Manual Valvulas

ACADEMIA DE BIOINSTRUMENTACIÓN

MARIA DE LOURDES CORTES IBARRA/RIGOBERTO GARIBAY SÁNCHEZ 30

2.1 TEMPERATURA.

2.1.1 CLASIFICACIÓN

Generalidades.

Se puede definir temperatura como el grado de energía térmica medida en una escala definida. La temperatura de un cuerpo es su intensidad de calor, o sea la cantidad de energía que puede ser transferida a otro cuerpo. Es una medida de la energía cinética de las partículas que componen el sistema.

Cuando dos sistemas están a la misma temperatura, se dice que están en equilibrio

térmico y no se producirá transferencia de calor. Cuando existe una diferencia de temperatura, el calor tiende a transferirse del sistema de mayor temperatura al de menor temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico.

Multitud de propiedades físicas de los materiales o las sustancias dependen de la

temperatura, como por ejemplo su estado (gaseoso, líquido, sólido, plasma...), la densidad, la solubilidad, la presión de vapor, el volumen de un líquido, la longitud de una varilla, la resistencia de un alambre, la presión de un gas que se conserve a volumen constante, o bien el volumen de un gas que se conserva a presión constante, así como el color de un filamento de una lámpara o la conductividad eléctrica. Así mismo determina la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.

Hay muchas propiedades físicas mesurables que cambian al variar nuestra

percepción fisiológica de la temperatura, entre ellas el volumen de un líquido, la longitud de una varilla, la resistencia de un alambre, la presión de un gas que se conserve a volumen constante, o bien el volumen de un gas que se conserva a presión constante, así como el color de un filamento de una lámpara.

Las escalas de medición son cinco a saber:

a) Escala en grados centígrados o Celsius.

Se divide el intervalo de temperatura de ebullición del agua en 100 partes o grados, el punto de fusión es 0ºC y el de ebullición a 100ºC.

b) Escala en grados Fahrenheit.

Esta escala divide los intervalos de temperatura entre el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua en 180 grados, al punto de congelación le corresponde el valor de 32ºF y al de ebullición de 212ºF.

c) Escala Kelvin.

Esta es una escala absoluta, su cero es el cero absoluto o sea que la temperatura teórica en la cual no hay movimiento molecular, o sea calor cero. Según esta escala el punto de fusión del hielo corresponde a 273.1ºK y el punto de ebullición del agua corresponde a 373.1ºK.

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9tica

http://es.wikipedia.org/wiki/Densidad

http://es.wikipedia.org/wiki/Solubilidad

http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_de_vapor

http://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_el%C3%A9ctrica



d) Escala Ranking.

Esta también es una escala absoluta, pero considerando las divisiones de la escala Fahrenheit, en esta escala 0ºF corresponden a 459.6ºR.

e) Escala Reaumur.

Esta escala de temperaturas desarrollada en 1730 por René-Antoine Ferchault de Reaumur . El concepto inicial era usar vino diluido como líquido termométrico y para designar el punto de congelación del agua como 1000 y el punto de ebullición del agua como 1080. Esto fue cambiando de modo que el intervalo fundamental, entre punto de congelación y punto de ebullición del agua sea de 80 grados. En el presente la escala es poco usada excepto en la industria de bebidas y licores. Las temperaturas son denotadas por el termino ºRé y por el símbolo ºRé, en la tabla se hacen las comparaciones de las cinco escalas de temperatura, referidas a tres puntos básicos, el cero absoluto, la congelación del agua y la ebullición del agua.

En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (°K).

Sin embargo, está muy generalizado el uso de otras escalas de temperatura, concretamente la escala Celsius (o centígrada °C), y, en Estados Unidos, la escala Fahrenheit (°F). En estas escalas, la unidad es el grado. Una diferencia de temperatura de un kelvin equivale a una diferencia de un grado centígrado.

Figura 2.1 Escalas de temperatura: Kelvin, Celsius y Fahrenheit

A continuación se muestran una tabla con las respectivas conversiones:

http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_Internacional_de_Unidades

http://es.wikipedia.org/wiki/Kelvin

http://es.wikipedia.org/wiki/Grado_Celsius

http://es.wikipedia.org/wiki/Grado_Fahrenheit

http://es.wikipedia.org/wiki/Grado



Tabla 2.1 Factores de conversión de las unidades de temperatura.

Conversión de: a: Formula

Fahrenheit Celsius °C = (°F - 32) / 1.8 Celsius Fahrenheit °F = °C × 1.8 + 32

Fahrenheit Kelvin K = (°F + 459.67) / 1.8 Kelvin Fahrenheit °F = K × 1.8 - 459.67

Fahrenheit Ranking °Ra = °F + 459.67 Ranking Fahrenheit °F = °Ra - 459.67

Fahrenheit Réaumur °Ré = (°F - 32) / 2.25 Réaumur Fahrenheit °F = °Ré × 2.25 + 32

A continuación se muestran una tabla que indica algunas propiedades físicas del

agua a las diferentes escalas de temperatura:

Tabla 2.2 Propiedades físicas del agua a diferentes escalas de temperatura.

Como se ve, se establece la escala de temperaturas escogiendo una sustancia

termométrica especial y una propiedad termométrica de esa sustancia, entonces bien, se puede definir a una escala de temperatura como : “ una relación que suponemos continua entre la propiedad termométrica escogida de nuestra sustancia y la temperatura tal y como la medimos en nuestra escala”.

Por ejemplo, la sustancia termométrica puede ser un líquido en un tubo capilar de

vidrio y la propiedad termométrica puede ser la presión del gas; y así sucesivamente. La elección de la sustancia y su propiedad termométrica, con la relación supuesta de la propiedad termométrica conduce a una escala especial de temperatura, cuyas dimensiones no tienen que concordar forzosamente con mediciones hechas con cualquier otra escala de temperatura definida independientemente.

Este caos aparente en la definición de temperatura se elimina mediante un acuerdo

universal dentro de la comunidad científica, del uso de una cierta sustancia termométrica, una cierta propiedad termométrica y una cierta relación funcional entre las mediciones de esa propiedad y una escala de temperatura universalmente aceptada. Los elementos primarios de medición de temperatura son los transductores que convierten la energía térmica a otra o en movimiento.

Escala Cero absoluto Fusión de hielo Ebullición del agua Kelvin 0ºK 273.2ºK 373.2ºK

Ranking 0ºR 491.6ºR 671.6ºR Celsius -273.2ºC 0ºC 100ºC

Fahrenheit -459.6ºR 32ºF 212ºF Reaumur -218.5ºRé 0ºRé 80ºRé















Clasificación de medidores de temperatura.

Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura entre los cuales están:

a) Variaciones en volúmen o en estado de los cuerpos b) Variación de resistencia de un conductor c) Variación de resistencia de un semiconductor d) fem creada en la unión de dos metales distintos e) Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo

Se han dividido los elementos primarios de medición de temperatura en tres tipos, en

función del medio y la propiedad termométricas utilizada. Estos tres grupos son: termómetros, sistemas termales y elementos termo eléctricos.

- Termómetros

Termómetro de líquido en vidrio: Alcohol y Mercurio Termómetros bimetálicos

- Sistemas termales Clase I Líquidos Orgánicos Clase II Vapor Orgánico Clase III Gas Clase IV Mercurio

- Termo eléctricos Termistores Termopares Bulbo de Resistencia Eléctrica Pirometría

Cada proceso en la industria debe ser controlado de alguna manera, y esta necesidad con frecuencia incluye la medición de temperaturas. Se dispone de una gran variedad de sensores de temperatura para llevar a cabo esta tarea. El ingeniero de procesos y el instrumentista deben decidir cuál de los sensores es mejor para una situación en particular.



Tabla 2.3 Diversos dispositivos de medición de temperatura.

Dispositivos De Medicion De Temperatura

Eléctricos Mecánicos Radiación térmica

Varios

Termocuplas Indicadores de color- Lápices - Pinturas

Sondas neumáticas Termoresistencias Sensores

ultrasónicos Termistores

Sistemas de dilatación

Indicadores pirométricos

Resistores de Carbono

Termómetros acústicos

Diodos Cristales líquidos Detectores de ruido Jonson

Termómetros de vidrio

con líquidos Sensores fluídicos

Transistores Indicadores de Cristales de cuarzo

Sales Paramagnéticas

Termómetros bimetálicos

- Pirómetros de radiación

- Total ( banda ancha ) - Óptico

- Pasabanda - Relación

luminiscencia (Termografía )

2.1.2 TERMÓMETROS.

Los termómetros aprovechan las propiedades de los materiales sólidos o líquidos, los

cuales al calentarse o enfriarse cambian su volúmen.

Los termómetros pueden estar llenos de alcohol, mercurio o bien espirales de dos metales conocidos genéricamente con el nombre de bimetales.

Termómetros de líquido en vidrio.

Es probablemente uno de los instrumentos mas simples para le medición de temperaturas. El principio de operación es con base a la expansión volumétrica, en donde el líquido se eleva en el tubo capilar proporcionalmente a la temperatura aplicada. Uno de los más representativos es el termómetro de alcohol:

A fines del siglo XVII en Europa, En las fábricas de vidrio se exigía a los operarios de

esta rama una gran habilidad en la fabricación de los termómetros; entre los obreros más destacados, la historia moderna de los termómetros reserva el primer lugar a G. B. Fahrenheit de Danzing, quien construyó el primer termómetro utilizando alcohol, eligiendo como 0º de temperatura una mezcla frigorífica, la cual consistía en dos partes de sal de cocina y tres partes de hielo, (mezcla que produce una temperatura de -18ºC) y la temperatura del cuerpo humano, dividiendo dicho espacio termométrico en 96 grados. Al buscar Fahrenheit la temperatura del hielo al fundirse, con su termómetro encontró que correspondía a 32º.



Es de hacer notar que en aquel tiempo también se consideraba la formación de hielo

constante así como la ebullición del agua. Fahrenheit dividió su termómetro en forma uniforme y al determinar la temperatura de ebullición del agua encontró que correspondía 212º, desde 1724 conservó Fahrenheit la escala termométrica que indica 32º el punto de fusión del hielo y 212º el punto de ebullición del agua, ambos a la presión normal, pues observó que dichos puntos variaban con la presión, conservándose constante a la presión de 76 cm de mercurio.

Los termómetros de alcohol se utilizan para medir temperaturas bajas, el alcohol es

coloreado con una sustancia azul o una sustancia roja con objeto que sea distinguible la columna frente ala escala que determina la temperatura.

También es importante mencionar las características del termómetro de mercurio que

vino a sustituir al de alcohol:

Después de que Fahrenheit construyó su primer termómetro utilizando alcohol, al poco tiempo lo sustituyó por mercurio. En 1742, por razones de conveniencia , el astrónomo Celsius dividió el espacio termométrico entre el punto de congelación y el punto de ebullición del agua en 100º, asignando con 0º el punto correspondiente a la fusión del hielo y con 100º el punto de ebullición del agua, estos datos considerados a presión atmosférica normal de 76 cm de Hg.

Tanto la escala en ºF como en ºC, llamados Celsius por Linneo, se usan actualmente

; en los países de habla inglesa se usan generalmente los termómetros graduados en escala Fahrenheit y en el resto del mundo, así como en el mundo científico, los termómetros empleados están graduados en escala centígrada.

A presión atmosférica de 76 cm de Hg., el alcohol tiene -114ºC como punto de

solidificación y 78ºC como punto de ebullición; mientras que para el mercurio a esa misma presión se tiene -39ºc en el punto de solidificación del mercurio y 357ºC para el punto de ebullición. Sin embargo, por medio de altas presiones, se ha logrado elevar el punto de ebullición de mercurio hasta aproximadamente 550ºC, con lo anterior podemos establecer que el termómetro de alcohol es más eficaz cuando se usan temperaturas muy bajas, sobre todo bajo cero y que el termómetro de mercurio es más útil para leer temperaturas altas.

Los termómetros de mercurio se fabrican de tres tipos:

De inmersión parcial.

Estos termómetros tienen un marca en la parte inferior la cual indica hasta donde

deben ser sumergidos en el medio que se va a medir.

De inmersión total.

Tanto el bulbo como la parte capilar del líquido contenido, son introducidos a la temperatura del medio que va a medirse, o sea, la columna de mercurio llegará al nivel de dicho medio.



De inmersión completa.

El termómetro se sumerge totalmente en el fluido que se va a medir. Estos son más convenientes para medir temperaturas de gases (aire por ejemplo), pero también pueden utilizarse para medir líquidos cuando estos son transparentes.

Termómetros de líquido en metal.

Pueden contener en el núcleo mercurio o líquidos orgánicos, este tipo de

termómetros funcionan con base a un principio de presión por lo tanto la presión varia en función de la temperatura.

Tabla 2.4 Márgenes de trabajo de fluidos empleados.

Márgenes de trabajo de fluidos empleados

Mercurio -35 hasta +280ªC

Mercurio (tubo capilar lleno de gas) -35 hasta +450ªC

Pentano -200 hasta +20ªC Alcohol -110 hasta +50ªC Tolueno -70 hasta +100ªC

El principio de operación es relativamente simple ya que los metales tienen

diferentes coeficientes de expansión y al aplicar calor se expanden con velocidades y magnitudes diferentes.

Un termómetro bimetalito típico contiene pocas partes móviles, solo la aguja

indicadora sujeta al extremo libre del espiral o la hélice y el propio elemento bimetálico. El eje y el elemento están sostenidos con cojines y el conjunto esta constituido con

precisión para evitar rozamientos. No hay engranajes que exijan un mantenimiento. La precisión del instrumento es mas o menos 1% y su campo de medida es de -200 hasta 500ªC

Termómetros bimetálicos.

Los termómetros bimetálicos se construyen de dos tiras delgadas de metales

diferentes, unidas a todo lo largo. En termómetros industriales a estas tiras se les da la forma de bobina helicoidal.

El principio de operación es relativamente simple, debido a que los materiales tienen

diferentes coeficientes de expansión, al aplicarles calor se expanden en magnitudes y velocidades diferentes, la bobina helicoidal está construida de tal manera que al aumentar la temperatura tienda a desenrollarse, este movimiento hace que el eje en el cual está montada dicha bobina, gire arrastrando un puntero que se desplaza frente a una escala graduada en unidades de temperatura. El eje y el elemento están sostenidos con cojines y el conjunto esta constituido con precisión para evitar rozamientos. No hay engranajes que exijan un mantenimiento.



Estos termómetros se utilizan entre los límites de -40 ºC a 550 ºC, trabajan con una precisión de + 1%, siempre y cuando no se utilicen en servicio continuo por encima de 430 ºC. Debido a su solidez, estos termómetros son muy apreciados en la industria, en vez de utilizar los termómetros de vidrio que son más frágiles.

Bulbo de resistencia eléctrica.

La medida de temperatura usando sondas de resistencia depende de las

características de resistencia en función de la temperatura que son características del elemento de detección. El elemento consiste usualmente en un enrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio a cerámica.

El material del hilo puede ser: níquel, cobre o platino y algunas características que debe poseer son: a) Alto coeficiente de temperatura b) Alta resistividad c) Relación lineal resistencia temperatura d) Rigidez e) Ductilidad f) Rápida respuesta

Gráfica 2.1 Curvas de resistencia relativa de varios metales en función de la temperatura



Tabla 2.5 Características de sondas de resistencia.

Figura 2.2 Tipos de circuitos de puentes de Wheatstone. a sondas de resistencia. La variación de resistencia de las sondas es medida con un puente de Wheatstone

dispuestos en montajes denominados de 2, 3 y 4 hilos como se muestra en la figura 2.2.

Siendo el mejor el de 4 hilos ya que se obtiene una mayor precisión en la medida. Tiene esta forma para compensar las resistencias desiguales.

Metal Resistividad μΩ/cm

Coef. Temp. Ω/ Ω°C

Intervalo útil de Temp.

Costo relativo

Precisión °C

Platino 9.83 0.00385 -200 a 950 Alto 0.01

Níquel 6.38 0.0036 -150 a 300 Medio 0.50

Cobre 1.56 0.00425 -200 a 120 Bajo 0.10



A continuación se muestran unas tablas de propiedades termométricas y fenómenos

termodinámicos

Tabla 2.6 Propiedades Termométricas.

Termómetro Propiedad termométrica Columna de mercurio, alcohol,

etc., en un capilar de vidrio Longitud

Gas a volumen constante Presión Gas a presión constante Volumen

Termómetro de resistencia Resistencia eléctrica de un metal Termistor Resistencia eléctrica de un

semiconductor Par termoeléctrico F.e.m. Termoeléctrica – Efecto

Seebeck Pirómetro de radiación total Ley de Stefan - Boltzmann

Pirómetro de radiación visible Ley de Wien

Espectrógrafo térmico Efecto Doppler Termómetro magnético Susceptibilidad magnética

Cristal de cuarzo Frecuencia de vibración

Tabla 2.7 Fenómenos termodinámicos e instrumentos usuales en su medición.

Temperatura en ºC Fenómeno termodinámico Instrumentos usuales -270,15 a -268,15 Vapor de helio Termómetro a gas

-259,35 Punto triple de helio Termómetro a gas -248,59 Punto triple del neón Termómetro a gas -218,79 Punto triple del oxígeno Termómetro a gas

0,01 Punto triple del agua Termómetro de resistencia

29,76 Punto de licuefacción del galio Termómetro de resistencia

419,53 Punto de solidificación del zinc Termómetro de resistencia

961,78 Punto de solidificación de la plata

Termómetro de radiación



2.1.3 SISTEMAS TERMALES.

Los sistemas termales son también conocidos como sistemas volumétricos llenos. El sistema básico, incluye un sensor de temperatura, un elemento de desplazamiento del tipo Bourdon, a diafragma o a fuelle, un tramo de tubo capilar y un fluído. El sensor se encuentra ubicado en el lugar donde se debe medir la temperatura, mientras el tubo conecta el sensor al elemento de desplazamiento. El sistema está totalmente sellado para mantenerlo a volúmen constante, y está lleno de un fluído que puede ser líquido o gaseoso.

Hay dos tipos de sistemas llenos. En uno de ellos el sistema sensor de temperatura

contiene un fluído incompresible bajo presión que llena completamente el sistema. Las variaciones de temperatura producen en el sensor una variación del volúmen de fluído, lo que se traduce en la deformación y movimiento del extremo libre del elemento de desplazamiento.

El otro tipo de sistema es el sistema lleno por variación de presión, del cual hay dos

versiones. En una de las versiones, todo el sistema está lleno con un gas bajo presión; en la otra, el sensor se encuentra parcialmente lleno con un fluido volátil bajo presión, mientras el resto del sistema contiene vapor de este fluído volátil.

En el primer tipo de sistema las variaciones de volumen están acompañadas por

variaciones secundarias de presión: en los sistemas de gas o vapor las variaciones de presión están acompañadas por variaciones secundarias de volúmen. Sin embargo estos efectos secundarios son insignificantes.

El sistema termal funciona de la siguiente manera: al sufrir el bulbo un cambio de

temperatura, la presión del fluído de que está lleno cambia, como se mantiene constante el volúmen, dicha presión se transmite a través del tubo capilar, provocando que el elemento motriz (Bourdon), se desenrolle o enrolle obteniendo así un movimiento rotatorio en el eje del elemento motriz, movimiento que es amplificado para operar un mecanismo a base de palancas que posiciona un puntero o una plumilla de antemano calibrada en grados de temperatura.

Figura 2.3 Termómetro a sistema lleno de líquido



Termómetro a sistema lleno de líquido

Es utilizado para medir temperaturas entre -40ºC a 50ºC. Sin embargo, el efecto de los cambios de temperatura ambiente es también detectado por el tubo capilar y por el Bourdon introduciendo un error en la lectura. Para evitar este error, se hace una compensación por cambios en la temperatura ambiente, que puede ser compensación parcial o compensación total.

Tabla 2.8 Elementos principales que constituyen un termómetro a sistema lleno de líquido, de la figura 2.3

a) Con capilar sin protección. b) Con cuello y protección. 1. Largo del capilar 1. Cuello. 2. Sujeción de la protección. 2. Protección. 3. Vaina de inmersión. 3. Vaina de inmersión. 4. Bulbo sensor. 4. Bulbo sensor. 5. Largo del bulbo. 5. Largo del bulbo. 6. Profundidad mínima de inmersión. 6. Profundidad mínima de inmersión. 7. Longitud de montaje 7. Longitud de montaje

Los efectos de las variaciones de temperatura ambiente sobre la medición de

temperatura dependen de varios factores, incluyendo el tipo de sistema, su alcance de temperatura, el largo del tubo capilar y su material de construcción, el fluido de llenado y su presión, el material utilizado para el elemento de desplazamiento, el tamaño del sensor y los requerimientos de protección de sobrerango. En los sistemas de líquido y gas, tanto el elemento de desplazamiento como el capilar pueden compensarse para estos efectos (plena compensación), o tan sólo se puede compensar el elemento de desplazamiento (compensación parcial). Puesto que los sistemas de vapor no se ven afectados por las variaciones de temperatura ambiente, no necesitan compensación.

Los materiales de que están construidos esos sistemas termales pueden ser cobre,

acero inoxidable, latón u otro material metálico lo suficientemente resistente para soportar las presiones del proceso. Los tubos capilares pueden ser desnudos o protegidos contra golpes o corrosión del medio ambiente con una funda forrada de propileno o cualquier otro material resistente a la corrosión. Los bulbos también pueden ser desnudos o protegidos ya sea con un tubo protector, o con un termo-pozo, los cuales pueden ser fabricados con materiales resistentes a la corrosión y a la presión del proceso.

Los fluídos que se manejan para llenar los sistemas termales son: líquido orgánico,

vapor orgánico y gas mercurio. Los sistemas termales están clasificados en cuatro grupos por la SAMA (Scientific Apparatus Makers Association), esta misma clasificación fue adoptada por la ISA (Instrument Society of America). De acuerdo con el fluído de llenado, la SAMA ha clasificado los sistemas termales en: Clase I, Clase II, Clase III, y Clase IV, respectivamente.

Los sistemas termales Clase I y IV son del tipo de expansión de líquidos, y los

sistemas de Clase II y III son de cambio de presión de gas o vapor.



Tabla 2.9 Clasificación de los sistemas termales.

Clasificación Prefijo Sufijo Descripción

I Sistemas llenos de líquido por variación de volumen (no incluye mercurio)

I A Con plena compensación I B Con compensación parcial II Sistemas llenos de vapor por variación de presión II A Diseñados para funcionar a temperaturas por encima de la ambiente

II B Diseñados para funcionar. a temperaturas por debajo de la ambiente

II C Diseñados para funcionar a temperaturas por encima y por debajo cruzando de la ambiente

II D Diseñados para funcionar a temperaturas por encima, por debajo y a la temperatura ambiente .

III Sistemas llenos de gas por variación de presión III A Con plena compensación III B Con compensación parcial V Sistemas llenos de mercurio por, variación de volumen V A Con plena compensación V B Con compensación parcial

Se requiere una protección de sobrerango en aquellos casos donde el sistema lleno

pueda encontrarse sometido a temperaturas más allá del máximo o mínimo de su alcance. Esta protección se efectúa usando sólo una porción del movimiento total disponible del elemento de desplazamiento. El resto de desplazamiento disponible antes de la deformación representa la protección de sobrerango. Además, se agregan topes mecánicos para proteger contra eventuales daños el sistema y la pluma o aguja del indicador / registrador .

Los sistemas Clase I y V normalmente tienen más del 100% del alcance como

protección. Cuando el volúmen del capilar se aproxima al volúmen del sensor, la protección se reduce. Los sistemas Clase III tienen la mayor capacidad de protección de sobrerango. mientras los de Clase II la menor.

Clase I. Líquido orgánico.

Los sistemas llenos de líquido usan hidrocarburos como alcohol etílico, benceno,

metanol, éter etílico, Tolueno, etc., a continuación presentamos los rangos de temperatura de algunos de ellos:



Tabla 2.10 Rangos de temperatura de algunos líquidos orgánicos.

Fluido Rango de temperatura

Naftaleno (-15 a 260°C ) Etilbenceno (- 85 a 175°C)

Tolueno (100 a + 315°C) Kerosén (-50 a 315°C)

Alcohol etílico (- 130 a - 50°C)

La ecuación(2.1) que rige a estos sistemas termales es la expansión de los líquidos:

(2.1) V1 = V0 (1+ at)

en donde: V1 = volumen final V0= volumen inicial a = coeficiente de expansión del líquido t = temperatura

El rango de aplicación de esos sistemas termales es de -80ºC a 20ºC. Como se explicó anteriormente, la temperatura del ambiente afecta la lectura de esos sistemas termales, por lo tanto es necesario hacer una compensación. Las compensaciones que existen son de dos tipos:

Compensación completa (Clase IA).

Consiste en agregar otra espiral igual y un capilar igual al sistema termal, este capilar

debe estar lleno y cerrado conectarse al bulbo, los dos capilares, el de medición y el de compensación van juntos y las espirales de bourdon están mecánicamente conectadas para que los cambios de temperatura se anulen mutuamente. Se utiliza compensación completa cuando no hay condiciones de temperatura ambiente estables, también cuando el rango es estrecho o cuando el bulbo es pequeño, o cuando el capilar es muy largo.

El largo máximo del tubo capilar para sistemas Clase IA totalmente compensados

depende de las variaciones de temperatura ambiente del capilar y el instrumento, como largo máximo normalmente se puede señalar 30 m. A medida que aumenta el largo del capilar, su instalación se vuelve mas difícil, su respuesta se hace más lenta y su capacidad de protección de sobrerrango disminuye.

Compensación de caja (Clase IB).

Esta compensación se utiliza cuando la caja del instrumento y el capilar están a la

misma temperatura y cercana a la temperatura ambiente, además de que la longitud del capilar no sea muy larga. La compensación de la caja consiste en colocar un espiral bimetálico para contrarrestar los cambios de la temperatura ambiente, teniendo los dos capilares el mismo volumen, de modo que las variaciones de temperatura los afectan a los dos por igual; este bimetal se fija al Bourdon de medición y se atornilla a un soporte, cuando la temperatura de la caja del instrumento cambia, el Bordon y el bimetal se mueven en direcciones opuestas anulando el efecto de ese cambio de temperatura.



Figura 2.4 Termómetro a sistema lleno con distintos compensaciones de temperatura ambiente.

Tabla 2.11 Elementos principales que constituyen un termómetro a sistema

lleno con distintos compensaciones de temperatura ambiente, de la figura 2.4

a) Construcción simple sin compensación

b) Con sistema de compensación parcial

c). Con sistema de compensación total

1.- Sistema de desplazamiento

1,1.- Sistema do desplazamiento

2.- Capilar 1,2.- Sistema de desplazamiento para compensación 2,1.- Capilar 3.- Bulbo sensor 2,2.- Capilar para compensación 3.- Bulbo sensor 4.- Indicador

Únicamente sobre el sistema de desplazamiento

4.- Indicador

El sistema utiliza un elemento de compensación bimetálico y omite el segundo capilar. El largo máximo de capilar que resulta práctico para sistemas Clase IB parcialmente compensados es de 6 m. Con mayores largos, hay una gran probabilidad de que puedan producirse diferencias de temperatura entre el instrumento y el tubo capilar, y llevar a un incremento de error en la medición, puesto que la compensación que brinda es sólo para variaciones en la temperatura del elemento de desplazamiento. Los sistemas Clase I tienen un tamaño típico de sensor de 6 a 10 mm de diámetro por 50 a 80 mm de largo para todas las longitudes de capilar, en base a un alcance de temperatura de 100°C . Este es el menor tamaño de cualquier sensor para alcances de temperatura similares .Para alcances de más de 100°C el sensor tendría que tener un diámetro menor.

Ventajas.

Escalas lineales. Bulbos sensores de pequeño tamaño. Por las características de expansión de los fluídos utilizados, encuentran

aplicación para pequeños alcances y bajas temperaturas.



Clase II. Vapor orgánico.

Los sistemas de vapor están parcialmente llenos con un líquido volátil puro, de modo

que haya una interfase entre el líquido y el vapor dentro del bulbo. Los fluidos disponibles para uso y los rangos de temperatura sobre los cuales son aplicables, son los siguientes:

Tabla 2.12 Rangos de temperatura de líquidos volátiles utilizados en sistemas térmicos de

vapor Clase ll.

Fluido Temperatura Agua 100 a 230°C

Tolueno 115 a 315°C Acetona 65 a 200°C

Éter metílico -4ºC a 110ºC Éter etílico 60ºC a 190ºC

Éter dietílico 40 a 185°C Butano -5 a l50°C

Cloruro de etilo 37ºC a 175ºC Cloruro metílico - 10 a 120°C

Propano -40 a 70°C Alcohol etílico 80 a 230°C

Dimetilbenceno 130 a 380°C Etano -70ºC a 26ºC

Propano -17ºC a 93ºC

Presentamos los cambios de presión que presentan algunos de los líquidos antes mencionados:

Tabla 2.13 Cambios de presión de algunos líquidos volátiles utilizados en sistemas

térmicos de vapor Clase ll.

Líquido Cambio de P Etano 1.4 a 42 Kg/cm2

Propano 1.4 a 42 Kg/cm2 Éter metílico 1.4 a 42 Kg/cm2

Cloruro de etilo 1.4 a 42 Kg/cm2 Éter etílico 1.4 a 42 Kg/cm2

Alcohol etílico 1.4 a 42 Kg/cm2

La presión que existe en el sistema es convertida a una indicación de temperatura de la curva de la relación vapor-presión expresada con la ecuación (2.2)::

(2.2)

log p = ( a - b ) / (T + c ) en donde:

p = presión de vapor a, b, c = constantes del fluido. T = temperatura absoluta del vapor del fluido



Como se puede observar, la respuesta de este instrumento es de forma logarítmica.

El rango de aplicación de los sistemas Clase II es de -40ºC a 315ºC. Estos sistemas termales no requieren de compensación por cambios en la temperatura ambiente, ya que la temperatura es función de la presión de vapor, la cual es generada en el bulbo.

Cualquier cambio de presión en el tubo capilar o en el Bourdon , provoca un

desplazamiento del vapor hacia el bulbo, igualando esa presión con la presión ya existente en la interfase. La longitud máxima del capilar de los sistemas Clase II es de aproximadamente 45 m a causa de las respuestas más lentas con capilares más largos, a las dificultades de instalación y a las limitaciones de tamaño del sensor.

Los sistemas de vapor Clase II son los únicos sistemas llenos en los cuales el

desplazamiento de salida es alineal con las variaciones de temperatura. Esto resulta en una escala que tiene graduaciones más comprimidas en el comienzo y más abiertas en el final. En el tercio superior del alcance, la escala. alineal ofrece una mejor resolución. Por lo general una tolerancia en estos sistemas de ± 0,5% a ± 0.75% es aplicable sólo sobre los dos tercios superiores de la escala de temperatura.

Tabla 2.14 11 Elementos principales que constituyen un termómetro a sistema lleno de vapor, de la figura 2.5

. Construcción normal Construcción con membrana

Figura 2.5 Termómetro a sistema lleno de vapor

F Sistema de desplazamiento K Capilar V Membrana T Bulbo sensor Fl Fluido D Vapor Z Indicador



Ventajas.

Escalas alineales que brindan ventajas en la resolución. Constantes de tiempo de respuesta (t90) muy chicas, lo que permite una

indicación veloz. Muy difundidos por su bajo costo.

Los sistemas de Clase II se dividen a su vez en:

- SAMA IIA.

Diseñados para operar con la temperatura del proceso por arriba de la del resto del sistema termal, el capilar no debe ser mayor de 60 metros de longitud.

El incremento de la longitud del capilar requerirá un mayor sensor: éste debe ser lo

suficientemente grande para que el líquido que contiene no se vaporice completamente o lo llene completamente bajo todas las condiciones de temperatura.

- SAMA IIB.

Construidos para operar con la temperatura del proceso por debajo de la del resto del sistema termal. El tamaño del sensor es constante para cualquier longitud de capilar.

- SAMA IIC.

Para operación con la temperatura del bulbo por arriba o por abajo de la temperatura del sistema termal. Para completar las especificaciones del SAMA IIC, el bulbo debe ser capaz de contener todo el líquido cuando está abajo de la temperatura ambiente, y todo el vapor cuando está por encima de la temperatura ambiente. El incremento de la longitud del capilar requerirá un mayor sensor: éste debe ser lo suficientemente grande para que el líquido que contiene no se vaporice completamente o lo llene completamente bajo todas las condiciones de temperatura.

- SAMA IID.

Para medición de temperatura arriba, abajo y el ambiente. El bulbo se llena parcialmente con el líquido volátil en equilibrio con su vapor, el tubo capilar y el Bourdon son llenados con un líquido no volátil el cual no se evapora porque su presión de vapor es mayor.

El sistema termal es de más rápida respuesta, porque un pequeño cambio en la

temperatura ocasiona un cambio rápido en la presión de vapor, la cual se transmite inmediatamente. El líquido no volátil empleado con más frecuencia es una mezcla de glicerina y agua. Los sistemas SAMA IIA, IIC y IID, introducen error por la diferencia de



alturas entre el bulbo y el instrumento, ya que la espiral se encuentra llena de líquido. cuando el instrumento se encuentra arriba del bulbo, el instrumento no indica la temperatura correcta, sino una más baja. En caso contrario, cuando el instrumento se encuentra abajo del bulbo, entonces indica un valor debido a la presión que actúa sobre la espiral es igual a la presión en el bulbo más la presión del desnivel. Este efecto de elevación debe ser compensado al montar el instrumento para evitar errores en la lectura.

Clase III. Gas.

Ventajas.

Escalas lineales. Pueden fabricarse en una gran variedad de debido por la amplia franja de

temperaturas de utilización de los gases empleados. Clase V. .Mercurio.

Los sistemas llenos de mercurio también operan por el principio de expansión

volumétrica, como en el caso de los sistemas de Clase I. Su aplicación es de -40ºC a 550ºC, cuando son compensados, aunque algunas veces pueden utilizarse hasta 650ºC. Cuando no son compensados se utilizan hasta un máximo de 315ºC. El mercurio requiere un sistema térmico excelente de acero estañado y en donde las condiciones del proceso no permiten el uso de este material, debe elegirse otra clase.

El sistema de Clase VA (compensación total) contiene un alambre Invar dentro del

tubo capilar inmerso en el mercurio que llena el sistema termal, esta compensación se logra porque el coeficiente de expansión lineal del alambre de Invar es menor que el coeficiente de expansión del tubo capilar. Cuando la temperatura ambiente aumenta, aumenta el volúmen de mercurio, también se expande el tubo capilar y el Invar, pero la diferencia de expansión entre el Invar y el tubo capilar absorbe el volúmen expandido del mercurio.

Para el sistema Clase VB (compensación parcial), se utiliza un bimetal que va

acoplado al Bourdon similar al utilizado en el sistema termal Clase I. Este sistema termal tiene una protección por sobre rango del 100% del rango total. En algunos es prohibido su uso por ser tóxico y afectar el sistema nervioso del ser humano, no se utiliza en sistemas de control de alimentos o bioquímicos. En la figura se observa la distribución del alambre de Invar dentro del tubo capilar.



Este tipo de sistemas son a veces indeseables, debido a que en caso de rotura del sistema térmico el mercurio puede contaminar o dañar el proceso objeto de medición.

Para compensar los cambios de la temperatura ambiente se usan 2 métodos:

a) Caja de compensación. b) Compensación completa.

a) Caja de compensación: es aquella que

contrarresta los efectos del cambio de temperatura solamente en la caja del instrumento. La espiral de medición se fija a una tira bimetálica , la cual después de una vuelta se pega a un soporte de la caja. Cuando la temperatura dentro de la caja se eleva, la espiral medidora se dilata en proporción al cambio y tiende a mover la pluma hacia arriba; simultáneamente, sin embargo, la tira bimetálica mueve la espiral en dirección opuesta, resultando nulo el movimiento transferido a la pluma.

Figura 2.7 Caja de compensación. b) El sistema de compensación completa

es aquel que utiliza dos tubos capilares y dos espirales, por lo tanto, dos sistemas térmicos llenos con el mismo fluido sensible a la misma temperatura y de las mismas dimensiones. Sin embargo, sólo un tubo capilar esta conectado con el bulbo de medición, el otro es un tubo compensador y esta taponado en el extremo que correspondería al bulbo.

El efecto consiguiente es que ambas tuberías reaccionan a la temperatura ambiente, pero sólo una responde al efecto adicional del bulbo, Las dos espirales están montadas de modo que su movimiento es de sentido contrario. Figura 2.8 Compensación completa

El efecto resultante es que la aguja es desplazada solamente por el movimiento

debido al cambio de temperatura en el bulbo, ya que los debidos a las variaciones de temperatura se contrarrestan. Así se obtiene una completa compensación de las influencias de la temperatura ambiente en la espiral de medición y en el tubo capilar.



Ventajas.

Escalas lineales. Muy buena estabilidad con el tiempo. Buena resultante motriz para accionar no sólo la aguja indicadora sino

también contactos para alarmas o control.

Figura 2.9 Algunos modelos de termómetros industriales y elementos.

Selección de un sistema lleno.

El sistema de vapor Clase II es el más simple, el menos costoso y el más difundido de todos los sistemas llenos disponibles y, por lo tanto, será el primero que se considera al seleccionar sistemas llenos para una aplicación en particular. Este sistema también tiene la mejor exactitud sobre temperaturas ambiente variables, y su escala alineal ofrece una mejor resolución en el tercio superior del alcance de temperatura.

Si un sistema Clase-II no resulta satisfactorio para una aplicación en particular, la

aplicación siguiente elección sería un sistema clase IB o IA. Estos tienen los sensores más pequeños y pueden tener los alcances de temperatura más angostos. Además, se les recomienda en especial para mediciones cercanas a la temperatura ambiente .



El sistema Clase IA, que está totalmente compensado para variaciones de temperatura ambiente, es tan exacto corno los sistemas Clase II, y ofrecen una mayor protección de sobrerrango que otros sistemas , sin embargo el costo de un sistema Clase IA es mucho más alto que el de un sistema Clase IIA .

El sistema Clase IB está limitado por su corto capilar (máximo 6m ) y la temperatura

ambiente debe ser la misma tanto para el elemento de desplazamiento como para el capilar .

Los sistemas Clase III tienen a su favor los amplios rangos de temperatura pero presentan la desventaja de tener sensores relativamente grandes.

El sistema Clase V es de poco uso hoy día a raíz de las restricciones ambientales

relacionadas con el mercurio y a la posibilidad de disponer de otros dispositivos de medición para las mismas aplicaciones.

Características de los sistemas térmicos llenos: En la tabla 2.14 se comparan las

características de las cuatro clasificaciones correspondientes a sistemas llenos. Cada una de ellas será luego analizada por separado:

Tabla 2.14 Características de los sistemas térmicos llenos.

Clase SAMA I II III V

Fluido Líquido Vapor Gas Mercurio Principio de

funcionamiento Variación de

volumen Variación de

presión Variación de

presión Variación de

presión Rango de temperaturas -30 a 315ºC -45 a 315ºC -195 a 315ºC -35 a 650ºC

Exactitud, % del alcance

±0,5% 215ºC ±0,75 215ºC

±0,5 en los 2/3 del alcance superiores

±0,5% 330ºC ±0,75% 330ºC

±0,5 500ºC±0,75 500ºC

Alcances de temperatura más cortos

y más largos

25ºC 330ºC

40ºC 215ºC

65ºC 550ºC

30ºC 665ºC

Respuesta: 1= la más rápida 7= la más lenta

7 IIA=1 IIB=3 IIC=4 IID=5

2 6

Capacidad de sobrerrango

Media La menor La mayor Media

Linealidad de escala máxima

Lineal Alineal Lineal Lineal

Longitud de capilar estándar, en m

IA =30 IB =6

45 30 VA:30 VB:15

Tamaño típico de sensor para un alcance

de 110ºC, D. E. x longitud, (mm)

El menor 10 x 50

Entre Clase I y Clase V 10 x 50

El mayor 15 x 200

Entre Clase II y Clase III 10 x 100

Costo El mayor El menor Medio Entre Clase I y Clase III

Compensación total Invar No req. No req. invar. Compensación parcial Bimetal No req. Bimetal Bimetal



2.1.4 TERMOELÉCTRICOS.

El grupo de elementos de temperatura termoeléctricos son aquellos transductores

que convierten la temperatura en energía eléctrica, y posteriormente pueden convertirla (con un circuito) en movimiento.

Este grupo, que aprovecha las propiedades eléctricas de los conductores y semiconductores, está conformado por los siguientes instrumentos: termistores, termopares resistencias eléctricas, medidores de radiación y medidores ópticos. Termistores.

