Instrumentos de medicin:Uninstrumento de medicines unaparatoque se usa para compararmagnitudes fsicasmediante un proceso de medicin. Comounidades de medidase utilizan objetos y sucesos previamente establecidos como estndares o patronesy de la medicin resulta un nmero que es la relacin entre el objeto de estudio y la unidad de referencia. Los instrumentos de medicin son el medio por el que se hace esta lgica conversin.>>MEDIDORES DE FLUJO:Las medidas de flujo son muy importantes en todos los procesos industriales. La manera en la que la razn de flujo se cuantifica depende de si la cantidad fluido es un slido, lquido o gas. En el caso de slidos, es apropiado medir la razn de flujo de la masa, mientras que en el caso de lquidos y gases, se mide el flujo normalmente en cuanto a razn de volumen. En unos casos, tal como medir la cantidad de combustible usado en un cohete, es necesario medir la masa del lquido. stas y otras tcnicas especiales de medicin de flujo estn disponibles en este libro.1.1 Flujo de masaLa medida del flujo de masa de los slidos en los procesos industriales normalmente atae a slidos en forma de pequeas partculas originados por procesos de aplastamiento o molicin. Estos materiales son conducidos por un tipo de cinta transportadora que permite medir la masa del slido en una longitud dada de la cinta, que, multiplicada por su velocidad, permite calcular el flujo de masa del slido. La figura 16.1 muestra un tpico sistema de medicin de flujo de masa. Una clula de carga mide la masa M del material distribuido sobre una longitud l de la cinta transportadora. Si la velocidad de la cinta es v, el flujo de masa Q viene dado por la siguiente expresin:

El flujo de masa de un fluido viene determinado mediante la medida simultnea del flujo de volumen y la densidad del fluido, aunque una reciente alternativa disponible es el mtodo de Coriolis. Debido a que la medida del flujo de masa en fluidos no es un prctica habitual, los sistemas necesarios para ello no estn referenciados en este texto, pero s en Medlock 1983, Furness and Heritage1986.

1.2 Razn de flujo de volumenLa razn de flujo de volumen es la forma apropiada de cuantificar el flujo de los materiales gaseosos, lquidos o semi-lquidos (cuando partculas slidas van suspendidas en un medio lquido). Los materiales en estas formas son conducidos mediante tuberas, y los instrumentos ms comunes usados para medir dicho flujo de volumen son los siguientes:- medidor de diferencia de presin- medidor de rea variable- medidor de desplazamiento positivo- medidor de flujo de turbina- medidor de flujo electromagntico- medidor de emisin de torbellinos- medidor de ultrasonidoLa consideracin de estos medidores en las siguientes secciones es seguida por discusiones del ltimo desarrollo en relaciones cruzadas, lser Doppler y medidores de flujo inteligentes. Los factores relevantes que regulan las opciones entre este desconcertante gama de medidores disponibles en aplicaciones concretas son consideradas en la seccin final de este captulo.1.3 Medidores de diferencia de presinLos medidores de diferencia de presin incluyen la insercin de algn dispositivo en una tubera de fluido la cual causa una obstruccin y crea una diferencia de presin entre ambos lados del dispositivo. Tales medidores incluyen la placa de orificio, el tubo Venturi, la boquilla, la tubera Dall y el tubo Pilot. Cuando se pone tal obstruccin en una tubera, la velocidad del fluido por la obstruccin aumenta y la presin disminuye. La razn de flujo de volumen es proporcional a la raz cuadrada de la diferencia de presin a travs de la obstruccin. La forma en que esta diferencia de presin es medida es importante. Medir las dos presiones con instrumentos distintos y calcular la diferencia de estas medidas no es muy satisfactorio debido al gran error que se puede cometer cuando la diferencia de presin es pequea, como se explic en el captulo 7. El procedimiento normal es, por lo tanto, usar un transductor de diferencia de presin de diafragma.Todas la aplicaciones de este mtodo de medicin de flujo asumen que las condiciones del flujo aguas arriba del dispositivo de obstruccin estn en estado estable, y una cierta mnima longitud de tramo recto de la tubera por delante del punto de medida es necesario para asegurar esto. La mnima longitud requerida por los distintos dimetros de las tuberas estn especificadas en British Standards tables, pero una regla til extensamente usada en los procesos industriales es especificar una longitud de 10 veces el dimetro de la tubera. Si las restricciones fsicas impiden utilizar esto, se pueden insertar inmediatamente delante del punto de medida unas aspas especiales para calmar el fluido.La figura 16.2 ilustra aproximadamente la forma en que el modelo de

