Instrumentos de Medición

Instrumentos de Medición
Capitulo III Instrumentos de Medición Profesor: Rafael Guzmán Muñoz 2007

Índice Contenidos y Agenda Clases de Instrumentos Variables de Proceso
En función de los Instrumentos En función de la Variable de Proceso Variables de Proceso Caudal Presión Nivel Temperatura 2007

CLASES DE INSTRUMENTOS
Los instrumentos de medición y de control son relativamente complejos y su función es fácil de comprender si están incluidos dentro de una clasificación adecuada. Como es lógico pueden existir varias formas para clasificar los instrumentos, cada una de ellas con sus propias ventajas y limitaciones. Se consideran dos clasificaciones básicas, que son: - En función del Instrumento. - En función de la Variable. 2007

EN FUNCION DEL INSTRUMENTO
Instrumentos Ciegos: Son aquellos que no tienen indicación visible de la variable. Hay que hacer notar que son ciegos los instrumentos de alarma, tales como presostatos y termostatos (interruptores de presión y temperatura respectivamente) que poseen una escala exterior con un índice de selección de la variable, ya que sólo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador al cruzar la variable el valor seleccionado. Son también instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presión, nivel y temperatura sin indicación. 2007

Instrumentos Indicadores: Disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Existen también indicadores digitales que muestran la variable en forma numérica con dígitos. 2007

Instrumentos Registradores: Registran con trazo continuo o de puntos la variable de interés. Estos gráficos pueden ser circulares, rectangular. Los registradores de gráfico circular suelen tener el gráfico de 1 revolución en 24 horas mientras que los registradores de gráfico rectangular la velocidad normal del gráfico es de unos 20 mm/hora. 2007

Elementos Primarios: Están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación, en respuesta a la variación de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica, etcétera. 2007

Transmisores: Captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática de rango 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o eléctrica de 4 a 20 mA de corriente continua. 2007

Transductores: Reciben una señal de entrada en función de una o más cantidades físicas y la convierten a una señal de salida. Son transductores: un relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/ I (presión de proceso a intensidad), etcétera. 2007

Conversores: Son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3-15 psi) o eléctrica (4-20 mA c.c.) procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar. Ejemplo: Un convertidor P/I (señal de entrada neumática a señal de salida eléctrica), un convertidor I/P (señal de entrada eléctrica a señal de salida neumática). 2007

Receptores: Reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada a los valores ya indicados 3-15 psi en señal neumática, mA c.c. en señal eléctrica, que actúan sobre el elemento final de control. 2007

Controladores: Comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación. La variable controlada la pueden recibir directamente, como controladores locales o bien indirectamente en forma de señal neumática o eléctrica, procedente de un transmisor. 2007

Elemento Final de Control: Recibe la señal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. En el control neumático, el elemento suele ser una válvula neumática o un servomotor neumático que efectúan su carrera completa de 3 a 15 psi. En el control eléctrico, la válvula o el servomotor anteriores son accionados a través de un convertidor de intensidad a presión (I/P). 2007

EN FUNCION DE LA VARIABLE DE PROCESO
De acuerdo con la variable del proceso, los instrumentos se dividen de acuerdo a la variable física a medir, como ejemplos se presentan los siguientes instrumentos de : Caudal Nivel Presión Temperatura Densidad Peso Específico Velocidad pH Conductividad 2007

EN FUNCION DE LA VARIABLE DE PROCESO
2007

EN FUNCION DE LA VARIABLE DE PROCESO: Caudal
¿Cómo se define CAUDAL? 2007

CAUDAL “Es la cantidad de fluido que pasa por determinado elemento en la 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. ¿Cuáles son sus unidades de medida? Sistema MKS: m^3/s 2007

CAUDAL Medidores de presión diferencial Placa orificio Tubo Venturi
Tubo Pitot Medidores de impacto Medidores de velocidad Medidor de turbina Medidor electromagnético Medidor Vortex Rotámetro Medidor de ultrasonidos 2007

CAUDAL Medidores Másicos Medidor másico térmico Medidor de Coriolis
Medidores volumétricos 2007

MEDIDORES DE PRESION DIFERENCIAL
“Al restringir el paso de fluido se produce una caída de presión estática.” 2007

2007

Placa Orificio : Es una placa con un orificio (generalmente afilado aguas arriba y biselado aguas abajo). Se usa con líquido limpios y gases. Los fluidos sucios producen erosión del filo de la placa. Se usan orificios excéntricos: – en la parte alta, para permitir el paso de gases al medir líquidos. – en la parte baja, para dejar pasar sólidos suspendidos. 2007

Tubo Venturi : Se utiliza cuando es importante limitar la caída de presión. Consiste en un estrechamiento gradual cónico y una descarga con salida también suave. Se usa para fluidos sucios y ligeramente contaminados. Se utiliza para tasas de "turn down" (relación entre el máximo y el mínimo caudal, ej. 4:1 ) altas, como la de las líneas de vapor. El alto coste restringe su utilización. El efecto Venturi se explica por el Principio de Bernoulli y el principio de continuidad de masa. Si el caudal de un fluido es constante pero la sección disminuye, necesariamente la velocidad aumenta. Por el teorema de conservación de la energía si la energía cinética aumenta, la energía determinada por el valor de la presión disminuye forzosamente. 2007

