informe variables de mediciÓn luis villarroel.docx
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UNIVERSIDAD DE ORIENTE
NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI
ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS
DEPARTAMENTO DE MECÁNICA
VARIABLES DE MEDICIÓN
Revisado por: Realizado por:
Prof. Yordy González Br. Cabrera, Carlos
C.I.: 20.054.243
Br. Villarroel, Luis
C.I.: 20.106.112
Sección: 02
Puerto La Cruz, Julio de 2015
Medición de flujo
1. Medidores de flujo diferenciales
Actualmente en las industria en las operaciones de mediciones de flujo
al menos el 70% se realiza mediante el uso dispositivos de presión
diferencial siendo la placa orificio uno de los más populares entre ellos.
Esta clase de medidores presenta una reducción de la sección de paso del
fluido, dando lugar a que el fluido aumente su velocidad, lo que origina un
aumento de su energía cinética y, por consiguiente, su presión tiende a
disminuir en una proporción equivalente de acuerdo con el principio de la
conservación de la energía, creando una diferencia de presión estática entre
las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor, esta diferencia de
presión tiene relación con la velocidad del fluido y se puede determinar con el
teorema de Bernoulli, al determinarse la velocidad y teniendo el valor del
área se la vena contracta se obtiene fácilmente el valor del caudal.
Teorema de obstrucción de Bernoulli
Un fluido incompresible fluye a través de una tubería de diámetro D con una
obstrucción de diámetro “d” como se muestra en la figura 1. El cálculo del
caudal se basa en la aplicación del teorema de Bernoulli.
Fig. 1. Teorema de Obstrucción de Bernoulli.
Se aplica la ecuación de Bernoulli a un flujo considerado estacionario y
despreciando las fricciones
Ecuaciónde Bernoulli p1γ
+ v 1²2g
+z 1= p2γ
+ v 2²2g
+z 2
Dónde:
V1 y V2 son las velocidades del fluido en los puntos 1 y 2
P1 y P2 son las presiones del fluido en los puntos 1 y 2
“g” es la aceleración de la gravedad en m/s2
γ: es el peso específico del fluido
Z1 y Z2 son las elevaciones pero se cancelan ya que la tubería tiene la
misma elevación en ambos puntos
β es un parámetro clave que relaciona al diámetro menor con el diámetro
mayor del instrumento.
Por continuidad se tiene que:
V1*A1 = V2*A2
Donde:
A1 y A2 son las secciones de la tubería en los puntos 1 y 2 de donde resulta
V1∙D²=¿V2∙ d²
Finalmente
V1 = β ² ∙V2
Sustituyendo V1 en el teorema de Bernoulli nos queda:
V 2=√ 2∙ p1−p2ρ∙(1−β4)
Q¿Ad*Cd*V2
El coeficiente de descarga Cd es un parámetro adimensional que tiene en
cuenta los posibles errores del análisis aproximado, es la relación del caudal
real que pasa por el medidor entre el caudal ideal
Cd=QrQi
Por análisis dimensional en un diseño se espera que:
Cd= ḟ(β,Re)
ℜDV . Dv
El coeficiente de descarga no es constante en los dispositivos, este varía con
el número de Reynolds
a. Placa orificio
Descripción: La placa orificio está constituida por una placa delgada
perforada la cual se instala entre bridas en la tubería, entre placas y la brida
se usa empacaduras para sellar los escapes de fluido. Se hace
generalmente de acero inoxidable, material que resiste satisfactoriamente la
acción química de los fluidos bajo medición, salvo algunos fluidos corrosivos
que requieren una aleación especial como monel o níquel, etc.
Estos medidores constan de dos componentes, el elemento primario, es
el dispositivo que se coloca en la tubería para obstruir el flujo y generar una
caída de presión y un elemento secundario que mide la caída de presión
figura 2.
Suele tener un β entre 0,2 y 0,8, aunque el diámetro d no debe ser menor
de 12,5 mm. Para medir P1 y P2 se utilizan tres tipos de tomas:
Tomas en la tubería: están localizadas a una distancia de 2½ D
nominales aguas arriba y 8D nominales aguas debajo de la placa.
Miden la perdida de presión permanente a través de un orificio,
requiere mayor cantidad de tramos rectos de tubería, hay que
perforar la tubería, se usa en la medición de gases y es la que permite
mayor estabilidad en la presión diferencial.
Tomas de Brida: Los orificios estáticos se ubican a 25.4 mm (1 in.)
corriente arriba y a 25.4 mm (1 in.) corriente abajo con relación a la
placa.
Tomas en la vena contracta: la toma de alta presión se coloca en un
punto que dista un diámetro nominal de la tubería, mientras que la
toma de baja presión, depende de la relación entre el diámetro del
orificio y el de la tubería (β = d / D), (las gráficas que se utilizan están
a D/2 de la placa). Hay que perforar la tubería, no se recomienda para
diámetros de 2 pulg. debido a que la vena contracta puede estar a
menos de 1 pulg. de la placa orificio y se usa cuando se desea la
máxima presión diferencial para un mismo flujo.
Fig. 2. Diferentes tomas de presión en una placa orificio
Existen tres tipos diferentes de orificios de placa
Concéntrico: se utiliza para gases o fluidos limpios sino las partes solidas
tenderían a acumularse.
Excéntrico: el orificio es casi tangente a la superficie interior de la tubería,
con el agujero en la parte superior los gases que entran pasan con facilidad,
con el agujero en la parte inferior los sólidos que ingresan continuaran su
camino.
Segmentado: se utiliza en la parte superior del tubo si en el fluido hubiera
sedimentos pesados.
Fig. 3. Tipos de orificio en placa
La precisión de la placa orificio está en el orden de ±1% y ±2%.
Ventajas
Es el elemento primario más económico entre los demás
Muy simple y de fácil aplicación
Fácil de instalar y reemplazar
Excelente servicio en muchas de las aplicaciones
Desventajas
El caudal no se mide directamente
Requiere de la instalación de largos tramos de tubería aguas arriba y
aguas abajo
No posee una exactitud elevada
Difícil ubicación de las tomas de presión
Dificultad para predecir el área de la vena contracta y la velocidad en
ese punto
El coeficiente de descarga puede variar con el tiempo debido al
desgaste o a la acumulación de suciedad.
Produce las mayores pérdidas de presión.
b. Tubo Venturi:
Descripción: Está constituido por un conjunto de tuberías bridadas , el cual
tiene un cono de entrada convergente, que guía el fluido hacia una
contracción de entrada de tobera de flujo estándar [ISA 1932 estándar]
seguida de una garganta cilíndrica corta y un cono divergente de salida no
mayor de 30º que guía el fluido hacia la continuación de la tubería. A la
primera sección, o cono de entrada, se conecta la toma de alta presión. La
toma de baja presión se coloca en la garganta del tubo. El cono de salida es
llamado, de recuperación, ya que recupera hasta cierto punto un gran
porcentaje de la perdida de presión provocada por esta restricción. En la
figura 4 se observa una imagen de este medidor.
Fig. 4. Tubo Venturi
La presión disminuye en la proximidad de la sección estrecha y la
velocidad aumenta, pasada la garganta en el cono divergente la velocidad
disminuye y se recupera gran parte de la presión .utilizándose la caída de
presión entre los dos puntos 1 y 2, para así al colocar un manómetro de
presión diferencial entre las tomas situadas se puede medir la caída de
presión y calcular el caudal.
Permite la medición de caudales mayores con una baja pérdida de carga
y se usa donde es importante la recuperación de presión, puesto que esta
recuperación del cuello Venturi es mucho más elevada que para otros
elementos primarios. Con el fin de que la recuperación de presión sea
grande, el ángulo del cono posterior o de salida, es pequeño, de forma que
se evita la separación de la capa limite y la fricción es mínima
La pérdida permanente es el 10% de la diferencia de presión temporal
(P1-P2) de forma que se recupera el 90% de esta diferencia.
