1

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3

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Controlador lógico programable

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6TE 2584-23

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Instrumentos que comparten un alojamiento común

Instrumento con registro de tarjeta 16

C 12

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Punto de montaje en el tablero

Lámpara piloto 19

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p Dispositivo de purga.

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I

R Reset para actuador.

Montado localmente

Montado en tablero

Símbolos básicos para instrumentos para una función y servicio

Símbolo básico para la válvula de diafragma del motor

Símbolo básico para válvula reguladora actuada (integral).

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Montado localmente

Sello de diafragma.

Montado en tablero

Símbolos básicos para combinación de instrumentos o dispositivos con dos funciones ó servicios

Símbolo básico para válvula eléctricamente operada (solenoide ó motor)

Símbolo básico para válvula operada con pistón (hidráulica ó neumática)

Símbolo básico para válvula de control operada manualmente.

Lógica indefinida.

Montado localmente

Montado en tablero

Símbolos básicos para transmisores

Válvula de tres vías.

Símbolo básico mostrando instrumentos de transmisión neumático (IDEM transmisión eléctrica excepto por el tipo de conexión).

Símbolo básico para válvula de seguridad (alivio)

Símbolo básico mostrando la conexión neumática de instrumentos a la válvula del diafragma del motor

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F1 5

FE 3

Medidor de flujo tipo desplazamiento.

F1 8

Elemento de flujo (primario) cuando no se proporciona los instrumentos de medición.

Registrador de flujo de rozamiento de otro tipo de línea.

Registrador de flujo tipo diferencial transmisión mecánica montado localmente

Indicador de flujo tipo diferencial montado localmente.

TW 4

Registrador de flujo tipo mecánico con conexión directa localmente montado.

FR 7

Registrador de flujo de transmisión neumática con transmisor localmente montado en el tablero

TE 8

Elemento de temperatura sin conexión al instrumento.

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Registrador de flujo con registro de presión con transmisión mecánica transmisor local y receptor montado en el tablero.

Registrador de flujo con controlador neumático transmisión con recepción montada en el tablero.

T1 1-6

T1 6

Indicador de temperatura ó termómetro (local).

Punto indicador de temperatura conectado a un indicador multipuntos sobre el tablero.

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TRC 1 T1 1-8 TR 2-3

Registrador de temperatura con controlador montado en el tablero (medición métrica).

Controlador indicador de temperatura del tipo sistema de llenado montado localmente.

Indicador de temperatura y punto de registro conectado a un instrumento multipuntos en el tablero.

Temperatura con controlador y registrador de temperatura combinado en un instrumento para montaje en tablero.

LR 3

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Controlador de nivel ciego tipo interno.

LIC 6

Lc 8

Calibrador de vidrio.

Controlador de temperatura del tipo actuado.

Registrador de nivel con transmisión neumática receptor montado en el tablero tipo externo.

L1 4

Controlador indicador de nivel y transmisor combinado con receptor montado en el tablero.

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RLC 10

Controlador de registro de nivel tipo externo con transmisión neumática.

P1 8 Indicador de presión localmente montado.

LA 5

Controlador registrador de nivel y registrador de nivel con transmisión neumática combinado con receptor montado en tablero.

Alarma de nivel tipo externa.

PR 2 PR 6

PR 5 Registrador de presión montado en tablero.

Registrador de presión de dos plumas montado en tablero con transmisión neumática.

PCV 2

PA 2 PRC 7

Controlador registrador de presión con transmisión neumática en tablero receptor montado en tablero.

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Alarma de presión local.

Válvula reguladora de presión actuada (integral).

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PRC 8 PR 2

HIC 2

Controlador de presión tipo ciego (se muestra sobre el diafragma mostrado).

CR 5

Registrador de conductividad montado localmente.

Registrador - controlador de presión diferencial con transmisión neumática con registrador de presión con instrumento montado en tablero

TE 8

MAQUINA ROTATORIA

Registrador de Ph controlador montado en tablero.

Barra transportadora.

WE 1

Registrador de peso montado localmente

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Controlador neumático operado manualmente montado en tablero con indicador.

SR 5

Registrador de velocidad montado localmente.

Lc 8

TR 2-3

Registrador de viscosidad con transmisión neumática montado en tablero.

Controlador ciego de densidad con elemento tipo interno.

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TRC 6 MR 2

DR 3 Registrador de densidad con transmisión neumática montado en tablero.

FIC 5

Registrador de humedad localmente montado.

LR 1 FRC 9

Registrador de temperatura con controlador neumático montado en tablero con ajuste local localmente montado.

FR 6 PRC 4

Control de registrador de flujo y con registro de niveles, ambos elementos con transmisión neumática transmisor tipo externo combinado con receptor montado en tablero.

Controlador registrador de presión con registro de flujo ambos elementos con transmisión neumática combinados con receptor montado en tablero.

FRC 4 PRC 2

FRC 5 Controlador del registrador de presión montado en tablero con ajuste local.

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CLASES DE INSTRUMENTOS

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Alcance (Span) Es la diferencia algebraica entre los valores máximo y mínimo del rango de medición o señal de control de un instrumento. Por ejemplo, para un instrumento en que su rango de medición sea de 200C a 2000C, la alcance resulta de 200 - 20 = 1800C, y para un controlador con una señal de salida de 4 a 20 mA, es de 20 - 4= 16 mA.

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Precisión, Exactitud e inexactitud. El termino exactitud cuantifica el grado de corrección de una medición. Una medición con exactitud elevada tendrá un error muy pequeño, en tanto que una medición con exactitud baja presentara una exactitud baja. Con cierta frecuencia, la palabra exactitud se utiliza para cuantificar el error máximo que puede existir en una medición, aunque hablando en términos generales, esto cuantifica la inexactitud más que la exactitud. En general en las hojas de especificaciones técnicas de los fabricantes a la exactitud de los instrumentos se le denomina precisión. La precisión es un término que describe la tolerancia de medición o de transmisión de un instrumento y define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se utiliza en condiciones normales de operación. Existen diferentes formas para expresar la precisión: a.

Directamente en unidades de la variable medida. Ejemplo: la precisión de ± 1 °C.

b. Precisión expresada en porciento de la amplitud. Ejemplo: para una amplitud de 100 a 500 °C y una lectura de 200 C con una precisión de ± 0.5%, el valor real de la temperatura, estará comprendido entre 200 ±0.5x400/100 = 200 ± 2, es decir, entre 198 y 202 C c. Expresado en porciento del valor máximo del rango. Ejemplo: Para un rango de 0-500 C y una precisión de ± 0.5% ± 0.5 x 500/100 = ± 2.5, esto es, la lectura en el extremo superior de la escala será de 502.50C y 497.50C. D. En porciento de la longitud de la escala. Ejemplo: Si la longitud de la escala de un instrumento es de 200 mm; una precisión de ± 0.5%, representará ± 0.5 x 200/100 = ± 1 mm de la escala, o sea, 201 mm y 199 mm. E. Expresado en porciento de la lectura actual del instrumento. Ejemplo: Precisión de ± 1% de 3000C, es decir, ± 1 x 300/100= 30C. Banda muerta (Zona muerta) Es el rango de valores a través del cual puede cambiar la variable sin que se produzcan cambios en la señal de Salida, es decir, no se obtiene respuesta. Esto está dado en porciento de la amplitud. Por ejemplo, para una amplitud de 20 a 150 C y una banda muerta de ± 0.1%, su valor será de ± 0.1 x 130/100= ± 0.130C Tiempo muerto.-Es el intervalo de tiempo transcurrido entre el principio del cambio de una variable (o una señal de entrada) y el inicio de la respuesta a ese cambio por un instrumento. Sensibilidad Se dice que un instrumento es muy sensible cuando es capaz de detectar rápidamente los cambios que sufre una variable por pequeños que estos sean, en consecuencia, la sensibilidad se puede definir como el tiempo que tarda un instrumento para detectar un cambio de la variable medida Y/O controlada. Se dice que la sensibilidad corresponde al cociente: Deflexión de la escala Valor de la cantidad que se mide el cual provoca la deflexión

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Repetibilidad. Describe la cercanía de las lecturas cuando se aplica la misma entrada en forma repetitiva durante un breve periodo de tiempo, bajo las mismas condiciones de medición, el mismo instrumento y observador. Con este término se describe la dispersión de las lecturas de salida para la misma entrada Se dice que un instrumento tiene repetibilidad, cuando estando en un punto determinado de la variable, se hace cambiar bruscamente a uno y otro lado de dicho punto y siempre regresa al punto inicial. Temperatura de operación.- Gama de temperaturas en la cual se espera que trabaje un instrumento dentro de límites de error especificados por el fabricante. SISTEMA INTERNACIONAL MAGNITUD LONGITUD TIEMPO MASA TEMPERATURA CORRIENTE ELECTRICA INTENSIDAD LUMINOSA CANTIDAD DE SUSTANCIA

