Medidores de Densidad, Humedad y Viscosidad - Cheuquian, Lizama

Medidores de Densidad, Humedad y Viscosidad

Valparaíso, junio de 2011

Autores: Jonathan CheuquianSergio Lizama

Introducción

Sensores y Transductores


Sensores y Transductores.

¿Qué es un sensor?

•Un sensor es un dispositivo que detecta o mide manifestaciones de cualidades o fenómenos físicos, químicos o biológicos como por ejemplo la energía, velocidad, aceleración, tamaño, cantidad, etc.

•Un sensor es dispositivo que transforma la magnitud que se quiere medir, en otra, que facilita su medida.

•Generalmente, los datos o variables que se han de captar tienen un carácter analógico, mientras que su tratamiento, almacenamiento y análisis son mucho más eficaces cuando se hace digitalmente.



Medidores de Densidad

Introducción

En mecánica de fluidos la densidad en una propiedad de suma importancia para determinar las características, tanto del fluido como la interacción de este con el medio, estas características son determinadas por los medidores, estos medidores permiten, por ejemplo, para la medición de la densidad de un flujo, mejorar la calidad de un producto.


¿Qué es densidad?

La densidad o masa específica de un cuerpo se define como su masa por unidadd e volumen, expresándose normalmente en g/cm3 (o kg/m 3).

Como la densidad varía con la temperatura y con la presión (en los gases) se especifica para un valor base de la temperatura que en líquidos suele ser de 0° e o de 15° e y en los gases de 0° e y para un valor estándar de la presión que en los gases es de 1 atmósfera.


Otros parámetros de densidad.

La densidad relativa de una sustancia es la relación existente entre su densidad y la de otra sustancia de referencia; en consecuencia, es una magnitud adimensional (sin unidades)

donde Pt es la densidad relativa, P es la densidad de la sustancia, y Po es la densidad de referencia o absoluta.

Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C.

Medidores de Densidad ¿cómo medir densidad en la industria?El auge de la instrumentación industrial y avance de la electrónica han hecho posible medir esta variable en procesos industriales de diversa complejidad de forma eficiente. Estos sistemas de medición se encuentran tanto de forma analógica como digital, por cual existe una amplia gama en disponible en el mercado.

Estos sistemas poseen diferentes métodos de medición, tales como:

Areómetros

Método de presión presión diferencial

Método de radición

Método de punto de ebullición

Medidor de Ultrasonidos

Método de horquilla

Método de tubo U


Los más utilizados en la industria son:- Aerómetros con transductor de inductancia variable.

- Método de presión diferencial.

- Método de radiación

- Método del tubo en U

Principales características:- Aerómetros consisten en un flotador lastrado en su parte inferior con un vástago superior graduado. El aparato se sumerge hasta que su peso es equilibrado por el líquido que desaloja hundiéndose tanto más, cuanto menor sea la densidad del líquido. Incorporándole 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.


- Método de Presión de diferencial: En este sistema se fijan dos puntos en el tanque o en una tubería vertical del proceso y se les conecta un instrumento de presión diferencial, bien directamente o bien a través de una cámara de medida.Como la diferencia de alturas en el líquido es fija, la única variable que altera la presión diferencial es la densidad.

- Método de radiación: El método de radiación 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 medida con un contador de centelleo que suministra pulsos de tensión, cuya frecuencia es inversamente proporcional a la densidad.


- Método del tubo en U: consiste en un tubo que tiene forma de U que incorpora una armadura rígida situada dentro del campo de una bobina excitadora alimentada por una corriente pulsante. La vibración que el tubo experimenta es función de la masa del fluido contenida en el tubo y, por lo tanto, de su densidad.

Medidores de Densidad Resumen de características:


Ecuaciones que rigen su comportamiento estático y dinámico.

La densidad de un material depende de factores ambientales, incluyendo la temperatura y la presión, aunque para líquidos y sólidos la variación de la densidad es muy pequeña para amplios rangos de variación de la temperatura y la presión y para muchas aplicaciones se puede considerar constante.

Especificamente mediante el análisis del

método de presión diferencial, se

demuestra que la densidad tiene un

comportamiento lineal en relación a la presión.


- Ejemplo de Análisis. Medidor de Densidad DT301 de Smar

DT301 de SMAR es el único transmisor de densidad y concentración del mercado que

puede utilizarse en tanques o en línea,

alimentado por el lazo de4-20mA, y con indicación local y

retransmisión del valor de densidad o

concentración en unidades configurables

por el usuario (g/cm3, °Baumé, °Plato, °Brix,

etc.) en forma continua

Medidores de DensidadMedidor de Densidad DT301 de Smar

Se basa en el principio de medición de la presión diferencial a través de dos puntos separados por una distancia conocida y fija, puede utilizarse tanto en tanques como en líneas. El instrumento utiliza un sensor de presión diferencial tipo capacitivo, comunicado mediante capilares con dos diafragmas sumergidos en proceso, separados por una distancia fija.

