INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y CONTROL

Prof. Nelson Alcázar

Realizado por:Antequera CarolinaYovera MarianaRamos Ricardo Tirado YuleidySeccion:002 Ing. Petroquímica

República Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la Defensa

núcleo Carabobo- extensión Isabelica

Asignatura: Instrumentación y Control

INSTRUMENTOS

MECÁNICOSManómetros Columnas de líquidos

MANÓMETROS DE PRESIÓN ABSOLUTA

Manómetros de presión para determinar la presión absoluta, el vacío o la presión diferencial. encontrará manómetros de presión para aire y líquidos, así como aparatos seguros y con protección del exterior. Todos los aparatos están dirigidos por un microprocesador y garantizan alta precisión y fiabilidad. Su breve tiempo  de respuesta y su carcasa resistente al polvo y a las salpicaduras de agua hacen de estos aparatos instrumentos idóneos para el sector industrial o para investigación y desarrollo. Existen múltiples rangos de medición (encontrará el aparato apropiado para cada aplicación).

MANÓMETRO DE TUBO EN USi cada rama del manómetro se conecta a distintas fuentes de presión, el nivel del líquido aumentara en la rama a menor presión y disminuirá en la otra. La diferencia entre los niveles es función de las presiones aplicadas y del peso específica del líquido del instrumento. El área de la sección de los tubos no influyen el la diferencia de niveles. Normalmente se fija entre las dos ramas una escala graduada para facilitar las medidas.Los tubos en U de los micro manómetros se hacen con tubos en U de vidrio calibrado de precisión, un flotador metálico en una de las ramas y un carrete de inducción para señalar la posición del flotador. Un indicador electrónico potencio métrico puede señalar cambios de presión hasta de 0.01 mm de columna de agua. Estos aparatos se usan solo como patrones de laboratorio. 

MANÓMETRO DE TINTEROUna de las ramas de este tipo de manómetro tiene un diámetro manómetro relativamente pequeño; la otra es un deposito. El área de la sección recta del deposito puede ser hasta 1500 veces mayor que la de la rema manómetro, con lo que el nivel del deposito no oscila de manera apreciable con la manómetro de la presión. Cuando se produce un pequeño desnivel en el depósito, se compensa mediante ajustes de la escala de la rama manómetro. Entonces las lecturas de la presión diferencial o manométrica pueden efectuarse directamente en la escala manómetro. Los barómetros de mercurio se hacen generalmente del tipo de tintero.

MANÒMETRO DE POZOEn este tipo de manómetro una de las columnas del tubo en "U" ha sido sustituida por un reservorio o pozo de gran diámetro, de forma tal que la presión diferencial es indicada únicamente por la altura del líquido en la rama no eliminada del tubo "U". Un ejemplo es mostrado en la figura 3 (a).Figura  (a) Manómetro de pozo, (b) Manómetro de tubo inclinado

MANÒMETRO DE TUBO INCLINADO

Se utiliza para mediciones de presiones diferenciales pequeñas. En este tipo de manómetro, la rama del tubo de menor diámetro esta inclinada con el objeto de obtener una escala mayor, ya que en este caso h = L sen Ø

MANÓMETRO DE TIPO CAMPANA

Este tipo de sensor es una campana invertida dentro de un recipiente que contiene un líquido sellante. La campana está parcialmente sumergida en el líquido. La señal de mayor presión se aplica sobre el interior de la campana invertida; la señal de menor presión se aplica sobre el interior del recipiente que contiene el líquido. El movimiento vertical de la campana es proporcional al diferencial de presión. Para un balance estático puede utilizarse la siguiente ecuación:Donde:Kr : Constante del resorte h : Desplazamiento de la campana A : Área del interior de la campana P2-P1 : Diferencial de presión

MANÓMETROS DE

INDUSTRIAManómetros en la Industria

MANÓMETROS DE COLUMNA Manómetros de columna para presión, vacío y presión diferencial.

Columna inclinada con tres escalas de 10 – 25 y 50 mmca. Columna en "U", escalas de 50 – 0 – 50 mmca. hasta 1500 -- 0 –

1500 mmca.Columna directa, escalas 0 / +250 mmca hasta 

0 – 1400 mmca. Líquido medidor: Silicona, tetrabromuro ó mercurio.