2007

Tubo de Pitot : Mide la velocidad en un punto. Consiste en un tubo de pequeño diámetro que se opone al flujo, con lo que la velocidad en su extremo mojado es nula. Midiendo la altura de la columna de líquido tenemos la presión total del punto. Si medimos la presión estática con otro tubo, podemos calcular la velocidad como función de la diferencia de presiones. Sus ventajas son la escasa caída de presión y bajo precio, siendo por ello una buena elección para tuberías de gran diámetro y para gases limpios. El tubo Annubar es una variante del tubo de Pitot que dispone de varias tomas, a lo largo de la sección transversal, con lo que se mide la presión total en varios puntos, obteniendo la media de estos valores y evitando el error que produce el tubo de Pitot. 2007

2007

Medidores de Impacto : Miden la fuerza sobre una placa (generalmente un disco circular) que se coloca en contra del flujo. Tienen baja precisión ( %), pero son adecuados fluidos sucios, de alta viscosidad y contaminados. 2007

MEDIDORES DE VELOCIDAD
Medidor de turbina Medidor electromagnético Medidor Vortex Rotámetro Medidor de ultrasonidos 2007

Medidor de Turbina : El fluido entra en el medidor y hace girar un rotor a una velocidad que es proporcional a la del fluido, y por tanto al caudal instantáneo. La velocidad de giro del rotor se mide por conexión mecánica (un sensor registra el número de vueltas) o por pulsos electrónicos generados por cada giro. Son los más precisos (Precisión %). Son aplicables a gases y líquidos limpios de baja viscosidad. Problemas: Pérdida de carga y partes móviles 2007

2007

Medidor de Electromagnético : Se basan en la Ley de inducción electromagnética de Faraday: “el voltaje inducido en un conductor que se mueve en un campo magnético, es proporcional a la velocidad del conductor, dimensión del conductor, y fuerza del campo magnético” (E=K V D B). Es poco sensible a los perfiles de velocidad y exigen conductividad de 5μΩ/cm. No originan caída de presión . Se usan para líquido sucios, viscosos. y contaminados. Precisión: % 2007

El medidor consta de: Tubo de caudal: el propio tubo (de material no magnético) recubierto de material no conductor (para no cortocircuitar el voltaje inducido), bobinas generadoras del campo magnético, electrodos detectores del voltaje inducido en el fluido. Transmisor: Alimenta eléctricamente (C.A. o C.C.) a las bobinas. Elimina el ruido del voltaje inducido. Convierte la señal (mV) a la adecuada a los equipos de indicación y control (mA, frecuencia, digitales). 2007

2007

Medidor de Vortex : La introducción de un cuerpo romo en la corriente de un fluido provoca un fenómeno de la mecánica de fluidos conocido como vórtice o torbellino (efecto de Van Karman). Los vórtices son áreas de movimiento circular con alta velocidad local. La frecuencia de aparición de los vórtices es proporcional a la velocidad del fluido. Los vórtices causan áreas de presión fluctuante que se detectan con sensores. Indicado para gases y líquidos limpios. Precisión: 1% 2007

Rotámetro: Medidores de área variable en los que un flotador cambia su posición de forma proporcional al caudal Como indicador visual. Se le puede hacer acoplamiento magnético Instalación en vertical 2007

2007

Ultrasonido: Emplean ondas ultrasónicas para determinar el caudal. Son adecuados para medir líquidos altamente contaminados o corrosivos, porque se instalan exteriormente a la tubería. Precisión: 2 - 5% Existen dos tipo: Medidor a Pulsos Medidor Doppler 2007

Ultrasonido – medidor de pulsos : Se introducen dos pulsos inclinados y simultáneamente, mediante dos transmisores emisor- receptor, que reflejan en la tubería. La diferencia de tiempo para el mismo camino recorrido depende de la velocidad del flujo. 2007

Ultrasonido – medidor doppler : Emite ondas de frecuencia fija que reflejan en el fluido. Como el fluido posee velocidad se produce una variación de la frecuencia de la onda reflejada 2007

MEDIDORES MASICOS Medidor másico térmico Medidor de Coriolis
Medidores volumétricos Medidor de desplazamiento positivo 2007

MEDIDORES MASICOS Medidor Másico Térmico : Medidor de incremento de Tª
Consiste en aportar calor en un punto de la corriente y medir la Tª aguas arriba y aguas abajo. Si la velocidad del fluido fuese nula no habría diferencia de Tª, pero al existir velocidad la diferencia de Tª es proporcional al flujo másico existente. Lo más común es el diseño en bypass. Precisión: 1% 2007

MEDIDORES MASICOS 2007

MEDIDORES MASICOS Medidor de Coriolis :
Se basa en que la aceleración absoluta de un móvil es la resultante de la relativa, la de arrastre y la de Coriolis Tres bobinas electromagnéticas forman el sensor: – La bobina impulsora hace vibrar los (dos) tubos, sometiéndolos a un movimiento oscilatorio de rotación alrededor del eje OO’. Vibran a la frecuencia de resonancia (menos energía), Hz. – Los 2 detectores electromagnéticos inducen corrientes eléctricas de forma senoidal, que están en fase si no circula fluido. El flujo atraviesa (dos) tubos en forma de U, estando sometido a una velocidad lineal "v" y una velocidad angular "ω" de rotación alrededor de O-O’, por lo que sufre una aceleración de Coriolis de valor a=2 ω x v 2007

