• Author / Uploaded
• Anthony Marcelo Perez Lacherre

Citation preview

UNIDAD

V

Medición de Nivel y Flujo

Pag. 0

TECSUP Virtual

Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales

Índice 1. 2.

INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 1 OBJETIVOS............................................................................................................... 1 2.1. MEDIDORES DE NIVEL ..................................................................................... 1 2.1.1. MEDICIÓN DIRECTA .............................................................................. 1 2.1.2. MEDICIÓN INDIRECTA........................................................................... 3 2.2. MEDIDORES DE FLUJO ..................................................................................... 5 2.2.1. MEDICIÓN POR PRESIÓN DIFERENCIAL.................................................. 5 2.2.2. MEDIDORES DE ÁREA VARIABLE ............................................................ 6 2.2.3. MEDIDORES MAGNÉTICOS..................................................................... 7 2.2.4. MEDIDOR A TURBINA ............................................................................ 7 2.2.5. MEDIDOR DE VÓRTICE .......................................................................... 7 2.2.6. MEDIDORES DE FLUJO TOTAL ............................................................... 8

Pag. 0

TECSUP Virtual

Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales

UNIDAD V “MEDICION DE NIVEL Y FLUJO” 1. INTRODUCCIÓN Existe una gran variedad de dispositivos de medición de nivel y flujo según las necesidades de la industria. En algunos casos la precisión es relativa y basta con tener una idea aproximada de la variable o conocer cuando se llega a un límite preestablecido. En otros casos, se necesita un control preciso de estas variables por su efecto significativo en la calidad del proceso, controlabilidad o aún costo. 2. OBJETIVOS • •

Identificar las diversas formas de medir nivel y flujo en la Industria Conocer las características de los dispositivos más empleados para medir estas variables

2.1. MEDIDORES DE NIVEL Los medidores de nivel pueden clasificarse en dos grupos generales: directos e indirectos. Los primeros aprovechan la variación de nivel del material (líquido o sólidos granulares) para obtener la medición. Los segundos, usan una variable, tal como presión, que cambia con el nivel del material. Para cada caso, existen instrumentos mecánicos y eléctricos disponibles. 2.1.1.

MEDICIÓN DIRECTA Los primeros dispositivos usados para indicar nivel consistían de tubos de vidrio de modo tal que el operador viese el fluido de proceso. Con el correr del tiempo, los cristales planos del tipo reflexivo o transparente han reemplazado a los anteriores. En el caso de que el fluido sea peligroso (corrosivo, tóxico, etc.) como para emplear vidrio, se utilizan los de tipo magnético, en los cuales un imán instalado en un flotador permite el desplazamiento de un seguidor y este mecánicamente mueve un indicador relacionado a una escala graduada. El empleo de flotadores es muy común, generalmente para acciones de control (interruptores de nivel). Del mismo modo los desplazadores, tienen acciones similares a los flotadores o boyas, con la diferencia que su movimiento, es más restringido. Cuando el nivel de líquido cambia, la cantidad cubierta por el desplazador, va creciendo a medida que este es sumergido. La fuerza es transferida a un sistema neumático a través de un eje y de allí al indicador. El método de contacto puede ser empleado para sólidos granulares o para líquidos; en estos casos se emplea una pesa o un flotador respectivamente. El inicio de medida se da por un pulsador o un temporizador, para poner la pesa o flotador conectado a un cable, en reposo sobre el material. Lo que se sensa realmente es la variación de la tensión del cable cuando se entra en contacto con los sólidos granulares o el líquido a medir. La indicación del nivel se da por intermedio de un circuito eléctrico asociado al motor que sube y baja el cable.

Unidad V

Pag. 1

TECSUP Virtual

Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales Los sondas eléctricas propiamente dichas, emplean métodos conductivos, capacitivos y ultrasónicos para medición de nivel. A causa de la distancia de los electrodos, la sonda de conductividad se asemeja a una bujía. Estos dispositivos son usados con líquidos conductores. Los electrodos se alimentan con corriente continua, siendo montados dentro del recipiente contenedor del líquido; cuando el líquido toma contacto con cualquiera de los electrodos, una corriente eléctrica fluye entre el electrodo y tierra. Este método cuando se usa para algún tipo de control, es por lo general para actuar sobre una bomba.