MAGNITUD SUPERFICIE VOLUMEN VELOCIDAD ACELERACIÓN FUERZA PRESIÓN DENSIDAD MOMENTO DE FUERZA MOMENTO DE INERCIA ENERGIA POTENCIA CARGA ELECTRICA INDUCTANCIA FRECUENCIA CAPACITANCIA DIFERENCIA DE POTENCIAL RESISTENCIA ELECTRICA FLUJO LUMINOSO ILUMINACIÓN CONDUCTANCIA INDUCCIÓN MAGNETICA FLUJO MAGNETICO

MAGNITUD ANGULO PLANO ANGULO SOLIDO

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UNIDADES FUNDAMENTALES UNIDAD METRO SEGUNDO KILOGRAMO KELVIN AMPERE CANDELA MOL

SIMBOLO m s kg k A cd mol

UNIDADES DERIVADAS UNIDAD METRO CUADRADO METRO CUBICO METRO ENTRE SEGUNDO METRO ENTRE SEGUNDO AL CUADRADO NEWTON PASCAL KILOGRAMO ENTRE METRO CUBICO METRO POR NEWTON METRO CUADRADO POR KILOGRAMO JOULE WATT COULOMB HENRY HERTZ FARAD VOLT

DEFINICIÓN m.m m.m.m m/s m/s kgm/s kg/ms kg/m mkgm/s mkg kgmm/s (kgm/s)(m/s) s.A m2.kg/s2.A2 1/s s4.A2/m2.kg m2.kg/s3.A

SIMBOLO m2 m3 m/s m/s2 N Pa kg/m3 Nm I J W C H Hz F V

OHM LUMEN LUX SIEMENS TESLA WEBER

m2.kg/s3.A2 cd.sr cd.sr/m2 s3.A2/m2.kg kg/s2.A m2.kg/s2.A

lm lx S T Wb

UNIDADES SUPLEMENTARIAS UNIDAD RADIAN STERADIAN

Ω

SIMBOLO rad sr

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PARTE 2 PRESIÓN

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MEDIDORES DE PRESIÓN Elementos de Columna de Líquidos para Medición de Presión Para los elementos de columna se usan diferentes líquidos. El rango de presión medida, determina el líquido requerido. Los líquidos comunes utilizados son líquidos orgánicos con densidades menores a la del agua, líquidos compuestos del grupo de los bromuros cuya densidad es alrededor de tres veces la del agua, y el mercurio con una densidad de 13.6 veces la del agua. Las densidades relativas varían con la temperatura del líquido considerado. EL BARÓMETRO El barómetro es un instrumento (ver figura) que mide la presión de la atmósfera. Un tubo de vidrio (A) cerrado en un extremo, se llena con mercurio y se invierte dentro de un contenedor con su extremo abierto. La diferencia de altura h, entre la parte superior de la columna y el nivel del mercurio en el contenedor, indica la presión P de la atmósfera actuando sobre la superficie (B) en el contenedor y representa la presión barométrica, o presión del ambiente. Se debe usar el mercurio, ya que otros líquidos poseen la suficiente presión de vapor que a la temperatura ambiente crean errores en la indicación de la presión. El mercurio a una temperatura de 200C, crea una presión de vapor de sólo 0.0012 torr. Por eso, a presiones atmosféricas normales que están dentro de 28” a 30” de mercurio, la presión del vapor de mercurio tiene muy poca influencia en la exactitud de las lecturas, por lo tanto se puede despreciar. Sin embargo, cuando se trata de grandes vacíos como en el caso de un condensador en la descarga de una turbina de vapor, hacer la corrección tiene gran importancia.

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Corrección de las Lecturas Cuando se hacen mediciones con mercurio y se quiere obtener una mayor precisión, se debe reducir la lectura a 0° C, porque el mercurio al calentarse adquiere un peso por unidad de volumen menor y a la misma presión, el barómetro indica una presión mayor. Es solamente a 0° C que la columna de mercurio de 735.6 mm de altura ejerce una presión de 1 kg/cm2. A la temperatura de 100° C el error alcanza 2%. También la variación de la longitud de la escala (que regularmente no está grabada en el tubo) debido a su dilatación térmica debe tomarse en cuenta en las mediciones de gran exactitud y corregirla para obtenerla como si ésta fuese efectuada a 0 °C. Cada vez que se mide una presión o vacío absoluto, se debe tener en cuenta la presión indicada por el barómetro, es el único aparato medidor de presión que da la presión absoluta. Ejemplo: En una caldera de vapor situada en un lugar de altitud elevada, se tiene un manómetro que marca 13.5 kg/cm2 y el barómetro indica en ese mismo instante 705 mm de mercurio, la presión atmosférica en ese momento será: 705/735.6 = 0.96 kg/cm2 y la presión absoluta en la caldera será: P = Pb +Pm = 0.96 + 13.5 = 14.46 kg/cm2.

Cuando se mide vacío, se le debe reducir a las condiciones normales del barómetro, o sea, 760 mm Hg. Reduciendo este vacío a esas condiciones se tendrá un vacío absoluto. Ejemplo: Se lee en el vacuometro de un condensador de turbina de vapor un vacío de 692 mm Hg., la altura barométrica en ese momento es de 725 mm Hg. La presión absoluta en el condensador será: Pabs = Pb - Pm = 725 - 692 = 33 mm Hg. = 1.3 Hg.

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MANÓMETRO DE TUBO EN FORMA DE "U" Los instrumentos utilizados para medir presión reciben la denominación: "manómetros". La forma más tradicional de medir presión en forma precisa utiliza un tubo de vidrio en forma de "U", donde se deposita una cantidad de líquido de densidad conocida (para presiones altas, se utiliza habitualmente mercurio para que el tubo tenga dimensiones razonables; sin embargo, para presiones pequeñas el manómetro en U de mercurio sería poco sensible). Este tipo de manómetros tiene una ganancia que expresa la diferencia de presión entre los dos extremos del tubo mediante una medición de diferencia de altura (es decir, una longitud). Un análisis de este dispositivo muestra que esta basado en el hecho de que la presión en el punto x ejercida por la columna izquierda es igual a la ejercida por la columna de la derecha. La presión estará dada en la altura del fluido que se trate. El manómetro de tubo en u es un patrón fundamental debido a que la diferencia de altura entre las dos columnas es siempre una indicación verdadera de la presión sin importar las variaciones de diámetro. Sin embargo, el diámetro debe estar entre 6 y 10 mm.

Este manómetro indica la diferencia de dos presiones o entre una sola presión y la atmósfera cuando un lado queda abierto a la atmósfera. En la figura A se ve la forma más sencilla del manómetro de tubo en u lleno a la mitad con algún líquido. Con ambos extremos del tubo abiertos, el líquido estará a la misma altura de cada lado. En la figura B cuando una presión es aplicada en uno de los lados el líquido descenderá en ese lado y ascenderá en el otro. La diferencia de altura h, la cual es la suma de las lecturas hacia arriba y debajo de cero indica el valor de la presión. En la figura C cuando se aplica un vacío en un lado del tubo, el líquido sube en ese lado y baja en el otro. La diferencia de altura h, la cual es la suma de las lecturas hacia arriba y abajo de cero, indica el valor del vacío.

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En cambio si uno de los extremos del tubo estuviera cerrado, el tubo en U se comportaría como el barómetro de torricelli, es decir se convertiría en un medidor de presiones absolutas.

MANOMETROS DE DIAFRAGMA Un diafragma es un disco metálico circular que puede ser plano o corrugado. Un elemento de diafragma metálico es simplemente un dispositivo para medir presiones relativamente bajas. Este puede consistir de un solo diafragma o una o más cápsulas conectadas juntas.

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El elemento de diafragma es un disco circular de metal elástico delgado firmemente soportado en la orilla. Cuando se aplica la presión en un lado del diafragma, el centro se flexiona alejándose de la fuerza de presión. Este movimiento de desviación es opuesto por la elasticidad del metal y la presión sobre el diafragma es directamente proporcional a la presión proveniente del proceso. Esto dará un movimiento para indicar sobre una escala el valor de la presión medida. El movimiento del diafragma puede ser eslabonado a un transductor sensible al movimiento para producir una señal de salida eléctrica que sea proporcional a la presión aplicada al diafragma.