MANÓMETROS DE STANDARD Manómetros de muelle tubular serie standard en diámetros 40,50,63,80,100 ó 160 mm. Montaje radial, posterior, borde dorsal, borde frontal o con brida, según modelos. Material de la caja: en plástico, acero pintado de negro ó acero inoxidable. Racord – tubo en latón (según modelos). Conexiones 1/8", 1/4",1/2 " GAS, según modelos (otras bajo demanda). Rangos de 0 – 0,6 bar a 0 – 1000 bar (según modelos) para vacío, vacío / presión o presión. Precisión clase 1 ó 1,6. Ejecuciones: Llenado de glicerina, contactos eléctricos, marcas personalizadas, ... etc. (Otras, consultar).

MANÓMETROS DE BAJA PRESIÓNManómetros a cápsula, serie BAJA PRESION. En diámetros 63, 100 ó 160. Montaje radial, posterior, borde dorsal o borde frontal (según modelos). Material: caja en acero pintado en negro o acero inoxidable. Racord – cápsula en latón o acero inoxidable. Conexiones 1/4",1/2" GAS, según modelos. (Otras bajo demanda). Rangos de 0 – 2,5 mbar a 0 – 600 mbar (según modelos), para vacío, vacío / presión o presión. Precisión clase 1,6. Otras ejecuciones, consultar.

MANÓMETROS DIGITALES Manómetros digitales con sensor integrado o independiente. Rangos de 0 – 30 mbar a 0 – 2000 bar ó –1+2 bar a –1 +20 bar. Precisiones del ± 0,2 %, ± 0,1 % ó 0,05% sobre el fondo de escala. Opciones con selección de unidades, valor máximo y mínimo, tiempo de funcionamiento, puesta a cero, salida vía RS232 para volcado de datos y software.

INSTRUMENTOS ELÁSTICOS

TUBO BOURDON Funcionan bajo el siguiente principio mecánico: un tubo enrollado, cerrado por un extremo, tiende a enderezarse cuando por el otro extremo del tubo se le aplica un gas o líquido bajo presión. Cuando el enrollado "Coil" se diserta correctamente y el material utilizado también es el correcto, la deformación que sufre el tubo, debido a la presión aplicada, es altamente repetitiva, pudiendo el sensor ser calibrado para producir precisiones que en muchos casos alcanzan 0,05% del span. Tal como se muestra en la figura 4, el movimiento del extremo libre del tubo Bourdon se convierte, por medio de engranajes y eslabones, en un movimiento proporcional de una aguja o una plumilla del indicador o registrador. El movimiento de tubo Bourdon también puede ser acoplado electrónicamente a un transmisor o transductor. Materiales de construcción: los tubos Bourdon pueden fabricarse de varios materiales, entre tos cuales se tiene: acero inoxidable 316 y 403, Cobre Berilio, K Monel, Monel y Bronce Fosforado. El material seleccionado determina tanto el rango como la resistencia del tubo a la corrosión. Por ejemplo, un tubo espiral de bronce es adecuado para presiones hasta 300 psig, mientras que uno de acero, puede manejar presiones de hasta 4.000 psig.

TUBO BOURDON TIPO “C”Se utilizan principalmente para indicación local en medidores de presión, que están conectados directamente sobre recipientes de proceso y tuberías.

TUBO BOURDON EN ESPIRAL Se construyen enrollando el tubo, de sección transversal plana, en una espiral de varias vueltas en vez de formar un arco de 270° como en el tipo “C”. Este arreglo da al espiral un mayor grado de movimiento por unidad de cambio en la presión si se compara con el tubo Bourdon tipo "C".

TUBO BOURDON HELICOIDAL Se construye de forma similar al tubo en espiral, pero enrollando el tubo en forma helicoidal.

FUELLES Un fuelle puede definirse como un tubo flexible, el cual cambia su longitud de acuerdo a la presión aplicada. Este cambio de longitud es mucho mayor que el que se obtendría si se utilizara un tubo Bourdon de las mismas características. En muchas aplicaciones el fuelle se expande muy poco, pero la fuerza que produce es significativa.

