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7/22/2019 99649575 Medidores de Densidad Humedad y Viscosidad Cheuquian Lizama

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Medidores de Densidad, Humedad yViscosidad

Valparaíso, junio de 2011

Autores: Jonathan CheuquianSergio Lizama



Introducción

Sensores y Transductores




Sensores y Transductores.

¿Qué es un sensor?

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

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

•Generalmente, los datos o variables que se han de captar tienen un

carácter analógico, mientras que su tratamiento, almacenamiento y análisisson mucho más eficaces cuando se hace digitalmente.



Medidores de Densidad

Introducción

En mecánica de fluidos la densidad enuna propiedad de suma importancia

para determinar las características,tanto del fluido como la interacciónde este con el medio, estascaracterísticas son determinadas por los medidores, estos medidores

permiten, por ejemplo, para lamedición de la densidad de un flujo,mejorar la calidad de un producto.




¿Qué es densidad?

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

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




Otros parámetros de densidad.

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

donde Pt es la densidad relativa, P es la densidad de la sustancia, y Poes la densidad de referencia o absoluta.Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es ladel agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C.




¿cómo medir densidad en la industria?El auge de la instrumentación industrial y avance de la electrónica hanhecho posible medir esta variable en procesos industriales de diversacomplejidad de forma eficiente. Estos sistemas de medición se encuentrantanto de forma analógica como digital, por cual existe una amplia gama endisponible en el mercado.

Estos sistemas poseen diferentes métodos de medición, tales como:

Areómetros

Método de presión presión diferencial

Método de radiciónMétodo de punto de ebullición

Medidor de Ultrasonidos

Método de horquilla

Método de tubo U




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

- Método de presión diferencial.

- Método de radiación

- Método del tubo en U

Principales características:- Aerómetros consisten en un flotador lastrado en su parte inferior con unvástago superior graduado. El aparato se sumerge hasta que su peso esequilibrado por el líquido que desaloja hundiéndose tanto más, cuanto menor seala densidad del líquido.Incorporándole un transductor de inductancia variable con la armadura fija en la

parte inferior del flotador y con la bobina dispuesta en el exterior del recipiente es

posible transmitir eléctricamente a distancia la densidad.




- Método de Presión de diferencial : En este sistema se fijan dos puntos en el tanque o en una tubería vertical delproceso y se les conecta un instrumento de presióndiferencial, bien directamente o bien a través de una cámarade medida.

Como la diferencia de alturas en el líquido es fija, la única variable que altera la presión diferencial es la densidad.

- Método de radiación:El método de radiación se basa en la determinación del grado con que el líquido absorbe la radiación procedente deuna fuente de rayos gamma.

La radiación residual es medida con un contador de centelleo que suministra pulsos de tensión, cuya frecuencia es inversamente proporcional a la densidad.




- Método del t ubo en U: consiste en un tubo que tiene forma de U queincorpora una armadura rígida situada dentro del campo de una bobinaexcitadora alimentada por una corriente pulsante. La vibración que el tuboexperimenta es función de la masa del fluido contenida en el tubo y, por lotanto, de su densidad.



Medidores de Densidad Resumen de caract erísticas:




Ecuaciones que rigen su comportamientoestático y dinámico.

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

constante.Especificamente mediante el análisis del

método de presión diferencial , se

demuestra que la densidad tiene un

comportamiento lineal en relación a la presión.




- Ejemplo de Análisis. Medidor deDensidad DT301 de Smar

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

puede utilizarse en tanques o en línea,

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

retransmisión del valor de densidad o

concentración en unidades configurables

por

el

usuario

(g/cm3,

°Baumé,

°Plato,

°Brix,

etc.) en forma continua



Medidores de DensidadMedidor de Densidad DT301 de Smar

Se basa en el principio de medición de lapresión diferencial a través de dos puntosseparados por una distancia conocida y fija,puede utilizarse tanto en tanques como en

líneas. El instrumento utiliza un sensor depresión diferencial tipo capacitivo, comunicadomediante capilares con dos diafragmassumergidos en proceso, separados por unadistancia fija.

La presión diferencial sobre el sensor serádirectamente proporcional a la densidad dellíquido medido. Este valor de presióndiferencial no se ve afectado por la variaciónen el nivel de líquido ni por la presión quepudiera haber en la parte superior delrecipiente.




Medidor de Densidad DT301 de Smar

- Precisión +/- 0,0004 g/cm3 (0,1 oBrix)• Campo de medida 0,5 – 5 g/cm3• Salida directa de concentración/densidad en unidades de ingenieria

tales como gr/cm3, oBrix, oBaume, % solidos, etc.• Sensor integrado de temperatura para compensación.• Apropiado para fluidos estáticos o en circulación - Instalación entanques o en línea.• Bajo mantenimiento – sin partes móviles• Calibración en campo• Diseño compacto- Salida: 4-20 mA a dos hilos con protocolo digital HART.- Limite temperatura: Ambiente: - 40 a 85 oC

Proceso: 0 a 140oC




- Ejemplo de Diseño Medidor deDensidad DT301 de Smar

El sensor de presión usado por eltransmisor inteligente de densidad DT301es una celda capacitiva. Este sensor estaconectado como una sonda para lograr lamedición por medio de la lectura de presióndiferencial.

