Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumentos y el valor real de la variable medida. Si el proceso esta en condiciones de régimen permanente existe el llamado error estático. En condiciones dinámicas el error varía considerablemente debido a que los instrumentos tienen características comunes a los sistemas físicos: absorben energía del proceso y esta transferencia requiere cierto tiempo para ser transmitida, lo cual da lugar a retardos en la lectura del aparato. Siempre que las condiciones sean dinámicas, existirá en mayor o menor grado el llamado error dinámico (diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el indicado por el instrumentos): su valor depende del tipo de fluido del proceso, de su velocidad, del elemento primario (termopar, bulbo y capilar), de los medios de protección (vaina), etc. El error medio del instrumentos es la media aritmética de los errores en cada punto de la medida determinados para todos los valores crecientes y decrecientes de la variable medida
.Precisión (accuracy)
La precisión es la tolerancia de medida o de transmisión de los instrumentos y define los limites de los errores cometidos cuando los instrumentos se emplean en condiciones normales de servicio. Hay varias formas para expresar la precisión:
a) Tanto por ciento del alcance.
b) Directamente, en unidades de la variable medida.
c) Tanto por ciento de la lectura efectuada.
d) Tanto por ciento del valor máximo del campo de medida.
e) Tanto por ciento de la longitud de la escala.
La precisión varia en cada punto del campo de medida si bien, el fabricante la especifica en todo el margen de los instrumentos indicando a veces su valor en algunas zonas de la escala. Por ejemplo: un manómetro puede tener una precisión de +1 % en toda la escala y de + 0.5 % en la zona central.
Cuando se desea obtener la máxima precisión de los instrumentos en un punto determinado de la escala, puede calibrarse únicamente para este punto de trabajo, sin considerar los valores restantes del campo de medida. Por ejemplo: un termómetro de 0-150oC y de + 1 % de precisión situado en un baño de temperatura constantes a 80oC, puede ser calibrado a este valor, de modo que su precisión en este punto de trabajo será la máxima que se pueda obtener con un termómetro patrón. Es obvio que para los valores restantes, en particular los correspondientes a los extremos de la escala, la precisión se apartará de + 1%.
Hay que señalar que los valores de precisión de unos instrumentos se consideran en general establecidos para el usuario, es decir, son los proporcionados por los fabricantes de los instrumentos. Sin embargo, estos últimos suelen considerar también los valores de calibración en fabrica y de inspección. Por ejemplo, unos instrumentos que en fabrica tiene una precisión de calibraci6n de +0.8 %, en inspección le correspondes +0.9 % y la dada al usuario es + 1%.
Con ello se pretende tener un margen de seguridad para compensar los efectos de las diferencias de apreciación de las personas que efectúan la calibración, las diferentes precisiones de los instrumentos de medida utilizados, las posibles alteraciones debidas al desplazamiento del instrumento de un punto a otro, los efectos ambientales y de envejecimiento, etc.
Zona muerta (dead zone o dead band)
Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal de salida de los instrumentos, es decir, que no produce su respuesta. Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida.
Sensibilidad (sensitivity)
Es la razón entre el incrementos de la lectura y el incrementos de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida.
Hay que señalar que no debe confundirse la sensibilidad con el termino de zona muerta; son definiciones básicamente distintas que antes era fácil confundir cuando la definición inicial de la sensibilidad era .
Repetibilidad (repeatability)
La repetibilidad es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del índice o de la señal de salida, de los instrumentos al medir repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo. Se considera en general su valor máximo (repetibilidad máxima) y se expresa en tanto por ciento del alcance; un valor representativo es el de ± 0,1 %.
Para determinarla, el fabricante comprueba la diferencia entre el valor verdadero de la variable y la indicación o señal de salida del instrumentos recorriendo todo el campo, y partiendo, para cada determinación, desde el valor mínimo del campo de medida.
Histéresis (hysteresis)
La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma de los instrumentos para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendentes.
Campo de medida con elevación de cero
Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es mayor que el valor inferior del campo. Por ejemplo, – 10 a 30 oC.
Campo de medida con supresión de cero
Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es menor que el valor inferior del campo.
Elevación de cero
Es la cantidad con que el valor cero de la variable supera el valor inferior del Campo. Puede expresarse en unidades de la variable medida o en % del alcance.
Supresión de cero
Es la cantidad con que el valor inferior del campo supera el valor cero de la variable. Puede expresarse en unidades de la variable medida o en % del alcance.
Deriva
Es una variación en la señal de salida que se presenta en un periodo de tiempo determinado mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las condiciones ambientales. Se suelen considerar la deriva de cero (variación en la señal de salida para el valor cero de la medida atribuible a cualquier causa interna) y la deriva térmica de cero (variación en la señal de salida a medida cero, debida a los efectos finitos de la temperatura). La deriva está expresada usualmente en porcentaje de la señal de salida de la escala total a la temperatura ambiente, por unidad, o por intervalos de variación de la temperatura. Por ejemplo, la deriva térmica de cero de unos instrumentos en condiciones de temperatura ambiente durante 1 mes fue de 0.2 % del alcance.
Fiabilidad
Medida de la probabilidad de que unos instrumentos continué comportándose dentro de limites especificados de error a lo largo de un tiempo determinado y bajo condiciones especificadas.
Resolución
Magnitud de los cambios en escalón de la señal de salida (expresados en tanto por ciento de la salida de toda la escala) al ir variando continuamente la medida en todo el campo. Es también el grado con que el instrumento puede discriminar valores equivalentes de una cantidad.
Resolución infinita
Capacidad de proporcionar una señal de salida progresiva y continua en todo el campo de trabajo del instrumento.
Ruido
Cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseadas que modifica la transmisión, indicación o registro de los datos deseados.
Linealidad
La aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada.
Linealidad basada en puntos
Falta de linealidad expresada en forma de desviación máxima con relación a una línea recta que pasa a través de los puntos dados correspondientes al cero y al 100 % de la variable medida.
Estabilidad
Capacidad de unos instrumentos para mantener su comportamiento durante su vida útil y de almacenamiento especificadas.
Temperatura de servicio
Campo de temperaturas en el cual se espera que trabaje el instrumento dentro de limites de error especificados.
Vida útil de servicio
Tiempo mínimo especificado durante el cual se aplican las características de servicio continuo e intermitente del instrumentos sin que se presenten cambios en su comportamiento más allá de tolerancias especificadas.
Reproductibilidad
Capacidad de reproducción de unos instrumentos de las medidas repetitivas de la lectura o señal de salida para el mismo valor de la variable medida alcanzado en ambos sentidos, en las mismas condiciones de servicio y a lo largo de un periodo de tiempo determinado. Por ejemplo, un valor representativo sería +0.2 % del alcance de la lectura o señal de salida a lo largo de un periodo de 30 días.
Respuesta frecuencial
Variación con la frecuencia de la relación de amplitudes señal de salida/variable medida (y de la diferencia de fases entre la salida y la variable medida) para una medida de variación senoidal aplicada a un instrumentos dentro de un campo establecido de frecuencias de la variable medida.
1.3 Variables Físicas
Existen muchas variables que son de interés industrial 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 las propiedades físicas de las sustancias. Entre ellas están: la presión, la temperatura, el nivel, el flujo, el peso, la velocidad, la densidad y el peso especifico, la humedad y el punto de rocío, la viscosidad y la consistencia, la llama, el oxigeno disuelto, la turbidez y la radiación solar.