DIAGRAMAS El principio de operación es similar al de los fuelles, pero su construcción es diferente. El diafragma es un disco flexible generalmente con corrugaciones concéntricas, tal como se muestra en la figura  a. Los diafragmas pueden ser metálicos y no metálicos. Entre los materiales comúnmente más utilizados se encuentran: bronce, cobre-berilio, acero inoxidable, Monel, neopreno, siliconas y teflón. El diafragma puede ser utilizado independientemente como un sensor de presión, pero también es componente básico de un elemento conocido como “cápsula”. Figura .b. Una “cápsula” está formada por dos diafragmas unidos alrededor de su periferia. Existen dos tipos de cápsulas: convexas en las cuales la orientación de las corrugaciones de los dos diafragmas es opuesta; y tipo “nido” (nested) donde la orientación de las corrugaciones coincide. La cápsula de diafragma es utilizada por los transmisores neumáticos y electrónicos de diferencial de presión.

INSTRUMENTOS ELECTROMECÁNICOS Y

ELECTRÒNICOS

MEDIDORES DE ESFUERZOLos transductores de presión tipo Strain Gage proporcionan un medio conveniente y confiable para medir presión de gases y líquidos. Son especialmente adecuados para ser utilizados en sistemas viscosos y corrosivos.

TRANSDUCTORES DE PRESIÒN RESISTIVOS

Estos transductores operan bajo el principio de que un cambio en la presión produce un cambio en la resistencia del elemento sensor. Están constituidos por un elemento elástico (tubo Bourdon, fuelle, diafragma), el cual hace variar la resistencia de un potenciómetro en función de la presión. La figura 9 muestra dos tipos de transductores resistivos. En uno de ellos el elemento sensor lo constituye un fuelle y el otro un diafragma. Un tipo de transductor resistivo en el cual no se utiliza un elemento elástico como sensor.

TRANSDUCTORES DE PRESIÓN CAPACITIVOS

un sensor de presión que utiliza capacitancias en vez de resistencias como elementos del puente de Wheatstone. En este caso, el elemento sensor es un diafragma que está en contacto con la presión del proceso. Cuando la presión aplicada produce una deflexión en el diafragma, la capacitancia del elemento cambia en proporción a la presión aplicada; ya que la capacitancia es función del material dieléctrico entre las placas del capacitor y de las distancias entre las placas. Este cambio en la capacitancia produce un cambio en la señal de voltaje d.c. del circuito del puente. Esta variación de voltaje se convierte en una señal estándar de 4-20 mA.

TRANSDUCTORES DE PRESIÓN MAGNÉTICOS

Existen dos tipos, los de inductancia variable y los de reluctancia variable.- Transductores de Inductancia Variable: Utilizan una bobina con un núcleo magnético móvil. La inductancia en la bobina varía proporcionalmente según la posición que ocupe el núcleo dentro de la bobina. De este modo, variaciones de presión sobre el sensor producen cambios en la posición del núcleo, lo que a la vez origina un cambio en la inductancia (figura 12). Este tipo de sensor ha venido siendo utilizado para detectar pequeños desplazamientos de cápsulas y otros instrumentos.- Transductores de Reluctancia Variable: En este caso existe un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético. El circuito magnético se alimenta de una fuerza magnetomotriz constante, de este modo, al variar la presión en el sensor, varía la posición de la armadura produciéndose un cambio en la reluctancia y por lo tanto el flujo magnético. Los dos tipos de transductores magnéticos utilizan como sensor un elemento elástico y circuitos eléctricos constituidos por un puente de Wheatstone.

TRANSDUCTORES DE PRESIÓN PIEZOELÉCTRICOS

La piezoelectricidad se define como la producción de un potencial eléctrico debido a la presión sobre ciertas sustancias cristalinas como el cuarzo, titanato de bario, etc. En un sensor piezoeléctrico la presión aplicada sobre varios cristales producen una deformación elástica.

MEDIDORES

VERTEDERO CON FLOTADOR

VERTEDEROS consiste en un flotador ubicado en el

seno del líquido y conectado al exterior del estanque indicando directamente el nivel sobre una escala graduada. Es el modelo más antiguo y el más utilizado en estanques de gran capacidad tales como los de petróleo y gasolina. Tiene el inconveniente de que las partes móviles están expuestas al fluido y pueden romperse, además el flotador debe mantenerse limpio.

Medidor de nivel de tipo desplazamiento: consiste en un flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión unido rígidamente al estanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior al estanque. El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el ángulo de rotación de su extremo libre es directamente proporcional a la fuerza aplicada.

