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INSTRUMENTACION INDUSTRIAL

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DIAPOSITIVASMEDIDORES DE NIVEL

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La medición de nivel puede definirse como ladeterminación de la posición de una interface queexiste entre dos medios separados por la gravedad,con respecto a una línea de referencia.

Tal interface puede existir entre un líquido y ungas, entre dos líquidos, entre un sólido granulado oun sólido fluidizado y un gas, o entre un líquido y suvapor.

Existen muchas situaciones en la industriapetrolera donde estas interfaces deben serestablecidas dentro de límites específicos, porrazones de control del proceso o de la calidad delproducto.

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MEDIDORES DE NIVEL

Hay una gran variedad de técnicas por medio de lascuales se puede medir el nivel de líquidos o sólidosen equipos de procesos.

La selección de la instrumentación adecuadadepende de la naturaleza del proceso; del grado deexactitud y control requeridos y del aspectoeconómico.

Es muy importante que el usuario conozca losdiferentes medidores disponibles, para que así;pueda hacer una selección apropiada. Acontinuación se describen los principales métodos einstrumentos utilizados en la medición de nivel.

Esta medición puede hacerse por métodos directos,por ejemplo utilizando un flotador; o por métodosindirectos, digamos midiendo la presión en elfondo de un tanque.

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MEDIDORES DE NIVEL

Los métodos directos son generalmente invasivos,es decir, implican un contacto directo del sensor conel material a medir, mientras que los métodosindirectos son típicamente no invasivos.

Estos últimos son los preferidos cuando se trabajacon materiales corrosivos, peligrosos o sometidos aaltas temperaturas o altas presiones.

Las mediciones de nivel pueden ser tambiénpuntuales o continuas, dependiendo,respectivamente, de si la detección de la interface serealiza en puntos específicos o a través de todas lasposiciones posibles dentro de un rango dado.

La detección puntual es la requerida, por ejemplo,para marcar los límites inferior y superior dellenado de un tanque y alertar así cuando el mismonecesita ser rellenado o se ha desbordado.

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Nivel de cinta. Consta de una cinta de acero debidamente graduada

en pulgadas con una plomada en un extremo depeso especifico, que le asegura que penetre el liquidosin importar la viscosidad del mismo y en el otroextremo de la cinta se ubica una polea que hacedescender y ascender la plomada dentro del tanque,la cinta se almacena convenientemente en uncarrete.

Se utiliza ampliamente para la medición de nivel entanques que almacenan crudos o productossimilares.

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Nivel de cinta.

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NIVEL EN LÍQUIDOS – MEDIDAS CONTINUAS Nivel de vidrio (LG). Consta de un tubo de vidrio soportado sobre dos válvulas

de cierre hermético, las cuales vienen provistas con sellos en donde se acopla el tubo. Este sistema opera por vasos comunicantes.

El ensamblaje tiene integrado dos guardas (varillas) metálicas dispuestas paralelamente al tubo para protegerlo o algunas veces viene cubierto con un plástico transparente.

Se utiliza normalmente en sistemas de proceso por debajo de 600 PSI a baja temperatura y que maneje fluidos no peligrosos.

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Nivel de vidrio (LG).

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Nivel de vidrio (LG).

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Es un instrumento de nivel de desplazamiento donde unflotador está parcialmente sumergido en el líquido. Elpeso del flotador es generalmente ajustado por pesasinternas o contrapesas externas para mantenerlosumergido hasta su parte central y obtener así unamáxima fuerza de operación, en un liquido de unagravedad especifica dada. La flotación del pesopermanece constante o sea que el flotador subirá obajará la misma cantidad de acuerdo a los cambios denivel. Para todos los propósitos, la posición del flotadores una indicación directa de nivel. Se divide en tres (3)grupos:

Flotadores directos operando transmisores ycontroladores, dispositivos de control o válvulas decontrol.

Flotadores tipo cinta. Flotadores tipo switches.