Figura 1 : Medición por conductividad (cortesía de Endress + Hauser) El método capacitivo utiliza una sonda como una de las placas de un condensador, siendo la otra placa el contenedor mismo. El material entre ellos, viene a ser dieléctrico. El cambio de nivel origina un cambio en la salida del circuito electrónico, proporcional al cambio de la capacidad (figura 6), por lo que este método es de indicación continua del nivel a diferencia del conductivo que sería entonces, uno discreto.

Figura 2 : Método capacitivo (cortesía de Endress + Hauser) Los medidores del tipo ultrasónico se usan tanto para medición continua, como discreta de nivel, aunque generalmente su uso está dado en acciones de alarma.

Pag. 2

Unidad V

TECSUP Virtual

Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales En todos los diseños, se genera una señal en frecuencia y la interrupción o detección de la señal generada es la base para una acción de control (detectores discretos). En medición continua, se mide el tiempo transcurrido entre la emisión de la señal y la recepción de la reflejada.

Figura 3 : Medición por ultrasonido (cortesía de Endress + Hauser) 2.1.2.

MEDICIÓN INDIRECTA Varios tipos de dispositivos de medición indirecta de nivel son en efecto sensores de presión hidrostáticos. El más sencillo consiste en un manómetro ubicado en el nivel cero de un contenedor de líquido. Cualquier incremento de nivel causa un aumento de la presión hidrostática, la cual es medida con el manómetro. La escala del manómetro es graduada en unidades de nivel. En el caso de método de burbujeo, se utiliza una tubería conectada verticalmente en el contenedor. El extremo con abertura de la tubería es ubicado en el nivel cero del contenedor. El extremo es conectado a un suministro de aire. Cuando se va a hacer la medición de nivel, el suministro de aire es regulado para que así la presión sea ligeramente más alta que la presión hidrostática. Este punto se encuentra al observar burbujas saliendo por el extremo inferior del tubo. Se lee entonces en el manómetro la indicación de nivel (pies, pulgadas, galones, etc.). Un instrumento muy popular que utiliza el método por presión hidrostática es el transmisor de presión diferencial; en realidad, este envía una señal normalizada proporcional a la diferencia de dos presiones, una debida al líquido cuyo nivel se desea determinar (entrada alta) y otra debida a la presión atmosférica (entrada baja), siempre y cuando sea un sistema abierto (tanque abierto a la atmósfera). Para el caso de tanques cerrados, la entrada "baja" debe conectarse ya sea directamente en contacto con el gas encerrado en el extremo superior del depósito o utilizando un fluido de sello. En todo caso, la calibración adecuada permitirá una señal de salida (electrónica o neumática) proporcional al nivel.

Unidad V

Pag. 3

TECSUP Virtual

Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales

Figura 4 : Medición con transmisor de presión diferencial (cortesía de Endress + Hauser) Los dispositivos radiactivos también pueden ser utilizados tanto para medición discreta como continua de nivel. Se utilizan fundamentalmente cuando el material a ser medido es muy corrosivo, cuando las temperaturas en el punto de medición durante el proceso son muy altas, o en general, cuando la situación no permite la instalación de elementos primarios dentro del recipiente de almacenamiento. En la aplicación de medición discreta o mejor dicho para detectar un determinado punto, la fuente radiactiva y su receptor, se montan a ambos lados del tanque al nivel deseado para la detección. Cuando el material se interpone entre el emisor y el receptor, se corta el suministro del material hacia el recipiente. En la aplicación que requiere una medición continua del nivel por este mismo método, se utilizan varias fuentes radiactivas y uno o más detectores.

Figura 5 : Método por radiactividad (cortesía de Endress + Hauser) Otro método indirecto para determinar el nivel de los materiales es medir el peso de los mismos, en forma mecánica o eléctrica. Los sistemas eléctricos utilizan las llamadas celdas de cargas basadas en galgas extensiométricas (ya mencionadas anteriormente).

Pag. 4

Unidad V

TECSUP Virtual

Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales A medida que las celdas son comprimidas por el peso del material dentro del recipiente, también cambia la resistencia de las galgas y por lo tanto varía la señal eléctrica a la salida del puente de Wheatstone usado en la medición. La medición puede ser analógica o digital y la escala estará calibrada en unidades de nivel.