Se recomienda para intervalos de uso entre 1.5x10⁵ y 2x106
La ecuación del caudal para el tubo Venturi es:
Q=C d∗A2√ 2 •( p1− p2)ρ•(1− β4)
donde el valor de Cd se muestra en la figura 5 y se obtiene
experimentalmente mediante la expresión ISO
Cd = 0.9858-0196β⁴'⁵ Esta fórmula es independiente de ReD en el rango
indicado
Fig. 5. Coeficientes de descarga para un Venturi típico
Ventajas:
Es el medidor de flujo más exacto si esta calibrado apropiadamente
Produce una perdida permanente de presión mucho menor que las
que producen La tobera y la placa orificio
Posee una gran precisión
Resistente a la abrasión y puede usarse con fluidos sucios y en
suspensión
Desventajas:
Es el instrumento de medición más costoso
No son medidores directos de caudal
Utilizados para números de Reynolds altos
Ocupa mayor espacio
Requerimientos de longitud en su instalación
c. Toberas:
Descripción: La tobera consta de un tubo corto cuyo diámetro disminuye en
forma gradual de un extremo al otro. posee dos tomas de presión, una
ubicada del lado anterior a un diámetro de la entrada y otra ubicada a medio
diámetro aguas abajo de la tobera, en las que se puede conectar un
manómetro de presión diferencial, Existen dos tipos de toberas : las de radio
largo o curvatura suave y las de radio corto llamadas también toberas ISA
1932, en la tobera de radio largo la contracción se elimina y da coeficientes
con valores cercanos a la unidad, maneja una pérdida de carga de 30 a 80
% la presión diferencial , el coeficiente de descarga es similar al del tubo
Venturi , La tobera se la puede emplear para medir caudal de fluidos con dos
fases, de vapor o líquidos viscosos, para líquidos que tengan una pequeña
cantidad de sólidos en suspensión. Sin embargo, no debe emplearse para
líquidos con concentraciones de sólidos mayores que puedan llegar a
obturarla.
Fig. 6. Tobera
Donde:
D: diámetro de la tubería
D: diámetro interior de la tobera
Posee el mismo método de cálculo del Venturi y la placa orificio. En cuanto a
caudal se refiere.
Los valores del coeficiente de descarga se obtienen de curvas que son
función del número de Reynolds y que tienen como parámetro a la relación
de los diámetros β = d/D. Igualmente la ASME recomienda las correlaciones
de la ISO para el coeficiente de descarga.
Tiene un costo de 8 a 16 veces el de la placa orificio y su precisión es del
orden de ±0.95% a ±1,5%
Ventajas:
Maneja una gran exactitud entre ± 0.9 a 1.5 %.
No requiere mucho mantenimiento
Menos sensible al desgaste
Desventajas:
Es más costosa que la placa orificio
Con respecto a la placa orificio tiene menor posibilidad de obstrucción
por lo cual tiene mayor tiempo de vida útil
Debe ser cuidadosamente diseñado
d. Tubo de Pitot
Definición: Es un tubo hueco que se posiciona de modo que el extremo
abierto apunta directamente a la corriente de fluido. La presión en la entrada
hace que se soporte a una columna de fluido. Entonces, el fluido en o justo
dentro de la punta esta estacionario o estancado, y esto se conoce como
punto de estancamiento. (Figura 7)
Fig. 7. Tubo de Pitot
Principio de funcionamiento: El Tubo Pitot mide dos presiones
simultáneamente: presión de impacto (medida por el tubo de impacto interior
2 y presión estática (medida por el tubo estático 1 exterior).
El principio del mismo se indica en la Figura 7. La abertura del tubo de
impacto 2 es perpendicular a la dirección de flujo. La abertura del tubo
estático 1 es en cambio paralela a la dirección de flujo. Los dos tubos están
conectados a las ramas de un manómetro u otro sistema equivalente de
medida de pequeñas diferencias de presión. El tubo estático mide la presión
estática Ps, puesto que no existe componente de la velocidad perpendicular
a la abertura. La abertura de impacto contiene un punto de estancamiento
b. La línea de corriente ab termina en el punto de estancamiento b.
Dentro del Tubo Pitot no existe un movimiento del fluido, el fluido queda a
la entrada del tubo interior, y este tubo transmite una presión de impacto
equivalente a la energía cinética del fluido. La diferencia de presión medida,
representa la elevación de presión asociada con la desaceleración del fluido.
Si el fluido es incompresible se utiliza la ecuación de Bernoulli para
obtener el diferencial de presión resultando ser proporcional al cuadrado de
la velocidad del flujo, para gases se puede utilizar para velocidades
moderadas y con cambios de presión cerca del 10% o menos de la presión
total.
Cuando un fluido en movimiento se detiene porque encuentra un objeto
estacionario, se crea una presión mayor que la de la corriente de
fluido. La magnitud de esta presión incrementada se relaciona con la
velocidad del fluido en movimiento.
Ventajas
Tiene un bajo costo
Las pérdidas de presión son bajas
Se utiliza en ductos irregulares
El error de la medición es de 1% para diferentes números de Reynolds
Desventajas
Tiene una limitada aplicación
No miden directamente la velocidad promedio
No son medidores directos de caudal
Si la velocidad presenta cambios significativos produce errores en la
medición
Fácil obstrucción
2. Medidores de área variable: Los medidores de área variable se
caracterizan por el cambio de área que se produce entre el elemento
primario en movimiento y el cuerpo del medidor. Pueden asimilarse a una
placa de orificio cuyo diámetro interior fuera variable dependiendo del flujo y
de la fuerza de arrastre producida por el fluido.
a. Rotámetro: El Rotámetro es un dispositivo compuesto por un flotador
que cambia su posición dentro de un tubo ahusado , en proporción al flujo
ascendente del fluido luego El flotador está en equilibrio entre su peso, la
fuerza de arrastre del fluido y la fuerza de empuje del fluido sobre el flotador.
El flujo depende de factores como el peso específico del fluido, de su
viscosidad y de las dimensiones del interior del tubo, ya que la misma cambia
según sea el punto de equilibrio del flotador. El rotámetro posee la parte
exterior de vidrio la cual posee una escala graduada en la que puede leerse
directamente el valor del flujo volumétrico de acuerdo a la posición del
flotador.
La pérdida de carga depende de dos factores que son la perdida en el
flotador y la perdida debido a la fricción en el tubo. La caída de presión se
puede determinar a partir del peso del flotador. Mediante la selección
adecuada del peso y diámetro del flotador se puede seleccionar el valor de la
caída de presión la cual es constante para todo el intervalo de medición del
medidor, se puede hacer tan baja como se desee, su precio está por el 1%
cuando están calibrados.
Ventajas:
Incertidumbre baja
Fácil instalación
Poco mantenimiento
Fácil lectura
Puede ser usado para la medición de líquidos corrosivos
Desventajas:
Debe usarse en posición vertical
No se puede usar para fluidos con sólidos en suspensión
Es relativamente costoso y fácil de romperse
Se utiliza para la medición d flujos especiales
3. Medidores de flujo volumétrico
a. turbina: También denominado medidor de hélice consiste de un rotor
con varios álabes instalada dentro de un ducto o tubería , que gira en la
corriente de un fluido, el número de álabes del rotor está en función del
intervalo de medición del medidor y de su resolución. El eje de rotación del
rotor es paralelo a la dirección del flujo, y las aspas del rotor ocupan casi
todo el diámetro de la tubería. El fluido al chocar con las aspas, produce el
Movimiento del rotor a una velocidad que resulta directamente proporcional
al caudal. La velocidad de rotación de la turbina se monitorea por una bobina
magnética, la cual está incorporada en el exterior del alojamiento del medidor
y emite una señal de salida que consiste en una serie de pulsos que pueden
ser contados y totalizados, el número de pulsos en un período de tiempo
dado, es directamente proporcional al caudal volumétrico que pasa.
Cada medidor tiene una unidad totalizadora que cumple una función de
factorización, cada pulso equivale a un valor de flujo volumétrico el cual
luego en la unidad totalizadora dichas lecturas se convierten a flujo
volumétrico
Cada medidor tipo turbina debe ser calibrado específicamente para el tipo
de flujo que se va a medir, en la gráfica se muestra una calibración típica. Es
adecuado para la medida de caudales de líquidos limpios y filtrados se
emplean normalmente para medir velocidades de flujo en línea de
abastecimiento de combustible. Tiene una elevada precisión, está en el
orden de ± 0,25 a 0,3%.
Ventajas:
Incertidumbre baja
Son usados para fluidos con viscosidades de baja a media.