flujo es interrumpido cuando una placa de orificio se inserta en una tubera. El otro dispositivo de obstruccin tiene tambin un efecto similar a este. Un inters particular tiene el hecho de que la mnima rea de la seccin del flujo no ocurre sin la obstruccin pero en un punto aguas debajo de all. El conocimiento del modelo de la variacin de presin a lo largo de la tubera, que se muestra en la figura 16.3, tiene bastante importancia en esta tcnica de medicin del flujo de volumen. Esto muestra que el punto de mnima presin coincide con el punto de la mnima seccin del flujo, un poco ms delante de la obstruccin. La figura 16.3 tambin muestra que existe un pequeo aumento de la presin inmediatamente antes de la obstruccin. Es por tanto importante, no slo posicionar el instrumento de medida P2 exactamente en el punto de mnima presin, sino medir la presin P1 en el punto aguas arriba del punto donde la presin empieza a subir tras la obstruccin.En ausencia de ningn mecanismo de transferencia de calor y asumiendo la friccin del flujo de un fluido incompresible por la tubera, la razn de flujo de volumen terico, Q es dado por (ver Bentley (1983)):

donde A1 y P1 son la seccin y la presin del fluido antes de la obstruccin, A2 y P2 son la seccin y la presin del fluido en el punto de la estrechez del flujo ms all de la obstruccin, y r la densidad del fluido. La ecuacin 16.1 no se aplica en la prctica por diferentes razones. Primero, la friccin del flujo no se obtiene. Sin embargo, en el caso de flujos agitados en tuberas lisas, la friccin es baja y puede ser englobada por una variable llamada nmero de Reynolds, la cual es una funcin mensurable de la velocidad del flujo y de la friccin viscosa. La otra razn para no aplicar la ecuacin 16.1 es que la seccin inicial del fluido es menor que el dimetro de la tubera que lo contiene y la mnima seccin del fluido es menor que el dimetro de la obstruccin. Por lo tanto, ni A1 ni A2 pueden ser obtenidos. Estos problemas son resueltos mediante la modificacin de la frmula anterior a la siguiente:

Placa de orificioLa placa de orificio es un disco metlico con un agujero, como muestra la figura 16.4, insertada en la tubera que porta el flujo de fluido. Este agujero es normalmente concntrico con el disco. Ms del 50% de los instrumentos usados en la industria para la medida del flujo de volumen son de este tipo. El uso de esta placa de orificio est muy extendido a causa de su simplicidad, reducido coste y disponibilidad en un gran nmero de tamaos. Sin embargo, la mejor exactitud obtenida con este tipo de dispositivo de obstruccin es slo del 2% y la permanente prdida de presin causada en el flujo es muy alta, estando entre el 50% y el 90% de la diferencia de presin (P1-P2). Otros problemas con la placa de orificio son

