2.1 temperatura. - biblioteca upibi

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ACADEMIA DE BIOINSTRUMENTACIÓN
2.1 TEMPERATURA.
2.1.1 CLASIFICACIÓN
Generalidades.
Se puede definir temperatura como el grado de energía térmica medida en una escala
definida. La temperatura de un cuerpo es su intensidad de calor, o sea la cantidad de
energía que puede ser transferida a otro cuerpo. Es una medida de la energía cinética de las
partículas que componen el sistema.
Cuando dos sistemas están a la misma temperatura, se dice que están en equilibrio
térmico y no se producirá transferencia de calor. Cuando existe una diferencia de
temperatura, el calor tiende a transferirse del sistema de mayor temperatura al de menor
temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico.
Multitud de propiedades físicas de los materiales o las sustancias dependen de la
temperatura, como por ejemplo su estado (gaseoso, líquido, sólido, plasma...), la densidad,
la solubilidad, la presión de vapor, el volumen de un líquido, la longitud de una varilla, la
resistencia de un alambre, la presión de un gas que se conserve a volumen constante, o bien
el volumen de un gas que se conserva a presión constante, así como el color de un filamento
de una lámpara o la conductividad eléctrica. Así mismo determina la velocidad a la que
tienen lugar las reacciones químicas.
Hay muchas propiedades físicas mesurables que cambian al variar nuestra
percepción fisiológica de la temperatura, entre ellas el volumen de un líquido, la longitud de
una varilla, la resistencia de un alambre, la presión de un gas que se conserve a volumen
constante, o bien el volumen de un gas que se conserva a presión constante, así como el
color de un filamento de una lámpara.
Las escalas de medición son cinco a saber:
a) Escala en grados centígrados o Celsius.
Se divide el intervalo de temperatura de ebullición del agua en 100 partes o grados, el
punto de fusión es 0ºC y el de ebullición a 100ºC.
b) Escala en grados Fahrenheit.
Esta escala divide los intervalos de temperatura entre el punto de fusión del hielo y el
punto de ebullición del agua en 180 grados, al punto de congelación le corresponde el valor
de 32ºF y al de ebullición de 212ºF.
c) Escala Kelvin.
Esta es una escala absoluta, su cero es el cero absoluto o sea que la temperatura
teórica en la cual no hay movimiento molecular, o sea calor cero. Según esta escala el punto
de fusión del hielo corresponde a 273.1ºK y el punto de ebullición del agua corresponde a
373.1ºK.
MARIA DE LOURDES CORTES IBARRA/RIGOBERTO GARIBAY SÁNCHEZ
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d) Escala Ranking.
Esta también es una escala absoluta, pero considerando las divisiones de la escala
Fahrenheit, en esta escala 0ºF corresponden a 459.6ºR.
e) Escala Reaumur.
Esta escala de temperaturas desarrollada en 1730 por René-Antoine Ferchault de
Reaumur . El concepto inicial era usar vino diluido como líquido termométrico y para designar
el punto de congelación del agua como 1000 y el punto de ebullición del agua como 1080.
Esto fue cambiando de modo que el intervalo fundamental, entre punto de congelación y
punto de ebullición del agua sea de 80 grados. En el presente la escala es poco usada
excepto en la industria de bebidas y licores. Las temperaturas son denotadas por el termino
ºRé y por el símbolo ºRé, en la tabla se hacen las comparaciones de las cinco escalas de
temperatura, referidas a tres puntos básicos, el cero absoluto, la congelación del agua y la
ebullición del agua.
En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (°K).
Sin embargo, está muy generalizado el uso de otras escalas de temperatura, concretamente
la escala Celsius (o centígrada °C), y, en Estados Unidos, la escala Fahrenheit (°F). En estas
escalas, la unidad es el grado. Una diferencia de temperatura de un kelvin equivale a una
diferencia de un grado centígrado.
Figura 2.1 Escalas de temperatura: Kelvin, Celsius y Fahrenheit
A continuación se muestran una tabla con las respectivas conversiones:
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Tabla 2.1 Factores de conversión de las unidades de temperatura.
Conversión de:
Fahrenheit
a:
Celsius
Formula
°C = (°F - 32) / 1.8
Celsius
Fahrenheit
°F = °C × 1.8 + 32
Fahrenheit
Kelvin
K = (°F + 459.67) / 1.8
Kelvin
Fahrenheit
°F = K × 1.8 - 459.67
Fahrenheit
Ranking
°Ra = °F + 459.67
Ranking
Fahrenheit
°F = °Ra - 459.67
Fahrenheit
Réaumur
°Ré = (°F - 32) / 2.25
Réaumur
Fahrenheit
°F = °Ré × 2.25 + 32
A continuación se muestran una tabla que indica algunas propiedades físicas del
agua a las diferentes escalas de temperatura:
Tabla 2.2 Propiedades físicas del agua a diferentes escalas de temperatura.