Los medidores de este tipo ofrecen buena rangeabilidad de flujo
(hasta 30:1) y son adecuados para prácticamente presiones ilimitadas
y temperaturas extremas altas y bajas,
son fáciles de instalar
tienen poco peso y tamaño en relación al diámetro de la tubería.
La exactitud es muy elevada, del orden de ± 0.3%.
La menor incertidumbre se consigue con un flujo totalmente
desarrollado, instalando el instrumento en una tubería recta de
longitudes mínimas 10 diámetros corriente arriba y 5 diámetros
corriente abajo
Desventajas:
Incompatibilidad con líquidos altamente viscosos
posibles daños en caso de que se presente cavitación y la necesidad
de equipo adicional
es relativamente caro
Debido a sus excelentes características de desempeño, el medidor de
turbina se usa ampliamente para la medición de flujo de precisión alta
transferencia de aceite crudo, hidrocarburos refinados y otros líquidos
valiosos.
Los medidores de turbina se utilizan en la industria petroquímica
como elementos primarios para el control de procesos.
b. Electromagnético: Es un dispositivo no intrusivo y se fundamenta en
la ley de Faraday y consiste en suponer conductor a un flujo que circula por
una tubería en la cual están establecidos dos electrodos separados 180º que
hacen contacto directo con el fluido y dos bobinas electromagnéticas que
están aisladas del fluido, el paso del fluido por el campo magnético generado
por las bobinas induce un voltaje entre los dos electrodos el cual es
proporcional al flujo.
La señal depende de la conductividad del líquido a mayor conductividad
mayor señal, Cada fluido tiene una conductividad distinta y esta es la única
característica propia del líquido que puede limitar el empleo del medidor
magnético. Se usan para la medición de líquidos conductores en particular
los líquidos fangosos y fluidos corrosivos como el agua de mar en el campo
de la oceanografía, tiene una elevada precisión, del orden del 0,1%.
Ventajas:
No obstruye el flujo
No es invasivo
Desventajas
Muy costosos
Se utilizan solo con liquidos
c. Ultrasónico: Son un tipo de medidor de caudal no intrusivo en el cual
ningún componente entra en la parte interna de la tubería, que emplea ondas
sonoras ultrasónica y consta básicamente de dos transductores
piezoeléctricos, uno actúa como transmisor y otro como receptor de la onda
sonora, Para el empleo este tipo de medidores , es necesario conocer como
es la velocidad de propagación de la onda ultrasónica en el líquido al cuál se
quiere medir el caudal ya que el tiempo que toma la señal en atravesar la
tubería depende la velocidad del fluido que pasa por él.
Entre los medidores de caudal ultrasónicos se encuentran el de: Medidor
por pulsos y el efecto Doppler.
Medidor por pulsos: Tienen un transmisor y un receptor que se alinean con
el eje de la tubería, El transmisor envía a través de la pared y la corriente del
flujo una onda de sonido pulsante con un ángulo hacia el flujo de una
frecuencia determinada, y se mide el tiempo en que la onda tarda en llegar al
receptor. La diferencia entre la frecuencia de señales es proporcional al flujo
volumétrico.
Medidor de efecto Doppler: Un transmisor envía una señal ultrasónica que
choca y se reflejan con las partículas y solidos es suspensión en el líquido
regresando al receptor, se mide la frecuencia de la señal de retorno.
En la figura 8 se muestra caudalímetro de pulso y caudalímetro efecto
Doppler.
Fig. 8. (a) Caudalímetro de pulso, (b) Caudalímetro de Efecto Doppler.
Las pérdidas de presión solo se deben a efectos de la fricción en el conducto
el medidor no produce perdidas adicionales ya que no es invasivo, La
precisión de éste tipo de caudalímetros está en al orden del ±2%.
Ventajas:
No presentan obstrucción
Resistentes a la corrosión
d. Torbellino: el medidor de torbellino o de vórtices consta de un cuerpo
romo colocado dentro de un conducto o tubería normal a la corriente del flujo
que genera torbellinos a la estela detrás del cuerpo. Estos vórtices se alejan
del cuerpo a una frecuencia proporcional a la velocidad del flujo.
Estos medidores se emplean en varios fluidos inclusive fluidos líquidos
limpios y sucios, y gases y vapor
Ventajas
Ausencia de partes móviles.
Tiene una Precisión del 1 %en un amplio rango de caudales
Posibilidad de medir fluidos muy fríos o muy calientes.
No requiere de grandes longitudes de conducto aguas arriba
La calibración no depende de la densidad o la viscosidad del fluido.
4. Medidores de flujo másico
a. Tipo Coriolis: Este tipo de medidores aplican el principio de
aceleración de Coriolis emiten una señal directamente proporcional al
flujo másico son un medidor no intrusivo y constan de un tubo en
forma de U que se instala en un sistema de tuberías por donde pasa
una corriente de flujo , el tubo se pone a vibrar normal al plano de la U
cuando el flujo que viene de una tubería del proceso de una planta
entra al medidor y se dirige por un conducto continuo del mismo
diámetro que dirige al fluido a través de un primer lazo seguido de un
cuerpo central y luego hacia un Segundo lazo que lo guía de la salida
del medidor hacia la continuación de la tubería del proceso. El
movimiento vibratorio que se produce mueve los dos lazos paralelos
de manera alternada acercándolos y alejándolos, ambos lazos hacen
Puente con dos impulsores electromagnéticos en los extremos
opuestos.
El fluido que pasa por el conducto sigue de manera simultánea la
trayectoria de los lazos y se mueve de manera perpendicular a esta, la
acción de los impulsores producen un efecto de la aceleración de Coriolis
que es directamente proporcional a la cantidad de flujo másico que pasa por
los tubos , los sensores que están colocados en las proximidades de los
impulsores captan la fuerza de Coriolis y transmiten una señal de salida que
se relaciona con el verdadero valor del flujo másico que pasa por el medidor
Pueden también medir la densidad de una manera no intrusiva Este tipo
de medidores presentan una exactitud y una precisión en el orden del 0,2%
del flujo indicado
Medición de nivel
1. Métodos visuales utilizados para medición de nivel:
a. Tubos de vidrio: También conocidos como medidores de nivel de
cristal. Es un tubo de vidrio cuyos extremos están conectados al tanque
mediante bloques metálicos y válvulas. Generalmente se utilizan tres
válvulas: dos son de cierre de seguridad y mantenimiento para impedir la
fuga de líquido en caso de ruptura del tubo y una válvula de purga. En la Fig.
9. Se muestra una imagen de este método.
Fig. 9. Tubo de Vidrio para medición de nivel (Tubo de vidrio transparente)
El nivel de cristal normal se emplea para presiones de hasta 7 Kg/cm2;
para presiones más elevadas, se utiliza un cristal grueso, de sección
transversal rectangular y protegida por una armadura metálica. En este caso
existen dos tipos de medidores: el tubo transparente y el de reflexión. La
figura 1 muestra un medidor de tubo transparente y la figura 10 muestra un
medidor de tubo por reflexión.
Fig. 10. Medidor de tubo por reflexión
El medidor transparente se utiliza cuando el material presente dentro del
tubo sea viscoso o colorido. También se emplea para detección de interfase
o cuando el fluido sea corrosivo.
El medidor tipo reflexión utiliza el fenómeno óptico de refracción de la luz,
que cambia la reflexión en el ángulo crítico de los rayos incidentes. Cuando
el tubo de reflexión está vacío, la luz incidente es reflejada desde las
superficies prismáticas, haciendo que el vidrio tenga una apariencia plateada.
A medida de que el fluido va subiendo en el vidrio, el ángulo crítico cambia
debido a que el índice de refracción del líquido que sube es diferente a la de
los vapores encima de éste. La luz visible es refractada en el fluido, haciendo
que el vidrio se vea oscuro en la zona cubierta por el líquido. De esta
manera, un tubo de reflexión que contiene líquido muestra una clara
demarcación entre el área oscura del líquido y el área plateada de vapor
encima del líquido. Los medidores de reflexión vienen en longitudes
estándares. La máxima longitud está limitada a 1,8 m (6 ft). Los tubos de
vidrio para reflexión se utilizan principalmente para líquidos incoloros y poco
viscosos.