MANOMETROS DE FUELLE Un manómetro de fuelle consiste de una caja metálica cilíndrica con paredes corrugadas de material delgado elástico como latón, bronce, y acero inoxidable y generalmente se usan para medir presiones bajas. Para presiones bajas la elasticidad del metal será suficiente para restablecer la forma del fuelle. Para presiones mayores se utiliza un resorte dentro de el o en el exterior para reforzar la elasticidad del fuelle y regresarlo a su estado original, al cesar o cambiar la presión del sistema.

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En la figura anterior la presión del sistema expandía al fuelle y podíamos obtener una señal de salida proporcional a la presión por medio de una resistencia (4 a 20 mA CD). En la figura de la izquierda, el fuelle esta encerrado en una caja y la presión trata de comprimirlo; tiene un vástago acoplado para transmitir el movimiento a una salida eléctrica proporcional a la variable medida.

Sensores de presión absoluta por balance de movimientos. Cuando se desea medir una presión absoluta con elementos de fuelle normalmente se utilizan 2 fuelles: una para la medición y otro para la referencia o compensación. Al elemento de compensación se le hace un vacío completo en tanto que el otro fuelle se conecta al proceso.

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TUBO DE BOURDON Es el elemento más sencillo y antiguo que se conoce para medir la presión. Un ejemplo lo tenemos en la figura, el cual es de forma semicircular en forma de C, uno de sus extremos esta cerrado y el otro se conecta a una presión. Cuando la presión se aplica al extremo abierto el tubo tiende a enderezarse. Se tiene una aguja indicadora conectada al extremo cerrado del tubo que indica el cambio en la dimensión que es proporcional a la presión aplicada.

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Selección de manómetros. Los manómetros se seleccionan de acuerdo a sus características de construcción: a) Diámetro de carátula: los mas comerciales son de 50 mm (2”), 114 mm (4 1/2”), 152 mm ( 6”), 216 mm (8 1/2”), 254 mm ( 10 “) y 305 mm (12”). B) Conexión: Se especifica el tipo de conexión, es decir el diámetro nominal, que puede ser de 1/8” , 1/4” ó 1/2” NPT; también la posición de dicha conexión, inferior o posterior; así como el tipo de cuerda, macho o hembra. C) Rango. Los rangos se especifican mediante los limites inferior y superior, recordando que la presión de operación ( o de trabajo) debe quedar mas o menos en el centro. Cada marca de manómetro tiene sus propios rangos y es preferible consultar su catalogo, pero comúnmente se encuentran de 0 a 200 kpa, 0 a 400 Kpa, de 0 a 700 Kpa, de 0 a 1100 Kpa y 0 a 11400 Kpa. D) Montaje. Los manómetros pueden ser montados en tubería, pared o trabajo. También debe especificarse el montaje que se requiere. F) Aplicación. Si el liquido es de características severas, debe solicitarse con sello liquido, amortiguador, partes de acero inoxidable, etc.

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Calibración de manómetros En la figura se muestran diversos dispositivos de básculas de pesos muertos que se basan en el principio de pascal; dicho método es fundamental para producir presiones cuando se requiere probar manómetros. En este aparato un embolo cuya área se conoce y sobre la cual un peso conocido, produce una presión conocida en el cilindro que puede comunicarse con un manómetro. Al girar el volante, el pistón avanza y comprime el aceite y el manómetro empieza a marcar hasta que el pistón levanta la carga de las pesas, y es en este momento que se procede a verificar las condiciones de calibración del manómetro. Si el pistón tiene una sección de 0.5 cm cuadrados, el peso G que deberá emplearse para medir una presión de 1 Kg/cm 2, será de 0.5 kg/cm 2.

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También es posible verificar un manómetro por comparación; para lo cual se instala un manómetro patrón y el manómetro a verificar en el probador de pesos muertos y vemos el comportamiento del manómetro a lo largo de la escala; si se presentan los siguientes tipos de errores se debe proceder a una calibración.

1.- Error lineal o de cero: es constante a lo largo de la escala; se corrige reposicionando el puntero. 2.- error de Multiplicación o de rango: disminuye o aumenta a lo largo de la escala; se corrige ajustando la palanca con el tornillo deslizante. 3.- Error angular: Aparece en el centro del rango si las lecturas son correctas al principio y al final de la escala; es posible variando la posición del mecanismo de movimiento o la longitud del eslabón, pero si es causado por fatiga del material del tubo de Bourdon no se puede corregir.

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PARTES INTERNAS DE UN MANOMETRO

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Sensores de Presión Electrónicos Los medidores y transmisores de presión electrónicos vistos anteriormente incluyen algunos de los elementos sensibles a la presión del tipo mecánico elástico y producen una señal de salida electrónica relacionada con la fuerza o movimiento generado por la presión. Los sensores electrónicos son mas precisos y entre estos podemos mencionar a los extensiométricos de resistencia variable, los elementos piezoeléctricos y los de capacitancia eléctrica. Cables y galgas extensiometricas. Estos dispositivos consisten de un tramo de alambre muy delgado arreglado en forma de parrilla y pegado (cementado) a una hoja de papel o plástico.

La resistencia eléctrica de un alambre depende de su composición, temperatura, longitud y área de sección transversal. Si todos los demás factores se mantienen constantes, el alambre de mayor longitud, tendrá mayor resistencia. Para medir la presión en el interior de una tubería se usa un elemento tubular especialmente construido para ese objeto. Un ejemplo se encuentra en la figura de la siguiente pagina en donde los extensiometros van pegados al exterior del tubo y protegidos por una funda metálica. Este tipo de dispositivo lleva unas conexiones eléctricas para formar un puente de Wheatstone.

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Cuando no se aplica ninguna presión al cilindro, el circuito se encuentra en balance, la corriente fluirá por igual a través de ambas ramas y ninguna fuerza electromotriz será transmitida al potenciómetro electrónico. En cambio si el tubo recibe presión, el puente se desbalanceara y una señal proporcional al esfuerzo a que se somete el cilindro será transmitida al instrumento de medición remoto.

Por si solo, un strain gauge produce un cambio de resistencias que es proporcional a una fuerza o presión. Se requiere de un voltaje o corriente de salida (proporcional a la fuerza) que sea compatible con otros transductores. Los extensiometros forman uno de los brazos del puente y el puente se balancea por medio de R1 de tal modo que no haya voltaje de salida cuando no se tenga fuerza aplicada al extensiometro y el puente queda fuera de balance produciendo un voltaje de salida. El voltaje de salida puede medirse con un voltímetro con una escala calibrada en términos de fuerza o presión.

OTRAS APLICACIONES DE LOS STRAIN GAUGE Este tipo de elementos también son usados como celdas de carga, los cuales miden fuerzas en estructuras o para medir pesos ya sea en tanques, depósitos, tolvas, silos, etc. Los strain gauges doblados en zigzag, se construyen de alambre de una aleación de cobre (54%), Níquel (44%) y Manganeso (1%), pegados con resinas especiales sobre soportes elásticos. Sometiendo el soporte a un esfuerzo mecánico (por ejemplo, una tracción) el alambre se alargara y contraerá según las leyes de la elasticidad, variando sus dimensiones geométricas (longitud y sección transversal) y por lo tanto su resistencia eléctrica.

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Sensores de presión con semiconductores. Los strain Gauges con semiconductores son otra forma de detectores de fuerza. Existen dos tipos básicos de detectores de fuerza con semiconductores: el detector piezoresistivo y el detector piezoeléctrico.

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En el detector piezoresistivo se coloca un semiconductor entre dos placas. Un material típico es el silicio, cuando se aplica una fuerza a un material de este tipo, presionando las placas una contra la otra, cambia la resistencia del material en proporción a la cantidad de fuerza aplicada; por lo que se puede usar en un circuito puente como el que se vio anteriormente. El sensor piezoeléctrico es de otro tipo de semiconductor como es el cristal de cuarzo; cuando se aplica una presión a estos materiales presionando las placas se genera una corriente eléctrica a través del material y placas. Esto es desarrolla un voltaje (proporcional a la fuerza) a través de las placas.

Celdas Capacitivas. El capacitor o condensador más sencillo consta de dos placas metálicas paralelas separadas por un material dieléctrico o aislante.

En la figura anterior se muestran los sensores capacitivos de desplazamiento que se utilizan con más frecuencia. También observamos un sensor capacitivo de presión de uso común. Aquí una placa es un disco metálico fijo, la otra es un diafragma circular plano flexible sujeto con una abrazadera en su circunferencia y el material dieléctrico es aire

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Manómetros de Ionización En la medición de altos vacíos, es el manómetro de ionización el más empleado. Cuando los electrones emitidos por un filamento caliente bombardean las moléculas de los residuos de un gas de un sistema evacuado, las moléculas ionizadas resultantes permiten que la corriente fluya entre los electrodos. La proporción de flujo de iones formados por la disociación es una medición directa de la cantidad de gas presente y por lo tanto de la presión absoluta.