MEDIDORES MASICOS La fuerza ejercida sobre el fluido como consecuencia de la aceleración cambia de signo con "v", por lo que se genera un par de fuerzas que produce una torsión de los tubos alrededor del eje RR'. La torsión alrededor del eje R-R’ produce un desfase de tiempo ∆t, entre las corrientes inducidas por los detectores electromagnéticos, que es proporcional al par de fuerzas ejercido sobre los tubos, y por tanto a la masa que circula por ellos. Alta precisión: ( %) La medida es independiente de la temperatura, presión, densidad, viscosidad y perfil de velocidades. Mantenimiento casi nulo, lo que abarata su coste. Se aplica a fluidos viscosos, sucios, corrosivos con Tª extrema alta o baja, y con altas presiones. 2007

MEDIDORES MASICOS 2007

MEDIDORES MASICOS Medidor Volumétrico – Desplazamiento Positivo :
El flujo se divide en segmentos de volumen conocido, contando el número de segmentos en un intervalo de tiempo. Se usa en aplicaciones de fluidos de alta viscosidad, y fluidos de menos de 5 cm / μS (no se pueden usar el medidor magnético). No se recomienda con fluidos sucios al existir partes móviles. Precisión: ( %) 2007

EN FUNCION DE LA VARIABLE DE PROCESO : Presión
¿Cómo se define PRESION? La Presión se define como la fuerza por unidad de superficie que se ejerce perpendicularmente a dicha superficie. P=F/A ¿Cuáles son sus unidades de medida? En el sistema internacional se mide en Pascales (Pa), también conocidos como [N/m2]. Esto puede hacerse equivalente a unidades del Sistema Internacional MKS :[Kg/m2]. 2007

PRESIÓN Y SUS EQUIVALENCIAS
2007

PRESIÓN ABSOLUTA Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las moléculas lo que indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o la velocidad molecular es muy pequeña. Este término se creó debido a que la presión atmosférica varía con la altitud y muchas veces los diseños se hacen en otros países a diferentes altitudes sobre el nivel del mar por lo que un término absoluto unifica criterios. 2007

PRESIÓN ATMOSFERICA El hecho de estar rodeados por una masa gaseosa (aire), y al tener este aire un peso actuando sobre la tierra, quiere decir que estamos sometidos a una presión (atmosférica), la presión ejercida por la atmósfera de la tierra, tal como se mide normalmente por medio del barómetro (presión barométrica). Al nivel del mar o a las alturas próximas a este, el valor de la presión es cercano a 14.7 lb/plg2 (760 mmHg--10m.c.a.), disminuyendo estos valores con la altitud . 2007

PRESIÓN MANOMETRICA Son normalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por medio de un elemento que registra la diferencia entre la presión que es desconocida y la presión atmosférica que existe, si el valor absoluto de la presión es constante y la presión atmosférica aumenta, la presión manométrica disminuye; esta diferencia generalmente es pequeña mientras que en las mediciones de presiones superiores, dicha diferencia es insignificante. Es evidente que el valor absoluto de la presión puede obtenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro. La presión puede obtenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro. Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica. 2007

VACIO Se refiere a presiones manométricas menores que la atmosférica, que normalmente se miden, mediante los mismos tipos de elementos con que se miden las presiones superiores a la atmosférica, es decir, por diferencia entre el valor desconocido y la presión atmosférica existente. Los valores que corresponden al vacío aumentan al acercarse al cero absoluto y por lo general se expresa a modo de centímetros de mercurio (cmHg), metros de agua, etc. De la misma manera que para las presiones manométricas, las variaciones de la presión atmosférica tienen solo un efecto pequeño en las lecturas del indicador de vacío. 2007

CLASES DE PRESIONES 2007

TIPOS DE INSTRUMENTOS 2007

RANGOS DE OPERACIÓN 2007 Tipo de Manómetro Rango de Operación
M. de Ionización a 1 x 10-3 mmHg ABS M. de Termopar 1 x 10-3 a 0.05 mmHg M. de Resistencia 1 x 10-3 a 1 mmHg M. Mc. Clau 1 x 10-4 a 10 mmHg M. de Campana Invertida 0 a 7.6 mmH2O M. de Fuelle Abierto 13 a 230 cmH2O M. de Cápsula 2.5 a 250 mmH2O M. de Campana de Mercurio (LEDOUX) 0 a 5 mts H2O M. "U" 0 a 2 Kg/cm2 M. de Fuelle Cerrado 0 a 3 Kg/cm2 M. de Espiral 0 a 300 Kg/cm2 M. de Bourdon tipo "C" 0 a 1,500 Kg/cm2 M. Medidor de esfuerzos (stren geigs) 7 a 3,500 Kg/cm2 M. Helicoidal 0 a 10,000 Kg/cm2 2007

