sensores para otras variables de procesos

TTeeccssuupp VViirrttuu@@ll

SSSeeennnsssooorrreeesss pppaaarrraaa oootttrrraaasss vvvaaarrriiiaaabbbllleeesss dddeee ppprrroooccceeesssooosss

Copyright 2007 por TECSUP

Sensores para otras variables de procesos Tecsup Agosto 2007

Pgina 2

INDICE

1. Objetivos ............................................................................................. 3 2. Sensores de variables diversas......................................................... 3

2.1. Sensores de peso .................................................................. 3 2.2. Sensores de densidad........................................................... 7 2.3. Sensores de viscosidad......................................................... 8 2.4. Sensores de turbidez ............................................................ 9

3. Sensores de variables analticas ..................................................... 10 3.1. Sensores de acidez y alcalinidad ...................................... 10 3.2. Sensores de oxgeno disuelto ............................................ 12 3.3. Sensores de amonio ............................................................ 14 3.4. Sensores de combustin..................................................... 15

4. Otros sensores .................................................................................. 15 4.1. Conductividad elctrica..................................................... 15 4.2. Cromatografa ..................................................................... 15 4.3. Anlisis de slidos en minera .......................................... 16

Tecsup Sensores para otras variables de procesos Agosto 2007

Pgina 3

1. Objetivos Reconocer Sensores de variables diversas. Reconocer sensores de variables analticas. Desarrollar criterios para aplicaciones de procesos. Se ha presentado hasta el momento los principios de funcionamiento de las principales variables industriales. Variables tales como temperatura, nivel, presin y flujo son importantes para la realizacin de balances de masa y energa, tiles para el control de la produccin en plantas industriales, as como tambin importantes en todo proceso de modernizacin y automatizacin. Sin embargo existen otras variables en procesos industriales que tambin son importantes para aplicaciones especficas. En esta unidad se presentan los principios de medicin y las aplicaciones para este tipo de variables, las que estn agrupadas por sensores de variables diversas y sensores de variables analticas.

2. Sensores de variables diversas

Los sensores que pertenecen a esta clasificacin son aquellos que permiten realizar mediciones para el transporte de materiales, tales como los sensores de peso en las fajas transportadoras de minerales o en silos de almacenamiento de materiales. Se incluye tambin a la medicin de las propiedades de los lquidos, esto es, densidad, viscosidad y grado de turbidez. Estas mediciones son tiles en procesos de tratamiento de aguas, tanto potable como residual. Por otro lado, mediciones de viscosidad son frecuentes en la industria de alimentos, como por ejemplo en la medicin de viscosidad de la pasta para la fabricacin de chocolate. 2.1. Sensores de peso

Peso es una variable requerida para determinar el nivel de slidos en un silo, la transferencia de slidos a travs de una faja transportadora o la velocidad de descarga de un alimentador y lgicamente el peso neto del producto en si. Se define como la fuerza ejercida sobre el objeto por la gravedad. El dispositivo ms antiguo conocido para medir peso es la balaza mecnica de brazo. Otros dispositivos son la balanza pendular, la de balance con resorte y una combinacin de stos. Con el tiempo, han aparecido las denominadas celdas de carga hidrulicas, neumticas y elctricas, stas ltimas basadas principalmente en la aplicacin de galgas


Pgina 4

extensiomtricas. El tipo de aplicacin define la forma y tamao de las celdas de carga. Incluso actualmente se tienen sistemas inalmbricos para el envo de la informacin del peso medido. Para el caso de laboratorio igualmente, la tecnologa actual ha permitido el reemplazo de las balanzas mecnicas por electrnicas de gran precisin. APLICACIONES Los sensores de peso son utilizados bsicamente para mediciones analticas y para mediciones de supervisin y control de procesos. En la primera aplicacin interesa saber magnitudes de peso pequeas, como por ejemplo en los laboratorios de instalaciones industriales, tales como la los de la industria farmacutica, los de la industria qumica y los de la industria hidrometalrgica para efectos de control de calidad en los compuestos o productos finales. En el segundo caso, existen aplicaciones en las cuales se pueden hacer mediciones de peso en movimiento, como es el caso de camiones de carga. A diferencia de la mayora de los sistemas hechos para tal fin en que se requiere que le vehculo se detenga, esta tecnologa emplea varias microceldas a lo largo de la plataforma, las cuales envan informacin electrnica a una computadora para realizar la medicin.