Escala
Cero absoluto
Fusión de hielo
Ebullición del agua
Kelvin
0ºK
273.2ºK
373.2ºK
Ranking
0ºR
491.6ºR
671.6ºR
Celsius
-273.2ºC
0ºC
100ºC
Fahrenheit
-459.6ºR
32ºF
212ºF
Reaumur
-218.5ºRé
0ºRé
80ºRé
Como se ve, se establece la escala de temperaturas escogiendo una sustancia
termométrica especial y una propiedad termométrica de esa sustancia, entonces bien, se
puede definir a una escala de temperatura como : “ una relación que suponemos continua
entre la propiedad termométrica escogida de nuestra sustancia y la temperatura tal y como la
medimos en nuestra escala”.
Por ejemplo, la sustancia termométrica puede ser un líquido en un tubo capilar de
vidrio y la propiedad termométrica puede ser la presión del gas; y así sucesivamente. La
elección de la sustancia y su propiedad termométrica, con la relación supuesta de la
propiedad termométrica conduce a una escala especial de temperatura, cuyas dimensiones
no tienen que concordar forzosamente con mediciones hechas con cualquier otra escala de
temperatura definida independientemente.
Este caos aparente en la definición de temperatura se elimina mediante un acuerdo
universal dentro de la comunidad científica, del uso de una cierta sustancia termométrica,
una cierta propiedad termométrica y una cierta relación funcional entre las mediciones de esa
propiedad y una escala de temperatura universalmente aceptada. Los elementos primarios
de medición de temperatura son los transductores que convierten la energía térmica a otra o
en movimiento.
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Clasificación de medidores de temperatura.
Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la
temperatura entre los cuales están:
a) Variaciones en volúmen o en estado de los cuerpos
b) Variación de resistencia de un conductor
c) Variación de resistencia de un semiconductor
d) fem creada en la unión de dos metales distintos
e) Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo
Se han dividido los elementos primarios de medición de temperatura en tres tipos, en
función del medio y la propiedad termométricas utilizada. Estos tres grupos son:
termómetros, sistemas termales y elementos termo eléctricos.
- Termómetros
Termómetro de líquido en vidrio: Alcohol y Mercurio
Termómetros bimetálicos
- Sistemas termales
Clase
Clase
Clase
Clase
I Líquidos Orgánicos
II Vapor Orgánico
III Gas
IV Mercurio
- Termo eléctricos
Termistores
Termopares
Bulbo de Resistencia Eléctrica
Pirometría
Cada proceso en la industria debe ser controlado de alguna manera, y esta necesidad
con frecuencia incluye la medición de temperaturas. Se dispone de una gran variedad de
sensores de temperatura para llevar a cabo esta tarea. El ingeniero de procesos y el
instrumentista deben decidir cuál de los sensores es mejor para una situación en particular.
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Tabla 2.3 Diversos dispositivos de medición de temperatura.
Dispositivos De Medicion De Temperatura
Eléctricos
Mecánicos
Radiación
térmica
- Pirómetros
Termocuplas
Sistemas de
de radiación
dilatación
- Total ( banda
ancha )
- Óptico
Termoresistencias
- Pasabanda
- Relación
Termistores
Resistores de
Carbono
Diodos
Detectores de
ruido Jonson
Transistores
Cristales de cuarzo
Sales
Paramagnéticas
Termómetros de
vidrio
con líquidos
Termómetros
bimetálicos
Varios
Indicadores de color
- Lápices
- Pinturas
Sondas neumáticas
Sensores
ultrasónicos
Indicadores
pirométricos
Termómetros
acústicos
Cristales líquidos
Sensores fluídicos
Indicadores de
luminiscencia
(Termografía )
2.1.2 TERMÓMETROS.
Los termómetros aprovechan las propiedades de los materiales sólidos o líquidos, los
cuales al calentarse o enfriarse cambian su volúmen.
Los termómetros pueden estar llenos de alcohol, mercurio o bien espirales de dos
metales conocidos genéricamente con el nombre de bimetales.
Termómetros de líquido en vidrio.
Es probablemente uno de los instrumentos mas simples para le medición de
temperaturas. El principio de operación es con base a la expansión volumétrica, en donde
el líquido se eleva en el tubo capilar proporcionalmente a la temperatura aplicada. Uno de
los más representativos es el termómetro de alcohol:
A fines del siglo XVII en Europa, En las fábricas de vidrio se exigía a los operarios de
esta rama una gran habilidad en la fabricación de los termómetros; entre los obreros más
destacados, la historia moderna de los termómetros reserva el primer lugar a G. B.
Fahrenheit de Danzing, quien construyó el primer termómetro utilizando alcohol, eligiendo
como 0º de temperatura una mezcla frigorífica, la cual consistía en dos partes de sal de
cocina y tres partes de hielo, (mezcla que produce una temperatura de -18ºC) y la
temperatura del cuerpo humano, dividiendo dicho espacio termométrico en 96 grados. Al
buscar Fahrenheit la temperatura del hielo al fundirse, con su termómetro encontró que
correspondía a 32º.