La corriente resultante del flujo de iones es preamplificada, y luego medida por un potenciómetro electrónico para traducirlo a lecturas de vacío.

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PARTE 3 TEMPERATURA

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MEDIDORES DE TEMPERATURA. Cuando un cuerpo se calienta, la velocidad de vibración de sus moléculas se incrementa rápidamente; esto trae como consecuencia diferentes efectos físicos, por ejemplo en un metal existe un aumento en sus dimensiones como en su resistencia eléctrica; para fluidos confinados en un recipiente existe un aumento de presión. Actualmente el rango de mediciones en el ámbito industrial es muy amplio, razón por la cual existen toda una variedad de instrumentos de medición que podemos emplear.

El rango de un instrumento es solo uno de los factores que deben tomarse en cuenta para dar solución a un problema de medición de temperatura. La sensibilidad, precisión, velocidad de respuesta, vida útil, costo, etc., son otros factores a considerar para la selección adecuada. Los sensores de temperatura puede ser por presión de un fluido, bimetalicos, termopares, resistivos y de radiación.

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Unidades de medición. La temperatura se en grados Celsius, grados Fahrenheit, grados Kelvin y grados Ranking, dependiendo de la escala utilizada. El grado Kelvin es la unidad oficial internacional y también se le conoce como escala termodinámica. La conversión de las escalas básicas de temperaturas, es la siguiente: °C = °F - 32 1.8 °K = °C + 273.15

°F = 1.8 °C + 32 °R = °F + 459.67

TERMÓMETROS DE VÁSTAGO DE VIDRIO. Los termómetros de vidrio constan de un deposito 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 son:

-35 hasta 280° C

Mercurio 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

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TERMÓMETRO BIMETALICO. Los termómetros bimetalicos se fundan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como latón, monel o acero y una aleación de ferroniquel o Invar (35.5% de níquel) laminados conjuntamente. Las laminas bimetalicas pueden ser curvas o rectas formando espirales o hélices.

Un termómetro bimetalico típico contiene pocas partes móviles, solo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o de la hélice y el propio elemento bimetalico.

El eje y el elemento están sostenidos con cojinetes y el conjunto esta 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

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TERMÓMETROS DE SISTEMA LLENO. Los termómetros de tipo bulbo consisten de un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando la temperatura cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo. Hay cuatro clases de este tipo de termómetro: Clase I: Termómetros actuados por liquido Clase II: Termómetros actuados por vapor. Clase III: Termómetros actuados por Gas. Clase IV: Termómetros actuados por mercurio.

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TERMÓMETROS CLASE 1. SISTEMA LLENO DE LÍQUIDO.

Los termómetros actuados por líquido tienen el sistema de medición lleno de líquido y como su dilatación es proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta uniforme. El volumen del líquido depende principalmente de la temperatura del bulbo, de la del capilar y de la del elemento de medición (temperatura ambiente). Por lo tanto, para capilares cortos hasta 5 m, solo hay que compensar el elemento de medición para evitar errores debidos a variaciones de la temperatura ambiente (Clase 1B).

Para capilares mas largos hay que compensar también el volumen del tubo capilar (Clase 1A). Los líquidos que se utilizan son alcohol y éter El campo de medición de estos instrumentos varía de 150 a 500 °C dependiendo del tipo de líquido que se emplee.

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TERMÓMETROS CLASE 2. SISTEMA LLENOS DE VAPOR.

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. Por consiguiente, no hay necesidad de compensar la temperatura ambiente.

Si la temperatura del bulbo es mayor que la temperatura ambiente, el capilar y el elemento de medición están llenos de líquidos (Clase 2A), siendo necesario corregir la indicación en la diferencia de alturas entre el bulbo y el elemento de medición. Si la temperatura del bulbo es mas baja que la ambiente, el sistema se llena de vapor (Clase 2B).

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La clase 2C, opera con la temperatura del bulbo superior e inferior a la temperatura ambiente y la Clase 2D trabaja con la temperatura del bulbo superior, igual e inferior a la ambiente, empleando otro liquido no volátil para transmitir la presión de vapor.

Los termómetros a base de presión de vapor son afectados por la altura entre el bulbo y el instrumento, así cuando el instrumento se encuentra arriba del bulbo y el bulbo esta lleno de líquido, el instrumento indica una temperatura más baja. En el caso contrario, cuando el instrumento se encuentra abajo del bulbo el instrumento indica una temperatura mas alta, debido a que la presión que actúa sobre la espiral consiste de la presión en el bulbo (P) mas la presión de la altura (H).

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TERMÓMETROS CLASE 3. SISTEMA LLENO DE GAS. Los termómetros actuados por gas están completamente llenos de gas. Al subir la temperatura, la presión de gas aumenta proporcionalmente y por lo tanto estos termómetros tienen escalas lineales. La presión en el sistema depende principalmente de la temperatura en el bulbo, pero también de la temperatura en el tubo capilar y del elemento de medición, siendo necesario compensar la temperatura ambiente en el sistema de medición.

El error originado por la temperatura ambiente alrededor del elemento helicoidal se debe al aumento del volumen del gas y a los cambios del modulo de elasticidad de la hélice. La mayor parte de esos errores se puede compensar con un elemento bimetalico. El tamaño del bulbo depende de la longitud del tubo capilar que conecta el bulbo al tubo helicoidal del instrumento. La siguiente tabla muestra la relación entre el bulbo y el tubo capilar para este tipo de termómetro.

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TERMÓMETROS CLASE 4. LLENOS DE MERCURIO. Los termómetros actuados por mercurio (Clase 4) son similares a los termómetros actuados por líquidos (Clase 1). Pueden tener compensación en la caja y compensación total. Este sistema trabaja bajo el principio de expansión de un liquido, en este caso se llena completamente con mercurio o una amalgama de mercurio y talio eutéctico como medio de operación del sistema principal.

La compensación se hace por dos medios, ya sea una compensación total por medio de un segundo sistema termal sin bulbo como se muestra en la siguiente figura:

La compensación en gabinete se realiza gracias a una lamina bimetalica, de la misma manera que se realizo para los termómetros clase 1.

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BULBOS, TERMOPOZOS Y TUBOS CAPILARES

Los termopozos para bulbos térmicos, se utilizan para proteger contra la corrosión, abrasión, erosión, impacto y alta presión. También se requieren para usarse en donde es necesario remover el bulbo sin interrumpir la operación del proceso. Se fabrican de acero inoxidable, acero o bronce. Existe un retardo en la respuesta del sistema, por lo que es importante seleccionar un bulbo con termopozo ajustado.

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INSTALACIÓN DE BULBOS. Los sensores de temperatura en donde sea posible se instalan sin tubo protector (termopozo), o alguna otra forma que retarde la transmisión del calor. El bulbo siempre se debe instalar en un punto donde la temperatura sea representativa.

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TERMOPARES. Debido a su versatilidad, el termopar es tal vez el único método practico industrial para la medición de temperaturas entre 500 °C y 1500 °C. Una de las ventajas del termopar es que su voltaje de salida se puede transmitir a cientos de metros con un receptor milivoltimetro. Actualmente se utilizan mucho los convertidores electrónicos milivolt-corriente, los cuales permiten distancias del orden de los 1,000 metros. Los convertidores mV/I producen una señal de salida normalizada de 4 a 20 mA. Materiales de los Termopares. Ciertos materiales se han estandarizado y se usan por pares para formar un termopar. Los mas conocidos son los siguientes: Cromel- Alumel Hierro-Constantano Cobre- Constantano Platino-Rodio- Platino. Existen otras combinaciones pero los anteriores son los mas usuales. Estos metales son aleaciones, esto es, son una mezcla de metales. Principio de Funcionamiento Básicamente un termopar consiste de dos metales diferentes de tal forma que unidos producen una fuerza electromotriz térmica cuando las juntas se encuentran a diferentes temperaturas.

La junta de medición o junta caliente es el extremo insertado en el medio que se va a medir la temperatura. La junta de referencia o junta fría, es el extremo abierto que normalmente se conecta a las terminales del instrumento de medición.

VOLTAJE SEEBECK. Cuando dos metales diferentes se unen en sus extremos y uno de los extremos se calienta, se tendrá un flujo de corriente continua en el circuito termoeléctrico. Este descubrimiento fue hecho por Thomas Seebeck. Si el circuito se abre como se muestra en la figura, el voltaje neto (Voltaje de Seebeck) en el circuito es una función de la temperatura de la junta y de la composición de los dos metales.