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 los gases en una mezcla.
En las siguientes unidades se estudiarán la medición y transmisión de las variables de proceso más comunes que se encuentran en la industria como la presión, el flujo, el nivel y la temperatura. A continuación definiremos otras variables físicas menos comunes.
Peso
El peso de un cuerpo es la fuerza con que es atraído por la Tierra. La relación entre la masa del cuerpo, es decir, la cantidad de materia que contiene, y su peso viene dado por la expresión
P=mg
en la que
P = peso
M =masa
g = aceleración debida a la gravedad
Como la masa de un cuerpo es constante y la aceleración de la gravedad varia con el lugar (es de 9.78 en el ecuador y 9.83 en los polos) y también con la altura, es obvio que el peso del cuerpo variará según el lugar de la Tierra y la altura a que esté sobre el nivel del mar.
Velocidad
La medición de la velocidad en la industria se efectúa de dos formas: con tacómetros mecánicos y con tacómetros eléctricos. Los primeros detectan el número de vueltas del eje de la máquina por medios exclusivamente mecánicos pudiendo incorporar o no la medición conjunta del tiempo para determinar el número de revoluciones por minuto (r.p.m.), mientras que los segundos captan la velocidad por sistemas eléctricos.
Para usos industriales se suelen utilizar los tacómetros eléctricos porque permiten la transformación directa de la señal para alimentar los instrumentos registradores o controladores de panel. Un caso de aplicación típica lo constituye la medida de la velocidad de giro del eje de una turbina en una central de energía.
Densidad y peso específico
La densidad o masa específica de un cuerpo se define como su masa por unidad de volumen, expresándose normalmente en g/cm3. Como la densidad varía con la temperatura y con la presión (en los gases) se específica para un valor base de la temperatura que en los líquidos suele ser de 0oC o de 15ºC y en los gases de 0oC y para un valor estándar de la presión que en los gases es de 1 atmósfera. La densidad relativa es la relación para iguales volúmenes de las masas del cuerpo y del agua a 4ºC en el caso de líquidos, y en los gases la relación entre la masa del cuerpo y la del aire en condiciones normales de presión y de temperatura (0oC y 1 atmósfera)
El peso específico es el peso del fluido por unidad de volumen. Por lo tanto, entre el peso específico y la densidad existirá la relación:
Peso específico = densidad * g
siendo g la aceleración debida a la gravedad. Si el peso específico y la densidad se refieren al agua en el caso de líquidos o al aire en el caso de gases (densidad relativa), como g tiene el mismo valor en el lugar donde se efectúa la medición, resultará que el peso específico relativo será igual a la densidad relativa.
Humedad y punto de rocío
Las variables humedad y punto de rocío son de extraordinaria 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 de saturación y a la misma temperatura to.
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.
Sensores y principios de medición
Introducción.
Los instrumentos de medición y de control son relativamente complejos y su función puede comprenderse bien si están incluidos dentro de una clasificación adecuada. Como es lógico, pueden existir varias formas para clasificar los instrumentos, cada una de ellas con sus propias ventajas y limitaciones. Se consideraron dos clasificaciones básicas: la primera relacionada con la función de instrumentos y la segunda con la variable del proceso.
En función de los instrumentos
De acuerdo con la función de los instrumentos, obtenemos las formas siguientes
1.-Instrumentos ciegos son aquellos que no tienen indicación visible de la variable. Hay que hacer notar que son ciegos los instrumentos de alarmas, tales como presostatos y termostatos (interruptores de presión y temperatura respectivamente) que poseen una escala exterior con un índice de selección de la variable, ya que sólo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador al cruzar la variable el valor seleccionado. Son también instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presión, nivel y temperatura sin indicación. Ejemplos:
Instrumentos Ciegos
2.-Los instrumentos indicadores disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Según la amplitud de la escala se dividen en indicadores concéntricos y excéntricos. Existen también indicadores digitales que muestran la variable en forma numérica con dígitos. Ejemplos:
Instrumentos Indicadores
Los instrumentos registradores registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulantes o de gráfico rectangular o alargado según sea la forma del gráfico.
Los registradores de gráfico circular suelen tener el gráfico de 1 revolución en 24 horas mientras que en los de gráfico rectangular la velocidad normal del gráfico es de unos 20 mm/hora. Ejemplos:
Instrumentos Registradores
Los elementos primarios están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica, etc. Por ejemplo: en los elementos primarios de temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la variación de presión del fluido que los llena y en los de termopar se presenta una variación de fuerza electromotriz.
Los transmisores captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática de margen 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrónica de 4 a 20 mA de corriente continua. Asimismo, se emplean señales electrónicas de 1 a 5 mA c.c., de 10 a 50 mA c.c. y de 0 a 20 mA cc., si bien la señal normalizada es de 4-20 mA c.c. La señal digital utilizada en algunos transmisores inteligentes es apta directamente para ordenador.
El elemento primario puede formar o no parte integral del transmisor; el primer caso lo constituye un transmisor de temperatura de bulbo y capilar y el segundo un transmisor de caudal con la placa orificio como elemento primario. Ejemplos:
Transmisores
Los transductores reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida. Son transductores, un relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/I (presión de proceso a intensidad), un convertidor PP/P (presión de proceso a señal neumática), etc.
Los convertidores son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3-15 psi) o electrónica (4-20 mA c.c.) procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar. Ejemplo: un convertidor P/I (señal de entrada neumática a señal de salida electrónica, un convertidor I/P (señal de entrada eléctrica a señal de salida neumática).
Conviene señalar que a veces se confunde convertidor con transductor. Este último término es general y no debe aplicarse a un aparato que convierta una señal de instrumentos.
Convertidores
Los receptores reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada a los valores ya indicados 3-15 psi en señal neumática, o 4-20 MA c.c. en señal electrónica, que actúan sobre el elemento final de control.
Los controladores comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación.
La variable controlada la pueden recibir directamente, como controladores locales o bien indirectamente en forma de señal neumática, electrónica o digital procedente de un transmisor.
El elemento final de control recibe la señal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. En el control neumático, el elemento suele ser una válvula neumática o un servomotor neumático que efectúan su carrera completa de 3 a 15 psi (0,2-1 bar). En el control electrónico la válvula o el servomotor anteriores son accionados a través de un convertidor de intensidad a presión (I/P) o señal digital a presión que convierte la señal electrónica de 4 a 20 MA c.c. o digital a neumática 3-15 psi. En el control eléctrico el elemento suele ser una válvula motorizada que efectúa su carrera completa accionada por un servomotor eléctrico.
Controladores
Elementos Finales de Control
En el control electrónico y en particular en regulación de temperatura de hornos pueden utilizarse rectificadores de silicio (tiristores). Estos se comportan esencialmente como bobinas de impedancia variable y varían la corriente de alimentación de las resistencias del horno, en la misma forma en que una válvula de control cambia el caudal de fluido en una tubería.
