unidad 2: sensores y transmisores

5/25/2018 Unidad 2: sensores y transmisores

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2.1 MEDICIN DE PRESIN.

La presin se define como la fuerza ejercida sobre una superficie por unidad de rea.En ingeniera, el trmino presin se restringe generalmente a la fuerza ejercida por un

fluido por unidad de rea de la misma superficie que lo encierra. De esta manera, lapresin P de una fuerza F distribuida entre un rea A se define:

Existen muchas razones por las cuales en un sistema determinado proceso se debemedir presin. Entre estos se tienen:

a. Calidad del producto: la cual frecuentemente depende de ciertas presiones quese deben mantener en proceso.

b. Por seguridad: como por ejemplo, en recipientes presurizados donde la presinno debe exceder en un valor mximo dado por las especificaciones del diseo.

c. En aplicaciones de medicin de nivel.d. En aplicaciones de medicin de flujo.

Variable presin

Tpicamente se realizan tres tipos de medicin de presin, presin absoluta, presinrelativa y presin diferencial.

a. Presin absoluta. La presin absoluta, es la presin que representa ladiferencia de presin en el punto de mediacin y el vaco donde la presin escero.

b. Presin relativa. La presin relativa es la diferencia de presin entre dospuntos, uno de los cuales funciona como referencia.

c. Presin atmosfrica. Se conoce como presin atmosfrica a la presin ejercidapor la atmsfera terrestre medida mediante un barmetro.

Temperatura

NivelFlujo


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d. Vaco. Se conoce como vaco a la diferencia de presiones atmosfricas y lapresin absoluta, es decir, la presin medida por debajo de la atmsfera.

En el sistema Internacional de Unidades, la unidad de medida de presin es el Pascal(Pa), que se define como la fuerza ejercida por un Newton (N) sobre un rea de unmetro cuadrado

(m2

). O sea, Pa = N/m2

. Esta es una unidad de presin muy pequea, pero el kilopascal (KPa), 1.000 Pa, permite expresar fcilmente los rangos de presincomnmente ms usados en la industria petrolera. Otras de las unidades utilizadasson el Kilogramo por centmetro

cuadrado (Kg./cm2); libras por pulgada cuadrada (Psi); bar, y otros.

En la tabla 1 se presentan los factores de conversin entre las unidades de presinms comunes.


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Instrumentos para medicin de la presin

a. Instrumentos mecnicos

Los instrumentos mecnicos utilizados para medir presin cuyas caractersticas seresumen en la tabla 2, pueden clasificarse en:

Columnas de Lquido:

Manmetro de Presin Absoluta. Manmetro de Tubo en U. Manmetro de Pozo.Manmetro de Tubo Inclinado. Manmetro Tipo Campana.

Instrumentos Elsticos:

Tubos Bourdon. Fuelles.

Diafragmas.

b. Instrumentos electromecnicos y electrnicos

Los instrumentos electromecnicos y electrnicos utilizados para medir presinpueden clasificarse en:

Medidores de Esfuerzo (Strain Gages) Transductores de Presin ResistivosTransductores de Presin Capacitivos Transductores de Presin MagnticosTransductores de Presin Piezoelctricos

Tabla 2. Principales caractersticas de los instrumentos para medir presin.


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Descripcin de los instrumentos de medir presin

presin y vaco. Aunque algunos diseos resistentes pueden ser utilizados en campo yen lnea, los manmetros sirven en gran parte como patrones para la calibracin de

otros instrumentos de medicin de presin.a. Columnas de lquido

Estos instrumentos se conocen principalmente como Manmetros. En ellos lapresin aplicada se balancea contra una columna de lquido. La forma ms simpleconsiste de un tubo vertical sellado en un extremo, que contiene lquido; por el otroextremo se aplica la presin que se quiere medir. El lquido sube en el tubo hasta queel peso de la columna balancea la presin aplicada.

Figura 1. (a) Manmetro de presin absoluta, (b) Manmetro de tubo en U

Estos instrumentos encuentran su mayor aplicacin en laboratorios y como patrones

para calibracin de otros instrumentos de presin.El lquido utilizado depende del rango de presin a medir, pero generalmente seemplea agua, compuestos orgnicos y mercurio. A continuacin se mencionan variostipos de medidores de columnas de lquido:

Manmetro para medicin de Presin Absoluta: es simplemente un tubo en "U" que

tiene un extremo sellado y al vaco y el otro extremo abierto a la presin absoluta quese va a medir, figura 1 (a). La ecuacin que permite calcular el balance esttico delinstrumento es:

Donde:

P : Presin Absoluta. h : Diferencia de altura en los dos cuerpos del tubo. sg : Gravedad especfica del lquido.


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Manmetro de tubo en "U": se utiliza para medir presin diferencial. Consiste en un

tubo en forma de "U" lleno de lquido. En cada una de las ramas del tubo se aplica unapresin. La diferencia de altura del lquido en las dos ramas es proporcional a ladiferencia de presiones. Un esquema caracterstico puede verse en la figura 1 (b).

Manmetro dePozo: en este tipo de manmetro una de las columnas del tubo en "U"ha sido sustituida por un reservorio o pozo de gran dimetro, de forma tal que lapresin diferencial es indicada nicamente por la altura del lquido en la rama noeliminada del tubo"U". Un ejemplo es mostrado en la figura 2 (a).