La principal ventaja del método del tubo de vidrio es la gran seguridad que
ofrece para la lectura del nivel del líquido, pudiendo controlar con este las
lecturas de otros aparatos. Sin embargo, presenta la desventaja de permitir
solo una indicación local.
b. Cinta graduada: La cinta graduada está junto a una pesa que tiene una
densidad relativa mayor que la del fluido que está siendo medido. La cinta se
hace descender en el tanque que contiene el fluido y la superficie mojada de
la cinta provee una indicación del nivel del líquido. Este método también es
conocido como medición de nivel con sonda o vara. Su aplicación se limita a
tanques de profundidad grande que están abiertos a la atmósfera. La figura
11 describe las formas de aplicación de este método:
Fig. 11. Formas de aplicación del método de sonda.
2. Flotadores: Los flotadores funcionan basándose en el principio de colocar
un objeto flotante con un peso específico intermedio entre el fluido de
proceso y el del vapor en el espacio de cabeza en el tanque, luego de
conectar un dispositivo mecánico para leer su posición. El flotador se hunde
en la parte inferior del espacio de cabeza de vapor y flota en la parte superior
del fluido de proceso. Si bien el propio flotador es una solución básica para el
problema de la localización de la superficie de un líquido, la lectura de la
posición de un flotante) es decir, hacer una medición de nivel real) es todavía
problemática. Los sistemas de flotación iniciales utilizaron componentes
mecánicos como cables, cintas, poleas y engranajes para comunicar nivel.
Los flotantes equipados con un imán son muy populares hoy en día.
Los primeros transmisores de nivel a flotador proporcionaban una
medición de nivel discreta o analógica simulada usando una red de
resistencias y múltiples interruptores de láminas (reed switch), lo que
significaban cambios en pasos discretos de salida del transmisor. A
diferencia de los dispositivos de nivel de medición continua, aquellos no
pueden discriminar los valores de nivel entre los pasos. La figura 12 muestra
el funcionamiento de un flotador típico.
Fig. 12. Funcionamiento de un flotador típico
El flotador se mueve hacia arriba y hacia abajo con los cambios en el nivel
del líquido. Este movimiento del flotante puede ser transformado por diversos
medios en una acción de indicación, registro o control. Generalmente son
utilizados para medir interfases líquido-gas y líquido-líquido. La ecuación que
se utiliza para determinar la fuerza de flotación disponible es:
Fb=V f∗Sg (Ec. 1)
Donde: Fb es la fuerza de flotación, Vf es el volumen del flotador y Sg es la
densidad relativa del fluido.
Comercialmente existe una gran variedad de estos instrumentos utilizados
en aplicaciones de nivel de líquido. Los más comunes son los flotadores
horizontales y los flotadores verticales.
Cuando se necesita una indicación o un registro de la medición se utilizan
métodos que tengan flotador y cinta, en depósitos cerrados al vacío o bajo
presión, que deben tenerse sellados, se utilizan flotadores con brazo de
torsión, flotadores de jaula y flotadores magnéticos, acoplados a dispositivos
hidráulicos. El flotador se debe construir de manera tal que flote dentro del
líquido a medir; esto significa que la densidad del flotador debe ser menor a
la del líquido que lo sostiene.
En la figura 13 se muestra un proceso de medición que consta de un
flotador y una palanca.
Fig. 13. Flotador y palanca
Este proceso de medición utiliza un cuerpo hueco (flotador) el cual flota
sobre la superficie del líquido variando su posición de acuerdo a los cambios
de nivel. El flotador actúa sobre un indicador por medio de palancas. Su
rango está limitado por la dimensión del brazo de las palancas. Este método
puede utilizarse en una gran variedad de líquidos, inclusive en aquellos de
alta viscosidad y en tanques cerrados que tengan presiones de hasta 1000
psi. Sin embargo es aconsejable no utilizarlo para líquidos con sólidos en
suspensión, ya que estos sólidos pueden depositarse sobre el flotador,
produciendo un error en la medida.
En este caso el rango H está limitado por la longitud del brazo flotador L,
el ángulo rotado α, que no debe ser superior a 60° ya que los valores
mayores en la medida se vuelve altamente no lineal. El valor del rango puede
calcularse mediante la siguiente expresión:
H=2∗L∗sin ∝2
(Ec. 2)
La figura 14 muestra otra forma de medir nivel mediante un flotador, y
esa es la medición con flotador y cinta.
Fig. 14. Medidor con flotador y cinta
En este caso el flotador actúa al mecanismo indicador por medio de una cinta
que se enrolla sobre un carrete cilíndrico, un contrapeso mantiene tensa la
cinta, usando este método el rango de medición ya no es una limitante, las
limitaciones en una medición de nivel con flotador y cinta, palancas o
cadenas son según las variaciones del nivel que se va a medir en el depósito
o en la columna hidrostática en particular, para controlar el nivel en forma
remota se montan relevadores que funcionen como pilotos sobre el eje
giratorio que lleva la cadena o la cinta, se debe utilizar un contrapeso para
mantener tensa la cadena o la cinta, conforme el flotador se eleva o
desciende con el nivel del medio que se está midiendo, la rotación del eje se
transforma en indicaciones por medios neumáticos, hidráulicos, eléctricos o
electrónicos para usarse en equipos remotos, para convertir el movimiento
angular en una señal medible, los flotadores se sujetan a una rueda dentada
que hace girar el eje, el rango máximo de nivel es el rango multiplicado por
dos, es decir, el doble de la longitud del brazo para un arco de 180 desde el
nivel vacío hasta el nivel lleno, para mediciones prácticas el arco que
describa el brazo no debe sobrepasar los 60 para obtener una respuesta
lineal satisfactoria en la medición.
La conexión magnética en los flotadores puede ser de dos tipos:
Flotador magnético con cinta: El primer tipo consta de un flotador anular
que posee un imán en su interior y que se desliza alrededor de un tubo
sellado instalado en forma vertical dentro del tanque. Dentro del tubo una
pieza magnética sigue al flotador en su movimiento y mediante un cable o
varilla arrastra el indicador del instrumento situado generalmente en la parte
superior del tanque. Este método es recomendable para tanques cerrados en
donde no se pueda correr el riesgo de fugas, como por ejemplo un tanque de
gas licuado. La figura 15 muestra cómo es el flotador.
Fig. 15. Flotador magnético con cinta
Flotador magnético con indicación por color: El flotador posee en su
interior un imán y se desliza sobre una guía próxima a una pared del tanque.
En este caso la indicación se realiza mediante la rotación de pequeños
elementos magnetizables de color que el imán atrae al pasar cerca de ellos.
Si cada una de las paredes del elemento es de color diferente, entonces el
elemento que está en una posición diferente de los otros, y por tanto
mostrará otro color distinto que indicará la posición del nivel. La figura 16
mostrará este tipo de flotador.
Fig. 16. Flotador magnético con indicación por color
La conexión eléctrica consta de un flotador que está conectado a un eje
giratorio por medio de un brazo, el cual hace girar el eje de un potenciómetro
o desplaza la guía de un potenciómetro recto. Este es básicamente un
transductor eléctrico de resistencia variable, por lo que es usado
principalmente cuando se requiere ver la medición a distancia. En aparatos
de cierta sofisticación se suele sustituir el potenciómetro por algún
instrumento electrónico. La figura 9 mostrará esta conexión
La aplicación de flotadores para medición del nivel de líquido presenta
algunas ventajas y desventajas, mencionadas a continuación:
Ventajas:
Fácil instalación
Método de medición probado y confiable
No requiere calibración
Adecuado para aplicaciones en altas temperaturas (de hasta 530°C)
Adecuado para aplicaciones de altas presiones (de hasta 5000 psig)
Turbulencia y espuma en la superficie del líquido no afectan
significativamente la medición.
Desventajas:
Los depósitos de materiales sobre el flotador pueden impedir la
operación de algunos flotadores.
No son adecuadas para aplicaciones de líquidos viscosos.
Las partes móviles están sujetas a desgastes por lo que se requiere
un mantenimiento frecuente.
3. Desplazadores: La operación del desplazador se basa en el Principio de
Arquímedes, el cual establece que un cuerpo sumergido en un líquido será
empujado hacia arriba por una fuerza igual al peso del líquido que le
desplaza.