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Es de hacer notar que en aquel tiempo también se consideraba la formación de hielo
constante así como la ebullición del agua. Fahrenheit dividió su termómetro en forma
uniforme y al determinar la temperatura de ebullición del agua encontró que correspondía
212º, desde 1724 conservó Fahrenheit la escala termométrica que indica 32º el punto de
fusión del hielo y 212º el punto de ebullición del agua, ambos a la presión normal, pues
observó que dichos puntos variaban con la presión, conservándose constante a la presión de
76 cm de mercurio.
Los termómetros de alcohol se utilizan para medir temperaturas bajas, el alcohol es
coloreado con una sustancia azul o una sustancia roja con objeto que sea distinguible la
columna frente ala escala que determina la temperatura.
También es importante mencionar las características del termómetro de mercurio que
vino a sustituir al de alcohol:
Después de que Fahrenheit construyó su primer termómetro utilizando alcohol, al
poco tiempo lo sustituyó por mercurio. En 1742, por razones de conveniencia , el astrónomo
Celsius dividió el espacio termométrico entre el punto de congelación y el punto de ebullición
del agua en 100º, asignando con 0º el punto correspondiente a la fusión del hielo y con 100º
el punto de ebullición del agua, estos datos considerados a presión atmosférica normal de 76
cm de Hg.
Tanto la escala en ºF como en ºC, llamados Celsius por Linneo, se usan actualmente
; en los países de habla inglesa se usan generalmente los termómetros graduados en escala
Fahrenheit y en el resto del mundo, así como en el mundo científico, los termómetros
empleados están graduados en escala centígrada.
A presión atmosférica de 76 cm de Hg., el alcohol tiene -114ºC como punto de
solidificación y 78ºC como punto de ebullición; mientras que para el mercurio a esa misma
presión se tiene -39ºc en el punto de solidificación del mercurio y 357ºC para el punto de
ebullición. Sin embargo, por medio de altas presiones, se ha logrado elevar el punto de
ebullición de mercurio hasta aproximadamente 550ºC, con lo anterior podemos establecer
que el termómetro de alcohol es más eficaz cuando se usan temperaturas muy bajas, sobre
todo bajo cero y que el termómetro de mercurio es más útil para leer temperaturas altas.
Los termómetros de mercurio se fabrican de tres tipos:
De inmersión parcial.
Estos termómetros tienen un marca en la parte inferior la cual indica hasta donde
deben ser sumergidos en el medio que se va a medir.
De inmersión total.
Tanto el bulbo como la parte capilar del líquido contenido, son introducidos a la
temperatura del medio que va a medirse, o sea, la columna de mercurio llegará al nivel de
dicho medio.
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De inmersión completa.
El termómetro se sumerge totalmente en el fluido que se va a medir. Estos son más
convenientes para medir temperaturas de gases (aire por ejemplo), pero también pueden
utilizarse para medir líquidos cuando estos son transparentes.
Termómetros de líquido en metal.
Pueden contener en el núcleo mercurio o líquidos orgánicos, este tipo de
termómetros funcionan con base a un principio de presión por lo tanto la presión varia en
función de la temperatura.
Tabla 2.4 Márgenes de trabajo de fluidos empleados.
Márgenes de trabajo de fluidos empleados
Mercurio
-35 hasta +280ªC
Mercurio (tubo capilar lleno de gas)
-35 hasta +450ªC
Pentano
Alcohol
Tolueno
-200 hasta +20ªC
-110 hasta +50ªC
-70 hasta +100ªC
El principio de operación es relativamente simple ya que los metales tienen
diferentes coeficientes de expansión y al aplicar calor se expanden con velocidades y
magnitudes diferentes.
Un termómetro bimetalito típico
contiene pocas partes móviles, solo la aguja
indicadora sujeta al extremo libre del espiral o la hélice y el propio elemento bimetálico.
El eje y el elemento están sostenidos con cojines y el conjunto esta constituido con
precisión para evitar rozamientos. No hay engranajes que exijan un mantenimiento. La
precisión del instrumento es mas o menos 1% y su campo de medida es de -200 hasta
500ªC
Termómetros bimetálicos.
Los termómetros bimetálicos se construyen de dos tiras delgadas de metales
diferentes, unidas a todo lo largo. En termómetros industriales a estas tiras se les da la forma
de bobina helicoidal.
El principio de operación es relativamente simple, debido a que los materiales tienen
diferentes coeficientes de expansión, al aplicarles calor se expanden en magnitudes y
velocidades diferentes, la bobina helicoidal está construida de tal manera que al aumentar la
temperatura tienda a desenrollarse, este movimiento hace que el eje en el cual está montada
dicha bobina, gire arrastrando un puntero que se desplaza frente a una escala graduada en
unidades de temperatura. El eje y el elemento están sostenidos con cojines y el conjunto
esta constituido con precisión para evitar rozamientos. No hay engranajes que exijan un
mantenimiento.