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NIVEL EN LÍQUIDOS – TIPO FLOTADOR Flotador operando válvula de control. Los instrumentos de nivel con flotador y palanca, son

operados en este caso controlan el nivel en un recipienteempleando generalmente una boya cilíndrica montadaen el extremo de una palanca pivoteada en un puntolocalizado en uno de los lados del recipiente.

El sistema actúa por un juego de articulaciones oengranajes acoplados con la palanca. El flotador puedeextenderse directamente hacia el nivel o hacia unacámara especialmente diseñada para tenersimultáneamente el mismo nivel del recipiente.

Cuando estos instrumentos se quieren usar como transmisores o controladores, están provistos de una válvula piloto de aire a presión, operada por el mismo sistema de la palanca. La salida regulada del piloto va a la válvula de control respectiva. 12

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Flotador operando válvula de control.

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Ventajas Construcción rígida y sencilla. Resistente a la corrosión. Funciona adecuadamente con fluidos turbulentos.

Limitaciones Muy alta histéresis y banda muerta. Requieren un conjunto de empaquetadura. En un margen grande, un cambio de nivel pequeño

no es representativo. Algunas veces presenta dificultades su instalación.

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Flotador tipo cinta. (medida continua) Estos son usados en tanques de mucha altura donde

resulta inconveniente hacer las medicionesmanualmente.

Consta esencialmente de un cable (o cadena) de la cualpende un flotador que va sobre la superficie del fluido.El cable sigue hacia la parte superior del tanque donderueda sobre un equipo de poleas, y baja a un lado de lacara exterior, guiado por una pesa. Esta hace surecorrido sobre una escala graduada en las unidades denivel o volumen, deseadas.

Tienen el cero marcado en la parte superior y el margenmáximo (lectura de máximo nivel), en la parte interior.

Cuando el nivel de fluido cambia, el flotador sube o bajay la pesa de balance indicara el nivel del tanque sobre laescala. 15

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Flotador tipo switch. (medida puntual) Como su nombre lo indica un flotador switch lee

cambios de nivel, en algún punto de su rango actúaun switch de mercurio o microswitch magnético.

En el switch magnético (el mas usado), elinterruptor descansa sobre un brazo al cual tambiénse le halla acoplado un imán.

Cuando la parte superior del eje del flotador subepor la camisa central entra al campo magnético delimán, en el cual actúa un interruptor, produciendode esta forma una señal eléctrica de alarma o decorte.

Cuando el nivel desciende, la parte superior del ejedel flotador queda fuera del campo magnético, bajapor gravedad, y el interruptor retorna a la posiciónnormal por la acción de un resorte.

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Ventajas Es compacto. Puede operar sobre un amplio rango de temperatura Costo moderado No requiere conjunto de empaquetadura.

Limitaciones Opera satisfactoriamente con líquidos limpios, no

adecuada para líquidos viscosos, fluidos con sólidosen suspensión o que trate de adherirse a las paredesde la cámara.

No adecuado para usar con fluidos turbulentos. Ajustes complejos con márgenes angostas.

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Este medidor de nivel se basa en el principio deArquímedes:

“Todo cuerpo sumergido en un fluido experimentauna fuerza de empuje vertical hacia arriba igual alpeso del fluido desalojado”

Consiste en cuerpo inmerso, conocido comodesplazador, en el líquido y conectado mediante unbrazo a un tubo de torsión y unido rígidamente alrecipiente.

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MEDIDOR TIPO DESPLAZADOR


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Dentro del tubo y unido a su extremo libre seencuentra una varilla que transmite el movimientode giro a un transmisor exterior.

El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmenteporque el ángulo de rotación de su extremo libre esdirectamente proporcional a la fuerza aplicada.

Al aumentar el nivel, el líquido ejerce un empujesobre el desplazador igual al volumen de la partesumergida multiplicada por la densidad del líquido,tendiendo a neutralizar su peso propio, así que elesfuerzo medido por el tubo de torsión será muypequeño. Por el contrario, al bajar el nivel, menorparte del desplazador queda sumergida, y la fuerzade empuje hacia arriba disminuye, resultando unamayor torsión.

