Medición de Caudal y Nivel: Principios y Tipos de Medidores

2.3 Características (según la variable de proceso).
2.3.1 CAUDAL
¿Qué es el caudal?
En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que pasa por el río en una
unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen
que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se
identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de
tiempo.
Principios de funcionamiento de los medidores
Es el fenómeno físico en que se basa el medidor, y es una característica de diseño.
Para los medidores de caudal volumétricos, los principales sistemas son presión
diferencial, área variable, velocidad, tensión inducida , desplazamiento positivo y
vórtice. Para los másicos se deben destacar el sistema térmico y el sistema basado
en la fuerza de Coriolis.
Aunque también podríamos decir que podemos clasificarlo de acuerdo a si es una
corriente libre , o una corriente en tubería.
Presión diferencial
Se deduce de la aplicación del teorema de Bernouilli. Mediante la interposición
de un Diafragma , una Tobera, un tubo Venturi, un tubo Pitot o un tubo Annubar,
se puede relacionar el cambio de velocidad y presión que experimenta el fluido
con el caudal.
Diafragma: Consiste en una placa con un orificio que se interpone en la tubería.
Como resultado de esta obstrucción existe una pérdida de carga, que es la que se
mide por comparación con una sonda aguas arriba y otra aguas debajo de la
instalación.
Toberas: En este medidor al igual que en el diafragma, se dispone de una toma de
presión anterior y otra posterior, de manera que se puede medir la presión
diferencial. La tobera permite caudales muy superiores a los que permite el
diafragma (del orden de 60% superiores).
Venturi: La función básica de este medidor consiste en producir un
estrangulamiento en la sección transversal de la tubería, el cual modifica las
presiones, con la medición de este cambio es posible conocer el gasto que circula
por la sección, el estrangulamiento de esta es muy brusco, pero la ampliación
hasta la sección original es gradual.
Pitot: Mide la velocidad del flujo en un punto del fluido, consta de un hueco alineado con
el flujo que se aproxima y está cerrado por uno de sus extremos con un tapón redondo
que tiene un pequeño orificio en la línea central del tubo. El fluido dentro del tubo Pitot
es estacionario, en tanto que el que se aproxima fluye alrededor de este.
Annubar: Es una mejora del tubo pitot, y se basa en medir la presión estática y la total.
Con la diferencia que se obtiene la velocidad del fluido, y conociendo la sección se
obtiene el caudal.
Área variable
Los medidores de caudal de área variable se deben instalar verticalmente. Su principio de
funcionamiento se basa en un flotador que cambia de posición dentro de un tubo de
área variable. El área del tubo es pequeña en la parte inferior y va aumentando hasta
alcanzar la mayor sección en la parte superior.
Velocidad
Principalmente existen tres elementos para caudalímetros que basan su principio de
funcionamiento en la velocidad del fluido: Los vertederos (para canales abiertos), las
turbinas y las sondas ultrasónicas.
Los medidores de caudal tipo turbina se basan en un rotor que gira a una velocidad
proporcional al caudal del fluido que pasa.
Dentro del grupo de los medidores rotativos, destacan el cicloidal, el birrotor y eloval.
Coriolis
Los medidores de caudal másico basados en este teorema son de dos tipos. El primer
tipo consta de un tubo en forma de , el cual se hace vibrar perpendicularmente al
sentido del desplazamiento del flujo.
El segundo tipo está formado por dos tubos paralelos; estos se hacen vibrar de forma
controlada a su frecuencia de resonancia.
Térmico
Los medidores térmicos de caudal usan dos técnicas para la determinación del
caudal másico. La primera es la elevación de temperatura que experimenta el fluido
en su paso por un cuerpo caliente y la segunda es la pérdida de calor
experimentada por un cuerpo caliente inmerso en un fluido.
Sensor de caudal con ruedas de paleta: se utiliza cuando los datos sobre el caudal
deben trasmitirse como salida de impulsos. este sensor contiene un transductor
que trasmite una señal de 0-100Hz.
Sensor de caudal de turbina: La alta precisión es la característica principal de este
sensor. Mide con precisión el caudal de los líquidos transparentes sobre una amplia
gama de caudales.
Medidor de caudal con fuelles de paleta: este tipo de disposición es ideal para
utilizarse en aplicaciones donde la suciedad y los contaminantes de granos sólidos
son una gran preocupación.
Medidor de caudal magnético: es utilizado en el análisis de líquidos difíciles y
fangos
Sensor de caudal térmico compacto: utiliza el principio calorimétrico para
monitorear en forma continua el caudal tanto de medios viscosos como de no
viscosos.
Medidor de caudal de presión diferencial: estos medidores están
diseñados para aplicaciones en ambientes difíciles.