Cuando aumenta el nivel del líquido en el recipiente, el desplazador
pierde peso, dicho peso es igual al peso del líquido desplazado. Para
relacionar la pérdida de peso del desplazador con el nivel de líquido en el
recipiente, normalmente se utilizan dos tipos de mecanismos. Uno de ellos
utiliza una barra de torsión sobre la cual está soportado el desplazador. La
pérdida de peso del desplazador, por efecto del aumento del nivel en el
recipiente hace que varíe la fuerza ejercida sobre la barra de torsión, en una
señal proporcional a la variación de nivel, puede hacerse neumática o
electrónicamente.
El otro mecanismo utiliza un resorte sobre el cual está soportado el
desplazador. A medida que el desplazador pierde peso, la fuerza ejercida
sobre el resorte disminuye haciendo que este se mueva. Tal movimiento se
utiliza para producir una señal proporcional al nivel o para activar un
interruptor. La ecuación utilizada para determinar el alcance (span) de la
fuerza de flotación para nivel del líquido es:
Fb=V∗B∗Sg∗Lv
L (Ec. 3)
Donde Fb es el alcance (span) de la fuerza de flotación (en lb f o N), V es el
volumen total del desplazador (in3 o cm3), Lw es la longitud de trabajo del
desplazador (in o mm), L es la longitud total del desplazador (in o mm), B es
una constante y equivale a 0,036 lbf/in3 o 9,8E-3 N/cm3, y por último Sg es la
densidad relativa del fluido.
Difieren de los flotadores debido a que en lugar de flotar sobre la
superficie del líquido, están soportados por brazos que le permiten muy poco
movimiento vertical a medida que el nivel cambia. El uso de Desplazadores
está limitado normalmente a alcances relativamente cortos (generalmente
inferiores a 150 cm) debido al elevado costo de la cámara externa que aloja
al desplazador. Todas las mediciones de nivel que utilizan desplazadores
son de interfase, ya que la variable medida es el nivel entre dos medios que
tienen diferente densidad relativa. La magnitud del movimiento del
desplazador depende del cambio de interfase y de la diferencia de
densidades relativas entre el medio superior e inferior.
En aplicaciones de nivel de líquido, la medición se realiza a medida de
que el líquido varía sobre la longitud total del desplazador. Las longitudes
estándares de desplazadores van desde 0,3 hasta 3 metros (11,8 hasta 118
in). En aplicaciones de nivel de interfase, la medición se realiza a medida de
que el nivel de interfase entre los dos líquidos inmiscibles de distinta
densidad relativa, varía a lo largo de la longitud total del desplazador. Los
desplazadores también pueden ser utilizados para medir la densidad de
líquidos; en este caso, la medición se realizaría con el desplazador
completamente sumergido. En la figura 17 se muestra un interruptor de nivel
tipo desplazador.
Fig. 17. Interruptor de nivel tipo desplazador.
Al igual que los flotadores, los desplazadores también se utilizan en
aplicaciones de alarmas o control ON-OFF. En vez de un flotador que activa
un interruptor en respuesta a un cambio de nivel en el líquido, los
desplazadores se conectan a un resorte por medio de un cable en
suspensión, tal como se muestra en la Fig. 9. El cambio en la fuerza ejercida
sobre el resorte debido a la pérdida de peso del desplazador, activa un
interruptor, el cual a la vez activa una alarma o arranca o detiene una bomba.
También existen configuraciones de interruptores dobles o triples con los
cuales se pueden controlar más de una bomba o configurar más de un punto
de alarma.
Los sensores de nivel tipo desplazador pueden ser instalados
directamente sobre el recipiente, o en forma lateral utilizando una jaula o
cámara dentro de la cual se coloca el desplazador. Esta jaula se conecta por
medio de bridas al tanque, de manera similar como se hace con los
flotadores.
Las ventajas, desventajas y aplicaciones de los flotadores son las
siguientes:
Ventajas:
Instalación sencilla.
Principio de operación confiable y probado.
Calibración ajustable en campo.
Permite medición continua.
Capacidad para trabajar a altas presiones y temperaturas (5000
psig/540°C)
No se ven afectados por la turbulencia o por la espuma.
Desventajas:
Es afectado por depósitos de materiales sobre el desplazador.
La exactitud normalmente está limitada a ± ¼ in
No es apropiado para líquidos viscosos.
Partes móviles sujetas a desgastes.
La medición es afectada por los cambios en la densidad relativa del
fluido.
Aplicaciones:
Medición de nivel en líquidos con densidad relativa constante.
Medición de interfase líquido-líquido.
Control de bombas.
Interruptores para señal de alarma.
La figura 18 muestra alguna de las aplicaciones de los desplazadores.
Fig. 18. Algunas aplicaciones en los desplazadores.
Los desplazadores, medidores de nivel tipo burbujeador y transmisores de
presión diferencial son todos dispositivos de medición hidrostática. Cualquier
cambio en la temperatura causará que haya un cambio en la densidad
relativa del fluido; de la misma manera que los cambios en la presión afectan
a la densidad relativa del vapor sobre el líquido. Ambos resultan en una
menor precisión en la medición. La medición de nivel determina la posición
del nivel relativo a la parte superior o inferior del recipiente de
almacenamiento del fluido en proceso. Una variedad de tecnologías pueden
utilizarse, determinada por las características del fluido y sus condiciones de
proceso.
4. Instrumentos de nivel de tipo hidrostático: En este tipo de
instrumentos, el nivel se mide a través del peso que ejerce una columna de
fluido sobre el sensor de presión. La siguiente relación define la medición de
presión debido a una columna de líquido, la cual puede ser convertida a
altura de nivel sobre una línea de referencia determinada.
H= Pγ= PSg∗γ
(Ec. 4)
Donde P es la presión debido a la columna de líquido, H es la altura del nivel
y Sg es la densidad relativa del fluido. En este caso se asume que la
densidad del fluido es constante; sin embargo las variaciones de temperatura
pueden afectar considerablemente la densidad del líquido, afectando la
exactitud en la medición.
Estos instrumentos pueden utilizarse tanto en tanques abiertos como
cerrados. Sin embargo, su funcionamiento es diferente en los dos casos.
Para tanques abiertos se utiliza la presión hidrostática manométrica y para
tanques cerrados se usa una presión diferencial en las partes superior e
inferior del tanque. El rango de estos instrumentos varía entre 0 a 8 cm de
agua hasta el rango máximo del manómetro utilizado para medir la presión.
El método más común para medir nivel con estos sensores es utilizando
transmisores de diferencial de presión (D/P cell) o transmisores de presión
manométrica (gage). En los de diferencial de presión, la presión ejercida por
la columna de líquido actúa sobre una celda diferencial de presión, cuyo
movimiento es utilizado para transmitir una señal neumática o electrónica
proporcional a la altura de nivel.
Medición de nivel por presión hidrostática en tanques abiertos: en
tanques abiertos se utiliza directamente la presión hidrostática manométrica
medida en el fondo del tanque, la cual será directamente proporcional a la
presión. Existen diversos tipos de medidores por presión hidrostática en
tanques abiertos.
Medidor manométrico: Es un manómetro que está conectado directamente
a la parte inferior del tanque. La lectura del manómetro indicará directamente
la altura entre el nivel del líquido y el eje del manómetro, por lo que puede
calibrarse en unidades de nivel. A este instrumento se le acostumbra a
instalar una válvula de cierre, para poder desmontar el instrumento sin tener
que vaciar el tanque, y suele añadirse también un recipiente de decantación,
con una válvula de purga para evitar que las partículas en suspensión del
líquido lleguen al manómetro y poder eliminar regularmente las que se
acumulen en el recipiente.
Como los niveles son valores limitados, debido a mayor altura el
recipiente requerirá una resistencia mucho mayor; entonces el campo de
medida de los manómetros es bastante pequeño por lo cual se usan
generalmente sensores de tipo fuelle. Este sistema solo sirve para fluidos
relativamente limpios en tanques abiertos. La figura 19 muestra una imagen
de este instrumento.
Fig. 19. Medidor manométrico de presión hidrostática.
Medidor de membrana (caja de diafragma): Este medidor utiliza una
membrana conectada a un tubo estanco lleno de aire a un instrumento
medidor de presión. En este caso la fuerza ejercida por la columna de líquido
sobre el área de la membrana comprime al aire atrapado en el tubo con una
presión iguala a la presión ejercida por la columna de líquido. En la figura 20
se muestra este instrumento.