los cambios graduales en el coeficiente de descarga despus de un periodo de tiempo como los bordes afilados del agujero se van gastando, y una tendencia de las partculas del fluido a adherirse en la placa y hacer que su dimetro disminuya. Este ltimo problema puede ser reducido usando una placa de orificio con un agujero excntrico. Si este agujero est cerca del fondo de la tubera, los slidos del fluido tienden a ser barridos, y los slidos que se adhieren son mnimos.Un problema muy similar surge si hay burbujas de vapor o gas en el fluido. stas tambin tienden a adherirse detrs de la placa de orificio y distorsionar el modelo de flujo. Esta dificultad puede ser evitada insertando la placa de orificio en un tramo vertical de la tubera.Boquilla de flujoLa forma de una boquilla de flujo se muestra en la figura 16.5. Esta no est inclinada para partculas slidas o burbujas de gas y no est restringida por adherirse las partculas, por lo que, en este aspecto, es superior a la placa de orificio. Su vida del funcionamiento til tambin es mayor porque no se desgasta. Estos factores contribuyen a dar al instrumento una mayor exactitud de medida. Sin embargo, como la fabricacin de una boquilla de flujo es ms compleja que la de la placa de orificio, es tambin ms costosa. En trminos de prdidas permanentes de presin es similar a la placa de orificio. Un aplicacin tpica de la boquilla de flujo es la medida de flujo de vapor.VenturiEl venturi es un tubo de precisin con una especial forma, como se muestra en la figura 16.6 es un instrumento muy caro pero ofrece una gran exactitud y causa una prdida de presin de slo 10-15% de la diferencia de presin (P1-P2). La forma interna lisa que posee hace que no sea afectada

por partculas slidas o burbujas del fluido, y de hecho puede incluso hacer frente a disolucin de sedimentos. Apenas necesita mantenimiento y tiene una vida muy larga.Tubo DallEl tubo Dall, mostrado en la figura 16.7, consiste en dos reductores cnicos insertados en la tubera que porta el lquido. Tiene una forma interna muy similar al tubo de Venturi, excepto porque falta una garganta. Esta construccin es mucho ms fcil que la de Venturi (que requiere complejos mecanismos) y esto da al tubo Dall una ventaja en coste, aunque la exactitud de la medida no sea tan buena. Otra ventaja del tubo Dall es su pequea longitud, lo que hace ms fcil introducirlo en la lnea del fluido. El tubo Dall tiene adems otra ventaja operacional, la prdida permanente de presin es del 5%, y as es slo la mitad que la debida al Venturi. En los otros aspectos, los dos instrumentos son muy similares con su escaso mantenimiento y larga vida.

Tubo PilotEl tubo Pilot se usa principalmente para hacer medidas temporales de flujo, aunque es tambin usado para medidas permanentes. El instrumento se basa en el principio por el cual un tubo con su extremo abierto en una corriente de fluido, como muestra la figura 16.8, pondr a reposar esa parte del lquido que lo afecta, y la prdida de energa cintica se convertir en un incremento de presin medible dentro de dicho tubo.La velocidad del flujo puede ser calculada por la siguiente frmula:

La constante C, conocida como el coeficiente del tubo de Pilot, es un factor que corrige el hecho de que no todo el fluido incidente en el final del tubo ser llevado al resto: una proporcin se obtendr segn el diseo de la tubera. Habiendo calculado v, el flujo de volumen puede ser calculado sin ms que multiplicar v por la seccin de la tubera, A.Deducir la medida del flujo de volumen a partir de la velocidad del flujo en un punto del fluido, obviamente, requiere que el flujo sea muy uniforme. Si esta condicin no se cumple, se pueden usar mltiples tubo de Pilot para medir la velocidad del flujo en la seccin.Los tubos de Pilot tienen la ventaja de que produce una prdida de presin despreciable. Son tambin baratos, y su instalacin simplemente consiste en un simple proceso de ponerlo en un pequeo agujero taladrado en la tubera. Su principal fallo es que la exactitud de la medida es slo del 5% y los dispositivos de medida de presin tienen que alcanzar algo ms de exactitud, sobre todo si la diferencia de presin creada es muy pequea.