Las señales neumáticas (3-15 psi o 0.2-1 bar o 0.2-1 kg/cm2) y electrónica (4-20 mA c.c.) permiten el intercambio entre instrumentos de la planta. No ocurre así en los instrumentos de señal de salida digital (transmisores, controladores) donde las señales son propias de cada suministrador. No obstante, existe el propósito de normalización, en particular en los sistemas de control distribuido, por parte de firmas de instrumentos de control (Bailey, Foxboro, Honeywell, Rosemount y otros) que estudian la aplicación de un lenguaje o protocolo de comunicaciones, el MAP (Manufacturing Automation Protocol) desarrollado inicialmente en 1970 para la automatización de una fábrica de automóviles de General Motors, y que permitirá el intercambio de equipos digitales de distintos fabricantes. El protocolo MAP aplicado al control de procesos debe cumplir con las características de señal de 4-20 MA c.c. y alimentaci6n a los instrumentos a través del mismo par de hilos. Existe un comité internacional de normas IEC-65C que recibe la colaboración de comités ISA SP50, ISA SP72 y EUROBOT de EUREKA, y que trabajan también en el campo de normalización de las comunicaciones digitales entre los instrumentos de campo y los sistemas de control en la llamada tecnología del o bus de campo. Intentos parciales de normalización se realizan en procesos discontinuos (norma NAMUR) por empresas tales como AK20, BASF, BAYER, CIBA-GEIGY, que definen la misma programación para fabricas distintas con el fin de obtener productos con la misma calidad.
En función de la variable de proceso
De acuerdo con la variable del proceso, los instrumentos se dividen en instrumentos de caudal, nivel, presión, temperatura, densidad y peso específico, humedad y punto de rocío, viscosidad, posición, velocidad, pH, conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez, etc.
Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas siendo independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de proceso. De este modo, un transmisor neumático de temperature del tipo de bulbo y capilar, es un instrumento de temperatura a pesar de que la medida se efectúa convirtiendo las variaciones de presión del fluido que llena el bulbo y el capilar; el aparato receptor de la señal neumática del transmisor anterior es un instrumento de temperatura, si bien, al ser receptor neumático lo podríamos considerar instrumento de presión, caudal, nivel o cualquier otra variable, según fuera la señal medida por el transmisor correspondiente; un registrador potenciométrico puede ser un instrumento de temperatura, de conductividad o de velocidad, según sean ]as señales medidas por los elementos primarios de termopar, electrodos o dinamo.
Asimismo, esta clasificación es independiente del número y tipo de transductores existentes entre el elemento primario y el instrumento final. Así ocurre en el caso de un transmisor electrónico de nivel de 4 a 20 mA c.c., un receptor controlador con salida de 4-20 mA c.c., un convertidor intensidad-presión (I/P) que transforma la señal de 4-20 mA c.c. a neumática de 3-15 psi y la válvula neumática de control; todos estos instrumentos se consideran de nivel.
En la designación del instrumento se utiliza en el lenguaje común las dos clasificaciones expuestas anteriormente. Y de este modo, se consideran instrumentos tales como transmisores ciegos de presión, controladores registradores de temperatura, receptores indicadores de nivel, receptores controladores registradores de caudal, etc.
2.1 Medición de nivel
a) Teoría básica
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 o de productos finales.
La utilización de instrumentos electrónicos con microprocesador en la medida de otras variables, tales como la presión y la temperatura, permite añadir en la medida del nivel, y obtener precisiones de lectura altas, del orden de ± 0.2 %, en el inventario de materias primas o finales o en transformación en los tanques del proceso. El transmisor de nivel hace posible la interpretación del nivel real (puede eliminar o compensar la influencia de la espuma en flotación del tanque, en la lectura), la eliminación de las falsas alarmas (tanques con olas en la superficie debido al agitador de paletas en movimiento), y la fácil calibración del aparato en cualquier punto de la línea de transmisión.
El transmisor o varios transmisores pueden conectarse, a través de una conexión RS-232, a un ordenador personal, que con el software adecuado, es capaz de configurar transmisores inteligentes.
Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y de sólidos que son dos mediciones claramente diferenciadas. Los medidores de nivel de líquidos trabajan midiendo, bien directamente la altura de líquido sobre una línea de referencia, bien la presió hidrostática, bien el desplazamiento producido en un flotador por el propio líquido contenido en el tanque del proceso, o bien aprovechando características eléctricas del líquido.
b) Flotador
Los instrumentos de flotador consisten en un flotador situado en el seno del liquido y conectado al exterior del tanque indicando directamente el nivel. La conexión puede ser directa, magnética o hidráulica.
El flotador conectado directamente está unido por un cable que desliza en un juego de poleas a un índice exterior que señala sobre una escala graduada. Es el modelo más antiguo y el más utilizado en tanques de gran capacidad tales como los de fuel-oil y gas-oil. Tiene el inconveniente de que las partes móviles están expuestas al fluido y pueden romperse y de que el tanque no puede estar sometido a presión. Además, el flotador debe mantenerse limpio.
El flotador acoplado magnéticamente desliza exteriormente a largo de un tubo guía sellado, situado verticalmente en el interior del tanque. Dentro del tubo, una pieza magnética sigue al flotador en su movimiento y un cable y un juego de poleas arrastra el índice de un instrumento situado en la parte superior del tanque. El instrumento puede además ser transmisor neumático o eléctrico. Una variante de la conexión magnética consta de un tubo conteniendo un flotador, dotado de un imán que orienta una serie de cintas magnéticas dispuestas en el exterior y a lo largo del tubo. A medida que el nivel sube o baja, las cintas giran, y como tienen colores distintos en su anverso y reverso, visualizan directamente el nivel del tanque. El instrumento puede tener interruptores de alarma y transmisor incorporados.
En tanques pequeños, el flotador puede adaptarse para actuar magnéticamente sobre un transmisor neumático o eléctrico dispuesto en el exterior del tanque permitiendo así un control del nivel; una aplicación típica la constituye el control de nivel de una caldera de pequeña capacidad de producción de vapor.
El flotador acoplado hidráulicamente actúa en su movimiento sobre un fuelle de tal modo, que varia la presión de un circuito hidráulico y señala a distancia en el receptor el nivel correspondiente.
Permite distancias de transmisión de hasta 75 m y puede emplearse en tanques cerrados. Sin embargo, requiere una instalación y calibración complicadas y posee partes móviles en el interior del tanque.
Hay que señalar que en estos instrumentos, el flotador puede tener formas muy variadas y estar formado por materiales muy diversos según sea el tipo de fluido. Los instrumentos de flotador tienen una precisión de +0.5 %. Son adecuados en la medida de niveles en tanques abiertos y cerrados a presión o al vacío, y son independientes del peso especifico del liquido. Por otro lado, el flotador puede agarrotarse en el tubo guía por un eventual depósito de los sólidos o cristales que el liquido pueda contener y además los tubos guía muy largos pueden dañarse ante olas bruscas en la superficie del liquido o ante la caída violenta del líquido en el tanque.
c) Tubo de vidrio
El tubo de vidrio tiene sus extremos conectados a bloques metálicos y cerrados por prensaestopas que están unidos al tanque generalmente mediante tres válvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo para impedir el escape del líquido en caso de rotura del cristal y una de purga.
El tubo de vidrio normal se emplea para presiones hasta 7 bar. A presiones más elevadas el cristal es grueso, de sección rectangular y esta protegido por una armadura metálica. La lectura de nivel se efectúa con un cristal a reflexión o bien por transparencia. En el primer caso, el vidrio en contacto con el líquido esta provisto de ranuras longitudinales que actúan como prismas de reflexión indicando la zona de líquido con un color oscuro casi negro y la zona superior en contacto con el vapor de color claro.
En la lectura por transparencia empleada para apreciar el color, características o interfase del líquido, éste está contenido entre dos placas de vidrio planas y paralelas que permiten ver directamente el nivel, mejorándose la apreciación visual al acoplar una lámpara de iluminación al sistema.