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MEDIDOR TIPO DESPLAZADOR

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Características del desplazador La exactitud es del orden de ± 0,5 % a ± 1 % . El instrumento puede utilizarse en tanques abiertos

y cerrados a presión o a vacío, tiene una buenasensitividad pero presenta el inconveniente delriesgo de depósitos de sólidos o de crecimiento decristales en el flotador que afectan a la exactitud dela medida y es apto sólo para la medida de pequeñasdiferencias de nivel (2000 mm máximo comoestándar).

La caja del desplazador se construye de hierro oacero al carbón. La barra de torsión de K-monelcomo estándar. El desplazador esta construido deacero inoxidable 316. 23

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NIVEL EN LÍQUIDOS – TIPO DESPLAZADOR

La presión de trabajo es hasta 40 Kg/cm2 y 450ºC de temperatura. Sus conexiones pueden ser de 1 ½” roscadas o de 2” bridadas.

Se considera a este dispositivo simple, confiable y adaptable a un rango amplio de variación de nivel.

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Características del desplazador

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VENTAJAS LIMITACIONESRequiere estopero. Pesados y voluminososAdaptable a diferentes densidades de líquidos.

No puede ser usado en lodos o en fluidos cubrientes

Numerosos materiales de construcción para proporcionarresistencia a la corrosión.

Inadecuado para usarse confluidos turbulentos

Buena exactitud. Debe mantenerse sumergidoConvenientes para fluidos condensables.Fácil instalaciónInsensible a la presión del recipiente.Adecuados para la medición de interfaces.

Consiste en un manómetro conectado directamentea la parte inferior del tanque. El manómetro mide lapresión debida a la altura de líquido h que existeentre el nivel del estanque y el eje del instrumento.

Como las alturas son limitadas, el rango de medidaes bastante pequeño, de modo que el manómetroutilizado tiene un elemento de medida del tipofuelle.

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NIVEL EN LÍQUIDOS – TIPO MANOMÉTRICO

Este es uno de los métodos mas antiguos en el que tubo (sumergido en el deposito hasta el nivel mínimo) se encuentra conectado a una fuente de gas con presión suficiente para vencer la presión hidrostática generada por la columna de líquido, hasta producir una corriente continua de burbujas. La presión requerida para producir el flujo continuo de burbujas es la presión hidrostática del líquido y conociendo la densidad del líquido se puede determinar su nivel.

Este sistema es muy ventajoso en aplicaciones con líquidos corrosivos con materiales en suspensión (el fluido no penetra en el medidor, ni en la tubería de conexión). 27

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NIVEL EN LÍQUIDOS – TIPO BURBUJEO

Los gases utilizados songeneralmente aire ehidrógeno, lo querepresenta su máximadesventaja y por esa razónson poco utilizados.

La instalación eseconómica,particularmente paraindicaciones locales oservicios limpios.

La exactitud depende delmedidor de presiónutilizado y de launiformidad de la densidaddel líquido a medir

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VENTAJAS LIMITACIONESBueno para problemas severos de corrosión

Dificultad para operarlos en recipientes a baja presión

Bajo costo No utilizado en recipientes cerrados

Buena exactitud, depende de la calidad del medidor depresión utilizado

No utilizado en recipientes a presión

Bueno para uso con lodos

Funciona bien con fluidos turbulentos


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NIVEL EN LÍQUIDOS – TIPO PRESIÓN DIF.

La exactitud de los instrumentos de presión diferencial es de ±0,5 % en los neumáticos, ± 0,2 % a ± 0,3 % en los electrónicos, y de ± 0,15 % en los “inteligentes” con señales de salida de 420 mA C.D.

Un punto importante en la especificación es el material del diafragma y debe ser el adecuado para resistir la corrosión del fluido (existen materiales de acero inoxidable 316, monel, tantalio, hastelloy B, inoxidable recubierto de teflón).