Los termistores o termoresistencias son resistencias térmicamente sensibles. Los

termistores son semiconductores que cambian su resistencia con los cambios de temperatura, en contraste con los metales puros, los semiconductores muestran una disminución en la resistencia con aumento de temperatura. Esta propiedad ocurre a causa del incremento del suministro de electrones por ruptura de uniones covalentes, el incremento en el suministro con aumento de temperatura es muy grande en los semiconductores, esto da un coeficiente negativo mucho mayor que el coeficiente positivo de los metales puros, esto es, los termistores tienen una mayor sensibilidad a pequeños cambios de temperatura.

Los termistores también tienen una muy alta resistencia a temperatura ambiente, lo

cual permite el uso de únicamente dos alambres en muchas aplicaciones, el tamaño y forma de los termistores puede variar para proveer una mayor respuesta con poco cambio de temperatura. Los termistores generalmente son difíciles de reproducir exactamente o duplicarlos cuando es necesario un reemplazo. Desde el punto de vista industrial, son útiles para la detección automática, la medición y el control de la energía física. La relación de resistencia contra temperatura en los termistores, no es lineal, pero existe una ecuación (2.3) aproximada que se aplica a la mayoría de los termistores:

(2.3)

R = R0B(1/T-1/To)

en donde: Rt = resistencia del termistor a cualquier temperatura T en grados Kelvin R0 = resistencia referida a la temperatura To en grados Kelvin B = constante sobre rangos moderados de temperatura que depende de la composición y fabricación del termistor.

El coeficiente de temperatura alfa, usualmente es expresado como un por ciento de

cambio de resistencia por cambio de grado de temperatura y su relación aproximada es la que se muestra en la ecuación (2.4):

(2.4) alfa = (dR/dT) (T/R) = -(B/To2) B = E/K

en donde:

E = nivel de energía del electrón-volt K = constante de Boltzman (8.625*10e-5 Kcal/m2 h °K)



A continuación, la gráfica 2.3 nos muestra las curvas características de tres tipos de termistores en comparación con el termómetro de resistencia de platino:

H

Gráfica 2.3 Curvas características de tres tipos de termistores en comparación con el termómetro de resistencia de platino.

El contacto eléctrico se puede hacer por medio de alambres incrustados en el material durante la operación de prensado, por electrodeposición o mediante recubrimientos de metal y cerámica.

Construcción de termistores.

Los termistores son fabricados con ciertos óxidos metálicos y sus mezclas; los principales óxidos que se utilizan son los óxidos de cobalto, de cobre, de hierro, de magnesio, de manganeso, de níquel, de titanio y de zinc.

Usualmente se comprime dentro de un recipiente de la forma deseada mezclando el

polvo, así es como se embuten los alambres que servirán de unión eléctrica, los óxidos son re-cristalizados por un tratamiento calorífico, resultando un cuerpo cerámico denso; algunas veces el termistor es introducido en una cápsula metálica o de vidrio para ser protegido.

Las formas más usuales son pequeñas laminillas, obleas, perlas, o pequeños

cilindros similares a una resistencia eléctrica. El contacto eléctrico se puede hacer por medio de alambres incrustados en el material durante la operación de prensado, por electrodeposición o mediante recubrimientos de metal y cerámica.



Ejemplos de Termistores:

Su tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor

variando de 0.5 a 10 segundos. El tiempo de respuesta es inversamente proporcional al factor de disipación del termistor.

Debemos señalar que para obtener una buena estabilidad en los termistores es

necesario envejecerlos adecuadamente, tal como se indica en la gráfica 2.4 que se presenta a continuación:

Gráfica 2.4 Curvas de estabilidad de termorresistencias. Por cortesía de General Electric Co.



Los termistores se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros circuitos de medida de resistencia. La distancia entre el termistor y el instrumento de medida puede ser considerable siempre que el elemento posea una alta resistencia comparada con la de los cables de unión.

La corriente que circula por el termistor a través del circuito de medida debe ser baja

para garantizar que la variación de resistencia del elemento sea debida exclusivamente a los cambios de temperatura del proceso, debido a que si es alta puede originar el calentamiento de la unidad detectora

El límite superior de temperatura de operación depende de los cambios físicos en el

material o la soldadura utilizada para hacer las conexiones eléctricas y casi siempre es de 400ºC o menos. El límite inferior de temperatura de operación casi siempre está determinado por la resistencia que llega a un valor tan grande, que no se puede medir por métodos estándar.

Aplicación de termistores.

La aplicación de termistores como elementos primarios de medición de temperatura, siguen el principio usual de resistencia termométrica, pero debe considerarse como una relación negativa, resistencia-temperatura altamente no lineal anotada previamente.

El uso de termistores como elemento sensible de temperatura en la industria se ha

incrementado en años recientes, aunque muchas aplicaciones de termistores son restringidas a nivel laboratorio, así como a nivel termometría intravenosa de la sangre y mediciones de temperatura meteorológica, la aplicación más común en la industria es formando parte de un circuito de compensación para otros instrumentos de temperatura electrónicos.

La aplicación del termistor puede clasificarse en tres grupos:

-El primer grupo aprovecha la dependencia de la resistencia del termistor de la

temperatura. Esta aplicación es la medición y percepción de temperatura, en este grupo también se incluye el control basado en las variaciones de la resistencia que corresponden a las de temperatura.

Como un ejemplo de un control de temperatura por medio de un termistor,

supongamos un circuito de un termistor en serie con la bobina de un relevador y una fuente de corriente, si la temperatura ambiente en que esta inmerso el termistor es alta, su resistencia será baja, y habrá suficiente corriente para energizar al relevador, si la temperatura del termistor se reduce por debajo de un punto crítico, su resistencia se hace lo bastante alta, como para disminuir la energía y des-energizar al relevador.

-Un segundo grupo de aplicación, se basa en el tipo de resistencia del termistor, la

resistencia negativa de un termistor conectado en un circuito eléctrico, se puede utilizar para compensar el aumento de resistencia del resto del circuito, cuando sube la temperatura ambiente, de este modo, se puede mantener constante la resistencia de todo el circuito, ante las variaciones de temperatura, este es el principio que se utiliza para hacer compensaciones por cambio de temperatura ambiente en los circuitos en los sistemas de termopares y bulbos de resistencia.



-Un tercer grupo de aplicación se basa en la propiedad del retraso de tiempo del

termistor, si un termistor se conecta en serie con una resistencia, la bobina de un relevador, un interruptor y una fuente, cuando se cierra el circuito, el relevador no se energizará hasta que pase un lapso de tiempo que es función de la constante de tiempo del termistor.

El termistor tiene algunas ventajas sobre otros dispositivos de temperatura, es

sumamente sensible y manifiesta un mayor cambio en la salida por grado de temperatura que por ejemplo un termopar o un bulbo de resistencia, por lo tanto se puede utilizar en lugares que normalmente no son accesibles para otros tipos de elementos primarios de temperatura. Termopares.

Los termopares se basan en el efecto descubierto por Seebeck en 1821que al estar

efectuando algunos experimentos notó que en el circuito cerrado hechos por alambres de metales diferentes, se permite que fluya una corriente eléctrica si la temperatura de una unión es elevada en función de la temperatura de la otra unión. La diferencia de potencial así obtenida, se llama fuerza electromotriz térmica (fem).

Esta corriente eléctrica es importante porque puede calentar el termopar y afectar la

precisión en la medida de la temperatura, por lo que durante la medición debe procurarse reducir al mínimo el valor de la misma.

La fuerza electromotriz que se genera depende de la diferencia de temperaturas entre

la unión caliente y la unión de referencia y también depende de la composición de los alambres, sin embargo, no hay leyes termoeléctricas que deben cumplirse para que el termopar funcione de acuerdo con lo antes dicho.

Figura 2.11 Diagrama de un sistema de termopar típico.Por cortesía de Honeywell, Inc.

La selección de los alambres para termopares se hace de forma que tengan una resistencia adecuada a la corrosión, a la oxidación, a la reducción y a la cristalización, que desarrollen una fem relativamente alta, que sean estables, de bajo costo y de baja resistencia eléctrica y que la relación entre la temperatura y la fem sea tal que el aumento de ésta sea (aproximadamente) paralelo al aumento de la temperatura.

En 1886, Le Chatelier introdujo un termopar que consiste en la unión de un alambre

de platino y el otro de una aleación de 90% de platino con 10% de rodio. Está combinación, conocida como tipo S, es aceptada como estándar para propósitos de calibración y comparación, este tipo de termopar fue fabricado y vendido por W.C. Hernaeus, y algunas



veces es llamado el termopar Heraeus. Tiempo más tarde debido a un error en la preparación, se aprendió que la composición del termopar compuesto por 87% de platino y 13% de rodio, conocido como tipo R, da un poco más de salida de fuerza electromotriz, este tipo es frecuentemente utilizado en la industria.

Leyes Termoelásticas de los Termopares.

La fuerza electromotriz desarrollada es un circuito termoeléctrico, esta influida por dos fenómenos, uno conocido como el “Efecto Peltier” y el otro como “Efecto Thompson”. En 1834, Peltier, hizo algunas investigaciones para demostrar científicamente el fenómeno descubierto por Seebeck. Como resultado emitió un enunciado que recibe su nombre.

Efecto Peltier.

Cuando una corriente eléctrica es pasada a través de dos metales diferentes, en un sentido opuesto el calor es liberado y la unión es calentada. Este efecto es reversible, es decir, si la unión se calienta o se enfría, se genera una fuerza electromotriz en uno u otro sentido. Según este enunciado, se supone que la salida de la fuerza electromotriz sería una función lineal de la temperatura, sin embargo, al fabricarse los termopares con diversas combinaciones de alambres, no se logró confirmar esta suposición, así que, en 1854, después de hacer algunas investigaciones Thompson emitió su propio concepto que es el siguiente.

Efecto Thompson.

En un metal homogéneo, se absorbe calor cuando una corriente eléctrica fluye en un sentido y se genera calor cuando fluye en sentido contrario. Este efecto es reversible, de modo que se genera una fuerza electromotriz en uno u otro sentido si hay un gradiente de temperatura en los extremos de un metal homogéneo.

Combinando los efectos de Peltier y de Thompson, se confirma el fenómeno

descubierto por Seebeck en 1821. Los alambres usados en los termopares comerciales, se seleccionan de tal manera que el efecto Thompson sea lo más pequeño posible, es decir, que el valor que la fuerza electromotriz genera debido a este efecto sea casi despreciable para que la mayor parte de la fuerza electromotriz dependa del efecto Peltier.

Si la temperatura en la junta de referencia se mantiene constante, o si la fuerza

electromotriz generada por esta parte de la junta es compensada dentro del circuito por algún medio (ver termistores), la fuerza electromotriz generada en el circuito dependerá del valor de la junta caliente o de medición y de esta manera, es usado el termopar para medir cambios de temperatura.

El efecto Peltier ocurre solo en las juntas y a diferencia del efecto Joule, es

irreversible. El efecto Joule debe recordarse, es aquél en que se produce calor en una resistencia por la que circula una corriente y ese valor varía con el cuadrado de dicha corriente.



Para que un termopar funcione correctamente, deben cumplirse las leyes siguientes:

Ley de los Circuitos Homogéneos.

Una corriente eléctrica no puede ser generada en un circuito por un solo metal homogéneo, aunque cambie su sección, por la sola aplicación de calor.

Ley de los Metales Intermedios.

Si en un circuito formado por varios conductores, la temperatura es uniforme desde la unión del primer conductor hasta el último, la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo la primera y la última unión.

Ley de las Temperaturas Intermedias.

La fuerza electromotriz generada por un termopar en sus uniones a las temperaturas T1 y T3, es la suma algébrica de la fuerza electromotriz de termopar con sus uniones T1 y T2, más la fuerza electromotriz del mismo termopar con sus uniones a T2 y T3.

De la ley de los Circuitos Homogéneos, se deduce que la fuerza electromotriz

generada depende exclusivamente de la composición química de los alambres y de las temperaturas que existen en las uniones, el calibre del alambre no influye en este valor de la fuerza electromotriz, por lo tanto se pueden fabricar termopares con alambres de cualquier calibre.

Analizando la ley de los Metales Intermedios, se puede determinar que el

instrumento que es utilizado para medir la fuerza electromotriz, puede tener su alambrado interno construido por metales diferentes del termopar, como la temperatura del instrumento es la misma, se cumple la ley de los Metales Intermedios y no afecta el resultado final de medición.

Para obtener la junta caliente o unión de medición en los termopares, se utilizan tres

procedimientos; torcer los dos alambres para tener una unión firme, esto sólo se practica cuando no sean temperaturas muy elevadas. Un segundo método es hacer una unión por medio de caldeo o fusión de los metales, Para que esto suceda es necesario que los dos alambres que conforman el termopar tengan un punto de fusión similar y pueda lograrse dicha unión.

Un tercer método utilizado cuando no se consigue la unión por caldeo, es soldar las

dos juntas ya sea con autógena o con soldadura eléctrica, sin embargo; se logra agregando un tercer metal, conocido como metal de aporte; sin embargo aunque se ha introducido un metal extraño al termopar que podría afectar a la fuerza electromotriz, se cumple la ley de los Metales Intermedios ya que las dos uniones que provocan este nuevo metal, están a la misma temperatura, o sea, la temperatura de medición. Por lo tanto es valido fabricar los termopares soldando la junta caliente.



Analizando la ley de las Temperaturas Intermedias, se puede hacer notar que lo

que es válido, es sumar las fuerzas electromotrices no así sumar las temperaturas, lo cual daría un resultado erróneo. Para obtener la fuerza electromotriz generada por un termopar, se debe partir de que la base de la unión de referencia o unión fría sea constante y aceptada universalmente, actualmente todos los termopares están considerados con la unión de referencia a 0°C, como la ecuación que rige a cualquier termopar es muy complicada y prácticamente un algoritmo matemático, se acostumbra obtener la lectura de la fuerza electromotriz contra temperatura a base de tablas, todas ellas están referidas a 0°C, la temperatura ambiente sería la unión de referencia para el termopar en cuestión, o sea la temperatura de unión T2 expresada en la ley de las Temperaturas Intermedias, por lo tanto, el instrumento estará midiendo la fuerza electromotriz entre T2 y T3. Para leer la fuerza electromotriz producida en ese termopar por la temperatura ambiente, o sea, lo que corresponde a T1 y T2 expresado en la ley de las Temperaturas Intermedias.

Los valores de las fem están tabulados en tablas de conversión con la unión de

referencia a 0ºC. La gráfica siguiente presenta las curvas características de los termopares:

Gráfica 2.5 Curvas características fem / temperatura de los termopares.



Termopares Industriales.

Los termopares están construidos de tres partes principales, el termopar propiamente dicho o sea dos alambres unidos entre sí, la cabeza de conexión que sirva para unir al termopar con el instrumento de medición y los aisladores generalmente de cerámica que aíslan ambos alambres de termopar para evitar una unión en el punto indebido.

Asociado con el termopar puede haber un tubo protector o un termo-pozo de material

adecuado para resistir al medio ambiente en que está sumergido, así como los efectos abrasivos y corrosivos que lleva el fluido en el cual está sumergido.

La selección de los termopares debe estar basada en los siguientes factores: Rango

de temperatura de operación, precisión requerida, máxima salida de fuerza electromotriz en algunas aplicaciones y la atmósfera en la cual el termopar debe ser instalado.

La clasificación de los termopares, fue hecha por ISA y son seis los termopares más

frecuentemente utilizados en la práctica. Aparte de esos seis, existe otro numeroso grupo de termopares que se utilizan en la investigación. En la tabla 3.4 se pueden encontrar los límites de temperatura a la cual pueden trabajar esos termopares, en función del calibre del alambre.

Características generales de los termopares:

Termopar tipo T (Cobre – constantán): Tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación de la humedad y puede utilizarse en atmósferas oxidantes o reductoras. Se prefiere generalmente para las medidas de temperatura entre -200 a 260ºC.

Termopar tipo E (Cromel – constantán): Puede usarse en vacío o en atmósfera

inerte o medianamente oxidante o reductora. Este termopar posee la fem más alta por variación de temperatura, y puede usarse para las temperaturas entre -200 a 900ºC.

Termopar tipo K (Cromel – alumel): Se recomienda en atmósferas oxidantes y a

temperaturas de trabajo entre 500 y 1250ºC. No debe ser utilizado en atmósferas reductoras ni sulfurosas a menos que esté protegido con un tubo de protección.

Termopar tipo J (Hierro – constantán): Es adecuado en atmósferas con escaso

oxígeno libre. La oxidación del hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de 550ºC, siendo necesario un mayor diámetro del hilo hasta una temperatura límite de 750ºC.

Termopar tipo R, S y E de Pt – Pt/Rh: Se emplean en atmósferas oxidantes y

temperaturas de trabajo hasta 1500ºC. Si la atmósfera es reductora, el termopar debe protegerse con un tubo cerámico estanco.



Los siguientes termopares son utilizados en investigación:

a) 40% de Iridio + 60% de Rodio-Iridio.

Recomendado para atmósferas oxidantes e inertes al vacío. b) Tungsteno-Renio.

Recomendado para atmósferas reductoras e inertes al vació. Precaución: No se use en presencia de oxígeno libre.

c) Tungsteno-Tungsteno + 26% de Renio.

Misma aplicación que el anterior.

Existen otras calibraciones de termopares tales como Geminol, Platinel II, Tungsteno + 5% de Renio-Tungsteno +26% de Renio, Tungsteno + 3% de Renio-Tungsteno + 25% de Renio. Tienen algunas ventajas en aplicaciones específicas y pueden ser embarcados bajo requisición de las compañías siguientes: Driver Harris Company para el primero, Engelhard Industries Inc, para el resto.

Las aleaciones de los termopares tienen las siguientes especificaciones de la ISA:

CONSTANTANO: 60% Cu, 4, CROMEL: 90% Ni, 10% Al, 1% Si.

A continuación se muestra la tabla 2.15 con algunas características de los termopares mencionados anteriormente, que son los intervalos de medida de temperatura, así como los límites de error para cada intervalo, además de mencionar los intervalos de temperatura y el error de los diferentes cables de extensión utilizados:

Tabla 2.15 Características de los termopares (Norma IEC-584-1982)



A continuación la tabla 2.16 nos muestra la composición química de cada componente utilizado en la construcción de los termopares mencionados anteriormente:

Tabla 2-16 Designación de los termoelementos y su composición química.

A continuación se muestra la gráfica 2.6 sobre la eficiencia de cada termopar de acuerdo al intervalo de temperatura que se desee medir:

Gráfica 2.6 Selección de termopares.



Cables de extensión.

Cuando el termopar está instalado a una larga distancia del instrumento, no se puede conectar directamente al mismo, sino por medio de un cable que recibe el nombre de cable de extensión, los cables de extensión conductores con propiedades muy similares al del termopar hasta un límite de temperatura de 200°C. Esos cables de extensión son necesarios ya que la temperatura de la cabeza del termopar no suele ser la misma temperatura de la unión fría instalada en el instrumento; para que se cumpla la ley de los Metales Intermedios, es necesario que el alambre de extensión sea de propiedades iguales que el termopar, si es así, entonces se formarán otros termopares en la cabeza de conexión del termopar instalado en el proceso.

Los cables de extensión se simbolizan con una X después de la letra correspondiente

al termopar, por ejemplo, TX es el cable de extensión de un termopar tipo T, JX es el cable de extensión para un termopar tipo J, etc. Existe un código de colores publicado por la ISA, para identificar cada uno de los cables de extensión.

El código de colores está formado por una combinación de tres colores: en virtud que

se maneja corriente continua, el cable de extensión debe ser polarizado, correspondiendo el color rojo al forro del cable negativo, el forro del cable positivo tiene un color específico para cada termopar; y finalmente el forro del alambre duplex que envuelve los dos conductores que tiene un color específico para cada termopar; en el cual también aparecen los límites de error entre el intervalo de temperatura en que se utilizan estos cables de extensión. El cable de extensión WX, es el de Fierro-Cupronel, que se usa en los termopares tipo K. El cable de extensión tipo SX es utilizado tanto para los termopares tipo R como S.

Es evidente que los termopares pueden conectarse directamente al instrumento, en

vez de usar un cable de extensión, sin embargo desde el punto de vista económico no sería conveniente, sobre todo cuando se está instalando termopar de platino.

Es conveniente seguir las recomendaciones siguientes para la instalación de los

alambres de extensión:

Se debe usar el cable de extensión respectivo de cada termopar. Al conectarlo, respetar la polaridad en la cabeza del termopar del instrumento.

Los cables de extensión deben de ir dentro de un tubo conduit metálico

conectado a tierra, además deben estar alejados 30cm de distancia mínimo de cualquier línea de corriente alterna, para evitar la inducción en la señal. No instale otros cables eléctricos en el mismo conduit del cable de extensión.

Escoger el aislamiento correcto del cable de extensión según su aplicación.

El aislamiento de los cables de extensión, va a depender de las condiciones

del medio ambiente y de la temperatura a la que va a estar sujeto.



Instrumentos de medición de mV.

Para medir la fuerza electromotriz que genera un termopar, se puede utilizar el circuito galvanométrico o el circuito potenciométrico.

A.- El circuito galvanométrico.

Está basado en el galvanómetro tipo D´Arsonval, se basa en la desviación de una

bobina móvil dentro de un campo magnético de imán permanente el cual está suspendido mediante dos espirales con sus respectivos pivotes. Al generarse una fuerza electromotriz en el termopar, la corriente pasa por la bobina formando su propio campo magnético, que se orienta de acuerdo con el campo en el que está inmerso; siguiendo la ley de magnetismo , polos iguales se repelen polos contrarios se atraen, la bobina móvil gira hasta que el par magnético se equilibra con el par de tensión de los resortes espirales que sostienen esta bobina.

Una aguja indicadora está unida rígidamente a la bobina móvil y se desplaza enfrente

de una escala graduada en unidades de temperatura de acuerdo con el termopar que esta manejando. Cuando se utiliza un galvanómetro se deben tener en cuenta tres características muy importantes para la precisión de la lectura.

La primera de ellas, es que debe utilizarse el cable de extensión correspondiente al

termopar, el cual debe estar especificado en la carátula de instrumento. Ese cable de extensión sirve para llevar unión fría o de referencia desde la cabeza del termopar hasta la caja del instrumento.

La segunda consideración que debe tomarse en cuenta es la resistencia externa del

circuito, es decir la resistencia del alambre o cable de extensión más la resistencia que presenta el termopar expresada en Ohms.

Es importante, porque la fuerza electromotriz que se genera en la unión caliente, es

disminuida por la resistencia del alambre o cable de extensión utilizado para conectar al termopar, como esta resistencia es inevitable, el fabricante especifica también en la carátula el valor de esta resistencia externa, como es muy difícil que la resistencia especificada por el fabricante coincida con la resistencia de instalación del termopar, el fabricante ha previsto este problema añadiendo al circuito de este instrumento una resistencia ajustable que recibe el nombre de resistencia de compensación, normalmente las resistencias externas de los instrumentos andan alrededor de 10 Ohms, por ejemplo, si la resistencia externa real es de 12 Ohms, para reducir la resistencia total del circuito se disminuyen 2 Ohms en la resistencia de compensación logrando así una medición exacta.

La tercera consideración que debe tomarse en cuenta es el buen estado de los

tratamientos de rubí o zafiro, para que el par de fricción sea lo más chico posible, debe estar instalado donde no existan vibraciones ni cambios magnéticos fuertes que afecten la lectura del instrumento.

Los galvanómetros traen en su interior una unión bimetálica para hacer

compensación en la unión fría por cambios de la temperatura ambiente lo cual hace que automáticamente el cero del instrumento se mueva al variar la temperatura de la caja.



B.- Circuito potenciométrico.

El potenciómetro es un instrumento electrónico que mide la fuerza electromotriz generada por u n termopar, comparando esta fuerza electromotriz generada contra el voltaje conocido de una fuente. El voltaje conocido se varía mediante el movimiento de un contacto a lo largo de una resistencia variable, la posición de equilibrio se alcanza cuando los dos voltajes son opuestos, iguales y no fluye corriente en el circuito.

En virtud de que la fuerza electromotriz del termopar tiene un valor determinado para

cada temperatura como la posición del contacto a lo largo de la resistencia variable corresponde a la lectura del termopar en unidades de temperatura. Este circuito potenciométrico recibe el nombre de circuito de balance continuo, ya que cualquier cambio en la temperatura, y por ende en la fuerza electromotriz generada produce un desbalance en el circuito lo cual hace que el instrumento se retro-alimente y logre el equilibrio en otra posición, cambiando el valor de la lectura de la escala del instrumento.

Existen tres pasos para lograr el balance continuo esos tres pasos son: conversión,

amplificación y operación del motor del balance que corresponde a la retroalimentación del instrumento.

Como la amplificación no se logra con una corriente continua es necesario convertir la

corriente continua y la corriente alterna, y esto se logra mediante un dispositivo que recibe el nombre de convertidor, el cual es esencialmente una lengüeta delgada de metal que oscila entre dos contactos conectados en los extremos opuestos de la bobina primaria del transformador de entrada, a medida que la lengüeta se mueve de un contacto a otro se produce una señal eléctrica, primero en una dirección y luego en sentido contrario, produciendo así una señal de onda cuadrada. Esta señal de onda cuadrada se amplifica en la bobina del secundario.

El termopar es susceptible al ruido eléctrico industrial debido a que durante su

funcionamiento puede generar tensiones de 2 a 50mV y se encuentra en un entorno en donde las grandes máquinas eléctricas pueden crear cientos de milivoltios en el cable de conexión. Por otro lado, el termopar trabajando como una antena, puede recoger radiación electromagnética de radio, TV y microondas. De aquí que se requiera que los cables de conexión estén torcidos y dentro de una funda metálica que se pone a tierra, que la unión de medida esté puesta a tierra, y que el amplificador tenga una buena relación señal / ruido.



Pirometría

Un pirómetro en un instrumento utilizado para medir, por medios eléctricos,

temperaturas elevadas por encima del alcance de los termómetros de mercurio. Este término abarca a los pirómetros ópticos, de radiación, de resistencia y termoeléctricos.

- Pirómetro de Milivoltímetro.

El Milivoltímetro es básicamente un galvanómetro de d’Arsonval. Se tiene un campo magnético producido por el imán y las piezas polares que rodean a una bobina suspendida entre pivotes que descansan en rubíes o zafiros. La aguja indicadora esta sujeta a la bobina y la corriente eléctrica generada por el termopar pasa por ella y establece un campo magnético proporcional a la corriente que atraviesa y hace que gire. La rotación de la bobina mueve la aguja indicadora a lo largo de la escala y tanto la bobina como la aguja, sufren una deflexión contra resortes en espiral. Estas espirales restringen el movimiento de la bobina y la aguja y los devuelven a la posición de cero cuando se suspende la corriente.

Por lo general, se añade una espiral bimetálica a dichos resortes para proporcionar la

compensación de la unión de referencia. Dado que el instrumento mide el voltaje generado por la diferencia de temperatura entre la unión de medición y la de referencia, es importante mantener la unión de referencia a una temperatura constante o que el instrumento de medición tenga una compensación automática y precisa para los cambios de temperatura en dicha unión.

El movimiento de medidor del pirómetro con Milivoltímetro tiene una resistencia fija y,

para obtener lecturas exactas, es esencial que el termopar y los alambres conectores tengan una resistencia compatible con la del medidor. Es importante que todas las conexiones estén limpias y sean sólidas, ya que una conexión deficiente o sucia o una unión débilmente soldada puede crear una unión fría falsa y originar un gran error en la indicación.

Lo más común es el uso de un termopar en el sistema de medición, pero existen

aplicaciones especiales en las que es ventajoso emplear más de un termopar, estos se pueden utilizar en serie o en paralelo, para satisfacer los requisitos de una aplicación determinada. Cuando es necesario obtener alta sensibilidad, los termopares se pueden conectar en serie.

En general, un sistema para medición y control de termopar con Milivoltímetro es más

económico en lo que respecta a costo inicial, si sus características de precisión, respuesta y control son adecuadas para satisfacer la aplicación de que se trate. Estas unidades son predominantemente mecanismos activados por galvanómetros de encendido y apagado, con puntos de ajuste alto y bajo. El indicador lleva algún tipo de aleta u otro mecanismo activador que controla la conmutación cambiando la frecuencia de un oscilador, interrumpiendo un haz de luz o cualquier otro sistema.

Los pirómetros de Milivoltímetro de tipo de aleta se equipan a menudo con protección

contra incendio, de tal manera que si un termopar se quema o rompe, sonará una alarma, se detendrá el sistema o sucederán ambas cosas, es decir sonara una alarma y se apagará el sistema, una mala característica que se asocia generalmente a estos medidores es que si existe una falla en la fuente de alimentación no se apagan y deben restaurarse manualmente cuando se restaure el suministro de energía.



- Pirómetros Potenciométricos.

Este tipo de pirómetro funciona básicamente bajo el principio de señal de error en el que la fuerza electromotriz (fem) generada por el termopar se puede considerar como la señal de error. Esta fem generada se compara después mediante un sistema de potenciómetro para obtener una condición nula o de cero, y la señal de error necesaria para obtener la condición nula se indica o registra mediante el sistema de potenciómetro, como la fem generada. En un sistema de pirómetro potenciométrico no es necesario igualar las resistencias de los termopares con el potenciómetro, debido a que se utiliza una fuerza contraelectromotriz para producir una corriente nula. En un sistema de potenciómetro manualmente operado, una fem del potenciómetro se neutraliza con la fem generada por el termopar para producir una lectura de cero del galvanómetro.

Por lo general, se usa un termómetro de precisión que va montado en el

potenciómetro para indicar la temperatura ambiente, de tal modo que se pueda efectuar una corrección en la lectura de la fem si no se utiliza la referencia del punto de fusión del hielo. Si se emplea un tipo universal de potenciómetro de indicación, se puede utilizar cualquier tipo de termopar generado de fem, como detector de la diferencia de temperatura.

Se fabrican pirómetros Potenciométricos pequeños y compactos para medir la salida

de algunas clases de termopares específicas, como los de cromel-alumel, hierro-constantan, cobre-constantan, platino-platino-rodio. Estos pirómetros también se fabrican en combinaciones para dos o más tipos de termopares.

Existe un tipo de sistema de pirómetro potenciométrico de equilibrio continuo que se

emplea con mucha frecuencia para aplicaciones industriales. En este tipo de sistema, el alambre corredizo del potenciómetro, tiene un alcance definido y alcanza hasta un rango específico, estos sistemas casi siempre se diseñan con el objeto de proporcionar una compensación de la unión de referencia y no solo para una clase especifica de termopares, sino también para un rango de temperaturas en particular. De igual manera, los diseños nos permiten las modificaciones de los circuitos y el alambrado con el propósito de dejar margen para cambios, tanto en el tipo de termopar como en el rango de temperatura.

En el sistema de equilibrio nulo, la fem que se mide se detecta mediante un

amplificador electrónico que impulsa al motor equilibrador. Se trata de un motor del tipo servomotor que puede funcionar en ambas direcciones dependiendo de la polaridad de la corriente de error detectada por el amplificador electrónico, el motor equilibrador gira en la dirección necesaria para mover el brazo del potenciómetro, de manera que la fem calibrada ajustable se compare exactamente con la fem generada por medio del termopar para dar una diferencia cero o de equilibrio nulo. La fem necesaria para balancear el sistema se presenta en el indicador y el registrador, como la fem producida por el termopar. Estas unidades se pueden calibrar de tal manera que se lean directamente grados Fahrenheit o Celsius.



- Pirómetros de Radiación.

Cuando se deben medir temperaturas y el contacto físico con el medio que se va a determinar es imposible o poco práctico, se recurre al uso de métodos ópticos y de pirometría de radiación térmica.

La pirometría de radiación térmica mide el calor radiante emitido o reflejado por un

objeto caliente, aunque la teoría indica que deben ser sensibles a todo el espectro de energía irradiada por el objeto, los pirómetros de radiación prácticos son sensibles a una banda limitada de longitudes de onda de energía radiante. La operación de los pirómetros de radiación térmica se basa en los conceptos de cuerpo negro y ha permitido la medición y el control automático de temperaturas en condiciones que no permiten utilizar otros elementos sensores de temperatura.

Teoría de las mediciones de radiación: un cuerpo radiante perfecto, denominado

tradicionalmente cuerpo negro, se utiliza como estándar comparativo para determinar cuantitativamente la energía irradiada por un objeto caliente. Si se logra una buena aproximación a las condiciones del cuerpo negro, (lo cual significa que el cuerpo absorbe toda la radiación térmica que intercepta o que irradia el máximo de energía térmica sobre una banda más ancha de longitudes de onda que cualquier otro cuerpo con los mismos parámetros físicos y a la misma temperatura), la radiación detectada por la celda de radiación térmica variará en la cuarta potencia de la temperatura absoluta de la fuente. La relación de energía de radiación térmica y temperatura para una condición de cuerpo negro se puede expresar con la ecuación (2.5):

(2.5) W = δT04

Donde:

W = energía radiante emitida por unidad de área del cuerpo negro δ = constante de Stefan-Boltzmann T0 = temperatura absoluta en °K

Esta es la ley de Stefan-Boltzmann y en ella se supone que el cuerpo negro irradia

hacia un receptor que se encuentra en el cero absoluto.

En aplicaciones practicas para pirómetros de radiación térmica, la transferencia de energía térmica radiante se efectúa a temperaturas superiores al cero absoluto, por tanto la ecuación se modifica, para expresar la relación de energía radiante y temperatura en esas condiciones:

(2.6)

W = σ(T4 – T04)

Donde: σ = una constante T = temperatura absoluta del cuerpo negro T0 = temperatura absoluta del medio ambiente



Emisividad: una superficie negra áspera irradia mas calor que una superficie lisa y

brillante a la misma temperatura. Este efecto se denomina emisividad y se expresa en números de 1 a 0.

En las aplicaciones industriales en que se requieren pirómetros de radiación térmica

para medición y control se pueden utilizar técnicas infrarrojas.

Figura 2.12 Pirómetro de radiación.

Pirometría infrarroja: la energía infrarroja es invisible al ojo humano, pero se puede

sentir. Lo que se siente cuando se pone la mano cerca de una superficie caliente es precisamente la energía calorífica irradiada. Al aumentar la temperatura de la superficie, existe un incremento proporcional en la energía infrarroja irradiada. A temperaturas superiores a aproximadamente 542 °C (1000 °F), una superficie comienza a radiar energía lumínica visible y, al mismo tiempo, existe un aumento proporcional en la energía infrarroja. Este aumento proporcional en la energía infrarroja, en función de la temperatura de la superficie hace posible la pirometría infrarroja combinando un detector apropiado, circuitos electrónicos y un medio de indicación y control. Los principios infrarrojos en que se utilizan bolómetros, termopares al vacío y termopilas, se han utilizado con éxito en espectrófotometros infrarrojos y como pirómetros espectrales de radiación total.

El bolómetro es un dispositivo térmico que cambia su resistencia térmica en función

de la temperatura. La resistencia del bolómetro varia en respuesta a la intensidad de la variación térmica enfocada sobre él. Este dispositivo casi siempre se fabrica de un alambre de níquel o un listón delgado de platino, dependiendo de su aplicación y la velocidad de respuesta requerida. El listón de platino proporciona una respuesta más rápida.

El termopar al vacío es un termopar común con una masa térmica baja que

responde con gran rapidez a cambios en la energía térmica radiante. El termopar esta encerrado dentro de una caja al vacío con una mirilla, adecuada para admitir la energía radiante.



En aplicaciones industriales en las que se requiere la velocidad de respuesta, del termopar al vacío, se acostumbra a ensamblar varios en serie para formar una termopila. La termopila tiene una velocidad de respuesta más lenta, aunque las velocidades de respuesta de menos de varios segundos no son importantes en muchas aplicaciones industriales.

Se han desarrollado termómetros infrarrojos industriales para usar sulfuro de plomo

fotoconductor como detector, con tiempos de respuesta de 0.25 s como estándar, o con tiempos de respuesta de 0.04 s para aplicaciones especiales.

Cada uno de los diferentes sistemas dependen de la transmisión de energía

infrarroja, emitida por el objeto calentado al detector en el sistema de medición, a través de la atmósfera circundante. No existe ningún contacto directo con la superficie cuya temperatura sé esta determinado.

Los pirómetros de radiación térmica funcionan básicamente de acuerdo con la ley de

Stefan-Boltzmann. El pirómetro se debe diseñar para tener una respuesta la longitud de onda del rango de temperatura deseado. Las partes esenciales de un pirómetro básico de radiación son: lente, termopila y la unidad de medición. Las lentes o los espejos utilizados deben ser capaces de hacer pasar o reflejar las longitudes de onda de energía radiante emitidas por el objeto caliente y enfocarlas sobre el detector receptor que emite la fem de salida o sufre el cambio de resistencia. Después, esta salida se puede determinar en forma de temperaturas mediante un dispositivo de medición.

El detector que se usa más a menudo en la industria es la termopila. Esta es más

resistente que otros, aunque su tiempo de respuesta es, por lo general, 2 s o más, cuando el tiempo de respuesta debe ser menor a 2 s se puede utilizar el bolometro. Aunque es más costosa y menos resistente su construcción. Los dos detectores de radiación de tipo industrial que se usan mas en aplicaciones comerciales, junto con sus dispositivos de control automático asociados son: Rayotube de Lee and Northrup y el Radiamatic de Honeywell.

Los pirómetros de radiación se usan industrialmente cuando las temperaturas son

superiores al rango práctico de operación de los termopares, cuando la vida del termopar es corta debido a las atmósferas corrosivas, cuando el objeto cuya temperatura se va a medir esta en movimiento en procesos al vacío o en hornos a presión, cuando los sensores de temperatura dañarían al producto, y para obtener la temperatura promedio de una superficie grande.

Figura 2.14 Diagrama de un pirómetro de Figura 2.15 Diagrama de un pirómetro de Radiación total(Fery) Radiación visible



- Pirometría Óptica.

Este es un dispositivo oficial reconocido internacionalmente para medir temperaturas superiores a 1063 °C. Se ha utilizado para establecer la Escala Internacional de Temperaturas Superiores a 1063 °C. El pirómetro óptico mide la intensidad de la energía radiante emitida en una banda angosta de longitudes de onda del espectro visible. Existen unidades manuales y automáticas y ambas tienen más o menos la misma precisión.

El pirómetro óptico es un dispositivo para medir la temperatura de un objeto caliente

por la brillantez de la superficie de dicho objeto. El ojo humano, sin ninguna ayuda, fué el primer pirómetro óptico que se usó para determinar la temperatura de objetos candentes. Este método era aproximado y, cuando mucho, permitía hacer solo una estimación, pero constituía el único medio disponible para determinar altas temperaturas. El ojo humano sigue desempeñando un papel importante en la pirometría óptica, ya que sirve para comparar la brillantez de un objeto con la de otro, en forma muy precisa.

La intensidad de luz en el espectro visible emitida por un objeto caliente varia

rápidamente con su temperatura. En todos los pirómetros ópticos se utiliza un filtro rojo que va entre el objeto y el ojo del observador. La luz monocromática escogida tiene una longitud de onda de máxima sensibilidad para el ojo con el fin de minimizar o eliminar el factor de diferencias individuales en el juicio sobre los colores y la sensación de estos.

Figura 2.15 Estructura interna de un pirómetro óptico.

- Los pirómetros ópticos se pueden clasificar en dos tipos

El primero compara óptimamente la luz del objeto caliente con la de una lámpara en el instrumento. La salida de la luz de la lámpara de comparación, se mantiene constante con una corriente eléctrica constante a través del filamento. La comparación con el cuerpo caliente se lleva a cabo haciendo girar una cuña de absorción óptica graduada para cambiar la brillantez aparente del cuerpo caliente hasta que se esfuma la pequeña marca de prueba luminosa que aparece el campo de visión.

El segundo hace variar la intensidad de luz de una lámpara de comparación calibrada

para equipararla con la intensidad de la luz emitida por el objeto caliente, en ambos tipos la luz emitida por el objeto caliente y la lámpara de comparación debe tener la misma longitud de onda para obtener mediciones precisas.



Pirómetro microóptico: es un instrumento de laboratorio con un alto grado de

precisión y se puede utilizar para medir blancos de menos de 1 milésima de pulgada de tamaño, a una distancia de 5.5 pulgadas. Este se produce en varios modelos que abarcan el rango de temperaturas comprendido entre 700 y 5000 °C en tres rangos.

Utilizando filtros montados externamente, se puede ampliar la escala a 10 000 °C.

Estas lecturas mas elevadas no son directas, sino que se deben determinar por medio de gráficas comparativas.

Pirómetro óptico de Leeds and Northrup: se compone de dos unidades, la porción de

telescopio que sirve para observar el blanco y la caja de control que contiene las baterías y al circuito del potenciómetro. El sistema óptico produce una imagen erecta del objeto detectado, y se logra una yuxtaposición perfecta del filamento con la imagen utilizando un filamento de listón fino dentro de una lámpara con caras planas.