Fig. 20. Medidor de membrana de presión hidrostática.
El volumen de aire interno suele ser muy grande por lo cual el sistema está
limitado a distancias no mayores de 15 metros debido a la compresibilidad del aire.
Este medidor tiene una exactitud de hasta 1% y puede trabajar con temperaturas
de 60°C.
Este sistema es delicado ya que cualquier pequeña fuga de aire puede dañar la
calibración e incluso inutilizar al sistema, por lo cual no es conveniente que sea
utilizado para líquidos corrosivos.
Sistema de trampa de aire: Este sistema es similar al de la caja diafragma
abierta solo que no posee diafragma, quedando el aire del sistema de
medición atrapado simplemente por el líquido. La principal limitación de este
sistema es la posibilidad de pequeñas fugas de aire atrapado, por lo cual se
requiere aire de reposición y de una calibración periódica. La figura 21
muestra una imagen de este sistema.
Fig. 21. Sistema de trampa de aire para medición de nivel.
Medición de tipo burbujeo: Este medidor emplea un tubo sumergido en el
líquido en el cual se hace burbujear aire a través de un regulador de caudal.
La presión de aire en la tubería es equivalente a la presión hidrostática
ejercida por la columna de líquido; es decir, al nivel.
El regulador de caudal permite mantener el flujo constante a través de la
tubería sin importar el nivel. La tubería de aire suele ser de ½ pulgada con
extremo biselado para evitar la formación de burbujas.
El manómetro receptor puede colocarse hasta distancias de 300 metros.
Puede usarse otros tipos de gas además del aire, e incluso líquido como
fluido de purga si en algún caso se requiere. Este sistema es simple y da
buenos resultados, en particular en el caso de líquidos muy corrosivos o con
sólidos en suspensión. Su uso no es recomendable cuando el fluido de purga
pueda perjudicar el líquido del proceso. Tampoco es conveniente para
líquidos muy viscosos en donde se presentan dificultades para la formación
de burbujas. La figura 22 muestra una imagen acerca de este medidor.
Fig. 22. Medición de nivel con sistema de tipo burbujeo.
Medición de nivel por presión hidrostática para tanques cerrados: La
medición de nivel en tanques cerrados utilizando la presión hidrostática
puede hacerse de dos maneras:
1. Medir la presión en la parte inferior del tanque y restarle la de la parte
superior. Esto puede hacerse siempre que esta última sea constante.
2. Utilizar un medidor de presión diferencial que mide la diferencia entre
la presión de la parte superior del tanque y la parte inferior.
La segunda forma es la más utilizada, y para ello se utilizan dos tipos de
medidor de presión diferencial.
5. Métodos electrónicos para medir nivel: Las técnicas electrónicas para
medición de nivel se basan los principios de capa, conductividad y
resistencia. Estos principios pueden ser aplicados para medir niveles tanto
para líquidos, como para sólidos. La selección del principio de medición
depende del medio a ser medido, las condiciones de operación, de la
configuración del recipiente y del tipo de funcionamiento requerido (control,
alarma, indicación).
a. Sensores de nivel de tipo capacitivo: La base de este método de
medición radica en las características físicas de un condensador. La
capacitancia de un condensador depende de la separación entre los
electrodos o placas “d” de su superficie “A” y de la constante dieléctrica del
material entre las placas “E”. Estas variables se relacionan mediante la
siguiente ecuación:
C= A∗Ed (Ec. 5)
Un sensor de nivel del tipo capacitivo sirve para medir el nivel de la
mayoría de los sólidos y líquidos. El sensor está conformado por un electrodo
o probeta de capacitancia que se introduce en el tanque. El cambio en la
capacitancia producido por un aumento o disminución en el nivel del
recipiente, se mide utilizando la probeta de capacitancia, la cual está
conectada a un circuito electrónico que puede ser un interruptor de nivel para
control ON-OFF, o un transmisor para medición de nivel continuo. Si el
líquido es no conductor entonces el capacitor estará formado por la probeta
de capacitancia (electrodo primario) y la pared del tanque, las cuales
conforman las placas del capacitor. El líquido cuyo nivel desea medirse se
actúa como dieléctrico. A medida que el líquido sube entre el espacio de las
dos placas, se produce una variación en la capacitancia, la cual se monitorea
y se utiliza para dar una señal proporcional al nivel. En esta aplicación de
líquidos no conductores, la probeta de capacitancia debe estar aislada
eléctricamente del tanque. Si el líquido es no conductor, la probeta de
capacitancia o electrodo primario se aísla eléctricamente del tanque y del
líquido. Generalmente se utiliza una cubierta de teflón sobre el electrodo. En
este caso, el líquido actúa como la segunda placa del capacitor y el aislante
sobre el electrodo primario actúa como el dieléctrico.
Los problemas más comunes que se presentan en este tipo de
instalaciones son: instalación incorrecta, pérdida del aislante y falsa señal
causada por la espuma. La figura 23 muestra los componentes de un sensor
de nivel capacitivo.
Fig. 23. Componentes de un sensor capacitivo para medir nivel.
Ventajas y desventajas de los medidores tipo capacitivo:
Ventajas:
Requieren mínimo mantenimiento.
Pueden ser utilizados para medición continua o puntual.
Set Point ajustable
Compatibilidad con gran cantidad de líquidos, polvos, sólidos,
materiales conductivos y no conductivos.
Resistente a la corrosión con la probeta adecuada.
Ajustables en cualquier tipo de recipiente.
Desventajas:
Cambios en la constante dieléctrica del material. Causan errores en la
señal.
Requieren calibración en campo.
Depósito de materiales altamente conductores sobre la probeta.
Pueden afectar la exactitud y repetibilidad.
b. Sensores de nivel del tipo conductivo: Estos sensores pueden ser
utilizados para dar señales de alarma por alto y bajo nivel. Su aplicación está
limitada a líquidos altamente conductores tales como materiales a base de
agua. No pueden utilizarse en líquidos que sean inflamables o explosivos.
Es un interruptor de nivel que suministra una pequeña corriente alterna
entre dos sondas. El circuito se cierra por medio del fluido y se indica así el
nivel cuando el líquido “toca” ambas sondas. Se utiliza en mediciones
discretas. La figura 24 muestra un sensor de nivel de tipo conductivo.
Fig. 24. Sensor de nivel del tipo conductivo.
El sistema consiste en instalar electrodos en el tanque en los puntos de
detección de nivel pero aislados eléctricamente del tanque y alimentados con
una fuente de bajo voltaje. Cuando el líquido en el recipiente se pone en
contacto con el electrodo, fluye una corriente de bajo voltaje entre éste y la
pared del tanque. La resistencia eléctrica se mide utilizando un Puente de
Wheatstone. La resistencia es alta (mayor a 1 Ohm) cuando el tanque está
vacío, pero tan pronto como el líquido conductor toque la probeta, la
resistencia disminuye. Este cambio en la resistencia se amplifica y se utiliza
para operar un relé. Los sensores de nivel del tipo conductivo también
pueden aplicarse para medir el nivel de interfase entre dos líquidos, uno de
los cuales debe ser conductor. Ejemplo: interfase aceite-agua.
6. Sensores de nivel del tipo ultrasónico: En estos sensores, se mide el
tiempo empleado por el sonido en su trayecto desde un emisor hasta el
receptor. El instrumento tiene un emisor que proporciona breves impulsos
sónicos. Estos impulsos son reflejados por la superficie del material en el
recipiente y llegan de nuevo al emisor, que actúa ahora como receptor. El
tiempo transcurrido es una medida de la distancia entre el material y el
emisor-receptor. Un convertidor electrónico proporciona la medida del nivel.
El instrumento puede incluir un sensor de temperatura para compensar los
cambios en la temperatura del aire. La figura 25 muestra el principio de
funcionamiento de este tipo de sensor.
Fig. 25. Principio de funcionamiento de un sensor ultrasónico.
Para aplicaciones de nivel puntual (ON-OFF), se utilizan interruptores de
tipo intrusivo. El principio de funcionamiento de estos interruptores es
transmitir una onda ultrasónica desde un cristal piezoeléctrico a través de un
espacio de aproximadamente media pulgada hasta un cristal receptor.