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Estos termómetros se utilizan entre los límites de -40 ºC a 550 ºC, trabajan con una
precisión de + 1%, siempre y cuando no se utilicen en servicio continuo por encima de 430
ºC. Debido a su solidez, estos termómetros son muy apreciados en la industria, en vez de
utilizar los termómetros de vidrio que son más frágiles.
Bulbo de resistencia eléctrica.
La medida de temperatura usando sondas de resistencia
depende de las
características de resistencia en función de la temperatura que son características del
elemento de detección. El elemento consiste usualmente en un enrollamiento de hilo muy
fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un
revestimiento de vidrio a cerámica.
El material del hilo puede ser: níquel, cobre o platino y algunas características que
debe poseer son:
a) Alto coeficiente de temperatura
b) Alta resistividad
c) Relación lineal resistencia temperatura
d) Rigidez
e) Ductilidad
f) Rápida respuesta
Gráfica 2.1 Curvas de resistencia relativa de varios metales en función de la temperatura
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Tabla 2.5 Características de sondas de resistencia.
Metal
Resistividad
μΩ/cm
Coef. Temp.
Ω/ Ω°C
Intervalo útil
de Temp.
Costo
relativo
Precisión °C
Platino
9.83
0.00385
-200 a 950
Alto
0.01
Níquel
6.38
0.0036
-150 a 300
Medio
0.50
Cobre
1.56
0.00425
-200 a 120
Bajo
0.10
Figura 2.2 Tipos de circuitos de puentes de Wheatstone. a sondas de resistencia.
La variación de resistencia de las sondas es medida con un puente de Wheatstone
dispuestos en montajes denominados de 2, 3 y 4 hilos como se muestra en la figura 2.2.
Siendo el mejor el de 4 hilos ya que se obtiene una mayor precisión en la medida.
Tiene esta forma para compensar las resistencias desiguales.
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A continuación se muestran unas tablas de propiedades termométricas y fenómenos
termodinámicos
Tabla 2.6 Propiedades Termométricas.
Termómetro
Columna de mercurio, alcohol,
etc., en un capilar de vidrio
Gas a volumen constante
Gas a presión constante
Termómetro de resistencia
Termistor
Propiedad termométrica
Longitud
Pirómetro de radiación total
Pirómetro de radiación visible
Presión
Volumen
Resistencia eléctrica de un metal
Resistencia eléctrica de un
semiconductor
F.e.m. Termoeléctrica – Efecto
Seebeck
Ley de Stefan - Boltzmann
Ley de Wien
Espectrógrafo térmico
Termómetro magnético
Cristal de cuarzo
Efecto Doppler
Susceptibilidad magnética
Frecuencia de vibración
Par termoeléctrico
Tabla 2.7 Fenómenos termodinámicos e instrumentos usuales en su medición.
Temperatura en ºC
-270,15 a -268,15
-259,35
-248,59
-218,79
0,01
Fenómeno termodinámico
Vapor de helio
Punto triple de helio
Punto triple del neón
Punto triple del oxígeno
Punto triple del agua
29,76
Punto de licuefacción del galio
419,53
Punto de solidificación del zinc
961,78
Punto de solidificación de la
plata
Instrumentos usuales
Termómetro a gas
Termómetro a gas
Termómetro a gas
Termómetro a gas
Termómetro de
resistencia
Termómetro de
resistencia
Termómetro de
resistencia
Termómetro de radiación
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2.1.3 SISTEMAS TERMALES.
Los sistemas termales son también conocidos como sistemas volumétricos llenos. El
sistema básico, incluye un sensor de temperatura, un elemento de desplazamiento del tipo
Bourdon, a diafragma o a fuelle, un tramo de tubo capilar y un fluído. El sensor se encuentra
ubicado en el lugar donde se debe medir la temperatura, mientras el tubo conecta el sensor
al elemento de desplazamiento. El sistema está totalmente sellado para mantenerlo a
volúmen constante, y está lleno de un fluído que puede ser líquido o gaseoso.
Hay dos tipos de sistemas llenos. En uno de ellos el sistema sensor de temperatura
contiene un fluído incompresible bajo presión que llena completamente el sistema. Las
variaciones de temperatura producen en el sensor una variación del volúmen de fluído, lo
que se traduce en la deformación y movimiento del extremo libre del elemento de
desplazamiento.
El otro tipo de sistema es el sistema lleno por variación de presión, del cual hay dos
versiones. En una de las versiones, todo el sistema está lleno con un gas bajo presión; en la
otra, el sensor se encuentra parcialmente lleno con un fluido volátil bajo presión, mientras el
resto del sistema contiene vapor de este fluído volátil.