Medidor de caudal de masa electrónico: mide caudales de gas.
2.3.2 Nivel
• Medidores de nivel:
Mide el estado de llenado de depósitos de:
a) líquidos
b) sólidos (polvo/granulados)
Medidores de nivel de forma directa
• Los instrumentos de medición directa se
dividen en sonda, cinta, nivel de cristal e
instrumentos d e flotador
Varilla o sonda:
• Consiste en una varilla o regla graduada, de la
longitud conveniente para introducirla dentro
del depósito. La determinación del nivel se
efectúa por la lectura directa de la longitud
mojada por el líquido. En el momento de la
lectura el tanque debe estar abierto a presión
atmosférica. Se emplea en tanques de agua a
presión atmosférica.
Cinta y plomada:
Este sistema consta de una cinta
graduada y un plomo en la punta. Se
emplea cuando es difícil que la varilla
tenga acceso al fondo del tanque.
También se usa midiendo la distancia
desde la superficie del líquido hasta la
parte superior del tanque, obteniendo
el nivel por diferencia.
Nivel tubular
•
•
•
•
Tubo de material transparente y
rígido conectado al depósito por
dos bridas con dos válvulas
manuales de corte.
El liquido sube por el tubo hasta
igualar al nivel del depósito
Limitaciones:
– No mucha presión
– No Tª alta
– No impactos
– No líquidos que manchan
interior tubo
También de vidrio armado
– reflexión
– refracción
Medidor de nivel tubular
Tubo de vidrio
líquidos limpios
Modelo NDAM
BRUNO SCHILING
para
MEDICIÓN POR PRESIÓN
HIDROSTÁTICA
Manométrico: consiste en un manómetro conectado
directamente a la parte inferior del tanque. El
manómetro mide la presión debida a la altura de
líquido que existe entre el nivel del tanque y el eje del
instrumento. Sólo sirve para fluidos limpios, ya que los
líquidos sucios pueden hacer perder la elasticidad del
fuelle. La medición está limitada a tanques abiertos y el
nivel viene influido por las variaciones de densidad del
líquido.
Burbujeo: mediante un regulador de caudal se hace pasar por un tubo
(sumergido en el depósito hasta el nivel mínimo), un pequeño caudal de aire o
gas inerte hasta producir una corriente continúan de burbujas. La presión
requerida para producir el flujo continuo de burbujas es una medida de la
columna de líquido. Este sistema es muy ventajoso en aplicaciones con líquidos
corrosivos o con Materiales en suspensión, ya que el fluido no Penetra en el
medidor ni en la línea de conexión
Medidor de presión diferencial
• Tanque abierto:
medidor de P
P = γ·g·h
• Tanque cerrado:
P=Pliq-Pdeposito
MEDIDOR DE NIVEL DE FLOTADOR:
Constituido por un flotador pendiente de un cable, un juego
de poleas y un contrapeso exterior.
MODELOS: de regleta (el contrapeso se mueve en sentido
contrario al flotador por una regleta calibrada),
magnéticos (el flotador lleva dentro un imán y se
desplaza moviendo una aguja indicadora).
6. Medidores de nivel.
• MEDIDOR POR ULTRASONIDOS:
El tiempo entre la emisión de la onda y la
recepción del eco es proporcional al nivel.
Hay que evitar que existan obstáculos en el
recorrido de las ondas. Son sensibles al estado
de la superficie del líquido (espuma).
MEDIDORES DE NIVEL EN SÓLIDOS
Problema: definir el nivel. No tiene por qué existir una superficie horizontal.
Se pueden usar algunos de los sensores que se usan para los líquidos y otros
específicamente diseñados para sólidos.
Varilla Flexible.
La varilla flexible consiste en una
varilla de acero conectada a un
diafragma de latón donde está
contenido un interruptor. Cuando
los sólidos presionan, aunque sólo
sea ligeramente en la varilla, el
interruptor se cierra y actúa sobre
una alarma.
Cono Suspendido.
El cono suspendido consiste en un
pequeño interruptor montado dentro
de una caja impenetrable al polvo, con
una cazoleta o pieza pequeña de goma
de la que está suspendida una varilla
que termina en un cono. Cuando el
nivel de sólidos alcanza el cono, el
interruptor es excitado
Detector de niveles continuos
el instrumento se caracteriza por su
sencillez puede emplearse en control
de nivel pero debe ser muy robusto
mecánicamente para
evitar un
posible rotura del conjunto dentro
d el a tolva.