Cuando este espacio de sensor se llena con el líquido, la señal se transmite.
Cuando el espacio está lleno de aire o de un vapor, la señal no se transmite.
Cuando la señal transmitida se recibe, el circuito se completa y el
amplificador entra en oscilación. Para aplicaciones de alto nivel se utiliza un
sensor especial que oscila mientras está seco. Este sensor utiliza la misma
técnica de dos cristales, pero la diferencia consiste en que cuando el líquido
comienza a cubrir el sensor, la energía ultrasónica es absorbida por el líquido
y la oscilación del sensor cesa.
Ventajas y desventajas de los sensores ultrasónicos:
Ventajas: Disponibilidad de sensores no intrusivos para evitar problemas de
corrosión y contaminación.
Medición continua y puntual.
No posee partes móviles. Menor mantenimiento.
Se utiliza para líquidos y sólidos, conductivos y no conductivos.
Desventajas:
La medición puede verse afectada por el movimiento del material en el
tanque.
La espuma del líquido puede absorber la señal transmitida.
La presencia de partículas o vapor en el aire puede interferir la señal
de sensores del tipo no intrusivo.
7. Sensores de nivel de tipo radioactivo: En este tipo de sensores, una
fuente radioactiva emite un haz de rayos, que pueden ser alfa, gamma, entre
otros, que viaja a través del tanque y de su contenido, hasta un detector
ubicado en lado opuesto. En el detector existe un contador Geiger que
produce un impulso eléctrico en respuesta a cada fotón que llega al detector.
Estos pulsos son integrados y transformados en una señal de corriente
directa proporcional a la radiación recibida en el contador. Si el nivel del
material en el envase está por debajo del haz de rayos, la radiación recibida
en el contador es mayor que cuando el material está en la trayectoria del
rayo.
Los sensores de nivel de tipo radioactivo pueden ser utilizados para medir
niveles límite o nivel continuo. Pueden ser utilizados para detectar el nivel de
casi cualquier líquido, sólido o material viscoso almacenado en un recipiente.
Todos los elementos del sensor son externos al recipiente; de modo que la
presión, el vacío, la temperatura, o materiales altamente viscosos,
corrosivos, abrasivos, o muy pesados no afecten el sistema de medición.
El material radioactivo del sensor está contenido en una doble cápsula de
acero inoxidable soldada, de modo que en ningún caso haya peligro de que
pueda escapar dicho material. Debido a que este material irradia en todas las
direcciones, se le coloca en el interior de un cabezal protector que permite la
salida de radiación por un solo lado, precisamente solo en la dirección donde
está situado el detector.
El emisor de radiación puede ser una pequeña aguja de platino-iridio que
contenga una pequeña cantidad de sales de radio. Esta es usada
principalmente cuando la fuente está montada sobre un flotador. Otro tipo de
fuente puede ser cobalto 60 de 5.5 años, el cesio 137 de 33 años y el radio
1620 de 1620 años.
Los receptores generalmente son de dos tipos:
Contador Geiger: Es un contador que emite pulsos eléctricos en proporción
a la cantidad de radiación recibida. Estos pulsos son integrados y rectificados
para producir una corriente directa que puede expresarse en términos de
nivel.
Celda de ionización de gas: Esta celda convierte la energía de radiación
gamma en una señal eléctrica. Esta posee dos electrodos separados por un
gas, el cual cuando es expuesto a radiación se ioniza originando iones
positivos que son atraídos por el electrodo negativo, generando una corriente
negativa que será proporcional al nivel. Posteriormente esta corriente debe
amplificarse para poder realizar la lectura con mayor facilidad. En este caso
se utiliza el principio de variación de la masa interpuesta pero suele hacerse
un montaje lateral al tanque. Por lo tanto en este montaje, la cantidad de
radiación que llega al a celda será función inversa al nivel interpuesto entre
fuente y detector. La figura 26 muestra la configuración de este receptor.
Fig. 26. Configuración de una celda de ionización de gas.
Ventajas y desventajas de los sensores tipo radioactivo para medición de nivel.
Ventajas:
La radiación atraviesa diversos materiales por lo cual el sistema puede
colocarse al exterior del tanque.
Se puede utilizar en líquidos corrosivos y a alta presión y temperatura.
Provee exactitud en la medición.
Alta velocidad de respuesta.
Desventajas:
Se trabaja con elementos radioactivos peligrosos, lo cual requiere
licencia.
Debe tenerse mucho cuidado en el transporte e instalación del
instrumento.
Su costo es elevado.
8. Sensores de nivel de tipo microondas: Un sensor de este tipo se
caracteriza por ser no intrusivo, El sistema de medición está formado
principalmente por un módulo electrónico de microondas, una antena
sensores adicionales (principalmente sensores de temperatura), y una
unidad local o remota de indicación. El principio de funcionamiento está
basado en el cambio de frecuencia de la señal de radar emitida hacia la
superficie del líquido. La señal reflectada por la superficie del líquido en el
recipiente tiene una frecuencia diferente a la de la señal transmitida. Esta
diferencia de frecuencia es proporcional a la distancia que existe entre el
transmisor y la superficie del líquido.
La señal de microondas es emitida por una antena la cual direcciona la
señal perpendicularmente hacia la superficie del líquido. Existen dos tipos
principales de antena: la antena parabólica y la antena tipo corneta.
Algunas aplicaciones incluyen: medición de nivel de productos de
hidrocarburos (petróleo, asfalto, químicos, gas natural licuado). También
puede medirse el nivel de sólidos. Una aplicación muy común es la medición
de tanques de techo fijo y tanques de techo flotante, en la industria petrolera
y petroquímica.
Medición de temperatura.
1. Tipos de instrumentos para medir temperaturas:
a. Termómetros de bulbo: En ese tipo de termómetros, el bulbo está
conectado por un capilar a una espiral, contiene el fluido termométrico y se
une al proceso. Al producirse un cambio de temperatura alrededor del bulbo
se origina una expansión del fluido la cual se transmite al elemento receptor
por medio del capilar metálico. El elemento receptor contiene un resorte de
Bourdon, normalmente del tipo espiral, el cual convierte la expansión del
fluido en un movimiento que es amplificado por un mecanismo de
amplificación que opera una aguja indicadora sobre una escala calibrada en
términos de temperatura. El bulbo está conformado por un tubo de metal
cilíndrico cerrado en uno de sus extremos y con un capilar insertado en el
otro extremo, tal y como se muestra en la figura 27.
Fig. 27. Configuración de un termómetro de bulbo y capilar.
El tamaño del bulbo varía considerablemente dependiendo de:
El fluido termométrico o sustancia de relleno.
El rango de temperatura a medir.
La longitud del capilar.
Para los termómetros que utilizan mercurio como fluido de trabajo se usa el
acero inoxidable ya que el mercurio tiende a amalgamarse con el cobre y sus
aleaciones.
b. Termómetros bimetálicos: Estos instrumentos se basan en el
coeficiente de dilatación térmica (β) en metales diferentes. El bimetal que
posee este termómetro está compuesto, como su nombre lo indica de dos
tiras metálicas de diferentes coeficientes de dilatación térmica, unidos
íntimamente mediante soldadura, empotrados en uno de sus extremos y libre
en el otro.
Un cambio de temperatura hace que se el extremo libre se deflecte y esta
deflexión está en relación aproximadamente lineal con la temperatura y
depende principalmente de los coeficientes de dilatación térmica.
Al bimetal se le da forma helicoidal, con un extremo unido a la estructura y
el otro libre de girar. En el extremo libre de girar se fija una aguja indicadora
que se mueve sobre una escala circular calibrada en términos de
temperatura. Cuando la temperatura cambia el bimetal se expande y el
helicoide rota en su extremo libre con lo cual la aguja indica una nueva
posición en el dial. Como el helicoide no se puede exponer directamente al
proceso, se protege con un tubo metálico conocido como termopozo.
El rango de temperaturas de los termómetros bimetálicos industriales
puede ir de -200°C a 500 °C y su exactitud, cuando se instalan
aproximadamente, puede ser de ± 1% de la amplitud del instrumento.
En la figura 28 se muestra el principio de funcionamiento de este
termómetro.