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LEYES DE LOS TERMOPARES. Los siguientes ejemplos ilustran las leyes de los termopares derivadas empíricamente, las cuales son útiles para el entendimiento y diagnostico de los circuitos termopares. Ley de los Circuitos Homogéneos: En un conductor metálico homogéneo, no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la sola aplicación de calor. Ley de los metales intermedios: La inserción del alambre de cobre entre los alambres de hierro y constantano no producirá ningún cambio en el voltaje de salida y sin importar la temperatura del alambre de cobre. El voltaje V, es la de un termopar hierro- constantano a la temperatura T1.

Ley de los metales insertados: El voltaje V, será el de un termopar Fe-C a la temperatura T, con la condición de que ambos extremos del alambre de platino se encuentren a la misma temperatura.

LEY DE LAS TEMPERATURAS INTERMEDIAS O SUCESIVAS. Establece que la suma de las FEM generadas por dos termopares, uno con su s juntas a 0°C y alguna temperatura de referencia (149°C en esta caso) y el otro con sus juntas a la misma temperatura de referencia y la temperatura medida, es equivalente a la producida por un solo termopar con sus juntas a 0°C y la temperatura medida.

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LEY DE LAS TEMPERATURAS INTERIORES. El voltaje de salida V, será el de un termopar hierro-constantano (Fe-C) a la temperatura T, sin importar la fuente de calor externa aplicada a cualquier alambre de medición.

Todos los ejemplos anteriores suponen que los alambres de medición son homogéneos, es decir, libres de defectos e impurezas.

TIPOS DE TERMOPARES

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TERMORESISTENCIAS. La propiedad de los metales para aumentar su resistencia, cuando aumenta su temperatura, proporciona un método de medición de temperaturas. El elemento sensor es una resistencia embobinada al que se le llama bulbo de termómetro de resistencia. Este bulbo se conecta a un instrumento de medición que se encuentra dotado de un puente de Wheatstone. Los termómetros de resistencia tienen la ventaja de ser muy sensibles, pues el cambio de resistencia por grado de temperatura en un termómetro de este tipo es una cantidad mucho mas grande que el cambio “microscópico” de milivoltaje por grado de temperatura de un termopar.

El sensor es una pieza alargada hecha de alambre en forma de una bobina enrollada alrededor de un núcleo de cerámica. Todo el ensamble se encierra en una cubierta protectora. La conexión a la bobina de resistencia se efectúa por medio de conductores aislados que pasan a través del núcleo de cerámica, formando una unión libre de esfuerzos. Características de los metales. La selección especifica de un metal para emplearse como un elemento termoresistivo, depende de algunos factores. La consideración más importante es la pureza del metal y su habilidad para moldearse en alambres muy delgados. Además de esto, el metal debe responder en forma rápida a los cambios de temperatura, tener un coeficiente de temperatura repetitivo, responder en un rango de temperatura lineal y poseer una alta relación de cambio de temperatura-resistencia.

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RANGO DE LOS TERMÓMETROS DE RESISTENCIA. El níquel se puede usar de -60 a 180 °C y el platino de -200 a 750 °C. El cobre tiene un rango de uso en resistencias para medir temperaturas de -200 a 150 °C, teniendo una tendencia a oxidarse a mayores temperaturas. El cobre utilizado debe ser de alta pureza obtenido electroliticamente. A pesar del costo, el platino es más satisfactorio que el níquel o cobre para la aplicación de los termómetros de resistencia.

Los termómetros RTD son los más precisos en el campo de -20 a +750 °C, por el hecho de que los sensores se pueden construir con gran precisión y las variaciones de resistencia con respecto a la temperatura, también puede medirse con gran exactitud. También es mas efectivo a temperaturas del ambiente que los termopares, ya que no es necesario la junta de referencia; además como el dispositivo es eléctrico por naturaleza, pueden conectarse instrumentos para indicar la temperatura promedio. Los termómetros RTD se pueden emplear para mediciones de temperatura incluso en ambientes peligrosos por la presencia de mezclas explosivas, debido a que los niveles energéticos son tan bajos, que puede considerarse el sistema de medida como de “seguridad intrínseca”. Un elemento de resistencia, debe reunir los siguientes requisitos: • Constancia de las características por largo tiempo. • Reproducibilidad de la característica. • Variación elevada de la resistencia en función de la temperatura. Teniendo en cuenta o anterior se han normalizado 3 tipos de resistencias: De platino, Níquel y Cobre. Los termómetros de este grupo deben tener una resistencia de 100 Ω a 0°C con una tolerancia de +/- 0.1 Ω.

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TERMISTORES Los termistores aprovechan, al igual que el ya visto PT-100, la dependencia que presenta la resistencia eléctrica de cualquier material conductor con la temperatura. La sensibilidad a la temperatura se ha exacerbado gracias a la utilización de materiales semiconductores, específicamente diseñados para que su resistencia dependa agudamente de la temperatura del elemento. Existen termistores de coeficiente positivo (su resistencia aumenta con la temperatura) o negativo, siendo este último más típico y de bajo costo. En los termistores se observan relaciones de la resistencia con la temperatura que no son lineales, sino más bien de carácter exponencial.

PIROMETROS DE RADIACIÓN Cabe preguntarse cómo medir la temperatura en equipos de proceso cuya temperatura exceda la de fusión del elemento sensor (por ejemplo, hornos de fundición de metales). En tal caso, se recurre a los pirómetros. Los pirometros de radiación se fundan en en la Ley de StefanBoltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo, aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (Kelvin) del cuerpo es decir W= ET2.

PIROMETROS ÓPTICOS. Los pirometros ópticos se basan en la radiación de cuerpos negros y contienen en su interior un filamento que debe desaparecer al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado. Al dirigir el pirómetro al cuerpo caliente, se observa un filamento (frío) que destaca contra la radiación del objeto observado. El filamento recibe potencia y se calienta hasta que "desaparece" del campo visual. En ese momento la temperatura del filamento y del cuerpo radiante son la misma. Si se gradúa el control de potencia (una perilla) en los grados Kelvin del filamento a una u otra posición, se podrá leer la temperatura en esta escala.

PIROMETROS INFRARROJOS. El pirometro de infrarrojos capta la radiación espectral del infrarrojo, invisible al ojo humano y puede medir temperaturas menores a 700 °C, supliendo al pirometro óptico que solo puede trabajar eficazmente a temperaturas superiores a 700 °C, donde la radiación visible emitida es significativa.

PIROMETRO FOTOELÉCTRICO. Este pirometro al tener un detector fotoeléctrico, es mucho más rápido que los sensores térmicos, pero debe mantenerse refrigerado a muy baja temperatura mediante nitrógeno liquido para reducir el nivel de ruido eléctrico. La señal de salida depende de la temperatura instantánea, por lo que evita los retardos que existen en otros modelos de Pirometros. El detector genera una tensión proporcional al cubo de la temperatura: V= KT3

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PIROMETRO DE RADIACIÓN TOTAL. La energía de las radiaciones visibles e invisibles producen una elevación de temperatura de la superficie receptora que se mide mediante un termopar. Esta elevación de temperatura es una magnitud con la cual se puede determinar la temperatura que se quiere conocer. La fuerza electromotriz desarrollada en el termopar es proporcional a la temperatura de la superficie receptora y por lo tanto, proporcional a la temperatura del objeto.

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PARTE 4 NIVEL

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MEDIDORES DE NIVEL. Como la mayoría de las variables del proceso, el nivel de un liquido se puede medir directamente o indirectamente. Métodos directos. Estas forman implican una medición directa de la distancia (normalmente altura) del nivel del líquido a una línea de referencia que se puede realizar por: 1. La observación visual directa de la distancia sobre una escala calibrada, tal como una regleta graduada, un medidor de gancho, o un tubo de vidrio. 2. Determinación de la posición de un elemento detector el cual, es puesto sobre la superficie de un liquido. Métodos Indirectos. Se puede usar otros efectos diferentes al cambio de la superficie de un líquido para determinar su nivel en un recipiente. 1. Medición del fluido o carga hidrostática desarrollada por el líquido. 2. Medición de la fuerza de flotación creada cuando un elemento detector es parcial, o completamente sumergido en el líquido. 3. Atenuación de la radiación nuclear a través de las fases líquido y vapor.

MEDICIÓN DIRECTA DE NIVEL. Medidor de Varilla.- Este medidor se gradúa en unidades de longitud como: metros o centímetros. La determinación del nivel se efectúa por lectura directa de la longitud mojada.