Pgina 5

Figura 1: Celdas de carga y balanza electrnica (cortesa de AmCells).

Figura 2: Plataforma para medicin dinmica de peso (Cortesa de Davco)

Cuando se requiere un mtodo sin contacto, especialmente para el traslado de slidos por fajas transportadoras, se utiliza uno basado en la radiacin de rayos Gamma, similar al de medicin de nivel visto


Pgina 6

anteriormente. Aqu, se emiten los rayos desde una fuente hacia el material. En funcin a la cantidad de radiacin absorbida por el mismo y la velocidad de la faja, se determina el flujo del material.

Figura 3: Balanza que utiliza mtodo radiactivo (Cortesa de Thermo Measuretech)

EFECTOS DE LA TEMPERATURA Idealmente, preferiramos que la galga mida la resistencia solo como respuesta a la deformacin del objeto de prueba, pero la resistividad y la sensibilidad a la deformacin de todos los materiales sensibles a la deformacin conocidos varan con la temperatura. Por supuesto eso significa que la resistencia de la galga y el factor de galga cambiarn cuando cambia la temperatura. Este cambio en la resistencia con la temperatura para una galga instalada est en funcin de la diferencia en los coeficientes de expansin trmica entre la galga y el objeto y del coeficiente trmico de la resistencia de la aleacin de la galga. Se pueden fabricar galgas con auto compensacin de temperatura para materiales especficos procesando la aleacin sensible a la deformacin, de tal forma que tenga caractersticas de resistencia trmica que compensen los efectos del desequilibrio en los coeficientes de expansin trmica entre el medidor y el material especfico.


Pgina 7

2.2. Sensores de densidad

La densidad de un material es su peso por unidad de volumen. La gravedad especfica de un lquido es la razn entre su densidad comparada con la del agua. La forma ms simple de medir densidad de lquidos es el hidrmetro, el cual es un instrumento flotante que desplaza un volumen de lquido igual a su propio peso. Usualmente se construye de vidrio y tiene un peso en uno de sus extremos para hacer que flote verticalmente. La posicin del hidrmetro en el lquido depende de la densidad de ste. En algunos casos se puede transmitir la medicin para una lectura remota, utilizando una varilla metlica como peso, la cual acta como brazo variable de un puente de inductancia. Tambin se mide densidad de fluidos, pesando un volumen fijo de lquido con una balanza mecnica o una celda de carga. Otro mtodo, emplea un medidor tipo desplazador. Aqu, el elemento desplazador es encerrado en una cmara de un volumen fijo. Al cambio de la densidad, la fuerza sobre el desplazador vara, este a su vez mueve una barra de balance, que es el mecanismo actuador de un sistema de medicin neumtico o elctrico. Al emplear transmisores de presin diferencial para medicin de densidad, ya sea en tanques abiertos o cerrados, la presin hidrosttica sensada de un volumen fijo, es funcin de la densidad del mismo. El mtodo de burbujeo tambin se utiliza para medir no slo densidad sino tambin gravedad especfica, si como en el caso anterior, se mantiene un volumen constante de lquido. En algunos casos, cuando el lquido no permite el uso de sensores debido a la corrosin, abrasin u otra limitacin, los sistemas radiactivos son los adecuados; se coloca una fuente radiactiva a un lado del reservorio y un detector radiactivo en lado opuesto. La cantidad de radiacin absorbida por cualquier material vara directamente con su densidad. La medicin de densidad en gases es importante sobre todo en las industrias petroqumicas. Una forma de hacerlo es usando un densmetro con una sonda. El dispositivo contiene una membrana que oscila con el paso del fluido del proceso. Cualquier variacin en la densidad del gas origina que la frecuencia de oscilacin tambin lo haga en forma inversa. La seal es luego amplificada y estandariza para poder ser transmitida.