A1 = rea de la pierna de dimetro menor

A2 = rea del pozo

Figura 3. (a) Manmetro de pozo, (b) Manmetro de tubo inclinado

Si la relacin de A1/A2 es pequea comparado con la unidad, entonces el error dedespreciar este trmino se hace insignificante, y se convierte en una relacin deequilibrio esttico

Manmetro de Tubo Inclinado: se utiliza para mediciones de presiones diferenciales

pequeas. En este tipo de manmetro, la rama del tubo de menor dimetro estainclinada con el objeto de obtener una escala mayor, ya que en este caso h = L sen ,figura 2 (b).


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Manmetro de Tipo Campana: este tipo de sensor es una campana invertidadentro de un recipiente que contiene un lquido sellante.

Figura. Manmetros tipo campana. (a) campana de lquido sellado. (B) Mmanomtrode presin diferencial.

La campana est parcialmente sumergida en el lquido. La seal de mayor presin seaplica sobre el interior de la campana invertida; la seal de menor presin se aplicasobre el interior del recipiente que contiene el lquido. El movimiento vertical de lacampana es proporcional al diferencial de presin. Para un balance esttico puedeutilizarse la siguiente ecuacin:

Donde:

Kr : Constante del resorte. h : Desplazamiento de la campana. A : rea del interior de la campana. P2P1 : Diferencial de presin.


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Barmetro lquido.

Barmetros.

Un simple barmetro puede ser construido a partir de un tubo de vidrio que estcerrado en un extremo y abierto en el otro. La longitud del tubo debe ser mayor que30 pulgadas (76,2cm). El tubo primero es llenado completamente de mercurio, elextremo abierto temporalmente tapado, y despus el extremo tapado es colocado enun recipiente parcialmente llenado con mercurio.

Cuando se quita el tapn, el mercurio en el tubo caer en una cierto cantidad, creandoun vaco en la parte superior del tubo. La altura de la columna, como se mide en lafigura y expresada en pulgadas o en milmetros de mercurio, ser despusproporcional a la presin atmosfrica.

Manmetro de presin absoluta.

Este tipo de medidor comprende un vidrio de tubo en U parcialmente lleno demercurio, con la parte superior de una pierna evacuado y sellada (ver figura). Lapresin a medir se aplica a la otra pierna, y h se puede leer en unidades de mercurioabsolutas.

b. Instrumentos elsticos de medicin de presin

Esta clase de sensores se remontan a los primeros aos de las tecnologas de la

energa de vapor, el aire comprimido y la hidrulica, donde los sensores de presinutilizaban alguna forma de elemento elstico cuya geometra se vea alterada porcambios en la presin.

Existen cuatro tipos de instrumentos elsticos principales utilizados para medirpresin. Ellos son:


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Tubos Bourdon. Fuelles. Diafragmas. Cpsula

Bsicamente estn diseados bajo el principio que establece la deflexin que sufre unelemento elstico que es proporcional a la presin aplicada.

Tubos Bourdon:

En la patente de su inventor 1852 E. Bourdon describi el tubo bourdon como un tubocurvado o trenzado cuya seccin de transferencia difiere de una forma circular. Enprincipio, se trata de un tubo cerrado en un extremo, con una seccin transversalinterna que no es un crculo perfecto, y, si est doblado o deformado, tiene lapropiedad de cambiar su forma con las variaciones de la presin interna. Un aumentode la presin interna provoca que la seccin transversal se vuelva ms circular y que

la forma se enderece, lo que resulta en el movimiento del extremo cerrado del tubo,un movimiento comnmente llamado desplazamiento de punta. La deformacin quesufre el tubo, debido a la presin aplicada, es altamente repetitiva, pudiendo el sensorser calibrado para producir precisiones que en muchos casos alcanzan 0,05% delspan. El movimiento del extremo libre del tubo Bourdon se convierte, por medio deengranajes y eslabones, en un movimiento proporcional de una aguja o una plumilladel indicador o registrador. El movimiento de tubo Bourdon tambin puede seracoplado electrnicamente a un transmisor o transductor . Materiales deconstruccin: los tubos Bourdon pueden fabricarse de varios materiales, entre toscuales se tiene: acero inoxidable 316 y 403, Cobre Berilio, K Monel, Monel y BronceFosforado. El material seleccionado determina tanto el rango como la resistencia del

tubo a la corrosin. Por ejemplo, un tubo espiral de bronce es adecuado parapresiones hasta 300 psig, mientras que uno de acero, puede manejar presiones dehasta 4.000 psig.

Tubo Bourdon tipo C: se utilizan principalmente para indicacin local enmedidores de presin, que estn conectados directamente sobre recipientes deproceso y tuberas.

Tubo Bourdon en Espiral: se construyen enrollando el tubo, de seccintransversal plana, en una espiral de varias vueltas en vez de formar un arco de270 como en el tipo C. Este arreglo da al espiral un mayor grado de

movimiento por unidad de cambio en la presin si se compara con el tuboBourdon tipo "C".

Tubo Bourdon Helicoidal: se construye de forma similar al tubo en espiral,pero enrollando el tubo en forma helicoidal.


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Figura. Tipos de resortes bourdon. A) tubo tipo C, b) tubo espiral, c) tubo helicoidal

Aplicaciones: los tubos Bourdon se utilizan como instrumentos de medicin directa ycomo

instrumentos de presin en ciertos tipos de controladores, transmisores yregistradores.

El tipo de Bourdon utilizado se determina principalmente por el espacio disponible enla caja del instrumento. Como una regla general, el tubo Bourdon tipo C, es el menos

sensible y el espiral es el ms sensible.