En el primer tipo de sistema las variaciones de volumen están acompañadas por
variaciones secundarias de presión: en los sistemas de gas o vapor las variaciones de
presión están acompañadas por variaciones secundarias de volúmen. Sin embargo estos
efectos secundarios son insignificantes.
El sistema termal funciona de la siguiente manera: al sufrir el bulbo un cambio de
temperatura, la presión del fluído de que está lleno cambia, como se mantiene constante el
volúmen, dicha presión se transmite a través del tubo capilar, provocando que el elemento
motriz (Bourdon), se desenrolle o enrolle obteniendo así un movimiento rotatorio en el eje del
elemento motriz, movimiento que es amplificado para operar un mecanismo a base de
palancas que posiciona un puntero o una plumilla de antemano calibrada en grados de
temperatura.
Figura 2.3 Termómetro a sistema lleno de líquido
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Termómetro a sistema lleno de líquido
Es utilizado para medir temperaturas entre -40ºC a 50ºC. Sin embargo, el efecto de
los cambios de temperatura ambiente es también detectado por el tubo capilar y por el
Bourdon introduciendo un error en la lectura. Para evitar este error, se hace una
compensación por cambios en la temperatura ambiente, que puede ser compensación
parcial o compensación total.
Tabla 2.8 Elementos principales que constituyen un termómetro a sistema lleno de
líquido, de la figura 2.3
a) Con capilar sin protección.
1. Largo del capilar
2. Sujeción de la protección.
3. Vaina de inmersión.
4. Bulbo sensor.
5. Largo del bulbo.
6. Profundidad mínima de inmersión.
7. Longitud de montaje
b) Con cuello y protección.
1. Cuello.
2. Protección.
3. Vaina de inmersión.
4. Bulbo sensor.
5. Largo del bulbo.
6. Profundidad mínima de inmersión.
7. Longitud de montaje
Los efectos de las variaciones de temperatura ambiente sobre la medición de
temperatura dependen de varios factores, incluyendo el tipo de sistema, su alcance de
temperatura, el largo del tubo capilar y su material de construcción, el fluido de llenado y su
presión, el material utilizado para el elemento de desplazamiento, el tamaño del sensor y los
requerimientos de protección de sobrerango. En los sistemas de líquido y gas, tanto el
elemento de desplazamiento como el capilar pueden compensarse para estos efectos (plena
compensación), o tan sólo se puede compensar el elemento de desplazamiento
(compensación parcial). Puesto que los sistemas de vapor no se ven afectados por las
variaciones de temperatura ambiente, no necesitan compensación.
Los materiales de que están construidos esos sistemas termales pueden ser cobre,
acero inoxidable, latón u otro material metálico lo suficientemente resistente para soportar las
presiones del proceso. Los tubos capilares pueden ser desnudos o protegidos contra golpes
o corrosión del medio ambiente con una funda forrada de propileno o cualquier otro material
resistente a la corrosión. Los bulbos también pueden ser desnudos o protegidos ya sea con
un tubo protector, o con un termo-pozo, los cuales pueden ser fabricados con materiales
resistentes a la corrosión y a la presión del proceso.
Los fluídos que se manejan para llenar los sistemas termales son: líquido orgánico,
vapor orgánico y gas mercurio. Los sistemas termales están clasificados en cuatro grupos
por la SAMA (Scientific Apparatus Makers Association), esta misma clasificación fue
adoptada por la ISA (Instrument Society of America). De acuerdo con el fluído de llenado, la
SAMA ha clasificado los sistemas termales en: Clase I, Clase II, Clase III, y Clase IV,
respectivamente.
Los sistemas termales Clase I y IV son del tipo de expansión de líquidos, y los
sistemas de Clase II y III son de cambio de presión de gas o vapor.
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Tabla 2.9 Clasificación de los sistemas termales.
Prefijo
I
Sufijo
I
I
II
II
A
B
A
Clasificación
Descripción
Sistemas llenos de líquido por variación de volumen (no incluye
mercurio)
Con plena compensación
Con compensación parcial
Sistemas llenos de vapor por variación de presión
Diseñados para funcionar a temperaturas por encima de la ambiente
II
B
Diseñados para funcionar. a temperaturas por debajo de la ambiente
II
C
II
D
Diseñados para funcionar a temperaturas por encima y por debajo
cruzando de la ambiente
Diseñados para funcionar a temperaturas por encima, por debajo y a la
temperatura ambiente .
Sistemas llenos de gas por variación de presión
Sistemas llenos de mercurio por, variación de volumen
III
III
III
V
V
V
A
B
A
B
Se requiere una protección de sobrerango en aquellos casos donde el sistema lleno
pueda encontrarse sometido a temperaturas más allá del máximo o mínimo de su alcance.