Pgina 8

Figura 4: Medicin de densidad por mtodo radiactivo (cortesa de

Thermo Measurement).

2.3. Sensores de viscosidad

La viscosidad de un fluido expresa su resistencia al flujo. Cuando esta es medida, se debe conocer la naturaleza del fluido ya que en algunos casos la viscosidad vara con la temperatura o por el flujo del fluido. Se define como la resistencia que ofrece un fluido al movimiento entre dos placas paralelas separadas por una distancia unidad, una fija y otra mvil que se mueve con la unidad de velocidad. Su unidad en el sistema CGS es el poise (representa 1 dina.segundo/cm2). Sin embargo es muy comn emplear el centipoise (cp) equivalente a 0,01 poise. Como referencia, el agua a 20 C tiene una viscosidad de 1 centipoise. Dentro de los diversos tipos de medidores de viscosidad los ms sencillos son los de bola o de pistn. En el primero, se mide el tiempo requerido por una bola en caer cierta distancia dentro del lquido medido; el tiempo es proporcional a la viscosidad, emplean un rotmetro. Este viscosmetro se utiliza bsicamente para fluidos de baja viscosidad, como en la industria de aceites y lubricantes, pinturas y barnices, etc. En el caso de los medidores de pistn, se mide el tiempo que toma el mismo para caer cierta distancia en un cilindro conteniendo la muestra del lquido. Los dispositivos de este tipo, emplean un mecanismo que automticamente elevan el pistn luego de cada cada. Otras formas de medicin emplean una paleta vibratoria en forma de U o una sonda de ultrasonido.


Pgina 9

Figura 5: Viscosmetro de cada de bola (Cortesa Quantotec, Inc).

Para aplicaciones de medicin on line se utilizan viscosmetros rotacionales, como los mostrados en la Figura 6, para aplicaciones de medicin de baja, mediana y alta viscosidad (desde 15 a 200 000 cP). Otras formas de medicin emplean una paleta vibratoria en forma de U o una sonda de ultrasonido.

Figura 6: Sensor de viscosidad (Cortesa de Brookfield, Inc.).

2.4. Sensores de turbidez

La medicin de turbidez se basa en la falta de transparencia de una muestra de agua debido a la presencia de partculas extraas. Se utiliza para determinar el grado de penetracin de la luz en el agua y permite interpretar conjuntamente con la luz solar recibida y la cantidad de oxgeno disuelto, el aumento o disminucin del material suspendido en el agua. La turbidez est expresada en unidades arbitrarias determinadas empricamente con un turbidmetro patrn. El principio de medicin se realiza bsicamente de dos formas. La primera, en base a luz reflejada en donde una


Pgina 10

fuente de luz emite un haz tal que un sistema de lentes enfoca en una muestra de agua y un sensor fotoelctrico capta la luz reflejada proporcionando una corriente proporcional a la concentracin de slidos en suspensin. La segunda, en donde la lmpara y la clula estn situadas una frente a la otra y en medio la muestra de agua que las separa, en donde la idea es medir la absorcin de la luz por los slidos en suspensin.

Figura 7: Sensor de turbidez embutido en caja de inmersin y conectado al transmisor (Cortesa de Endress+Hauser).