Ventajas y desventajas: entre las ventajas y desventajas de los medidores de presinde tubo Bourdon se incluyen:

Ventajas Bajo costo. Construccin simple. Cobertura de rangos bajos y altos. Una buena relacin precisin/costo. Muchos aos de experiencia en su aplicacin.

Desventajas

Prdida de precisin por debajo de 50 psig. Usualmente requieren amplificacin, la cual introduce histresis.

Fuelles: Un fuelle puede definirse como un tubo flexible, el cual cambia su longitud deacuerdo a la presin aplicada. Este cambio de longitud es mucho mayor que el que seobtendra si se utilizara un tubo Bourdon de las mismas caractersticas. Este es untubo metlico de pared delgada con paredes laterales con circunvoluciones quepermiten la expansin y contraccin axial (ver figura).


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Figura : fuelle

Aplicaciones: los fuelles se utilizan en aplicaciones de medicin de presin absoluta ymedicin de presin diferencial. Adems, son parte importante en instrumentos tales

como transmisores, controladores y registradores. Los elementos de fuelle estn bienadaptados para su uso en aplicaciones que requieren movimientos largos y fuerzasaltamente desarrolladas. Son muy adecuadas para elementos de entrada analgicapara registradores de amplio margen e indicadores y para elementos deretroalimentacin en los controladores neumticos.

Diafragmas: El principio de operacin es similar al de los fuelles, pero suconstruccin es diferente. El diafragma es un disco flexible generalmente concorrugaciones concntricas, tal como se muestra en la figura 6.a.

Los diafragmas pueden ser metlicos y no metlicos. Entre los materiales

comnmente ms utilizados se encuentran: bronce, cobreberilio, acero inoxidable,Monel, neopreno, siliconas y tefln.

Figura: diafragmas.


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Aplicaciones: los diafragmas se emplean en medicin de bajas presiones y vaco; y enmediciones de presin absoluta y diferencial.

Cpsula.

El diafragma puede ser utilizado independientemente como un sensor de presin,pero tambin es componente bsico de un elemento conocido como cpsula, figura

6.b. Una cpsula est formada por dos diafragmas unidos alrededor de su periferia.

Existen dos tipos de cpsulas: convexas en las cuales la orientacin de lascorrugaciones de los dos diafragmas es opuesta; y tipo nido (nested) donde la

orientacin de las corrugaciones coincide. La cpsula de diafragma es utilizada por lostransmisores neumticos y electrnicos de diferencial de presin.

Una cpsula est formada uniendo la periferia de dos diafragmas a travs de estaadoo soldadura. Dos o ms cpsulas pueden unirse entre s (ver figura), y por lo tanto ladeflexin

total del conjunto es igual a la suma de las desviaciones de las cpsulas individuales.Tales elementos se utilizan en algunas galgas de presin absoluta. Estasconfiguraciones tambin se utilizan en aplicaciones de aeronaves.

Figura. El uso del elemento cpsula en un manmetro.

c. Instrumentos electrnicos Sensores de fuerza o presin, transductores ytransmisores

Una desventaja comn que presentan los instrumentos mecnicos, es el mtodo

utilizado para transmitir el movimiento del elemento de medicin de presin a unindicador, tal como un puntero o una plumilla. Un eslabn mecnico, sufre dedesgaste, tiene un alto grado de histresis, lo cual limita la precisin, velocidad derespuesta y repetibilidad de la medicin. Los avances en la tecnologa electrnica handado la respuesta a este problema, sensando electrnicamente el movimiento delelemento de medicin de presin. El resultado de esto es: respuesta mucho msrpida, menor desgaste e histresis, mejor compensacin de la temperatura, y unasalida, la cul es una seal elctrica proporcional al movimiento del elemento de


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presin. Esta seal puede ser aplicada y condicionada luego para que rena losrequerimientos del sistema de control.

Hay una distincin clara entre el sensor de presin y un transductor de presin. Elsensor proporciona la base de la medicin, el transductor convierte la energa de una

forma a otra.En los instrumentos de presin completamente mecnicos descritos anteriormente,un resorte puede proporcionar la restauracin de fuerza y, por medio de vnculos y dela palanca, amplificar y transmitir el valor de sensor a un indicador, grabador, ocontrolador mecnicamente operado.

En los transductores de presin neumtica, una contrapresin de aire acta sobre eldiafragma, fuelle, bourdon, u otro elemento elstico para igualar la presin detectada(proceso). Un sistema de balance fuerza o posicin puede ser utilizado en losinstrumentos neumticos. Los transductores de corriente a presin utilizados para laoperacin del control neumtico diafragma

En los transductores electrnicos u electropticos, los valores de sensor sonconvertidos en cantidades elctricas (corriente, resistencia, capacitancia, resistencia, yalteraciones en las salidas piezoelctricas y pticos).

La invencin de la banda extensomtrica ( galga extensomtrica, strain gage) sirvi deimpulso inicial para utilizar transductores elctricos. Hay numerosas ventajas para ungran nmero de aplicaciones que derivan de una cierta forma de transduccinelectrnica. Estas unidades son muy pequeas, son fciles de integrar en las redeselctricas, y numerosas otras caractersticas electrnicas se pueden aadir a lostransductores y transmisores, incluyendo verificaciones incorporadas de lacalibracin, compensacin de temperatura, autodiagnstico, acondicionamiento deseales y otras caractersticas, que pueden ser derivadas a partir de la integracin deun microprocesador en la unidad sensortransductor transmisor.

La mayora de los instrumentos electromagnticos de presin, incorporan uno de losinstrumentos primarios de medicin de presin discutidos previamente(instrumentos elsticos). El hecho de que la energa del proceso sea transformada enuna seal elctrica, a partir de un movimiento mecnico, hace que a estosinstrumentos se les d el nombre de Transductores.