Esta protección se efectúa usando sólo una porción del movimiento total disponible del
elemento de desplazamiento. El resto de desplazamiento disponible antes de la deformación
representa la protección de sobrerango. Además, se agregan topes mecánicos para proteger
contra eventuales daños el sistema y la pluma o aguja del indicador / registrador .
Los sistemas Clase I y V normalmente tienen más del 100% del alcance como
protección. Cuando el volúmen del capilar se aproxima al volúmen del sensor, la protección
se reduce. Los sistemas Clase III tienen la mayor capacidad de protección de sobrerango.
mientras los de Clase II la menor.
Clase I. Líquido orgánico.
Los sistemas llenos de líquido usan hidrocarburos como alcohol etílico, benceno,
metanol, éter etílico, Tolueno, etc., a continuación presentamos los rangos de temperatura
de algunos de ellos:
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Tabla 2.10 Rangos de temperatura de algunos líquidos orgánicos.
Fluido
Naftaleno
Etilbenceno
Tolueno
Kerosén
Alcohol etílico
Rango de temperatura
(-15 a 260°C )
(- 85 a 175°C)
(100 a + 315°C)
(-50 a 315°C)
(- 130 a - 50°C)
La ecuación(2.1) que rige a estos sistemas termales es la expansión de los líquidos:
(2.1)
V1 = V0 (1+ at)
en donde:
V1 = volumen final
V0= volumen inicial
a = coeficiente de expansión del líquido
t = temperatura
El rango de aplicación de esos sistemas termales es de -80ºC a 20ºC. Como se
explicó anteriormente, la temperatura del ambiente afecta la lectura de esos sistemas
termales, por lo tanto es necesario hacer una compensación. Las compensaciones que
existen son de dos tipos:
Compensación completa (Clase IA).
Consiste en agregar otra espiral igual y un capilar igual al sistema termal, este capilar
debe estar lleno y cerrado conectarse al bulbo, los dos capilares, el de medición y el de
compensación van juntos y las espirales de bourdon están mecánicamente conectadas para
que los cambios de temperatura se anulen mutuamente. Se utiliza compensación completa
cuando no hay condiciones de temperatura ambiente estables, también cuando el rango es
estrecho o cuando el bulbo es pequeño, o cuando el capilar es muy largo.
El largo máximo del tubo capilar para sistemas Clase IA totalmente compensados
depende de las variaciones de temperatura ambiente del capilar y el instrumento, como largo
máximo normalmente se puede señalar 30 m. A medida que aumenta el largo del capilar, su
instalación se vuelve mas difícil, su respuesta se hace más lenta y su capacidad de
protección de sobrerrango disminuye.
Compensación de caja (Clase IB).
Esta compensación se utiliza cuando la caja del instrumento y el capilar están a la
misma temperatura y cercana a la temperatura ambiente, además de que la longitud del
capilar no sea muy larga. La compensación de la caja consiste en colocar un espiral
bimetálico para contrarrestar los cambios de la temperatura ambiente, teniendo los dos
capilares el mismo volumen, de modo que las variaciones de temperatura los afectan a los
dos por igual; este bimetal se fija al Bourdon de medición y se atornilla a un soporte, cuando
la temperatura de la caja del instrumento cambia, el Bordon y el bimetal se mueven en
direcciones opuestas anulando el efecto de ese cambio de temperatura.
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Figura 2.4 Termómetro a sistema lleno con
distintos compensaciones de temperatura ambiente.
Tabla 2.11 Elementos principales que constituyen un termómetro a sistema
lleno con distintos compensaciones de temperatura ambiente, de la figura 2.4
a) Construcción simple sin
b) Con sistema de
c). Con sistema de compensación
compensación
compensación parcial
total
1.Sistema
de Únicamente sobre el 1,1.- Sistema do desplazamiento
sistema
de
desplazamiento
desplazamiento
2.- Capilar
1,2.- Sistema de desplazamiento
para compensación
3.- Bulbo sensor
2,1.- Capilar
2,2.- Capilar para compensación
4.- Indicador
3.- Bulbo sensor
4.- Indicador
El sistema utiliza un elemento de compensación bimetálico y omite el segundo
capilar. El largo máximo de capilar que resulta práctico para sistemas Clase IB parcialmente
compensados es de 6 m. Con mayores largos, hay una gran probabilidad de que puedan
producirse diferencias de temperatura entre el instrumento y el tubo capilar, y llevar a un
incremento de error en la medición, puesto que la compensación que brinda es sólo para
variaciones en la temperatura del elemento de desplazamiento. Los sistemas Clase I tienen
un tamaño típico de sensor de 6 a 10 mm de diámetro por 50 a 80 mm de largo para todas
las longitudes de capilar, en base a un alcance de temperatura de 100°C . Este es el menor
tamaño de cualquier sensor para alcances de temperatura similares .Para alcances de más
de 100°C el sensor tendría que tener un diámetro menor.
Ventajas.
Ö Escalas lineales.