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Medidor de nivel de Gancho.- Este medidor se sumerge en el liquido y se levanta hasta que el gancho toque ligeramente la superficie del liquido. La distancia desde la superficie del tanque hasta la parte superior del tanque da en forma directa el nivel Medidor de Nivel de cinta y plomada. Este es semejante al anterior y su uso, también es para recipientes abiertos como los anteriores. Su forma de operar consiste en soltar la cinta hasta que la plomada toque el fondo de tanque. La ventaja de este método sobre el anterior, es que permite medir el nivel en tanques más profundos. Medición de nivel por tubos o mirillas. Existen medidores de nivel sumamente sencillos que se emplean en recipientes a presión atmosférica para indicar el nivel de un líquido y que consisten en un tubo de vidrio o plástico con una resistencia mecaniza razonablemente buena. Este tipo de medidor funciona por el principio de vasos comunicantes para indicar el nivel que existe en el interior de un depósito.

El uso de la medición de nivel por tubo de vidrio, generalmente queda limitado a 10 Kg/cm2 y 230 °C con materiales especiales como el Pyrex. La ventaja principal de una mirilla de nivel, es la gran exactitud que ofrecen en sus lecturas. La desventaja es que el operador tiene que ir hasta el tanque para tomar la medida. Y debido a que generalmente son de vidrio son propensos a quebrarse. En el caso de que ocurra esto, el contenido del depósito podría perderse. Por esta razón, las mirillas de vidrio, no se deben usar nunca en la medición de líquidos inflamables, tóxicos o corrosivos, o cuando las presiones y temperaturas excedan los limites del vidrio.

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MEDIDORES DE FLOTADOR. Estos instrumentos consisten en un flotador situado en el sobre del liquido y conectado al exterior del tanque indicando directamente el nivel. La conexión puede ser mecánica, magnética o hidráulica; trasmitiendo la medición del nivel al exterior del tanque en el indicador. Los instrumentos de flotador tienen una precisión de ± 0.5 %. Son adecuados para la medida en tanques abiertos y cerrados a presión o al vacío y son independientes del peso específico del líquido.

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MEDIDORES DE NIVEL POR DESPLAZAMIENTO. El medidor de nivel de tipo desplazamiento consiste en un flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión unido rígidamente al tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla que trasmite 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. De tal forma, al aumentar el nivel, el líquido ejerce un empuje sobre el flotador igual al volumen de la parte sumergida multiplicada por la densidad del líquido.

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MEDIDORES DE NIVEL POR PRESIÓN HIDROSTÁTICA. Existen diversos instrumentos los que se basan en medir una presión hidrostática para determinar el nivel de llenado de un tanque; entre estos tenemos a los manometricos, membrana, burbujeo y presión diferencial. El medidor manometrico consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque. El manómetro mide la presión debida a la altura del líquido h que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento.

El medidor de tipo burbujeo emplea un tubo sumergido en el líquido a cuyo través se hace burbujear aire. La presión de aire en la tubería equivale a la presión hidrostática ejercida por la columna liquida es decir el nivel. La tubería empleada suele ser de 1/2 “.

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INSTRUMENTOS BASADOS EN CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL LÍQUIDO. Medidor de Nivel Conductivo El medidor de nivel conductivo consiste en uno o varios electrodos y un relé eléctrico que es excitado cuando el liquido moja a dichos electrodos. El liquido debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito electrónico y de este modo el aparato pueda discriminar la separación entre el liquido y su vapor. La tensión de alimentación es del tipo alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas. Este instrumento se usa como alarma o control de nivel alto o bajo, utiliza relés eléctricos para líquidos de alta conductividad y relés electrónicos para líquidos de baja conductividad.

Medidor de Capacitancia. Este elemento mide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el liquido y las paredes del tanque. La capacitancia del conjunto depende linealmente del nivel del líquido. En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal; en fluidos conductores el electrodo esta aislado usualmente con teflón. El sistema es sencillo y apto para muchas clases de líquidos. Sin embargo, en los fluidos conductores, los sólidos o líquidos conductores que se encuentran en suspensión y las burbujas de aire aumentan y disminuyen respectivamente el valor de la constante dieléctrica dando lugar a un error en la lectura. Otro error puede ocurrir debido a contaminantes que se encuentren adheridos a la varilla, por lo que puede variar su capacitancia.

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Sistema Ultrasónico de medición. Se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mimo en un receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque. Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 Khz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión del medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del líquido o sólido. En la siguiente figura se muestra varias disposiciones de montaje de los detectores que se utilizan en los casos de alarmas o de indicación continua de nivel. Este tipo de medidores son adecuados para todos los tipos de tanques y líquidos o fangos pudiendo construirse a prueba de explosión. Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar señales erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida como es el caso de un líquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos.

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Sistema de medición por rayos Gamma. Consiste en un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del tanque y con un contador Geiger que transforma la medición gamma recibida en una señal eléctrica de corriente continua. Como la transmisión de los rayos es inversamente proporcional a la masa del liquido en el tanque, la radiación captada por el receptor es inversamente proporcional al nivel del liquido 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 mas corta. La fuente radiactiva pierde igualmente su radioactividad en función exponencial del tiempo. La vida media varia 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. Este sistema se emplea en caso de medida de nivel en tanques de acceso difícil o peligroso. Es ventajoso cuando existen presiones elevadas en el interior del tanque que impiden el uso de otros sistemas de medición. Hay que señalar que el sistema es caro y que la instalación no debe ofrecer peligro alguno de contaminación radioactiva siendo necesario señalar debidamente las áreas donde están instalados los instrumentos y realizar inspecciones periódicas de seguridad.

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PARTE 5 FLUJO

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MEDIDORES DE FLUJO. La medición de flujo es muy importante en todas las industrias de proceso. Como flujo se define al movimiento de sólidos, líquidos o gases, expresados en volumen o masa por unidad de tiempo, a través de tuberías o conductos. La manera en que se cuantifica la velocidad de flujo depende de si la cantidad que fluye es un sólido, líquido o gas. En el caso de sólidos, resulta apropiado medir la velocidad del flujo de masa, en tanto que en líquidos y gases, el flujo suele medirse en términos de la tasa de flujo de volumen. La unidades de medición, depende de que tipo de flujo estemos mesurando, es decir si estamos considerando volumen o masa; únicamente debemos relacionar una unidad de volumen o masa entre una unidad de tiempo. Para Flujo Volumétrico: m3/h, l/h, cfm, etc. Para Flujo Masico: Kg/min., ton/h, lb/min., etc.

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Medidores volumétricos. Los medidores volumétricos determinan el caudal en volumen del fluido, bien sea directamente (desplazamiento), bien indirectamente por deducción (presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza, tensión inducida, torbellino). En general la medición de flujo en la industria se realiza 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 tubo venturi. Medidores de caudal de masa. Es esencial medir el gasto en masa o el flujo de masa total de un gas o un líquido. Los elementos sensores y de medición están fuera de la tubería que lleva el fluido.

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INSTRUMENTOS DE PRESIÓN DIFERENCIAL. Este tipo de instrumentos se basa en la aplicación del teorema de bernouilli (altura cinética +altura de presión + altura potencial = cte.) en una tubería horizontal.

Si Pa, Pc y Va, Vc son las presiones absolutas y velocidades en la zona anterior a la placa donde el fluido llena todo el conducto y en la restricción y Sa y Sc son las secciones correspondientes, resulta: Va2 Pa Vc2 Pc + = + 2 ρo 2 ρo

S aVa = ScVc

Siendo ρo la densidad (masa por unidad de volumen) del fluido.

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Placa-orificio o diafragma. La placa orificio 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 la cual es proporcional al cuadrado del caudal.

La figura (a) muestra tomas en la brida que es la más utilizada porque su instalación es cómoda debido a que las tomas están taladradas en las bridas que soportan la placa y situadas a 1” de distancia de las mismas. La figura (b) muestra tomas en la vena contraída. La toma posterior esta situada en un punto donde la vena alcanza su diámetro mas pequeño, lo cual depende de la razón de diámetros y se presenta aproximadamente a 1/2 φ de la tubería. La toma anterior se sitúa a 1 φ de la tubería. La figura (c) muestra tomas en la cámara anular. Las tomas están situadas inmediatamente antes y después del diafragma. Se emplean mucho en Europa. La figura (d) muestra tomas en la tubería. Las tomas anteriores y posteriores están situadas a 2 1/2 y 8 φ, respectivamente. Se emplean cuando se desea aumentar el intervalo de medida de un medidor de caudal dado.

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El orificio de la placa puede ser concéntrico, excéntrico o segmental, con un pequeño orificio de purga para los pequeños arrastres sólidos que pueda tener el fluido. La precisión obtenida con la placa es del orden de ± 1 a ± 2 %

Toberas La tobera esta 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 placa-orificio en las mismas condiciones de servicio. Su perdida de carga es de 30 a 80 % de la presión diferencial. Puede emplearse para fluidos que arrastren sólidos en pequeña cantidad. Si bien, si estos elementos son abrasivos, puede afectar la precisión del elemento. La precisión de este elementos es de 0.95% a 1.5 %.