Entre estos instrumentos electromagnticos utilizados para medir presin se pueden

mencionar:

Strain Gages o Estensmetros. Transductores Resistivos. Transductores Capacitivos. Transductores Magnticos. Transductores Piezoelctricos.


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Strain Gage (tambin galgas o bandas estensomtricas): los transductores depresin tipo Strain Gage proporcionan un medio conveniente y confiable para medirpresin de gases y lquidos. Son especialmente adecuados para ser utilizados ensistemas viscosos y corrosivos.

Estos dispositivos se han utilizado ampliamente en la presin y clulas de peso decarga durante varios aos. Las galgas extensomtricas generalmente se montandirectamente sobre el sensor de presin o elemento de suma de fuerza. Pueden sersoportadas directamente por diafragmas de deteccin o unidas a resortes en voladizo,que actan como una fuerza de restauracin.

Ventajas:

Muy buena exactitud (0,1 %). No sensible a golpes y vibracin. Rango entre 10 y 10.000 psi.Excelente estabilidad.

Buena repetibilidad.

Efecto de temperatura despreciable si se compensa.Desventajas:

Limitaciones por alta temperatura. Requiere compensacin por temperatura. Requiere fuente de poder externa. Requiere conversin de seal.

Transductores resistivos: Estos transductores operan bajo el principio de que uncambio en la presin produce un cambio en la resistencia del elemento sensor. Estnconstituidos por un elemento elstico (tubo Bourdon, fuelle, diafragma), el cual hacevariar la resistencia de un potencimetro en funcin de la presin. La figura 9 muestrados tipos de transductores resistivos. En uno de ellos el elemento sensor lo constituyeun fuelle y el otro un diafragma. La figura 10 muestra un tipo de transductor resistivoen el cual no se utiliza un elemento elstico como sensor.

Figura. Transductor resistivo de temperatura


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Transductores Capacitivos: La figura muestra un sensor de presin que utilizacapacitancias en vez de resistencias como elementos del puente de Wheatstone. Eneste caso, el elemento sensor es un diafragma que est en contacto con la presin delproceso. Cuando la presin aplicada produce una deflexin en el diafragma, lacapacitancia del elemento cambia en proporcin a la presin aplicada; ya que la

capacitancia es funcin del material dielctrico entre las placas del capacitor y de lasdistancias entre las placas. Este cambio en la capacitancia produce un cambio en laseal de voltaje d.c. del circuito del puente. Esta variacin de voltaje se convierte enuna seal estndar de 420 mA.

Estos transductores pueden censar presiones bajas, se usan frecuentemente entransmisores de presin manomtrica as como diferencial y en aplicaciones demedicin de presin, flujo y nivel.

Ventajas:

Muy buenos para medir presiones bajas. Construccin rgida. No es afectado por vibracin.

Desventajas:

Sensibles a la temperatura. Se requiere electrnica adicional para producir una seal de salida estndar. Requiere fuente de poder externa.

Figura. Transductor de presin capacitivo Transductores magnticos: Existen dos tipos, los de inductancia variable y los de

reluctancia variable. Transductores de Inductancia Variable: Utilizan una bobina con un ncleomagntico mvil. La inductancia en la bobina vara proporcionalmente segn laposicin que ocupe el ncleo dentro de la bobina. De este modo, variaciones depresin sobre el sensor producen cambios en la posicin del ncleo, lo que a la vezorigina un cambio en la inductancia (figura 12). Este tipo de sensor ha venido siendoutilizado para detectar pequeos desplazamientos de cpsulas y otros instrumentos.


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Transductores de Reluctancia Variable: En este caso existe un electroimn quecrea un campo magntico dentro del cual se mueve una armadura de materialmagntico. El circuito magntico se alimenta de una fuerza magnetomotriz constante,de este modo, al variar la presin en el sensor, vara la posicin de la armaduraproducindose un cambio en la reluctancia y por lo tanto el flujo magntico. Los dos

tipos de transductores magnticos utilizan como sensor un elemento elstico ycircuitos elctricos constituidos por un puente de Wheatstone.

Aplicaciones: estos transductores se utilizan en algunos instrumentos para medicinde presin absoluta, manomtrica y diferencial, y en aplicaciones de medicin, flujo ynivel. Tambin se utilizan en ciertos convertidores presin/voltaje.

Figura . Transductor de reluctancia variableTransductores piezoelctricos: La piezoelectricidad se define como la produccinde un potencial elctrico debido a la presin sobre ciertas sustancias cristalinas comoel cuarzo, titanato de bario, etc. En un sensor piezoelctrico la presin aplicada sobrevarios cristales producen una deformacin elstica. Un semiconductor piezoresistivose puede describir como un elemento que produce un cambio en la resistencia,causado por un esfuerzo aplicado sobre un diafragma. De esta manera, resistencias deestado slido se pueden utilizar como instrumentos de presin, del mismo modo quelos alambres de un Strain Gage, pero con varias ventajas. La alta sensibilidad o factorde medida es aproximadamente 100 veces mayor que en los Strain Gages de alambre.Las piezoresistencias estn difundidas en un medio homogneo de silicona cristalino.De esta manera, las resistencias estn integradas al elemento sensor.


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2.2 MEDICIN DE NIVEL Y DENSIDAD.