Para mayor seguridad, las válvulas de cierre incorporan una pequeña bola que actúa como válvula de retención en caso de rotura del vidrio
.Los niveles de vidrio son susceptibles de ensuciarse por las características del líquido que miden, impidiendo que el nivel pueda apreciarse claramente. Entre los líquidos que presentan este inconveniente figuran el caramelo y los líquidos pegajosos.
El nivel de vidrio permite sólo una indicación local, si bien pueden emplearse espejos para lectura a distancias limitadas o bien utilizar cámaras de televisión para mayores distancias de transmisión.
Su ventaja principal es la gran seguridad que ofrece en la lectura del nivel del liquido pudiendo controlar con ellos la lectura de los otros tipos de aparatos de nivel.
d) Desplazamiento
El medidor de nivel de tipo desplazamiento consiste en un flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión unido rígidamente al tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior al tanque.
El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el ángulo de rotación de su extremo libre es directamente proporcional a la fuerza aplicada, es decir, al momento ejercido por el flotador. El movimiento angular del extremo libre del tubo de torsión es muy pequeño, del orden de los 90. El tubo proporciona además un cierre estanco entre el flotador y el exterior del tanque (donde se dispone el instrumento receptor del par transmitido).
El instrumento puede utilizarse también en la medida de interfase entre dos líquidos inmiscibles de distinta densidad (por ejemplo, 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 (interfase) de la que depende el par de torsión proporcionado al transmisor exterior.
El instrumento sirve también para medir la densidad del liquido. En este caso, el flotador está 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 (montaje interno) o en un tubo vertical al lado del tanque (montaje exterior).
El movimiento del brazo de torsión puede transmitirse por medio de un eslabón a un transmisor neumático o electrónico de equilibrio de fuerzas, permitiendo en la conexión una compensación mecánica para el peso especifico del líquido.
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. La medida del nivel de interfases requiere flotadores de gran volumen.
e) Burbujeo
El medidor de tipo burbujeo emplea un tubo sumergido en el líquido a cuyo través se hace burbujear aire mediante un rotámetro con un regulador de caudal incorporado . La presión del aire en la tubería equivale a la presión hidrostática ejercida por la columna de líquido, es decir, al nivel. El regulador de caudal permite mantener un caudal de aire constante a través del liquido independientemente del nivel; 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 tuberia empleada suele ser de ½" con el extremo biselado para una fácil formación de las burbujas de aire. Una tubería de menor diámetro tipo capilar reduciría el tiempo pero produciría un error en la medida provocado por la pérdida de carga del tubo.
La presión de aire en la tubería, es decir, el nivel, se mide mediante un manómetro de fuelles cuyo campo de medida corresponde a la presión máxima ejercida por el líquido. El manómetro receptor puede colocarse hasta distancias de 200 m.
El sistema puede emplearse también en tanques cerrados con dos rotámetro-regulador y con las señales de aire conectadas a un transmisor de presión diferencial. Como es 1ógico, la presión del aire de purga debe ser superior a la presión interna del tanque.
Señalemos que no sólo puede utilizarse aire sino también otros tipos de gases e incluso liquido 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 líquido que retarde el paso del aire y falsee momentáneamente la lectura.
El método de burbujeo es simple y da buen resultado, en particular, en el 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.
f) Columna hidrostática
Las mediciones de nivel que se basan en la presión que ejerce un liquido por su altura, implican que la densidad sea constante. El instrumento se debe calibrar para una densidad especifica y cualquier cambio en ella trae consigo errores de medición.
El método más simple para medir el nivel de un líquido en un recipiente abierto, es conectar un medidor de presión por debajo del nivel más bajo que se va a considerar. Este nivel es, entonces, el de referencia y la presión estática indicada por el medidor es una medida de la altura de la columna del líquido sobre el medidor, y por lo tanto del nivel del liquido. La simplicidad de este método no debería ser una razón para dejar de verlo. Los niveles de líquidos corrosivos, altamente viscosos o con sólidos en suspensión, también se pueden medir con medidores de presión, cuando se utilizan líquidos separadores o diafragmas.
Un liquido separador es un fluido con el que se llena el sistema de medición. La superficie libre de éste, queda en contacto directo con el liquido medido. Sin embargo, los dos líquidos no deben mezclarse o reaccionar químicamente. Un diafragma se diferencia del anterior, en que éste separa el liquido en el sistema medidor, del liquido que se está midiendo. Responde al cambio en el nivel del liquido con un aumento o disminución de su deformación, debida al cambio en presión estática que se ejerce sobre é1, por el cambio. El diafragma comunica con el elemento de presión por medio de un tubo capilar que se llena con líquido inerte, y el movimiento del diafragma se transmite así directamente al elemento de presión. El medidor de presión (descrito con detalle en el capitulo 3), cuando se usa para mediciones de nivel de líquido, se calibra en unidades de presión, en unidades de nivel de líquido correspondientes a la gravedad especifica del líquido, o en unidades volumétricas calculadas según las dimensiones del recipiente. También se puede calibrar de 0 a 100, lo que permite lecturas en términos de tanto por ciento de nivel máximo.
Para que el medidor lea cero cuando el liquido está en su nivel mínimo, a través del elemento accionador debe haber una línea horizontal aproximadamente al mismo nivel que la línea de centros de la toma de la tubería de mínimo nivel. En el medidor se pueden usar tornillos de ajuste a cero para compensar pequeñas diferencias.
Para controlar el límite, el medidor de presión puede ser un controlador, o puede estar ligado a un interruptor de presión. Cuando no se requiere una indicación de nivel, este último es suficiente.
g) Ultrasonido
El sistema ultrasónico de medición de nivel se basa en la emisión de un 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.
Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 kHz. Estas ondas 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 liquido los moja.
En el caso de indicación continua del nivel, la fuente ultrasónica genera impulsos que son detectados por el receptor una vez que ha transcurrido el tiempo correspondiente de ida y vuelta de la onda a la superficie del sólido o del líquido. 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 liquido no es nítida como es el caso de un liquido 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 Io cual se mejora la precisión de la medida. Por otro lado, el ordenador facilita la conversión del nivel a volumen del tanque para usos de inventario, y además proporciona características de autocomprobación del instrumento.
El medidor de nivel de ultrasonido en sólidos, consiste en un emisor de ultrasonidos que envía un haz horizontal a un receptor colocado al otro lado del tanque. Si el nivel de sólidos está más bajo que el haz, el sistema entra en oscilación enclavando un relé. Cuando los sólidos interceptan el haz, el sistema deja de oscilar y el relé se desexcita actuando sobre una alarma o sobre la maquinaria de descarga del depósito.
Disponiendo el haz de ultrasonidos en dirección vertical, el instrumento puede actuar como indicación continua del nivel midiendo el tiempo de tránsito de un impulso ultrasónico, entre la fuente emisora, la superficie del producto donde se refleja y el receptor situado en la propia fuente.
Como la superficie de la mayor parte de los productos sólidos reflejan en mayor o menor grado los ultrasonidos, el sistema es adecuado para la mayor parte de los sólidos con mucho polvo, alta humedad, humos o vibraciones, y puede emplearse tanto en materiales opacos como transparentes. Sin embargo, si la superficie del material no es nítida, el sistema es susceptible de dar señales erróneas. El uso del ordenador permite resolver este inconveniente, al almacenar el perfil ultrasónico del lecho del sólido e interpretarlo para obtener el nivel correcto del sólido. Asimismo, el ordenador proporciona características de autocomprobación del instrumento de medida.