INSTRUMENTOS MECANICOS
Estos elementos se subdividen a su vez en elementos primarios de medida directa y Elásticos. Elementos Primarios de Medida Directa: Miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y alturas conocidas. Elementos Primarios Elásticos: Se deforman por la presión interna del fluido que contienen. 2007

INSTRUMENTOS MECANICOS: Medición directa
Por lo general, este tipo de instrumentos no se aplica en el ámbito industrial, salvo en caso de ser utilizados como elementos patrones o de calibración. Algunos de los elementos primarios de medición directa son: Barómetro de Cubeta. Manómetro de Tubo U. 2007

INSTRUMENTOS MECANICOS: Elásticos
A continuación, se indican algunos de los elementos primarios elásticos más utilizados en la medición de presión. Tubo Bourdon. Diafragma. Fuelle. 2007

Tubo de Bourdon: El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espirar alrededor de un eje común. En el helicoidal se aplica el mismo concepto, pero sólo que en forma de hélice. Con estas características se obtiene una mayor longitud de desplazamiento de la aguja indicadora, favoreciendo su aplicación a sistemas registradores 2007

Tipo o elemento en Espiral: Es un tubo de sección elíptica que forma casi un anillo completo, cerrado por un extremo. Una vez que aumenta la presión al interior del tubo, este tiende a enderezarse y el movimiento se transmite a una aguja graduada. La ley de deformación del Tubo ha sido determinada empíricamente mediante diversos ensayos. 2007

Tipo o elemento Helicoidal: En el tipo helicoidal se arrolla más de una espira en forma de hélice. 2007

Aplicaciones: Líquidos y Gases. Rangos: 0.5 a bar con una precisión de ±0,5 a ±1% para el tipo C. 0.5 a bar con una precisión de ±0,5 a ±1% para el tipo Espiral. 0.5 a bar con una precisión de ±0,5 a ±1% para el tipo Helicoidal. Ventajas: Amplia disponibilidad de tubos Bourdon. Los tipos helicoidal y espiral tiene un mayor rango de desplazamiento, ideales para registradores. Tamaño pequeño. Gran duración Desventajas: Depende del material de construcción para cada zona de proceso. Mayor costo de construcción 2007

Diafragma: El manómetro a diafragma consiste en una o varias cápsulas circulares conectadas rígidamente entre sí por soldadura, de forma que al aplicar la presión, cada cápsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas. El material del diafragma es normalmente aleación de níquel o inconel. Se utiliza en pequeñas presiones 2007

Fuelle : Un fuelle metálico es un elemento cilíndrico de paredes corrugadas, que se expanden o contraen cuando están sujetas a presión. El material de los fuelles puede ser latón, bronce fosforoso o acero inoxidable, dependiendo del rango de presión deseado, la sensibilidad, la resistencia a la corrosión. Debido a que la vida de los fuelles se incrementa cuando el desplazamiento axial se mantiene restringido al mínimo posible, se emplean en conjunto con un resorte de carga que se oponga al movimiento del fuelle. Cambiando este resorte, cambia la sensibilidad y el rango del control, del mismo modo que sucede con el caso de los diafragmas. 2007

RESUMEN DE INSTRUMENTOS MECANICOS
2007

INSTRUMENTOS NEUMÁTICOS
A continuación, se indican los sensores neumáticos más utilizados en la medición de presión. Sensor de Equilibrio de Movimientos. Sensor de Equilibrio de Fuerzas. 2007

INSTRUMENTOS NEUMATICOS
Sensor de equilibrio de Movimientos: Compara el movimiento producido en el elemento de medición en relación con el asociado a la presión de referencia. El conjunto se estabiliza según la diferencia de movimientos, alcanzado siempre una posición de equilibrio tal que exista una correspondencia lineal entre la variable medida y la señal de salida. 2007

INSTRUMENTOS NEUMATICOS
Sensor de equilibrio de Fuerzas: Cuando aumenta la fuerza ejercida por el elemento de medición la palanca se desequilibra y tapa la tobera, la presión aumenta y el diafragma ejerce una fuerza hacia arriba alcanzando el nuevo equilibrio. 2007

INSTRUMENTOS ELECTROMECANICOS
Estos elementos de presión están compuestos por un elemento mecánicos elástico combinado con un transductor eléctrico que genera una señal eléctrica proporcional a la presión medida. Estos elementos se clasifican según su funcionamiento en: Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas. Resistivos. Magnéticos Capacitivos. Piezoeléctricos 2007

TRANSMISORES ELECTRONICOS DE EQUILIBRIO DE FUERZAS :
INSTRUMENTOS ELECTROMECANICOS TRANSMISORES ELECTRONICOS DE EQUILIBRIO DE FUERZAS : En este instrumento el elemento mecánico elástico de medición ejerce una fuerza sobre una barra rígida del transmisor. Para cada valor de la presión la barra adopta una posición determinada excitando un transductor de desplazamiento tal como un detector de Inductancia, Transformador Diferencial, o un detector Fotoeléctrico. 2007

TRANSMISORES ELECTRONICOS DE EQUILIBRIO DE FUERZAS
Detector de Inductancias Transformador Diferencial Detector Fotoeléctrico 2007