La medicin de nivel consiste en medir la altura a la que se encuentra la superficielibre del lquido a partir de una lnea de referencia. Existen bsicamente dos mtodos:

Mtodos Directos

Estos consisten en medir directamente la superficie libre del lquido a partir de unalnea de referencia. Pueden ser:

Observacin visual directa de la altura sobre una escala graduada: medidor devara, de tubo de vidrio, etc.

Determinacin de la posicin de un flotador que descansa sobre la superficielibre del lquido: flotador y cinta,

flotador y eje, etc. Electrodos que hacen contacto con la superficie libre del lquido.

Mtodos Indirectos

Estos consisten en medir otros efectos que cambian con el nivel del lquido. Entre ellosestn:

Medicin de presin hidrosttica o presin diferencial. Medicin de fuerza de empuje. Como en el de tubo de torsin. Medicin de la radiacin nuclear. Medidor radioactivo. Reflexin de ondas de radio, de radar o snicas desde la superficie libre dellquido. Medidor ultrasnico. Medicin de la capacitancia elctrica.

Estos mtodos tienen un error inherente debido a que el nivel se determina a partir dela medida de otra variable.

Medicin Directa de Nivel

Medidores de sonda o de vara

Estos instrumentos consisten enuna varilla o regla graduada de lalongitud conveniente paraintroducirla dentro del depsito,la determinacin del nivel seefecta por la lectura directa dela longitud mojada por el lquido,cuando la sonda se introduce


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hasta el fondo del tanque. Este mtodo sirve para tanques a presin atmosfrica y seusa comnmente en tanques de fuel oil, gasolina y aceites en motores de combustininterna. Una variante de este mtodo consiste en una varilla graduada con gancho, quese sumerge en el lquido y se levanta despus hasta que el gancho rompe la superficiedel lquido. En este caso la distancia entre ese punto y la parte superior del tanque

representa directamente el nivel del tanque. Este se puede usar solo cuando lasuperficie libre del lquido se puede ver directamente.

Cuando el tanque tiene una profundidad grande, entonces se hace difcil manipular laregla por su longitud, en este caso se puede sustituir la varilla por una cinta flexible alcual se le coloca un peso en la punta, formando el medidor de cinta y plomada.

Medidores de nivel de cristal

Consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados al tanque mediantebloques metlicos y vlvulas. Se usan por lo general tres vlvulas: dos de cierre de

seguridad y mantenimiento en los extremos del tubo, con las cuales se impide la fugade lquido en caso de ruptura del tubo; y una vlvula de purga.

El nivel de cristal normal se emplea para presiones de hasta 700KPa, para presionesmas elevadas se usa un cristal grueso, de seccin rectangular y protegido por unaarmadura metlica. En este caso la lectura se puede efectuar por reflexin o portransparencia.

La principal ventaja de este mtodo es la gran seguridad que ofrece en la lectura delnivel del lquido, pudiendo controlar o calibrar con este las lecturas de otros aparatos.


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Sin embargo presenta la desventaja de permitir solo una indicacin local. Aunque sepueden usar cmaras de televisin para la medicin a distancia.

Medidores de nivel de flotador

Consisten en un flotador situado en el seno de un lquido y conectado al exterior deltanque indicando directamente el nivel. La conexin puede ser directa, magntica,elctrica e hidrulica.

Conexin directaExisten dos modalidades:

Flotador y cintaConsta de un flotador que puede ser de nquel, cobre o plstico el cual esta conectadomediante una cinta y a travs de una polea a un contrapeso al exterior del tanque. Laposicin del contrapeso indicar directamente el nivel. Su rango de medida ser igual

a la altura del tanque.

Este mtodo solo sirve para tanques abiertos, debido a la dificultad de producir unsello suficientemente hermtico en la cinta.

Flotador y ejeConsiste en un flotador conectado a un eje giratorio que sale del tanque y en cuyoextremo se encuentra una aguja indicadora, la cual indica sobre una escala el nivel deltanque.

Este mtodo se puede utilizar en una gran variedad de lquidos, inclusive en aquellos

de alta viscosidad y en tanques cerrado con presiones hasta de 1000 psi. Es sinembargo aconsejable no usarlo para lquidos con slidos en suspensin, ya que estosslidos se pueden depositar sobre el flotador produciendo un error en la medida. Eneste caso el rango (H) est limitado por la longitud del brazo del flotador (L) y elngulo rotado () que no debe ser superior a 60 ya que para valores mayores la

medida se vuelve altamente no lineal. El valor del rango se puede calcular con laexpresin: H = 2Lsin( /2).


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Conexin magnticaEsta puede ser de dos tipos.

Flotador magntico con cinta

El primer tipo consta de unflotador anular que posee unimn en su interior y que sedesliza alrededor de un tubosellado instalado en formavertical dentro del tanque.Dentro del tubo una piezamagntica sigue al flotador en su movimiento y mediante un cable o varilla arrastra elindicador del instrumento situado generalmente en la parte superior del tanque. Elinstrumento puede ser adems transmisor neumtico o electrnico. Este mtodo esrecomendable para tanques cerrados en donde no se pueda correr el riesgo de fugas,

como por ejemplo un tanque de gas licuado.

Flotador magntico con indicacin por colorEsta es una variante de la conexin magntica en donde el flotador, que posee en suinterior un imn, se desliza sobre una gua prxima a una pared del tanque. En estecaso la indicacin se realiza mediante la rotacin de pequeos elementosmagnetizables de color que el imn atrae al pasar cerca de ellos. Si cada una de lasparedes del elemento son de color distinto entonces el elemento que esta en unaposicin diferente de los otros, y por tanto muestra un color distinto indicar laposicin del nivel.