Su precisión es de ± 0.15 a ± 1 %, puede construirse a prueba de explosión, pudiendo trabajar a temperaturas de hasta 150ºC.
2.2 Medición de flujo
a) Teoría Básica
En la mayor parte de las operaciones realizadas en los procesos industriales y en las efectuadas en laboratorio y en plantas piloto es muy importante la medición de los caudales de líquidos o de gases.
Existen varios métodos para medir el caudal según sea el tipo de caudal volumétrico o másico deseado. Los medidores volumétricos determinan el caudal en volumen del fluido, bien sea directamente, bien indirectamente por deducción. La medida de flujo volumétrico en la industria se efectúa principalmente con elementos que dan lugar a una presión diferencial al paso del fluido. Entre estos elementos se encuentran la placa de orificio o diafragma, la tobera y el tubo Venturi.
En la selección de la presión diferencial que el elemento de medida (diafragma, tobera, tubo Venturi) producirá para el caudal máximo del fluido fijado en el cálculo se presentan dos factores importantes a considerar, la presión de la línea y la pérdida de carga máxima del elemento. Ambos factores influyen en el costo de funcionamiento de la instalación, es decir, en el costo necesario para que el fluido pase a través del elemento. Asimismo, la conveniencia de lograr una exactitud casi constante en todo el campo de medida de la presión diferencial es otro compromiso a satisfacer. Depende de la relación de diámetros y de la situación del elemento en la tubería conjuntamente con los tramos rectos y accesorios que se encuentren aguas arriba y aguas abajo del elemento.
La instalación de los elementos de presión diferencial requiere que se respeten unas distancias de tramos rectos de la tubería, antes y después del elemento. Por otro lado, los elementos de presión diferencial absorben una pérdida de carga que depende de la relación de diámetros d/D y que es una fracción de la presión diferencial que el elemento crea.
b) Medidores tipo turbina
Los medidores de turbina consisten en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre en el rotor; la diferencia de presiones debida al cambio de área entre el rotor y el cono posterior ejerce una fuerza igual y opuesta. De este modo el rotor está equilibrado hidrodinámicamente y gira entre los conos anterior y posterior sin necesidad de utilizar rodamientos axiales evitando así un rozamiento que necesariamente se produciría.
Existen dos tipos de convertidores para captar la velocidad de la turbina. En el de reluctancia la velocidad viene determinada por el paso de las palas individuales de la turbina a través del campo magnético creado por un imán permanente montado en una bobina captadora exterior. El paso de cada pala varía la reluctancia del circuito magnético. Esta variación cambia el flujo induciendo en la bobina captadora una corriente alterna que, por lo tanto es proporcional al giro de la turbina.
En el tipo inductivo el rotor lleva incorporado un imán permanente y el campo magnético giratorio que se origina induce una corriente alterna en la bobina captadora exterior.
En ambos casos, la frecuencia que genera el rotor de turbina es proporcional al caudal siendo del orden de 250 a 1200 ciclos por segundo para el caudal máximo.
c) Placa de Orificio
La placa de orificio o diafragma consiste en una placa perforada instalada en la tubería. Dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la placa, captan esta presión diferencial la cual es proporcional al cuadrado del caudal. A continuación se explican los diferentes tipos de tomas:
Tomas en la brida, es bastante utilizada porque su instalación es cómoda ya que las tomas están taladradas en las bridas que soportan la placa y situadas a 1" de distancia de la misma.
Tomas en la vena contraída, la toma posterior está situada en un punto donde la vena alcanza su diámetro más pequeño, lo cual depende de la razón de diámetros y se presenta aproximadamente a ½ ( de la tubería. La toma anterior se sitúa a 1 ( de la tubería.
Tomas radiales, son parecidas a las tomas de vena contraída, pero fijando siempre las tomas anterior y posterior a 1 y ½ ( de la tubería, respectivamente.
Tomas en la cámara anular, las tomas están situadas inmediatamente antes y después del diafragma y requieren el empleo de una cámara anular especial. Se emplean mucho en Europa.
Tomas en la tubería, las tomas anterior y posterior están situadas a 2 ½ y 8 (, respectivamente. Se emplean cuando se desea aumentar el intervalo de medida de un medidor de caudal dado. La situación de las tomas está en un lugar menos sensible a la medida.
El orificio de la placa puede ser concéntrico, excéntrico o segmental, con un pequeño orificio de purga para los pequeños arrastres sólidos o gaseosos que pueda llevar el fluido. Los dos últimos diafragmas permiten medir caudales de fluidos que contengan una cantidad pequeña de sólidos y de gases. La precisión obtenida con la placa es del orden de + 1 a + 2 %.
d) Medidor magnético
La ley de Faraday establece que la tensión inducida a través de cualquier conductor, al moverse éste perpendicularmente a través de un campo magn6tico, es proporcional a la velocidad del conductor. La regla de la mano derecha nos indica que colocando la mano derecha abierta, con la palma perpendicular a las líneas de fuerza del campo magnético, y los dedos en el sentido de la corriente del fluido, el pulgar señala el sentido de la corriente inducida.
Faraday intentó aplicar esta teoría en la medición de la velocidad del río Tionesis en 1832. Suponía que el agua del río circulaba perpendicularmente al campo magnético de la Tierra y que el agua es un conductor relativamente bueno. Sumergió una probeta en el agua y esperaba obtener una señal que variara directamente con la velocidad.
No tuvo éxito debido a que no disponía de indicadores sensibles y a que el campo magnético de la Tierra es bajo. No obstante, su teoría fue aceptada. Los holandeses fueron los primeros en el mundo que adaptaron este principio. En 1950 practicaron el bombeo de grandes cantidades de agua de una zona a otra en las tierras bajas de Holanda. Era importante tener una indicación del caudal para supervisar los caudales manejados. En 1950, cuando se desarrollaron ampliamente las técnicas más avanzadas de corriente alterna, se diseñaron amplificadores más confiables y económicos y sólo entonces el medidor magnético de caudal pasó a utilizarse en una gran variedad de aplicaciones industriales.
La fórmula del caudal que da la ley de Faraday es la siguiente:
Es = K B I v
Es = tensión generada en el conductor;
K = constante;
B = densidad del campo magnético;
l = longitud del conductor;
v = velocidad del movimiento.
En el medidor magnético de caudal el conductor es el líquido y Es es la señal generada, esta señal es captada por dos electrodos rasantes con la superficie interior del tubo y diametralmente opuestos. Realmente la única zona del líquido en movimiento que contribuye a la f.e.m. es la que une en línea recta a los dos electrodos, B es la densidad del campo magnético creado por medio de la bobina de campo, l es el diámetro de la tubería y v es la velocidad del fluido a través del medidor. La señal de voltaje del medidor se compara en el receptor con otra tensión denominada . Como las dos señales derivan a la vez del campo magnético B, la tensión de la línea y las variaciones de temperatura y de conductividad no influyen en la precisión de la medida.
La señal de referencia Er se toma de un arrollamiento colocado en los bobinados del campo que genera el flujo magnético. El valor de Er se escoge de tal forma que la relación Es/Er se hace constante en todos los medidores de caudal. De este modo se logra su intercambiabilidad con cualquier receptor. El valor de Er, transmitido al receptor, puede establecerse con completa exactitud, gracias a un potenciómetro colocado normalmente en el medidor y fijado en fábrica para el valor máximo del caudal.