Fig. 28. Principio de funcionamiento de un termómetro bimetálico.
c. Termopares: Los termopares consisten en dos hilos metálicos de
diferentes materiales, unidos en un extremo. Esta unión constituye el punto
de medición (junta caliente). El otro extremo se llama junta fría.
El principio de funcionamiento de un termopar se fundamenta en tres
efectos: efecto Seebeck, efecto Peltier y efecto Thomson, descritos a
continuación.
Efecto Seebeck: Establece que en un circuito con dos metales diferentes A
y B, cuando las temperaturas de las uniones son diferentes, se produce una
fuerza electromotriz (f.e.m.) en el circuito. Por el Principio de la Conservación
de la Energía esta corriente debe provenir de la absorción de fuentes
externas.
Efecto Peltier: Relaciona la absorción y emisión de calor de la juntas del
termopar con la corriente del circuito. Bajo condiciones de uso se desprende
calor en la junta de medición en proporción al flujo de corriente, pero
independiente de la forma de hacer la junta, la cual puede ser fundida,
soldada o simplemente un contacto íntimo. Por lo tanto, cada junta del
termopar produce una f.e.m. Peltier cuya magnitud y dirección depende de la
temperatura. La f.e.m. Peltier difiere para diversas combinaciones de
metales. La figura 29 muestra este efecto.
Fig. 29. Efecto Peltier.
Efecto Thomson: Relaciona la fuerza electromotriz generada por un
conductor simple y homogéneo con la diferencia de temperaturas en los
extremos. Dicha fuerza electromotriz es proporcional a la temperatura y a la
diferencia de temperaturas y difiere para diferentes metales.
La medición de temperaturas con termopares se fundamenta en las leyes
de los circuitos termoeléctricos, las cuales son: La ley de los circuitos
homogéneos, la ley de los metales intermedios y la ley de las temperaturas
intermedias.
Las ventajas del uso de un termopar para la medición de temperatura son las
siguientes:
Su precisión, ya que la relación fuerza electromotriz-temperatura es
bien conocida y precisa.
Su velocidad de respuesta, que es debida a la pequeña cantidad
calorífica de la junta de prueba.
c.1. Tipos de termopares.
Termopares estandarizados por la ISA
- Tipo T: Cobre-Constantan (100% Cu → 45% Ni + 55% Cu)
- Tipo J: Hierro-Constantan (99,5% Fe → 45% Ni + 55% Fe)
- Tipo K: Cromel-Alumel (100% Cu → 90% Ni + 10% Cr → 95%
Ni + 2% Al + 1% Si)
- Tipo E: Cromel-Constantan (90% Ni + 10% Cr → 45% Ni + 55%
Cu)
- Tipo R: Platino, 13 Rodio-Platino (100% Pt → 87% Pt + 13%
Rh)
- Tipo S: Platino, 10 Rodio-Platino (100% Pt → 90% Pt + 10%
Rh)
- Tipo B: Platino, 30 Rodio-Platino, 6 Rodio (70,4% Pt + 29,6%
Rh → 93,9% Pt + 6,1% Rh)
Termopares no estandarizados
.- Tipo N: Nicrosil-Nisil (84,4% Cr + 14,2% Cr + 1,4% Si → 95,5%
Ni + 4,4% Si + 0,15% Mg)
- Tipo G: Tungsteno-Tungsteno 26 Rhenio.
- Tungsteno 5 Rhenio-Tungsteno 26 Rhenio.
- Tipo C: Tungsteno 5 Rhenio-Tungsteno 26 Rhenio.
- Tipo D: Tungsteno 3 Rhenio-Tungsteno 25 Rhenio.
Aplicaciones de los termopares:
Indicación y control de temperatura en estufas industriales.
Indicación y control de temperatura en hornos industriales.
Cuando se requiere de exactitud a temperaturas altas. También como
patrones de calibración.
Los termopares de Hierro-Constantán pueden usarse a temperaturas
mayores que el límite superior si no hay oxígeno presente que ataque al
conductor de hierro. Los termopares de Cromel-Alumel pueden emplearse a
temperaturas mayores si está presente exceso de oxígeno. Los termopares
de Cobre-Constantán están restringidos a bajas temperaturas y los de
Platino se emplean para altas temperaturas.
c.2. Termopozos: Sirven para proteger al termopar de cualquier acción
corrosiva u oxidante que se acentúe a altas temperaturas. Aún con
termopozo, la corrosión y la oxidación pueden ser tan rápidas que se
requieren fuertes reemplazos. Generalmente un termopozo se hace en la
forma de un tubo con un extremo cerrado.
La aplicación principal de estas formas es para:
Medir la temperatura de gases o aire en hornos y para tanques o
tuberías con fluidos a presión.
Uso de doble pozo cuando la corrosión es severa, especialmente a
temperaturas sobre los 1100°C (2200°F) donde se usan de platino. El
propósito del termopozo secundario es el ensamble a altas
temperaturas y la superficie del primario.
La selección del material del termopozo puede hacerse mediante tablas
de acuerdo a las características del fluido de proceso.
2. Termómetros de resistencia: Estos termómetros se fundamentan en el
cambio de la resistencia eléctrica de un metal con los cambios de
temperatura. La medida con este tipo de instrumentos depende de las
características de resistencia en función de la temperatura que son propias
del elemento sensor. Este elemento sensor consiste en un arrollamiento de
hilo muy fino del conductor adecuado, bobinado entre capas de material
aislante y protegido con un revestimiento de cerámica o vidrio. Son los más
simples y exactos y capaces de detectar hasta 0,005°C y debido a su
exactitud y simplicidad, estos se usan como patrones de calibración de otros
termómetros.
La reproducibilidad de los termómetros de resistencia está influenciada
por el desvío que se produce por un cambio indeseable de la resistencia en
un período de tiempo, lo cual afecta la curva de calibración. El máximo
desvío normalmente se experimenta a temperaturas elevadas. Para 540°C
se ha encontrado que es menor que 0,05%, que corresponde
aproximadamente a 0,25°C. La repetibilidad es menor de 0,02 Ohm, que
corresponde a 0,05°C.
La relación entre el valor de la resistencia eléctrica y el de la temperatura
está dada, para la mayoría de metales que aumentan su resistencia con la
temperatura, por la expresión:
RT=R0∗(1+a1∗T+a2∗T2+…an∗T
n)(Ec. 6)
Donde RT es la resistencia en Ohm a la temperatura T a la cual se somete el
sensor, R0 es la resistencia en Ohm cuando T = 0°C, T es la temperatura en
°C, a1, a2 y an son coeficientes de temperatura que depende del material.
3. Termistores: Estos instrumentos utilizan el mismo principio de los
termómetros de resistencia pero se fabrican con materiales semiconductores,
que tienen una conductividad eléctrica que oscila entre la de los materiales
conductores y los aislantes. La resistencia de estos instrumentos varía en
función de la temperatura en forma inversamente proporcional con un alto
coeficiente de temperatura vs. resistencia.
Estos instrumentos tienen una resistencia que puede variar mucho, de
500 Ohm a varios mega Ohm. El rango de temperatura utilizable está en el
orden de los -250 a 650 grados Celsius. Sin embargo, no suele conseguirse
un termistor con intervalos tan grandes.
4. Pirómetros de radiación: Este instrumento se fundamenta en la Ley de
Stefan Boltzmann. Para ello, posee un sensor que mide las radiaciones
térmicas en longitudes de onda que van desde 0,1µ (radiaciones ultravioleta)
hasta 12µ (radiaciones infrarrojas). Estos instrumentos están conformados
por los siguientes elementos principales:
Un sistema óptico (lente)
Un detector. Generalmente es una termopila.
Un potenciómetro (IR)
La conformación de este instrumento se muestra en la figura 30:
Fig. 30. Elementos que conforman un pirómetro de radiación.
El sistema óptico permite colocar la radiación desde el blanco y concentrarla
en el detector, el cual convierte la energía térmica en una señal eléctrica.
La selección del sistema óptico y del detector es un compromiso entre tres
factores, los cuales son:
Obtener la sensibilidad deseada a los cambios de temperatura.
Obtener la velocidad de respuesta deseada a cambios de
temperatura.
Obtener una respuesta espectral determinada.
REFERENCIAS
http://es.slideshare.net/sebastian1973/medidores-de-flujo
http://es.slideshare.net/juantelloelpotro/medidores-de-caudal
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Frank wh