Medicin indirecta de nivel

Medidor de nivel por fuerza de empujeEl representante comn de este tipo demedidor es el medidor de tubo de torsin,el cual consiste en un flotador, vertical ylargo, parcialmente sumergido en ellquido y conectado mediante un brazo aun tubo de torsin unido rgidamente altanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla quetransmite el movimiento de giro a un indicador en el exterior del tanque.

Este tubo de torsin se caracteriza porque el ngulo de rotacin de su extremo libre esdirectamente proporcional al momento aplicado, o sea al empuje que ejerce elflotador que segn el principio de Arqumedes el flotador sufre un empuje haciaarriba que viene dado por la expresin:


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El momento sobre la barra de torsin ser entonces:

Donde:

F: fuerza de empuje del lquido

s: seccin transversal del flotador

H: altura sumergida del flotador

: peso especfico del lquido

l: longitud del brazo del flotador

W: peso del flotador

Luego al aumentar el nivel del lquido este ejerce un empuje sobre el flotador igual alvolumen de la parte sumergida multiplicada por el peso especfico del lquido,tendiendo a neutralizar su peso propio. El movimiento angular del extremo libre deltubo de torsin es muy pequeo, del orden de los 9. Las dimensiones del flotadordependern de la amplitud de la medida requerida. Sabiendo que su uso es apto parala medida de pequeas diferencias de nivel hasta amplitudes de 200 mm. Este sistemapresenta adems la ventaja de proporcionar un cierre estanco entre el tanque y elexterior. Por lo tanto se puede usar en tanques abiertos o cerrados, a presin o alvaco. La precisin de este instrumento es del orden del 1% .

Medicin de nivel por presin hidrosttica o presin diferencial

Este mtodo se basa como su nombre lo indica en la medicin de la presinhidrosttica en el fondo del tanque o la presin diferencial entre dos puntos deltanque, la cual ser directamente proporcional al nivel de lquido en el tanque segnla expresin:

Donde:

P: presin ejercida por la columna de lquido

h: altura del nivel de lquido por encima del medidor de presin

: peso especfico del lquido

G: gravedad especfica de lquido


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H20 : peso especfico del agua

Estos instrumentos se pueden usar tanto en tanques abiertos como en tanquescerrados, sin embargo su funcionamiento es diferente en ambos casos. Para tanques

abiertos se usa la presin hidrosttica manomtrica y en tanques cerrados se usa unapresin diferencial entre la parte inferior y superior del tanque. El rango de estosinstrumentos vara entre 0 a 8 cm de agua hasta el rango mximo del manmetroutilizado para medir la presin.

Medicin de nivel por presin hidrosttica en tanques abiertos

En tanques abiertos se utiliza directamente la presin hidrosttica manomtricamedida en el fondo del tanque, la cual ser directamente proporcional a la presin.Existen varios tipos de medidores de nivel para tanques abiertos a saber.

Medidor manomtricoConsiste en un manmetroconectado directamente a laparte inferior del tanque, lalectura del manmetroindicar directamente laaltura entre el nivel dellquido y el eje delmanmetro, por lo que estese puede calibrar enunidades de nivel. Para este

instrumento se acostumbra instalar adems una vlvula de cierre, para poderdesmontar el instrumento sin tener que vaciar el tanque. Y se suele aadir tambin unrecipiente de decantacin, con una vlvula de purga, para evitar que las partculas ensuspensin del lquido lleguen al manmetro y poder eliminar regularmente las quese acumulen en el recipiente.

Como los niveles son valores limitados, debido a mayor altura el nivel requiere de unaresistencia mucho mayor, entonces el campo de medida de los manmetros esbastante pequeo por lo cual se usan generalmente elementos sensores de tipo fuelle.Este sistema solo sirve para fluidos relativamente limpios en tanques abiertos.

Medidor de membrana (caja de diafragma)

Este utiliza una membrana conectada con un tubo estanco lleno de aire a uninstrumento medidor de presin. En este caso la fuerza ejercida por la columna delquido sobre el rea de la membrana comprime el aire atrapado en el tubo con unapresin igual a la presin ejercida por la columna de lquido.


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El volumen de aire interno suele ser bastante grande por lo cual el sistema estlimitado a distancias no mayores de 15 m debido a la compresibilidad del aire.El medidor tiene una exactitud de hasta 1% y puede trabajar hasta temperaturas de60C. Este sistema es delicado ya que cualquier pequea fuga de aire puede daar lacalibracin e incluso inutilizar el sistema, por lo cual no es conveniente usarlo paralquidos corrosivos.

Sistema de trampa de aire

Este sistema es similar al de la cajadiafragma abierta solo que no poseediafragma, quedando el aire del sistemade medicin atrapado simplemente por ellquido. La principal limitacin de estesistema es la posibilidad de pequeasfugas del aire atrapado, por lo cual serequiere de aire de reposicin y de unacalibracin peridica.

Medidor de tipo burbujeo

Este emplea un tubo sumergido en ellquido a cuyo travs se hace burbujear airemediante un regulador de caudal. Lapresin del aire en la tubera es equivalentea la presin hidrosttica ejercida por lacolumna del lquido, es decir al nivel. Elregulador de caudal permite mantener elflujo constante a travs de tubera sinimportar el nivel (caudal comn 150Nl/h).

La tubera de aire suele ser de pulgadacon el extremo biselado para la fcilformacin de burbujas.

El manmetro receptor puede colocarse hasta distancias de 300 m. Se puede ademsusar otros tipos de gas adems de aire, e incluso lquido como fluido de purga si enalgn caso se requiere. Este sistema es simple y da buenos resultados, en particular enel caso de lquidos muy corrosivos o con slidos en suspensin y emulsiones.