Las medidas de caudales en ambos sentidos, de paso del fluido, pueden efectuarse de dos formas:
a) Con un interruptor que invierta las conexiones de la señal del receptor, la posición del interruptor indica el sentido del caudal, y la calibración del sistema permanece invariable en cualquier sentido.
b) Elevando el cero del instrumento al 50 % de la escala, en cuyo caso, el índice indica automáticamente el sentido del caudal del líquido, al estar en la zona superior o inferior de la escala. La calibración del sistema permanece invariable y la indicación es de -50 -0- +50 % de la escala en lugar de 0-100 por 100.
La conductividad del fluido es la única característica propia del líquido que puede limitar el empleo del medidor magnético de caudal. El sistema electrónico utilizado en el elemento y en el receptor permite medir caudales de líquidos que tengan una conductividad superior a 3 micromhos/cm. No obstante, en casos especiales puede trabajarse con valores menores, añadiendo al circuito de medida un preamplificador adicional (acondicionador de señal), alcanzándose una conductividad mínima de 0.3 micromhos/cm.
Algunos fabricantes excitan la bobina del campo magnético a baja frecuencia en lugar de utilizar la frecuencia de línea (50 Hz). Se obtiene así un aumento en la precisión y en la estabilidad del cero del medidor. Otros fabricantes alimentan la bobina del campo magnético con dos ondas superpuestas, una de baja frecuencia que proporciona una excelente estabilidad del cero, y otra de alta frecuencia que es inmune al ruido de baja frecuencia generado por reacciones electroquímicas y líquidos de alta viscosidad y/o baja conductividad. Tal como se ha indicado, la medida no es afectada por las variaciones de conductividad, sin embargo, la necesidad de obtener la precisión adecuada en la medida, limita la longitud del cable entre el elemento y el receptor.
La conductividad eléctrica en los gases es generalmente mucho más baja. Por este motivo, el medidor magnético no puede emplearse para la medida de caudales de gases. En planta existen muchas fuentes de señales de ruido que pueden perturbar el funcionamiento de los medidores magnéticos de caudal. Por ejemplo, un motor eléctrico de gran potencia colocado en las inmediaciones del elemento genera un campo magnético que puede superponerse al flujo propio del medidor. Este tipo de ruido queda eliminado gracias al sistema de tensión de referencia Er.
Asimismo, los restantes motores y las líneas eléctricas de potencia pueden generar corrientes y tensiones eléctricas en las tuberías de la planta, siendo estas señales captadas por el medidor en forma de señales de tensión. Al objeto de reducir la influencia de estas señales de ruido se conectan eléctricamente en by-pass las bridas de conexión del medidor y se ponen a masa. Sin embargo, la práctica ha demostrado que esta medida es insuficiente y muchos fabricantes han dispuesto sistemas en el receptor para eliminar dichas señales de ruido. Es obvio que, siendo el ruido dependiente en gran parte de la situación del medidor, y de la utilización continua o intermitente del equipo parásito, el sistema de compensación debe ser corregido una vez variadas las condiciones. Sin embargo, existe un sistema que evita dichas correcciones: consiste en introducir en el medidor un tercer electrodo y conectarlo a masa. De este modo, la unidad de medida está puesta a tierra con relación a dichas señales de ruido y es completamente insensible a las mismas sin que sea necesario hacer ajustes de posición en la instalación.
En la sección de medida se generan corrientes parásitas en el líquido, debido al campo magnético de corriente alterna. Estas Corrientes, a su vez, generan un campo magnético y una tensión. Este campo magnético se opone al principal generado en los bobinados de campo y por lo tanto hace variar la densidad del flujo. La compensación de esta variación de flujo la llevan a cabo automáticamente los bobinados de referencia. Por otro lado, la tensión generada aparece como una señal en los electrodos y es por lo tanto captada por el receptor. Su magnitud depende de la densidad del flujo magnético y de la conductividad del fluido, y está desfasada con la relación a la señal de velocidad del líquido. Como este desfase perturba el trabajo del sistema, es esencial anular esta señal.
Algunos fabricantes compensan este fenómeno de desfase empleando en los electrodos cables de conexión rígidos y con curvatura especial o bien compensándolo en el receptor. El primer método es difícil y la posición de los cables es extremadamente crítica. Por otro lado, la compensación en el receptor cambia completamente la intercambiabilidad entre los elementos primarios y el receptor, ya que la magnitud de esta señal desfasada es distinta para cada medidor, por consiguiente si se sustituye el medidor de caudal es necesario el reajuste del receptor.
Otros fabricantes emplean un arrollamiento cerrado con un potenciómetro de equilibrio en cada electrodo. Los bucles formados están situados en el campo magnético del instrumento, y, en la misma forma que un transformador, generan una tensión que está desfasada 90o con relación a la señal de velocidad del fluido. En el potenciómetro se toma una parte de esta tensión para compensar la señal de ruido desfasada.
f) Tubo Venturi
El tubo Venturi permite la medición de caudales 60 % superiores a los de la placa orificio en las mismas condiciones de servicio y con una pérdida de carga de sólo 10 a 20 % de la presión diferencial. Posee una gran precisión y permite el paso de fluidos con un porcentaje relativamente grande de sólidos, si bien, los sólidos abrasivos influyen en su forma afectando la exactitud de la medida. El costo del tubo Venturi es elevado, del orden de 20 veces el de un diafragma y su precisión es del orden de + 075 %.
Para el cálculo de los diafragmas, toberas y tubos Venturi se utilizan normas variadas, entre las cuales se encuentran las siguientes:
– ISO 5167-1980 Medida del flujo de fluidos por medio de placas de orificio, toberas o tubos Venturi, insertados en conductos de sección circular.
– International Organization for Standarization, Ginebra, Suiza.
– Norma ASME 19.5 – Flowmeter Computation Handbook.
– American Society for Mechanical Engineers, New York, 1971
– Norma A.P.I. 2530 – Septiembre 1985 para gas natural.
– Principle and Practice of Flow Meter Engineering L. K. Spink (1978)
– Normas AGA-3 y AGA-7 – Gas Measurement Committe Report
– American Gas Association, Cleveland, Ohio
En estas normas se indican las pérdidas de carga de los elementos y las condiciones de instalación en tramos rectos de las tuberías con distancias mínimas a codos, curvas, válvulas, etc. Cuando estas condiciones de distancia son críticas, se utilizan dispositivos llamados enderezadores de venas que dan un régimen laminar del fluido y permiten reducir el espacio recto necesario.
g) Tubo Annubar
El tubo Annubar es una innovación del tubo Pitot y consta de dos tubos, el de presión total y el de presión estática. El tubo que mide la presión total está situado a lo largo de un diámetro transversal de la tubería y consta de varios orificios de posición critica determinada por computadora, que cubren cada uno la presión total en un anillo de área transversal de la tubería. Estos anillos tienen áreas iguales. En tuberías de tamaño mayor que 1" se dispone en el interior del tubo otro que promedia las presiones obtenidas en los orificios.
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El tubo que mide la presión estática se encuentra detrás del de presi6n total con su orificio en el centro de la tubería y aguas abajo de la misma. El tubo Annubar es de mayor precisión que el tubo Pitot, del orden de 1-3 %, tiene una baja pérdida de carga y se emplea para la medida de pequeños o grandes caudales de líquidos y de gases.
h) Medición de flujos en canales abiertos.