Ö Bulbos sensores de pequeño tamaño.
Ö Por las características de expansión de los fluídos utilizados, encuentran
aplicación para pequeños alcances y bajas temperaturas.
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Clase II. Vapor orgánico.
Los sistemas de vapor están parcialmente llenos con un líquido volátil puro, de modo
que haya una interfase entre el líquido y el vapor dentro del bulbo. Los fluidos disponibles
para uso y los rangos de temperatura sobre los cuales son aplicables, son los siguientes:
Tabla 2.12 Rangos de temperatura de líquidos volátiles utilizados en sistemas térmicos de
vapor Clase ll.
Fluido
Agua
Tolueno
Acetona
Éter metílico
Éter etílico
Éter dietílico
Butano
Cloruro de etilo
Cloruro metílico
Propano
Alcohol etílico
Dimetilbenceno
Etano
Propano
Temperatura
100 a 230°C
115 a 315°C
65 a 200°C
-4ºC a 110ºC
60ºC a 190ºC
40 a 185°C
-5 a l50°C
37ºC a 175ºC
- 10 a 120°C
-40 a 70°C
80 a 230°C
130 a 380°C
-70ºC a 26ºC
-17ºC a 93ºC
Presentamos los cambios de presión que presentan algunos de los líquidos antes
mencionados:
Tabla 2.13 Cambios de presión de algunos líquidos volátiles utilizados en sistemas
térmicos de vapor Clase ll.
Líquido
Etano
Propano
Éter metílico
Cloruro de etilo
Éter etílico
Alcohol etílico
Cambio de P
1.4 a 42 Kg/cm2
1.4 a 42 Kg/cm2
1.4 a 42 Kg/cm2
1.4 a 42 Kg/cm2
1.4 a 42 Kg/cm2
1.4 a 42 Kg/cm2
La presión que existe en el sistema es convertida a una indicación de temperatura de
la curva de la relación vapor-presión expresada con la ecuación (2.2)::
(2.2)
log p = ( a - b ) / (T + c )
en donde:
p = presión de vapor
a, b, c = constantes del fluido.
T = temperatura absoluta del vapor del fluido
45
Como se puede observar, la respuesta de este instrumento es de forma logarítmica.
El rango de aplicación de los sistemas Clase II es de -40ºC a 315ºC. Estos sistemas
termales no requieren de compensación por cambios en la temperatura ambiente, ya que la
temperatura es función de la presión de vapor, la cual es generada en el bulbo.
Cualquier cambio de presión en el tubo capilar o en el Bourdon , provoca un
desplazamiento del vapor hacia el bulbo, igualando esa presión con la presión ya existente
en la interfase. La longitud máxima del capilar de los sistemas Clase II es de
aproximadamente 45 m a causa de las respuestas más lentas con capilares más largos, a
las dificultades de instalación y a las limitaciones de tamaño del sensor.
Los sistemas de vapor Clase II son los únicos sistemas llenos en los cuales el
desplazamiento de salida es alineal con las variaciones de temperatura. Esto resulta en una
escala que tiene graduaciones más comprimidas en el comienzo y más abiertas en el final.
En el tercio superior del alcance, la escala. alineal ofrece una mejor resolución. Por lo
general una tolerancia en estos sistemas de ± 0,5% a ± 0.75% es aplicable sólo sobre los
dos tercios superiores de la escala de temperatura.
Tabla 2.14 11 Elementos principales que constituyen un termómetro a sistema lleno de vapor,
de la figura 2.5
F
K
V
T
Fl
D
Z
Sistema de desplazamiento
Capilar
Membrana
Bulbo sensor
Fluido
Vapor
Indicador
.
Construcción normal
Construcción con membrana
Figura 2.5 Termómetro a sistema lleno de vapor
46
Ventajas.
Ö Escalas alineales que brindan ventajas en la resolución.
Ö Constantes de tiempo de respuesta (t90) muy chicas, lo que permite una
indicación veloz.
Ö Muy difundidos por su bajo costo.
Los sistemas de Clase II se dividen a su vez en:
- SAMA IIA.
Diseñados para operar con la temperatura del proceso por arriba de la del resto del
sistema termal, el capilar no debe ser mayor de 60 metros de longitud.
El incremento de la longitud del capilar requerirá un mayor sensor: éste debe ser lo
suficientemente grande para que el líquido que contiene no se vaporice completamente o lo
llene completamente bajo todas las condiciones de temperatura.
- SAMA IIB.
Construidos para operar con la temperatura del proceso por debajo de la del resto del
sistema termal. El tamaño del sensor es constante para cualquier longitud de capilar.
- SAMA IIC.