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Tubo de Venturi El tubo de venturi permite la medición de caudales superiores a los de la placa de orificio en las mismas condiciones de trabajo y con una perdida de carga del 10 al 20 % de la Presión diferencial. Posee una gran precisión y permite el paso de fluidos con un porcentaje relativamente grande de sólidos, si bien, los sólidos abrasivos influyen en su forma afectando la exactitud de la medida. El costo del tubo de venturi es elevado y su precisión es del orden de ±0.75 %. Para el cálculo de los diafragmas, toberas y tubos venturi se utilizan normas variadas entre las que podemos mencionar las Normas ISO, ASME, AGA, etc.

En forma general la formula simplificada del caudal se puede considerar como:

Qv = K

h

ρ

Se observa que la medida depende de la densidad del fluido, por lo cual si esta cambia variara la lectura del instrumento.

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Tubo pitot El tubo pitot mide la diferencia entre la presión total y la presión estática, o sea mide la presión dinámica, la cual es proporcional al cuadrado de la velocidad.

P2

La ecuación correspondiente es:

De aquí se deduce

V1 =

ρ

=

P1

ρ

+

V1 2

( P2 − P1 )2

ρ

O bien introduciendo un coeficiente de velocidad C para tener en cuenta la irregular distribución de velocidades, la rugosidad de la tubería, etc. resulta:

V1 = C

( P2 − P1 )2

ρ

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. Su precisión es baja del orden de 1 al 5.4% y se emplea normalmente para la medición de grandes caudales de fluidos limpios con una baja perdida de carga.

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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 esta situado a lo largo de un diámetro transversal de la tubería y consta de varios orificios de posición critica determinada por una computadora, que cubren cada uno la presión total en un anillo de área transversal de la tubería. 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 tubo pitot, del orden de 1 %, tiene una baja perdida de carga y se emplea para la medida de pequeños o grandes caudales de líquidos y gases.

Este elemento puede manejar presiones desde -30 “ Hg hasta 2500 Psi. Si se emplea con líquidos que contienen grandes cantidades de sólidos suspendidos, este tipo de sensor requiere una purga.

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MEDIDORES DE AREA VARIABLE. El medidor se área variable es una de las formas simples y elementales: se compone de dos partes: un tubo ahusado de vidrio colocado verticalmente dentro de un sistema de tubería para fluidos o gases, insertando el extremo grande en la parte superior y un flotador medidor que puede moverse libremente en sentido vertical dentro del tubo de vidrio. El fluido corre a través del tubo de abajo a arriba y, cuando no hay ningún flujo de fluido, el flotador descansa en la base del tubo ausado y su diámetro máximo se selecciona casi siempre de manera que bloquee casi por completo el extremo pequeño. Cuando se inicia un flujo dentro de la tubería y el fluido llega al flotador, el efecto hace que ascienda. Entonces el flotador se eleva y flota dentro del fluido en proporción del flujo y a una presión dada.

El material mas empleado en los flotadores es el acero inoxidable 316 o flotadores de plástico; las escalas de los rotametros están grabadas en una escala de latón o de aluminio montada a lo largo del tubo y situada en coincidencia con la línea de cero del tubo o bien directamente en el tubo de vidrio.

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Rotametros. La ecuación básica para el medidor de flujo de área variable o Rotametro es:

Q = AC 2 gh

Q= Caudal C= coeficiente de

descarga

A= Área de paso de la restricción g= aceleración de la gravedad h= Presión diferencial

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Medidor de Placa de Impacto. El medidor de placa consiste en una placa instalada directamente en el entro de la tubería y sometida al empuje del fluido. La fuerza originada es proporcional a la energía cinética del fluido y depende del área de la placa. Corresponde a la siguiente ecuación. F = Cd

ρv 2

2

A

F= fuerza total en la placa

ρ= densidad del fluido V= Velocidad del fluido A= área de la placa Cd= Constante experimental

La placa esta conectada a un transmisor neumático de equilibrio de fuerzas o bien a un transductor eléctrico de galgas extensometricas. Las galgas forman parte de un puente de Wheastone de tal modo que la variación de resistencia es una función del caudal . La precisión en la medida es de ± 1 %. El instrumento permite el paso de fluidos con pequeñas cantidades de sólidos en suspensión y puede medir caudales que van desde 0.3 litros/min hasta 4000 litros /minuto.

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.

Medidor Magnético

El medidor de flujo electromagnético es únicamente un detector eléctrico primario de la velocidad de flujo. En este medidor se induce una fuerza electromotriz en el fluido mediante su movimiento a través de un campo magnético creado por un electroimán. El campo magnético en cd actúa verticalmente a través de la tubería que transporta el fluido.

Como se puede ver, se proporcionan dos electrodos, uno en cada extremo del diámetro horizontal de la tubería; La ley de Faraday establece que la tensión inducida a través de cualquier conductor, al moverse este perpendicularmente a través de un campo magnético, es proporcional a la velocidad del conductor. Por lo tanto la FEM inducida es una función del flujo volumétrico. El medidor de flujo electromagnético es muy valiosos para medir metales, líquidos, fluidos corrosivos y no le afecta la viscosidad, la densidad o la turbulencia; pero este tipo de medidores únicamente pueden medir flujos de fluidos conductores. La formula del caudal que da la ley de Faraday es la siguiente:

Es = KBlv

Es=Tensión generada en el conductor. K= Constante. B= Densidad del campo magnético l = Longitud del conductor. V= Velocidad del movimiento.

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En el medidor magnético de caudal, el conductor es el liquido y Es es la señal generada, esta señal es captada por dos electrodos rasantes con la superficie interior del tubo. También sabemos que el flujo:

Q = VA = V

π ∗ D2 4

Resulta

Q=K

Es ∗D B

La conductividad eléctrica en los gases es generalmente mucho mas baja, por este motivo, el medidor magnético no puede emplearse para la medida de caudales de gases. Los electrodos deben seleccionarse de acuerdo con su resistencia a la corrosión o a la abrasión en le caso de aplicaciones químicas. Los elementos magnéticos de caudal se calibran en fabrica consiguiéndose una precisión elevada del ±0.1 %. En un sistema completo, incluyendo el receptor, se obtiene una precisión de ± 1 % de toda la escala, pudiéndose llegar a una precisión mayor del orden de ±0.5% con una calibración especial y siempre que la conductividad sea elevada.

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MEDIDORES DE FLUJO POR VELOCIDAD Vertederos. Este tipo de elementos se utiliza en la medición de caudales en canales abiertos que provocan una diferencia de alturas del líquido entre la zona anterior del vertedero y su punto mas bajo. El vertedero debe formar un ángulo recto con la dirección del caudal y el canal aguas arriba debe ser recto como mínimo en una distancia de 10 veces la anchura. La diferencia de alturas debe medirse en un punto aguas arriba lo suficientemente alejado como para no ser influido por la curva de bajada de la superficie del agua. Existen varios tipos de vertederos como son los siguientes:

Los vertederos del tipo rectangular, los cuales son los mas simples, fáciles de construir y los mas económicos. Es apto para medida de caudales de 0-60 m3/h a 0-2000m3/h. La formula de medida de caudales es la siguiente:

Q =1.84(l −0.2H)H

3 2

Siendo l la anchura del rectángulo en m. El valor de 0.2 H viene sustituido por 0.1 H si no hay contracción del manto invertido, es decir, si l = anchura del canal. Los vertederos del tipo triangular o en V consisten en una placa con un corte en V del vértice dirigido hacia abajo y con cada lado igualmente inclinado respecto a la vertical. A igualdad de tamaño, su campo de medida es más amplio que el de otros vertederos. Es capaz de medir caudales de 0-30 m3/h a 0-2300 m3/h La formula aplicable es:

Q = 1.33H 2.475 93

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El vertedero Parshall o Venturi se emplea normalmente en aquellas aplicaciones en las que un vertedero normal no es siempre adecuado tal como ocurre cuando el liquido transporta sólidos o sedimentos en cantidad excesiva, o bien cuando no existe altura de presión suficiente. Este vertedero es de forma parecida al tubo Venturi. Consiste en paredes verticales y con el suelo inclinado en la estrangulación.

Estos vertederos se autolimpian y funcionan con una pequeña perdida de carga o pendiente. La ecuación para este vertedero es:

K= Constante que depende del vertedero n= Exponente que depende del vertedero H= Diferencia de alturas máxima. L= Anchura de la garganta del vertedero 94

Q = K lH

n

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Turbinas. Los medidores de turbinas consisten en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre en el rotor. Siempre que el rotor de la turbina se monte en cojinetes de baja fricción, la inexactitud de la medición puede ser tan pequeña como ± 0.1 %. Sin embargo, los medidores de flujo de turbina son menos resistentes y menos confiables que los instrumentos de restricción de flujo, y su operación se ve seriamente afectada por cualquier partícula de materia que este contenida en el fluido. El desgaste de los cojinetes es un problema particular y estos aparatos también imponen una perdida de presión permanente en el sistema.