3. Sensores de variables analticas

Los procesos de produccin continua involucran la conversin de materias primas o la combinacin de varios ingredientes para lograr un producto final. El poder medir y controlar las propiedades fsicas y qumicas de los ingredientes de un producto es esencial para lograr una calidad satisfactoria del mismo. Esto se logra con instrumentos llamados analizadores. Existen muchos de estos dispositivos, que en algunos casos requieren complicados sistemas de muestreo y sensores especiales; aqu discutiremos brevemente la medicin de slo algunas propiedades fsicas y qumicas. 3.1. Sensores de acidez y alcalinidad

La medida de estas variables es frecuentemente de gran importancia en procesos industriales. La escala de medicin es denominada de pH. Esta escala est basada en la concentracin de iones de hidrgeno en cierto volumen


Pgina 11

de solucin. En esta, el agua pura tiene un valor de 7. Un cido fuerte tiene el valor de 1 y una base fuerte (alcalina) el de 14, siendo 7 el valor correspondiente al agua pura. En general en la prctica se habla de la concentracin de iones de hidrgeno como correspondientes a un pH dado cuando realmente se refiere a una concentracin efectiva. La medicin de pH requiere de dos electrodos diseados especficamente. Uno de ellos produce un cambio de voltaje (fem) cuando cambio el pH de una solucin en la que est inmerso. El otro electrodo, mantiene un voltaje constante (fem) al estar sumergido en una solucin de referencia. Usualmente, ambos elementos se combinan en un solo electrodo. Debido a que la temperatura del fluido afecta a la medida del pH, se incluye un sensor de temperatura para que el sistema de medicin compense estos cambios. Se pueden encontrar analizadores continuos de pH en prcticamente cualquier industria que usa el agua en sus procesos. Las aplicaciones van desde el tratamiento de aguas industriales hasta el control de pH en procesos de flotacin para la minera. Muchas aplicaciones de pH se pueden encontrar en la industria de pulpa y papel, en el campo de los metales y tratamiento de metales, el el refinamiento del petrleo, manufactura de caucho sinttico, plantas de generacin de energa, farmacuticas, produccin de fertilizantes qumicos y un gran espectro en la industria qumica.

Figura 8: Electrodo de pH (cortesa de Thermo Russell).


Pgina 12

EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE EL NIVEL DE PH La disociacin inica es dependiente de la temperatura, teniendo cada solucin una caracterstica temperatura pH especfica. Esto significa que los cambios de temperatura generan cambios en el pH de las soluciones. Este cambio es real y no debe ser considerado como un error. Por lo general este hecho pasa desapercibido y genera mucho desconcierto cuando se compara el nivel de pH de un fluido de proceso, cuya lectura ha sido tomada en lnea a determinada temperatura, y cuando una muestra de esta misma solucin es analizada en laboratorio, pero a una temperatura diferente. En este caso, es conveniente que la temperatura sea la misma, ya que no podemos hablar de ningn tipo de compensacin para estas mediciones comparativas, dado que la solucin de proceso no presenta una caracterstica temperatura pH especfica.

3.2. Sensores de oxgeno disuelto En procesos de monitoreo y tratamiento de agua potable y de aguas residuales e incluso en la crianza de peces, es importante determinar la cantidad de oxgeno disuelto, esto es, de determinar la cantidad de oxgeno libre en el agua que no se encuentra combinado con hidrgeno y no con los slidos existente en el agua. Son los sensores de oxgeno disuelto que nos aportan esta informacin. Podemos encontrar bsicamente dos principios de medicin. El primero de ellos utilizados para mediciones en lnea (continuas), basado en efectos pticos. El segundo, basado en tecnologas de membranas, usado en aplicaciones de estabilidad garantizada, como las que exige la industria farmacutica. Los sensores basados en efectos pticos utilizan molculas sensibles al oxgeno (denominados marcadores), las que estn integradas en una capa activa ptica (capa fluorescente) y que est en contacto con el medio. Un sensor ptico es sumergido en el medio y es dirigido al retorno de la capa fluorescente. En este principio de medicin el sensor ptico emite pulsos de un color dado y seguidamente recibe la respuesta de los marcadores ubicados en la capa fluorescente. La duracin y la intensidad de las seales de respuesta dependern directamente del contenido de oxigeno. Por ejemplo, si la