Nivel de bascula
Una báscula es un instrumento para
medir y equilibrar fuerzas (pesos), y
comprende una serie de elementos
esenciales tales como un medio por el
cual se puede tomar y soportar la carga,
que por lo general es un tanque, una
plataforma, un gancho u otro método
conveniente para contener la carga
• MEDIDOR RADIOACTIVO:
Consta de una fuente
radioactiva que se instala en un
lado del depósito. Al otro lado
se coloca un medidor de
radiación.
Son buenos para medir fluidos
con alta temperatura, líquidos
muy corrosivos, etc. porque no
existe contacto.
Su aplicación se ve limitada por
las dificultades técnicas y
administrativas que conlleva el
manejo de fuentes radioactivas.
• MEDIDOR CAPACITIVO:
Mide la variación de la capacitancia en un condensador cuando varía el medio
dieléctrico entre sus placas.
El dieléctrico es el líquido. Al variar el nivel del líquido varía proporcionalmente
la capacidad.
2.3.4 TEMPERATURA
La temperatura es una magnitud referida a las nociones
comunes de caliente o frío.
El uso de instrumentos de medición es primordial para el:
1.
2.
3.
4.
Control de sistemas
Regulación de ambientes de cultivación
Modos de producción
Preservación de materia
El siguiente diagrama es referido a los instrumentos de
medida de temperatura y sus alcances.
Campos de aplicación
usuales en el medio Termómetros
sistema
Rango ºc
Termocupla
-200..2800
S. De
dilatación
-195..760
Termoresist_ -250..850
encias
Termistores
-195..450
Pirómetros
de radiación
-40..4000
Instrumento que sirve para
medir la temperatura. El más
usual se compone de un bulbo
de vidrio que se continúa por
un tubo capilar y que contiene
determinado elemento el cual
su dilatación por efecto de la
temperatura se mide sobre una
escala graduada.
TERMÓMETRO DE VIDRIO
• Funciona por la dilatación de un líquido alojado en un bulbo ,
que se visualiza en un capilar cuyo pequeño diámetro permite
apreciar grandes variaciones de la longitud del fluido dilatado
para un determinado volumen.
• La expresión del volumen total del fluido encerrado es:
• V = Vo (1+ α Δt )
ERRORES
1. Los que se generan por la
dilatación del tubo de vidrio.
2. Los que se deben al tiempo
de inmersión del bulbo.
3. Los que se deben a la falta
de uniformidad de la
superficie transversal del
capilar.
4. Los que se deben a la
profundidad de inmersión ,
etc.
Termómetro de Gas a volumen constante
• En este instrumento la
variable que mide la
temperatura es la presión de
un gas que se mantiene a
volumen constante. Se ha
escogido este termómetro
como patrón porque los
valores de la temperatura
que se obtienen con él son
independientes
del
gas
utilizado.
TERMÓMETRO
BIMETÁLICOS
• Se basa en la diferencia de dilatación de los metales tales como:
AluminioBronce, Cobre , Laton , Níquel , Níquel Cromo , Monel ,
Acero , Aleación Hierro – Niquel(36%) llamada Invar , Porcelana
, Cuarzo. El aluminio tiene el mayor coeficiente de dilatación de
los mencionados.
• Se obtienen exactitudes del orden del 1% de la medición.
TERMOMETROS DE RESISTENCIA
• Los termómetros de resistencia o termómetros a resistencia son
transductores de temperatura, los cuales se basan en la dependencia de
la resistencia eléctrica de un material con la temperatura, es decir, son
capaces de transformar una variación de temperatura en una variación de
resistencia eléctrica.
• DETECTORES DE TEMPERATURA RESISTIVOS (RTD)
• Los detectores de temperatura basados en la variación de una resistencia
eléctrica se suelen designar con sus siglas inglesas RTD (Resistance
Temperature Detector).Dado que el material empleado con mayor
frecuencia para esta finalidad es el platino, se habla a veces de PRT
(Platinum Resistance Thermometer).
• Un termómetro de resistencia es un instrumento utilizado para medir las
temperaturas aprovechando la dependencia de la resistencia eléctrica de
métales, aleaciones y semiconductores (termistores) con la temperatura;
tal es así que se puede utilizar esta propiedad para establecer el carácter
del material como conductor, aislante o semiconductor.
El elemento de resistencia.- es un embobinado de material y calibre adecuados
Línea de conexión
Materiales usados normalmente en las sondas
A) PLATINO
•
Es el material más adecuado desde el punto de vista de precisión y estabilidad, pero presenta el inconveniente
de su coste. En general la sonda de resistencia de Pt utilizadaa en la industria tiene una resistencia de 100
ohmios a 0ºC. por esta razón, y por las ventajosas propiedades físicas del Pt fue elegido este termómetro como
patrón para la determinación de temperaturas entre los puntos fijos desde el punto del Oxigeno (-183ºC) hasta el
punto de Sb (630'5).