CARACTERISTICAS DE LOS TRANSMISORES ELECTRONICOS DE EQUILIBRIO DE FUERZAS
Presentan movimientos muy pequeños en la barra de equilibrio. Poseen realimentación. Una muy buena elasticidad. Nivel alto en la señal de salida. Presentan un ajuste del cero y del span complicado, por su constitución mecánica. Presentan una alta sensibilidad a vibraciones. La estabilidad en el tiempo es de media a pobre. Su intervalo de medida corresponde al del elemento mecánico que utilizan. Su precisión es del orden de %. 2007

TRANSDUCORES RESISTIVOS :
INSTRUMENTOS ELECTROMECANICOS TRANSDUCORES RESISTIVOS : Es uno de los transmisores mas sencillos. Consiste en un elemento elástico que varía la resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión. Las principales características de los instrumentos electromecánicos resistivos son: Su señal de salida es bastante potente, sin necesidad de amplificación. Son muy sensibles a vibraciones externas. Presentan una estabilidad pobre en el tiempo. Su intervalo de medida corresponde al del elemento mecánico que utilizan. La precisión es del orden del 1-2%. 2007

TRANSDUCORES MAGNETICOS :
INSTRUMENTOS ELECTROMECANICOS TRANSDUCORES MAGNETICOS : Se clasifican según su principio de funcionamiento en: Transductores de Inductancia Variable. Transductores de Reluctancia Variable. 2007

TRANSDUCORES DE INDUCTANCIA VARIABLE:
INSTRUMENTOS ELECTROMECANICOS TRANSDUCORES DE INDUCTANCIA VARIABLE: El desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de ésta en forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo contenida dentro de la bobina. Presenta las siguientes ventajas: En la medición no se produce rozamiento. Se obtiene una respuesta lineal. Son pequeños y de construcción robusta. No necesitan ajustes críticos en el montaje. Su precisión es del orden del +/- 1%. 2007

TRANSDUCORES DE RELUCTANCIA VARIABLE:
INSTRUMENTOS ELECTROMECANICOS TRANSDUCORES DE RELUCTANCIA VARIABLE: Consiste en un imán permanente o un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético. El circuito se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante con la que al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por lo tanto el flujo magnético. Esta variación del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es proporcional a la presión medida. 2007

TRANSDUCORES DE RELUCTANCIA VARIABLE:
INSTRUMENTOS ELECTROMECANICOS TRANSDUCORES DE RELUCTANCIA VARIABLE: Las características principales de este tipo de instrumento son: No existen rozamientos, por lo que se elimina la histéresis mecánica típica de otros instrumento. Presentan una alta sensibilidad a las vibraciones. Presentan una estabilidad media en el tiempo. Son sensibles a las temperaturas. Su precisión es del orden del +/- 0.5%. Posicionan la armadura móvil con un elemento de presión mecánico. 2007

TRANSDUCORES CAPACITIVOS:
INSTRUMENTOS ELECTROMECANICOS TRANSDUCORES CAPACITIVOS: Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión. La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. De este modo se tienen dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentado con corriente alterna. Este tipo de transductores se caracteriza por: 2007

TRANSDUCORES CAPACITIVOS:
INSTRUMENTOS ELECTROMECANICOS TRANSDUCORES CAPACITIVOS: Las características principales de este tipo de instrumento son: Su pequeño tamaño y su construcción robusta. Tienen un pequeño desplazamiento volumétrico. Son adecuados para medidas estáticas y dinámicas. Son sensibles a las variaciones de temperatura. Su intervalo de medida es relativamente amplio. Su precisión es del orden de +/-0.2 a +/-0.5 %. Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores es la medición. 2007

TRANSDUCORES PIEZOELÉCTRICOS:
INSTRUMENTOS ELECTROMECANICOS TRANSDUCORES PIEZOELÉCTRICOS: Son materiales cristalinos que al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. Los materiales típicos en la construcción de los transductores piezoeléctricos son el cuarzo y el titanato de bario, capaces de soportar temperaturas del orden de 150ºC en servicio continuo y de 230°C en servicio intermitente. Sus principales características son las siguientes: Son elementos ligeros, de pequeño tamaño y de construcción robusta. Su señal de respuesta es lineal a una variación de presión. Su precisión varía en el orden de +/- 1 %. El intervalo de medida varía entre 0.1 a 600 Kg/cm2. Son adecuados para medidas dinámicas, al ser capaces de respuestas frecuenciales de hasta 1 millón de ciclos por segundo. 2007

TRANSDUCORES PIEZOELÉCTRICOS:
INSTRUMENTOS ELECTROMECANICOS TRANSDUCORES PIEZOELÉCTRICOS: Las principales desventajas este tipo de instrumento son: Son sensibles a los cambios de temperaturas. Precisan de ajustes de impedancia en caso de fuerte choque. Su señal de salida es relativamente débil por lo que precisa de amplificadores y acondicionadores de señal que podrían introducir errores en la medición. 2007