1.4 Medidores de rea variableEn esta clase de medidores de flujo, la diferencia de presin por una apertura variable es usada para ajustar el rea de la apertura. El rea de apertura es entonces una medida del flujo de volumen. Este tipo de instrumentos slo da una indicacin visual del flujo y no es utilizada en esquemas de control automtico. Sin embargo, es fiable y barato y por ello se utiliza bastante en toda industria. De hecho, los medidores de rea variable justifican el 20% de los medidores vendidos. En su forma ms simple, mostrada en la figura 16.9, el instrumento consiste en un tubo de cristal con un flotador que toma una posicin estable donde su peso sumergido es balanceado por el solevantamiento debido a la diferencia de presin en l. La posicin del flotador es una medida del rea eficaz del paso del fluido, y con este, de la razn de flujo. La exactitud del instrumento ms barato es solo del 3%, la versin ms cara puede llegar hasta 0.2% de exactitud. El rango normal de medida est entre el 10 y el 100% de la escala total.

1.5 Medidor de desplazamiento positivoTodos los medidores de desplazamiento positivo operan mediante el uso de divisiones mecnicas para cambiar de sitio volmenes discretos de fluido sucesivamente. Todas las versiones de los medidores de desplazamiento positivo son dispositivos de bajo rozamiento, bajo mantenimiento y larga vida, aunque provocan una pequea prdida de presin en el fluido. Las bajas fricciones son especialmente importantes para medir flujo de gases, y los medidores han sido diseados con arreglos especiales para satisfacer este requerimiento.El medidor de pistn rotatorio es el ms comn de los este tipo de medidores, y est ilustrado en la figura 16.10. ste usa un pistn cilndrico el cual es desplazado en una cmara tambin cilndrica por el fluido. La rotacin del pistn se transmite a un eje de salida. ste puede ser usado con una escala de indicacin para dar una salida visual o puede ser convertido en una seal elctrica de salida Los medidores de desplazamiento positivo cuentan con cerca del 10% del nmero total de medidores de flujo utilizados en la industria. Tales dispositivos son usados en gran nmero para medir consumiciones domsticas de gas o agua. El instrumento ms barato de este tipo tiene una exactitud de 1.5%, pero en los ms costosos puede ser incluso de 0.2%. Estos mejores instrumentos se usan dentro de la industria de refineras, ya que tales aplicaciones justifican su elevado coste.

