Capitulo III

1. Capitulo III Instrumentos de Medición Profesor: Rafael Guzmán Muñoz rguzmanm@codelco.cl 2007

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

3. 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

4. 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

5. EN FUNCION DEL INSTRUMENTO 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

6. EN FUNCION DEL INSTRUMENTO 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

7. EN FUNCION DEL INSTRUMENTO 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

8. EN FUNCION DEL INSTRUMENTO 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

9. EN FUNCION DEL INSTRUMENTO 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

10. EN FUNCION DEL INSTRUMENTO 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

11. EN FUNCION DEL INSTRUMENTO 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

12. EN FUNCION DEL INSTRUMENTO 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, 4-20 mA c.c. en señal eléctrica, que actúan sobre el elemento final de control. 2007

13. EN FUNCION DEL INSTRUMENTO 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

14. EN FUNCION DEL INSTRUMENTO 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

15. 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

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17. EN FUNCION DE LA VARIABLE DE PROCESO 2007

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

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

20. 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

21. 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

22. CAUDAL • Medidores Másicos • Medidor másico térmico • Medidor de Coriolis • Medidores volumétricos 2007

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

24. MEDIDORES DE PRESION DIFERENCIAL 2007

25. MEDIDORES DE PRESION DIFERENCIAL 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

26. MEDIDORES DE PRESION DIFERENCIAL • 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

27. MEDIDORES DE PRESION DIFERENCIAL 2007

28. MEDIDORES DE PRESION DIFERENCIAL 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

29. MEDIDORES DE PRESION DIFERENCIAL 2007

30. MEDIDORES DE PRESION DIFERENCIAL 2007

31. MEDIDORES DE PRESION DIFERENCIAL Medidores de Impacto : • Miden la fuerza sobre una placa (generalmente un disco circular) que se coloca en contra del flujo. • Tienen baja precisión (0.5 - 5%), pero son adecuados fluidos sucios, de alta viscosidad y contaminados. 2007

32. MEDIDORES DE VELOCIDAD • Medidor de turbina • Medidor electromagnético • Medidor Vortex • Rotámetro • Medidor de ultrasonidos 2007

33. MEDIDORES DE VELOCIDAD 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 0.15 - 1 %). • Son aplicables a gases y líquidos limpios de baja viscosidad. • Problemas: Pérdida de carga y partes móviles 2007

34. MEDIDORES DE VELOCIDAD 2007

35. MEDIDORES DE VELOCIDAD 2007

36. MEDIDORES DE VELOCIDAD 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: 0.25 - 1% 2007

37. MEDIDORES DE VELOCIDAD 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

38. MEDIDORES DE VELOCIDAD 2007

39. MEDIDORES DE VELOCIDAD 2007

40. MEDIDORES DE VELOCIDAD 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

41. MEDIDORES DE VELOCIDAD 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

42. MEDIDORES DE VELOCIDAD 2007

43. MEDIDORES DE VELOCIDAD 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

44. MEDIDORES DE VELOCIDAD 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

45. MEDIDORES DE VELOCIDAD 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

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

47. 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

48. MEDIDORES MASICOS 2007

49. 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), 600-2000 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

50. 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: (0.2 - 0.5%) • 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