La presión diferencial sobre el sensor será directamente proporcional a la densidad del líquido medido. Este valor de presión diferencial no se ve afectado por la variación en el nivel de líquido ni por la presión que pudiera haber en la parte superior del recipiente.


Medidor de Densidad DT301 de Smar

- Precisión +/- 0,0004 g/cm3 (0,1 oBrix)• Campo de medida 0,5 – 5 g/cm3• Salida directa de concentración/densidad en unidades de ingenieriatales como gr/cm3, oBrix, oBaume, % solidos, etc.• Sensor integrado de temperatura para compensación.• Apropiado para fluidos estáticos o en circulación - Instalación entanques o en línea.• Bajo mantenimiento – sin partes móviles• Calibración en campo• Diseño compacto- Salida: 4-20 mA a dos hilos con protocolo digital HART. - Limite temperatura: Ambiente: - 40 a 85 oC Proceso: 0 a 140oC


- Ejemplo de Diseño Medidor de Densidad DT301 de Smar

El sensor de presión usado por el transmisor inteligente de densidad DT301 es una celda capacitiva. Este sensor esta conectado como una sonda para lograr la medición por medio de la lectura de presión diferencial.

La figura esquematiza el sensor utilizado por el DT301.


Diseño Medidor de Densidad DT301 de Smar HARDWARE

Medidores de DensidadDiseño Medidor de Densidad DT301 de Smar SOFTWARE

Medidores de DensidadAPLICACIONES EN INDUSTRIAS PAPELERAS.- Medición de licor negro.

El transmisor de densidad DT301 puede instalarse en línea o en tanques. La siguiente figura muestra un ejemplo en que el transmisor ha sido instalado en línea, utilizando un dispositivo muestreador por el que circula el licor a medir.

En este caso, el licor entra por dos puntos ubicados en la parte superior e inferior del muestreador, saliendo luego por el punto central del lado apuesto. De esta manera se elimina el efecto de carga debido a la velocidad del fluido.

Medidores de DensidadAPLICACIONES EN INDUSTRIAS AZUCARERAS

El transmisor DT301 de Smar puede aplicarse en los siguientes procesos de la elaboración de azúcar y alcohol.

Molienda: Caldo para fabricación de azúcar, Caldo para fabricación de alcohol (destilería) y Caldo entre los cuerpos de la molienda

Tratamiento de caldo: Preparación de lechada de cal, Lodo del decantador, Caldo luego de la decantación, Caldo limpio y caldo turbio

Evaporación: Melado en la salida del evaporador, Melado entre cada etapa de la evaporaciónCocimiento: Dilución de miel rica, pobre y final, Concentración de magma,

Fermentación: Dilución de fermento, Dilución del mosto, Control de centrifugación

Secado de azúcar: Dilución de los terrones, Lavado de gases del secador

Medidores de Humedad


Medidores de Humedad.

Reseña histórica:

•En el año 1820, John Frederic Daniell precisa la composición atmosférica. Inventa el higrómetro.

•Daniell puede considerarse el “padre de la meteorología moderna”. Con su invento se podía determinar la temperatura de condensación y con ella la humedad del aire.



¿Qué es la humedad relativa?

La humedad relativa es la relación entre la cantidad de vapor de agua contenido en el aire y la máxima cantidad que puede contener.

La humedad relativa se expresa en porcentaje, así, cuando la humedad relativa llega al 100% significa que el aire está saturado de agua.

Medidores de Humedad.Otros parámetros de humedad:

•humedad absoluta es la relación entre la masa de vapor de agua y el volumen ocupado por una mezcla de vapor de agua y aire seco:

Ha = 216 * Pv / T (g/m3)

Pv: es la presión de vapor en Hpa. T: es la temperatura del aire en ºK.

•humedad específica es la relación entre la masa de vapor de agua y la masa de aire húmedo:

He = 0.622 * Pv / ( P - 0.378 * Pv)

ó aproximadamente He = 0.622 * Pv / P

P: es la presión atmosférica en Hpa.


¿Como medir la humedad?

El gran auge de la electrónica en la industria ha llevado al desarrollo de una gran cantidad de dispositivos como los sensores en reemplazo de los métodos mecánicos utilizados en años anteriores, estos sensores se pueden encontrar desde los más básicos hasta los más complejos y costosos.

Existen varias formas para medir humedad mediante sensores: •Sensores por deformación.•Sensores bulbo húmedo y seco.•Sensores por condensación.

•Sensores por sales higroscópicas.•Sensores electrolíticos.•Sensores capacitivos.•Sensores resistivos.•Sensores por conductividad.


Los más usados en la industria: •sensores de humedad capacitivos.•sensores de humedad resistivos. •sensores por conductividad.

las principales características de cada tipo son:

•Sensores de humedad capacitivos: Son quizás los más difundidos en la industria y meteorología pues son de fácil producción, bajos costes, y alta fidelidad.


• Sensores de humedad resistivos: Miden el cambio en la impedancia eléctrica de un medio higroscópico como puede ser un polímero conductor, una sal o un substrato tratado.