El dispositivo que cambia la pantalla permite obtener variaciones de rango con

facilidad. También se muestran el filtro rojo para intensificar el espectro rojo y el interruptor del circuito básico.

Pirómetro óptico automático de Leeds and Northrup: este se debe apuntar

manualmente sobre el blanco y el área u objeto cuya temperatura se va a medir debe ser lo suficientemente grande para cubrir totalmente el campo visual. Esta área se observa sobre una pantalla de vidrio esmerilado o con auxilio de un ocular. La radiación se enfoca hacia el limitador del campo visual mediante un lente objetivo.

La radiación del blanco recorre una trayectoria óptica que la dirige hacia el área

sensible del fotodetector. Una trayectoria óptica similar, desplazada de la que porta la radiación del blanco, dirige la radiación de la lámpara estándar al mismo punto del detector.

Hay un disco modulador de luz que gira y bloquea alternativamente la radiación de

una trayectoria, mientras pasa la radiación de la otra a 90 ciclos / s. El modulador de disco giratorio permite que el fotodetector perciba alternadamente la radiación del blanco y de la lámpara estándar. La lámpara estándar opera a una longitud de onda de 6530 A°.

2.1.5 APLICACIONES: Búsqueda bibliografica por parte del alumno, de acuerdo a la carrera correspondiente.



2.2 PRESIÓN 2.2.1 TIPOS DE PRESIÓN (PRESIÓN Y PRESIÓN DIFERENCIAL) Generalidades. La presión, definida como un fuerza por unidad de área, es una de las más importantes variables de los procesos industriales. Un amplio intervalo de presión que va desde el ultravacío donde las presiones son tan bajas como una milésima de mm de Mercurio (un micrón) hasta presiones de 700 kg /cm2 y mayores deben ser medidas y controladas con precisión en los procesos industriales.

A causa de este amplio intervalo de medición son necesarios numerosos elementos para medir presión. Estos elementos deben variar desde métodos directos tales como un tubo de Bourdon o espiral con principios elásticos, hasta métodos diferenciales, tales como medidores de filamento caliente o alambre caliente usados para medir vacíos extremos. Las unidades para medir presión más comúnmente utilizadas son el kg/cm2 en el sistema métrico decimal, lb/in2 en el sistema ingles (SIA). Actualmente, se está introduciendo en México el Sistema Internacional de Unidades, el cuál utiliza el Pascal como unidad de presión.

En la tabla 2.17 se enlistan las unidades de conversión de un sistema a otro, en la cual también aparece la presión en forma de columna de mercurio o columna de agua.

Tabla 2.17 Factores de conversión de unidades de presión.

Unidad

Psi

Pulgada c. de a.

Pulgada c.

de Hg

Atmósfera

Kg/cm2

cm de c de agua

mm de c

de Hg

Bar

Pa

Psi

1 37.48 0.036 0.062 0.0703 70.01 31.72 0.0685 7143

Pulgada c. De a.

0.381 1 0.0735 0.0024 0.0025 7.54 1.868 0.0024 258.4

Pulgada c. de Hg

0.4912 13.6 1 0.8334 0.0345 34053 25.4 0.033 3448

Atmósfera 14.7 406.79 29.32 1 1.033 1033 760 1.0133 101000Kg/ cm2

14.22 393.9 28.94 0.9578 1 1000 735.6 0.08 98109

Cm de c de agua

0.0113 0.0935 0.0183 0.09474 0.01 1 0.7096 0.001 100

mm de c de Hg

0.0193 0.5035 0.9793 0.6313 0.0612 0.5313 1 0.0013 133

Bar

14.3 409 29.39 0.337 1.02 1800 750 1 106

Pa

0.00014 0.003 0.00029 0.000967 103e-7 0.01 0.0073 0.001 1



La mayoría de los sistemas de control de procesos industriales requieren la medida de presión, por lo que existen diversos tipos de sensores y medidores de presión. Antes de considerar éstos en detalle, es importante explicar algunos términos usados en la medición de presiones, así como establecer la diferencia entre presión absoluta, presión de dispositivo y presión diferencial. La presión absoluta de un fluido es la diferencia entre la presión de un fluido y el cero absoluto de presión, mientras que la presión de dispositivo indica la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica. Por tanto, la presión absoluta y la mostrada por el dispositivo están relacionadas por la expresión:

Presión absoluta = Presión de dispositivo + Presión atmosférica

El término presión diferencial se usa para describir la diferencia entre dos presiones absolutas, tales como las medidas en dos puntos de un fluido (a menudo entre los dos lados de un limitador de flujo en un sistema de medida de caudal).

El rango de presiones para el que comúnmente se requiere la medida se extiende

desde 1,013 a 7000 bares (1 a 6910 atmósferas.) En la próxima discusión, por tanto, se describen primero los dispositivos usados para medir presión en este rango medio más frecuente, siguiendo a continuación con técnicas empleadas para medir presiones fuera de este rango. En virtud de la gran cantidad de elementos primarios que miden presión y presión diferencial, se han clasificado en tres grandes grupos a saber: medidores elásticos, medidores no elásticos y medidores eléctricos. 2.2.2 MEDIDORES ELÁSTICOS. Estos instrumentos aprovechan la propiedad elástica de los metales, están basados en la aplicación de la “Ley de Hooke” que establece: “dentro del límite elástico las deformaciones de un metal son proporcionales a los esfuerzos”. Las configuraciones más utilizadas en la industria son los tubos de Bourdon los fuelles, los diafragmas y las cápsulas, como elemento elástico auxiliar de los tres últimos, se utiliza un resorte. Tubo de Bourdon. Eugene Bourdon (1808 – 1888). Inventó en 1847 un manómetro que lleva su nombre y fue adoptado por Francia en 1849; el aparato consiste en un aparato metálico curvado y aplanado, fijo por el lado donde se alimenta la presión y acoplado en el otro extremo a un mecanismo que impulsa una plumilla o puntero indicador. Este elemento sensible puede adoptar cuatro formas, las cuales son: Tubo C, espiral, helicoidal y torcida. El más simple es el tubo C, que se utiliza para medir presiones hasta 1500 Kg/cm2

con un error máximo del 2%, sin embargo los instrumentos que requieren mayor precisión es de 0.5%. Los materiales generalmente usados para el tubo de Bourdon son el bronce fosforado, cobre al berilio, acero, acero inoxidable y acero de aleación de cromo. El material más común para bajas presiones es el bronce. Cuando la presión es aplicada en el extremo



abierto del tubo, la tendencia es recuperar la sección redonda transversal original del tubo al mismo tiempo que se retira para ser enderezado.

Este movimiento causa que el extremo libre del tubo se desplace una cantidad determinada de espacio, este movimiento pequeño es amplificado por un sector de engrane y un piñón, en el eje del cual esta montado la aguja, que se desplaza frente a una escala. De acuerdo a la ley de Hooke la calibración es una línea recta y puede ser fácilmente lograda y trazada en una escala circular en cualquiera de las unidades conocidas.

Hay cuatro características de los fluidos que son altamente perjudiciales en el uso de este tipo de instrumentos. Ellas son corrosión, cavitación, congelación y contaminación.

La corrosión ataca principalmente a los elementos construidos con bronce y sus aleaciones, para evitar este ataque será necesario utilizar alguna aleación o metal que sea inmune a la corrosión. Conviene tomar en cuenta que el calor es otro de los elementos que también perjudica a este instrumento, en caso de que se maneje vapor, por ejemplo se debe utilizar una trampa de condensados que en el mercado recibe el nombre de “cola de cochino” (pig tail) esta trampa permite que el vapor se mantenga apartado del tubo de Bourdon, permitiendo solo el paso de la presión a través del condensado. La cavitación es otro fenómeno perjudicial a la buena operación y promedio de vida de este instrumento, esta cavitación puede ser producida por fenómenos propios del fluido o bien por vibración mecánica o golpeteo de una bomba, para minimizar el efecto de la cavitación es necesario agregar un accesorio que recibe el nombre de amortiguador en la entrada del manómetro, este amortiguador puede tener diferentes diseños. La congelación se refiere en este caso a fluidos que generalmente circulan calientes en las tuberías pero que a temperatura ambiente son sólidos, un ejemplo de este tipo de fluidos es el asfalto, otro es la cera parafina, las grasas vegetales o animales, etc. Cuando se presenta este fenómeno el fluido caliente y en estado líquido penetra al tubo, pero al enfriarse forma una sustancia sólida que provoca rigidez en el tubo impidiendo así la medición de la presión. Con el objeto de eliminar la congelación del fluido dentro del tubo se utiliza un sello que recibe el nombre de sello químico. Este sello consiste esencialmente en un diafragma generalmente protegido con teflón que va montado a la entrada del medidor, entre ese diafragma y el tubo mismo hay un espacio que se llena totalmente con un fluido no corrosivo que puede ser glicerina o aceite de silicón, la presión es transmitida a través de este diafragma hasta el Bourdon no así el fluido, el cual cuando esté caliente no alcanzará a afectar el tubo de medición. Entre paréntesis, este sería otro método aunque más caro, para evitar la corrosión de un instrumento de medición. La contaminación es un fenómeno parecido al anterior excepto que en este caso el producto sólido se obtiene merced a la proliferación de colonias bacterianas en el interior del medidor, como un ejemplo particular de este fenómeno, se puede mencionar la leche, la cual es un medio de cultivo de bacterias muy eficiente, para corregir o prever este problema, se acostumbra utilizar un sello químico el cual aísla completamente al producto del tubo medidor.

El tubo de Bourdon es muy común de medición industrial de la presión de líquidos y gases. Cuando se aplica presión al fijo, y abierto, del tubo, la sección ovalada se hace más



circular causando un desplazamiento de la parte cerrada y libre del tubo. Este desplazamiento se mide por algún tipo de transductor de desplazamiento. Que es comúnmente un potenciómetro o un LVDT, o menos frecuentemente un sensor capacitivo. En otras versiones se puede medir el desplazamiento ópticamente. La deflexión máxima del extremo libre del tubo es proporcional al ángulo del arco que define el tubo. Para un tubo en forma de "C", el valor máximo del arco es menor que 360°. Donde se requieran resoluciones y sensibilidades mayores se usan tubos en espiral o helicoidales. El incremento de las cualidades de medición se consigue a costa de costes de fabricación comparados con los de tipo "C", aparte de un gran descenso en la presión máxima que puede medirse.

Figura 2.16 Medidores elásticos

Los tubos de tipo "C" están disponibles para medir presiones por encima de los 6000 bares. Un tubo en "C" típico de 25 mm de radio tiene un desplazamiento máximo de 4 mm, dando un nivel moderado de resolución en la medida. La precisión de la medida está acotada típicamente en un ±1% de la escala completa de deflexión. Precisión similar poseen los tipos helicoidales o espirales, pero si bien la resolución es mayor, la máxima presión que se puede medir es de unos 700 bares.

La existencia de un mayor error potencial en la medición con tubos de Bourdon no ha

sido documentada, ya que todos los fabricantes de tubos de Bourdon no suelen advertir a todos los usuarios de la metodología de calibración empleada. El problema procede de la relación entre el fluido medido y el fluido empleado en la calibración. El indicador de los tubos de Bourdon se establece en cero durante la fabricación, usando aire como medio de calibración. Sin embargo, si se emplea en un fluido diferente, especialmente un líquido, dicho fluido causará una desviación del cero de acuerdo con su peso en comparación con el aire, resultando en un error de lectura del 6%, intolerable en medidas que requieran mediana precisión.



Elemento de fuelle y resorte. Este elemento es un aparato con apariencia externa de un farol chino, en su interior lleva un resorte el cual se opone al efecto de la presión, en modelos más antiguos este resorte estaba colocado en el exterior del fuelle. El intervalo del resorte determina realmente el alcance de este medidor, los fuelles pueden ser abiertos o cerrados, un fuelle abierto se utiliza generalmente en intervalos entre 13 a 230 cm de agua, cuando un fuelle es cerrado, esa cubierta que lo cierra forma una concha protectora alrededor de este fuelle, el intervalo en este segundo fuelle es de 0.2 a 2 kg / cm2 , generalmente son construidos de bronce fosforado o de acero inoxidable cuando el ambiente en que están inmersos es corrosivo. El movimiento obtenido por variaciones de presión venciendo al resorte, se amplifica con un juego de palanca y se transmite a una aguja indicadora o a una pluma de tinta en caso de registrador de papel. Para cambiar el intervalo de este instrumento, basta cambiar el alcance del resorte sin modificar el resto del aparato. Para presiones muy bajas y vacíos, se utiliza un elemento de doble resorte y doble fuelle, en esta unidad, la presión esta conectada al interior del fuelle mayor, el cual crea una apreciablemente mayor fuerza por unidad de área para actuar contra la fuerza del resorte opuesto. Para medición de vacíos o combinaciones de vacío y presión, este elemento esta también equipado con un resorte interior el cual se pone al colapso del fuelle.

El fuelle, mostrado en la figura 2.17 opera según un principio similar al del diafragma, aunque se emplean en aplicaciones que requieran mayor sensibilidad que la conseguida con un diafragma. Los cambios de presión en el fuelle producen un movimiento de traslación al final del fuelle que se mide por transductores capacitivos, inductivos (LVDT) o resistivos de acuerdo con el rango de movimiento producido. Un Figura 2.17 Fuelle. rango típico de

medida para un instrumento de fuelle es de 0-1 bar (presión de dispositivo). Elemento de diafragma. Estos elementos están formados por una cubierta protectora con un diafragma de un material elástico, por ejemplo hule, neopreno, teflón o cuero tratado con aceite, un resorte que se opone a la presión y un tornillo de ajuste para que el mecanismo de amplificación sea colocado en el cero de la escala por el medidor. Estos instrumentos están diseñados para medir presiones muy cercanas a la atmosférica y de pequeño valor, generalmente presiones o vacíos en el hogar de la caldera, en cámaras presurizadas de algunos equipos industriales. Por su misma sensibilidad, es necesario montarlos con los diafragmas en posición vertical ya que el peso del mismo diafragma modificaría la posición del mecanismo, desajustando el cero mecánico. Los intervalos de operación más comunes son de 0 a 2.5 cm de agua, para cambiar el intervalo de operación, se cambia el valor del resorte haciendo nuevamente el ajuste de cero mecánico del instrumento.



Figura 2.18 Transductor de presión de elemento elástico.

Constituye uno de los tres tipos comunes de transductores de presión de elemento elástico, y se muestra la figura 2.18. Los instrumentos de diafragma se usan para medir presiones por encima de los 10 bares. La presión aplicada provoca el desplazamiento del diafragma, y este desplazamiento se mide por un transductor de posición. Ambas, la presión de indicador y la diferencial, pueden ser medidas por diferentes versiones de instrumentos basados en diafragma. En el caso de la presión diferencial, se aplican ambas presiones a ambos lados del diafragma y el

desplazamiento del diafragma corresponde a la diferencia de presiones. La magnitud de desplazamiento típica en ambas versiones es de 0,1 mm, que se adapta bien a un sensor de deformación.

Normalmente se usan cuatro sensores de deformación en una configuración puente, en la que un voltaje de excitación se aplica a través de dos puntos apuestos del puente. El voltaje de salida medido a través de los otros dos puntos del puente es, entonces, función de la resistencia, cuyo cambio se debe al desplazamiento del diafragma.

Este arreglo compensa, asimismo, las variaciones de temperatura ambiente. Los modelos de transductores de presión más antiguos de este tipo usaban sensores de deformación metálicos unidos a un diafragma típicamente hecho de acero inoxidable.

Aparte de las dificultades constructivas que suponía unir los sensores, éstos

tenían un factor de deformación (factor de la galga extensiométrica) pequeño, lo que significa que la baja salida procedente del puente de sensores de deformación tiene que ser amplificada por un caro amplificador de corriente continua.

El desarrollo de los sensores de deformación semiconductores (piezorresistivos) ha

resuelto parte de los inconvenientes, ya que estos sensores proporcionan un factor superior en 100 veces al de los metálicos. Sin embargo, sigue existiendo la dificultad de unir los sensores al diafragma, al tiempo que aparece un nuevo problema debido a la no linealidad de la característica de salida de estos dispositivos.

El problema de la unión de los sensores de deformación fué resuelto con la

aparición de los transductores piezoresistivos monolitícos de presión hace unos 15 años, convirtiéndose actualmente en los transductores de presión basados en diafragma mas usados. La célula monolítica consiste en un diafragma hecho de una hoja de silicona en la que los resistores se difunden en el proceso de fabricación.

Además de evitar las dificultades de la unión, tales células monolíticas son muy

baratas cuando se fabrican en grandes cantidades. Aunque sigue existiendo el inconveniente de una salida no lineal, se puede superar este obstáculo mediante el empleo de un circuito de linealización activo, o incorporando la célula en un sistema transductor "inteligente" basado en un microprocesador.



Este último generalmente presenta conversión A/D y servicios de interrupción en un solo circuito integrado y entrega una salida digital adecuada a los esquemas de control por ordenador. Tales instrumentos pueden ofrecer también compensación automática de temperatura, autodiagnóstico y procedimientos de calibración. Estas características permiten precisiones de medida por encima del 0,1% del fondo de la escala .

Como alternativa a las medidas de desplazamiento por sensores de deformación, a

veces se usan transductores capacitivos. Otra opción menos frecuente y basada en el desarrollo de la fibra óptica son los sensores fotónicos, como el de la figura 2.19. Se trata de un dispositivo basado en diafragma en el que el desplazamiento se mide por medios optoelectrónicos.

En este dispositivo la luz viaja desde una fuente de luz por un cable de fibra óptica, se

refleja en el diafragma y vuelve por una segunda fibra a un fotodetector. Existe una relación característica entre la luz reflejada y la distancia entre el extremo de la fibra y el diafragma. De ésta forma, la cantidad de luz reflejada dependerá de la presión medida.

Figura 2.19 Sensor fotónico Elemento de cápsula. Estos elementos consisten en cápsulas construidas de latón delgado o acero inoxidable, estas cápsulas son circulares y están conectadas rígidamente entre sí por soldadaura, de modo que al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de las pequeñas deformaciones es amplificada por un juego de palancas; este aparato está diseñado de un modo que al aplicar presión. El movimiento es aproximadamente lineal en un intervalo de medida lo más amplio posible, como en casos anteriores este movimiento es amplificado por un juego de palancas para que finalmente sea reproducido mediante una aguja frente a una escala o una plumilla en una gráfica registradora. El intervalo de aplicación de estos fuelles es entre 2.5 y 250 cm de agua.



2.2.3 MEDIDORES NO ELÁSTICOS. Este grupo de instrumentos para medir presión está formado por aquellos que utilizan el principio de equilibrio de dos fuerzas, y convierten esa diferencia en una columna frente a una escala que permite la medición de la presión. Está formado por cuatro grupos principales como ejemplo, los cuales son: las columnas propiamente dichas, campana invertida, campana de Ledoux y medidor de McLeod. Columnas. El ejemplo clásico de un medidor de columna es el conocido tubo de U, el cual está parcialmente lleno de un fluido y es alimentado por dos presiones una en cada rama de dicho tubo considerando que ese tubo se encuentra abierto, una de las presiones sería la atmosférica, por lo tanto, se esta midiendo una presión diferencial comparando la presión absoluta y restándole la atmosférica para obtener la presión manométrica del proceso. Los fluidos más comunes con que están parcialmente llenas las columnas son agua, aceite de densidad conocida y mercurio. Es importante que el diámetro interior del tubo de U sea lo suficientemente grande para eliminar la capilaridad del fluido. Una variante del tubo de U es el medidor de cubeta, el cual consiste en una cubeta o recipiente rectangular o cilíndrico amplio y una columna o tubo de vidrio inmerso en él, la presión superior es recibida en el recipiente amplio o cubeta, desplazando el fluido por el tubo de vidrio. Este tubo de vidrio puede ir abierto (presión atmosférica) o puede ir conectado a la presión interior del proceso. Es importante hacer notar que el cero del instrumento se irá desplazando hacia abajo muy ligeramente conforme aumenta la presión ya que el nivel de la cubeta tenderá a descender conforme el fluido vaya ocupando el tubo de vidrio. Esto trae como consecuencia que la escala del instrumento no sea lineal y las divisiones superiores sean ligeramente menores que las divisiones inferiores de la escala. Otra variante más del tubo de U es el tubo inclinado, el cual como su nombre lo indica tiene una de las ramas con una inclinación entre 15 y 20 ° con respecto a la horizontal, esta inclinación permite al medidor obtener lecturas más precisas, la desventaja de este instrumento es que solo sirve para medir presiones muy bajas cercanas al cero manométrico. También es importante hacer notar que este instrumento lleva consigo un nivel de gota para mantenerlo en una posición tal que no se introduzca un error por inclinación indebida al montarse.

El manómetro de aro balanceado, constituye un tipo especial de tubo de U. Las condiciones de alta y baja presión se hacen con tubos flexibles, de tal manera que el anillo pueda girar en un eje. Al aumentar la presión en el lado de alta, se reduce el nivel de mercurio en su lado del anillo, esto hace que el anillo gire alrededor de su centro ya que queda fuera del equilibrio con el contrapeso debido al desplazamiento del mercurio en la columna. Al girar el anillo, se arrastra una aguja que se mueve frente a una escala expresada en unidades de presión.

El único instrumento capaz de medir presiones en el rango 1013 y 7000 bares es el manómetro de tubo en forma de "U", de forma que uno de los extremos del tubo ha sido



sellado y evacuado. La figura 2.20 muestra un tubo en "U" sellado que contiene un fluido, y la presión desconocida se aplica al extremo abierto del tubo.

La presión absoluta se mide en como la diferencia entre los niveles de mercurio en ambos brazos del tubo. En este caso, la presión absoluta coincide con la de dispositivo, ya que la presión del vacío es nula.

Figura 2.20 Tubo en "U" sellado que contiene un fluido, y la presión desconocida se aplica al extremo abierto del tubo.

Aparte de la dificultad de juzgar exactamente los niveles de los meniscos de mercurio, un instrumento de estas características no puede dar una medida perfecta a causa de la imposibilidad de conseguir un vacío total del extremo cerrado del tubo. Aunque es posible por técnicas modernas diseñar un instrumento que ofrezca una medida razonablemente precisa de presión absoluta, el problema se evita normalmente en la práctica midiendo la presión de dispositivo en lugar de la presión absoluta.

Los manómetros de tubo en forma de "U", se usan comúnmente en aplicaciones donde se requiere una indicación visual de los niveles de presión. El manómetro de tubo en forma de "U" consiste en un recipiente de cristal en forma de la letra "U". Cuando se usa para medir la presión de dispositivo ambos extremos del tubo están abiertos, con una presión desconocida aplicada en uno de los extremos y el otro, abierto a la presión atmosférica como se muestra en la figura 2.21. La presión de indicador desconocida del fluido (P) se relaciona con la diferencia de los niveles de fluido (h) en las dos mitades del tubo y la densidad del fluido (p) mediante la expresión:

gefPh

*Pr

ρ−

=

Figura 2.21 Otra forma de conectar el manómetro de tubo en forma de “U”



Una tercera forma de conectar el manómetro de tubo en forma de "U" es la que se muestra en la figura 2.21 Cada uno de los extremos abiertos del tubo se conecta a presiones desconocidas, midiendo el instrumento, de esta forma, la presión diferencial de acuerdo con la expresión:

(2.7) ghPP ρ=− 21

Los manómetros de tubo en forma de “U” se usan típicamente para medir presión de dispositivo y diferencial por encima de los 2 bares. El tipo de líquido usado en instrumento depende de la presión y características del fluído medido.

El agua es una elección conveniente y barata, pero se evapora fácilmente y es difícil de ver (a causa de su transparencia.) Sin embargo se emplea extensivamente, superando los principales obstáculos para su uso utilizando agua coloreada y rellenando el tubo regularmente para contrarrestar la evaporación.

El agua no se usará como fluido del manómetro en forma de "U" en mediciones de

fluidos que reaccionan o se disuelvan en agua, ni donde se requiera medir presiones elevadas. En las citadas circunstancias se emplean líquidos como anilina, mercurio y aceite de transformador.

El manómetro de tubo en forma de "U", en una de sus múltiples formas, es un

instrumento comúnmente usado en la industria para dar una medida visual de la presión sobre la que un operador humano puede actuar.

Normalmente no es posible transformar la salida del manómetro de tubo en "U" en una

señal eléctrica, por lo que este instrumento no es adecuado para su uso como parte de un sistema de control automático. Campana invertida. El medidor de presión del tipo de campana invertida es utilizado para aplicaciones que requieren un intervalo pequeño y sensible para presiones relativamente bajas y para vacías. Se suministra en una campana invertida sencilla para medición de presiones estáticas, cuando el instrumento está localizado en el punto de medición y la compensación no es necesaria; o en un modelo de doble campana invertida. En este caso se mide una presión diferencial o bien cuando la presión requiere una compensación. Un amplio campo de aplicación se encuentra para el modelo de doble campana invertida, que consiste en dos campanas invertidas inmersas en aceite, cada una de las cuales es alimentada por presión en la parte inferior. Estas campanas forman los brazos de un puente de balance y están arregladas de tal manera que trabajan contra un contrapeso, cuando ambas presiones son iguales, la lectura cero es central , cuando una de estas presiones aumenta la aguja indicadora se desplaza hacia uno de los extremos de la escala. Cuando se trata de medir presión estática, una de estas líneas puede ser expuesta a la atmósfera y la otra puede conectarse por ejemplo, al interior de un horno de modo que el instrumento deba indicar la presión diferencial entre la atmósfera y el interior del horno. Como resultado, el instrumento es particularmente aceptable para medir y controlar las condiciones del horno, particularmente cuando es necesario una compensación de presión atmosférica en un sistema de control de flama.



Este tipo de instrumentos de presión son sensibles a cambios de 0.01 mm de agua y son suministrados en intervalos de escala de 0 a 5 cm de agua de vacío hasta 0 a 12 cm de agua de presión manométrica. En el caso del modelo de una sola campana, la presión se compensa con un contrapeso en el lado opuesto: El movimiento del puente de balance se transmite a través de un mecanismo a un conjunto indicador de presión. Campa de Ledoux. Este medidor se conoce también con el nombre de medidor de mercurio y es muy usual como medidor de flujo, consiste en dos recipientes unidos por la parte inferior similar al manómetro de U, en realidad mide presiones diferenciales, uno de los recipientes contiene un flotador de acero al carbón que arrastra un mecanismo para mover una plumilla. El flotador de acero está sumergido en mercurio y tiene una configuración en forma de campana lo cual le da su nombre. Esta configuración permite que las señales cuadráticas que son producidas por un elemento primario de flujo como una placa de orificio, sea linealizada cuando se va extrayendo el mercurio de la campana. Se construyen de varios intervalos, los más comunes son de 0-20” de agua, de 0-50” de agua, 0-120” de agua y 0-200” de agua. La segunda columna conocida como conexión de baja presión es un simple tubo que forma el segundo brazo de un tubo de U convencional. Medidor McLeod. Se utiliza para medir presiones absolutas desde 0.0001mm de Hg a 10mm de Hg. Opera en un columpio que permite hacerlo cambiar de posición horizontal a posición vertical y viceversa, cuando está en posición horizontal el gas rarificado de presión desconocida del proceso se introduce en todos los conductos del instrumento, una vez logrado eso manualmente se hace cambiar de posición a vertical, atrapando un cierto volumen de dicho gas en un tubo central y en un tubo capilar de compensación. El Hg comprime el gas rarificado hasta que la presión se equilibra dejando entonces un nivel de Hg inferior al cero absoluto. Frente a esta columna hay una escala graduada en micrones, como es obvio, este sistema no sirve para gases que se condensen, además la lectura es intermitente. Aplicando la ley de Boyle se puede hacer una escala calibrada en términos de presión absoluta que represente el valor del sistema de vacío que se está midiendo. Figura 2.22 Medidor de presión McLeod

La figura 2.22 muestra la forma general de un medidor de McLeod, en el que un fluido a baja presión se comprime a presiones superiores, las cuales pueden ser leídas empleando un manómetro. En esencia, el medidor puede ser visualizado como un manómetro de tubo en forma de "U", sellado en un extremo y donde el fondo del tubo en forma de "U" puede ser bloqueado a voluntad. Para operar el medidor, el pistón se retira previamente, causando que el mercurio en la parte más baja del medidor caiga bajo el nivel de la unión "J" entre los dos tubos en el medidor marcados como "Y" y "Z".



El fluido a presión desconocida pu se introduce por el tubo marcado como "Z", desde donde también fluye hacia el tubo marcado como "Y", de sección "A". A continuación se empuja el pistón, subiendo el nivel del mercurio hasta la unión "J". En este momento, el fluido en el tubo "Y" está a presión pu y contenido en un volumen conocido Vu. Un empuje mayor del pistón comprime el fluido en el tubo "Y", hasta que se alcanza la marca de cero en el tubo "Z". La medida de la altura (h) sobre la columna de mercurio en el tubo “Y" permite el cálculo del volumen comprimido del fluido Vc como:

(2.8)

Vc=h*A

Entonces, por la ley de Boyle:

(2.9)

pcVcpuVu =

También, aplicando la ecuación de la hidrostática:

(2.10)

ghpupc ρ+=

donde p es la densidad del mercurio. Por lo tanto:

)()2^(

AhVugAhpu

−=

ρ

(2.11)

El volúmen comprimido "Vc" es frecuentemente más pequeño que el volúmen original, aproximándose en tal caso la ecuación anterior por:

VugAhPu ρ2^

= para Ah<<Vu

(2.12)

Aunque la mejor precisión que se logra alcanzar con los medidores de McLeod sea de ±1%, está incluso mejor que la de otros medidores de presión para este rango, y se usa como referencia para calibrar otros medidores. La mínima presión medible es de 10-4 mbar, aunque se pueden medir presiones más pequeñas si se aplican las técnicas de división de presión.



2.2.4 MEDIDORES ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS. Estos instrumentos están diseñados en función de las características de los materiales principalmente metálicos. Estos instrumentos deben ir acompañados de un potenciómetro lo suficientemente sensible para que detecte la medición eléctrica, la cual es función de la presión del sistema. Manómetro de ionización. Este instrumento funciona como un tríodo, se utiliza en la medición de vacío extremo (de 0 a 1micron de Hg, presión absoluta), consta de un bulbo conectado a la fuente de vacío. Cuando los electrones emitidos por un filamento caliente bombardean las moléculas de gas, ocurre una ionización de las mismas, estos iones permiten que la corriente fluya entre los electrodos. La proporción de flujo de iones es una medición directa de la cantidad de gas presente y por lo tanto, de la presión absoluta. La corriente resultante es amplificada electrónicamente y después medida con un potenciómetro electrónico graduado en unidades de presión absoluta.

El medidor de ionización es un tipo especial de instrumento usado para medir presiones muy pequeñas en el rango de 10-13 a 10-3 bares. El gas a presión desconocida se introduce en un recipiente de cristal que contiene un filamento que descarga electrones al ser calentado, como se muestra en la figura 2.23. La presión se determina mediante la medición de la comente que fluye entre el ánodo y el cátodo. Esta corriente es proporcional al número de iones por unidad de volumen, cuyo número es proporcional a la presión.

Figura 2.23 Manómetro de ionización. Manómetro de resistencia (Pirani). Este manómetro opera bajo el principio de que la perdida de calor de un alambre caliente varía de acuerdo con los cambios de presión a los que está sujeto. La resistencia detectora forma parte de un puente de Wheatstone, en lugar de ser un elemento calentador separado, un voltaje suficiente es aplicado al puente para causar un calentamiento del elemento de resistencias, la compensación por cambios de temperatura ambiente es efectuada usando una segunda resistencia y un sensor los cuales están encerrados en un recipiente al vacío como referencia.

La lectura del instrumento es un voltaje o corriente de un desbalance que ocurre cuando la resistencia sensora y la resistencia de referencia tiene diferente valor. Usando un



sistema de retroalimentación y un servomecanismo, el equilibrio se alcanza automáticamente, arrastrando un puntero frente a una escala graduada en unidades de presión. Las perdidas de calor son relativamente grandes cuando se opera con presiones de alrededor de 1mm de Hg absoluto. Una forma típica del medidor de Pirani se muestra en la figura 2.24. Es parecido al medidor de termopar pero tiene un elemento calefactor que consiste en 4 bobinas de alambres de wolframio conectadas en paralelo. Dos tubos idénticos se conectan normalmente en un circuito puente como se muestra en la figura, conteniendo uno él gas a la presión desconocida, mientras en otro se mantiene a muy baja presión. La corriente pasa por el elemento de wolframio, que alcanza una cierta temperatura de acuerdo con la conductividad térmica del gas. La resistencia del elemento cambia con la temperatura y produce el desequilibrio del puente de medida. De este modo, el medidor de Pirani evita el uso de un termopar para medir la temperatura (como en el medidor de termopar). Tales medidores cubren el rango de presiones de 10-5 milibares a 1 milibar.

Figura 2.24 Forma típica de un manómetro de resistencia (Pirani).

Medidor de termistor.

Los medidores de termistor operan basados en el mismo principio que los de Pirani, pero usan materiales semiconductores en lugar de metales como elementos calentados. El rango de presiones normales va desde 10-4 milibares a 1 milibar. Manómetro de termopar. Este manómetro está formado por dos celdas, una de medición y otra de referencia. En cada celda hay dos termopares calentados por sendos filamentos alimentados por sus respectivas bobinas secundarias de un transformador. Los termopares están conectados en serie y la resultante en forma de mini-voltaje que se obtiene, se mide con un potenciómetro graduado en presión absoluta.



El medidor de termopar es uno de los del grupo de medidores que funcionan basados en el principio de la conductividad térmica. Los medidores de Pirani y los basados en termistor también pertenecen a este grupo. A baja presión, la teoría cinética de los gases predice una relación lineal entre la presión y la conductividad térmica. La medición de la conductividad térmica da una indicación de la presión. La figura 2.25 muestra un esquema básico de un medidor basado en termopar. La operación de medidor depende de la conducción de calor entre la lámina caliente en el centro y la superficie fría exterior del tubo de cristal (que normalmente está a la temperatura de la habitación.) La lámina metálica se calienta por el paso de una corriente a través de ella, y su temperatura es medida por un termopar, la temperatura medida depende de la conductividad térmica del gas, que depende de la presión del mismo. Una fuente de error en este instrumento lo constituye el hecho de que el calor se transmite por radiación así como por conducción. El calor transmitido por radiación es una magnitud constante e independiente de la presión que puede ser medida y corregida. Sin embargo, es más conveniente diseñar el sistema para que presente una pérdida de radiación baja, eligiendo un elemento a calentar con baja emisividad. Los instrumentos de termopar se usan típicamente para medir presiones en el rango de 10-4 milibares a 1 milibar.

Figura 2.25 Esquema básico de un medidor basado en termopar.



Medidor de esfuerzos (Strain Gage). Los elementos sensibles de resistencia variable (Strain Gage), se desarrollaron en Estados Unidos durante el decenio de los 30´s, basados en un principio establecido por Kelvin, que consiste en relacionar los cambios eléctricos de un filamento, cuando se produce un acortamiento o alargamiento con respecto a su longitud inicial. Originalmente, este elemento estaba formado por alambre de sección circular, actualmente se fabrican con alambres en forma de laminilla, esta innovación permite fabricar estos elementos de tamaño muy pequeño y además con posibilidad de pegarse o adherirse a superficies curvas. Su intervalo de aplicación es de 7 a 3500Kg/cm2. La presión de medición en este instrumento va de acuerdo con las características del potenciómetro al cual va conectado. Dispositivos de cable resonante.

Figura 2.26 Dispositivo de cable resonante El dispositivo de cable resonante es un instrumento relativamente nuevo que procede los recientes avances en el campo de la Electrónica. Un dispositivo típico se muestra en al figura 2.26. El cable se tiende a lo largo de una cámara que contiene el fluido a una presión desconocida y sometido a un campo magnético. El cable resuena a su frecuencia natural de acuerdo con su tensión, que varia con la presión. Esa frecuencia se mide por circuitos electrónicos integrados en el

dispositivo. Tales dispositivos son muy precisos, típicamente ±0.2% del fondo de escala, y son particularmente insensibles a los cambios en las condiciones ambientales. 2.2.4.1 HOJAS DE DATOS (ESPECIFICACIONES). Intervalos de operación. Los instrumentos para medir presión cubren intervalos desde muy cerca de 0 absoluto hasta 10 toneladas/cm2, este intervalo de aplicación de los medidores es el intervalo industrial, más sin embargo en algunos casos se pueden emplear para medir mayores, principalmente utilizando el medidor de esfuerzos. En la tabla siguiente se enlistan los intervalos de operación de cada uno de los elementos tratados.



Tabla 2.18 Rangos de operación de manómetros

Tipo de manómetro Intervalo de operación

Manómetro de ionización 0.0001 g- 0.001 mm de Hg (abs)

Manómetro de termopar 0.001 - 0.5 mm de Hg (abs)

Manómetro de resistencia 0.001 –1.0 mm de Hg (abs) Manómetro de McLeod 0.0001- 10.0 mm de Hg (abs)

Manómetro de campana invertida 0.0 – 7.6 cm de agua Manómetro de aro balanceado 0.0 – 10.0 cm de agua

Manómetro de fuelle abierto 13.0 – 230.0 cm de agua Manómetro de cápsula 2.5 – 250.0 cm de agua

Manómetro de diafragma 2.5 – 250.0 cm de agua Manómetro de campana de Hg (Ledoux) 0.0 – 5.0 m de agua

Manómetro de U 0.0 – 2.0 Kg/cm2 Manómetro de fuelle cerrado 0.0 – 3.0 Kg/cm2 (abs)

Manómetro de espiral 0.0 – 300.0 Kg/cm2 Manómetro de Bourdon tipo C 0.0 – 1500.0 Kg/cm2

Medidor de esfuerzos (Strain Gage) 7.0 – 3500.0 Kg/cm2 Manómetro helicoidal 0.0 – 10000.0 Kg/cm2

Transductores de presión inteligentes

AI introducir un microprocesador a un transductor de presión se mejoran sus características o especificaciones. Mejora la sensibilidad, se incrementa el rango de medida, hay una mejor compensación de histéresis y otras no linealidades, y corrección para los cambios de temperatura y presión. Precisiones de ±0.1% se pueden alcanzar con dispositivos basados en puentes piezorresistivos de silicio, por ejemplo. En vista de sus superiores características, es quizás sorprendente que estos transductores sólo representen el 1% de las ventas de dispositivos de medida de presión en la actualidad.

El costo significativamente superior de estos dispositivos frente a los "no inteligentes" parece proponerse como explicación, pero este factor difícilmente explica un nivel tan bajo de introducción en el mercado.

Algunos transductores de presión basados en microprocesador hacen uso de

técnicas novedosas de medición del desplazamiento. Por ejemplo, ambos tipos, los basados en diafragma y los dispositivos basados en tubos de Bourdon combinados con el uso de métodos ópticos de desplazamiento como se muestra en la figura 2.27.



Figura 2.27 Transductor de presión inteligente

El movimiento se transmite a una pantalla que progresivamente oculta uno de los dos fotodiodos monolíticos que están expuestos a la radiación infrarroja. El segundo fotodiodo actúa como referencia permitiendo al microprocesador calcular una relación de señal que es linealizada y está disponible como medida analógica o digital de presión. La precisión típica de la medida es de +-0,1%. 2.2.4.2 APLICACIONES: Búsqueda bibliografica por parte del alumno, de acuerdo a la carrera correspondiente.



2.3 NIVEL. Medidores de nivel.

La medición del nivel de líquidos, lechadas o materiales secos dentro de un recipiente puede parecer sencilla, pero puede convertirse en un problema más o menos difícil cuando el material es corrosivo o abrasivo, cuando se mantiene a altas presiones, cuando es radioactivo o cuando se encuentra dentro de un recipiente sellado en el que no conviene tener partes móviles o cuando es prácticamente imposible mantenerlas.

En la industria, la medición de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista del funcionamiento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuado de materias primas y de productos finales. Al igual que con otros elementos primarios de medición, los medidores de nivel pueden ser adaptados a un proceso dado e integrarlos a un procesador que regule o tome decisiones establecidas para el mismo proceso.

Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y de sólidos que son dos mediciones claramente diferenciadas y que serán estudiadas a continuación. Medidores de nivel de líquidos.

Los medidores de nivel trabajan midiendo: 1) directamente la altura del líquido, 2) la presión hidrostática, 3) el desplazamiento producido por el propio líquido contenido en el tanque del proceso, ó 4) aprovechando las características eléctricas del líquido.

Figura. 2.28 Medidor de nivel portátil. 2.3.1 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DIRECTA.