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No se recomienda su uso cuando el fluido de purga puede perjudicar el lquido delproceso. Tampoco es conveniente para lquidos muy viscosos en donde se presentandificultades para la formacin de las burbujas.

Medicin de nivel por capacitivo

Este funciona midiendo la capacidad de un condensador (capacitor) formado por unelectrodo sumergido en el medio del tanque y las paredes del tanque. La capacidad delconjunto depende linealmente del nivel del lquido.

En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal, y la capacidad ser funcinde la capacitancia del dielctrico formado por el gas mas el lquido mas el de lasconexiones. Si el lquido es conductor con una conductividad mnima de 100 /cc el

electrodo se asla, usualmente con tefln, y se debe aadir entonces la capacitancia deldielctrico formado por el aislante.La precisin de este instrumento esta en el orden del 1%. Su campo de medida es

prcticamente ilimitado y pueden emplearse en la medida de interfases de lquidos,con la nica condicin de que posean diferentes capacitancias elctricas.

Los principales inconvenientes son que temperatura puede afectar las constantesdielctricas, y la posibilidad que se depositen elementos slidos sobre el electrodo quefalseen la medida.

Medicin de nivel por ultrasonido

Este mtodo se basa en la emisinde un impulso ultrasnico a una

superficie reflectante, la superficielibre, y la recepcin del eco delmismo en el receptor. En este caso elretardo en la lectura o captacin deleco depende del nivel del tanque.Estos se pueden usar como alarma,en este caso los sensores vibran conuna cierta frecuencia y se


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amortiguan (disminuye la frecuencia) cuando el lquido los toca. En este caso elmontaje puede ser lateral o superior. Se pueden usar tambin como indicacincontinua, en este caso la fuente de ultrasonido genera impulsos que son detectadospor el receptor una vez transcurrido el tiempo de ida y vuelta de la onda a lasuperficie del slido o lquido. Como la reflexin de la onda se realiza en la superficie

libre, el montaje podr ser entonces en el aire o en el lquido. Sirven paratodo tipo de lquidos, pero son sensibles a la densidad del fluido en el cual estransportada la onda, ya que la velocidad de propagacin de la onda vara segn ladensidad del medio de transporte de sta, por lo tanto el mtodo no es convenientepara procesos en donde cambian continuamente las condiciones ambientales.Tambin se presentan problemas de reflexin cuando en la superficie del lquido seforman espumas, existen slidos en suspensin o la superficie no es suficientemententida debido a turbulencias por ejemplo. Trabajan generalmente con una frecuenciade 20 KHz. La precisin de estos instrumentos est en el orden del 1 al 3%.

Medicin de densidad.

La densidad es una medida utilizada por la fisica para determinar la cantidad de masacontenida en un determinado volumen. La densidad tambien es simbolizada por laletra griega , es una magnitud referida a la cantidad de masa en un determinadovolumen.

Unidades de densidad en el sistema internacional de unidades (si):

Kilogramo por metro cubico (kg/m) Gramo por centimetro cubico (g/cm) Kilogramo por litro (k/ml) o kilogramo por decimetro cubico. El agua tiene

una densidad proxima a 1kg/l (1000 g/dm = 1 g/cm = 1 g/ml) Gramo por mililitro (g/ml),que equivale a (g/cm)

Instrumentos para la medicin de densidad.La densidad puede obtenerse de forma indirecta y de forma directa. Para la obtencionindirecta de la densidad, se miden la masa y el volumen por separado yposteriormente se calcula la densidad.

entre los instrumentos mas comunes para la medida de densidades tenemos:

El densimetro,permite la medida directa de la densidad de un liquido El picnometro,permite la medida de la precisadensidad de solidos, liquidos

y gases La balanza de mohr es una variante de balanza hidrostatica que permite la

medida precisa de la densidad de liquidos


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La densidad se puede medir por medio de instrumentos diferentes a los que ya hansido mencionados como:

Medidores de flujo Nuclear Instrumentos de vibracion


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2.3 MEDICIN DE FLUJO.

La medicin de flujo constituye tal vez, el eje ms alto porcentaje en cuanto a medicin

de variables industriales se refiere. Ninguna otra variable tiene la importancia de esta,

ya que sin mediciones de flujo, sera imposible el balance de materiales, el control de

calidad y an la operacin de procesos continuos.

Tipos de flujo

Flujo volumtrico. El volumen de un flujo que pasa por un punto en la tubera

porunidad de tiempo

Q = A x V

Donde:

Q = Velocidad de flujo volumtrico A = rea interna de la tubera V = Velocidad promedio de flujo

Flujo msico.- Peso de un volumen de fluido que fluye por unidad de tiempo.

Flujo totalizado.-Flujo acumulado o flujo integrado

Existen muchos mtodos para medir flujos,en la mayora de los cuales, es imprescindible

el conocimiento de algunas caractersticas

bsicas de los fluidos para una buena

seleccin del mejor mtodo a emplear. Estas

caractersticas incluyen viscosidad, densidad,

gravedad especfica, compresibilidad,

temperatura y presin.