B) NÍQUEL
•
Mas barato que el Pt y posee una resistencia más elevada con una mayor variación por grado, el interés de este
material lo presenta su sensibilidad; hay una falta de linealidad en su relación R - Tª. Efectivamente en el
intervalo de temperatura de 0 a 100ºC, la resistencia de Niquel aumenta en un 62% mientras que el Pt solo
aumenta en un 38%. Sin embargo los problemas relativos a su oxidación u otro tipo de deterioro químico, limitan
su utilización e incluso ponen en peligro la reproducibilidad de sus medidas. Otro problema añadido es la
variación que experimenta su coeficiente de resistencia según los lotes fabricados.
•
C) COBRE
•
El cobre tiene una variación de resistencia uniforme en el rango de temperatura cercano a la ambiente; es
estable y barato, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad, ya que hace que las variaciones relativas de
resistencia sean menores que las de cualquier otro metal. Por otra parte sus características químicas lo hacen
inutilizable por encima de los 180ºC.
D) TUNGSTENO
•
Tiene una sensibilidad térmica superior a la del platino, por encima de 100ºC y se puede utilizar a temperaturas
más altas, incluso con una linealidad superior. Asimismo se puede hacer hilo muy fino, de manera que se
obtengan resistencias de valor elevado, pero como consecuencia de sus propiedades mecánicas su estabilidad es
muy inferior a la del platino. Las técnicas actuales de fabricación de láminas delgadas por evaporación , serigrafía
u otro procedimiento ligado a la microelectrónica permiten depositar en superficies muy pequeñas resistencias
de los materiales indicados anteriormente
PIROMETROS
•
Un pirómetro, también llamado pirómetro óptico, es un dispositivo capaz de medir la temperatura
de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos
instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 grados celsius. El rango de
temperatura de un pirómetro se encuentra entre -50 grados celsius hasta +4000 grados celsius. Una
aplicación típica es la medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o
fundiciones.
•
Cualquier objeto con una temperatura superior a los 0 grados kelvin emite radiación térmica. Esta
radiación será captada y evaluada por el pirómetro. Cuando el objeto de medida tiene una
temperatura inferior al pirómetro, es negativo el flujo de radiación. De todas formas se puede
medir la temperatura.
•
Uno de los pirómetros más comunes es el pirómetro de absorción-emisión, que se utiliza para
determinar la temperatura de gases a partir de la medición de la radiación emitida por una fuente
de referencia calibrada, antes y después de que esta radiación haya pasado a través del gas y haya
sido parcialmente absorbida por éste. Ambas medidas se hacen en el mismo intervalo de las
longitudes de onda.
•
Para medir la temperatura de un metal incandescente, se observa éste a través del pirómetro, y se
gira un anillo para ajustar la temperatura de un filamento incandescente proyectado en el campo
de visión. Cuando el color del filamento es idéntico al del metal, se puede leer la temperatura en
una escala según el ajuste del color del filamento
PIRÓMETROS DE RADIACIÓN
•
Los pirómetros de radiación se fundamentan en la ley de Stefan
- Boltzman que dice que la energía radiante emitida por la
superficie de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la
cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir
• W = s T4
donde
1. W (potencia emitida) es el flujo radiante por unidad de área,
2. s es la constante de Stefan - Boltzman (cuyo valor es 5.67 10-8
W / m2 K4) y
3. T es la temperatura en Kelvin
Pirómetro óptico:
• la temperatura del objeto (un
horno por ejemplo) se
obtiene comparando el color
de la llama con el del
filamento de una lámpara
eléctrica.
• La variable termométrica
tiene que ver con la
frecuencia
de
la
luz,
magnitud que determina el
color de lo que vemos.
TERMOPAR
Es un dispositivo utilizado para medir temperaturas basado en la fuerza
electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos. Es
posible efectuar mediciones de temperatura muy precisas empleando termopares
en los que se genera una pequeña tensión (del orden de milivoltios) al colocar a
temperaturas distintas las uniones de un bucle formado por dos alambres de
distintos metales. Para incrementar la tensión se pueden conectar en serie varios
termopares para formar una termopila. Como la tensión depende de la diferencia
de temperaturas en ambas uniones, una de ellas debe mantenerse a una
temperatura conocida; en caso contrario hay que introducir en el dispositivo un
circuito electrónico de compensación para hallar la temperatura del censor. Los
termistores y termopares tienen a menudo elementos censores de sólo uno o dos
centímetros de longitud, lo que les permite responder con rapidez a los cambios
de la temperatura y los hace ideales para muchas aplicaciones en biología e
ingeniería.