Los instrumentos mecánicos de medición y control de niveles o mediciones y control de carga hidrostática incluyen dispositivos visuales e indicadores. Consiste en un indicador de nivel externo transparente adosado a un estanque que permite visualizar el nivel de líquido alcanzado. Esta medición utiliza el principio de igualación de presión. Usualmente se utiliza en líquidos limpios tales como lubricantes.

Este es un método simple y relativamente barato, pero no es apropiado para procesos industriales ya que no permite realimentación de la medida al sistema.



Medidor de Varilla Graduada.

El dispositivo más simple para medir un nivel es una varilla o regla graduada, también conocida como sonda, de longitud conveniente para introducirla dentro de un depósito abierto a presión atmosférica. La determinación del nivel se efectúa por la lectura directa de la longitud mojada por el líquido. Se utiliza en tanques de fuel-oil o gasolina.

Este método no es muy práctico cuando el material es tóxico o corrosivo y cuando el individuo que lo aplica tiene que estar de pie sobre la abertura y manejar con las manos al descubierto la varilla al sacarla del recipiente. Este método no sirve para controlar el nivel excepto para llenar manualmente el tanque o el depósito para proporcionar el volumen requerido para la aplicación.

Otro medidor consiste en una varilla graduada, con un gancho que se sumerge en el seno del líquido y se levanta después hasta que el gancho rompe la superficie del líquido. La distancia desde esta superficie hasta la parte superior del tanque representa indirectamente el nivel. Se emplea un tanque de agua a presión atmosférica.

El medidor de cinta graduada y plomada, es un medidor similar al anterior, se emplea cuando es difícil que la regla graduada tenga acceso al fondo del tanque. Mirilla.

La mirilla de vidrio es una método visual para medir el nivel de materiales líquidos no

corrosivos que no manchan y no son pegajosos. En las mediciones en depósito cerrado se pueden mantener presiones más o menos altas utilizando mirillas protegidas para mayor seguridad en caso de ruptura. Normalmente, las mirillas de vidrio se utilizan para medir niveles de líquido por el método visual con fluctuaciones de 91 cm.

Cuando se utilizan para medir variaciones mayores, se pueden emplear varias secciones cortas; que esta combinadas de tal manera que el nivel de líquido siempre es visible en una de ellas. El nivel de la mirilla equivale al del depósito.

Este tipo de mirillas de vidrio de ventanilla se puede encontrar en planchas de vapor, cafeteras, calderas de vapor, tanques y otros depósitos abiertos o cerrados para los que este tipo de indicación visual es adecuado. Por lo general, esto significa que hay una persona al cuidado que puede controlar manualmente el nivel de líquidos dentro de límites escogidos para dicha aplicación y que las indicaciones remotas no son necesarias.

En algunos casos se utilizan alumbrados especiales detrás de las mirillas y están arreglados de tal modo que se pueden ver diferentes colores para distintos líquidos de nivel. Se pueden agregar sensores fotoeléctricos a las mirillas para asegurar el control automático de nivel. En este tipo de instalación, el detector sensible a la luz y el revelador proporcionan la señal para iniciar la actividad de bombas y válvulas.

Se debe cuidar que el calibre de la mirilla sea lo mayor posible, ya que, si es demasiado pequeño, se detecta la acción capilar y el nivel indicador será más alto que el real. Los líquidos también tienen un menisco donde se adhieren al vidrio, por lo que, es necesario tener cuidado en la medición del nivel según la naturaleza química del líquido que se maneja. No es lo mismo agua que mercurio por ejemplo.



La mirilla de vidrio indica los cambios de nivel con una precisión de 1/64 plg en las mejores condiciones, pero no señala el volumen real del líquido en el depósito. Para conocer el volumen se aplica:

(2.13) V= ( A dh + c)

donde, A = área dh = cambio en la medición de nivel

La forma del depósito determina con frecuencia el tipo de instrumento requerido para efectuar la medición del nivel. Un depósito alto determina con frecuencia el tipo de instrumento requerido para efectuar la medición del nivel. Un depósito alto y angosto permite mediciones de nivel más exactas con respecto al volúmen que los depósitos bajos y anchos, pues un ligero cambio de nivel en estos últimos representa mayor capacidad en una sistema controlado.

Instrumentos de Flotador

Figura 2.29 Flotador de nivel.

Cuando se necesita una indicación o el registro de una medición de nivel, se puede

emplear un sistema que tenga flotador y una cinta o un flotador y una cadena al tratarse de depósitos abiertos. En depósitos cerrados, al vacío o bajo presión que se deben tener sellados, se acostumbra usar flotadores con brazo de torsión, flotadores de jaula, flotadores magnéticamente acoplados y dispositivos hidráulicos operados con flotador.

Un sistema con flotador básico consiste en un cable, el flotador, 2 poleas y una regla. La regla se instala en la parte superior del tanque y un indicador entrega la lectura de nivel del estanque a lo largo de la regla. Este sistema aunque relativamente simple y preciso, tiene el inconveniente de requerir equipamiento mecánico que lo hace ser complejo, sobre todo en aplicaciones con estanques presurizados.

Los flotadores pueden tener cualquier forma redonda, cilíndrica o una combinación de ambas. Sus tamaños también pueden variar según las dimensiones del depósito en el que se van a utilizar. El flotador se debe construir de tal forma que flote dentro del material. Esto significa que la densidad del flotador debe ser inferior a la del material que lo sostiene. El material debe escogerse también de manera que no se pueda corroer o erosionar por acción del material en el que flota. De otra manera cambiaría su densidad.

Los instrumentos de flotador consisten en un flotador situado en el seno del líquido y conectado al exterior del tanque indicando directamente el nivel. La conexión puede ser directa, magnética o hidráulica.



Las únicas limitaciones en un sistema de medición de nivel con flotador y cinta o cadena son las que impone la variación del nivel que se va a medir en el depósito o la columna hidrostática en particular y una decisión práctica respecto al tamaño del flotador para dicha aplicación.

Si se requiere indicar o controlar el material en forma remota, se puede montar relevadores piloto en el eje giratorio que lleva la cadena. La rotación del eje se transforma en indicación de nivel por medios neumáticos, eléctricos o hidráulicos, para utilizarse en la ubicación remota.

El mecanismo del flotador puede restringirse en algunas aplicaciones debido a que es difícil mantener una operación limpia y eficiente. En la mayoría de los medidores de cinta, ésta se enrolla alrededor de un tambor que hace girar al eje. Es necesario utilizar un contrapeso para mantener tensa la cadena o la cinta conforme el flotador se eleva o desciende con el nivel del medio que se esta midiendo.

Los instrumentos de flotador tienen una precisión de 0.5%, y en la siguiente tabla se resumirán sus características:

Tabla 2.19 Diferentes tipos de flotador y sus características

Sistema

Componentes

Aplicación

Principio de

operación

Rango

Desventajas

Flotador

Flotador, cadena, contrapeso,

indicador

Depósitos abiertos

El flotador asciende y desciende con el nivel del líquido

que se mide

0-3 pies

Altura limitada, difícil limpieza y mantenimiento

Flotador de desplazamiento

Flotador, brazo de torsión, indicador,

sellos, jaula, abastecimiento de

aire

Depósitos abiertos o cerrados

El flotador asciende y desciende con el nivel del líquido y el flotador

hace girar un brazo de torsión.

Hasta 60 grados de

movimiento del brazo

de torsión y el doble de longitud de

éste

Se limita a los grados de

movimiento y a la longitud del

brazo

Flotador magnético

Flotador, imanes, tubo del flotador

Depósitos abiertos o cerrados

El flotador porta un imán

que puede hacer

funcionar los interruptores

o imane internos

ilimitado

Retardo de medición



Válvulas de Purga

Estos instrumentos podrían no considerarse por sí solos como medidores de nivel, aunque en conjunto si actúan como tal. Es decir, si imaginamos un tanque con un líquido en su interior y en diferentes alturas ponemos una válvula de purga, si abrimos una y no sale fluido es que éste esta a un nivel superior o inferior. Las válvulas de purga actúan, en un proceso, como medida de seguridad liberando la presión que se maneja, para evitar que aumente y explote u ocurran complicaciones. Instrumento basados en la presión hidrostática.

Medidor manométrico. Membrana. Burbujeó. Presión diferencial.

El medidor manométrico consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque. En la figura 2.29A puede verse un instrumento de este tipo en el que se observaran varios accesorios como son una válvula de cierre para mantenimiento, un pote de decantación con una válvula de purga. El manómetro mide la presión debida ala altura del líquido h que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento. Así, el campo de medida del instrumento corresponderá a:

Figura 2.29A Medidor Manométrico



0 - h* γ *g pascal

con:

h = altura del líquido en m γ = densidad del líquido en Kg / m3 g = 9.8m/s2

o bien, expresado γ en g / cm3 se obtendría 0 – 0,098 h γ bar (o bien 0 – 0,1 h γ Kg / cm2).

Como las alturas son limitadas, el campo de medida es bastante pequeño, de modo que el manómetro utilizado tiene un elemento de medida del tipo fuelle,.

El instrumento solo sirve para fluidos limpios ya que si el líquido es corrosivo, coagula o bien tiene sólidos en suspensión, el fuelle puede destruirse o bien bloquearse o perdiendo su elasticidad; por otra parte, como el campo de medida es pequeño no es posible utilizar sellos de diafragma. La medida limitada a tanques abiertos y el nivel viene influido por las variaciones de densidad del líquido. Una variante emplea un transductor de presión suspendido de la parte superior de tanque e inmerso en el tanque en el líquido, transmitiendo la señal de 4-20mA c.c, a través de un cable que acompaña al de suspensión. La transmisión o indicación de nivel a través de una comunicación RS-232 permite conectar con la interfaz de un ordenador. Figura 2.30 Medidor de Membrana.

El medidor de membrana utiliza una membrana conectada con un tubo estanco al instrumento receptor. La fuerza ejercida por la membrana de líquido sobre el área d la membrana compre el aire interno a una presión igual a la ejercida por la columna de líquido. El volumen del aire interno es relativamente grande, por lo cual el sistema está limitado a distancia no mayor de unos 15 m debido a la compresibilidad del aire. Como antes, la presión máxima que el líquido ejercerá es 0,098 hγ bar. El instrumento es delicado ya que cualquier fuga de aire contenido en el diafragma destruiría la calibración del instrumento.

El medidor de tipo de burbujeo emplea un tubo sumergido del líquido en el interior

del cual se hace burbujear aire mediante un rotámetro con un regulador de caudal incorporado(2). La presión del aire en la tubería equivalente a la presión hidrostática ejercida por la columna del líquido, es decir, al nivel. El regulador de caudal permite mantener un caudal de aire constante a través del líquido independientemente del nivel (es normal un caudal de 150N1/h); si no existiera, habría una gran diferencia en los caudales de aire necesarios desde el nivel mínimo al máximo, con el inconveniente de un gasto de aire indebido. La tubería empleada suele ser 1/2'' con el extremo biselado para una fácil formación de la burbujas de aire. En tubería de menor diámetro tipo capilar reduciría el tiempo de respuesta pero produciría un error en la medida provocado por la perdida de carga del tubo.



La presión de aire en la tubería, es decir, el nivel, se mide mediante un manómetro de fuelle cuyo campo de medida corresponde a la presión máxima ejercida por líquido (0.098 hγ bar, con un h en m y γ en g/cm3).

El manómetro receptor puede colocarse hasta distancias de 200 m. El sistema a emplearse es en tanques cerrados con dos juegos, rotámetros-regulador y con la señal de aire conectada a un transmisor de presión diferencial.

Señalemos que no solo puede utilizarse aire sino también otros tipos de gases e incluso líquidos como fluido de purga y que el tubo debe tener una longitud adecuada para evitar que las variaciones bruscas del nivel introduzcan en su interior una cierta columna de liquido que retarde el paso del aire y falsee momentáneamente la lectura.

El método de burbujeo es simple y da buenos resultados , en particular, en caso de líquidos muy corrosivos o con sólidos en suspensión y en emulsiones. No se recomienda su empleo cuando el fluido de purga perjudica al liquido y para fluidos altamente viscosos donde las burbujas formadas del aire o del gas de purga presentan el riesgo de no separarse rápidamente del tubo . Desde el punto de vista de mantenimiento es muy útil situar una T con un tapón en la parte superior del tubo para su limpieza periódica .

El medidor de presión diferencial consiste en un diafragma en contacto con el líquido del tanque, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo del tanque . En un tanque abierto esta presión es proporcional a la altura de liquido en ese punto y a su peso específico (figura 2.30A).

Figura 2.30A Medidor de presión diferencial

Es decir: P = Hγ g en la que:

P = presión H = altura de liquido del instrumento γ =densidad de liquido g= 9,8m/s2

El diafragma forma parte de un transmisor neumático, electrónico o digital de presión diferencial semejante a los transmisores de caudal de diafragma que ya estudiamos . En el tipo mas utilizado, el diafragma esta fijado en una brida que se monta rasante al tanque para permitir sin dificultades la medida de nivel de fluidos, tales como pasta de papel y líquidos con sólidos de suspensión, pudiendo incluso ser de montaje saliente para que el diafragma enrase completamente con las paredes interiores del tanque (figura 2.30B) tal como ocurre en el caso de líquidos extremadamente viscosos que no puede admitirse ningún recodo.



Figura 2.30B Tipos de diafragma

Hay que señalar que el nivel cero del liquido se seleccionara en un eje a la altura del diafragma. Si el instrumento sé calibrar en el tanque, el 0% del aparato debe comprobarse con el nivel mas bajo en el borde interior del diafragma (entre el borde inferior y el superior del diafragma la señal de salida no esta en proporción directa al nivel).

En el caso de que el tanque este cerrado y bajo presión, haya que corregir la indicación del aparto para la presión ejercida sobre él liquido debiendo señalar que la lectura

será muy

poco precisa

si la presión

es grande

suele conectar un tubo en la

parte superior de tanque y medir la diferencia de

presiones entre la como inferior y la superior,

utilizando transmisores de presión

diferencial de diafragma tal como

presentados en la figura 2.30C.



Figura 2.30C Mediciones de presión diferencial en tanque cerrado

Cuando los gases o vapores encima del tanque son condensados, la línea desde la toma superior se llena gradualmente con el condensador hasta llenar todo el tubo, en cuyo caso la tubería dibujada a la derecha del transmisor de las figuras 2.30C a y 2.30C b tendría mayor presión que la tubería izquierda y, por lo tanto, habrá que cambiar las conexiones del instrumento ya que este indicara bajo cuando el nivel sea alto y viceversa:

En efecto, puede verse en la figura 2.30C b que:

P =(H-h) γ para h = 0 p = H

De este modo, el instrumento tendría que estar graduado a la inversa, es decir, indicar 0% a 3 psi y 100% a 15 psi en un termistor neumático, o bien señalar 0% a 4mA y 100% a 20mA en un transductor de señal de salida de a 4- 20 miliamperios en corriente continua.

Para corregir este inconveniente se utiliza un muelle llamado de supresión para que este aplicado a la barra de equilibrio de fuerzas del transmisor y que produce una fuerza igual a la diferencia entre el nivel máximo y mínimo. Como es natural, puede ajustarse la tensión del muelle para cada caso particular figuras 2.30C a y 2.30C b.

Algunos fluidos presentan el riesgo de depósitos de cristales o de sólidos en la superficie del diafragma en tal caso cabe la solución de emplear un diafragma recubierto de teflón para reducir el deposito gradual del producto. No obstante, como el movimiento del diafragma es muy pequeño y se considera al sólido algo flexible, si parte del diafragma queda rígido, el instrumento marcará de forma errática o permanentemente menos del nivel



del real. Es inconveniente se resuelva empleando un transmisor de nivel de presión diferencial con membrana de sello que responde a la presión transmitida en lugar de la fuerza creada por él liquido sobre la membrana.

En el tanque cerrado y a presión con líquido de vapor condensable existe el riesgo de obturación de la línea de compensación , en particular si el fluido no es limpio. Para evitarlo puede purgarse la línea con liquido o gas, método que no se recomienda por los problemas de mantenimiento y la posible perdida de precisión que presenta , o bien emplear un transmisor de presión diferencial unido con dos capilares a dos diafragmas conectados en las partes inferior y superior del tanque. En la figura 2.30C f puede verse un esquema de la instalación. Es importante que los dos diafragmas estén a al misma temperatura para evitar los errores en la medida que se presentarían por causa de las distintas dilataciones del fluido contenido en el tubo capilar.

Si el tanque es elevado y el medidor se sitúa a un nivel muy inferior, la columna del liquido que va desde el nivel mínimo al medidor es mucho mayor que la propia variación de el nivel, por lo cual, la precisión del mismo se hace sobre una parte muy pequeña de la escala.

Para corregir este inconveniente se utiliza un muelle llamado de elevación que, en forma similar a de su presión esta aplicado a la barra de equilibrio de fuerzas del transmisor y produce una fuerza que se ajusta igual a la de la columna de liquido citada.

Del medidor de presión diferencial puede emplearse también en la medida de interfaces. La amplitud de la medida vendrá dada por la diferencia de presiones sobre el diafragma del elemento, primero con el tanque lleno del liquido mas denso y después con el liquido menos denso. Por ejemplo, si la interfase en agua -keroseno (γ = 0.8) y el tanque tiene tres metros de altura, la presión diferencial disponible Será de :

0,098 X 3X1 - 0,098X 3 X 0,8 = 0,0588 bar = 600mm c. de a.

que puede medirse fácilmente con un transmisor de presión diferencial sensible dotado de resorte de elevación para compensar la presión inicial de liquido menos denso .

La precisión de los instrumentos de presión diferencial es de +/- 0.5% en los neumáticos +/- 0.2% a +/-0.3% en los electrónicos, y de 0.15+/-% en los inteligentes con señal de salida de 4-20mA c.c. y de +/-0.1% en los que se emplean en los tanques abiertos y cerrados a presión y a vació , no tienen partes móviles dentro del tanque, son de fácil limpieza, son precisos y confiables , admiten temperaturas del fluido hasta 120° C y no son influidos por las fluctuaciones de presión. El tanque cerrado presenta el inconveniente de la posible condensación de los vapores del tanque en el tubo de conexión al instrumentó; este inconveniente se elimina fácilmente con el resorte de su presión descrito. Hay que señalar que el material del diafragma debe ser el adecuado para resistir la corrosión del fluido (existe material de acero inoxidable 316, monel, tantalio, hastelloy B, inoxidable recubierto de teflón).

Los instrumentos basados en la presión hidrostática permiten inventariar el tanque. En la figura puede verse el montaje de los instrumentos, tres transmisores de presión situados en la parte inferior, media y superior del tanque, y una sonda de temperatura. Las medidas calculadas son:



La temperatura media tomada entre la parte inferior y la media del tanque permite corregir la densidad y el volumen calculado. Otros factores que influyen son la configuración del tanque, los asentamientos del tanque en el terreno, las expansiones térmicas y la variaciones de densidad en las capas del liquido. La preescisión en la medida de la masa llega al +/-0.01%. 2.3.2 DESPLAZADOR DE NIVEL.

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 unido a su extremo libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior del tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior al tanque.

Figura 2.31 Medidor de nivel NMT

El tubo de torsión se caracteriza porque el ángulo de rotación de su extremo libre es

directamente proporcional a la fuerza aplicada, es decir, al momento ejercido por el flotador. El movimiento angular del extremo libre del tubo de torsión es muy pequeño, del orden de los 9°. El tubo proporciona además de un cierre estanco entre el flotador y el exterior del tanque (donde se dispone el instrumento receptor del par transmitido)

Este método se basa en la diferencia entre el peso de un cuerpo en un líquido y la fuerza de empuje que ejerce esté último sobre el cuerpo (principio de Arquímedes). Esta fuerza de empuje depende del volúmen desplazado del cuerpo, la densidad relativa del medio y el nivel de éste. Para que el cuerpo sea desplazado es necesario que el cuerpo sea más pesado que el medio desplazado.

Usualmente, se monta el cuerpo a ser desplazado en una tubería de by pass, lo que permite realizar calibraciones y monitoreo independientemente del proceso. Si el cuerpo va a ser montado directamente en el estanque, usualmente se hace dentro de una guía.

Este método de medición es bastante preciso pero depende de la densidad relativa y requiere de una gran cantidad de equipamiento mecánico. Medición de la interfase.

El instrumento anterior sirve también para la medición de la interfase entre dos líquidos inmiscibles de distinta densidad como agua y aceite. En este caso el flotador es de pequeño diámetro y de gran longitud y está totalmente sumergido. El peso del volumen desplazado por el flotador, es decir, el empuje, se compone entonces de dos partes, del líquido más denso en la parte inferior y del menos denso en la superior, con una línea de separación de la que depende el par de torsión proporcionado al transmisor exterior.

Se ve claramente que el empuje depende del nivel relativo de separación de los dos líquidos y que la amplitud de medida está determinada por la diferencia entre las densidades de los líquidos. Las dimensiones relativas del flotador (longitud y diámetro) dependerán pues de la amplitud de medida seleccionada.



El instrumento sirve también para medir la densidad del líquido. En este caso, el flotador esta totalmente sumergido. El campo de medida de densidades es bastante amplio, de 0.4 a 1.6. El cuerpo del medidor puede estar montado directamente en el tanque o en un tubo vertical al lado del tanque.

El movimiento del brazo de torsión puede transmitirse por medio del eslabón a un transmisor neumático o electrónico de equilibrio de fuerzas, o digital permitiendo en la conexión una compensación mecánica o digital para el peso específico del líquido. La precisión es del orden de γ 0.5% a γ 1% y el intervalo de medida puede variar de 0-300 a 0-2000 mm c.de a.

El instrumento puede utilizarse en tanques abiertos y cerrados a presión o a vacío, tiene una buena sensibilidad pero presenta el inconveniente del riesgo de depósito de sólidos o de crecimiento de cristales en el flotador que afectan a la precisión de la medida y es apto sólo para la medida de pequeñas diferencias de nivel (2,000 mm máximo estándar). La medida de nivel de interfases requiere flotadores de gran volumen. 2.3.3 METODOS ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS. Instrumentos basados en características eléctricas del liquido.

El medidor de nivel conductivo o resistivo(figura 2.31A) consiste en uno o varios electrodos y relé eléctrico o electrónico que es excitado cuando el líquido moja a dichos electrodos. El líquido debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito electrónico, y de este modo el aparato puede discriminar la separación entre el líquido y su vapor, tal como ocurre, por ejemplo en el nivel de agua de una caldera de vapor.

Figura 2.31A Medidor de nivel conductivo

La impedancia mínima es del orden de los 20 MΩ/cm, y la tensión de alimentación es alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas por causa del fenómeno de la electrólisis. Cuando el líquido moja los electrodos se cierra el circuito electrónico y circula una corriente segura del orden de los 2mA; el relé electrónico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola de nivel del líquido o ante cualquier perturbación momentánea o bien en su lugar se disponen dos electrodos poco separados enclavados eléctricamente en el circuito.



El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, utiliza relés eléctricos para líquidos con buena conductividad. Montado en grupos verticales de 24 o más electrodos, puede completar los típicos niveles de vidrio de las calderas, y se presta a la transmisión del nivel a la sala de control y a la adición de las alarmas correspondientes.

Una variante del aparato se utiliza en el control del nivel de vidrio en la fusión. Un sistema electromecánico baja el electrodo hasta que éste entra en contacto con al superficie del vidrio fundido que a las temperaturas de fusión es conductor. El circuito está proyectado de tal forma que en el momento del contacto, el electrodo queda parado y su posición marcada en un registrador, instantes después invierte su movimiento hasta romper el contacto eléctrico y se repite nuevamente el ciclo.

El instrumento es versátil, sin partes móviles, su campo de medida es grande con la limitación física de la longitud de los electrodos. El líquido contenido en el tanque debe tener un mínimo de conductividad y si su naturaleza lo exige, la corriente debe ser baja para evitar la deterioración del producto. Por otro lado, conviene que la sensibilidad del aparato sea ajustable para detectar la presencia de espuma es caso necesario.

El medidor de capacidad mide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes del tanque. La capacidad del conjunto depende linealmente del nivel del líquido.

En fluídos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacidad total del sistema se compone de la del líquido, la del gas superior y de las conexiones superiores.

En fluídos conductores con una conductividad mínima de 100 microhmios / c.c el electrodo está aislado usualmente con teflón interviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo en la zona del líquido y del gas.

El circuito electrónico alimenta el electrodo a una frecuencia elevada, lo cual disminuye la reactancia capacitiva del conjunto y permite aliviar en parte el inconveniente del posible recubrimiento del electrodo por el producto.

El sistema es sencillo y apto para muchas clases de líquidos. Sin embargo, hay que señalar que en los fluídos conductores, los sólidos o líquidos conductores que se encuentran

En suspensión o emulsión, y las burbujas de aire o de vapor existentes, aumentan y disminuyen respectivamente la constante dieléctrica del fluido dando lugar a un error máximo de 3% por cada tanto por ciento de desplazamiento volumétrico. Por otro lado, al bajar el nivel, la porción aislante del electrodo puede quedar recubierta de líquido y la capacidad adicional que ello representa da lugar a un error considerable.

La precisión de los transductores de capacidad es de +- 1%. Se caracterizan por no tener partes móviles, son ligeros, presentan una buena resistencia a la corrosión y son de fácil limpieza. Su campo de medida es prácticamente ilimitado y puede emplearse en la medida de nivel de interfases. Tiene el inconveniente de que la temperatura puede afectar las constantes dieléctricas y de que los posibles contaminantes contenidos en el .líquido pueden adherirse al electrodo variando su capacidad y falseando la lectura, en particular en el caso de líquidos conductores. El funcionamiento del sistema a una frecuencia elevada o bien la incorporación de un circuito detector de fase, compensan en parte este inconveniente.



El sistema ultrasónico de medición de nivel, se basa en la emisión del impulso

ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo en un receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque.

Figura 2.32 Medidor de nivel ultrasónico NUS.

Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 KHz. Estas sondas atraviesan

con cierto amortiguamiento o reflexión el medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del sólido o del líquido.

En las aplicaciones de alarma de nivel los sensores vibran a una frecuencia de resonancia determinada, que se amortigua cuando el líquido los moja.

En el segundo caso de indicación continua del nivel, la fuente ultrasónica genera impulsos que son detectados por el receptor una vez que a transcurrido el tiempo correspondiente de idas y vuelta de la onda a la superficie del sólido o del líquido.

Figura 2.33 Control de nivel por Vibración.

El sensor emisor dispone de un oscilador excitador para enviar un impulso ultrasónico a la superficie del fluido y el sensor receptor recibe esta señal reflejada enviando una señal función del tiempo transcurrido, y por lo tanto del nivel, a un oscilógrafo o a un indicador.

La precisión de estos instrumentos es de +- 1 a 3%. Son adecuados para todos los tipos de tanques y de 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 en el caso de un líquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos.

La utilización del ordenador permite, a través de un programa, almacenar el perfil ultrasónico del nivel, y así tener en cuenta las características particulares de la superficie del líquido tal como la espuma, con lo cual se mejora la precisión de la medida. Por otro lado, el ordenador facilita la conversión del nivel a volúmen del tanque para usos de inventario, y además proporciona características de autocomprobación del instrumento.



El sistema de radar de microondas emplea la propagación de una onda

electromagnética que no es influida por la temperatura ni por las variaciones de densidad que pueden existir sobre el líquido. De este modo, la espuma, que es transparente a la señal de radar, deja de ser un problema como ocurriría en el medidor de ultrasonidos. Un oscilador de estado sólido genera una frecuencia de barrido de 10 a 11 GHz y enfoca la señal sobre el líquido por medio de una antena. La diferencia de frecuencias entre las señales de transmisión y de retorno es proporcional al tiempo empleado por las mismas.

Como la constante dieléctrica de los vapores sobre el líquido es casi la unidad, la variación de la velocidad es despreciable, de modo que la señal de velocidad de radar es más constante que la de ultrasonidos. El 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 radiación gamma recibida en una señal eléctrica de corriente continua. Como la transmisión de los rayos es inversamente proporcional a la masa del líquido en el tanque, la radiación captada por el receptor es inversamente proporcional al nivel del líquido 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 más corta. La fuente radiactiva pierde igualmente su radiactividad en función exponencial del tiempo. La vida medida (es decir, el tiempo necesario para que el emisor pierda la mitad de su actividad) varía 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.

Las paredes del tanque absorben parte de la radiación y al detector le llega solo un pequeño porcentaje. Los detectores son, en general, tubos Geiger o detectores de cámara iónica y utilizan amplificadores de c.c. o de c.a . El instrumento dispone de compensaciones de temperatura, de linealización de la señal de salida, y de reajuste de la pérdida de actividad de la fuente de radiación, extremo este último a tener en cuenta para conservar la misma precisión de la puesta en marcha. Como desventajas en su aplicación figura en blindaje de la fuente y el cumplimiento de las leyes sobre protección de radiación, que en nuestro país están reglamentadas por la Junta de Energía Nuclear.

La precisión de la medida es de es +- 0.5 a +- 2%, y el instrumento puede emplearse para todo tipo de líquidos ya que no está en contacto con el proceso. Su lectura viene influida por el aire y por los gases disueltos en el líquido.

El sistema se emplea en caso de medida de nivel en tanques de acceso difícil peligroso. Es ventajoso cuando existen presiones elevadas en el interior del tanque que impiden el empleo de otros sistemas de medición . Hay que señalar que el sistema es caro y que la instalación no debe ofrecer peligro alguno de contaminación radiactiva siendo necesario señalar debidamente las áreas en donde están instalados los instrumentos y realizar inspecciones periódicas de seguridad.

En aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y donde los instrumentos de nivel convencionales fallan



2.3.4 MEDIDORES DE NIVEL DE SÓLIDOS.

La exigencia de la industria requiere el desarrollo de instrumentos capaces de medir sólidos, como materias primas o productos finales contenidos en tanques o silos.

Los detectores de nivel de punto fijo proporcionan una medida en diversos puntos determinados. Entre los más empleados se encuentra el DETECTOR DE DIAFRAGMA, el de CONO SUSPENDIDO, el de VARILLA O SONDA FLEXIBLE y el de PALETAS ROTATIVAS. Detector de diafragma.

Consiste en una membrana flexible que pueda entrar en contacto con el producto dentro del tanque, ésta contiene en su interior un conjunto de palancas con contrapesos que se apoyan sobre un micro-ruptor que cuando el nivel del sólido alcanza el diafragma lo fuerza venciendo el contrapeso actuando sobre el micro-interruptor (mecánico o de mercurio) el cual puede accionar una alarma o actuar automáticamente sobre un transportador o maquinarias asociadas al depósito.

Figura 2.34 Medidores de nivel con diafragma NPF

Ventajas y aplicación.

Bajo costo Pueden emplearse en tanques

cerrados sometidos a baja presión o vacío gracias a una línea neumática que iguala presiones a ambos lados de la membrana.

Es útil para materiales con diversa densidad, y para aquellos materiales granulares cuyo diámetro no sea mayor de 80mm.

Figura 2.35 Detector de nivel neumático.



Cono suspendido.

Consiste en un micro-interruptor montado dentro de una caja estanca al polvo con una cazoleta de goma de la que está suspendida una varilla que termina en un cono, que al alcanzar el interruptor el nivel de sólidos es excitado.

La cazoleta permite flexibilidad a la posición del cono permitiendo que el aparato actúe como alarma de acuerdo al grado (alto/bajo) de nivel. Se debe proteger mecánicamente cuando maneja materiales pesados.

Figura 2.36 Control de nivel por desplazamiento.


Es barato Se utiliza en tanques abiertos Precisión de 50mm Se emplea como alarma y para el control de nivel de carbón, granos y

caliza. Varilla o sonda flexible.

Consiste en una varilla de acero conectada a un diafragma de latón donde está contenido un interruptor, el cual se cierra y acciona la alarma cuando los sólidos presionan. El conjunto de la unidad está sellado herméticamente (a prueba de explosión).


Se emplea como alarma de alto nivel y abiertos, estando dispuesto en la parte posterior del tanque

Se utiliza para medir materiales como carbón Puede trabajar hasta una temperatura máxima de 300ºC Tiene una precisión de 25mm

Paletas rotativas.

Consiste en un eje vertical, dotado de paletas que gira continuamente a baja

velocidad accionado por un motor. Cuando llega el producto a las paletas, las inmoviliza, ocasionando que el soporte del

motor y la caja de engranajes empiecen a girar en sentido contrario. El soporte del motor actúa consecutivamente sobre 2 interruptores; uno excita el

equipo de protección (como por ejemplo una alarma) y el otro desconecta la alimentación eléctrica del motor con lo que éste queda bloqueado.



Si el nivel baja, las paletas se dejan al descubierto, y entonces un resorte vuelve al

motor a su posición inicial liberando los dos micro-interruptores, excitándo el motor por lo que vuelven a girar las palas y se desconecta la alarma.


El eje de las palas puede adaptarse (siendo flexible o rígida) a las condiciones de trabajo

Se emplea en tanques abiertos a baja presión (máximo 10 kg/cm2) Trabajan con materiales de diversas densidades (a prueba de explosión) Se emplean como detectores de materiales granulares y carbón. Precisión de 25mm.

2.3.5 APLICACIONES: Búsqueda bibliografica por parte del alumno, de acuerdo a la carrera correspondiente.



2.4 FLUJO. Medidores de flujo.

El flujo o gasto es otra variable importante en los procesos industriales. Sus unidades son volúmen / unidad de tiempo o masa / unidad de tiempo. En el inicio de la industria, los procesos eran intermitentes y solo se pesaban los componentes y el producto final; actualmente, con los procesos continuos se requiere disponer de medidores precisos para toda clase de características de los fluidos, lo cual ha motivado que el flujo sea la variable con más elementos primarios actualmente en uso. La medición de flujo se utiliza para dos propósitos:

a) Contabilidad, en donde se cuantifican los diversos fluidos para fines contables y balances de masa.

b) Base de control de procesos y operaciones.

El flujo no afecta las propiedades físicas y químicas del fluido, sin embargo, cuando

se utilizan fluídos para realizar una reacción química o mezcla de productos, se afectan las propiedades, haciendo necesario en estos casos, la medición precisa ya que si esto no se logra se afectarán las propiedades físicas o químicas del producto final.

La medición continua tiene lugar a medida que el fluido fluye a través de un conducto,

lo cual permite su indicación, registro y control automático constante durante el tiempo que dura un proceso.

En muchos procesos, los medidores de flujo contribuyen más que cualquier otro tipo

de instrumento de medición a la economía y eficiencia que provee la instrumentación, aunque es relativamente simple en teoría, los medidores del flujo incluyen un número de variables que pueden influir sobre su desarrollo satisfactorio en una instalación dada.

Se han dividido los elementos en grupos cada uno de ellos con un principio de

operación definido, los cuales son los siguientes:

1. Volumétricos 2. Caída de presión en tubería 3. Caída de presión en canales 4. Área variable 5. Velocidad y corriente 6. Masa 7. Torbellino



Métodos de medición de fluidos.

Tabla 2.20 Medidores volumétricos.

Sistema

Elemento Transmisor

Presión diferencial Placa orificio tobera Tubo Venturi Tubo de Pitot Tubo Anular

Conectados a tubo U o a elemento de fuelle o de

diafragma

Equilibrio de fuerzas Silicio difundido.

Área Variable Rotámetro Equilibrio de movimientos Potenciométrico

Puente de Impedancias Velocidad Vertedero con flotador en

canales abiertos Turbina

Sondas ultrasónicas

Potenciométrico Piezoeléctrico

Fuerza Placa de impacto Equilibrio de fuerza Galgas extensiométricas

Tensión Inducida Medidor Magnético Convertidor Potenciométrico

Desplazamiento Positivo Disco Giratorio Pistón Oscilante Pistón Alternativo

Medidor Rotativo (Cicloidal, Birrotor, Oval).

Generador tacométrico o transductor de impulso.

Torbellino Medidor de frecuencia de resistencia de termistor o

condensador de ultrasonidos

Transductor de resistencia.

Tabla 2.21 Medidores de caudal de masa.

Compensación de presión y temperatura en medidores

volumétricos

Térmico Diferencia de temperatura en dos sondas de resistencia

Puente de Wheatstone

Momento Medidor axial Medidor axial de doble turbina

Convertidor de par

Par giroscopio Tubo giroscopio Convertidor de par Presión Diferencial Puente Hidráulico Equilibrio de fuerzas.



2.4.1 INSTRUMENTOS VOLUMÉTRICOS.

Este grupo de medidores también son conocidos como medidores por método directo, su utilización es principalmente para dosificar fluidos, la precisión de estos instrumentos es de 0.5% o mejor.

Los medidores toman una cantidad de fluido definida y lo llevan a través de un medidor hasta la salida del mismo, procediendo con la siguiente porción y así sucesivamente, acumulando los incrementos medidos que se totalizan mecánicamente o por cualquier otro medio para obtener el consumo total.

Estos instrumentos también son conocidos como medidores de flujo de desplazamiento positivo. Las partes mecánicas del instrumento se mueven aprovechando la energía del fluido y dan lugar a una pérdida de carga. La precisión depende de los huelgos entre las partes móviles y las fijas y aumenta con la calidad de la mecanización y con el tamaño del instrumento.

En cada instrumento, se pueden destacar tres componentes comunes:

cámara, que se encuentra llena de fluido

Desplazador, que, bajo la acción del fluido circulando, transfiere el fluido desde el final de una cámara a la siguiente

mecanismo (indicador o registrador), conectado al desplazador, que cuenta

el número de veces que el desplazador se mueve de una parte a otra en la cámara de trabajo.

Bomba de desplazamiento positivo. Una bomba de desplazamiento positivo, puede ser habilitada como un dosificador de flujo, en su forma más común, un émbolo es desplazado hacia atrás y hacia delante entregando en cada embolada, un volumen definido del fluido, El volumen es ajustado con la carrera del émbolo. Acoplando un micro-switch en el cigüeñal del mecanismo, se puede enviar una señal eléctrica hasta un contador de impulsos eléctricos, el cual integrará el número de emboladas totales, las cuales multiplicadas por un factor, proporcionarán el volumen del fluido. Pistón oscilante. Este medidor se utiliza en la medición de cualquier tipo de líquido, no es afectado por cambios de temperatura, viscosidad o densidad. Se fabrican en tamaños nominales desde ¾” hasta 6”, para medir flujos desde 7,5 litros por minuto (2 galones por minuto), hasta 3.785 litros por minuto (1000 galones por minuto). Resiste presiones hasta de 21Kg/cm2. El medidor de presión oscilante está formado por una cámara de medición de forma anular, con una placa divisora que separa los orificios de entrada y de salida. La única parte móvil es el pistón cilíndrico que oscila suavemente en el movimiento de vaivén entre las dos caras planas de la cámara, el cual tiene una ranura que se desliza en la placa divisora que hace de guía del movimiento oscilante.



Al oscilar el pistón transmite su movimiento a un tren de engranes y a un contador, disponiendose un par elevado para accionar los accesorios mecánicos necesarios.

Figura 2.37 Se aprecia una sección transversal de un medidor de pistón oscilante mostrando las cuatro etapas de su ciclo de funcionamiento.

Se puede decir que el pistón tiene cuatro posiciones. En la posición 1el espacio VI se esta llenando, mientras que el espacio V2 se esta vaciando. En la posición 3, el espacio V1 se mantiene lleno, mientras que el espacio V2 se esta llenando y descargando. En la posición 4, el espacio V2 permanece lleno mientras que el espacio V1 la mitad se carga y la mitad descarga. Estos medidores tienen algunos accesorios como impresor y predeterminado, o sea un dispositivo que cierra una válvula cuando se completa la cantidad de fluido deseada. La precisión normal es del 1% pudiendo se llegar a los 0,2% con pistón metálico y 0,5 % con pistón sintético. Estos medidores se usan normalmente en la edición de caudales de agua y de líquidos viscosos o corrosivos. Disco oscilante. Este medidor consiste en un disco contenido en una cámara esférica de forma cónica, la cual está cortada por una división vertical entre los puntos de entrada y descarga. Los espacios arriba y abajo del disco crean una cámara separada que progresa de la entrada a la descarga conforme el disco cabecea cuando un volumen del líquido pasa a través del medidor. Este movimiento es parecido al de una moneda antes de detenerse al caer. Al final del eje de rotación hay un contador acoplado.



Figura 2.38 Partes del medidor de disco oscilante o disco giratorio.

El rango de operación varía desde 4 a 4000 litros por minuto, su precisión es de 1% o

mejor. Estas unidades son capaces de medir un amplio rango de líquidos industriales corrosivos y no corrosivos, incluyendo agua doméstica. Se suministran para altas viscosidades o presiones y algunas unidades tienen un corte automático para control de proceso.

Figura 2.39 Medidor de disco oscilante.