• Sensores de humedad por conductividad: Estos sensores basan su funcionamiento en medir la humedad absoluta cuantificando la diferencia entre la conductividad en un material seco y un material que contiene vapor de agua del aire.


• Como ejemplo mostraremos las características del sensor capacitivo HIH-3610 que es utilizado comúnmente para la medición de humedad relativa en el aire, utilizado en estaciones meteorológicas.


Las principales características del sensor son las siguientes:

• Margen de medición: 0→ 100% Hr

• Salida: de 0.8 → 3.9 Vdc (Vcc =5v, 25ºC) • Tensión de salida: V0= Vcc [0,0062 × (%Hr) + 0,16]@ 25ºC • Alimentación: 5 Vcc.


• En la siguiente figura se muestra el circuito de conexión:




Medidores de humedad en la industria meteorológica.

• Estaciones Automáticas en los Centros Meteorológicos de las Gobernaciones Marítimas.

• A contar del año 2003, el Servicio Meteorológico de la Armada comenzó a instalar una serie de instrumentos meteorológicos electrónicos, automatizando parte del registro de parámetros atmosféricos, sin la intervención del observador.

• La temperatura y humedad dependen del aumento de la resistencia que se produce por el calentamiento de un conductor eléctrico a la intemperie, al hacer pasar una pequeña cantidad de corriente.


Medidores de humedad en la industria alimenticia.

•El contenido de agua en los alimentos y productos primarios es de gran importancia para su calidad, elaboración y durabilidad.

•Los instrumentos de medición de humedad capturan de inmediato los resultados. La medición extremadamente rápida y el manejo simple de los instrumentos generan un ahorro de tiempo importante.

•En las plantas de proceso es una gran ventaja, que el valor no varíe con la cantidad del producto sobre el sensor o por el tamaño del grano.

Medidores de Viscosidad



Reseña histórica:

•En 1827 el ingeniero francés Claude Louis Marie Navier hizo primer intento de incluir los efectos de la viscosidad en las ecuaciones matemáticas.•En 1839 el fisiólogo francés Jean Louis Marie Poiseuille hizo los primeros experimentos cuidadosamente documentados del rozamiento en flujos de baja velocidad a través de tuberías.•En 1845 El matemático británico George Gabriel Stokes fue quien perfeccionó las ecuaciones básicas para los fluidos viscosos incompresibles. Actualmente se las conoce como ecuaciones de Navier-Stokes.•En 1883 el ingeniero británico Osborne Reynolds demostró la existencia de dos tipos de flujo viscoso en tuberías. A velocidades bajas, las partículas del fluido siguen las líneas de corriente (flujo laminar). A velocidades mas elevadas, surgen fluctuaciones en la velocidad del flujo, o remolinos (flujo turbulento).


FLUIDOS

•Los fluidos son aquellos cuerpos cuyas moléculas tienen poca coherencia entre sí, tomando la forma del recipiente que los contiene. Los fluidos se clasifican en dos tipos:

-Fluidos newtonianos: son aquellos que fluyen a través de un recipiente sin que se les aplique una fuerza externa por área.

-Fluidos no newtonianos: requieren un valor mínimo de para iniciar el escurrimiento.

•Los fluidos, como todos los materiales, tienen propiedades físicas que permiten caracterizar y cuantificar su comportamiento así como distinguirlos unos de otros. Características como la viscosidad, tensión superficial y presión de vapor, sólo se pueden definir en los líquidos y gases.




• las viscosidades se expresan en poises y centipoises.

1 poise= lg/ms

= 1×10^2 centipoises

=1×10^6 micropoises

=6.72x10^-2 lb/(pies)(seg)

=242 lb/(pies)(hr)

=2.09x10^-3 lb/ft^2




Los valores de A y B se dan en la siguiente tabla:


Los mas usados en la industria son:

•Viscosímetros capilares.•Viscosímetros rotatorios.

Viscosímetros Capilares

El diseño más simple de este tipo de modelos es el viscosímetro de Ostwald.

El viscosímetro se llena con la solución que se desea evaluar hasta el nivel superior, o marca A, posteriormente el fluido se succiona rebasando la marca del bulbo a través del tubo capilar, hasta la marca B. Como siguiente paso, el fluido pasa a través del tubo capilar bajo la influencia de la presión hidrostática del mismo. Se registra el tiempo que tarda en pasar el fluido de la marca B a la marca C a través del tubo capilar.


El tiempo que le toma al fluido pasar por el tubo capilar es inversamente proporcional a la densidad del fluido, y directamente proporcional a la viscosidad dinámica



Viscosímetro rotacional


Medidores de viscosidad en la industria de pinturas

En la industria de la pintura existen un gran número de métodos de medida, desde las sencillas copas de fluidez hasta los viscosímetros rotacionales controlados por ordenador, que han sido establecidos para la determinación de la viscosidad.


Medidores de viscosidad en la construcción de caminos

Debido al incremento mundial del uso de asfalto-caucho en la construcción de caminos, ha aumentado la necesidad de contar con viscosímetros rotacionales, que se utilizan para asegurar el control y la garantía de calidad adecuados.

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