RESUMEN DE INSTRUMENTOS ELECTROMECANICOS
2007

EN FUNCION DE LA VARIABLE DE PROCESO : Nivel
Al igual que en la medición de muchas otras variables físicas, la medición de nivel puede obtenerse en forma directa o indirecta. En el primer caso se aprovecha directamente la variación del nivel para hacer la medición, este es el caso de los flotadores, de los sensores basado en electrodos, etc. En el segundo caso se detecta la diferencia de altura en forma indirecta, como lo son por ejemplo los sensores sónicos. En la práctica existen muchos dispositivos distintos ideados para medir en aplicaciones industriales. Debido a lo extenso que resultaría estudiarlos a todos ellos en que se analizan en esta sección a los más representativos. 2007

Sensor de Nivel Tubular
Tubo de material transparente y rígido conectado al depósito por dos bridas con dos válvulas manuales de corte. El líquido sube por el tubo hasta igualar al nivel del depósito: Limitaciones: No soportan mucha presión. No soportan mucha Tª. No son resistentes a los impactos. No se pueden usar líquidos que manchen el interior del tubo. También los hay de vidrio armado (piezas de vidrio y acero) 2007

Sensor de Nivel tipo Flotador
Este sensor consiste generalmente en un conjunto compuesto por un flotador, un contrapeso y una polea. Este elemento tiene la característica de ser lineal y es un sensor de fácil construcción. 2007

Sensor de Nivel tipo Flotador
De la figura es posible deducir la relación válida para la polea, en ella se observa que cuando el nivel sufre una variación de magnitud dH la polea experimenta un desplazamiento dS de igual magnitud, esto es, el cambio de nivel se traduce en un desplazamiento angular de la polea, este desplazamiento puede ser fácilmente aprovechable si en el eje de la polea se conecta el cursor de un potenciómetro lineal. 2007

Sensores en Base a Electrodos
Este tipo de sensores se utiliza para medir nivel en sistemas con líquidos con buenas características de conductividad eléctrica. Los dispositivos que utilizan este tipo de principio constan generalmente de los electrodos, los cuales se introducen en el fluido. De este modo, puesto que el liquido es conductor, la resistencia eléctrica que se presenta entre los terminales de los electrodos variará con el nivel. Estos sensores se utilizan para conductividades iguales o mayores a 20(/cm) y en general resultan ser sensibles a los cambios de conductividad del líquido. Para mejorar el comportamiento frente a este fenómeno es aconsejable que ambos electrodos se encuentren a una corta distancia entre si. Una variación de la estrategia anterior es aquella en donde se mide directamente la resistencia del líquido, la cual variará con el nivel. Naturalmente este método, por las razones anteriormente expuestas, resulta ser más inexacto. 2007

Sensores en Base a Efecto Capacitivo
Estos elementos se utilizan tanto en la medición de niveles de líquido como de sólidos en forma granular. Su principio de funcionamiento consiste en que el material, líquido o sólido, actúa como dieléctrico entre dos placas paralelas, de modo que al variar el nivel varía la capacidad del conjunto. 2007

Sensores en Base a Efecto Capacitivo
En un condensador de placas paralelas, separadas por un dieléctrico, la capacidad esta dada por: En donde: K = Constante dieléctrica del material 0 = Permeabilidad magnética del vacío d = Distancia entre placas A = Area de las placas. El nivel del fluido o mineral forma dos condensadores, cada uno con distinto dieléctrico. El área de las placas varía con el nivel H, obteniéndose una capacidad igual a: 2007

Transductores de nivel Hidrostáticos
Es posible aprovechar algunas de las características hidrostáticas de los líquidos para medir los niveles. Así, por ejemplo, si se mide la presión absoluta en el fondo del estanque ésta será proporcional al nivel del líquido. 2007

Transductores de nivel Hidrostáticos
Los mecanismos han tenido diferentes formas: Sistema de caja con diafragma. Tubo de burbuja de aire. Medidores de presión diferencial. Medidores de presión diferencial tipo seco. Sistema de diafragma de balance de fuerzas. Al incluir circuitería electrónica moderna han permitido un gran auge de esta tecnología (autodiagnóstico, flexibilidad, conexión a SCD). Aproximadamente el 30% de los sensores de nivel son de este tipo. 2007

Métodos Visuales 2007

Sensores Ultrasónicos
Los sensores ultrasónicos son dispositivos que miden distancia usando un transductor o elemento sensitivo que envía un chorro o rayo ultrasónico, este rayo contiene una serie de ondas de sonido pulsantes, que se emiten en forma cónica, el reflejo de esto es detectado y recibido por un transmisor. El tiempo que este chorro se demora en ir al destino y volver a la fuente, es convertido en distancia medida por el sensor, vale recordar la relación: D = v * t Donde: D: distancia entre la fuente y el destino t: tiempo de recorrido de la distancia D v: velocidad de la señal ultrasónica, normalmente conocida 2007

Sensores Ultrasónicos
Los detectores de nivel sónico (9500 Hz) y ultrasónicos operan tanto por la absorción de la energía acústica a medida que viaja desde la fuente al receptor, como por la alteración (cambio de frecuencia) de una frecuencia de oscilación comprendida entre 35 a 40KHz. El transmisor se ubica en la parte superior del estanque y el pulso viaja en el aire (o el sonido 331 [m/s] a 0º C), luego, del tiempo de viaje es un dato debido a la profundidad del estanque. 2007