Dentro del cuerpo, el medidor tiene un cedazo que protege el paso de sólidos y sedimentos. Cuando se utiliza un dispositivo de repetición automático para cantidades prefijadas de flujo, el contador comienza a circular y cuando llega a cero principia un nuevo ciclo con la cantidad que se fijó de antemano. El circuito puede estar acoplado a una válvula solenoide que opera una automática de diafragma, una bomba u otro equipo, con el fin de cortar el flujo cuando se ha complementado la cantidad prefijada o bien sonar una alarma que indicará que el flujo indicará predeterminado se ha completado. Como en el caso anterior, el movimiento del integrador es operado por la diferencia de presiones entre la entrada y la salida del medidor. Rotor lobulado (cicloidal). Este medidor consta de dos impulsores lobulados dentro de una cámara de cierre hermético, los cuales giran sin estar en contacto por medio de engranes, con un movimiento similar a una bomba de engranes. Como los lóbulos no están en contacto, la caída de presión es baja y hay deslizamiento sobre todo con un gasto bajo. La aplicación satisfactoria se logra con gastos altos y puede medir hasta 28m3/h (1 000 000 pies3/h). Su precisión es de 1% del flujo.



Aletas rotatorias. Este medidor contiene un tambor excéntrico con 4 aletas radiales que son forzadas hacia fuera por resortes contra la caja cilíndrica del medidor, para formar 4 compartimentos sellados. Encima de la caja, va un reductor con un sistema de engranes que comunica a un calibrador y encima del calibrador va un contador, cuya lectura indica el volúmen del líquido que pasa a través del medidor. Suele llevar también un filtro, que va alojado dentro del recipiente antes del medidor, con el objeto de evitar el paso de sólidos que puedan obstruir el rotor.

Figura 2.40 Esquema de medidor de aletas rotatorias

La presión del fluido hace girar el tambor. El rango de utilización es moderado, la precisión es de 1/2% o mejor, como virtualmente no tiene claros, excepto en los extremos, la fuga es pequeña. Tope rotatorio. En este dispositivo, un rotor limitado opera en relación de tiempo con dos rotores que se desplazan a la mitad de su velocidad. Tiene sello del líquido capilar. Todas las superficies en la cámara de medición son barridas durante el ciclo de medición.

Figura 2.41 Esquema de .trasporte de fluido a través de rotores.

Este dispositivo provee un desplazamiento constante independiente de los cambios en la viscosidad del líquido. Su rango de aplicación es de 19 a 5700 litros/ minuto (5 a 1500 galones /minuto). Su precisión es de + 0.2% sobre el rango de 5 a 100% de relación de flujo. La pérdida de presión para aceite grado 40 es de 2lb/plg2. Así, puede manejar líquidos con viscosidades de hasta grado 150000 de unidades de viscosidad absolutas. Medidor de ruedas ovaladas. El medidor de desplazamiento positivo de ruedas ovaladas mide y continua exactamente la cantidad de líquido que pasa a través de él reduciendo la presión de entrada muy ligeramente para desarrollar la fuerza necesaria para girar un par de engranes internos.



Como la forma de un engrane es oval, al girar el medidor, una gran cantidad de fluido

en el área formada entre la caja de la máquina y uno de los engranes, es entregada en un giro. A causa de la tolerancia mínima empleada en su fabricación, la cantidad de fuga entre los engranes ovales y la pared de la cámara de medición es mínima, de aquí que el medidor es virtualmente inafectado por los cambios de densidad, viscosidad y lubricidad del medio que esta fluyendo.

Figura 2.42 Transporte del fluido por medio de medidores de ruedas ovaladas.

Los engranes se desplazan conforme transcurre el flujo a través del medidor. Se recomienda instalar el medidor con los engranes ovales y sus flechas horizontales para mínima fricción. Si medidor es instalado con la flechas perpendiculares al piso, tanto la sensibilidad como la precisión pueden ser afectadas.

Figura 2.43 Corte transversal de medidor de ruedas ovaladas.

El medidor debe ser instalado en una tubería limpia, libre de cualquier sólido. En todo caso, es necesario instalar cedazos que sirvan como filtro. Los sólidos que entran al medidor afectan la precisión, dañando los engranes y causando que el medidor sea inexacto. También debe evitarse instalar el medidor en el lado de succión de la bomba; esto reduce la cabeza de precisión de la bomba y el líquido pude fugarse a través del empaque de la bomba, después que ha sido medido, causando lecturas erróneas. No se recomienda instalar el medidor en una línea de flujo pulsante, pues esto debe causar un excesivo golpeteo e inexactitud.



Medidor de gas de sello líquido. Una caja cilíndrica, con más de la mitad llena de agua, contiene un tambor con cuatro aletas espirales y una entrada de gas en el centro. El gas entra al compartimiento superior, forzando la rotación. El rango de aplicación es de pocos pies cúbicos por minuto, hasta grandes flujos. La precisión es del 0.5% o mejor. Es utilizado tanto para la medición de gas combustible, como para calibración de otros medidores. La pérdida de presión es tan baja como 3mm de columna de agua. Características de aplicación. A causa de su alto desarrollo, estos medidores son ampliamente utilizados para medición de flujo de aceite combustible y otros productos de hidrocarburos, en instrumentos de pequeño tamaño. También debido a que son auto contenidos y no requieren energía eléctrica, son adecuados para aplicaciones de medición de vehículos tal como distribución de gas, petróleo, aceite y otros líquidos. Los medidores de desplazamiento positivo son instrumentos sensibles al flujo.

Ventajas.

Amplio rango de medición. Adecuados para flujos de alta viscosidad o con grandes cambios de

viscosidad. Lecturas locales directamente en unidades volumétricas, con opción de

salida de pulsos y también con salida de pulsos de alta resolución. No requieren suministro de energía, y son virtualmente inafectados por la

configuración de la tubería de montaje.

Limitaciones.

La tolerancia de construcción de los componentes en movimiento, están sujetos a desgaste.

El mantenimiento regular y el servicio continuo es necesario. No son adecuados para líquidos sucios, no lubricantes o abrasivos. Son caros, particularmente en grandes diámetros y sus refacciones son

caras. Se pueden dañar por alta velocidad y su funcionamiento está muy limitado

por el tamaño del aparato. Son de difícil instalación y tienen alta pérdida de presión.

Transductor de torbellinos y Vortex. El medidor de caudal por torbellino se basa en determinación de la frecuencia del torbellino producido por una hélice estática situada dentro de la tubería a cuyo través pasa el fluido (gas). La frecuencia del torbellino es proporcional al caudal volumétrico. La detección de la frecuencia se logra con una termistancia de muy baja inercia térmica que sigue los efectos de refrigeración del torbellino generado en el gas.



La termistancia es alimentada con una corriente continua constante y las variaciones

de resistencia que se producen dan lugar a variaciones de tensión que son amplificadas obteniéndose como señal de salida una tensión senoidal constante y de frecuencia igual a la del torbellino al pasar por la termistancia. Los transductores de torbellino son adecuados en la medida de caudales de gases. Su precisión es de 0,75%.

Figura 2.44 Esquema general de inductor de torbellinos

Vortex.

El medidor de caudal de vórtice consiste en una barra atravesada dentro del tubo que provoca la formación de unos pequeños remolinos o vórtices, que se van alternando sucesivamente a lado y lado de dicha barra, variando la frecuencia de estos vórtices linealmente con la velocidad del fluido y por lo tanto con el caudal. Estos vórtices actúan sobre la barra que los ha originado, haciéndola vibrar en fase con ellos y transmitiendo esas vibraciones al cristal piezoeléctrico ubicado en la parte superior de la barra. El cristal genera una señal eléctrica oscilatoria de frecuencia proporcional al caudal, de acuerdo a la siguiente ecuación: Q =k*v/d, donde k es una constante, v la velocidad del fluido y d el ancho de la barra.

Figura 2.45 Generación de vértices.



El Medidor de flujo vortex por tanto es un transductor de caudal que entrega una señal eléctrica oscilatoria, cuya frecuencia es proporcional a la magnitud del caudal que se esta midiendo, por lo tanto su respuesta es lineal. El medidor vortex es frecuentemente tenido en consideración de selección para gran número de propósitos porque este puede ser usado para líquidos, gases y vapor de agua y además sin recalibración.

Figura 2.46 Medidores vortex de barra

Los medidores de flujo vortex son relativamente poco sensitivos a cambios en la

temperatura del fluido, presión o densidad. Estos medidores producen una caída de presión pequeña en la línea del tubo. Los medidores vortex son medianamente simples, no tienen partes movibles y pocas conexiones donde puedan ocurrir escapes, su costo de instalación es bajo, requiere poco mantenimiento, su costo no es muy elevado, pero no es útil para flujos bajos o fluidos con número de Reynolds bajo porque no habría formación de vortex, tampoco se recomienda su uso con fluidos corrosivos.

Figura 2.47 Corte transversal de medidores vortex de cono.

Los tipos de transductores que usan:

Transductor de impulsos por microrruptor eléctrico o neumático. Transductor de impulsos por sensor magnético. Transductor de impulsos por disco ranurado. Transductor de impulsos fotoeléctrico.



2.4.2 CAIDA DE PRESION EN TUBERÍA.

Probablemente el método más ampliamente usado para medición industrial de flujo, la presión diferencial (DP), cuyos medidores están disponibles en una gran variedad de tipos, operan con el principio de que el fluido es acelerado a través de una restricción haciendo que su energía cinética momentáneamente aumente a expensas de su energía estática, la presión diferencial h causada por un incremento de velocidad varía de acuerdo a la raíz cuadrada de la relación de flujo Q, según la ecuación :

(2.14)

en donde : Q= flujo k= constante h= diferencial de presión d= densidad Esta fórmula ilustra las limitaciones mayores en el cual se aplican todos los sistemas de presión diferencial, los cambios de densidad no son importantes en la mayoría de las aplicaciones de líquido. Sin embargo, los cambios de densidad en los fluidos gaseosos pueden causar significativos errores en la medición. La principal ventaja de los medidores de presión diferencial es que pueden ser aplicados a un vasto número de mediciones de flujo, incluyendo la mayoría de los líquidos y los gases, líquidos viscosos, sobre un rango extendido de presión y temperatura. Los fluidos difíciles de hecho normalmente imponen más restricciones severas en el dispositivo secundario utilizado para la medición de la presión diferencial, que en el elemento primario en si mismo. Para fluidos difíciles se usan accesorios tales como cámaras de sello, purgadores, colectores de gas, etc. Una de las principales desventajas de este tipo de medidores es la alta pérdida de presión total. La presión total después del elemento primario, que en este caso es una placa de orificio, es menor que la presión de entrada, lo cuál aumenta el costo por pérdida de energía al utilizar este medidor. Este grupo de medidores se pueden clasificar en cuatro secciones: medición directa en tubería, medidores con alta pérdida de presión, medidores con baja pérdida de presión y medidores con utilización de velocidad de fluido. Medición directa en tubería. El método más sencillo para medir flujo es aprovechar la caída de presión a lo largo de una tubería. Es sabido que para que exista flujo en un tramo de tubería, debe existir un gradiente de presión en sus extremos; el flujo puede ser laminar o turbulento, de acuerdo con el número de Reynolds. El flujo laminar es de 2100 hacia abajo .



Medidor de flujo laminar. Este medidor de flujo laminar produce una presión diferencial a lo largo de una tubería, la cual sigue la ley de Hagen-Poiseuille .Cuando el flujo es laminar (Re< 2100), la relación entre le flujo y la caída de presión es lineal. La ecuación es la siguiente :

DP=0.000273 QLmiu /D4

(2.15) en donde:

P= caída de presión en lb/plg2 Q= flujo en galones/ min L= longitud de la tubería entre las tomas de presión en pies miu= viscosidad del fluido a temperatura de operación en centipoises D= diámetro interior de la tubería en plg

Para la medición de flujo con este instrumento sea aceptable. es necesario mantener la viscosidad del fluido constante, bajo condiciones controladas. Este instrumento se puede utilizar en arranques de plantas como si fuese un instrumento de laboratorio, gracias a su relación lineal y su capacidad de flujo que está limitada por la velocidad del sonido dentro de la tubería. Medidor de codo. Cuando el flujo es turbulento, se puede utilizar el codo de una tubería de la instalación, como medidor de flujo. Las tomas de presión del medidor son localizadas a 45º de ángulo de cara de la brida. Cuando la tubería es de 4º o mayor, se utiliza un coco de radio corto, y cuando la tubería es menor de 4º se debe utilizar un codo de radio amplio. Debido a que la presión diferencial es lograda por la velocidad del fluido, la medición de gas por este medio debido a la baja densidad no es práctica. Los líquidos que tienen densidades mayores desarrollan diferencias razonables . El radio de curvatura tiene un considerable efecto en la presión diferencial, por tanto, los codos de radios cortos deben desarrollar más presión diferencial que los codos de radio amplio.

Estos medidores no son afectados por cambios en la viscosidad debido a que las tomas de presión están localizadas en el mismo diámetro. Este medidor no introduce ninguna caída de presión extra debido a que la caída de presión es la misma midiendo o no midiendo flujo. La ecuación más simple para medir flujo es:

Q= 5.663KD2 raiz (h/gr)

(2.16) en donde: Q= flujo en gal/min k= coeficiente de flujo D= diámetro interior de la tubería en plg h= presión diferencial gf= gravedad específica del fluido



Alta pérdida de presión. Cuando se hace una medición de flujo por emisión de presión diferencial se espera que parte de esa presión diferencial no sea recuperada. En ocasiones se grafica la pérdida neta de presión en función de la diferencial medida y en función de la relación de diámetros entre el diámetro del orificio y el diámetro interior de la tubería. Dos son los medidores que definitivamente tienen una mayor caída total de presión. Placa de orificio. La placa con orificio o diafragma consiste en un disco plano y delgado con un orificio, que se inserta entre dos bridas de la tubería de referencia. Este instrumento es el más sencillo de los elementos primarios para medición, el más barato, pero puede resultar caro en funcionamiento debido a las constantes perdidas de presión (60- 80% de la presión diferencial que provoca). Su principio de funcionamiento es sencillo; al pasar por el orificio de menor sección que la tubería, el fluido se va constreñido, y el resultado es una diferencia de presiones en ambos lados de la placa o diafragma. Esta es la presión a medir que es función del caudal. Los diafragmas son muy accesibles, pueden cambiarse fácilmente para acomodarlos a otra capacidad de medida y su rango de aplicación es tan exacto como el tubo de venturi o tobera. Se construyen generalmente del material delgado (0.19- 0.317cm) para orificios de hasta 24.4 cm, o de material grueso (0.635 cm) que se utilizan para orificios mayores o donde se requieren condiciones especiales. Los diafragmas contienen a veces un pequeño orificio adicional para el paso de condensados o de gases.

Cuando se mide caudal de gases, el orificio se encuentra abajo, para permitir el paso de condensados y prevenir de este modo su estancamiento en la placa. Cuando el fluido es un líquido, este agujero se ubica en la parte superior para prevenir la formación de bolsas de gas. La utilización de tales orificios de drenaje constituye frecuentemente una desventaja, debido a que pueden producir errores en la medida.

Usualmente en los orificios de los diafragmas son concéntricos, pero también pueden

ser excéntricos o de segmento circular. Cuando los fluidos contienen una alto porcentaje de gases disueltos, es recomendable al uso del diafragma con orificio excéntrico; de mayor importancia, esta placa sirve especialmente para medir gases que contengan grandes cantidades de condensados. La placa con orificio excéntrico se monta con el hueco tangente a la superficie superior de la tubería, cuando el fluido es un líquido, y tangente a la superficie inferior de la tobera cuando el fluido es un gas. Los líquidos que contengan sólidos, si estos no son abrasivos, pueden ser medidos con diafragmas de orificio de segmento o de orificio excéntrico. La tolerancia en la construcción de los diafragmas es de 0.1 % del diámetro del orificio. Aunque se dispone de sistemas de más alta exactitud, la de un sistema de medida por diafragma es lo bastante grande para poder manipular, a voluntad, su flexibilidad. En aplicaciones que requieren diafragmas para tuberías de 3.82 cm o menores, se recomienda un conjunto precalibrado consistente en diafragma, bridas y tubos o bien una unidad



soldada. Con tal conjunto puede lograrse una precisión menor del 1%, de todos modos, un error del 12% resulta muy aceptable.

El orificio de un diafragma estándar presenta una arista viva en la cara por la que

entra un fluido, mientras que la cara de la salida presenta un chaflan a 45 grados. De esta forma, conforme a lo publicado por la ASME, se obtendrán medidas exactas con las viscosidades del fluido para los cuales fue diseñado el diafragma. Sin embargo, cuando la viscosidad varía, el número de Reynolds no es constante y es necesaria una corrección de la medida. El diafragma de arista redondeada de la Foxboro Company esta diseñado de tal forma que la presión diferencial a través de él permanece constante con el caudal, para un amplio espectro de variación del número de Reynolds.

Hay dos métodos de uso para la elección del diafragma y la ejecución de la medida.

Uno de ellos consiste en calcular el diámetro del orificio a partir del diámetro de la tubería, la naturaleza del fluido a medir, el caudal máximo y la escala del aparato de medida. Una vez hecho esto, la medida se obtiene directamente sobre la escala del instrumento, sobre una gráfica o como una señal de salida para un transmisor a distancia. El otro método consiste en utilizar diafragmas de orificio y multiplicar las medidas obtenidas por una constante correspondiente a las condiciones expresadas anteriormente.

Figura 2.48 Tipos de tubo pitot. El tubo de pitot. Consiste en un

tubo sencillo u otro dispositivo similar, de tamaño no muy grande, que suele estar montado, enfrentado al viento relativo, en el borde de ataque o debajo del ala, aunque en ciertos aeroplanos está colocado en el morro del avión o en el estabilizador vertical. Esta localización le pone a salvo de perturbaciones o turbulencias causadas por el movimiento del avión en el aire. Este dispositivo, tiene un pequeño agujero en la punta para recoger la presión de impacto, que debe permanecer siempre libre de cualquier impureza (insectos, etc..) que lo obstruya. Suele tener un pequeño orificio en la parte de abajo para facilitar su limpieza. No es recomendable soplar este tubo para limpiarlo, pues esto podría causar daño a los instrumentos.

Cuenta también con una resistencia, accionable con un interruptor desde la cabina (pitot heat), que al calentarse impide la creación de hielo cuando se vuela en condiciones atmosféricas que propician su formación. Siempre que se vaya a entrar en condiciones de humedad visible, es conveniente conectar la calefacción del pitot para prevenir la formación de este hielo, y una vez desaparecidas estas condiciones, desconectarla para evitar desgastes y falsas indicaciones debido a la temperatura.

Las tomas estáticas. Como su propio nombre indica, toman la presión del aire libre en que se mueve el avión. Son unos orificios, protegidos por alguna rejilla o similar, que normalmente están situados en el fuselaje porque es donde sufren menos perturbaciones. Lo usual es que estas tomas sean dobles, una a cada lado del fuselaje, y sus conducciones se conecten en forma de Y en una sola para compensar posibles desviaciones, sobre todo en los virajes ceñidos en que una toma recibe mayor presión estática que otra.



Estas tomas, salvo en aviones capaces de volar en zonas de muy baja temperatura, no necesitan de protección antihielo debido a su ubicación. Igual que el tubo pitot deben mantenerse limpias de impurezas.

Figura 2.49 Sistema de pilot y estática.

Figura 2.50 Medidor de Caudal por Presión Diferencial RCD

Baja pérdida de presión.

Tubo Venturi. Este elemento primario, promedia la velocidad del flujo a través de una sección transversal de una tubería. Es recomendable la utilización de este instrumento cuando el fluido a medir contiene grandes cantidades de sólidos en suspensión. También se utiliza cuando se desea la máxima exactitud en la medición de fluidos altamente viscosos y cuando se desee que la pérdida de carga debida al elemento primario sea mecánica. Este último hecho no es suficiente para decidir a favor de este elemento, ya que su costo inicial es alto y otros dispositivos tienen características similares o mejores. Para disminuir la pérdida de carga en la medición, podemos colocar una combinación de tubo Venturi y tobera aunque perdemos precisión en la medición.

Tubo Dall. Consiste de un tramo de tubo corto, en el que las pérdidas de carga son menos que los anteriores instrumentos. Básicamente es un cuerpo cilíndrico corto, que se diseña con una disminución repentina del diámetro, seguida de una restricción cónica y de salida divergente.

Toberas de Flujo. La tobera de flujo es un instrumento que permite medidas de velocidades de fluido cercanas al 60 – 65 % mas elevadas que permiten los diafragmas. Por ello la tobera encuentra su principal aplicación cuando se han de medir grandes caudales en líneas sometidas a alta presión y que tengan poco diámetro.



Respecto a la pérdida de carga, seria un error seleccionar una tobera de flujo para reducir dicha pérdida de carga ocasionada por un diafragma, ya que para obtener una presión diferencial medible con una tobera, para el mismo caudal, es necesaria una tobera de diámetro menor, la cual causará aproximadamente la misma pérdida.

Una razón aceptable que favorece ocasionalmente la utilización de las toberas de flujo, tanto con los diafragmas como con las toberas, es el hecho de que se necesita cierta longitud de tubería recta antes y después del elemento primario.

Esta longitud ha de ser tanto mayor cuanto sea mayor el diámetro del orificio del diafragma o de la tobera; pero siendo el diámetro de la tobera menor que el del diafragma, se necesita una menor longitud de tramo recto con aquella que con éste. Esta ventaja puede ser muy importante en algunos montajes de equipos.

La reducción en la sección a la entrada del cono junto con el diseño de la garganta anular produce una presión diferencial apreciablemente mayor que la que se obtiene con un Venturi o una tobera de dimensiones comparables. Es un instrumento barato, más corto y más ligero que un Venturi.

2.4.3 CAIDA DE PRESION EN CANAL ABIERTO. Vertedero.

Definición: Cuando la descarga del líquido a superficie libre es efectuada por encima de un muro o una placa, tendremos lo que se denomina un vertedero. Si la descarga se realiza sobre una placa de arista aguda, el vertedero se llama de pared delgada. Si por el contrario, el contacto entre la pared y la lámina vertiente es más bien toda una superficie, se denomina de pared gruesa. El punto más bajo de la pared en contacto con la lámina vertiente se conoce como cresta.

Vertedero de lámina delgada.

En un vertedero de cresta delgada (altura de cresta (w) referida al fondo del canal, nivel de la superficie libre del agua por sobre la cresta en una zona no perturbada* (h) y velocidad uniforme del agua en esa sección V), el caudal ideal descargado, para todo nivel de la superficie del canal por sobre w, se obtiene al aplicar la ecuación de Bernoulli a una línea de corriente entre dos secciones ubicadas aguas arriba del vertedero.

Este balance se aplica a una situación ideal en que la energía se conserva, la distribución de presiones sobre la cresta del vertedero es siempre presión hidrostática y el flujo no se contrae en dicha sección.

Para obtener el caudal real, se define un coeficiente de gasto (Cd) de manera que multiplicando ese coeficiente de gasto por el caudal ideal se corrijan las discrepancias entre las hipótesis supuestas y las características reales del flujo.



Vertederos de pared delgada con descarga sumergida.

Un vertedero con descarga sumergida requiere un análisis más complejo ya que la descarga (que se verá disminuida) pasará a ser función también de la profundidad aguas abajo. La medición del caudal de las corrientes naturales nunca puede ser exacta debido a que el canal suele ser irregular y por lo tanto es irregular la relación entre nivel y caudal.

Los canales de corrientes naturales están también sometidos a cambios debidos a erosión o depósitos. Se pueden obtener cálculos más confiables cuando el caudal pasa a través de una sección donde esos problemas se han limitado.

En general las estructuras a través de la corriente que cambian el nivel de aguas arriba se denominan vertederos y las estructuras de tipo canal se denominan aforadores, aunque esta distinción no siempre se cumple. Una distinción más importante es entre dispositivos estándar y no estándar.

Un vertedero o aforador estándar es el que se construye e instala siguiendo

especificaciones uniformes y cuando el caudal puede obtenerse directamente de la profundidad de la corriente mediante el empleo de diagramas o tablas de aforo, es decir, cuando el aforador ha sido previamente calibrado.

Un vertedero o aforador no estándar es el que necesita ser calibrado individualmente

después de la instalación mediante el empleo del método velocidad / superficie como cuando se establece el aforo de una corriente. Existe un conjunto tan amplio de dispositivos estándar que es preferible evitar las estructuras no normalizadas salvo para hacer cálculos aislados de los caudales de la corriente utilizando el método velocidad / superficie en un puente o un vado o una alcantarilla.

La mayor parte de los vertederos están concebidos para una descarga libre sobre la

sección crítica con el fin de que el caudal sea proporcional a la profundidad de la corriente en el vertedero, pero algunos vertederos pueden funcionar en una situación denominada sumergida o ahogada, en el que el nivel de aguas abajo interfiere con la corriente sobre el vertedero.

Algunos tipos de vertederos se pueden corregir mediante la sumersión parcial, pero esto constituye una complicación poco conveniente que requiere medidas adicionales y más cálculos, por lo que se la debe evitar siempre que sea posible. Otra variación que también es preferible evitar, es la del vertedero sin contracción, que es un vertedero instalado en un canal del mismo ancho que la sección crítica.



Figura 2.50A Tipos de vertederos

Vertederos de pared aguda.

Los dos tipos más comunes son el vertedero triangular (con escotadura en V) y el

vertedero rectangular como se muestra en las figuras 2.50A a y 2.50A b 3.Debe haber una poza de amortiguación o un canal de acceso aguas arriba para calmar cualquier turbulencia y lograr que el agua se acerque al vertedero lenta y suavemente. Para tener mediciones precisas el ancho del canal de acceso debe equivaler a ocho veces al ancho del vertedero y debe extenderse aguas arriba 15 veces la profundidad de la corriente sobre el vertedero. El vertedero debe tener el extremo agudo del lado aguas arriba para que la corriente fluya libremente tal como se muestra en las figuras 2.50A a y 2.50A b, esto se denomina contracción final, necesaria para aplicar la calibración normalizada.



Para determinar la profundidad de la corriente a través del vertedero, se instala un medidor en la poza de amortiguación en un lugar en el que se pueda leer fácilmente. El cero del medidor fija el nivel en el punto más bajo de la escotadura. El medidor debe instalarse bastante detrás de la escotadura para que no se vea afectado por la curva de descenso del agua a medida que el agua se acerca a la misma.

CORRIENTE LIBRE CORRIENTE SUMERGIDA

Figura 2.51 Corriente libre y corriente sumergida sobre un vertedero de pared aguda

Figura 2.52- Corriente libre con contracción final y corriente controlada con contracción en el vertedero en un canal



(a) vertedero con escotadura en V de 90°

(b) vertedero con escotadura rectangular

Figura 2.53 Medición del caudal con vertederos de pared aguda



Figura 2.54 Los vertederos con pared aguda deben tener el extremo agudo aguas arriba

Los vertederos con escotadura en V son portátiles y sencillos de instalar de manera temporal o permanente. La forma en V significa que son más sensibles a un caudal reducido, pero su ancho aumenta para ajustarse a caudales mayores. El ángulo de la escotadura es casi siempre de 90°, pero se dispone de diagramas de calibración para otros ángulos, 60°, 30° y 15°, cuando es necesario aumentar la sensibilidad. En el Cuadro 1Figuran los valores del caudal a través de pequeños vertederos con escotadura en V de 90°.

Para caudales mayores el vertedero rectangular es más adecuado porque el ancho se puede elegir para que pase el caudal previsto a una profundidad adecuada.

Otros vertederos con pared delgada. En algunos vertederos se combinan las características de la escotadura en V y de la

escotadura rectangular.

Vertedero Cipolletti.

El vertedero Cipolletti tiene una cresta horizontal como una escotadura rectangular y lados en pendiente, sin embargo, para instalaciones sencillas, esto no aporta ninguna ventaja con respecto a la escotadura rectangular.

Figura 2.55 Vertedero Cipolletti.



El canal de aforo Parshall. Llamado así por el nombre del ingeniero de regadío estadounidense que lo concibió,

se describe técnicamente como un canal venturi o de onda estacionaria o de un aforador de profundidad crítica. Sus principales ventajas son que sólo existe una pequeña pérdida de carga a través del aforador, que deja pasar fácilmente sedimentos o desechos, que no necesita condiciones especiales de acceso o una poza de amortiguación y que tampoco necesita correcciones para una sumersión de hasta el 70%. En consecuencia, es adecuado para la medición del caudal en los canales de riego o en las corrientes naturales con una pendiente suave.

El principio básico se ilustra en la Figura 2.56. El aforador está constituido por una sección de convergencia con un piso nivelado, una garganta con un piso en pendiente hacia aguas abajo y una sección de divergencia con un piso en pendiente hacia aguas arriba. Gracias a ello el caudal avanza a una velocidad crítica a través de la garganta y con una onda estacionaria en la sección de divergencia.

Para fabricar los canales de aforo Parshall se han utilizado muy diversos materiales. Se pueden prefabricar a partir de láminas de metal o madera o se pueden construir sobre el terreno con ladrillo y argamasa utilizando un armazón de metal prefabricado para garantizar mediciones exactas. Si hacen falta varios aforadores, se pueden moldear en hormigón empleando tableros reutilizables. Se pueden tomar medidas eventuales de la profundidad del caudal a partir de un puesto de aforo establecido en el muro del canal o, si se requieren registros constantes, es posible instalar en una poza de amortiguación colocada en una situación específica un registrador de flotante.

Figura 2.56 Canal de aforo Parshall (dibujado a partir de Scott y Houston 1959)



Tabla2.22 Dimensiones de algunos canales de aforo Parshall (de USDA-SCS 1965)

Ancho de la Garganta "W"

(pies)

A (pies,

pulgadas)

B C D

1 3-0 4-4 7/8 2-0 2-9 1/4 1½ 3-2 4-7 7/8 2-6 3-4 3/8 2 3-4 4-10 7/8 3-0 3-11 ½ 3 3-8 5-4 3/4 4-0 5-1 7/8 4 4-0 5-10 5/8 5-0 6-4 1 /4 5 4-4 6-4 ½ 6-0 7-6 5/8 6 4-8 6-10 3/8 7-0 8-9 7 5-0 7-4 ½ 8-0 9-11 3/8 8 5-4 7-10 1/8 9-0 11-1 3/4



Figura 2.57Dimensiones de un canal de aforo Parshall (de USDA-SCS 1965)

Dimensiones tal como se indican en la Figura 2.57. Dimensión A = 2/3 (W/2 + 4) Para estos límites de ancho de garganta las dimensiones siguientes son constantes: E = 3-0, F = 2-0, g = 3-0, K = 3 pulg, N = 9 pulg, X = 2 pulg, Y = 3 pulg

Derramadores.

Estos instrumentos llamados también Vertederos consisten en una presa sobre cuyo borde se derrama el líquido, o bien, tiene un corte por el que pasa el líquido. Los vertederos o derramadores pueden ser rectangulares, triangulares, etc. Los vertederos de borde cortante tienen bordes semejantes a los de los orificios a escuadra o desvanecidos;



generalmente todos los vertederos tienen un tipo de bordes. Algunos otros se llaman vertederos de cresta ancha. Generalmente se denomina ho a la carga del vertedero que es la altura del nivel del líquido por encima de la cresta o la base del corte. Estos “instrumentos” de medición son muy sencillos de entender y se utilizan en mediciones de nivel en donde trabajamos con volúmenes altos de fluidos.

Canales. Estos instrumentos se denominan y constituyen un conjunto de tuberías que forman ductos cuya sección transversal no es circular, y la variación en profundidad es despreciable, además de que se tiene un flujo turbulento. Por lo anterior, podemos decir que para el calculo del flujo a través de estos canales se utiliza la ecuación de Fanning o Darcy. Podemos encontrar canales rectangulares, canales elípticos, triangulares, rectos. Para el cálculo del flujo del fluido a través de estos instrumentos utilizaremos la modificaciones necesarias de la ecuación de Darcy atendiendo a la forma del canal y a las características reológicas del fluido. 2.4.4 MEDIDORES DE ÁREA VARIABLE.

Figura 2.58 Rotámetro ROTAMETRO

Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un tubo vertical ligeramente cónico con el extremo de menor diámetro en la parte inferior. El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la base del flotador; al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de flujo por el área anular, área formada entre el flotador y la pared del tubo y será tal que la caída de presión en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de gravedad y el peso del flotador, en ese momento el flotador permanece estacionario en algún punto del tubo. La pérdida de presión se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo. Entonces para cada flujo. El flotador alcanza una altura determinada. El tubo cónico lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo máximo. Los rotámetros no necesitan tramos rectos de tubería antes y después del punto donde se instalan.



La ecuación correspondiente al flujo ó caudal (Ca) viene dada por:

(2.17)

Cada magnitud tiene el significado indicado en la figura anterior y K es el coeficiente del rotámetro. Generalmente el rotámetro se calibra con el fluido para el cual se empleará como medidor del caudal. Sin embargo, si se calibra con un fluido A de densidad A y después se emplea para medir el caudal de otro fluido B de B, la relación de caudales viene dada por:

(2.18)

Se debe utilizar un rotámetro en el que el caudal de calibración deseado se obtenga con el flotador en la zona central de la escala de lectura. Con este sistema de calibración y utilizando el montaje detallado en el esquema, se determina el caudal de calibración por lectura directa de la posición del flotador sobre la escala graduada que esta impresa en el tubo del rotámetro.

Figura 2.59 Rotámetros comerciales



2.4.5 INSTRUMENTOS ELECTRÓNICOS:

a). Una unidad compensadora (multiplicador-divisor) que trabaja con un transmisor de presión diferencial, un transmisor de presión absoluta PP/I de 4-20 miliampers c.c. y un transmisor de temperatura TC/I de 4-20mA cc.

b). Una unidad calculadora que compensa el caudal de gas para las variaciones de temperatura y presión y con correcciones manuales de peso específico y compresibilidad. Características: alta precisión de + 0.2% de la escala para el intervalo 4-100% del caudal y señal de salida 0-10V cc., su estabilidad y su facilidad de calibración.

c). Una unidad calculadora que compensa el caudal de gas para las variaciones de densidad del gas con correcciones manuales del peso específico. Sus características son semejantes a la unidad anterior exceptuando una mayor precisión de +0.15% de la escala.

En cada uno de los sistemas descritos, la precisión final de la medida depende de la influencia de los varios componentes empleados. Debe señalarse que con placa-orificio colocada en tubería especial prefabricada puede obtenerse una precisión en el caudal de 0.5%.

Algunos compensadores digitales con microprocesador reúnen transmisores en un solo aparato, midiendo la presión, la presión diferencial y la temperatura. Se reduce así el costo de la medición y se aumenta la precisión. Medidores de caudal de masa.

La determinación del caudal de masa puede efectuarse a partir de:

Una medida volumétrica compensándola para las variaciones de densidad del fluido, o bien determinar directamente el caudal masa aprovechando características medibles de la masa del fluido. En el primer caso se compensa directamente la densidad o bien las variables de presión o temperatura.

Compensación de variaciones de densidad del fluido en medidores volumétricos. En los líquidos, como son incompresibles, la densidad varía por los cambios en la

temperatura del fluido. Si se instala un transmisor de densidad que mide ésta en condiciones de servicio, bastará aplicar su salida directamente a la salida del transmisor de caudal para tener así el caudal corregido.

Recordemos que la fórmula simplificada del caudal de un fluido incompresible es:

ocap PPKQ ρ)( −= (2.19)

Donde: K= constante Pa-Pc= presión diferencial creada por el elemento Ρo= densidad del líquido en condiciones de servicio



O bien: ocap PPKQ ρ)(2 −= (2.20)

La señal de presión diferencial Pa-Pc captada por el transmisor debe multiplicarse por la señal del transmisor de densidad. En el caso de señales neumáticas pueden emplearse instrumentos compensadores analógicos.

El campo de medida del transmisor de densidad se fija de tal modo que el factor de corrección sea 1 cuando la densidad transmitida corresponde a la de cálculo. Si el transmisor de densidad mide ésta en condiciones estándar, la señal de salida correspondiente debe corregirse manual o automáticamente para las variaciones de temperatura de la línea antes de introducirla en el compensador.

En los gases la fórmula simplificada toma la misma forma que la fórmula anterior para líquidos, ya que el factor ε puede incluirse en la constante K:

(2.21) ocap PPKQ ρ)(2 −=

ρo=peso específico del gas en las condiciones de servicio

Varios métodos pueden emplearse para compensar las variaciones de densidad según sean las condiciones de servicio y la precisión que se desee en la medida:

1. Registrar la temperatura o presión, o ambas, y calcular las correcciones. 2. Compensar automáticamente el caudal sólo para la variable que cambia. 3. Compensar automáticamente el caudal para los cambios en la densidad sólo si se

esperan variaciones considerables en todas las condiciones de servicio.

En este caso puede trabajarse de dos formas:

a) Medir la densidad en condiciones de servicio y compensar así de modo directo y automáticamente el caudal.

b) Medir la densidad en condiciones de referencia y corregirla manual y automáticamente para las variaciones de temperatura (líquido) o temperatura y presión (gas, considerando la compresibilidad constante) teniendo en cuenta que si las presiones son altas, superiores a 10bar, la mayor parte de los gases reales se apartan de la ley de los gases perfectos y es necesario aplicar el factor de corrección de compresibilidad.

Teniendo en cuenta que la expresión de la densidad del gas en condiciones de

servicio en función del correspondiente a 0ºC y 1 atm absoluta de presión es:

sr TP ρρ 273

= (2.22)



P= presión absoluta de servicio T= temperatura absoluta de servicio Ρs =densidad del gas a 0ºC y 1 atm.

Resulta como expresión del caudal: (2.23)

TPPPK

TPPPKQ cascap )('273)(2 −=−= ρ

definir k

Con esta ecuación se considerarán elementos primarios que dan señales cuadráticas del caudal (placa, orificio, tobera, tubo Venturi). Las señales cuadráticas pueden hacerse lineales con el caudal utilizando un instrumento extractor de raíz cuadrada. Existen instrumentos neumáticos que compensan la temperatura o la presión o ambas:

Hay que hacer notar que en la compensación de presión, la medida debe ser en presión absoluta. A presiones superiores de 5 bar pueden utilizarse medidores de presión relativa ajustados para dar señales representativas de la presión absoluta. Medición directa del caudal-masa.

Existen tres sistemas básicos, los instrumentos térmicos, los de momento angular y

los de Coriolis. En menor escala se utilizan los de presión diferencial. Medidores térmicos de caudal.

Se basan en dos principios físicos:

a). La elevación de temperatura del fluido en su paso por un cuerpo caliente. b). La pérdida de calor experimentada por un cuerpo caliente inmerso en el fluido.

El primero es el más utilizado industrialmente. El primer instrumento de esta clase fue

proyectado por Thomas en 1911 para medir el caudal de masa de gas en una tobera. Son también llamados medidores de caudal Thomas.

El medidor de Thomas consta de una fuente eléctrica de alimentación de precisión que proporciona un calor constante al punto medio del tubo por el cual circula el caudal. En puntos equidistantes de la fuente de calor se encuentran sondas de resistencia para medir la temperatura.

Cuando el fluido está en reposo, la temperatura es idéntica en las dos sondas. Cuando el fluido circula, transporta una cantidad de calor hacia el segundo elemento T2, y se presenta una diferencia de temperaturas que va aumentando progresivamente entre las dos sondas a medida que aumenta el caudal.

Esta diferencia es proporcional a la masa que circula a través del tubo, de acuerdo con la ecuación:



)( 12 ttmCQ e −= (2.24)

Q= calor transferido m= masa del fluido Ce= calor específico t1= temperatura anterior t2= temperatura posterior

El sistema está conectado a un puente de Wheatstone que determina la diferencia de temperaturas y la amplifica con una señal de salida de 0-5V c.c. en 1000 ohmios de impedancia. Esta señal puede ser utilizada en registradores, indicadores digitales y controladores que pueden estar situados hasta 300m del instrumento.

La precisión del elemento primario es de +1% de toda la escala, la repetibilidad de +0.2% de la escala y la constante de tiempo de 0.5 a 3s. La medida es apta para bajos caudales de gas que van según los modelos de 0-10cm3/minuto.

Para aumentar el caudal medible se deriva con un capilar el fluído y se intercala un laminador que garantiza el mismo flujo laminar que en el capilar, midiendo el caudal en el sensor se obtienen la medida del caudal total. De este modo, los caudales medibles llegan a 15L/min en gases y a 20Kg/h en líquidos.

Instrumento adecuado para gases: aire, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, helio, amoniaco, argón, monóxido de carbono, anhídrido carbónico, ácido clorhídrico, etano, etileno, metano, fosfórico, etc. También puede emplearse en líquidos pero con caudales muy bajos. Medidores de momento angular.

Se basan en el principio de conservación del momento angular de los fluidos.