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Los sensores de capacitancia se utilizan para detectarcambios de nivel en líquidos y sólidos. se utilizan paramediciones de nivel continuo en materiales noconductores o con una baja constante dieléctrica.

Constan básicamente de unelectrodo aislado el cual, al sersumergido, forma con las paredesmetálicas del tanque un condensador.El material actúa como dieléctrico.En el caso de tanques no metálicosse utiliza un segundo electrodo comoplaca de referencia. A medida quevaría el nivel del material, cambiatambién la capacitancia del sistema. 33

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NIVEL EN LÍQUIDOS – TIPO CAPACITIVO

Al cambiar el nivel, la capacitancia cambia, un circuitoeléctrico de puente de Wheastone se desbalancea y unvoltaje de salida se produce. Este cambio es convertido,por un circuito de radiofrecuencia (RF), en una señalanáloga proporcional al nivel o en señal "todo o nada"que acciona, por ejemplo, un relé.

En el caso de un material conductor se aplica la mismalógica, excepto que el material actúa como la placa dereferencia del condensador. También es posible medirnivel por métodos capacitivos no intrusivos o de nocontacto.

En este caso, el electrodo sensor es una placa planaparalela a la superficie del material.

Si este último es conductivo, entonces actúa como laplaca de referencia del condensador, mientras que si nolo es actúa como dieléctrico, con el tanque como placa dereferencia.

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Ventajas Fácil instalación y relativo bajo costo. Opera con fluidos conductores o no. No requiere partes movibles. Uso extendido en controles abierto-cerrado. Ajustes de uso y alcance remotos son posibles. Puede usarse en servicios de alta temperatura y presión.

Limitaciones El fluido a medir debe tener características dieléctricas La sonda debe resistir la corrosión Presenta problemas con fluidos adherentes.

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Características del Medidor de nivel capacitivo

La exactitud de estos medidores es de ± 1 %. Secaracterizan por no tener partes móviles, sonligeros, presentan una buena resistencia a lacorrosión y son de fácil limpieza. Su campo demedición es prácticamente ilimitado.

Tiene el inconveniente de que la temperatura puedeafectar las constantes dieléctricas (0,1% de aumentode la constante dieléctrica/°C) y de que los posiblescontaminantes contenidos en el líquido puedanadherirse al electrodo variando su capacidad conlecturas erróneas, en particular en el caso delíquidos conductores. 36

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Otro sistema de obtener la medición de nivel consiste enuna serie de electrodos introducidos dentro del fluido, detal manera que puedan cerrar en un circuito eléctricoseparado, cuando el nivel alcanza el extremo de cada unode los electrodos en forma escalonada.

El circuito puede ser usado para iluminar una serie debombillas eléctricas o actuar cualquier mecanismo quepueda convertir las señales eléctricas en términos denivel.

En otro tipo el haz de electrodos constituye un elementoresistivo. Las variaciones en el nivel, cambian el valoróhmico del elemento.

El instrumento realmente es medidor de resistencia,pero cada valor del elemento resistivo corresponde en laescala a un nivel determinado.

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NIVEL EN LÍQUIDOS–TIPO RESISTENCIA ELÉCTRICA

El líquido debe ser lo suficientemente conductorcomo para excitar el circuito electrónico, y de estemodo el aparato puede discriminar la separaciónentre el líquido y su vapor, tal como ocurre, porejemplo, en el nivel de agua de una caldera devapor.

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La impedancia mínima es del orden de los 20 MΩ/cm, y la tensión de alimentación es alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas por causa del fenómeno de la electrólisis.

Cuando el líquido moja los electrodos se cierra el circuito electrónico y circula una corriente segura del orden de los 2 mA; el relevador electrónico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del líquido o ante cualquier perturbación momentánea o bien en su lugar se disponen dos electrodos poco separados enclavados eléctricamente en el circuito.

El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, 39

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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 estanque.

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.

La exactitud de estos instrumentos es de ± 1 a 3 %. Son adecuados para todos los tipos de estanques 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 líquido no es nítida como es el caso de un líquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos.