Sensores por Burbujeo Trabaja midiendo la presión hidrostática indirectamente. En este sensor se suministra un flujo de aire constante a través de un tubo que está sumergido en el interior del tanque, se aumenta la presión justo hasta que se obtiene la salida de burbujas, ésta es la presión que se necesita para vencer el peso de la columna líquido por encima de este punto. Con esta presión P, con la densidad del fluido r y la gravedad se obtiene el nivel despejando la siguiente fórmula P = rgH. 2007

Sensores por Diferencial de Presión
En tanques abiertos este sensor mide la diferencia de presión entre la presión hidrostática originada por el peso de la columna del líquido en la parte inferior del tanque y la presión atmosférica. La cual relaciona el nivel del líquido con la siguiente fórmula PL - Patm = rgH, donde PL es la presión hidrostática del peso de la columna del líquido, Patm es la presión atmosférica, r es la densidad del fluido, g es la gravedad, y H el nivel del líquido. En tanques cerrados este sensor mide la diferencia de presión que se genera entre la parte inferior y superior del tanque, y la cual relaciona el nivel con la siguiente fórmula PI - PS = rgH, donde PI - PS es la diferencia de presión entre la parte inferior y superior del tanque, r es la densidad del fluido, g es la gravedad, H es el nivel del líquido. 2007

Nivel por Radiación Consiste de un emisor de rayos gamma en la parte superior y un receptor gaiger en el fondo del tanque. La intensidad con la que llegan estos rayos da una indicación de la cantidad de líquido o sólido contenido en el deposito. 2007

Sensor de Diafragma Consiste en una membrana flexible que está colocada en un punto especifico en la pared del tanque y donde se desea saber si el nivel ha llegado. Cuando el sólido va subiendo su nivel hace contacto con esta membrana la cual está unida por medio de un juego de palancas a un interruptor eléctrico, este se aprovecha para indicar que el nivel ya llego a esta posición. 2007

Cono Suspendido Consiste en una varilla que termina en forma de cono y la cual está colocada en un punto donde se desea saber si el nivel del sólido ha llegado. Al subir el nivel, este hace contacto con el cono de la varilla, activando un interruptor eléctrico que está acoplado a él. Aprovechado esto, para indicar que el nivel ya llego a la posición. 2007

Varilla Flexible Consiste en una varilla que termina en forma de cono y la cual está colocada en un punto donde se desea saber si el nivel del sólido ha llegado. Al subir el nivel, este hace contacto con el cono de la varilla, activando un interruptor eléctrico que está acoplado a él. Aprovechado esto, para indicar que el nivel ya llego a la posición. 2007

Medidor Conductivo Consiste en un electrodo el cual está colocado en un punto donde se desea saber si el nivel del sólido ha llegado. Cuando el sólido que tiene que ser de un material conductor hace contacto con el electrodo, cierra un circuito eléctrico indicando de esta forma que llego al nivel esperado. 2007

Paletas Rotativas Consiste en un juego de paletas que se mueven a baja velocidad, cuando el producto sólido llega a las paletas, estas se inmovilizan activando un interruptor eléctrico. 2007

Sondeo Electromecanico
Consiste en un peso móvil conectado a un motor por medio de poleas, este peso móvil baja hasta que toca la superficie del sólido y nuevamente sube. En todo momento se está detectando la posición del sólido con este método. 2007

Nivel de Bascula En este caso se coloca una bascula en la tolva para medir el peso del sólido que se está depositando, si se conoce las características de densidad de este sólido se determina el nivel. 2007

PRINCIPALES METODOS DE MEDICIÓN DE NIVEL
1.- Líquidos Limpios. E.- Excelente (sin restricciones de uso) 2.- Líquidos con Espuma. B.- Bueno (con restricciones de uso) 3.- Interface. R.- Regular (pocas aplicaciones) 4.- Pulpa. 5.- Sólidos. 2007

EN FUNCION DE LA VARIABLE DE PROCESO : Temperatura
¿Cómo se define Temperatura? “Magnitud física que expresa el grado o nivel de calor de los cuerpos o del ambiente. Su unidad en el Sistema Internacional es el grado kelvin (ºK). “ Otras escalas: Celsius. Fahrenheit (países anglosajones). 2007

RELACION ENTRE ESCALAS
Cero Absoluto Fusión del Hielo Evaporación Kelvin Rankine Reamur Centígrada Fahrenheit 0°K 0°R -218.5°Re -273.2°C -459.7°F 273.2°K 491.7°R 0°Re 0°C 32°F 373.2°K 671.7°R 80.0°Re 100.0°C 212.0°F 2007

CONVERSIONES 2007

EFECTOS PRODUCIDOS POR LA TEMPERATURA
Diferentes efectos producidos por la temperatura: Aumento de las dimensiones (Dilatación). Aumento de presión a volumen constante. Cambio de fem. inducida. Aumento de la resistencia. Aumento en radiación superficial. Cambio de temperatura. Cambio de estado sólido a líquido. Cambio de calor 2007