Partiendo de la segunda ley de Newton: (2.25)

αIZ =

Donde:

Z= par I= momento de inercia α= aceleración angular

Y de las fórmulas:

(2.26) 2mrI = y IwH =

Se llega a: (2.27)

wrZ

tm

2=



En las que:

H= momento angular m= masa t= tiempo r= radio de giro w= velocidad angular

Medidor axial de una turbina:

Consiste en un rotor radial con canales de paso del fluido, que gira a una velocidad constante por acoplamiento magnético con un motor síncrono, comunicando al fluido un momento angular.

Una turbina adyacente al rotor impulsor elimina el momento angular del fluido y recibe un par proporcional al mismo. La turbina está frenada por un resorte y su posición angular es proporcional al par dando la medida del caudal masa.

Este sistema de medida es sencillo comparado con otros métodos para obtener el caudal masa verdadero, pero es inexacto para caudales bajos, sólo puede medir caudales en un solo sentido y es incapaz de medir variaciones rápidas en el caudal. Medidor axial de doble turbina:

Contiene dos turbinas montadas en el mismo eje y enlazadas con un dispositivo de torsión calibrado. Las palas de las turbinas son de ángulos distintos y tienden a girar a velocidades angulares distintas. Cada turbina tiene un captador que da un impulso para cada vuelta. El impulso de la turbina anterior abre un circuito puerta y el de la posterior lo cierra. Durante el tiempo de apertura se excita un oscilador y el número de oscilaciones indica el desfase angular entre las dos turbinas. El ángulo da el valor par, el cual a su vez es proporcional a la medida del caudal masa. Tienenb una precisión de +1% del valor leído con un intervalo de medida de caudales entre el valor máximo y el mínimo de 5 a 1. Medidor de Coriolis:

Se basa en el teorema de Coriolis que observó 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. Si el móvil se desplaza del centro hacia la periferia experimentará un aumento gradual de su velocidad tangencial, lo cual indica que se le está aplicando una aceleración, y por lo tanto, una fuerza sobre la masa del objeto. Como el radio de giro va aumentando gradualmente, la velocidad tangencial también varía, con lo que se concluye que una variación de velocidad comporta una aceleración que a su vez es debida a una fuerza que actúa sobre la bola. Estas son, respectivamente la aceleración y la fuerza de Coriolis.

La generación de la fuerza de Coriolis puede producirse de dos formas:



a). Por inversión de las velocidades lineales del fluido mediante la desviación de un bucle en forma de omega Ω 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 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:

VwmF 2= Siendo:

F= fuerza de Coriolis m= masa del fluido contenida en el tubo recto de longitud L w= velocidad angular alrededor del eje del tubo en Ω V= velocidad lineal del fluido

El par creado respecto al eje R-R del tubo es: rQwrwVmFrM 442 ===

Si Kses la constante de elasticidad del tubo y θ el ángulo de torsión del tubo, la fuerza

de torsión del tubo equivale al par creado respecto al eje R-R del tubo es: θsKT = )

Luego como M=T resulta finalmente el caudal másico: rw

KQ s

4θ

=

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. La diferencia de ondas se traduce en impulsos que alimentan un integrador lineal. Cuando hay caudal, el integrador carga un condensador y la carga es conectada a una señal analógica proporcional al ángulo de torsión del tubo. La diferencia en el tiempo (Δt) de las señales de los sensores de posición está relacionada con θ y con la velocidad (Vi) del tubo en su punto medio según:

tr

VTg i Δ=2

θ

y como θ es pequeño, resulta:

trwLΔ=

2θ

Y combinando las expresiones de Q y θ, resulta: tr

LKQ s Δ= 28

lo que indica que el caudal sólo es proporcional al intervalo de tiempo y a las

constantes del tubo. Es independiente de w (frecuencia de vibración del tubo).

b). Por inversión de las velocidades angulares del fluido mediante un tubo recto. Se observa que la velocidad lineal del fluido en los puntos A y B es la misma, pero que la vibración a que se somete el tubo es tal que la velocidad angular en A es contraria a las agujas del reloj mientras que en B es en el mismo sentido. Esta diferencia de fase es la que miden los sensores y es proporcional al caudal másico. La ventaja principal del tubo recto con relación al tubo en Ω es que su pérdida de carga es muy baja. La medida es independiente de la temperatura, presión y densidad del fluido. Todos estos instrumentos de



caudal pueden disponer de unidades de transmisión inteligente que les permiten su fácil calibración, el cambio rápido del campo de medida y la lectura de la variable en cualquier punto de la instalación donde se hayan previsto tomas, por ejemplo en el transmisor y en el receptor.

Medidores de turbina.

Introducidos al mercado en la década de los cuarenta, estos dispositivos tienen una precisión muy alta y gran resistencia mecánica. Su construcción, muy sencilla, consta de un rotor montado sobre unos cojinetes y empotrado dentro de un compartimiento. Cuando el fluido que queremos medir circula a través de este compartimiento, el rotor empieza a girar libremente a una frecuencia proporcional a la cantidad de fluido que está pasando en un momento dado.

Figura 2.60 Medidor de turbina

Los medidores tipo turbina tienen como principal función la de mandar una señal de salida de la medición con estas mediciones para líquidos viscosos con poca limpieza así como gases Ideales para lugares o procesos con condiciones extremas de temperatura y presión. Incluyendo gas natural, CO2, hidrógeno, oxigeno, nitrógeno, gasolina, alcohol, precisión de procesos, entre otros. Luego se instala un dispositivo detector capaz de medir la frecuencia de giro del rotor.

La salida de este detector se conecta a un circuito electrónico que produce una señal equivalente a la velocidad de fluido que circula por el medidor. Esta señal, a su vez, se alimenta de un dispositivo registrador / indicador con una escala graduada en unidades de velocidad de flujo. Medidores magnéticos de flujo .

Estos medidores se basan en los hallazgos del físico inglés Faraday, quien descubrió en 1831 que al mover un material conductor dentro de un campo magnético se producía una fuerza electromagnética de magnitud proporcional al movimiento. Se dice que Faraday intentó medir el caudal del río Támesis aprovechando el campo magnético de la tierra y colocando dos electrodos en las riveras opuestas del río. No obtuvo los resultados esperados porque aún no conocía el fenómeno de la polarización de los electrodos. Este fenómeno se debe a la electrólisis que se produce entre los electrodos cuando éstos se alimentan con corriente directa. La electrólisis produce gases que contaminan los electrodos, con lo que se evita un contacto eficiente entre éstos y el líquido que fluye en la tubería. Para evitar esta manifestación, los medidores magnéticos actuales se alimentan con corriente alterna.



En resumen, un medidor magnético de flujo consiste básicamente en un campo magnético producido por un par de electroimanes y dos electrodos. Todo esto se encuentra montado en un tubo apropiado que se puede intercalar en la tubería que transporta el fluido que se desea medir. El voltaje que se produce entre los electrodos está en función de la distancia entre ellos, la densidad del flujo magnético y la velocidad del fluido. Como los primeros dos parámetros no varían se puede considerar que el potencial entre los electrodos es proporcional a la velocidad del fluido. Al medir este potencial es posible determinar la velocidad de flujo. Aunque el diseño de un medidor de flujo magnético tiene una gran complejidad, la instalación, la calibración y el mantenimiento son muy sencillos.

La principal ventaja de estos dispositivos es su capacidad para medir fluidos de alta densidad, como los que se presentan en la industria del papel y el azúcar (pulpa, melaza, etcétera). La desventaja principal es su alto costo y que los fluidos que circulen deben tener ciertas características conductoras de electricidad:

La alta precisión del sistema electromagnético permite medir en caudales de baja velocidad.

Su construcción es adecuada para la industria alimentaria, donde se requiere una estricta higiene.

Certificado para su utilización en zonas con riesgo de explosión, garantiza la máxima seguridad operacional.

Medición de flujo de alta precisión y sin restricciones, para todo tipo de fluidos conductores, incluyendo los de alta viscosidad.

Una variedad de protecciones, revestimientos y convertidores de señal permiten configurar el medidor de caual idóneo para cualquier aplicación.

Diámetros de de 6 mm hasta 2 mt. Aplicación especial para aguas residuales y plantas de tratamiento, con

aprobación para consumo.

Rangos de operación:

• Temperatura -20 a 200 °C • Flujo 0.025 a 113000 m3/h • PMáx. 350 bar. • Protección IP 67/68

Figura 2.61 Medidores magnéticos de flujo



2.4.6 ANEMÓMETROS.

Un anemómetro puede ser cualquier instrumento que sirve para medir la velocidad de un gas, por ejemplo un tubo Pitot, pero el término se refiere por lo común a cualesquiera de los tipos que se especifican a continuación:

Anemómetro de Aleta .- Es un contador de revoluciones muy delicado que tiene cojines de piedras preciosas, accionado por un pequeño molino de viento, usualmente de 75 a 100mm de diámetro, construido con aletas planas o ligeramente curvadas, dispuestas en forma radial.

Anemómetro Térmico.- Se compone primordialmente de un conductor fino calentado eléctricamente (casi siempre de platino ) que se expone a la corriente gaseosa cuya velocidad se desea medir. Un aumento en la velocidad del fluido, manteniendo todos los demás factores iguales, incrementa la velocidad del flujo de calor del alambre al gas; esto tiende a enfriar el alambre y alterar su resistencia eléctrica. El tubo de pitot estático combinado está compuesto por un tubo de impacto recubierto con una o más hileras de perforaciones u orificios de 0.51 a 1.02 mm de diámetro, en la cubierta para medir la presión estática. Aquí la velocidad V o m/s en el punto donde se ubica el extremo de la punta, esta dada por la ecuación :

(2.28)

Vo = C (2gcDh )1/2 = C (2gc (pi –po ) / po )1/2

Cuando se trata de gases a velocidades superiores a los 60 m/s, la compresibilidad adquiere una gran importancia especial y deberá utilizarse la ecuación siguiente:

(2.29)

Vo = C( (2gc k po / (k-1) (ro ) ) (( pi /ro ) (k-1) / k-1 ) ) 1/2 Donde:

C= coeficiente adimensional pi =presión de impacto po = presión estática local k = la razón específica entre el calor específico a presión constante y el calor específico a volumen constante. Existen ciertas limitaciones en lo que respecta a los diversos usos de los tubos Pitot. En caso de gases la diferencia es muy pequeña a velocidades bajas. Con líquidos a velocidades bajas, es importante el número de Reynolds. Los coeficientes son notablemente menores que la unidad para número de Reynolds inferiores a 500 para Pitot estático. El tubo Pitot estático está más sensible a las desviaciones o ángulos de ataque que el tubo Pitot simple, debido a la sensibilidad de las tomas estáticas a la orientación. El error comprendido depende enormemente de las dimensiones exactas de la prueba. En general deben evitarse ángulos superiores a 10 ° si se desea mantener errores de velocidad a un nivel del orden del 1% o menos. Este instrumento es una forma especial del tubo Pitot, el cual es capaz de desarrollar una diferencia de presión de 5 a 10 veces a la del tubo Pitot estándar.



Esto se logra utilizando un par de instrumentos Venturi concéntricos en lugar de la prueba Pitot. La toma de baja presión se conecta a la garganta del Venturi interno que a su vez se descarga dentro de la garganta del Venturi externo.

Annubar-. Este instrumento corresponde a una versión comercial del tubo Pitot pero puede aplicarse a mediciones de flujo de líquidos, vapores y gases. Aunque tiene un nuevo diseño, su principio de funcionamiento se basa en la ecuación de Bernoulli para el equilibrio de energía. Es sencillo y consta de un par de probadores pequeños y sensores de presión, colocados dentro de la corriente del flujo del fluido a medir mediante un aditamento en forma de rosca convencional o un niple de tubería. Dicho elemento de flujo puede manejar presiones desde –30 inHg hasta de 2500inHg.

Anemómetro de Película Caliente .- Consiste en un elemento sensor en forma de película de platino que se deposita en un sustrato de vidrio. Es susceptible a la acción de burbujas y polvos cuando se trabaja con líquidos, soporta temperaturas elevadas.

Anemómetro Lasser Doppler.- Miden la velocidad local de fluidos a partir del cambio de la frecuencia de radiación entre una fuente estacionaria y un receptor, a consecuencia de la dispersión de partículas en la trayectoria de la onda.

2.4.7 APLICACIONES: Búsqueda de información bibliografica por parte del alumno, de acuerdo a la carrera correspondiente.



2.5 VARIABLES ANALITICAS

Además de las variables de presión, temperatura, flujo y nivel que son las más comunes en la industria, existen otras que son de interés y que pueden clasificarse como variables analíticas. No serán tratadas todas las faltantes, solamente aquellas que son más comunes en la industria y que pueden clasificarse como físicas y químicas.

Las variables físicas son aquellas relacionadas con las causas físicas que actúan sobre un cuerpo, con su movimiento o bien con la propiedades físicas de las sustancias.

Las variables químicas están relacionadas con las propiedades químicas de los cuerpos o con su composición. Entre ellas se encuentran la conductividad, el pH ,redox, y la composición de gases en una mezcla. 2.5.1 MEDICIÓN DE pH.

El pH es una medición de la acidez o alcalinidad de soluciones acuosas, el valor de pH depende de la disociación o ionización de las soluciones. Los ácidos y las bases, al ionizarse en soluciones acuosas, producen iones hidrógeno (H+). Cuando una solución es ácida y iones hidróxido (OH- ) cuando la solución es de carácter básico. El agua se disocia para formar iones hidrógeno y iones hidróxido como se indican en la siguiente ecuación:

H2O H+ + OH- La medición del pH es una medición de la acidez o alcalinidad efectiva de una solución. Más exactamente, el pH es expresado como la inversa del logaritmo de la concentración de iones hidrógeno, el agua pura tiene una concentración de iones hidrógeno igual a 10-7 moles por litro en condiciones estándar. El logaritmo negativo de esta cantidad es 7, por lo tanto el agua pura tiene un pH de 7.

La escala de pH, se considera de 0 a 14. si un ácido fuerte se disocia completamente

en el agua, una solución normal de este ácido tiene un valor de pH =0. Inversamente una solución normal de una base completamente ionizada en el agua, debe tener un pH de 14. El HCl y el NaOH cubren estas especificaciones, ya que la expresión de pH es logarítmica, la curva de respuesta es extremadamente no lineal.

En la medida de pH pueden utilizarse varios métodos, de entre los cuales los más exactos y versátiles de aplicación industrial son: el sistema de electrodo de vidrio y el de transistor (ISFET-Ion Sensitive Field Effect Transistor). El elemento primario para medir pH es el electrodo de vidrio, un potencial se desarrolla en una membrana de vidrio sensitiva al pH, como resultado de la diferencia en la actividad del ion hidrógeno de la muestra y en una solución estándar contenida dentro del electrodo. Este potencial medido con relación al potencial del electrodo de referencia da un voltaje el cual se expresa como pH.

El potencial medido cambia con la temperatura, por lo tanto se dispone de un segundo elemento o electrodo de referencia que suministra un potencial constante que sirve de referencia para medir el potencial variable del electrodo de vidrio, el electrodo de referencia contiene una celda interna formada por un alambre de plata recubierto con cloruro de plata, en afinidad con un electrolito de cloruro de potasio. Este electrolito pasa a la



solución a través de una unión líquido por un vidrio poroso. De este modo la celda interna del electrodo permanece en contacto con una solución que no varía en concentración y que por lo tanto proporciona una referencia de potencial estable.

En la figura 2.62 puede verse la disposición interna de los electrodos para medir potenciales.

Figura 2.62 Potenciómetro

La variación de la temperatura influye en la medida del pH. A pH constante alcanza los 0.2 mV por grado centígrado. En la figura puede verse esta influencia. Como en el instrumento final de indicación o registro o control, la medida se realiza en unidades de pH en lugar de mV, es necesario compensar la influencia de las variaciones de temperatura de la solución de ensayo (véase la formula E = -RT/F pH). Hay que señalar que el termocompensador o sonda de resistencia compensa sólo la relación tensión-temperatura del electrodo de vidrio y que sólo asegura la medida del pH real de la solución a su temperatura real. No detecta las variaciones con la temperatura propias del pH de cada solución, que siguen una ley distinta de una solución a la otra y para las cuales habría que diseñar un compensador especial para cada una de ellas.

Así pues, la medida del pH es sólido válida a la temperatura a que se encuentra la solución. El electrodo de transistor ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor) es prácticamente irrompible, de estados sólido y proporciona una respuesta muy rápida.

El sensor posee una señal de pH de baja impedancia, lo que le da una gran fiabilidad, y tiene una larga duración, funcionando en los líquidos más sucios y con más impurezas. Incorpora un electrodo de referencia recambiable.

Los instrumentos de pH tienen una precisión de ±0.25 a ±1%, o bien, ±0.03 pH. El microprocesador aporta “inteligencia” al transmisor de pH, proporcionando insensibilidad a vibraciones, compensación automática de temperatura, autodiagnóstico y una precisión de ±0.1%.



Gráfica 2.7 Conductividad

2.5.2 CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA.

La conductividad es la capacidad de una solución acuosa para conducir una corriente eléctrica, la conductividad eléctrica provee una útil medición de concentraciones de iones en soluciones acuosas y cuando son aplicables, constituyen un método analítico simple y de bajo costo. El agua por si misma es muy pobre conductora, el agua muy pura tiene una conductividad muy cercana a 0, pero en soluciones acuosas de ciertas sales aumentan su conductividad, la cual es inversa a la resistencia específica como se ve en la Tabla 2.23.

Tabla 2.23 Valores de Conductividad de soluciones dadas

La conductividad especificada se define como el reciproco de la resistencia en

Ohmios, medida entre dos caras opuestas de un cubo de 1 cm de lado sumergido en la solución. La unidad es el mho o siemens(recíproco de ohmio) que es la conductancia de una solución que con una diferencia de potencial de un voltio entre las caras de los electrodos da lugar a la circulación de un amperio. Como esta unidad es demasiado grande se emplea a menudo en soluciones diluidas el micromho (μmho) que es la millonésima parte de un mho. Celda de conductividad. El elemento primario de la medición de conductividad eléctrica es la celda de conductividad, estas celdas son simples en su estructura básica, consisten físicamente de dos placas de metal o electrodos firmemente espaciados dentro de una cámara aislada, las celdas de inmersión son diseñadas para sumergirse en recipientes abiertos, para

Conductividad específica Resistencia específica Agua destilada 0.01-0.1 10- 100M Agua destilada 1 1000k

Agua 100 10k Sol. 0.05% NaCl 1000 1000

Agua de mar 100k 100 Sol. 30% H2SO4 1000k 1



instalaciones permanentes de tubería y tanques, algunas celdas son provistas con conexiones roscadas, también pueden ser construidas para permitir su desmontaje sin necesidad de cerrar tuberías o de presionar la línea donde están instaladas. Para la determinación de la conductividad especifica, la celda se monte en un sistema típico del puente de Wheatstone. Ver figura 6.4. Cuando se mida resistencia electrolíticas altas, la impedancia capacitiva en serie con la celda de conductividad es baja en comparación y no tiene efecto en la precisión de la lectura de la resistencia en el circuito de balance del instrumento, sin embargo, si las capacidades de derivación están presentes, como las largas longitudes de alambres de conexión, estas impedancias afectan la lectura del puente y amplia el balance del instrumento. Este efecto es menor en altas frecuencias de suministro del puente.

Figura 2.63 Puente de Wheatstone de celda de conductividad

Para determinar la constante de la celda por medios independientes, es necesario medir la resistencia de la celda de conductividad inmersa en una solución preparada cuidadosamente de una sustancia específica conocida, usualmente 0.001N, 0.1 N de cloruro de potasio en agua. La selección de la solución estándar de KCl depende en gran parte de la magnitud de la constante de la celda, ya que es deseable mantener la medición de la resistencia tan cercana como sea posible al rango óptimo de 500 a 10,000 Ohms. La constante de la celda K es calculada por la siguiente fórmula :

(2.30) K= Rx * SC*KCl + SC*H2O 1000000 Donde:

• Rx es la resistencia medida en Ohms • SC KCl = Conductividad especificada de KCl a temperatura de medición • SC H2O = Conductividad especificada de agua destilada usada para hacer la

solución a la misma temperatura. La celda de conductividad requiere hacer compensación por cambio de temperatura

en la solución, con relación a la temperatura estándar del instrumento. Esta compensación puede ser automática por medio de un termistor y una resistencia. La principal aplicación del detector de conductividad es en el análisis del agua de calderas, aguas potables y soluciones de baja concentración.



2.5.3 CONCENTRACIÓN DE GASES.

En la industria es importante la determinación de la concentración de los gases utilizados en el proceso, por razones de seguridad, de obtención de una combustión correcta o cuantificación de los humos de salida en las calderas y hornos. En esta sección se tratarán los métodos de medición de los gases combustibles de los hidrocarburos y del humo de chimeneas.

Oxigeno disuelto. Es el oxígeno disuelto en el agua que no se encuentra combinado ni con el hidrógeno

ni con los sólidos en suspensión. El sensor de oxígeno disuelto es una célula polarográfica consistente en un cátodo de aleación oro-plata-platino y ánodo de plata-cloruro de plata sumergidos en un electrolito de solución de potasa y cloruro potásico en agua. Una fina membrana de teflón permeable a los gases permite la difusión del oxígeno procedente de la muestra de agua. Las reacciones químicas que tienen lugar son: En el cátodo: O2+2H2O+4e-=4OH-

En el ánodo: 4Ag+4ClK=4ClAg+4K+4e- Y la reacción total es O2+2H2O+4Ag+4ClK=4ClAg+4KOH

Como para cada molécula de oxígeno que se reduce entran cuatro electrones en la célula y cuatro abandonan el ánodo, se obtiene una corriente eléctrica de cátodo a ánodo que es directamente proporcional a la cantidad de oxígeno que pasa a través de al membrana. La tensión óptima entre ánodo y cátodo que permite seleccionar el componente “oxígeno libre” en agua, es de 0,8 V c.c.

La cantidad de oxígeno reducida en el cátodo, es decir, la cantidad de oxígeno que pasó a través de la membrana, depende de la presión ejercida por el oxígeno en el agua sobre la membrana, que es parcial de oxígeno. La cantidad de oxígeno disuelto se mide en mg / l (miligramos de oxígeno por litro de agua), en p.p.m.(partes por millón) siendo:

p.p.m = mg/l X1/ densidad del agua en g/cm3 El oxigeno disuelto viene influido por la temperatura, de aquel que es necesario

incorporar al circuito termocompensadores que refieran automáticamente la medida a una temperatura estándar.

La precisión en la medida es de ±1% y el campo de medida suele estar entre 2 y 25 mg/l, o bién, 0- 100 % saturación.



Figura 2.63 A Sensor de Oxígeno disuelto

Turbidez.

Es una medida de la falta de transparencia de una muestra de agua debida a la presencia de partículas extrañas. Estas partículas pueden ser plancton, microorganismos,, barro, etc. La medida de la turbidez se efectúa para determinar el grado de penetración de la luz en el agua o a su través y permite interpretar conjuntamente con la luz solar recibida y la cantidad de oxígeno disuelto el aumento o disminución del material suspendido en el agua.

La turbidez está expresada en unidades arbitrarias determinadas empíricamente con un turbidímetro Jackson consistente en un tubo graduado que descansa en un soporte de vidrio en cuya parte inferior se encuentra una vela encendida. La muestra del agua se introduce lentamente en el tubo hasta en su interior deja de verse la llama de la vela.



La turbidez puede medirse en forma continua de dos formas:

Luz reflejada. Una lámpara incandescente emite un rayo de luz que un

sistema de lentes enfoca en la muestra de agua. Una célula fotoeléctrica capta la luz reflejada por las partículas en suspensión generando una corriente proporcional a la concentración de sólidos suspendidos.

Luz absorbida. La lámpara y la célula están situadas una enfrente de la

otra, con una columna de la muestra de agua que las separa. La célula mide la absorción de la luz por sólidos en suspensión.

Intensidad de la radiación solar.

La intensidad de la radiación solar tiene un interés particular en el tratamiento de aguas y en la determinación del rendimiento de los paneles solares. Consiste en un detector provisto de placas blancas y negras que reflejan y absorben respectivamente la energía solar radiada. Una termopila de termopares de cobre-cosntantán recoge en forma de corriente continua la energía recibida por periodo de tiempo. La señal enviada normalmente es del orden de 10mV/caloría/cm2/minuto, el campo de medida está entre 0-3 mV/caloría/cm2/minuto y la linealidad +1%.

O2, H2, N2, CO2, CO

Los gases enunciados en el encabezado de esta sección, suelen presentarse en forma de mezcla, de la cual el más importante es el oxígeno en virtud de su peligrosidad y de que se encuentre en mayor cantidad en los gases combustibles; sin embargo, el análisis de nitrógeno suele ser importante cuando se esta manteniendo una atmósfera inerte en determinado equipo. El bióxido de carbono y el monóxido de carbono se encuentran en pequeñas cantidades en el aire, no así en los humos de chimeneas donde forman la principal concentración. Por lo que respecta al gas hidrógeno, este es importante cuando forma parte de un sistema de hidrogenación.

El método principal usado para el análisis de gas de combustión emplea un detector “ alambre caliente “ autocalentado, de un material tal como platino; este se monta en un circuito de puente de Wheastone, el detector catalítico caliente causa que los combustibles de las muestras se quemen en presencia de oxígeno, si la muestra no contiene un exceso de oxígeno, se debe agregar oxígeno aire en cantidades controladas para proveer un exceso tal que la reacción sea limitada por la cantidad de combustibles presentes.

La combustión de la mezcla produce calor, el cual es detectado como una elevación en la temperatura en la espiral del detector catalítico. Ya que la presencia de la espiral es una función de su temperatura, un desbalance eléctrico ocurre en el puente de Wheastone proporcional a la concentración de los combustibles, la medición de esta señal eléctrica es una medida de la concentración del combustible.

Este tipo de analizador es no específico; esto es, no puede diferenciar entre diferentes combustibles, pero da una salida combinada de la mezcla en cuestión, ya que la



salida es una función de la relación de combustible y el calor de reacción, el analizador es frecuentemente calibrado como “porcentaje de combustibles expresados como por ciento de hidrógeno”, aunque puede ser calibrado para cualquier combustible específico cuando se sabe que el combustible específico es predominante.

Otro tipo de analizador de combustible mide el calor desarrollado al quemar una muestra de combustible en una pequeña flama piloto usando un termopar como sensor, cuando los combustibles están presentes, la temperatura de las flamas se incrementa proporcionalmente a la concentración de los combustibles. Este método evita la facilidad de envenenamiento de las propiedades catalíticas del platino con sustancias tales como vapores de silicón, los cuales pueden seriamente limitar la utilización del analizador convencional de alambre caliente.

Los analizadores de combustible se pueden obtener en combinación con analizadores de oxígeno, estos dispositivos son empleados para la prueba de combustión en hornos y varios procesos de aparatos de combustión y son llamados analizadores de combustión. Los métodos utilizados para análisis de oxígeno tanto en medios gaseoso como en estado disuelto, están basadas sobre las siguientes características y mediciones. 1. Para magnetismo del oxígeno 2. Potencia eléctrico o corriente causado por reacciones específicas a la concentración del oxígeno o presión parcial en celda electroquímicas. 3. Energía térmica desarrollada cuando se quema oxígeno en medio catalítico con un exceso de un combustible adecuado. 4. Reducción del volumen de la muestra debido a una absorción química del oxígeno. 5. Cambio de color en una solución muestra en la cual la presencia o ausencia de oxígeno libre causa diferencia en el color específico.

El analizador de oxígeno gaseoso más común emplea los principios paramagnéticos o electroquímicos. Los más comunes analizadores de oxígeno disuelto utilizan el método electroquímico, mientras los métodos de laboratorio emplean comparación de color de muestras químicas fijas contra colores estándar.

El paramagnetismo del oxígeno, provee un excelente medio de análisis. De los gases comunes, solamente el óxido nítrico y el bióxido de nítrico son paramagnéticos y en un grado mucho menor que el oxígeno, estos gases son encontrados en bajas concentraciones. Los analizadores paramagnéticos pueden ser termales o por medios magnéticos.

Los analizadores paramagnéticos termales emplean la tendencia del oxígeno a ser

menos paramagnéticos cuando es calentado. Este fenómeno usado para generar una diferencia de presión incluida magnéticamente o “viento magnético”, en la celda de medición. El cambio en el flujo de la muestra de la celda, resultado de la presión diferencial, es medida como un detector térmico sensitivo en un puente de Wheatstone.

El desbalance creado en el puente es proporcional a la concentración de oxígeno o presión parcial. Estos analizadores generalmente son usados como unidades continuas en línea, ya que ellas son robustas y de construcción adecuada para instalación en tubería.

Los analizadores paramagnéticos por método mecánico, detectan la presión parcial del oxígeno midiendo el esfuerzo de la fuerza requerida para prevenir el desplazamiento de un cuerpo de prueba no magnético colocado dentro de un campo magnético no homogéneo.



Típicamente, el cuerpo de prueba está suspendido en un alambre de metal muy fino o una fibra de cuarzo. Cuando el oxígeno está presente en los que rodea al cuerpo de prueba, el oxígeno tiende a desplazar dicho efecto hacia la zona de menos esfuerzo magnético, midiendo el valor.

De la fuerza necesaria para medir el desplazamiento, se determina la presión parcial del oxígeno. Este principio es adecuado para rangos anchos y angostos y rangos suprimidos. El método es razonable independiente de las variaciones del gas de alimentación, excepto por diamagnetismo, el cual es principalmente en bajos rangos, los analizadores de este tipo generalmente son menos sensitivos a la temperatura.

Analizadores de oxígeno electroquímico. Estos son usados en la medición de oxígeno tanto en medio gaseoso como en estado disuelto, conteniendo tanques de oxígeno y para rangos moderados y altos.

Analizador tipo amperométrico. Este instrumento consiste en un ánodo, un cátodo, un electrolito adecuado y circuito de medición de corriente eléctrica para convertir la señal de la celda a una señal analógica de concentración de oxígeno. El ánodo es de zinc o plomo, el cual proporciona a la solución los iones metálicos mientras que el oxígeno y el agua reacciona como un cátodo inerte, formando iones hidroxilo. La reacción produce una señal de corriente de el circuito de medición, la cual es proporcional a la concentración de oxígeno en la celda electrolítica. El electrolito puede ser un líquido con una solución gaseosa disuelta en él, puede ser una pasta o un líquido contenido dentro de una membrana permeable al oxígeno tal como una hoja delgada de teflón de polietileno el cual está en contacto con la muestra, o puede ser la muestra normal utilizada en los analizadores de oxígeno disuelto.

La reacción típica de la celda es como sigue: 2Me 2 Me++ (reacción anódica ) O2 + H2O + 4e 4OH- (reacción catódica) 2 He + O2 + 2H2O 2 Me (OH)2 (reacción combinada) Analizador tipo reacción – fuerza electromotriz. Este instrumento consiste de un

ánodo y cátodo de un metal tal como el platino en superficie opuesta de una cerámica tal como óxido de zirconio , la muestra se expone a un electrodo mientras un gas de referencia tal como aire es expuesta al otro, a temperaturas elevadas (550° a 1300°C). La cerámica se hace conductiva y la siguiente reacción típica ocurre: O2 + 4e 2 O (reacción anódica) 2 O O2 + 4e (reacción catódica)

Esta reacción produce una fuerza electromotriz la cual es proporcionada a la diferencia en concentración de oxígeno entre la muestra y el gas de referencia, la salida de milivoltios es una función logarítmica de la concentración del oxígeno, este método puede ser usado para analizar oxígeno a altas temperaturas mejor que otros sistemas y es adecuado para medición de trazos de oxígeno así como de rangos amplios suprimidos.



Humos de chimenea.

El análisis de los gases de la chimenea está relacionado con la eficiencia de la combustión. Originalmente los intentos para determinar la eficiencia de la combustión se resumía en el análisis del bióxido del carbono resultante de la combustión, sin embargo este tiene el problema de la variación de la concentración con el tipo de combustible usado, por ejemplo, la combustión del fuel oil produce 15% de CO2 y la combustión del gas natural produce únicamente 12% de CO2 .Además esta concentración varia ya que los combustibles no son composición exacta, esto es particularmente cierto en las plantas petroquímicas donde los hornos diseñados para funcionar con fuel oil gas según la disponibilidad de combustible usado. Para una eficiencia óptima de la combustión, el contenido de oxígeno se debe de mantener en un nivel donde las perdidas debidas a gases combustibles sin quemar sean iguales a las pérdidas ocasionadas por el calentamiento de exceso de gases inertes.

Ya que el contenido de oxígeno de gas de chimenea tiene una relación más diferente entre el porcentaje de oxígeno y el exceso de aire de combustión, el análisis del oxígeno es independiente de la composición del gas de una chimenea. Dos factores se deben de considerar cuando se usa el análisis de oxígeno para controlar la combustión.

a) Analizador. Se debe seleccionar un analizador que sea exacto, digno de confianza y con una velocidad de respuesta y precisión que sea afectada por los gases del fondo. Si el analizador es afectado por hidrocarburos sin quemar o por variaciones de la conductividad térmica del gas de la chimenea, su uso será limitado específicamente en hornos o calderas que funcionen con diferentes combustibles. También es conveniente de que el analizador sea adecuado para el ambiente en que se va a instalar.

b) Punto de toma de muestra. El punto de toma de la muestra debe ser seleccionado para que sea representativa el gas de chimenea, en el diseño de chimeneas, intercambiadores de temperatura, recuperadores, existen estratificaciones de gas, fugas de aire o zonas de calma que pueden conducir a serios problemas de muestreo. Generalmente los puntos de toma deben de estar alejados de las paredes de la caldera para evitar la mezcla de las fisuras en los registros de limpieza de la caldera. Si se hace muestreo en calderas de grandes dimensiones, es conveniente tomar varias muestras para tener una representación más completa de la composición del gas de la chimenea. El sistema de muestreo ha sido un serio problema por su mantenimiento y poca utilización. Los sistemas de muestreo generalmente contiene una unidad detectora de vapor la cual suele estar diseñada para aspiración de muestras relativamente limpias como humos de chimenea de calderas funcionando con fuel oil o gas, para muestras más sucias como calderas funcionando con carbón, calderas de recuperación, hornos de cemento, existen sondas de inyección interna en el cual el eyector de vapor esta situado dentro de la chimenea y la alta velocidad del chorro de vapor impide que la sonda se obstruya.

Algunos métodos alternativos de aspiración de muestra pueden ser por una bomba

mecánica o por aspiración con agua. Al entrar en el sistema de muestreo, la mezcla es sacada y enfriada, separada del agua de lavado ya pasada a través de un enfriador final el analizador de oxígeno. Este analizador debe estar diseñado para aceptar muestras saturadas de condensado a temperaturas de hasta 45°C. En la caja del analizador, se mantiene una temperatura controlada a 60 °C, en donde hay una unidad de filtro y



separación. La muestra entra en la primera cámara de la unidad en donde se va a eliminar el condensado. El condensado junto con la muestra de by-pass, va a una rama del burbujeador.

La presión originada por la unidad burbujeadora arrastre la muestra desde el

separador interno, a través de un filtro de 0.3 micras y a través de la celda de medición con un flujo aproximado de 100 cm3 / min. Cuando no se cuenta con un analizador de oxígeno el tipo descrito, puede utilizarse un analizador Orsat con excelentes resultados. El analizador Orsat emplea una absorción de gases de una muestra en base volumétrica, usualmente es para tipo de muestreo intermitente, pero en casos especiales puede ser del tipo de flujo continuo empleando un puente neumático y una medición de flujo de gas del tipo diferencial. El analizador Orsat está diseñado para análisis de oxígeno, bióxido de carbono y monóxido de carbono. La muestra de 100cm3 se pasa alternativamente por cada uno de los recipientes, midiendo por agotamiento el volumen de cada gas. 2.5.4 CALOR.

Detectores de flama.

En la industria estos detectores son importantes desde el punto de vista de la seguridad. Por ejemplo, los quemadores empleados en hornos o calderas de vapor necesitan tener una flama uniforme, estable y de calidad. Ante un fallo de la flama el sistema de protección debe actuar inmediatamente, excitando un circuito eléctrico de enclavamiento previsto, para que cuando caiga en seguridad, evite la entrada del combustible sin quemar eliminando así el peligro de su encendido y subsiguiente explosión.

Los detectores de flama aprovechan varias características de la flama para su funcionamiento: Calor, ionización y radiación. Hay tres tipos de detectores de flama: de calor, de ionización-rectificación y de radiación. 1.-Los detectores de calor utilizan detectores térmicos formados por bimetales, termopares, varillas de dilatación y dispositivos a expansión de líquidos.

2.-Los detectores de rectificación se fundamentan en la ionización

a) Dos electrodos están dentro de la flama y se aplica una tensión o voltajes alternos, esto causa una pequeña corriente alterna ya que los gases en la flama están ionizados. La corriente circula con mayor facilidad en un sentido que en otro si la superficie activa de uno es mayor que la del otro electrodo.

3.-Los detectores de radiación se basan o fundamentan en la radiación de energía que una flama irradia en forma de ondas que producen luz y calor. Estos se clasifican en :

a) De radiación visible: Utilizan Sulfuro de cadmio y óxido de cesio. Son incapaces de diferenciar la luz procedente de una flama de la de otras fuentes.

b) D. Infrarrojos: Emplean una célula de sulfuro de plomo cuya resistencia eléctrica decrece al aumentar la intensidad de radiación.



c) D. ultravioleta: Consisten en un tubo que contiene dos electrodos, normalmente de tungsteno. Funciona como el tubo Geiger.

El calor es una de las formas de energía. Las unidades que manejan esta propiedad

son las calorías en el sistema métrico decimal; Joules en el sistema internacional de unidades y BTU (British Termal Unit). Una de las formas de energía que se intercambia entre un sistema y el medio que lo rodea es el trabajo.

La medición de la energía térmica se efectúa con un instrumento llamado calorímetro. El cual puede establecer estados de equilibrio estático y puede explorar velocidad de cambio de propiedades termodinámicas durante un proceso en equilibrio. Generalmente, los calorímetros son instrumentos cuantitativos aunque ciertos calorímetros encuentran uso en la determinación de calentamiento de combustibles, el contenido calórico en alimentos, calores de reacción, calor de transición o cambio de fase, calor de desecación, calor específico de materiales, velocidades de reacción químicas y varias determinaciones estequiométricas.

La mayoría de los calorímetros están formados por tres partes básicas: 1) Un recipiente de muestra, 2) un recipiente de medio ambiente y 3) un medio para determinar el cambio de energía interna del recipiente y el espécimen encendido. Hay varios tipos de calorímetros, algunos de los cuales se describen aquí, pero existen otros calorímetros diseñados para propósitos especiales. Bomba calorimétrica.

Un recipiente a presión forma un contenedor de la muestra de una bomba

calorimétrica y es capaz de operar a altas presiones internas, el instrumento es útil para determinar calores de combustión de materiales usualmente en un medio de oxígeno puro. El espécimen es quemado dentro del incinerador y la temperatura que se eleva el recipiente, usualmente inmerso en un baño de agua produce una medición del calor exotérmico generado. El contenedor de la muestra o bomba normalmente está encerrada en una camisa isotérmica o adiabática. Calorímetro de caída.

El calorímetro de hielo es el más sofisticado de los calorímetros de calor. En este instrumento el receptor de calor de la muestra consiste en un tubo aletado, encerrado en un contenedor de vidrio sellado, el agua destilada desagregada que rodea al receptor aletado, es enfriado con hielo seco en el receptor para formar una cubierta de hielo sobre las aletas. Cuando un espécimen calentado es dejado caer en el receptor, la concentración volumétrica de hielo desplaza un volumen de mercurio del recipiente de una proporción del recipiente de vidrio. Este desplazamiento de mercurio es pesado externamente y es proporcional al calor transferido al receptor del espécimen. La precisión de este instrumento es mejor que la bomba calorimétrica.



Calorímetro adiabático.

El recipiente de la muestra de este dispositivo consiste de un pequeño calentador eléctrico encerrado en donde el espécimen es colocado, el recipiente es eléctricamente calentado mientras se mide la elevación de temperatura de respuesta, calor transferido al ambiente es anulado por: 1) rodeando el recipiente de la muestra por una camisa adiabática cuya temperatura es controlada para ajustarla a la del recipiente, 2) operando en un vacío, 3) usando superficies sumamente pulidas y 4) disminuyendo el contacto mecánico entre el recipiente y el medio ambiente. El calor específico del espécimen se puede determinar por la entrada de energía eléctrica y la elevación de la temperatura resultante, esto es, después de substraer la cantidad calórica del recipiente de la muestra. Calorímetro de flujo.