Pgina 13

duracin y la intensidad son largas e intensas significar que es un medio libre de oxgeno. Lo contrario ocurre en medios en presencia de oxgeno, en donde las seales sern cortas y de menor intensidad. Como resultado el sensor proporciona una seal en proporcin a la concentracin de oxgeno del medio, que adems deben tener compensacin de temperatura y presin. En la siguiente Figura podemos apreciar un sensor de oxgeno disuelto basado en sensor ptico.

Figura 9: Sensor de oxgeno disuelto ptico conectada al transmisor

(Cortesa de Endress+Hauser).

El segundo, basado en tecnologas de membranas, transporta el fluido a ser analizado hacia unas membranas permeables solamente a gases disueltos. Cuando el sensor es conectado a un transmisor, un voltaje externo es aplicado entre nodo y ctodo. La intensidad de corriente resultante entre nodo y ctodo es proporcional al contenido de oxgeno en el medio de medicin, corriente que es convertida en el instrumento de medicin para indicar un valor de concentracin de oxgeno, por ejemplo en mg/l.

Figura 10: Sensor de Oxgeno Disuelto de membranas conectada al transmisor (Cortesa de Endress+Hauser)


Pgina 14

3.3. Sensores de amonio La medicin de amonio es de crucial importancia en la purificacin de aguas residuales, debido a que nos dar una indicacin de la cantidad de nitrgeno presente en el agua, nutriente el cual se desea reducir. El amonio es ciertamente una forma ionizada de nitrgeno (NH+4), cuyas concentraciones son medidas por varios mtodos. Nos vamos a referir en esta parte a las concentraciones de amonio basados en electrodos selectivos de iones (denominados electrodos ISE). Dentro de un sensor tipo ISE se encuentra sumergido un electrodo de referencia en una solucin de concentracin fija de iones amonio. Tanto la solucin de referencia como el medio que se quiere medir son separados por una membrana que contiene un compuesto qumico que reacciona selectivamente con los iones amonio. El pase de los iones amonio a travs de la membrana proporciona un potencial elctrico medible el cual vara de acuerdo a la concentracin de iones amonio y que es medido usando un segundo electrodo de referencia. Dentro de las aplicaciones a la medicin de amonio se pueden citar al monitoreo de amonio en piscigranjas, en el tratamiento de aguas residuales domsticas e industriales y en el monitoreo del nivel de nutrientes en los cuerpos de agua (lagunas, ros y ocanos).

Figura 11: Sonda de medicin de amonio, sonda de referencia y transmisor (Cortesa de WTW Inc.).


Pgina 15

3.4. Sensores de combustin Para monitorear apropiadamente la eficiencia de combustin de un caldero, se debe analizar el flujo de gas antes de dejar la chimenea. Esto incluso con fines de controlar la polucin del aire. Los productos de una combustin completa son adems del calor, el dixido de carbn y el vapor de agua. Cuando hay sulfuro en el combustible, el dixido de sulfuro es tambin un producto de la combustin. Si se detecta monxido de carbn, entonces dicha combustin es incompleta.

4. Otros sensores

4.1. Conductividad elctrica La medicin de pH, como se ha descrito anteriormente, concierne a la concentracin de iones de hidrgeno en una solucin. Todos los iones de una solucin, sin embargo, afectan su habilidad para permitir el paso de la corriente elctrica; la medicin de esta habilidad es la conductividad. Se puede medir esta variable, sumergiendo un par de electrodos de rea conocida, separados cierta distancia y midiendo luego la resistencia entre ambos. La unidad de medida, el mho, representa la habilidad de un centmetro cbico de una sustancia de pasar un amperio de corriente a un voltio de potencial. La celda de conductividad puede ser usada con un puente ac; el circuito usa una resistencia para compensar las variaciones de temperatura en la solucin.

