INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIALMEDICIÓN DE LAS PRINCIPALES MAGNITUDES

PRESENTES EN LA INDUSTRIA: NIVEL Y FLUJO

Jorge Luis JaramilloPIET EET UTPL septiembre 2011

Medición de las principales magnitudes presentes en la industria

•Medición del nivel•Medición del flujo•Análisis y discusión

Medición de las principales magnitudes presentes en la industria

•Medición del nivel

Medición del nivel

El término nivel tiene un significado variable, en función del contexto en el que se utiliza. Sin embargo en términos generales nivel implica una posición “relativa” respecto a un punto de referencia.

En la industria, medir el nivel generalmente se relaciona con determinar el nivel de un líquido o de un sólido en un recipiente. El nivel alcanzado en un tanque, se emplea a menudo para calcular el volumen de líquido o del sólido contenido, o, la masa contenida.

Medición del nivel

Medición del nivel

Según el tipo de material sensado: • Líquidos • Sólidos

Según el tipo de medición: • De punto fijo • De nivel continuo

Según la característica de medición: • Sensores de medición directa • Instrumentos basados en la presión hidrostática • Instrumentos basados en desplazamiento • Instrumentos basados en la emisión de rayos gamma • Sensores de ionización química • Transductores conductor - electrolítico • Transductores potencial – electrolítico

Tipos de sensores de nivel

Medición del nivel

La medición del nivel de líquidos puede ser directa o indirecta.

Los sensores habitualmente utilizados para la medición de nivel de líquidos, se clasifican en:

• sensores de medición directa, • sensores basados en presión hidrostática• sensores de desplazamiento, • sensores basados en propiedades eléctricas,• sensores basados en ultrasonido y radioactividad.

Medición del nivel de líquidos

Medición del nivel

Medición del nivel de líquidos

Medición del nivel

El medidor de sonda es una varilla o regla graduada de longitud conveniente para ser introducida en el tanque. La determinación del nivel se efectúa por lectura directa de la longitud mojada por el líquido. Otro sistema parecido es el medidor de cinta graduada y plomada siendo usada cuando la regla graduada tenga un difícil acceso al fondo del tanque. El medidor de nivel de tubo de vidrio es un tubo de vidrio graduado con sus extremos conectados al tanque, siguiendo el principio de los vasos comunicantes.

Los medidores de nivel con flotador, utilizan un flotador sometido a la fuerza de la gravedad y a la de oposición del liquido. Un sistema flotante simple usa un brazo rígido que indica el nivel del líquido a través de ángulo, el cual puede ser medido por un transductor de posición (potenciómetro)

Medición del nivel de líquidos: sensores de medición directa

Medición del nivel

El medidor manométrico determina el nivel del líquido con un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque. El manómetro registra la presión debida a la altura de líquido que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento. Sólo sirve para fluidos limpios, ya que los líquidos sucios pueden hacer perder la elasticidad del fuelle. La medición está limitada a tanques abiertos y el nivel viene influido por las variaciones de densidad del líquido.

El medidor de membrana usa una membrana conectada al instrumento receptor por un tubo estanco. El peso de la columna de líquido sobre el área de la membrana comprime el aire internoa una presión igual a la ejercida por la columna de líquido. El instrumento es delicado ya que una fuga del aire contenido en el diafragma destruiría la calibración del instrumento.

En el medidor de burbujeo, mediante un regulador de caudal se hace pasar por un tubo (sumergido en el depósito hasta el nivel mínimo) un pequeño caudal de aire o gas inerte hasta producir una corriente continua de burbujas. La presión requerida para producir el flujo continuo de burbujas es una medida de la columna de líquido. Este sistema es muy ventajoso en aplicaciones con líquidos corrosivos o con materiales en suspensión, ya que el fluido no penetra en el medidor ni en la línea de conexión.

Medición del nivel de líquidos: sensores basados en presión hidrostática

Medición del nivel

Los sensores de nivel basados en desplazamiento, constan de un flotador parcialmente sumergido en el líquido, conectado mediante un brazo a un tubo de torsión que está unido rígidamente al tanque.