Este instrumento es usado para determinar el calor específico de un gas. Usualmente un flujo de gas teniendo una velocidad de flujo constante es pasado a través de un calentador protegido y la elevación de temperatura es determinada con precisión, la relación y la elevación de temperatura y la energía eléctrica de entrada permiten determinación del calor específico del gas. Una versión modificada del calorímetro de flujo es usada para determinar el calor de vaporización del líquido. Calorímetro diferencial.

En este instrumento, dos especimenes son empleados: uno que tiene unas

propiedades conocidas o estándar y el otro espécimen de prueba: los especimenes son calentados eléctricamente de modo que alcancen temperaturas idénticas y constantes. La transmisión del calor del medio ambiente dentro de los especimenes se asume idéntico una comparación de entrada eléctrica relaciona la capacidad calórica del espécimen desconocido con el espécimen estándar. Flama del quemador.

La detección de la flama del quemador es muy importante en la industria desde el punto de vista de seguridad. Los quemadores de los hornos o calderas queman combustible gaseoso al combinarse con el aire de combustión se forma una mezcla inflamable, la cual se enciende con una chispa eléctrica o con un piloto previamente encendido para reducir el fuego principal. Cuando falla el encendido de la flama, el sistema de protección de la caldera o del horno debe actuar inmediatamente para evitar que una mezcla explosiva se acumule en el hogar y produzca una explosión. Cuando el sistema no enciende por seguridad, se cierra la válvula de admisión de combustible y se inicia un venteo de los gases de combustión mediante un soplador.

Para la detección de la flama se aprovechan 3 características: La temperatura, la ionización de los gases al quemarse y la detección por calor.

Detección por temperatura. La detección de la flama del quemador por temperatura se puede lograr con bimetales, termopares o sistemas volumétricos de expansión de los cuales los más usados son los bimetales y los sistemas volumétricos. Estos sistemas aprovechan las características de los materiales de expansión en función de la temperatura;



son muy utilizados en instalaciones domésticas y algunos hornos de baja capacidad. Tienen la ventaja de ser económicos y de fácil instalación. Sus desventajas son de operación mecánica, lo cual produce flameo en los platinos de los relevadores, además no cuentan con un programa de encendido ni de purga de los gases. Otra desventaja es que deben contar con un piloto continuo para hacer el encendido principal.

Detección por ionización. Debido a la alta temperatura generada por la mezcla al quemarse, además de generar calor, los gases se ionizan haciéndose eléctricamente conductores. Aprovechando esta propiedad, se coloca un electrodo o varilla dentro de la flama, o sea cuando la señal del electrodo se va a tierra. Como el circuito es electrónico, es posible introducir un pequeño programa de encendido que incluya al barrido de gases antes y después de producir la flama; no requiere piloto continuo. Las ventajas de este sistema son la de tener un programa de seguridad, no ser influidos por el refractario caliente del hogar o caldera, y ser capaces de enfocar un punto seleccionado de la flama. Sin embargo, tiene la desventaja de que se puede deteriorar rápidamente el electrodo por las altas temperaturas.

Detección por radiación. Los detectores por radiación están basados en la energía en forma de ondas de luz y calor que produce una flama. Tanto las flamas de gas como las de combustible, producen una radiación que es el 10% visible, 89% infrarrojo y 1% ultravioleta. También los refractarios producen una radiación visible o infrarroja, los cuales pueden interferir la lectura de la flama si el elemento primario no está bien orientado.

El detector de radiación visible más utilizado es la celda de sulfuro de cadmio, la cual varia su resistencia en forma inversamente proporcional a la intensidad luminosa, su uso está limitado a quemadores de combustible líquidos y son incapaces de diferenciar la luz procedente de una flama con la de otras fuentes como la luz natural o la luminosa del refractario.

Los detectores de radiación emplean la celda de sulfuro de plomo, cuya resistencia eléctrica también es inversamente proporcional a la intensidad de radiación. Esta celda tampoco distingue la radiación infrarroja emitida por el refractario o por la flama, sin embargo, la emisión de energía de la flama tiene una característica cintilante que permite a un circuito electrónico discriminar la señal de la flama de la señal uniforme de refractario debe tener cuidado con el movimiento de los gases calientes frente al refractario, ya que este movimiento puede simular el parpadeo de la flama excitando a la celda.

Las ventajas de estas celdas son que pueden detectar igualmente combustible gaseoso o líquido, son capaces de enfocar un plano de la flama y tiene también programa de encendido adecuado a las características de seguridad de cualquier horno o caldera.

Las desventajas son la insensibilidad de la flama cuando hay demasiado exceso de gas, también son afectados por las corrientes de gases calientes frente al refractario caliente puede simular la flama cuando se usa la celda de sulfuro de cadmio.



2.5.5 DENSIDAD (g/cm3).

La densidad o masa específica de un cuerpo se define como su masa por unidad de volumen. Como la densidad varía con la temperatura y con la presión (en los gases) se especifica para un valor base de la temperatura que en líquidos suele ser de 0°C o de 15°C y en los gases de 0°C y para un valor estándar de la presión que en los gases es de1atm. Gravedad específica.

La relación de la densidad de un fluido a la densidad del agua (para líquidos y sólidos) y la densidad del aire (para gases). Las escalas comunes de gravedad específica, pueden ser encontradas en varios manuales, las cuales incluyen: (¡) API (American Petrolum Institute) para productos del petróleo. (2) Brix, usada casi exclusivamente en la industria del azúcar y (3) Baumé, ampliamente usado para medición de ácidos, líquidos ligeros y pesados y jarabes.

Otras unidades

Grados API (Para productos petrolíferos-Altas densidad)

Grados Baumé (Empleados para jarabes, ácidos y líquido más ligeros que el agua) Grados Brix (Empleados exclusivamente en la industria Azucarera- Ind. de los alimentos) Métodos de medida de densidad.

Areómetros.

Consisten en un flotador lastrado en su parte inferior con un vástago superior graduado, incluso con las unidades anteriores. El aparato se sumerge hasta que su peso es equilibrado por el líquido que desaloja hundiéndose más cuanto menor es la densidad del líquido. A este areómetro se le puede incorporar un transductor de inductancia variable con la armadura fija en la parte inferior del flotador y con la bobina dispuesta en el exterior del recipiente es posible transmitir eléctricamente a distancia la densidad, siempre que se mantenga una altura constante del líquido con un REBOSADERO. Una variante de este instrumento consiste en un flotador con un lastre en forma de cadena sujeta a un punto fijo del recipiente. El flotador está completamente sumergido dentro del líquido y según su densidad se sumerge más o menos variando proporcionalmente el peso efectivo de la cadena. Un transformador diferencial capta la posición del flotador y da una señal de salida en función de su desplazamiento.

Precisión general: ±1 a ±3 % Presión : (6-8 bar) Temperatura: (120-230°C)



Método de presión diferencial.

En el método de medición de densidad de un tanque o en diferentes elevaciones en un tubo vertical, estas tomas son las piernas de un dispositivo de presión diferencial, el lado de alta presión está conectado directamente al tanque o tubo, mientras que el lado de baja presión es purgado con un fluído de referencia, usualmente agua. De este modo, la presión diferencial es creada por dos columnas iguales, una de agua y la otra de la muestra del fluído. Pequeños rotámetros de purga son utilizados para mantener las piernas de medición limpias. Este sistema es ampliamente utilizado en la industria de pulpa y papel, así como en la industria azucarera.

En un tanque o tubería vertical se fijan dos puntos y se les conecta un instrumento de

presión diferencial. Como la diferencia de alturas es fija, la única variable que altera la presión diferencial es la densidad. Otro sistema utilizado es el de cámaras de medida a presión atmosférica, las cuales se llenan con un líquido que sirve como referencia, cuya densidad puede ser mayor o menor que la del líquido de proceso. Preferentemente no se usa para fluidos muy viscosos, corrosivos o no limpios.

Precisión : 0.5-1% Presión: 300 bar Temperatura: 170°C

Método de desplazamiento.

Un flotador está totalmente sumergido en el líquido y está equilibrado exteriormente para que el par de torsión represente directamente la densidad del líquido. Este sistema puede emplearse en líquidos limpios mas no es líquidos pegajosos o que contengan sólidos en suspensión, ya que podrían adherirse al flotador y falsear la medida. Precisión : ±1% Presión: 40kg/cm2 Temperatura: 170°C

Con una amplitud de medida de densidad que puede llegar hasta un mínimo de 0.005.Se utilizan en fluidos limpios.

Modelo del prisma rotativo.

Consiste en una fuente luminosa que incide en el líquido con un ángulo determinado, tal que la reflexión de luz pase a refracción. El haz luminoso se enfoca en un prisma rotativo que barre el líquido de proceso. La refracción que se presenta cuando el rayo luminoso incide con el ángulo crítico se detecta con una celda fotoeléctrica y la señal es amplificada para su registro.

El índice de refracción puede relacionarse con la concentración de sólidos del líquido, es decir de manera inferencial.

Los refractómetros no son influidos por los sólidos no disueltos ni por el aire en disolución. Su campo de medida mínimo es de 0.004 y su precisión es de 0.00012g/cm3.



Método de radiación atómica.

Los instrumentos de medición de densidad nuclear, pueden medir y controlar suspensiones, lodos y líquidos moviéndose a través de líneas de proceso, esta utilidad se encuentra en la industria química, cementera, petrolera, plásticos, papel, drenaje, minería, acero e industria alimentaria. Su precisión es tan buena como ± 0.03 %, los medidores pueden ser montados en tuberías desde 1 hasta 30° de diámetro.

La fuente de radioisótopos es montada en un lado de la tubería y la celda detectora montada en el otro lado en la línea con la fuente de radioisótopo, la radiación transmitida está en proporción de la gravedad específica del material en la tuberías : la celda detectora convierte la radiación transmitida en corriente eléctrica, esta corriente es amplificada para la lectura y para operar funciones de control.

Transductores estándar pueden ser utilizados y el rango de repetibilidad son determinados por el tamaño de la tubería. Una calibración predeterminada es necesaria para la mayoría de las aplicaciones, en la cual los ajustes de 0 y rango para cálculo de los valores de adsorción conocida de un material de proceso dado, la revisión periódica es necesaria para estandarizar la unidad por agotamiento de la fuente, haciendo la lectura a un tubo vacío para ajustar el 0 y a tubo de proceso lleno con agua (factor igual a 1.0 ). No es necesario el acceso a la fuente a la cabeza medidora para revisar el 0 y el rango.

Se basa en la determinación del grado con que el líquido absorbe la radiación procedente de una fuente de rayos gamma. La radiación residual es la que se mide con un contador de centelleo que suministra pulsos de tensión, cuya frecuencia es inversamente proporcional a la densidad.

La fuente de radiación utilizada es principalmente Cesio 137 (con 30 años de vida media) y el Americio 241 (con 458 años de vida media).

Las desventajas de este método es que se tiene que seguir el protocolo del reglamento por la Junta de Energía Nuclear.

Utilizado para toda clase de líquidos. Pero la lectura viene influida por aire o gases disueltos en el líquido. Precisión : ±0.5-2%

Método del punto de ebullición.

Mide la diferencia de temperaturas entre el punto de ebullición del líquido que se está concentrando y el punto de ebullición del agua en las mismas condiciones de presión.

Esta diferencia de temperaturas es función de la densidad del líquido y se mide

mediante sondas de resistencia inmersas una en el líquido y la otra en agua, conectadas a un puente de Wheatstone graduado directamente en densidad.

Este método es empleado en evaporadores.



Medidor de ultrasonidos.

Mide la velocidad del sonido dentro del fluido e inferencialmente calcula su densidad. La medida se realiza disponiendo el conjunto emisor-receptor de ultrasonidos inmerso dentro del líquido o bien en el tanque o tubería. Las variaciones de la velocidad del sonido son provocados por cambios en la densidad, que varían el acoplamiento acústico entre los transductores y el fluido. La temperatura, debe ser compensada, así como la viscosidad

Medidores de balanza.

Consiste en un tubo en U apoyado con conexiones flexibles y suspendido de una báscula que trabaja por el principio de equilibrio de fuerzas y que según el tipo de transmisor dará una señal o neumática o electrónica. Para gases, en el interior de una cámara de medida en la que puede entrar el gas a medir, se encuentra una balanza formada por una esfera llena de aire u otro gas patrón o de referencia que se apoya en su centro y lleva en el otro extremo un contrapeso. El gas al circular dentro de la cámara desquilibra la balanza y transmite estas desviaciones a través del acoplamiento magnético al sistema de indicación o registro. Precisión : ±0.25%

Medición de densidad.

La medición de densidad o gravedad específica (según la escala seleccionada del instrumento puede ser lograda por 5 métodos: (1) Hidrómetro, (2) método de presión diferencial. (3) Método de burbujeo. (4) Elevación del punto de ebullición. (5) Radiación atómica. De los métodos anteriormente indicados solo trataremos los dos primeros.

1. HIDRÓMETRO.

El hidrómetro o densímetro consiste en un peso dentro de un flotador con un vástago de pequeño diámetro que proporciona una porción de la escala y debe ser sumergido durante el curso de la medición, la cantidad de inmersión es una indicación de la gravedad específica del fluido. Los hidrómetros o densímetros pueden ser calibrados en términos de cualquiera de las escalas de calidad específica antes mencionadas, aunque de cualquiera de las escalas son instrumentos de laboratorio, el hidrómetro simple puede ser localizado en una tubería equipado con un rebosador a nivel de lectura permitir lecturas visuales de un líquido fluyendo continuamente. El hidrómetro se eleva o se hunde con los cambios de la gravedad específica del fluido, la temperatura, el rango de gravedad específica de estos instrumentos abarca desde 0.6 a 3.5 .

2. MÉTODO DEL BURBUJEO.

En el método de medición por burbujeo, se utiliza un transmisor de presión diferencial como en el caso anterior, pero las tomas de alta y de baja presión están conectadas a unos tubos de burbujeo como en el sistema de medición de nivel, con este método, se puede utilizar una columna de referencia que contiene agua al mismo nivel del tanque de la muestra, la cual se utiliza como referencia de gravedad específica.



También se puede utilizar el método de un solo tanque, el cual es el más simple y el más ampliamente usado, en este caso dos tubos burbujeados son instalados dentro del tanque que el extremo de un tubo que está más abajo que el extremo del otro tubo a la presión del fluido es igual a la presión del fluido en los extremos de los tubos de burbujeo, ya que la salida es menor de la de otros, la diferencia de presión debe ser igual que el peso de una columna constante de líquido, esta presión diferencial es directamente proporcional a la densidad del fluido. Este método es exacto dentro de 0.3 a 1% de gravedad específica cuando se usa con líquidos que no tienden a cristalizarse en los tubos de medición. 2.5.6 CONSISTENCIA

Es el grado de deformación que presentan los fluidos cuando se les somete a un esfuerzo cortante. Este termino representa esencialmente a la viscosidad de suspensiones de partículas insolubles en un líquido y es una característica del mismo.

Este término es usado en:

o Industria de pinturas o Industria alimenticia o Industria papelera

Las unidades usadas son totalmente diferentes a las de la viscosidad ya que son

arbitrarias, por ejemplo en la industria papelera se usa como consistencia la proporción entre el peso seco de la materia o fibra de pulpa seca y el peso total de los sólidos mas el agua que los transporta y lo reportan:

Peso sólidos secos en Kg

Consistencia % =

Peso sólidos secos + agua en Kg

100

La consistencia se mide en la industria de las formas siguientes ver figura 2.64: Figura 2.64 a) Este dispositivo mide la distancia que recorre un fluido sobre una regla graduada en un tiempo determinado, y además la muestra es regulada por el paso de un obturador al inicio. Figura 2.64 b) Este dispositivo es el medidor de consistencia rotativa y mide el par de torsión necesario para hacer girar a una velocidad constante un disco con perfiles ya caracterizados. Figura 2.64 c) Este instrumento es parecido al anterior; en este dispositivo un motor hace girar las paletas dentro del fluido y el esfuerzo desarrollado por este se mide con un transmisor neumático. Figura 2.64 d) Medidor de paleta, este dispositivo tiene una forma especial y se encuentra directamente en el seno del fluido, mide el esfuerzo cortante, y debido a su forma no se ve influido por las fuerzas de rozamiento ni las de impacto, y va aunido a un transmisor neumático o electrónico que envía la señal de la consistencia.



Figura 2.64 e) Medidor de Flotador, en este dispositivo el fluido es forzado para circular por un tubo circular en cuyo interior se encuentra un eje sensible con varias placas transversales. La deformación que sufre el liquido al pasar por las placas esta en función de la consistencia que es detectada por un transmisor neumático o electrónico. Figura 2.64 f) Medidor de Puente Hidráulico. Este dispositivo esta compuesto por una bomba y un puente hidráulico en el cual la bomba deriva parte del fluido hacia el puente el cual mide una diferencia de presiones mediante un manómetro diferencial, esta presión diferencial esta en función de consistencia. Figura 2.64 g) Medidor electroóptico. Se basa en la captación de luz reflejada de una mezcla del fluido que se este midiendo y agua, tiene dos detectores los cuales captan la luz mediante fibra óptica, la diferencia entre la luz captada por el agua y el fluido esta en función de la consistencia.

Figura 2.64 Medidor neumático de consistencia



El balance de consistencia, es en realidad un transmisor neumático que opera con el

principio de balance de fuerzas, es montado directamente en la tubería de proceso. El elemento primario o sensor de consistencia es un rodillo, una aleta o un flotador en forma de 3 cruces sobrepuestas por cuyo centro pasa un vástago que transmite el movimiento de “flotación” que produce la consistencia del material que está siendo medido. El movimiento del primario causado por el flujo de la pulpa es transmitido a través de un mecanismo a un sistema de amplificación neumático, el dual envía al instrumento receptor una señal proporcional a la consistencia de pulpa. Estos instrumentos pueden medir la consistencia de la pulpa del papel a través de un rango de 2 a 8% con una precisión de 0.1% de consistencia. Medidor electrónico de consistencia.

Este instrumento representa un gran avance en la medición y registro de consistencia de la pulpa, el diseño y construcción del instrumento es muy simple y fácil de entender y su instalación es barata. Este sistema de medición utiliza un elemento detector, y un instrumento receptor conectado eléctricamente. El elemento detector es un probador cilíndrico de acero inoxidable 304 montado de la pasta a través de un adaptador soldado. Este probador contiene un puente de resistencia que consta de 4 medidores de esfuerzo (Strain gauge), dos de ellos trabajan a compresión y los otros dos a tensión. La longitud del probador varía de 11 a 28 cm de longitud, determinada por el diámetro de la línea de pasta, su peso aproximado es de 0.7 kg. Para la operación aproximada de este instrumento la velocidad de la pasta en el probador debe permanecer entre 0.13 y 1.3 metros por segundo, los límites de flujos para tubos nominales están mostrados en la tabla 2.24.

Tabla 2.24. Limites de flujo para medición de consistencia Tamaño nominal Flujo GMP Tamaño nominal Flujo GMP 6” 40-400 16” 280-2800 8” 70-700 18” 350-3500 10” 110-1100 20” 440-4400 12” 160-1600 24” 630-6300 14” 210-2100 30” 1000-10000 El probador de consistencia debe ser instalado en el tubo de proceso orientado hacia la dirección del flujo, para detectar esta orientación, el probador trae una marca o una fecha grabada en su brida para ser orientada adecuadamente, la tubería debe ser un tramo recto de cuando menos 5 diámetros flujo abajo y dos diámetros flujo arriba del codo más cercano. En un tubo horizontal o inclinado, el probador debe ser localizado simple en la parte superior del tubo, en cualquier caso, la línea central del proceso debe interceptar el eje radial de la tubería a 90 ° de arco. El cable de conexión no debe estar a más de 120 metros del probador.



2.5.7 VISCOSIDAD Y CONSISTENCIA. Conceptos.

Aplicados a fluidos sometidos a un esfuerzo cortante

Viscosidad. Resistencia al flujo. Consistencia. Resistencia a la deformación.

Viscosidad.

La viscosidad es el rozamiento interno entre las capas de fluido. A causa de la viscosidad, es necesario ejercer una fuerza para obligar a una capa de fluido a deslizar sobre otra.

Figura 2.65 Desplazamiento de fluidos.

Esta resistencia se expresa como un cociente entre el esfuerzo cortante por unidad

de área (F/A) y la velocidad cortante por unidad de espesor de la capa de fluido (v/e). µ=(F/A)/(v/e)

Los fluidos Newtonianos guardan relación lineal entre (F/A) y (v/e).

Gráfica 2.8 Fluidos Newtonianos

Otros fluidos tienen pendientes variables, son llamados no Newtonianos.



No Newtonianos.

Flujo Dilatante: La viscosidad aumenta a medida que aumenta el esfuerzo de corte al cual es sometido el fluido.

Flujo Pseudoplástico: La viscosidad disminuye a medida que aumenta el esfuerzo de corte sobre el fluido.

Flujo de Bingham ó Plástico: El producto presenta un valor umbral de esfuerzo de corte (ty), el cual es necesario sobrepasar para que el fluido se ponga en movimiento.

Grafica 2.9 Fluidos No Newtonianos. Ecuación de Hagen-Poiseuille.

En términos más prácticos, se expresa la relación entre los esfuerzos y las velocidades cortantes para un tubo capilar.

µ=(∆P/2l) /(4Q/πR^4) = π∆PR^4/(8Ql)

Donde: ∆P .- Presión diferencial R .- Radio interior del tubo Q .- Caudal del fluido L .- Longitud del tubo Expresiones de la viscosidad.

a) Viscosidad Dinámica (μ): definida por la ec. De Hagen Poiseuille. Unidades en el SI Pa*s, en el CGS al poise (1dina*s/cm^2), y al centipoise.

b) Viscosidad cinemática (ν): Cociente de la viscosidad dinámica/densidad del fluido. Unidades en el SI: m^2/s y en el CGS el cm^2/s llamado stoke.

Consistencia.

a) Grado de deformación de los fluidos cuando se someten a un esfuerzo cortante. b) Representa esencialmente la viscosidad de partículas insolubles en un líquido y es

una característica de su fluidez. c) Aplica en la industria de papel, pinturas, en el envase de alimentos, etc. d) Sus unidades son arbitrarias.



Viscosímetros discontinuos.

a) Medición del tiempo en el que un volúmen descarga por u orificio o capilar. b) Tiempo de la caída de una bola metálica o ascensión de burbuja o caída de un pistón

en un cilindro. c) Par de resistencia de un elemento estacionario en una taza rotativa. EL par se mide

por desplazamiento angular de un resorte calibrado unido al elemento fijo.

Viscosímetros continuos.

a) Caída de presión por tubo capilar al paso de un fluido a caudal constante. b) Par de torsión necesario para hacer girar un elemento en el fluido. El elemento gira a

través de un resorte calibrado por medio de un motor. El ángulo de desviación entre el eje del motor y el elemento inmerso es proporcional a la viscosidad.

c) Rotámetro con flotador sensible a la viscosidad. d) Vibraciones o ultrasonido.



2.5.8 VARIABLES FÍSICAS. 2.5.8.1 PESO.

Es la fuerza con la que un cuerpo es atraído a la tierra (2.31)

P =mg

En la industria interesa determinar el peso de las sustancias en las operaciones de inventario de materias primas, de productos finales, en la mezcla de ingredientes, etc.

Algunos métodos para medir el peso son: a) Comparación con otros pesos patrones (balanzas y básculas). b) Células de carga a base de galgas extensiométricas. c) Células de carga hidráulicas d) Células de carga neumáticas

Balanza clásica.

Constituida por una palanca de brazos iguales (cruz),

que se apoya en su centro y de cuyos extremos cuelgan los platillos que soportan los pesos. Puede medir desde unos pocos gramos hasta 300kg.

Figura 2.66 Balanza clásica Balanza roberval.

Consiste en un paralelogramo articulado que puede oscilar alrededor del punto central del lado superior del paralelogramo, manteniéndose verticales las varillas laterales que soportan los platillos. Se caracteriza por que su equilibrio se alcanza independientemente de la posición de los pesos de los platillos. Su campo de medida llega hasta 40 kg. Se emplea en la comprobación de pesos de objetos terminados o en la operación de llenado. Precisión ±0.002 al 0.05%

Figura 2.67 Balanza de Roberval

Báscula clásica.



Es una placa apoyada en un punto de la que cuelgan en un extremo el peso a medir y en el otro con forma de rectángulo, dos pesos móviles uno para ajuste grueso y otro para ajuste fino; una fiel indica cuando la bascula esta ajustada.

Figura 2.68 Báscula clásica

Báscula automática

Consiste en una palanca en ángulo apoyada en su centro con un peso conocido en un extremo y el desconocido en otro. La báscula alcanza siempre una posición de equilibrio marcando directamente en una escala. Preescisión ±0.1

Desventajas:

Lenta velocidad de respuesta. La posible corrosión que ataca al juego de

placas en particular en los puntos de apoyo, debida a la suciedad, al polvo, a los vapores y ala humedad.

Al desgaste de la piezas móviles.

Figura 2.69 Báscula automática

Balanza electromagnética.

Utiliza un sensor de desplazamiento y una bobina de par montados en un servosistema que equilibra un peso patrón y el peso desconocido. La señal eléctrica de salida puede aplicarse a un microprocesador, lo que proporciona una tara automática, unas rutinas estadísticas con cálculo de la medida y la desviación estándar de las pesadas y una compensación de la temperatura. Precisión de 1 mg en 500g Figura 2.70 Balanza electromagnética



Célula de carga.

Consiste esencialmente en una célula que contiene una pieza de elasticidad conocida capaz de soportar la carga sin exceder de su límite de elasticidad. Esta pieza esta cementada a una galga extensiométrica formada por varias espiras de hilo pegado a un soporte de papel o resina sintética.

La tensión o compresión a que el peso somete a la célula de carga, hace variar la longitud del hilo metálico y modifica por lo tanto su resistencia eléctrica. Las células están protegidas contra la humedad y el polvo, tienen una precisión ±0.2%, admiten indicación a distancia y pueden medir pesos de 20kg a más de 150t. Necesitan compensación de temperatura del hilo de resistencia y de la pieza de acero deformable y son relativamente caras.

Figura 2.71 Galgas extensométricas

Células de carga neumáticas. Consisten en un pistón sobre el que se apoya la carga, que ejerce una presión sobre

un fluido hidráulico. Según la carga y de acuerdo con el área conocida del pistón se crea una presión en el aceite que puede leerse en el manómetro de Bourdon y que por lo tanto refleja directamente la carga. Se fabrican para unas capacidades de carga de 40 hasta 90t, son de respuesta rápida, su precisión es de ±0.2%, admiten sobrecargas hasta el 40%, resistente a vibraciones.

Figura 2.72 Célula de carga hidráulica



Células de carga neumáticas.

Consisten en un transmisor neumático de carga en el que el peso situado en la plataforma de carga se compara con el esfuerzo ejercido por un diafragma alimentado a una presión de tarado ajustable.

El sistema alcanza una posición de equilibrio gracias al conjunto de tobera-obturador y a la cámara de realimentación del transmisor. La presión del aire alcanzada en esta cámara indica el peso. La capacidad de carga de las células neumáticas varía de 10kg a 10t, poseen una precisión de ±0.2% y se adaptan fácilmente al control neumático con el inconveniente de precisar de aire comprimido

Figura 2.73 Célula de carga neumática

2.5.8.2 VELOCIDAD.

Se efectúa de dos formas: ♦ Con tacómetros mecánicos ♦ Con tacómetros eléctricos. Tacómetro mecánico.

Detectan el número de vueltas del eje de la máquina por medios exclusivamente mecánicos pudiendo o no incorporar la medición conjunta del tiempo para determinar el número de revoluciones por minuto. El más utilizado es el contador de revoluciones empleado para medir la velocidad de rotación de toda clase de máquinas o dispositivos giratorios. Consiste básicamente en un eje elástico terminado en punta que se apoya sobre el centro de la pieza giratoria. El eje elástico al girar se mueve a través de un tren de engranaje de dos diales calibrados concéntricos.

Cada división del dial exterior representa una vuelta del eje giratorio mientras que en el dial interior una división da una revolución del dial exterior; conocido el tiempo de trabajo del contador, medido mediante un cronómetro, es posible calcular la velocidad media en rpm.



Figura 2.74 Tacómetro mecánico

Tacómetros centrífugos.

Se basan en el volante centrífugo clásico empleado en las calderas de vapor. Dos pesos rotativos articulados a un eje giratorio aumentan su radio de giro debido a la fuerza centrifuga a la vez que comprimen un resorte. La medida de la compresión del resorte leída en una escala representa la velocidad de giro del eje.

Figura 2.75 Tacómetro centrífugo

Tacómetros eléctricos.

Se utilizan a nivel industrial ya que permiten la transformación directa de la señal para alimentar los instrumentos registradores o controladores de panel. Emplean un transductor que produce una señal analógica o digital como una conversión de la velocidad de giro del eje de la máquina. Tacómetro de corrientes parásitas.

El eje de la máquina hace girar un imán dentro de una copa de aluminio. El giro del imán induce corrientes parásitas en el aluminio que crean un par resistente proporcional a la velocidad. Un resorte frena el cabezal del aluminio quedando este en una posición que se señala en un dial.

Ejemplo. Tacómetro eléctrico del automóvil, empleado en aviación, en las máquinas de ferrocarril. El campo de medida es de 0-15000 rpm.



Figura 2.76 Tacómetro de corrientes parásitas

Tacómetro de corriente alterna.

Consiste en un estator bobinado multipolar en el que el rotor dotado de un imán permanente induce una corriente alterna. Un voltímetro da señal de la corriente inducida y por lo tanto el giro en rpm del eje de la máquina.

Figura 2.77 Tacómetro de corriente alterna

De corriente continua o dínamo tacométrico.

Consiste en un estator de imán permanente y un rotor con un entre hierro uniforme. La tensión continua recogida en las escobillas del rotor es proporcional a la velocidad en rpm de la máquina. Esta tensión puede leerse en un voltímetro indicador o bien alimentar un instrumento potenciométrico a través de una resistencia divisora de tensión.

Para velocidades de hasta 6000rpm.

Figura 2.78 Dínamo tacométrica



Tacómetro de frecuencia o frecuencímetro.

Mide la frecuencia de la señal de c.a. captada por transductores del tipo electromagnético, capacitivo u óptico que dan impulsos cuyo número es proporcional a la velocidad de giro de la máquina. El transductor no tiene contacto mecánico con el eje rotativo. La medida de la frecuencia puede pasarse a un contador electrónico basado en la medida de las revoluciones por unidad de tiempo.

Figura 2.79 Tacómetro de Frecuencia

2.5.8.3 HUMEDAD Y PUNTO DE ROCIO.

Son de importancia en la industria y se utilizan en el acondicionamiento de aire, en atmósferas protectoras empleadas en tratamientos térmicos, en secadores, y humidificadores, en la industria textil, en la conservación de fibras, etc.

Varios términos se emplean al hablar de humedad o punto de rocío en el aire o en los gases:

Humedad Absoluta. Cantidad de agua en kg por kg de aire seco.

Humedad Relativa. Es el cociente entre la presión parcial del vapor de agua a una temperatura to y la presión total del vapor a saturación y a la misma temperatura to. Equivalente al porcentaje de humedad.

Temperatura Seca. Temperatura del aire medida con un termómetro con el bulbo seco (en contacto directo con la atmósfera)

Temperatura húmeda. Es la temperatura de equilibrio dinámico alcanzado por una superficie húmeda cuando se la expone al aire. Puede medirse con un termómetro cuyo bulbo está en ambiente de saturación lo que se consigue envolviéndolo con un paño que se mantiene húmedo continuamente (bulbo húmedo).

Punto de rocío. Es la temperatura límite a la que el vapor de agua existente en el

aire o en el gas se condensa pasando al estado líquido

En los sólidos, la humedad puede expresarse como:

Contenido de Humedad. Expresado en tanto por ciento, es la cantidad de agua existente en las sustancias sólidas por unidad de peso o de volumen del sólido seco o húmedo. El término se aplica con preferencia en relación al sólido seco, es decir, viene expresado en base seca.



Contenido de humedad comercial. Contenido de humedad expresado en kg de

agua por kg del material al salir este del proceso de secado. Humedad en aire y gases.

Método de elemento de cabello (o nailon). Se basa en la expansión o contracción lineal que son características de los materiales sensibles a las variaciones de humedad, como los cabellos naturales o de fibra de nailon. Su precisión es del orden de ±3 a ±5.5 y su campo de medida de 15 a 955 de H.R.

Figura 2.80 Elemento de cabello

Bulbo seco y bulbo húmedo. Se basa en la captación de temperatura ambiente o seca y de la temperatura húmeda, mediante dos termómetros, uno seco y otro con su bulbo constantemente humedecido.

Con un diagrama psicométrico las temperaturas del bulbo seco y del bulbo húmedo sobre las líneas correspondientes, se obtiene por intersección la humedad relativa. En lugar de consultar el diagrama psicométrico para cada lectura puede utilizarse un instrumento que mida directamente la temperatura diferencial entre los dos bulbos, seco y húmedo respectivamente, con lo que el índice o la pluma de registro del instrumento indicará directamente la humedad relativa. Tiene la ventaja de dar una gran precisión cuando la humedad relativa esta próxima a la saturación, con lo que permite el uso de aparatos con un campo de medida muy estrecho a la HR próxima a100%. A HR menor de 20% su precisión es pobre. Su uso es desaconsejado en pequeñas cámaras, ya que el agua del bulbo húmedo se incorpora al ambiente y falsea la lectura.



Figura 2.81 Bulbo seco y bulbo húmedo Célula de cloruro de litio.

Consiste en una célula embebida en LiCl con una

rejilla de láminas de oro. La sal tiene la propiedad de variar considerablemente de resistencia al aumentar o disminuir la humedad ambiente ya que libera o absorbe iones de la película soporte. Como la humedad relativa viene determinada simultáneamente por el contenido de la humedad y por la temperatura del aire, se debe compensar esta. La proporción de la sal de LiCl en la película que recubre la célula determina el campo de medida de la humedad; cuanto mas alta sea la proporción de la sal tanto mas bajo será el campo de medida. Figura 2.82 Célula de cloruro de Litio.

El elemento no puede utilizarse en atmósferas con mucho polvo, con dióxido de

azufre, vapores ácidos, amoniaco, cloro, vapores alcalinos, acetileno, oxido de etileno y atmósferas contaminadas con sal. El electo envejece disminuyendo su indicación en 1 a 2% por año. La precisión suele ser de ± 2 a ±3% de HR y el lento puede medir de 5 a 95% de HR. Sensor de polímero.

Esta formado por una rejilla conductora con una base de poli estireno tratada con ácido sulfúrico. La variación de humedad ambiente (30 a 90% HR) cambia la resistencia de la superficie del sensor, debido a que el radical sulfato (SO4) libera o absorbe los iones H+

procedentes de la humedad del ambiente. Se utilizan compensadores de temperatura y el sensor esta conectado a un puente de Wheatstone.



Humedad en sólidos.

Secado térmico. Es el método más antiguo, empleado normalmente como comprobación de los demás sistemas. Consiste en aplicar calor al material hasta que no pueda liberarse mas agua a no ser que se aumente la temperatura. El agua se evapora mientras su presión de vapor dentro del material es mayor que la del aire del horno que le rodea. La muestra del producto debe mantenerse un cierto tiempo a la temperatura de secado para llegar a un equilibrio de humedad en su interior, pudiendo variar este tiempo de 2 a 15 h.

Tiene el inconveniente del excesivo tiempo que requiere y no distingue entre la humedad y las materias volátiles que el cuerpo puede contener o que puedan producirse por descomposición térmica.

Método de Conductividad. Se basa en la medida de la conductividad de una muestra del producto al pasar una corriente a través de los electrodos en contacto con el mismo. Estos electrodos forman parte de un puente de Wheastone con la indicación, el registro o el control de la humedad.

Figura 2.83 Método de conductividad

Proporciona buenos resultados y es repetitivo. Sin embargo la lectura viene influida

considerablemente por el estado de la superficie de contacto de los electrodos, por la presión de los mismos con el material, por la temperatura, etc. En particular en los materiales de alta resistividad como el papel.

Método de capacidad. Se basa en la variación de la constante dieléctrica que el

material experimenta entre el estado húmedo y el estado totalmente seco. Los electrodos que constituyen las placas de un condensador cuyo dieléctrico es el material cuya humedad ha de medirse forman parte de un oscilador de radiofrecuencia cuya salida alimenta un puente de medida de capacidades. El sistema se emplea en materiales con un contenido de humedad menor de 20 a25% y es independiente de la presión del contacto de los electrodos o de los cambios de temperatura.

Método de infrarrojos. Aplicado preferentemente en la fabricación el papel, una fuente de rayos infrarrojos emite un haz de rayos hacia la superficie del material cuya humedad desea medirse. La onda emitida esta seleccionada de tal forma que el agua contenida en el producto absorbe la máxima radiación infrarroja mientras que la celulosa absorbe el mínimo.



De este modo, un detector capta la radiación que atraviesa el material e indica la humedad correspondiente. Para que la medida sea independiente de la capa de aire intercalada entre el emisor, el material y el detector, de las variaciones de espesor el material y de su posición relativa entre el emisor y el detector, se acostumbra a utilizar otra fuente adicional que actúa como referencia. El conjunto emisor-detector suele ser móvil para de este modo explorar toda la banda de papel.

Figura 2.84 Medida de humedad por infrarrojos

Método de Radiación. El método de radiación una fuente de neutrones de alta

energía se dirige contra el material del proceso y parte de la radiación emitida es reflejada principalmente por los átomos de hidrogeno existentes en las moléculas del material. Como el hidrogeno esta asociado químicamente con el agua, es posible determinar muy exactamente la humedad del material.

Figura 2.85 Medida de humedad por radiación

2.5.8.4 PUNTO DE ROCIO.

Cámara de niebla. Realiza una medida manual discontinua del punto de rocío. Consiste en una pequeña cámara con una bomba manual que permite comprimir una muestra del gas. Se anota la presión y la temperatura inicial del gas y se comprime a una presión dada. A continuación se abre una válvula de escape a la atmósfera con lo que el gas sufre una expansión adiabática y baja de temperatura. El ensayo se repite varias veces comprimiendo cada vez más el gas hasta que la temperatura alcanzada en la expansión hace aparecer niebla en la cámara. Esta temperatura corresponde al punto de rocío.

Célula de Cloruro de Litio. Consiste en un maguito de tela impregnado con una solución de LiCl, envolviéndolo en una bobina. Sobre el manguito esta arrollado un hilo bifilar abierto en un extremo, y alimentado a través del secundario de un transformador, con lo que circula una corriente entre los hilos a través de la sal de LiCl. Esta tiene la propiedad característica de mantenerse con una humedad relativa del 11% en equilibrio con la atmósfera húmeda. A valores inferiores al 11% la sal cristaliza y deja de ser conductora.



La sal es altamente higroscópica, por lo cual tiene una gran afinidad por la humedad ambiental; cuanto mas alto sea esta tanto más conductora será la sal y tanto más se calentara la bobina por la circulación de corriente a través del hilo bifilar. La temperatura de equilibrio de la bobina esta pues relacionada con el punto de roció del aire o del gas de modo que puede medirse con una sola resistencia y un instrumento de puente de Wheastone graduado directamente en temperatura del punto de rocío.

Es apta para temperaturas ambiente de -30 130ºC, la célula exige que los gases cuyo punto de rocío se mida no contengan ni amoniaco, ni dióxido de azufre, ni cloro, ni sal, ni partículas en suspensión.

Sistema de condensación en un espejo. Consta de una cámara con un sistema calefactor y refrigerante que controla la temperatura de la superficie de un espejo situado en su interior y en el cual circula una corriente del gas cuyo punto de rocío hay que determinar. Una célula fotoeléctrica actúa sobre el sistema de refrigeración o calentamiento para conseguir el empañamiento constante de la superficie especular. La temperatura de esta superficie indica el punto de rocío del gas.

Figura 2.86 Sistema de condensación en un espejo

Analizador de infrarrojos. No solo puede medir el punto de rocío (vapor de agua)

sino también cualquiera de varios constituyentes, tales como CO2, CO, CH4, C3H8, SO2, NH3.

La radiación por estos gases es absorbida de un modo característico. El analizador de infrarrojos consiste en una fuente pulsante de infrarrojos (filamentos de Nichrome), dos células, una de referencia y otra de muestra en cuyo interior pasan las radiaciones infrarrojas, y un detector.

Si la cámara detectora esta llena de vapor de agua, la radiación infrarroja es

absorbida proporcionalmente a la concentración de vapor de agua en la célula de gas muestra, con lo cual disminuye la presión en esta cámara como resultado de la energía intermedia absorbida.



El instrumento además de medir punto de rocío puede determinar los porcentajes de varios componentes en el gas a analizar. Los analizadores infrarrojos son de respuesta rápida, aptos para el registro de varias muestras de gas, pueden analizar atmósferas conteniendo amoniaco.