Termómetros de Vidrio Son instrumentos que se utilizan para medir la temperatura de los cuerpos, su funcionamiento se basa en la propiedad que tienen algunas sustancias de variar su volumen con la temperatura, pueden usarse en ellos sustancias sólidas, liquidas o gaseosas como termométricas, con la única exigencia que la variación de volumen sea en el mismo sentido de la temperatura. Los más comunes son: Mercurio: (-37º C, 315ºC), Mercurio con gas inerte (N2): (-37ºC, 510ºC), Alcohol: hasta -62ºC Precisión 1% del rango. 2007

Termómetros de Vidrio Su bulbo relativamente grande en la parte mas baja del termómetro contiene la mayor cantidad del liquido el cual se expande cuando se caliente y sube por el tubo capilar en el cual esta grabada una escala apropiada con marcas, en la parte superior del tubo capilar se coloca en case de que el margen de temperatura del termómetro se exceda de manera inadvertida. Los líquidos mas usados son el alcohol y el mercurio. El alcohol tiene la ventaja de poseer un coeficiente de expansión más alto que el del mercurio pero esta limitado a mediciones de baja temperatura debido a que tiende a hervir a temperaturas altas. El mercurio no puede usarse debajo de su punto de congelación de °F (-37.8°C). 2007

Termómetros Bimetalicos
Constan de dos láminas metálicas con diferente coeficiente de dilatación, unidas sólidamente por sus extremos. Cuando la cinta se somete a cualquier temperatura mas alta a la temperatura a la cual se hizo la liga se doblara en una dirección: cuando se somete a una temperatura inferior, se dobla al otro lado. Muy usados como termostatos. Cuando por efecto de la Tª se dilatan, se deforman produciéndose un esplazamiento mecánico cuya fuerza se emplea para mover una aguja indicadora o activar un mecanismo de control. Helicoidales Rango: 0 a 500ºC Precisión: 1% 2007

Termómetros de Bulbo La variación de Tª produce la expansión o contracción del fluido lo que deforma el recinto que lo contiene. La deformación es apreciada por un muelle Bourdon y transmitida a un indicador o transmisor – Rango: (-40ºC a +425ºC) – Precisión: 1% 2007

Termómetros de Resistencia
Existen dos tipos básicos de termómetros resistivos: Aquellos en que la resistencia eléctrica está constituida por un metal o aleación (platino, níquel, cobre, manganina, etc.) Aquellos en que está constituida por un material semiconductor (típicamente óxidos metálicos). Para un transductor termométrico del primer tipo usamos la Denominación termo-resistencia o las siglas inglesas RTD (resistance temperature detector). Los del segundo tipo se denominan termistores (en inglés thermistor). 2007

Se basan en que la resistencia eléctrica de metales puros aumenta con la Tª. En algunos de forma casi lineal. Este principio proporciona una forma muy precisa de medir. Se necesita un material: – resistente a la corrosión y ambientes hostiles – comportamiento lineal – alta sensiblidad – fáciles de fabricar – estables -- facilidad de Instalación. 2007

Rango: (platino) -200ºC a +500ºC • Precisión: 0.2% • PT100. Sensiblidad ohmios/ºC • Para medir la variación de resistencia en el detector se usan circuitos basados en el puente de Wheatstone 2007

Termistores Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura: Semiconductores o cerámicos Alta sensibilidad 100 ohmios/grado (la PT100: ohmios por grado) No lineal. Linealizar en torno al punto de trabajo Rango de Tª pequeño. Útil para Tª ambiente Muy baratos y pequeños (=> menor cte. de tiempo) Menos precisión (a veces no interesa más) Problemas de estabilidad Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve aumentado a medida que aumenta la temperatura Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos 2007

Termopares Sensores activos. Usan el efecto Seebeck: circula una corriente cuando dos hilos de metales distintos se unen y se calienta uno de los extremos. Se puede medir el voltaje, que es proporcional a la diferencia de temperaturas. Señal de salida muy baja: milivoltios. Necesita acondicionamiento de la señal. Sensibilidad baja: microvoltios por grado. Aguantan altas temperaturas (p.e. calderas) Bastante lineales 2007

Tipos de Termopares Tipo K (Cromo (Ni-Cr) / Aluminio (aleación de Ni-Al)): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a ºC y una sensibilidad 41µV/°C aprox. Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C. Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 ºC ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC. Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros. 2007

Tipos de Termopares Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 ºC). Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a ºC. El tipo B por lo general presenta el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje. Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta ºC. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado quitan su atractivo. Tipo S (Hierro / Constantán): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los ºC, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C). Tipo T: es un termopar adecuado para mediciones en el rango de -200 ºC a 0 ºC. El conductor positivo está hecho de cobre y el negativo, de constantán. 2007

PRECAUCIONES Problemas de conexión: Utilizar solo las extensiones adecuadas del metal. Resistencia de la guía : evitar alta resistencia de las extensiones. Descalibración: involuntaria debida al medio. Verificar aislación térmica de las guías. Ruido: alteración electromagnética de la medida. Ej. Motor. Desviación térmica :Disipación térmica a la atmósfera. 2007

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. Una aplicación típica es la medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o fundiciones. 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. 2007

Pirometros 2007

CARACTERISTICAS MEDIDORES DE TEMPERATURA
2007

Consultas ???? 2007

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