El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el ángulo de rotación de su extremo libre, es directamente proporcional a la fuerza aplicada. Esta fuerza está definida por el empuje (E) que ejerce el flotador hacia arriba según el principio de Arquímedes:

E = ghsEn dónde,

E, es el empujeg, es el peso específico del líquidoh, es la altura sumergida del flotadors, es la sección del flotador

Medición del nivel de líquidos: sensores basados en desplazamiento

Medición del nivel

El sensor de nivel tipo conductivo, contiene uno o varios electrodos y un relé eléctrico o electrónico, que opera cuando el líquido toca los electrodos.

Este tipo de sensores tiene una impedancia mínima del orden de 20 MW/cm, se alimentan de CA para evitar la oxidación debido a la electrólisis, y, poseen un sistema de retardo que impide su disparo debido a la ondulación en el nivel del líquido o ante una perturbación momentánea.

Medición del nivel de líquidos: sensores basados en propiedades eléctricas

Medición del nivel

Los sensores de nivel tipo capacitivo, miden la capacitancia del condensador formado por un electrodo sumergido en el líquido, y, otro representado por las paredes del tanque.

La capacitancia del conjunto depende linealmente del nivel.

En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacitancia total del sistema se compone del fluido y de las conexiones superiores.

En líquidos conductores, el electrodo está aislado usualmente con teflón, interviniendo capacitancias adicionales entre el material aislante y el electrodo.

Medición del nivel de líquidos: sensores basados en propiedades eléctricas

Medición del nivel

Los sensores de nivel basados en ultrasonido, emplean la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y el retorno del eco a un receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque.

Estos sensores trabajan a una frecuencia típica de 20 KHz., ya que estas ondas atraviesan, con cierto amortiguamiento o reflexión, un medio de gases o vapores y se reflejan en la superficie del líquido.

En las aplicaciones de alarma, los sensores vibran a una frecuencia determinada, que se amortigua cuando son alcanzados por el líquido. En el caso de los sensores de indicación continua, la fuente ultrasónica genera impulsos y determina el tiempo que le toma a la onda ir y regresar una vez haya rebotado contra la superficie del líquido.

Medición del nivel de líquidos: sensores basados en ultrasonido

Medición del nivel

Los sensores de nivel basados en emisión de rayos gamma, incluyen un emisor de rayos gamma que se monta verticalmente a un lado del tanque, y, un contador Geiger que transforma la radiación gamma recibida, en una señal eléctrica de corriente continua.

Este sistema se emplea en tanques de difícil o peligroso acceso.

Medición del nivel de líquidos: sensores basados en emisión de rayos gamma

Medición del nivel

Medición del nivel de líquidos

Medición del nivel

Medición del nivel de sólidos

Medición del nivel

Los sensores de nivel de sólidos, pueden ser de niveles fijos o de medición continua.

Los sensores de nivel fijo se utilizan para mantener el nivel de un sólido entre un valor mínimo y uno máximo.

Los sensores de nivel continuo se utilizan para registrar volúmenes o masas en “paquetes” continuos.

Medición del nivel de sólidos

Medición del nivel

Existen diferentes sensores de nivel fijo. En los más comunes, cuando el material desciende más debajo de un detector inferior, este pone en marcha automáticamente la alimentación del producto y el nivel se recupera. Al alcanzar el detector ubicado en el nivel alto, se detiene el llenado del tanque. El ciclo se repite continuamente.

Otros tipos de sensores de nivel fijo son los de diafragma, los de cono suspendido, de paletas rotativas, etc.

Medición del nivel de sólidos: sensores de nivel fijo

Medición del nivel

Existen diferentes sensores de nivel continuo: de peso móvil, basado en peso, basado en ultrasonido, basado en radiación gamma, etc.

Medición del nivel de sólidos: sensores de nivel continuo

Medición de las principales magnitudes presentes en la industria

•Medición del flujo

Medición del flujo

El término flujo representa a una variable que indica cuan rápido se está moviendo un fluido.