TURBINALos medidores de turbina tienen un rotor de aspa que puede girar libremente cuando el fluido lo empuja, entonces la velocidad de rotación de la turbina es proporcional a la velocidad del fluido. Para determinar el número de revoluciones de la turbina el medidor consta de un dispositivo captador que genera un impulso eléctrico cada vez que un álabe de la turbina pasa frente a él.Exactitud 1%Vm•El fluido debe ser limpio y poco abrasivo.•Sirve para líquidos y gases.•Variabilidad del rango 30:1•No se utiliza para control.•Genera una caída de presión apreciable, pero menor que la P.O.

MEDIDOR DE FLUJOSistema Medidor

Medidores de flujo volumétrico

Presión diferencial-Medidores conectados a tubo U o a

elementos de fuelle o diafragma

Placa Orificio

Tobera

Tubo Venturi

Tubo Pitot y Tubo Annubar

Área variable Rotámetros

Velocidad Turbina

Ultrasonido

Tensión inducida Magnético

Desplazamiento positivo Rueda oval, helicoidal

Torbellino (Vortex) Medidor de frecuencia

Fuerza Placas de impacto

Medidores de flujo másico Térmico Diferencia de temperatura en sondas de resistencia

Coriolis Tubo en vibración

MEDIDOR DE FLUJOAl aplicar el teorema de Bernoulli a una tubería horizontal con una obstrucción, como se muestra en la figura 1, se obtiene:

Considerando flujo incomprensible y continuidad

hcg2

vcg

Pchag2

vag

Pa 22

g2vcvc

gPcPa 22

vcAcvaAa

vcDdvc

AaAcva

2

2

Dd

g2

vcvcgP

222

P2Evc

41

1E

MEDIDORES DE FLUJO

MEDIDOR DE ORIFICIOExactitud 2-3%Vm

Requerimientos:Espesor aprox. 1/8”. Se utiliza en régimen turbulento Re>20000

La relación Qmax/Qmin < 3

No se deben utilizar con fluidos abrasivos o que arrastren partículas sólidas.Calibración:El parámetro se establece entre 0.2-0.7 para tuberías entre 2” y 3”.La pérdida permanente de presión es aproximadamente por Pperm=(1-2) P, y se encuentra entre (0.51-0.96)% de la P causada por el orificio. Estas pérdidas disminuyen a medida que aumenta.

Tipos de tomas:•Tomas de Esquina: Los orificios estáticos se perforan uno corriente arriba y otro corriente abajo de la brida haciendo que las aberturas queden tan cerca como sea posible de la placa orificio.•Tomas de Radio: Los orificios estáticos se localizan a un diámetro de tubería corriente arriba y a ½ diámetro de tubería corriente abajo con relación a la placa.

Tomas de Tubería: Los orificios estáticos se localizan a 2½ diámetros de tubería corriente arriba y a 8 diámetros de tubería corriente

abajo con relación a la placa. Calibración:El parámetro se establece entre 0.2-0.7 para tuberías entre 2” y 3”.La pérdida permanente de presión es aproximadamente por Pperm=(1-2) P, y se encuentra entre (0.51-0.96)% de la P causada por el orificio. Estas pérdidas disminuyen a medida que aumenta.

•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 de Vena Contracta: El orifico estático corriente arriba queda entre ½ y 2 diámetros de tubería desde la placa. La toma corriente abajo se localiza en la posición de presión mínima.

Desventajas:El coeficiente de descarga puede cambiar con el tiempo debido al desgaste y la acumulación de suciedad.Se puede obstruir y reducir el diámetro del orificio. Para evitar esto se utilizan orificios excéntricos y segméntalesVentajas:Es económico.El 50% de los medidores de caudal utilizados en la industria son P.O.

TOBERAExactitud 0.95-1.5%VmRequerimientos:Muy similar P.O, La relación Qmax/Qmin es 60% mayor que en la P.O.Calibración:El parámetro se establece entre 0.2-0.7 para tuberías entre 2” y 3”.Como la contracción es gradual, la pérdida permanente se encuentra entre (0.3-0.8)% de la P causada por el instrumentoDesventajas:Es más costosa que la P.O.Ventajas:Con respecto a la P.O.: Es menos propensa a la obstrucción por lo cual tiene un mayor tiempo de vida útil. La pérdida de presión permanente es menor.