1.6 Medidores de turbinaUn medidor de turbina consiste en un conjunto de paletas de hlice montadas a lo largo de un eje paralelo a la direccin del fluido en la tubera, como muestra la figura 16.11. El flujo de fluido hace que estas paletas giren a un determinado ritmo, el cual es proporcional al volumen de flujo que circula. Este ritmo de rotacin es medido por la construccin de un medidor tal que se comporta como un tacogenerador de reluctancia variable. Esto se consigue fabricando las paletas de la turbina con un material ferromagntico y utilizando un imn permanente y una bobina dentro del aparato de medida. Un pulso de tensin es inducido en la bobina cada vez que una paleta pasa por l, y si estos pulsos son medidos son medidos por un contador de pulsos, la frecuencia de estos y su flujo pueden ser deducidos. Con tal de que el giro de la turbina tenga poca friccin, la exactitud de la medida puede llegar a ser de 0.1%. Sin embargo, los medidores de turbina son muy afectados por las partculas del fluido. Este deterioro debido al uso es un particular problema que conlleva una permanente prdida de presin del sistema de medida. Los medidores de turbina tienen un coste similar y unas ventas muy parecidas a los medidores de desplazamiento positivo, y compiten en muchas aplicaciones, particularmente en las refineras. Los medidores de turbina son mas pequeos y ms ligeros, y son preferidos para fluidos de baja viscosidad. Los medidores de desplazamiento positivo son mayores, sin embargo, preferibles para grandes viscosidades y pequeos flujos.1.7 Medidores de flujo electromagnticosLos medidores electromagnticos estn limitados a medidas de flujo de lquidos conductores de la electricidad. Se obtiene una razonable exactitud en la medida, de 1.5%, aunque es instrumento es caro tanto por el coste inicial, tanto como por el mantenimiento, sobretodo por su elevado consumo de electricidad. Una de las razones de su elevado precio es la necesidad de su minuciosa calibracin durante su fabricacin, pues hay una considerable variacin de las propiedades de los materiales magnticos usados.El instrumento consiste en tubo cilndrico de acero inoxidable, atacado con una capa aislante, el cual transporta el fluido a medir. Los materiales tpicos de aislantes usados son neopreno, politetrafluoritileno (PTFE) y poliuretano. Una capa magntica es creada en el tubo mediante la polarizacin de dos electrodos insertados a ambos lados del tubo. Los extremos de estos electrodos estn usualmente al mismo nivel que la superficie interior del cilindro. Los electrodos estn fabricados con un material que no es afectado por la mayora de los fluidos, como el acero inoxidable, aleacin de platino e iridio, Hastelloy, titanio y tntalo. En el caso de metales inusuales, como los de la lista, los electrodos se llevan la mayor parte del coste del instrumento. Por las leyes de induccin magntica de Faraday, la tensin E inducida en la longitud L del fluido, movindose a una velocidad v en un campo magntico de densidad de flujo B, es dada por:E = B L vL = es la distancia entre los electrodos, la cual es el dimetro del tubo, y B es una constante conocida. Por consiguiente, la medida de la tensin E inducida en los electrodos permite deducir la velocidad v del fluido mediante la ecuacin anterior. Calculando v se multiplica por la seccin del tubo, obteniendo as el valor del flujo. Un valor tpico de tensin medida en los electrodos es de 1mV para un flujo de 1 m/s.El dimetro interno del medidor de flujo magntico es normalmente el mismo que el del resto del conducto del sistema. Por lo tanto, no hay obstruccin del fluidoy consecuentemente, no hay prdida de presin asociada a la medida. Al igual que otras formas de medida, este instrumento requiere un tramo recto inmediatamente antes del punto donde se realiza la medida para cierta exactitud en la medida, aunque una longitud igual a cinco veces del dimetro puede ser suficiente.Aunque el fluido a medir debe ser conductor, el mtodo se utiliza en muchas aplicaciones y su principal uso se da en la medicin de fluidos conductores con sedimentos. Hasta el momento, los medidores electromagnticos cuentan con el 15% de los instrumentos de medicin vendidos, y esta cifra sigue en aumento. Un problema que se presenta a este tipo de medidores es que la capa aislante que posee el tubo puede daarse debido a fluidos abrasivos, y esto puede dar al instrumento una vida limitada.Los nuevos progresos en los medidores electromagnticos estn reduciendo el tamao de stos y empleando un mejor diseo en las bobinas para un menor.1.8 Medidores de emisin de torbellinosLos medidores de emisin de torbellinos slo cuentan con el 1% de los medidores vendidos hasta el momento, pero este porcentaje tender a subir en el futuro, pues sus caractersticas sern ms generalmente conocidas. El principio de operacin del instrumento est basado en el fenmeno natural de la emisin de torbellinos, creados por unos objetos no aerodinmicos (conocidos como objetos abruptos) dispuestos en la tubera que conduce el fluido.Cuando el fluido circula, pasa por este obstculo y produce movimientos lentos del fluido en las superficies externas. Debido a que el objeto no es aerodinmico, el flujo no puede seguir el contorno del cuerpo hacia aguas abajo, y las capas separadas se vuelven aisladas y hace que giren en remolinos o torbellinos en la regin de baja presin tras el obstculo. La frecuencia de emisin de estos torbellinos es proporcional a la velocidad con que el fluido pasa por el objeto. Varias tcnicas de deteccin de torbellinos son usadas en los instrumentos, como trmicas, magnticas, ultrasnicas o capacitivas. Tales instrumentos no tienen partes mviles, operan en un gran rango de flujos y requieren mnimo mantenimiento. Pueden medir tanto lquidos como gases y poseen una exactitud de 1% de la escala medida, aunque puede ser seriamente afectada si existen turbulencias por delante del punto donde se mide.

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