2.2. MEDIDORES DE FLUJO La medición de flujo constituye tal vez, el eje más alto porcentaje en cuanto a medición de variables industriales se refiere. Ninguna otra variable tiene la importancia de esta, ya que sin mediciones de flujo, sería imposible el balance de materiales, el control de calidad y aún la operación de procesos continuos. Existen muchos métodos para medir flujos, en la mayoría de los cuales, es imprescindible el conocimiento de algunas características básicas de los fluidos para una buena selección del mejor método a emplear. Estas características incluyen viscosidad, densidad, gravedad específica, compresibilidad, temperatura y presión, las cuales no vamos a detallar aquí. Básicamente, existen dos formas de medir el flujo: el caudal y el flujo total. El caudal es la cantidad de fluido que pasa por un punto determinado en cualquier momento dado. El flujo total de la cantidad de fluido por un punto determinado durante un periodo de tiempo específico. Veamos a continuación algunos de los métodos empleados para medir caudal. 2.2.1.

MEDICIÓN POR PRESIÓN DIFERENCIAL Utiliza dispositvos que originan una presión diferencial debido al paso de un fluido por una restricción. La razón de hacer esto es que el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de presiones entre dos puntos, antes y después de la restricción. Uno de estos elementos es la placa - orificio o placa perforada. Allí, el fluido sufre una disminución de su presión, la cual es mínima en el punto denominado "vena contracta". Si bien es cierto, la presión tiende a recuperarse, existe al final una pérdida de presión. Una placa- orificio se coloca en una tubería, sujeta entre dos bridas. La forma y ubicación del agujero son el rasgo distintivo de tres tipos de este dispositivo: la placa concéntrica, la excéntrica y la segmental; la selección de algunas de éstas depende de las características del fluido a medir. Existen tres tipos de tomas de presiones a ambos lados del elemento primario: tomas de bridas, tomas de tubería y tomas de vena contracta. Igualmente, aquí las características del fluido influirán en la elección de alguna de estas. Típicamente se utiliza un transmisor de presión diferencial para la toma de las presiones y el envío de una señal que represente al flujo. A esta señal sin embargo se le debe extraer la raíz cuadrada para obtener una respuesta lineal con respecto al flujo. Antiguamente se empleaban instrumentos especiales para tal fin. Hoy, esta es una función de software en instrumentos digitales. La placa perforada es finalmente, un elemento simple, barato, aunque no muy preciso, como otros dispositivos de presión diferencial. Aunque funcionalmente es sujeta a la erosión y daño, es fácil de reemplazar.

Unidad V

Pag. 5

TECSUP Virtual

Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales

Figura 6 : Medición con placa - orificio y transmisor de presión diferencial (cortesía de Endress + Hauser) Otra restricción de tubería para la medición del flujo es el tubo Venturi, el cual es especialmente diseñado a la longitud de la "tubería". Tiene la forma de dos embudos unidos por sus aberturas más pequeñas y se utiliza para tuberías grandes; es más preciso que la placa-orificio, pero es considerablemente más costoso y más difícil de instalar. Un promedio entre la placa-orificio y el tubo Venturi es la tobera de flujo, la cual asemeja la mitad de un tubo Venturi por donde entra el fluido; este dispositivo es tan preciso como el tubo Venturi, pero no tan costoso ni difícil de instalar. Las tomas de presión utilizadas para el tubo Venturi, están situadas en los puntos de máximo y mínimo diámetro de tubería. Para el caso de la tobera, se ubican según recomendaciones del fabricante. Otro elemento primario para medir flujo por el método de presión diferencial es el Tubo Pilot, el cual en su forma más simple, consiste en un tubo con un orificio pequeño en el punto de medición (impacto). Cuando el fluido ingresa al tubo, su velocidad es cero y su presión es máxima. La otra presión para obtener la medida diferencial, se toma de un punto cercano a la pared de la tubería. Realmente, el tubo Pilot mide velocidad de fluido y no caudal y además, no necesariamente el fluido debe estar encerrado en una tubería. Podría por ejemplo, ser usado para medir el flujo del agua de un río o flujo de aire al ser suspendido desde un avión. 2.2.2.

MEDIDORES DE ÁREA VARIABLE Se distinguen de los anteriores en que en aquellos existe una variación de presión, mientras el área permanece constante. Aquí sin embargo, lo que permanece constante es la presión diferencial, gracias a la suficiente variación del área. Uno de estos es el rotámetro el cual consta de un tubo cónico vertical que encierra un flotador; éste, dependiendo del caudal, toma una posición en el tubo que aumenta o disminuye el tamaño del área y así mantiene la presión constante. Una escala graduada dentro del tubo, estará calibrada en unidades de presión y así tener una lectura directa de la misma.

Pag. 6

Unidad V

TECSUP Virtual

Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales Los rotámetros se pueden fabricar con tubos de vidrio, metal y plástico. Estos dos últimos se utilizan cuando el fluido es muy corrosivo o my oscuro para permitir la colocación de una escala interna. En esos casos se usa un seguidor magnético relacionado a un imán colocado en el flotador interno y así transmitir mecánicamente la variación del caudal a un indicador.