TUBO VENTURIExactitud 0.75%VmRequerimientos:No se ve afectado por partículas sólidas o burbujas.La relación Qmax/Qmin es 60% mayor que en la P.O.Calibración:El parámetro se establece entre 0.2-0.7 5 siendo el valor más común 0.5Debido a su forma aerodinámica la pérdida permanente de presión es de alrededor del 15% de la P causada por el instrumento. Desventajas:Es mucho más costosa que la P.O.Ventajas:La pérdida permanente de presión es mucho menor que la que ocasionan el orificio y la tobera.

TUBO VENTURI VS PLACA ORIFICIOComparación entre la placa orificio y el tubo Venturi:• Una placa orificio puede sustituirse fácilmente para ajustarse a diferentes ratas de

flujo, el diámetro del Venturi es fijo entonces el rango de medición está limitado por la caída de presión causada por el Venturi.

• La placa orificio genera una gran pérdida permanente de presión debido a la presencia de remolinos aguas abajo del orificio, la forma del Venturi previene la formación de remolinos lo cual reduce enormemente la pérdida permanente de presión.

• El orificio es económico y fácil de instalar, el Venturi es costoso y debe ser cuidadosamente diseñado. Una placa orificio se puede reemplazar fácilmente mientras que un Venturi está diseñado para in

MEDIDOR DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Exactitud 1.5%Vm• No se utiliza para gases• El fluido debe ser líquido limpio y debe poseer cierta viscosidad.• Se utiliza como totalizador. En el 10% de las aplicaciones industriales• Tiene baja fricción y es de bajo mantenimiento.• Ocasiona una pérdida permanente de presión .

MEDIDORES DE ULTRASONIDOEstos medidores utilizan emisores y receptores de ultrasonido situados ya sea dentro o fuera de la tubería, son buenos para medir líquidos altamente contaminados o corrosivos, porque se instalan exteriormente a la tubería. Los medidores tienen una exactitud de ±0,5% a ± 5% y una variabilidad del rango entre 20:1 a 75:1 con escala lineal.

Medidor de ultrasonido por diferencia de tiempos.En este caso se dispone de uno o mas pares de transmisores-receptores de ultrasonido, colocados diametralmente opuestos, formando un ángulo (α) con el eje de la tubería. El principio de medición se basa en medir la diferencia en el tiempo que tarda en viajar una onda de ultrasonido aguas abajo, con respecto al tiempo que le toma en viajar aguas arriba.En los medidores de haz múltiple, se mide la velocidad del fluido en diversos planos y se obtiene un promedio.Este medidor opera con gases y líquidos, pero presenta mejor desempeño en gases.

Medidor de ultrasonido por efecto Doppler. En este caso, se proyectan ondas de ultrasonido a lo largo del fluido y se mide el corrimiento de frecuencia que experimenta la señal de retorno al reflejarse el sonido en partículas contenidas en el fluido. El método está limitado por la necesidad de partículas en suspensión como burbujas o partículas sólidas en la corriente líquida, pero permite medir algunos caudales de fluidos difíciles, tales como mezclas gas-líquido, fangos, entre otros. Tienen las ventajas de que no poseen partes móviles, no añaden caída de presión ni distorsionan el modelo del fluido. Opera con gases y líquidos.

MEDIDOR MAGNÉTICOExactitud 0.5%Vm• No es intrusivo.• Se utiliza en tuberías de diámetro grande.• Se utiliza para fluidos limpios, y sucios en flujo laminar y turbulento.• El fluido debe ser conductor eléctrico. La tubería debe ser de plástico en la sección

donde se coloca el medidor.• Requiere de altos costos de instalación y mantenimiento.

MEDIDOR TIPO VORTEX Un medidor de flujo es típicamente construido de acero inoxidable o de Hastelloy e incluye el cuerpo de choque, un sensor de vórtice y un transmisor electrónico.

Exactitud: Líquidos 0.75%Vm, gases 1%Vm•Es intrusivo•Se debe utilizar con fluidos limpios y poco abrasivos, en tuberías de diámetro entre 1y 6”.•Variabilidad del rango 15:1, 25:1.•Susceptible a vibraciones. .Operan con bajo consumo de energía y requieren de poco mantenimiento.