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Medidor de flujo tipo rea variable

Los medidores de rea variable, tambin llamadosrotmetros, utilizan el mismoprincipio que los medidores de flujo del tipo presindiferencial; esto es, la relacin entre la energa cintica yla energa de presin de un sistema. En un dispositivo depresin diferencial, el tamao de la restriccin es fija y ladiferencia de presin cambia con respecto a la velocidaddel flujo. En los medidores de rea variable, el rea derestriccin cambia cuando el flujo cambia y la presindiferencial permanece constante. El rotmetro consistede un tubo de medicin cnico y un flotador. El fluido

circula en forma ascendente por el tubo desplazando alflotador que normalmente lleva unas ranuras que danlugar a que el flotador gire, proporcionando estabilidad yefectos de centrado. Esta rotacin es la que le da elnombre de rotmetro. El rotmetro puede contener unavlvula manual para establecer flujos pequeos, ytambin puede ser utilizado como un indicador,transmisor o un controlador de campo.


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Medidor de flujo tipo presin diferencial

Este tipo de medidores cambia la velocidad o direccin, provocando una presin

diferencial o cabezal de presin en el fluido.Entre los primeros tipos de medidores

de presin diferencial se pueden destacar los siguientes:

Placas de orificio. Toberas de flujo. Tubo Dall. Tubos Venturi. Tubos Pitot. Tubos Annubar. Codos.

Se estima que actualmente al menos el 75 %de los medidores industriales en uso sondispositivos de presin diferencial, siendo el ms popular la placa de orificio.

Las principales ventajas de dichos medidores son:

Su sencillez de construccin. No incluye partes mviles.


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Su funcionamiento se comprende con facilidad. No son caros, particularmente si se instalan en grandes tuberas y se comparan

con otros medidores. Pueden utilizarse para la mayora de los fluidos. Hay abundante informacin sobre sus diferentes usos.

Sus principales desventajas son:

La amplitud del rango de medida es menor que para la mayora de los otrosmedidores.

Puede producir prdidas de carga significativas, es decir provocan una cada depresin alta.

La seal de salida no es lineal con el flujo. Deben de respetarse tramos rectos de tubera corriente arriba y corriente

abajo del medidor que, segn la localizacin de la tubera y los accesoriosexistentes, pueden llegar a ser grandes.

Pueden producirse efectos de envejecimiento, es decir, acumulacin dedepsitos o la erosin de las aristas vivas.

La precisin suele ser menor que la de medidores ms modernos,especialmente si, como es habitual, el medidor se entrega sin calibrar.

Transmisores de orificio integral

El medidor de flujo con orificio integral se

aplica principalmente en la medicin decaudales muy pequeos, en laboratorios yplantas piloto. Generalmente se utiliza unaplaca con un orificio entre 0.020 y 0.350pulgadas para tamao 1/2", 0.242 y 0.832para 1", 0.382 y 1.18 para 1 1/2" dedimetro, el cual restringe el paso del flujo;la placa se encuentra montada y conectadaa un transmisor de presin diferencial.Los orificios de restriccin se usan pararegular flujos no crticos tales como purgas.

Los tamaos grandes de 4 son montadasentre bridas, y los tamaos pequeos de 1

son montados en unin.El clculo de lquido esta basado sobre elprocedimiento de dimensionamiento deorificios, con un ajuste para la recuperacinde presin. Para el clculo de gas se suponeflujo snico, es decir la presin de descarga


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es menos que la mitad de la presin de entrada absoluta. Si este no es el caso, se utilizala ecuacin para clculo de orificios para gas.

Medidores de flujo de velocidad

Los cuatro medidores de flujo de tipo velocidad ms comunes son:

Medidor magntico. Vortex. Turbina. Ultrasnico.

La medicin del flujo se infiere a travs de la ecuacin de continuidad, convirtiendo lavelocidad promedio de flujo, en flujo volumtrico considerando el rea constante.


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2.4 MEDICIN DE TEMPERATURA.

El crdito de la invencin del termmetro se atribuye a Galileo en el ao 1592.Mejoras al diseo del termmetro de Galileo fueron introducidas por otrosinvestigadores utilizando diversas escalas termomtricas, todas ellas basadas en dos o

ms puntos fijos. No fue sino hasta el ao 1700, cuando Gabriel Fahrenheit produjotermmetros repetitivos y exactos. Fahrenheit utiliz una mezcla de agua y sal. Estafue la temperatura ms baja que pudo reproducir, y la llam cero grados.

Para la temperatura ms alta de su escala, utiliz la temperatura del cuerpo humano yla llam 96 grados. Esta escala de Fahrenheit gan popularidad principalmente por lacalidad y repetibilidad de los termmetros construidos por l. Cerca de 1742 AndersCelsius propuso que el punto de fusin del hielo y el punto de ebullicin del aguafuesen utilizados como puntos iniciales y finales de la escala de temperatura, de estamanera el cero grado fue seleccionado como punto de fusin del hielo y 100 gradoscomo punto de ebullicin del agua. Esta escala denominada Celsius, se le dio

oficialmente el nombre en el ao 1948. Otras escalas de temperatura llamadas Kelviny Rankine, introducen el concepto del cero absoluto y se utilizan como estndares enla termometra.

Tipos de instrumentos para medir temperaturas

Existen diferentes sensores que se utilizan en la industria de procesos para medir latemperatura, entre los que se pueden mencionar:

Termmetro de bulbo (lquido, gas y vapor). Termmetros bimetlicos. Termopares. Termmetros de resistencia. Termistores. Pirmetros de radiacin.

La seleccin y especificacin apropiada de un instrumento de temperatura, dependemucho del conocimiento de los diferentes tipos de sensores disponibles, de suslimitaciones y de consideraciones prcticas.

A continuacin se describen los principales tipos de sensores utilizados en la industriapetrolera para la medicin de temperatura.

unidad 2: sensores y transmisores

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