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NIVEL EN LÍQUIDOS–TIPO ULTRASONIDO


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La utilización de la computadora 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 lo cual se mejora la precisión de la medida.

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Problema de definir el nivel. No tiene porque existiruna superficie horizontal.

Distinto carga que descarga Se pueden usar algunos de los de líquidos y otros

específicos.

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MEDIDORES DE NIVEL EN SÓLIDOS

MEDICIONES PUNTUALES MEDICIONES CONTINUASPor lámina vibrante Medidor electromecánico – PalpadoCapacitivo PesoDe paleta rotativa Radar guiadoMembrana sensitiva RadarBarrera de microondas UltrasonidosUltrasonidos RadiometríaRadiometría

Se compone de una sonda en forma de diapasón quevibra a unos 80Hz impulsado piezoeléctricamente.

Cuando el material cubre el diapasón lasvibraciones se amortiguan, lo que produce una señalque activa un relé.

La instalación suele ser lateral y roscada a la alturadel nivel, pero también podemos encontrar sondasverticales.

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INTERRUPTOR DE NIVEL VIBRATORIO


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Consiste en un eje vertical, dotado de paletas, quegiran continuamente a baja velocidad accionado porun motor. Cuando el producto sólido llega hasta laspaletas, las inmoviliza, con lo que el soporte delmotor y la caja de engranajes empiezan a girar ensentido contrario.

En su giro, el soporte del motor actúaconsecutivamente sobre dos interruptores, elprimero excita el equipo de protección (por ejemplo,una alarma) y el segundo desconecta laalimentación eléctrica del motor con lo cual éstequeda bloqueado. Cuando el producto baja de nivel ydeja las palas al descubierto, un resorte vuelve elmotor a su posición inicial liberando los dosinterruptores.

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PALETAS ROTATIVAS (PUNTUAL)

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De este modo, el motor se excita con lo que las palasvuelven a girar, y la alarma queda desconectada.

Estos instrumentos tienen una precisión de unos 25mm y se emplean preferentemente como detectoresde nivel de materiales granulares y carbón. Puedentrabajar con materiales de muy diversa densidad yexisten modelos a prueba de explosión.

PALETAS ROTATIVAS (PUNTUAL)

Consta de una membrana acoplada a la pared delrecipiente en el punto en el que se quiere detectar elnivel.

Cuando el material llega a la altura del interruptor,presiona la membrana y actúa un conmutador.

Se usa con sólidos de granulometría media ypequeña.

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MEMBRANA SENSITIVA (PUNTUAL) Análogo al “sondeo” Miden bajo demanda del operador o de un

temporizador. Constan de un cable de medición o cinta de acero

con un peso en su extremo, movido por un motor. Al chocar el peso con la superficie del material se

anula la rigidez del cable, lo que conmuta ladirección de giro del motor ascendiendo el peso.

Durante el descenso se mide el cable desenrollado,lo que nos indica nivel.

El peso debe tener una sección suficiente para queno se hunda en el material.

Se usa para materiales sólido con granulometríahasta 3mm.

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MEDIDOR POR PALPADO – MEDIDORELECTROMECÁNICO (CONTINUA)


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MEDIDOR POR PALPADO – MEDIDORELECTROMECÁNICO (CONTINUA)

Se detecta el nivel de sólido mediante el peso Se detecta el peso de tolva + contenido Celdas de carga. Galgas extensiométricas.

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ULTRASONIDOS (PUNTUAL - CONTINUA)

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MICROONDAS (PUNTUAL - CONTINUA)

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REFERENCIAS

Curso ISA Instrumentación Básica http://www.vega.com/es/Medici%C3%B3n_de_nivel_Ul

trasonidos_VEGASON62.htm http://www.cl.endress.com/eh/sc/america/cl/es/resource

additional.nsf/imgref/Download_e_Guia_seleccion_nivel.pdf/$FILE/e_Guia_seleccion_nivel.pdf

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instrumentacion industrials09e85a3b31fd5e07.jimcontent.com/download/version/1400204078/module... ·...

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