En la medici6n del caudal en canales abiertas, se utilizan vertederos de formas variadas que provocan una diferencia de alturas del líquido en el canal entre la zona anterior del vertedero y su punto más bajo. El vertedero debe formar un ángulo recto con la dirección del caudal y el canal aguas arriba debe ser recto como mínimo en una distancia de 10 veces la anchura. La diferencia de alturas debe medirse en un punto aguas arriba lo suficientemente alejado como para no ser influido por la curva de bajada de la superficie del agua y es conveniente incluso utilizar un pozo de protección (tubería de ( ligeramente mayor que el flotador) para el flotador del instrumento de medida, en caso de utilizar este sistema.
El caudal es proporcional a la diferencia de alturas según la fórmula general empírica:
Q = KlHn
Q = caudal en m3/s;
K = constante que depende del tipo de vertedero;
l = anchura de la garganta del vertedero en m;
H = diferencia máxima de alturas en m;
n = exponente que depende del tipo de vertedero o canal.
Los vertederos más empleados son de los siguientes tipos:
* Rectangular con contracción lateral, simple y fácil de construir y el más económico. Es apto para la medida de caudales de 0-60 m 3/h a 0-2000 m3/h. La formula de medida de caudales que suele usarse es la de Francis:
Q = 1.84 (l-0.2 H) H3/2 m3/s
siendo l la anchura del rectángulo en m. El valor de 0.2 H viene sustituido por 0.1 H si no hay contracción del manto vertido, es decir, si l = anchura del canal.
* Triangular o en V, que consiste en una placa con un corte en V de vértice dirigido hacia abajo y con cada lado igualmente inclinado respecto a la vertical. A igualdad de tamaño, su campo de medida es más amplio que el de los otros vertederos. Es capaz de medir caudales dentro del intervalo 0-30 m3/h a 0-2300 m3/h. La fórmula empírica aplicable es:
Q = 1.33 H2.475 m3/s para un vertedero en V de 90o
* El vertedero Parshall o Venturi se emplea normalmente en aquellas aplicaciones en las que un vertedero normal no es siempre adecuado tal como ocurre cuando el líquido transporta sólidos o sedimentos en cantidad excesiva, o bien cuando no existe altura de presión suficiente, o bien cuando no es posible construir un tramo recto de longitud suficiente (un minimo de 10 veces la anchura del canal). Puede utilizarse para caudales superiores a 0-30 m3/h. El vertedero Parshall es de forma parecida al tubo Venturi. Consiste en paredes verticales y con el suelo inclinado en la estrangulación. La descarga del fluido puede presentarse de dos formas: caudal libre cuando la elevación del agua después de la estrangulación es lo suficientemente baja como para impedir que el agua que se descarga retorne hacia atrás y no siga suavemente el perfil del elemento Parshall; caudal sumergido cuando el agua está a demasiada altura después de la estrangulación y vuelve hacia atrás. La condición de caudal libre se tiene cuando la relación de las alturas de cresta en la parte plana y en la parte final del elemento referidas al nivel plano Hu/Hd es menor de 0.6 para un elemento de garganta hasta 230 mm y menor de 0.7 para anchuras de garganta mayores de 300 mm. Relaciones mayores dan lugar a caudales del tipo sumergido en el cual el caudal es una función de Hu.y Hd, mientras que en la condición de caudal libre el flujo es únicamente función de Hu. Se suele mantener generalmente esta condición.
La ecuación general empírica del vertedero Parshall es:
Q = KlHn
Un instrumento de flotador, o bien de burbujeo, mide la diferencias de alturas dada y puede indicar, regular y registrar directamente el caudal o bien transmitirlo a distancia con un transmisor del tipo potenciométrico o neumático de equilibrio de movimientos, o digital.
2.3 Medición de temperatura
a) Teoría básica
La medida de temperatura constituye una de las mediciones más comunes y más importantes que efectúan en los procesos industriales. Las limitaciones del sistema de medida quedan definidas en cada tipo de aplicación por la precisión, por la velocidad de captación de la temperatura, por la distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador necesarios; es importante señalar que es esencial una comprensión clara de los distintos métodos de medida con sus ventajas y desventajas propias para lograr una selección óptima del sistema más adecuado.
Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y entre los cuales figuran:
a) Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases);
b) Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia);
c) Variación de resistencia de un semiconductor (termistores);
d) f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares);
e) Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación);
f) otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.).
Campo de medida de los instrumentos de temperatura
b) Termopar
El termopar se basa en el efecto descubierto por Seebeck en 1821, de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría) se mantienen a distinta temperatura. Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thomson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal en el que existe un gradiente de temperatura. La combinación de los dos efectos, de Peltier y de Thomson, es la causa de la circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar. Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares ha permitido establecer tres leyes fundamentales:
1. Ley del circuito homogéneo. En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulacién de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor.
2. Ley de los metales intermedios. Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura A a otro punto B, 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 A y B.
Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m. generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3.
Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. Los valores de esta f.e.m. están tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a 0oC.
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 f.e.m. relativamente alta, que sean estables, de bajo costo y de baja resistencia eléctrica y que la relación entre la temperatura y la f.e.m. sea tal que el aumento de ésta sea (aproximadamente) paralelo al aumento de la temperatura.
Tipos de termopares:
Termopar tipo E de cromel-constantán puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o medianamente oxidante o reductora. Este termopar posee la fe.m. más alta por variación de temperatura, y puede usarse para las temperaturas entre – 200 a +900oC.
Termopar tipo T de cobre-constantán, tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación y puede utilizarse en atmósferas oxidantes o reductoras. Se prefiere generalmente para las medidas de temperatura entre – 200 a +260oC.
Termopar tipo J de 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 K de 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.
Termopares 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.
El material del tubo de protección o vaina debe ser el adecuado para el proceso donde se aplica y suele ser de hierro, acero sin soldadura, acero inoxidable, inconel, cerámico, carburo de silicio, etc. Cuando el termopar está instalado a una distancia larga del instrumento, no se conecta directamente al mismo, sino por medio de un cable de extensión. Los cables de extensión son conductores con propiedades eléctricas similares a las del termopar hasta ciertos límites de temperatura (0-200oC) y son más económicos. Se suelen utilizar los siguientes:
Conductores tipo J para termopares tipo J
Conductores tipo K o tipo T para termopares tipo K
Conductores tipo T para termopares tipo T
Conductores tipo E para termopares tipo E
Conductores cobre-cobre níquel para termopares tipos R, S o B
Las conexiones entre el cable de compensación, el termopar y el instrumento deben ser perfectas, sin empalmes en el cable de compensación, utilizando el hilo correcto y el conjunto de la instalación debe evitar el paso próximo por fuentes de calor (aparece el efecto Thomson). Si estas recomendaciones no se cumplen aparecen tensiones térmicas de corriente continua que dan lugar a un desplazamiento en la calibración del instrumento. Para medir la f.e.m. del termopar pueden emplearse el circuito galvanométrico y el circuito potenciométrico.
c) RTD
La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las características de resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento de detección. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica.
El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado que expresa a una temperatura especificada, variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura.
La relación entre estos factores puede verse en la expresión lineal siguiente:
Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes características:
Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el instrumento de medida será muy sensible.
Alta resistividad ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada tanto mayor será la variación por grado (mayor sensibilidad).
Relación lineal resistencia-temperatura.
Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricación de estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda, a fin de obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta).