El flujo puede ser expresado como flujo volumétrico, como flujo másico, y, como velocidad de fluido.

El flujo volumétrico (Q) se refiere al volumen de un fluido que fluye en un determinado intervalo de tiempo.

El flujo másico (Qm) se relaciona a las unidades de masa que fluyen por unidad de tiempo. El flujo másico se calcula como el producto Q*ρ, en el que ρ es la densidad del fluido.

La velocidad del fluido (Qv) se refiere a velocidad. La velocidad del fluido se determina a través de la relación Q/A, en la que A es el área de la sección transversal .

Debido a la diversidad de fluidos y de sus propiedades, la selección del tipo de sensor a utilizar debe ser cuidadosa.

De acuerdo al principio básico de funcionamiento, los sensores de flujo se dividen en:

• instrusivos, y,• no instrusivos.

Medición del flujo

Medición del flujo

Los sensores intrusivos provocan una restricción en la dirección del fluido, y, ocasionan un diferencial de presión, que es medida y convertida en unidades de flujo.

Los sensores intrusivos más representativos son las placas de orificios, los tubos Venturi, los tubos de flujo Dall, los tubos Pitot, los flucómetros Vortex, rotatómetros, de paletas móviles, de turbina axial, entre otros.

En las aplicaciones industriales, los sensores intrusivos incorporan líneas de transmisión (neumáticas o eléctricas) para llevar la información a puntos remotos.

Este tipo de medición se utiliza sobre todo para determinar el flujo volumétrico.

El flujo másico se puede calcular a partir del flujo volumétrico, conociendo o midiendo la temperatura y/o la presión del fluido, ya que ellas afectan su densidad, y, por ende, la cantidad de masa de fluido que pasa por un determinado punto de la tubería.

Medición del flujo: sensores intrusivos

Medición del flujo

Medición del flujo: sensores intrusivos

Si se compensa el flujo volumétrico contra cambios en la temperatura y/o presión, se puede obtener una medición de flujo másico real.

La relación entre temperatura y/o presión, y, el flujo másico se expresa como:

En dónde, m, es la tasa de flujo másicoK, es el coeficiente de flujo relacionada a

las características de la tubería y del flujoA, es el área de la sección transversal de

la tuberíaΔP, es la presión diferencialP, es la presiónT, es la temperatura

Medición del flujo

El tubo Venturi es el medidor de flujo más exacto, si esta calibrado apropiadamente.

Un tubo Venturi tiene una entrada cónica convergente, una garganta cilíndrica, y, un cono divergente de recuperación. No tiene proyecciones dentro del fluido, esquinas abruptas o cambios súbitos en el contorno.

La sección de entrada del tubo decrece, ocasionando el aumento de la velocidad y la disminución de la presión. La baja presión es medida en el centro de la garganta cilíndrica, ya que es allí donde alcanza el menor valor, y, tanto la presión como la velocidad son constantes. El cono de recuperación permite el aumento de la presión de tal forma que, la pérdida alcance un máximo de 25 por ciento (al menos 10 por ciento). La alta presión es medida “aguas arriba” del cono de entrada.

Medición del flujo: sensores intrusivos – tubo Venturi

Medición del flujo

El tubo de flujo Dall tiene una relación presión - pérdida de presión, mayor que la del tubo Venturi.

Es más compacto y comúnmente usado en aplicaciones de gran flujo.

El tubo Dall consta de una sección corta y recta de entrada, seguida de una abrupta reducción del diámetro interno. Esta sección de entrada es seguida de un cono convergente de entrada y de un cono divergente de salida. Los dos conos están separados por un espacio.

La presión baja es medida en el área entre los dos conos. La presión alta es medida aguas arriba de la sección de entrada.

Medición del flujo: sensores intrusivos – tubo Dall

Medición del flujo

El tubo Pitot , en su forma más simple, es un tubo con una abertura en uno de sus extremos. La apertura en forma de un pequeño orificio, se coloca de tal manera que hace frente al fluido en movimiento.