Figura 2.87 Sistema de infrarrojos

2.5.8.5 TURBIDEZ.

Oposición que ofrece una sustancia al paso de la luz y que es mayor que la que presenta naturalmente en estado puro. Es una medida de la falta de transparencia de una muestra de agua debida la presencia de partículas extrañas. (plancton, microorganismos, barro, etc.). Se efectúa para determinar el grado de penetración de la luz a través del agua.

Permite interpretar conjuntamente con la luz solar recibida y la cantidad de oxigeno disuelto el aumento o disminución del material suspendido en el agua. Aunque no es un parámetro con un valor indicador absoluto, es uno de los que habitualmente se emplean para caracterizar la calidad del agua

Los instrumentos que se emplean para medir la turbidez se denominan turbidímetros o nefelómetros y miden en unas unidades de turbidez denominadas unidades nefelométricas o NTU (del inglés nephelometer turbidity units). Según el sistema de medición, se pueden registrar los resultados en otras unidades, como la JTU (Jackson Turbidity Units) o la FTU.

Turbidímetro, instrumento utilizado para medir la turbidez de los líquidos. Mide la dispersión de un haz de luz en un ángulo de 90º. Constan de una caja oscura, en la que se aloja la fuente luminosa y los receptores, en la que se inserta un recipiente transparente con la muestra de líquido cuya turbidez se pretende determinar. Tras ubicar la muestra en su receptáculo, se procede a taparlo para evitar la entrada de luz parásita del exterior. Normalmente, antes de su utilización, se realiza una calibración del aparato con una solución testigo de turbidez conocida.



Turbidímetro de Jackson: consiste en un tubo graduado que descansa en un

soporte de vidrio en cuya parte inferior se encuentra una vela encendida. La muestra de agua se introduce lentamente en el tubo hasta que en su interior deja de verse la flama de la vela.

Figura 2.88 Turbidímetro de Jackson

En forma continua se determina por:

Luz reflejada. Una lámpara incandescente emite un rayo de luz que un sistema de lentes enfoca en la muestra de agua. Una celda fotoeléctrica capta la luz reflejada por las partículas en suspensión generando una corriente proporcional a la concentración de sólidos suspendidos.

Luz absorbida. La lámpara y la célula están situadas una frente a la otra, con una columna de la muestra de agua que las separa. La célula mide la absorción de la luz por los sólidos en suspensión. Precisión: ±5 a ±10% y el campo de medida es de 0-2400. 2.5.9 FIBRA ÓPTICA.

Los cables de fibra óptica suponen una alternativa a los voluminosos cables de cobre para las telecomunicaciones. Un solo par de cables de fibra óptica puede transmitir más de mil conversaciones simultáneas. Por el ojo de esta aguja pasan fácilmente varias fibras ópticas.

Figura 2.89 Fibra óptica



La idea de fabricar fibras de vidrio de sílice suficientemente puro para transportar la

luz a grandes distancias se ha ido abriendo camino desde finales de los años 60. El fundamento: la luz enviada por el interior de la fibra se refleja en sus paredes, lo que tiene como consecuencia guiar el haz luminoso a lo largo de la fibra, incluso cuando ésta está curvada.

En primer lugar los principales elementos de un enlace óptico. Comprenden un foco luminoso láser, que es un diodo láser análogo al de los lectores de discos compactos, que funciona en el infrarrojo próximo (a una longitud de onda de 1,3 o 1,5 µm). La luz emitida es modulada por un transmisor, un sistema controlado por la señal eléctrica que aporta la información.

Los impulsos luminosos se envían a través de la fibra; en el otro extremo, un fotodiodo (o receptor) reconvierte la señal óptica en señal eléctrica. Y ésta es transformada finalmente en sonido, imagen o texto en el teléfono, la televisión o la pantalla del ordenador.

Como en todos los sistemas de comunicación numérica, la información está codificada en forma de una sucesión de «0» y de «1», en la que cada elemento se llama «bit» (de binary digit).

En una fibra óptica, los «0» y los «1» son transportados físicamente por una onda luminosa cuya intensidad se modula: el tiempo se divide en almenas de igual duración, y en cada almena, el «1» se codifica por medio de un impulso luminoso de una cierta intensidad, mientras que el «0» se representa por una ausencia de luz.

El éxito de los repetidores ópticos se explica por la puesta en común de tecnologías llegadas a la madurez: la fabricación de fibras ópticas ultrapuras, las técnicas de dopado con erbio y la fabricación de los diodos láser necesarios para los amplificadores.

En los años setenta, investigadores de la Universidad de Stanford y de los laboratorios AT&T-Bell exploraron las posibilidades del bombeo por medio de diodos láser de estas fibras al neodimio, con vistas a desarrollar las telecomunicaciones ópticas a una longitud de onda de 1,06 µm. 2.5.10 REACCIONES DE OXIDO-REDUCCIÓN.

Todas las reducciones químicas involucran un intercambio de electrones, y son consideradas reacciones de oxidación- reducción. Estas reacciones producen potenciales medibles y predecibles, el relativo valor de los oxidantes y reductores involucrados pueden ser medidos por la determinación del potencial de oxidación- reducción (ORP). Esto puede ser logrado insertando un electrodo inatacable, por ejemplo, de platino, rodio, oro o algún metal altamente resistente a la corrosión y midiendo la fuerza electromotriz resultante por medio de un potenciómetro o amplificador de alta impedancia, el voltaje medido es la diferencia entre los voltajes individuales desarrollados de cada electrodo, si se usa un electrodo de referencia de gas hidrógeno, el potencial del electrodo de medición debe ser el verdadero potencial de oxidación –reducción de la solución, ya que el potencial del electrodo de referencia de gas hidrógeno por convención es 0.



Generalmente se emplea un electrodo de referencia de cloruro de plata (Calomel), y el potencial desarrollado por este electrodo requiere una corrección a la lectura del medidor para referir el potencial de electrodo de medición al potencial 0 del electrodo de hidrógeno.

Para entender y referir los valores de ORP y las ecuaciones encontradas en los datos de manuales y similares, es necesario tomar en cuenta que existen dos convenciones diferentes, las cuales únicamente son opuestas en polaridad. La convención europea se expresa con el potencial opuesto que existe en el electrodo de medición.

Los calores específicos de oxidación –reducción de una amplia variedad de reacciones que involucran un cambio de electrodos pueden encontrarse en manuales y literatura, los valores en volts, típicamente están referidos al electrodo de hidrógeno (teniendo potencial 0), como unidad activa y a 25 °C, estos valores pueden ser insertados en la forma general de la ecuación de Nernst:

(2.32) E= Eo – 0.0591 - log oxidante n reductor

En donde: E: fuerza electromotriz medida en voltios, opuesta al electrodos de hidrógeno normal cuyo potencial es 0. E0 : fuerza electromotriz estándar como se encuentra en la literatura para la reacción involucrada bajo las condiciones especificadas. N: número de electrones involucrados en la reacción

Limitaciones del método. Muchos tipos de reacciones químicas y procesos pueden ser controlados por este método, pero tiene las siguientes limitaciones:

1. El electrodo de medición detecta los oxidantes y reductores en una solución, por ejemplo, un cromato hexavalente dentro de un fluido del drenaje, puede ser el componente que requiere medición, sin embargo, otras sustancias como sales de hierro y sulfuros pueden estar presentes y pueden influir en el potencial neto.

2. Las variaciones de pH de la solución deben causar variaciones en el potencial neto de la solución.

3. La temperatura debe influir el potencial ligeramente la corrección necesaria usualmente del ser menor de 1 mV /°C.

Probablemente el tratamiento de agua emplea la medición de oxidación – reducción

en una mayor proporción que otro grupo de procesos, el potencial de oxidación – reducción también es usado para controlar el flujo de cloro u otros agentes oxidantes en varios procesos de blanqueado en la industria de la pulpa y papel, una amplia variedad de aplicaciones existen través de la industria química, varios procesos de beneficio de mineral emplean este método donde los niveles de oxidación y reducción son necesarios para una misma separación.



2.6 ELEMENTOS FINALES DE CONTROL.

2.6.1 VÁLVULAS. Dispositivo mecánico para controlar, retener, regular, o dar paso a cualquier fluido entubado. •Partiendo por esta definición de Válvula, se analizaran las válvulas más comunes en el

mercado. Además en este análisis se verán las partes principales, algunas características y su funcionamiento.

•Existen numerosos tipos de válvulas diseñadas para cierto tipo de uso, la mala elección de estas puede llevar al mal funcionamiento y así acortar la vida útil, lo que conlleva a un aumento excesivo de costos.

•En la selección de la válvula se requiere de los siguientes datos: Tipo de fluido, material, presión, tipo de unión, temperatura, diámetro, etc.

•Debido a esto al seleccionar una válvula nos vemos en la necesidad de recurrir a catálogos para ver algunas especificaciones técnicas como el peso, espacio disponible u otros factores para así ver si concuerda con nuestros objetivos.

Válvula de control.La válvula automática de control generalmente constituye el último elemento en un lazo de control instalado en la línea de proceso y se comporta como un orificio cuya sección de paso varia continuamente con la finalidad de controlar un caudal en una forma determinada.

Partes de la válvula de control. Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son: la parte motriz

,servomotor o actuador y el cuerpo.

Cuerpo de la válvula: este está provisto de un obturador o tapón, los asientos del mismo y una serie de accesorios. La unión entre la válvula y la tubería puede hacerse por medio de bridas soldadas o roscadas directamente a la misma. El tapón es el encargado de controlar la cantidad de fluido que pasa a través de la válvula y puede accionar en la dirección de su propio eje mediante un movimiento angular. Esta unido por medio de un vástago al actuador.

Hay gran variedad de estilos de cuerpos de válvula en general se clasifican por el tipo de movimiento del obturador : movimiento lineal y movimiento rotatorio. Aunque el cuerpo de la válvula tiene la función primaria de alojar los componentes internos y servir de soporte mecánico para el obturador y los accesorios.

Actuador: el actuador también llamado accionador o motor, puede ser neumático, eléctrico o hidráulico, pero los más utilizados son los dos primeros, por ser los más sencillos y de rápida actuación. Aproximadamente el 90% de las válvulas utilizadas en la industria son accionadas neumáticamente. Hay dos actuadores neumáticos básicos; en uno se utiliza resorte y diafragma (fig 2) y el de pistón y cilindro. El actuador responde a la señal del control automático y mueve las guarniciones de la válvula para variar el flujo.

Lo que se busca en un actuador de tipo neumático es que cada valor de la presión recibida por la válvula corresponda una posición determinada del vástago. Teniendo en cuenta que la gama usual de presión es de 3 a 15 lbs/pulg² en la mayoría de los ctuadotes se selecciona el área del diafragma y la constante del resorte de tal manera que un cambio



de presión de 12 lbs/pulg², produzca un desplazamiento del vástago igual al 100% del total de la carrera.

Los materiales de construcción son muy importantes para el cuerpo y las guarniciones de las válvulas de control. Las piezas que hacen contacto con el flujo deben ser compatibles en el aspecto de resistencia a la corrosión. La corrosión no es lo único que debe preocupar por que la cavitacion en el cuerpo y las guarniciones puede producir muchos daños. Por lo general ocurre con una gran caída de presión, aunque en realidad esto puede suceder cuando casi se llega a la presión de vapor del fluido dentro del cuerpo. Esto puede tener lugar en el punto de máxima velocidad del fluido cerca del asiento de la válvula. Características de las válvulas.

Hay dos características de las válvulas, las inherentes y las instaladas.

INHERENTES.- Se refieren a la relación existente entre el flujo que pasa por la válvula y la elevación del tapón, cuando AP es constante, a través de la válvula.

Válvula de abertura rápida: Máximo cambio de flujo a un pequeño viaje del vástago ( 2 posiciones

Válvula lineal: Varía linealmente el área del paso del fluido con variaciones del movimiento del tapón.

Válvula de igual porcentaje: Al igual que la válvula lineal trabaja estrangulando el flujo y no presenta un cierre hermético cuando el tapón está completamente pegado al asiento.

Gráfica 2.10 Carrera de válvula (%)

INSTALADAS: Si una válvula opera en un proceso y la AP a través de ella no es constante, se dice que dicha válvula presenta características instaladas o de operación.

(2.33)

Q = Flujo de fluido ΔP = Caída de presión

FLUJO %

Q = √ (AP/ e)



C = Densidad del fluido K = Constante de descarga A = Área de paso

Relación caídas de presión .- Sirve para conocer las características de operación de una válvula instalada.

(2.34)

Rp = Relación de caídas de presión ΔPv = Caída de presión de la válvula (abierta) ΔPs = Caída de presión total ΔPs- ΔPv : Caída de presión en la línea cuándo la válvula está completamente abierta. Selección de las válvulas de control.

a) Material del cuerpo: Se debe elegir de manera que registre fluidos abrasivos, corrosivos, etc

b) Tamaño de la válvula: La ΔP y Q son factores determinantes en la elección de un

tamaño apropiado de válvulas.

El factor usado para determinar el tamaño de una válvula es el coeficiente del flujo o factor Cv.

Cv : Es el número de galones de U.S de agua / min. a 60° F que fluyen a través de una válvula con su máxima abertura y con ΔP= 1 psi, medidos en las tuberías de entrada y de salida directamente adyacentes al cuerpo de la válvula.

La fórmula básica para el flujo de líquidos es: (2.35)

G = gravedad específica G = 1 para el agua

Suponiendo ΔP = 1 psi Q = KA

La ecuación expresa el flujo de agua a través de una válvula con una superficie de cuerpo A, con ΔP = 1 psi. Sustituyendo Cv por ka.

(2.36)

Rp = ΔPv / ΔPs - ΔPv

Q= KA √ (P1- P2 / G)



Las válvulas se denominan por el tamaño del conducto de sus conexiones. La superficie de sus conexiones. La superficie máxima de flujo que pueden proporcionar debe ser una magnitud del mismo orden que la del tamaño de la tubería.

El factor Cv que es un coeficiente de flujo cambia de la misma forma.

c) Características efectivas de la válvula.- Si un proceso presenta no linealidades, se comportaría de forma estable para ciertos niveles de flujo e inestable para otros.

Ejemplo: Estable y lento para flujos grandes e inestable y rápido para flujos bajos. La selección correcta de la válvula requiere de mucha experiencia en el campo. d) El factor económico tiene gran importancia y por lo tanto debe tomarse en cuenta.

Gases.- El flujo para gases cuando T> 120° F viene dado por:

Q = Flujo (Ft3 /min) ΔP = Caída de presión corriente abajo (psi) P2 = Presion absoluta corriente abajo (psi) Tf = Temperatura absoluta °R (°F + 460) G = Gravedad específica

Para T entre 0° y 120° F :

Flujo Crítico.- Cuando una válvula maneja gases o vapores, el gasto máximo que permite pasar ocurre cuando la presión en la salida, medida en forma absoluta es aproximadamente igual a la mitad en la presión de entrada.

Si la presión de salida es aún menor el flujo ya no aumenta si que permanece constante, e igual al máximo.

En este último caso se dice que se tiene flujo crítico así:

120° F

Q = Cv √ (P1- P2 / G)

Q = 1360 Cv √ (ΔP P2 / G)

Q = 60 Cv √ (ΔP P2 / G)

Q = 1360 Cv √ (0.5 P1 ) 2 / G)

Q = 1360 Cv √ (0.5 P1 ) 2 / G)



P2 < 0.5 Pi 0 -120°F

Para el gasto de vapor la ecuación es:

W = Densidad específica del vapor a la presión O. S Pi 2.6.2 TIPOS DE VÁLVULAS. 2.6.2.1 VÁLVULAS DE MARIPOSA.

El nombre de esta válvula viene de la acción tipo aleta del disco regulador de flujo, el que opera en torno a un eje que esta en ángulo recto al flujo. Esta válvula obtura y regula. La válvula de mariposa consiste en un disco (llamado también chapaleta u hoja), un cuerpo con cojinetes y empaquetadura para sellamiento y soporte, un eje, y un disco de control de fluido.

Este tipo de válvula es recomendada y usada especialmente en servicios donde el fluido contiene gran cantidad de sólidos en suspensión, ya que por su forma es difícil que estos se acumulen en su interior entorpeciendo su funcionamiento.

Aunque estas válvulas son excelentes utilizándolas para control de fluido, su uso más común es para servicio de corte y estrangulamiento cuando se manejan grandes volúmenes de gases y líquidos a presiones relativamente bajas.

Para la estrangulación el disco se mueve a una posición intermedia, en el cual se mantiene por medio de un seguro.

Figura 2.90 Válvulas de mariposa

Se pueden encontrar de extremos roscados, y para tamaños mayores con bridas. Todas estas válvulas tienen limitaciones de temperatura debido al material de asiento y el sello.

Q = 63.3 √ (0.5 P1 ) w



Figura 2.91 Válvula de mariposa.

El funcionamiento básico de las válvulas de mariposa es sencillo pues sólo requiere una rotación de 90º del disco para abrirla por completo. Además, son válvulas de control muy eficientes en comparación a las otras válvulas de control del tipo globo ya que la velocidad de la corriente en el flujo no se pierde, porque el fluido circula en forma aerodinámica alrededor del disco. El flujo en los asientos restringidos en las válvulas de globo y alrededor del macho ocasiona grandes caídas de presión. Válvulas de diafragma:

Las válvulas de diafragma se utilizan para el corte y estrangulación de líquidos con gran cantidad de sólidos en suspensión, además desempeñan una serie de servicios importantes para el control de fluido. Entre sus componentes principales tenemos el cuerpo, el bonete y el diafragma flexible. Los dos tipos generales son:

Válvulas de diafragma con cuerpo rectilíneo. Válvulas de diafragma con cuerpo tipo vertedero o Sauners.

En las válvulas de diafragma se aísla el fluido del mecanismo de operación o sea, los

fluidos no tienen contacto con las piezas de trabajo porque se produciría corrosión y fallaría el servicio.

Las aplicaciones de este tipo de válvula son mayormente para presiones bajas y pastas aguadas que a la mayoría de los demás equipos los corroerían y obstruirían. Cuando la válvula se abre, se produce la elevación del diafragma quedando éste fuera de la trayectoria de flujo y el líquido tiene un paso suave y sin obstrucciones. Cuando se cierra la válvula, el diafragma asienta con rigidez contra un vertedero o zona circular en el fondo de la válvula.

Los vástagos de las válvulas de diafragma no sufren torsión, solo poseen un movimiento hacia arriba y abajo con la ayuda del pistón de compresión, el que a su vez se puede mover con un brazo de palanca. Su duración depende de las presiones, temperaturas y la frecuencia de las aperturas y cierres. 2.6.2.2 VÁLVULA DE CORREDERA •Se utilizan para controlar líquidos a baja presión •No se destinan a servicios donde se requiere un cierre hermético



•Se puede emplear en servicios en los que los líquidos o gases que pasan por la válvula tienen alto contenido de sólidos. •Los materiales de construcción de estas válvulas: aleaciones con bajo cromo, acero y acero inoxidable. •Tamaños desde 2 hasta 75in

Figura 2.92 Válvulas de corredera. 2.6.2.3 VÁLVULA EN ÁNGULO.

Son básicamente válvulas de globo que tienen conexiones de entrada y de salida en ángulo recto. La formula de ángulo recto elimina el uso de un codo por que el flujo en el lado de entrada esta en ángulo recto con la del lado de salida. Esta válvula permite tener un flujo de caudal regular si existen turbulencias y es adecuada para disminuir la erosión cuando esta es considerable por las características del fluido o bien por la excesiva presión diferencial.El diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan, para trabajar con grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen sólidos en suspensión •Su diseño es idóneo para fluidos que vaporizan •Trabaja con grandes presiones diferenciales •Fluidos que contienen sólidos en suspensión •Materiales: Bronce, hierro fundido, hierro, acero forjado, inoxidable, Monel, PVC, polipropileno, Penton y grafito impermeable •



Figura 2.93 Válvula de control representativas

2.6.2.4 VÁLVULAS DE COMPUERTA.

Ésta válvula efectúa su cierre con un disco vertical plano, o de

forma especial, y que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su disposición es adecuada generalmente para control todo-nada, ya que en posiciones intermedias tiende a bloquearse. Tienen un alto porcentaje de unidades en operación, algunas de sus ventajas y desventajas son:

• No se prestan a un control preciso del flujo porque ocurre un porcentaje anormal de cambio del flujo cuando está casi cerrada y a alta velocidad.

• No se destina para servicio de estrangulación porque la compuerta y el asiento se erosionan con rapidez.

Figura 2.94 Válvula de Compuerta.



• Cuando están abiertas del todo, la mayor parte de las válvulas de compuerta permiten flujo lineal en un conducto que tiene el mismo diámetro de la tubería.

• Por lo general producen menor caída de presión en un sistema que cualquier otro tipo de válvula.

• Presenta muy poca resistencia al flujo de fluido cuando está en posición de apertura total.

Elementos estructurales de la válvula.

Los principales elementos estructurales de la válvula son: volante, vástago, bonete, compuerta, asientos y cuerpo

Mecanismos de control de flujo.

Son muchas las variantes en que se fabrican este tipo de válvulas para aplicaciones especializadas.

Estas válvulas se pueden clasificar, en general, por el tipo de elemento de control de flujo utilizado.

Se diferencian unas de otras por:

Tipo de unión entre cuerpo y bonete (con hilo, apernada, soldada) Tipo de vástago (con hilo externo o hilo interno) Tipo de disco o compuerta (cuña de una pieza o de dos piezas) Clasificación de la Norma API 600-1973:

Cuña 1 pieza.

La cuña de una pieza es de fácil construcción, evita vibraciones y la válvula puede colocarse en cualquier posición.

Puede ser normal o flexible Cuña dividida o de 2 piezas.

Los 2 discos están en contacto entre sí mediante una unión de bola y cuenca. Dado que los discos pueden girarse con independencia, se adaptan a los cambios en los ángulos de los asientos y tienen buen sellamiento y más duración.

Se utiliza más en servicios corrosivos de baja presión. Compuerta de doble disco.

También se le conoce de cuchilla.



Tipos de vástago.

Vástago no elevable, con rosca interna, tiene ventajas cuando hay poca altura. Vástago elevable con rosca externa que requiere más espacio libre, pero impide que

la rosca este en contacto con los fluidos del proceso. Vástago elevable con rosca interna, que expone la rosca del vástago a los líquidos

del proceso, por tanto, no se debe usar con líquidos corrosivos.

Tipo de bonete

Bonetes con rosca interna o externa para válvulas pequeñas y servicio a baja presión. Bonetes con unión para válvulas pequeñas donde se necesita mantenimiento

frecuente. Bonetes con brida y atornillados para válvulas grandes y servicio a presión y

temperatura altas. Bonetes con abrazadera en válvulas para presión moderada, donde se necesita

limpieza frecuente. Bonetes sellados de presión para servicio con altas presiones y temperaturas. Bonetes con sello de pestaña para altas presiones y temperaturas. Bonetes con cierre de obturador para presión y temperatura altas.

Materiales



Tabla 2.25 Materiales de construcción de válvulas.

Métodos de sellado.

En las válvulas de compuerta se requiere sellamiento en 4 lugares. Tres de ellos son para evitar fugas al exterior. (Dependen de las conexiones de

extremo, la unión entre el bonete y el cuerpo y alrededor del vástago). El cuarto es para restringir el escurrimiento del fluido, por lo general corriente abajo,

cuando está cerrada la válvula. (Depende de la cuña). 2.6.2.5 VÁLVULAS MACHO.

Consisten en un cilindro o macho introducido en una cavidad correlativa en el cuerpo de la válvula.

Sus componentes básicos son: cuerpo, macho y la tapa. Se fabrican con diversos materiales: hierro fundido, acero, bronce, níquel, latón, PVC

y aleaciones resistentes a la corrosión. Sus tamaños van desde ¼ hasta 30 in. Capacidad de presión: hasta 5000 psi. Su operación es con ¼ de vuelta, al menos que tengan operador por engranes. Hay dos tipos principales de válvulas macho: lubricadas y no lubricadas.



Válvula macho lubricada.

Para evitar las fugas entre la superficie del macho y el asiento en el cuerpo y reducir la fricción durante la rotación.

Se utiliza un lubricante para producir el cierre y su buen funcionamiento requiere un programa de lubricación periódica.

Las condiciones de operación están limitadas a las temperaturas y líquidos de procesos para los cuales existe un lubricante apropiado.

Se utilizan en la industria petrolera. Su ventaja es la operación rápida. Tiene una gama limitada de temperaturas según

sea el lubricante utilizado. Válvula macho no lubricada.

Están disponibles en los tipos:

1. Elevable (para su operación se levanta en forma mecánica el macho para facilitar la rotación).

2. Con camisa de elástomero (TFE) o revestimiento para el macho. (se aplica como revestimiento-sello o por inmersión en el cuerpo rodeando por completo el macho, eliminando la fricción).

Sus ventajas son: el cierre hermético, operación rápida, ausencia de problemas de

lubricación y amplia gama de temperaturas. Categorías de válvulas macho.

Son circulación rectilínea y orificios múltiples. El macho de circulación rectilínea es cónico o cilíndrico y los orificios de varios diseños:

• Orificio redondo completo: abertura para toda la cavidad en el macho y

el cuerpo. • Orificio rectangular: posee orificios de tamaño completo, con una

apertura mínima del 70% del tamaño de la tubería. • Orificio de Venturi: tienen aberturas. • Orifico de rombo: la abertura del macho es en forma de rombo. • Orificios múltiples: simplifican la tubería.

Ventajas:

Operación rápida y sencilla. Espacio mínimo para instalación. Cierre hermético. Principales servicios: Apertura o cierre total sin estrangulación. Tienen mínima resistencia al flujo. Son para operación frecuente y tienen poca caída de presión. Son ideales para manejar corrientes con alto contenido de sólidos, incluso

pastas muy espesas.



Las válvulas lubricadas se usan para estrangulación aunque puede haber abrasión si hay sólidos en el material que circula.

Las válvulas no lubricadas no son recomendables para estrangulación, salvo con caídas de presión menores, por el peligro de contracción y aplastamiento de la camisa.

2.6.2.6 VÁLVULAS DE DIAFRAGMA.

Las válvulas de diafragma se utilizan para el corte y estrangulación de líquidos con

gran cantidad de sólidos en suspensión, además desempeñan una serie de servicios importantes para el control de fluido. Entre sus componentes principales tenemos el cuerpo, el bonete y el diafragma flexible. Los dos tipos generales son:

Válvulas de diafragma con cuerpo rectilíneo. Válvulas de diafragma con cuerpo tipo vertedero o Sauners.

En las válvulas de diafragma se aísla el fluido del mecanismo de operación o sea, los

fluidos no tienen contacto con las piezas de trabajo porque se produciría corrosión y fallaría el servicio.

Las aplicaciones de este tipo de válvula son mayormente para presiones bajas y pastas aguadas que a la mayoría de los demás equipos los corroerían y obstruirían. Cuando la válvula se abre, se produce la elevación del diafragma quedando éste fuera de la trayectoria de flujo y el liquido tiene un paso suave y sin obstrucciones.

Cuando se cierra la válvula, el diafragma asienta con rigidez contra un vertedero o zona circular en el fondo de la válvula. Los vástagos de las válvulas de diafragma no sufren torsión, solo poseen un movimiento hacia arriba y abajo con la ayuda del pistón de compresión, el que a su vez se puede mover con un brazo de palanca. Su duración depende de las presiones, temperaturas y la frecuencia de las aperturas y cierres.

2.6.2.7 VÁLVULAS DE BOLA.

Son válvulas de macho modificadas.

Sus principales componentes son: el cuerpo, el asiento y la bola. Tiene una bola con un orificio en un eje geométrico para unir las partes de entrada y

de salida del cuerpo. Se fabrican con una serie de materiales: hierro fundido, bronce, aluminio, acero al

carbono, latón, titanio, zirconio y aleaciones resistentes a la corrosión. Los tamaños comunes son de 1/8 hasta 42 in. Capacidad de presión: hasta 10 000 psi. Sólo requieren ¼ de vuelta para abrir o cerrar (en la posición abierta, el flujo es

rectilíneo y para cerrarla, se gira la bola 90°). No requieren lubricación y funcionan con un mínimo de torsión. Hay dos tipos básicos: de bola giratoria y la de elevación o de bola enjaulada

(producen cierre hermético). En base al diseño del cuerpo: entrada superior y entrada por el extremo o cuerpo

dividido.



Válvulas de entrada superior: la bola y los asientos se instalan por la parte superior, los asientos están en ángulo.

Cuerpo dividido: la bola y los asientos se instalan desde los extremos.

Los materiales para los asientos: son TFE, Nylon, buna-N y Neopreno, aunque su uso esta limitado por las temperaturas.

Los extremos del cuerpo: son de soldadura de enchufe, con brida o roscados, se pueden cambiar con materiales de construcción.

Las presiones que pueden controlar los asientos son menores que en la válvula de compuerta o globo.

La capacidad es reducida para presiones y temperaturas ocurre en tamaños de 2.5 in o más grandes y con temperaturas superiores a 200-250 °F.

Las válvulas de bola tiene orificios: completos, de venturi y de superficie reducida. • Orificio completo: es igual al diámetro interior de la tubería. • Orificio de Venturi: tiene superficies reducidas. • Orificio reducido: es de menor diámetro que la tubería.

Ventajas. Se utilizan para servicio de corte. Rápida operación. Mantenimiento fácil. No requieren lubricación Producen cierre hermético con baja torsión Su caída de presión es función del tamaño del orificio. Capacidad para alto volumen de flujo. El uso de orificios múltiples, permite ahorros en el costo de válvulas y

tuberías.Esta limitada a las temperaturas y presiones que permite el material del asiento.No están limitadas a un fluido en particular. Se puede emplear para vapor, agua, aceite, gas, aire, fluidos corrosivos, pastas aguadas y materiales pulverizados secos.

2.6.2.8 VÁLVULAS EN Y.

Las válvulas en Y son una modificación de las válvulas de globo. Tienen el conducto rectilíneo de una válvula de compuerta. El orificio para el asiento está a una ángulo de unos 45º con el sentido de flujo. Por tanto,

se obtiene una trayectoria más lisa, similar a la de la válvula de compuerta. Hay menor caída de presión que en la de globo convencional. Tiene buena capacidad de estrangulación.



Componentes de la válvula en Y.

Sus componentes son: vástago, disco y anillo de asiento, como en las válvulas globo.

Figura 2.95 Válvula en Y.

Ventajas.

Es adecuada como válvula de cierre y de control. Como válvula todo-nada se caracteriza por su baja pérdida de carga. Como válvula de control presenta una gran capacidad de caudal. Posee una característica de auto-drenaje cuando está instalada con un

cierto ángulo. Se emplea usualmente en instalaciones criogénicas.

2.6.2.9 VÁLVULAS DE RETENCIÓN.

Las válvulas de retención solo dejan pasar el agua, por lo tanto actúan como diodos

de flujo hidráulico mientras esta circule en un sentido determinado, cuando el agua invierte este sentido, estas válvulas se cierran automáticamente impidiendo su tránsito. Las válvulas de retención pueden ser:

• De clapeta oscilante. • De bola. • De globo. • De diafragma. • Con <<by-pass>>. • Compensada. • De funciones múltiples. • Este tipo de válvula se usa en serie con las de compuerta y funcionan en posición

horizontal o vertical



• La presión del fluido circulante abre la válvula; el peso del mecanismo de retención y

cualquier inversión en el flujo la cierra. • Existen distintos tipos de válvulas de retención y su selección depende de la

temperatura, caída de presión que producen y la limpieza de fluido. • Ciertas válvulas de retención se pueden equipar con pesos externos. Esto producirá

el cierre rápido del disco. • Este tipo de válvula se compone principalmente de asiento, cuerpo, disco, pasador

oscilante. Ejemplos.

Válvulas de retención de inclinación del disco.

El punto del pivote del disco está de centro, una característica construida exacta para retardar el cierre del disco. El diseño partido del cuerpo aumenta el área del flujo alrededor del disco 40%, por lo tanto, es la pérdida principal más baja. El asiento es metal. Mínimo tiempo de vida de la válvula 25 años. Disponible como cheque libre del oscilación; libere el control abierto y ciérrese; o el control abierto y se cierra. Recomendado altamente para eficacia máxima en estaciones de bombeo de la energía y del agua.

Válvulas de retención doblez de la puerta.

La longitud muy corta, da lugar a los costos más bajos para la compra y la instalación. Las puertas dobles son por resorte para acción rápida no cierran de golpe el cierre contra el asiento de goma en el cuerpo. Recomendado para las refinerías, plantas químicas de Petróleo, y estaciones de bombeo de agua, cuerpo y puerta de acero, de bronce o inoxidable. Recomendada para:

• Cuando hay cambios frecuentes de circulación en la tubería. • Para uso con válvulas de globo y angulares. • Para uso cuando la caída de presión a través de la válvula no es problema.

Aplicaciones:

• Tuberías para vapor de agua, aire, gas, agua y vapores con altas velocidades de circulación.



Aplicaciones.

Tabla 2.26 Aplicaciones de las válvulas.

Proceso en plantas de bebidas, cervecerías, refrescos, vitivinícolas, etc.

Líneas de conducción de agua de riego, potable y tratadas.

Estaciones de bombeo, de riego, potable y tratadas.

Plantas siderúrgicas, mineras, sistemas aire acondicionado. Sistemas de vacío.

Plantas de proceso de aguas industriales.

Plantas generadoras de energía eléctrica.

Plantas de proceso petroquímico.

Proceso en plantas alimenticias.

Ventajas.

Recorrido mínimo del disco a la posición de apertura total. Acción rápida.

Variaciones.

• Tres tipos de cuerpos: horizontal, angular, vertical. • Tipos con bola (esfera), pistón, bajo carga de resorte, retención para vapor.

Materiales. Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, PVC, Penton, grafito impenetrable, camisa de TFE. Componentes: diversos

Figura 2.96 Interior de una válvula



Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento

1. La presión de la tubería debe estar debajo del asiento. 2. La válvula horizontal se instala en tuberías horizontales. 3. La válvula vertical se utiliza en tubos verticales con circulación ascendente,

desde debajo del asiento. 4. Si hay fugas de la circulación inversa, examinar disco y asiento

2.6.2.10 VÁLVULAS REGULADORAS AUTOMÁTICAS.

Existe gran variedad, viendo algunas tenemos:

Válvulas de venteo: este tipo de válvula suele utilizarse en acueductos para poder desalojar el exceso de aire dentro de las tuberías, sin permitir la salida del fluido. Su funcionamiento es mediante un flotador esférico que desciende para abrir y asciende con el fluido hasta sellar contra la abertura superior. Está constituida por cuerpo, el que se construye de hierro fundido, la esfera que es de acero inoxidable o bronce, el asiento de teflón, neopreno o vitón, y las conexiones respectivas que son de hilo y flanges.

Válvulas reguladoras de temperatura: su finalidad es entregar el fluido a una temperatura constante prefijada a la salida de la válvula, sin importar las variaciones que el fluido puede tener a la entrada a la válvula.

Válvulas reguladoras de presión: el objetivo es mantener una presión constante prefijada a la salida de la válvula, no obstante los cambios que pueda tener el fluido a la entrada.

Válvulas reguladoras de seguridad y alivio: se usan para descargar la presión excesiva creada por un fluido dentro de un recipiente, conforme a la presión máxima de ajuste que tenga la válvula. Funcionan por medio de un elemento sensible a la presión (resorte que mantiene la válvula cerrada mediante un disco y su asiento). Luego de producirse la descarga de presión la válvula cierra automáticamente los materiales de construcción para las válvulas antes mencionadas son:

cuerpo: bronce, hierro y acero fundido. Disco y asientos: bronce, acero, acero inoxidable. Conexiones: hilos y bridas.



Tabla 2.27 Características generales de una válvula.

Tipo Gama de tamaño (Pulg)

Máxima presión (Psi)

Máxima temperatura (°F)

Material de construcción

Retención 1/8 – 24 Hasta 10000 Hasta1200 Aleaciones especiales, acero inoxidable, acero, bronce, hierro

Bola 1/8 – 42 Hasta10000 Hasta 1000 criogénica

Hierro, acero, latón, bronce, acero inoxidable; plásticos y aleaciones especiales

Aguja 1/8 – 1 Hasta 10000 Hasta 500 criogénica

Bronce, acero, hierro, acero inoxidable

Globo 1/2 – 30 Hasta 2500 Hasta 1000 Aleaciones especiales, acero inoxidable, acero, bronce, hierro

Compuerta 1/2 - 48 Hasta 2500 Hasta 1800 Aleaciones especiales, acero inoxidable, acero, bronce, hierro

Angulo 1/8 - 10 Hasta 2500 Hasta 1000 Aleaciones especiales, acero inoxidable, acero, bronce, hierro

Mariposa Hasta 2000 Hasta 2000 Materiales para fundir o maquinar. Camisas de plástico, caucho o cerámica.

Macho Hasta 30 Hasta 5000 Hasta 600 Hierro, latón, acero, acero inoxidable, bronce; plásticos y diversas aleaciones. Disponibles con camisas completas de caucho o plástico



Tabla 2.28 Listado de precios según empresa VALVULAS INDUSTRIALES (1998)

TIPO DE VALVULA TAMAÑO (Pulg)

PRECIO NETO (Pesos)

BOLA BRONCE 1/4 - 4 $1.804 - $70.936

BOLA INOXIDABLE 1/4 - 3 $5.355 - $83.837

BOLA INOX. BRIDA 1 - 10 $31.185 - $ *

GLOBO BRONCE 1/4 - 4 $13.777 - $ *

GLOBO ANGULARES 1/2 - 2 $28.123 - $50.803

GLOBO INOXIDABLE 1/2 - 2 $17.101 - $54.131

COMPUERTA BRONCE 1/2 - 4 $5.920 - $107.240

COMPUERTA INOX 1/2 - 2 $15.284 - $48.838

COMPUERTA BRIDA 2 - 16 $138.600 - $ *

RETENCION BRONCE 1/2 - 4 $12.921 - $378.816

RETENCION INOX 1/2 - 3 $12.616 - $88.420

RETENCION BRIDA 2 - 12 $99.230 - $ *

SEGURIDAD 1/2 - 2 $46.305 - $158.466

CONO BRONCE 1/2 - 2 $16.979 - $100.842

CONO CON BRIDA 2 - 8 $188.108 - $3.652.091

CUCHILLA 3 - 18 $233.060 - $2.309.800

MARIPOSA 2 - 24 $21.149 - $ *

DIAFRAGMA BRIDA 1 - 8 $98.346 - $1.013.907

DIAFRAGMA R.GOMA 1 - 8 $81.802 - $2.539.749

SOLENOIDE 2 VIAS 1/2 - 2 $45.077 - $201.318

PURGA 1/4 - 2 $3.340 - $197.436

VENTOSA 1 - 2 $41.977 - $317.519

( * ): no poseen .



2.6.3 CONTROL AUTOMÁTICO O SERVOMOTORES. Pueden ser de cuatro tipos:

– Neumáticos (90% de uso en la industria). – Eléctricos. – Hidráulicos. – Digitales.

Los primeros dos son de respuesta rápida, gran capacidad de esfuerzo y sencillos Servomotor neumático.

Consiste en un diafragma con resorte que trabaja entre 3 y 5 psi. Al aplicar presión sobre el diafragma el resorte se comprime de tal modo que el

mecanismo empieza a moverse hasta llegar al equilibrio entre la presión del aire y el esfuerzo del resorte

Servomotor eléctrico.

Es un motor eléctrico acoplado al vástago de la válvula a través de un tren de engranaje El motor se caracteriza fundamentalmente por su par (esfuerzo realizado) y por el tiempo

requerido para hacer pasar la válvula de una posición abierta a cerrada Servomotor eléctrico. Existen básicamente tres tipos de circuitos eléctricos capaces de actuar sobre el motor.

– Todo-nada, Motor eléctrico unidireccional con dos interruptores de fin de carrera. – Flotante, Motor eléctrico bidireccional con interruptores de fin de carrera, el interruptor

de controlador “flota” entre los dos contactos de accionamiento, se detiene cuando el contacto móvil no toca ninguno de los fijos o si llega al final de su carrera.

– Proporcional (Posición Variable), Motor bidireccional, relé de equilibrio y un potenciómetro de equilibrio, se mueve se acuerdo al valor de la variable del proceso.

Servomotor hidráulico.

Consiste en una bomba de accionamiento eléctrico que suministra fluido hidráulico a una servoválvula.

El líquido actúa sobre ambos lados de un pistón actuador, hasta conseguir la posición exacta de la válvula.

Es extremadamente rápida, potente, suave, cara. Solo se usa cuando no se puede emplear un servomotor neumático.

2.6.3 APLICACIONES: Búsqueda de información bibliografica por parte del alumno, de acuerdo a la carrera correspondiente

Documents

Manual Valvulas