Existen dos tipos de convertidores para captar la velocidad de la turbina. En el de reluctancia variable la velocidad viene determinada por el paso de las palas individuales de la turbina a través del campo magnético creado por un imán permanente montado en una bobina captadora exterior. El paso de cada pala varia la reluctancia del circuito magnético. Esta variación cambia el flujo induciendo en la bobina captadora una corriente alterna que, por lo tanto es proporcional al giro de la turbina.

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En el tipo inductivo el rotor lleva incorporado un imán permanente y el campo magnético giratorio que se origina produce una corriente alterna en una bobina captadora exterior. En ambos casos, la frecuencia que genera el rotor de turbina es proporcional al caudal siendo del orden de 250 a 1200 ciclos por segundo para el caudal máximo Este instrumento es adecuado para la medida de caudales de líquidos limpios o filtrados. Debe instalarse de tal modo que no se vacíe cuando cesa el caudal, ya que el choque el agua a lata velocidad contra el medidor vacío lo dañaría seriamente. Sondas Ultrasónicas. Los medidores de flujo ultrasónicos operan en el mismo principio de propagación del sonido en un líquido. Estos dispositivos miden el flujo de líquidos al medir el tiempo transcurrido para que la energía ultrasónica atravieses la sección transversal de un tubo, con y contra el flujo del líquido dentro del tubo. En un medidor de flujo de este tipo, los pulsos sonicos se generan por un transductor piezoeléctrico. Este dispositivo es el que se encarga de convertir energía eléctrica en una señal pulsante que se trasmite en un líquido como una onda oscilatoria. Cuando la onda de pulsos se dirige aguas abajo (figura a) en un liquido en movimiento, su velocidad o frecuencia se suma al de la corriente de flujo. Cuando la misma señal se dirige aguas arriba, su frecuencia se reduce por la velocidad del flujo En la figura (b) se mide el flujo por medio de una desviación del haz del sonido emitido por un transmisor perpendicular a la tubería, que es utilizado en fluidos limpios.

En la figura (c) se mide el flujo por medio del método doppler en el que se proyectan ondas sonicas a lo largo del flujo del fluido y se mide el corrimiento de frecuencia que experimenta la señal de retorno al reflejarse el sonido en las partículas contenidas por el fluido. 96

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MEDIDORES DE FLUJO DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO. Los medidores de flujo de desplazamiento positivo básicamente capturan y liberan un volumen fijo de fluido mediante alguna acción de bombeo. Por lo general, estos medidores cuentan el número total de ciclos que se producen e indican o registran un volumen de flujo integrado. Los medidores de desplazamiento positivo existen en tamaños de 1/2 a 16 pulgadas, son fáciles de instalar, pueden tener una precisión hasta de 0.1 %, por lo general poseen tolerancias mecánicas mínimas; existen 5 tipos básicos de medidores:

• • • • •

Disco Oscilante Pistón Oscilante Pistón Alternativo. Rotativos. Diafragma.

Medidor de Disco Oscilante. El instrumento dispone de una cámara circular con un disco plano móvil; 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. Internamente se divide en 4 cámaras, dos de ellas quedan sobre y bajo el disco en le lado de entrada y con dos mas localizadas en posición opuesta en el lado de salida. Al entrar el liquido a la cámara de medición produce en el disco un movimiento oscilatorio o de bamboleo además del de rotación. Por cada bamboleo del disco pasa un volumen de liquido conocido. El extremo libre del eje del disco se mueve en una trayectoria circular cuando el disco se bambolea. El movimiento circular del eje, impulsa un tren de engranes y un mecanismo contador. Este tipo de medidor tiene una precisión de ± 1 %. Este se usa comúnmente para aplicaciones de flujos pequeños.

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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 de salida. La única parte móvil es un pistón cilíndrico que oscila suavemente en un movimiento circular entre las dos caras planas de la cámara, y que esta provisto de una ranura que desliza en la placa divisora fija que hace de guía del movimiento oscilante. El eje del pistón al girar, trasmite su movimiento a un tren de engranajes y a un contador. La precisión normal es de ± 1 % pudiendo llegar a ± 0.2% con pistón metálico y ± 0.5 % con pistón sintético. Se fabrican para tamaños de tubería hasta 2” con caudales máximos de 600 l/min. Se aplica en la medición de caudales de agua y de líquidos viscosos o corrosivos.

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Medidor de Pistón Alternativo. El medidor de pistón convencional es el mas antiguo de los medidores de desplazamiento positivo. El instrumento se fabrica de muchas formas: varios pistones, pistones de doble acción, válvulas deslizantes horizontales. Su capacidad es pequeña comparada con los tamaños de otros medidores. Su costo inicial es alto, dan una perdida de carga alta y son difíciles de reparar.

Medidores Rotativos Este tipo de instrumentos tiene válvulas rotativas que giran excéntricamente rozando con las paredes de una cámara circular y transportan el líquido 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 pocos l/min de líquidos limpios y de baja viscosidad hasta 64,000 l/min de crudos viscosos. Hay varios tipos de medidores rotativos siendo los más usados los cicloidales, los birrotor y los ovales.

Los cicloidales contienen dos lóbulos del tipo root engranados entre si que giran en direcciones opuestas manteniendo una posición relativa fija y desplazando un volumen fijo de fluido liquido 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 Nm3/h. Su precisión es de ± 1% para caudales de l0 a 100 % del intervalo de medida, bajando mucho la precisión en caudales bajos debido a los huecos que existen entre los lóbulos.

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El sistema birrotor consiste en dos rotores sin contacto mecánico que giran entre si 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 liquido. Son reversibles, admiten sobrevelocidades esporádicas, no requieren filtros, admiten el paso de partículas extrañas. Se aplica en la medición de caudales crudos y productos petrolíferos. Su tamaño varia de 3 a 12“. La precisión es de ± 0.2%, con una perdida de carga de 5 psi.

Los medidores ovales disponen de dos ruedas ovales que engranan entre si y tienen un movimiento de giro debido a la presión diferencial creada por el liquido. La acción del liquido 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 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 varían de 1/2 a 3”.

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Torbellino y Vortex. El medidor de caudal por torbellino se basa en la determinación de la frecuencia del torbellino producido por una hélice estática situada dentro de la tubería a través de la cual pasa el fluido (líquido o gas). La frecuencia del torbellino es proporcional a la velocidad del fluido de acuerdo con la siguiente expresión: f *d St = v

St = numero de strouhal f = frecuencia del torbellino d = anchura del torbellino v = velocidad del torbellino

El numero 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 por lo cual:

Q = s *v

Q=

f *d *s = f *K St

Siendo K=(d*s)/St, una constante. Por lo tanto, el caudal volumétrico del fluido es proporcional a la frecuencia del torbellino. La detección de la frecuencia es por medio de sensores de presión piezoeléctricos. La precisión de este instrumento es de ± 0.2 % del caudal. Los instrumentos de Vortex son parecidos a los 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 %. 101

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MEDIDOR DE CORIOLIS El medidor de coriolis se basa en el teorema de Coriolis que observo que un objeto de masa m que se desplaza con una velocidad lineal v a través de una superficie giratoria que gira con velocidad angular constante w, experimenta una velocidad tangencial (velocidad angular X radio de giro) tanto mayor cuanto mayor es su alejamiento del centro. La generación de la fuerza de coriolis puede producirse por la inversión de la velocidad lineal del fluido mediante la desviación de un bucle en forma de omega en estado de vibración controlada. La vibración del tubo, perpendicular, al sentido de desplazamiento del fluido , crea una fuerza de aceleración en la tubería de entrada del fluido y una fuerza de desaceleración en la de salida, con lo que se genera un par cuyo sentido va variando de acuerdo con la vibración y con el ángulo de torsión del tubo, que es directamente proporcional a la masa instantánea del fluido circulante. La fuerza de coriolis es el producto de los vectores w y V y su valor es:

F = 2mw*V Los sensores magnéticos de posición están situados en el centro del tubo y combinan dos intervalos de tiempo, uno del movimiento hacia abajo del tubo y el otro del movimiento hacia arriba. De esta forma la diferencia de las ondas se traduce en impulsos que alimentan un integrador lineal. La diferencia de tiempo de las señales de los sensores de posición esta relacionada con θ y con la velocidad del tubo en su punto medio, lo que indica que el caudal solo es proporcional al intervalo de tiempo y a las constantes del tubo.

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