La velocidad del fluido en la abertura del tubo, cae a cero y provee de la entrada de alta presión requerida para el sensor de presión diferencial. La baja presión se mide aguas arriba de la posición del tubo.

El tubo Pitot mide la velocidad del fluido. La tasa de flujo volumétrico se obtiene de la relación:

En donde, v, es el flujo volumétricoA, es el área de la sección

transversalV, es la velocidad del fluidoK, es el coeficiente de flujo

(normalmente alrededor de 0,8)

Medición del flujo: sensores intrusivos – tubo Pitot

Medición del flujo

El vortex es una técnica para medición de flujo de amplia aceptación en la industria, que aunque no tiene partes móviles, produce una señal en frecuencia que varía linealmente con la tasa de flujo. Este linealidad es válida para un amplio rango de número de Reynolds para un flujo.

El número de Reynolds es un concepto de la mecánica de los fluidos que relaciona en una magnitud adimensional a la densidad, a la viscosidad, y, a la velocidad de un flujo.

El principio de operación de un flucómetro vortex se basa en los vórtices y remolinos que se producen en un fluido, al colocarse un obstáculo en su trayectoria.

Medición del flujo: sensores intrusivos – flucométros Vortex

Medición del flujo

El principio de operación de un flucómetro vortex se basa en los vórtices y remolinos que se producen en un fluido, al colocarse un obstáculo en su trayectoria.

El número de vórtices producidos en un intervalo de tiempo (frecuencia de vórtice o shedding frequency) guarda relación directa con la velocidad del fluido.

El número (adimensional) de Strouhal (St) es utilizado para describir la relación entre la frecuencia vórtice y la velocidad del fluido:

En donde, St, es el número se Strouhalf, es la frecuencia de vórticed, es el ancho del objeto de obstáculoU, es la velocidad del fluido.

Al presentarse los vórtices como consecuencia del obstáculo en la trayectoria del fluido, el obstáculo oscila bajo efecto de los campos de velocidad y presión en su alrededor.

La medición consiste entonces, en colocar sensores de presión o velocidad que, transformen estos campos oscilantes en una señal eléctrica a partir de la cual se determine la frecuencia vórtice.

Medición del flujo: sensores intrusivos – flucométros Vortex

Medición del flujo

Los sensores no intrusivos más representativos son los flucómetros electromagnéticos, y, los flucómetros ultrasónicos,

Medición del flujo: sensores no intrusivos

Medición del flujo

Un flucómetro electromagnético opera igual que un generador, y, se utiliza en fluidos con cierto grado de conductividad eléctrica.

El rotor del generador es reemplazado por un tubo colocado entre los polos del imán, de tal manera que, el paso del fluido en el tubo sea perpendicular al campo magnético. El paso del fluido a través del campo magnético induce una fuerza electromotriz que es perpendicular al campo magnético y al flujo.

Esta fuerza electromotriz puede ser medida con la ayuda de electrodos en el tubo, conectados a un galvanómetro o su equivalente.

Para un campo magnético dado, se induce un voltaje proporcional a la velocidad promedio del fluido.

Medición del flujo: sensores no intrusivos – f. electromagnéticos

Medición del flujo

Un flucómetro de ultrasonido se basa en la detección de discontinuidades en el flujo, utilizando el desplazamiento Doppler de señales ultrasónicas reflejadas.

Las discontinuidades pueden ser sólidos en suspensión, burbujas, o, perturbaciones ocasionadas por remolinos turbulentos en el paso del fluido.

El sensor es colocado en la parte externa del tubo. Un rayo ultrasónico se transmite a través de las paredes del tubo hacia el fluido. Un receptor (cristal piezoeléctrico) detecta las señales reflejadas por las disturbancias.

Las señales emitida y recibida, son comparadas, y, el desplazamiento de frecuencia es proporcional a la velocidad del flujo.

Medición del flujo: sensores no intrusivos – flucométros ultrasónico

DISCUSIÓN Y ANÁLISIS