Estabilidad de las características durante la vida útil del material.
Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el níquel. El platino es el material más adecuado desde el punto de vista de precisión y de estabilidad pero presenta el inconveniente de su costo. En general la sonda de resistencia de platino utilizada en la industria tiene una resistencia de 100 ohmios a 0oC.
El níquel es más barato que el platino y posee una resistencia más elevada con una mayor variación por grado, sin embargo, tiene como desventaja la falta de linealidad en su relacián resistencia-temperatura y las variaciones que experimenta su coeficiente de resistencia según los lotes fabricados.
El cobre tiene una variación de resistencia uniforme, es estable y barato, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad.
Las bobinas que llevan arrollado el hilo de resistencia están encapsuladas situadas dentro de un tubo de protección o vaina de material adecuado al fluido del proceso.
La variación de resistencia de las sondas es medida con un puente de Wheatstone dispuesto en montajes denominados de dos hilos, de tres hilos o de cuatro hilos, según sean los hilos de conexión de la sonda de resistencia al Puente.
En el montaje de dos hilos la sonda de resistencia se conecta a uno de los brazos del Puente. Es el montaje más sencillo, pero presenta el inconveniente de que la resistencia de los hilos a y b de conexión de la sonda al puente varía cuando cambia la temperatura, y esta variación falsea por lo tanto la indicación; aunque estos hilos sean de baja resistencia y ésta sea conocida, las longitudes que puede haber en campo entre la sonda y el panel donde está el instrumento receptor, añaden una cierta resistencia al brazo de la sonda.
El montaje de dos hilos se emplea, pues, con resistencias moderadas del hilo de conexión y cuando la lectura no necesita ser demasiado exacta.
El montaje de tres hilos es el más utilizado en la práctica. En este circuito la sonda está conectada mediante tres hilos al puente. De este modo, la medida no es afectada por la longitud de los conductores ni por la temperatura, ya que ésta influye a la vez en dos brazos adyacentes del puente, siendo la única condición que la resistencia de los hilos a y b sea exactamente la misma.
Hace un tiempo se utilizaba un instrumento de bobinas cruzadas en lugar de un galvanómetro y en montaje de tres hilos para eliminar las variaciones de resistencia de las líneas de conexión. El instrumento dispone de una resistencia de calibración que inicialmente equivale a la resistencia de medida. De este modo, por ambas bobinas pasa la misma corriente, compensándose sus efectos y permaneciendo estacionario el índice. Al elevarse la temperatura de la sonda crece su resistencia, desequilibrando el instrumento y señalando el índice un nuevo valor proporcional al aumento de temperatura de la sonda.
El montaje de cuatro hilos se utiliza para obtener la mayor precisión posible en la medida, como es el caso de calibración de patrones de resistencia en laboratorio. Se basa en efectuar dos mediciones de la resistencia de la sonda combinando las conexiones de modo tal que la sonda pase de un brazo del puente al adyacente. De este modo se compensan las resistencias desiguales de los hilos de conexión y el valor de la resistencia equivale al promedio de los valores determinados en las dos mediciones.
La medición automática de la resistencia y por lo tanto de la temperatura se lleva a cabo mediante instrumentos autoequilibrados que utilizan un circuito de puente de Wheatstone. La sonda de resistencia esta conectada al puente mediante un circuito de tres hilos. Si el puente esta desequilibrado la señal de error en forma de tensión continua que aparece es convertida a una tensión alterna y amplificada en tensión (CC) y potencia (DD), para excitar el motor de equilibrio. Este se mueve en la dirección adecuada para equilibrar el puente a través del brazo móvil del reóstato que al mismo tiempo acciona los mecanismos asociados de indicación, registro y control.
Otros instrumentos utilizan un puente de capacidades con un condensador variable cuya posición esta calibrada en función de la temperatura, alimentándose el circuito con la tensión alterna estabilizada de un oscilador. Este instrumento funciona en forma análoga al circuito de puente de Wheatstone que, ante una señal de error el amplificador alimenta un motor de equilibrio que acciona el condensador variable.
Otro instrumento es el indicador galvanométrico de puente de resistencias. Su ajuste se realiza colocando el interruptor en la posici6n STD para incluir una resistencia X en el circuito puente, y ajustando el reóstato RH hasta que el indicador señala la lectura más baja de la escala. Seguidamente se pasa el interruptor a la posición de conexión de la sonda pudiendo leerse directamente la temperatura.
La adición de un microprocesador a la sonda de resistencia permite obtener, un transmisor inteligente con la posibilidad del cambio automático del sensor o del campo de medida, la obtención por hardware o software de puentes de Wheatstone o de capacidades de distintas características, etc.
d) Termistor
Los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado, por lo que presentan unas variaciones rápidas y extremadamente grandes para los cambios relativamente pequeños en la temperatura. Los termistores se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio, titanio y otros metales, y están encapsulados.
La relación entre la resistencia del termistor y la temperatura viene dada por la expresión:
Hay que señalar que para obtener una buena estabilidad en los termistores es necesario envejecerlos adecuadamente. Los termistores se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros circuitos de medida de resistencia. En intervalos amplios de temperatura, los termistores tienen características no lineales. Al tener un alto coeficiente de temperatura poseen una mayor sensibilidad que las sondas de resistencia estudiadas y permiten incluso intervalos de medida de 1oC (span). Son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor variando de fracciones de segundo a minutos.
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.
Los termistores encuentran su principal aplicación en la medición, la compensación y el control de temperatura, y como medidores de temperatura diferencial.
e)Pirómetros ópticos (radiación).
Los pirómetros de radiación se fundamentan en la ley de Stefan-Boltzman, que dice que la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir, W = KT4. Desde el punto de vista de medición de temperaturas industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde 0.1 micras para las radiaciones ultravioletas, hasta 12 micras para las radiaciones infrarrojas. La radiación visible ocupa un intervalo entre la longitud de onda de 0.45 micras para el valor violeta hasta 0.70 micras para el rojo.
Los pirómetros de radiación miden, pues, la temperatura de un cuerpo a distancia en función de su radiación. Los instrumentos que miden la temperatura de un cuerpo en función de la radiación luminosa que éste emite, se denominan pirómetros ópticos de radiación parcial o pirómetros ópticos y los que miden la temperatura captando toda o una gran parte de la radiación emitida por el cuerpo, se llaman pirómetros de radiación total.
Los pirómetros ópticos manuales se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado. Pueden ser de dos tipos: a) de corriente variable en la lampara y b) de corriente constante en la lámpara con variación del brillo de la imagen de la fuente.
Los pirómetros ópticos automáticos son parecidos a los de radiación y consisten esencialmente en un disco rotativo que modula desfasadas la radiación del objeto y la de una lámpara estándar que inciden en un fototubo multiplicador. Este envía una señal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua que convenientemente acondicionada modifica la corriente de alimentación de la lampara estándar hasta que coinciden en brillo la radiación del objeto y la de la lámpara. En este momento, la intensidad de corriente que pasa por la lámpara es función de la temperatura.
En algunos modelos el acondicionamiento de señal se realiza con un microprocesador, lo que permite alcanzar una precisión de + 0.5% en la lectura, con la posibilidad adicional de trabajar en modo continuo o de integrar picos o valles de la radiación, en el caso del paso de objetos delante del pirómetro. Un juego de lentes parecido al de una cámara fotográfica permite efectuar la lectura de objetos tan pequeños como de ( 0.4 mm.
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