4.2. Cromatografa Es el nombre dado al mtodo de anlisis que permite una medida continua de la cantidad de cada constituyente en un vapor complejo o mezcla gaseosa. El mtodo envuelve la combinacin de una muestra del gas con un gas portador y pasar la combinacin de gases a travs de una columna, que es hecha de tubera metlica y llenada con un absorbente tal como aluminio, gel de slica o carbn activado. El efecto de movimiento de los gases a travs de la columna es la separacin de los constituyentes del gas muestra; cada constituyente viaja la diferente velocidad, debido a que cada uno de ellos es retenido por un periodo de tiempo diferente por la columna absorbente. El gas portador, que fuerza al de prueba hacia la columna, emerge de la misma continuamente, tal que los


Pgina 16

constituyentes realmente dejan la columna combinadas con el gas portador; los ms comunes gases portadores son el hielo, nitrgeno, aire o hidrgeno. Una muestra tpica de gas puede contener constituyentes como etano, propano, acetileno, butano, pentano, entre otros. El uso de cromatgrafos ha crecido considerablemente en los ltimos aos. Adicionalmente, la sofisticacin de los equipos actuales permite no slo funciones de medicin de varias muestras sino tambin de registro, transmisin y control. El empleo de microprocesadores ha permitido gran flexibilidad en cromatgrafos basados en tecnologa digital, pues permiten conectarse con sistemas computarizados con todas las ventajas que ello involucra.

4.3. Anlisis de slidos en minera La industria minera utiliza analizadores basados en fluorescencia con rayos X para analizar algunos elementos en una pulpa de flotacin. Comnmente son analizados elementos tales como cromo, manganeso, hierro, cobalto, cobre, zinc y plomo.

Figura 12: Anlisis de muestras con rayos X.

Como fuente primaria de radiacin se utilizan tubos de rayos X o fuentes de radioistopos, aunque por razones de proteccin del medio ambiente se prefieren los primeros. Tpicamente el sistema consiste de (1) un sistema de muestreo que bombea las pulpas al analizador, un espectrmetro que mide los elementos de cada muestra, un generador de rayos X y un sistema de enfriamiento por


Pgina 17

agua. Los sistemas modernos incluyen tambin un equipamiento de procesamiento de datos. Un flujo continuo de muestreo es tomado de cada pulpa de proceso a ser analizada. El flujo final de muestreo es obtenido luego de muestrear en dos o tres etapas, dependiendo de la cantidad de flujo de proceso. Cada muestreo de pulpa fluye hacia una celda separada en el analizador. Las intensidades de radiacin medidas dan toda la informacin requerida para computar los contenidos reales. Un dispositivo de temporizado determina el tiempo de medicin para cada muestra de pulpa. El anlisis o monitoreo en lnea del tamao de partcula (PSM) es tambin otra operacin importante en una planta concentradora de mineral para propsitos de control del proceso. Esta se realiza en la etapa de chancado y se emplea para tal fin un sensor ultrasnico. Hay dos pares de transductores ultrasnicos, cada uno con un transmisor y un receptor. En el transmisor, las seales elctricas de alta frecuencia son convertidas en energa ultrasnica que la cual viaja atravesando la pulpa entre el transmisor y el receptor. En el receptor, dicha energa es convertida nuevamente en seales de alta frecuencia y luego tratada para fines de ser utilizada como seal estndar de instrumentacin. La cantidad de energa detectada a travs de la pulpa llega en la forma de dos seales correspondientes al tamao de partcula y porcentaje de slidos. La comparacin electrnica de estas dos seales da una salida que vara solamente en funcin al tamao de partcula y es independiente de los cambios del porcentaje de partcula.

sensores para otras variables de procesos

Documents