La figura esquematiza el sensor utilizadopor el DT301.




Diseño Medidor de Densidad DT301 de Smar HARDWARE



Medidores de DensidadDiseño Medidor de Densidad DT301 de Smar SOFTWARE



Medidores de Densidad APLICACIONES EN INDUSTRIAS PAPELERAS.- Medición de licor negro.

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

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



Medidores de Densidad APLICACIONES EN INDUSTRIAS AZUCARERAS

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

Molienda: Caldo para fabricación de azúcar, Caldo para fabricación de alcohol

(destilería) y Caldo entre los cuerpos de la molienda

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

Evaporación : Melado en la salida del evaporador, Melado entre cada etapa de

la evaporaciónCocimiento: Dilución de miel rica, pobre y final, Concentración de magma,

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

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



Medidores de Humedad




Medidores de Humedad.

Reseña histórica :

•En el año 1820, John Frederic Daniell precisa la composición

atmosférica. Inventa el higrómetro.

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




¿Qué es la humedad relativa?

La humedad relativa es la relación entre la cantidad devapor de agua contenido en el aire y la máxima cantidad

que puede contener.

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




Otros parámetros de humedad:

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

Ha = 216 * Pv / T (g/m 3)

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

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

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

ó aproximadamente He = 0.622 * Pv / P

P: es la presión atmosférica en Hpa.




¿Como medir la humedad? El gran auge de la electrónica en la industria ha llevado al desarrollo de unagran cantidad de dispositivos como los sensores en reemplazo de los métodosmecánicos utilizados en años anteriores, estos sensores se pueden encontrar desde los más básicos hasta los más complejos y costosos.

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

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




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

las principales características de cada tipo son:

•Sensores de humedad capacitivos: Son quizás los más difundidos en laindustria y meteorología pues son de fácil producción, bajos costes, y altafidelidad.




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

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




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




Las principales características del sensor son las siguientes :

• Margen de medición : 0→ 100% Hr • Salida : de 0.8 → 3.9 Vdc (Vcc =5v, 25ºC)• Tensión de salida : V0= Vcc [0,0062 × (%Hr) + 0,16]@ 25ºC• Alimentació n: 5 Vcc.




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




ººº




Medidores de humedad en la industria meteorológica.

• Estaciones Automáticas en los Centros Meteorológicos de lasGobernaciones Marítimas.

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

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




Medidores de humedad en la industria alimenticia.

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

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

•En las plantas de proceso es una gran ventaja, que el valor no varíe con la

cantidad del producto sobre el sensor o por el tamaño del grano.



Medidores de Viscosidad





Reseña histórica:

•En 1827 el ingeniero francés Claude Louis Marie Navier hizo primer intento deincluir los efectos de la viscosidad en las ecuaciones matemáticas.•En 1839 el fisiólogo francés Jean Louis Marie Poiseuille hizo los primeros

experimentos cuidadosamente documentados del rozamiento en flujos de bajavelocidad a través de tuberías.•En 1845 El matemático británico George Gabriel Stokes fue quien perfeccionólas ecuaciones básicas para los fluidos viscosos incompresibles. Actualmente selas conoce como ecuaciones de Navier-Stokes.•En 1883 el ingeniero británico Osborne Reynolds demostró la existencia de dostipos de flujo viscoso en tuberías. A velocidades bajas, las partículas del fluidosiguen las líneas de corriente (flujo laminar). A velocidades mas elevadas, surgenfluctuaciones en la velocidad del flujo, o remolinos (flujo turbulento).




FLUIDOS

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

-Fluidos newtonianos : son aquellos que fluyen a través de un recipientesin que se les aplique una fuerza

externa por área.-Fluidos no newtonianos : requieren un valor mínimo de para iniciar el

escurrimiento.

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




• las viscosidades se expresan en poises y centipoises.

1 poise = lg/ms= 1×10^2 centipoises=1×10^6 micropoises

=6.72x10^-2 lb/(pies)(seg)=242 lb/(pies)(hr)=2.09x10^-3 lb/ft^2




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




Los mas usados en la industria son:

•Viscosímetros capilares.•Viscosímetros rotatorios.

Viscosímetros Capilares

El diseño más simple de este tipo de modelos es elviscosímetro de Ostwald.

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




El tiempo que letoma al fluido pasar por el tubo capilar esinversamenteproporcional a ladensidad del fluido, ydirectamenteproporcional a laviscosidad dinámica




Viscosímetro rotacional




Medidores de viscosidad en la industria de pinturas

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




Medidores de viscosidad en la construcción de caminos

Debido al incremento mundial del uso de asfalto-caucho en la construcción decaminos, ha aumentado la necesidad de contar con viscosímetrosrotacionales, que se utilizan para asegurar el control y la garantía de calidadadecuados.

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