2.2.3.

MEDIDORES MAGNÉTICOS Utilizan la ley de inducción de Faraday, que establece que cuando una corriente pasa por un conductor y existe un campo magnético en dirección transversal al mismo, se crea un potencial eléctrico proporcional a la corriente. En la aplicación para medir caudal, se coloca un tubo aislado eléctricamente con un par de electrodos montados a ambos lados del tubo y rasantes con el fluido. Unas bobinas eléctricas se colocan alrededor del tubo de modo tal de generar un campo magnético en un plano perpendicular, tanto al eje del cuerpo del voltaje de salida es proporcional a la velocidad promedio del fluido; no interesa si este es laminar o turbulento. Además, es independiente de la viscosidad, densidad, temperatura y presión. Si bien es cierto, se requiere que el fluido tenga cierta conductividad mínima, la señal de salida no varía con el aumento de la conductividad, lo cual es una ventaja. En aplicaciones en donde es necesario medir flujo de masa, se puede lograr esto midiendo la densidad del fluido y multiplicando las dos señales.

2.2.4.

MEDIDOR A TURBINA Un instrumento de este tipo consiste de una rueda de turbina de precisión, montada en cojinetes de una porción de tubería, y una bobina electromagnética colocada en la pared de la tubería, causa el giro de la turbina a una velocidad que varía directamente con el caudal del fluido de proceso. La interrupción del campo magnético, con cada paso de cada hoja de la turbina produce un pulso eléctrico. La frecuencia de estos pulsos determina la velocidad del fluido.

2.2.5.

MEDIDOR DE VÓRTICE La forma de medición es parecida a la de la turbina. Sin embargo, aquí un dispositivo fijo a la entrada de la tubería similar a una hélice, genera un movimiento rotatorio al fluido. Otro dispositivo, se encarga posteriormente de restablecer el caudal original al fluido. La oscilación de éste en el punto de medición, es proporcional al caudal. Estas oscilaciones producen variaciones de temperatura en un sensor colocado en el área, variaciones que luego se convierten en pulsos de voltaje que son amplificados, filtrados y transformados en ondas cuadradas para ser luego ingresados a un contador electrónico.

Unidad V

Pag. 7

TECSUP Virtual

Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales

Figura 7 : Medidores magnético y vórtice (cortesía de Endress + Hauser) Existen otros medidores de caudal como son el de placa de impacto, que mide flujo, sumando la fuerza que el fluido desarrolla sobre un "blanco" que es una placa de disco; esta fuerza es proporcional a la raíz cuadrada del flujo, los de ultrasonido, que emplean un transmisor y un receptor (a veces instalados en el mismo receptáculo) para medir la desviación en frecuencia en la señal del transmisor, debido a la velocidad del fluido. En los casos de medición de caudal en canales abiertos, se pueden mencionar la represa, la tobera abierta y los vertederos en donde básicamente se mide nivel de fluido, que varía al pasar por estos dispositivos. Un pozo quieto adyacente al canal tiene un sensor de nivel (generalmente un flotador), cuya posición vertical varía en función del caudal. 2.2.6.

MEDIDORES DE FLUJO TOTAL Dentro de este tipo de dispositivos se tienen los denominados medidores de desplazamiento positivo, los cuales, separan la corriente de flujo en incrementos volumétricos individuales y cuentan dichos incrementos. Los medidores son fabricados de modo tal que cada instrumento volumétrico es conocido en forma precisa y la suma de estos incrementos da una medida muy aproximada del volumen total que pasa a través del medidor. La mayoría de los medidores de desplazamiento positivo son de tipo mecánico y usados principalmente para medir cantidades totales del fluido a ser transferido y a menudo se asocian a otros dispositivos para lograr acciones de indicación, registro o control. Entre los más utilizados, figuran los de disco oscilante, pistón oscilante, cicloidal, oval, birrotor, etc. Los medidores de flujo de masa en sus diversos tipos y los computadores de flujo, constituyen hoy en día una muestra del avance de la tecnología en la medición de esta variable. El medidor tipo Coriolis es un ejemplo de los primeros. Aquí el fluido fluyendo a través de un tubo vibrante causa una deflexión en el tubo proporcional al flujo de masa. Estos medidores tienen gran exactitud.

FIN DE LA UNIDAD Pag. 8

Unidad V