Para operación con la temperatura del bulbo por arriba o por abajo de la temperatura
del sistema termal. Para completar las especificaciones del SAMA IIC, el bulbo debe ser
capaz de contener todo el líquido cuando está abajo de la temperatura ambiente, y todo el
vapor cuando está por encima de la temperatura ambiente. El incremento de la longitud del
capilar requerirá un mayor sensor: éste debe ser lo suficientemente grande para que el
líquido que contiene no se vaporice completamente o lo llene completamente bajo todas las
condiciones de temperatura.
- SAMA IID.
Para medición de temperatura arriba, abajo y el ambiente. El bulbo se llena
parcialmente con el líquido volátil en equilibrio con su vapor, el tubo capilar y el Bourdon son
llenados con un líquido no volátil el cual no se evapora porque su presión de vapor es mayor.
El sistema termal es de más rápida respuesta, porque un pequeño cambio en la
temperatura ocasiona un cambio rápido en la presión de vapor, la cual se transmite
inmediatamente. El líquido no volátil empleado con más frecuencia es una mezcla de
glicerina y agua. Los sistemas SAMA IIA, IIC y IID, introducen error por la diferencia de
47
alturas entre el bulbo y el instrumento, ya que la espiral se encuentra llena de líquido.
cuando el instrumento se encuentra arriba del bulbo, el instrumento no indica la temperatura
correcta, sino una más baja. En caso contrario, cuando el instrumento se encuentra abajo
del bulbo, entonces indica un valor debido a la presión que actúa sobre la espiral es igual a
la presión en el bulbo más la presión del desnivel. Este efecto de elevación debe ser
compensado al montar el instrumento para evitar errores en la lectura.
Clase III. Gas.
Ventajas.
Ö Pueden fabricarse en una gran variedad de debido por la amplia franja de
temperaturas de utilización de los gases empleados.
Clase V. .Mercurio.
Los sistemas llenos de mercurio también operan por el principio de expansión
volumétrica, como en el caso de los sistemas de Clase I. Su aplicación es de -40ºC a 550ºC,
cuando son compensados, aunque algunas veces pueden utilizarse hasta 650ºC. Cuando no
son compensados se utilizan hasta un máximo de 315ºC. El mercurio requiere un sistema
térmico excelente de acero estañado y en donde las condiciones del proceso no permiten el
uso de este material, debe elegirse otra clase.
El sistema de Clase VA (compensación total) contiene un alambre Invar dentro del
tubo capilar inmerso en el mercurio que llena el sistema termal, esta compensación se logra
porque el coeficiente de expansión lineal del alambre de Invar es menor que el coeficiente de
expansión del tubo capilar. Cuando la temperatura ambiente aumenta, aumenta el volúmen
de mercurio, también se expande el tubo capilar y el Invar, pero la diferencia de expansión
entre el Invar y el tubo capilar absorbe el volúmen expandido del mercurio.
Para el sistema Clase VB (compensación parcial), se utiliza un bimetal que va
acoplado al Bourdon similar al utilizado en el sistema termal Clase I. Este sistema termal
tiene una protección por sobre rango del 100% del rango total. En algunos es prohibido su
uso por ser tóxico y afectar el sistema nervioso del ser humano, no se utiliza en sistemas de
control de alimentos o bioquímicos. En la figura se observa la distribución del alambre de
Invar dentro del tubo capilar.
48
Este tipo de sistemas son a veces indeseables, debido a que en caso de rotura del
sistema térmico el mercurio puede contaminar o dañar el proceso objeto de medición.
Para compensar los cambios de la temperatura ambiente se usan 2 métodos:
a) Caja de compensación.
b) Compensación completa.
a) Caja de compensación: es aquella que
contrarresta los efectos del cambio de temperatura
solamente en la caja del instrumento. La espiral de
medición se fija a una tira bimetálica , la cual después
de una vuelta se pega a un soporte de la caja.
Cuando la temperatura dentro de la caja se eleva, la
espiral medidora se dilata en proporción al cambio y
tiende
a
mover
la
pluma
hacia
arriba;
simultáneamente, sin embargo, la tira bimetálica
mueve la espiral en dirección opuesta, resultando nulo
el movimiento transferido a la pluma.
Figura 2.7 Caja de compensación.
b) El sistema de compensación completa
es aquel que utiliza dos tubos capilares y dos
espirales, por lo tanto, dos sistemas térmicos
llenos con el mismo fluido sensible a la misma
temperatura y de las mismas dimensiones. Sin
embargo, sólo un tubo capilar esta conectado
con el bulbo de medición, el otro es un tubo
compensador y esta taponado en el extremo
que correspondería al bulbo.
El efecto consiguiente es que ambas
tuberías reaccionan a la temperatura ambiente,
pero sólo una responde al efecto adicional del
bulbo, Las dos espirales están montadas de
modo que su movimiento es de sentido
contrario.
Figura 2.8 Compensación completa
El efecto resultante es que la aguja es desplazada solamente por el movimiento
debido al cambio de temperatura en el bulbo, ya que los debidos a las variaciones de
temperatura se contrarrestan. Así se obtiene una completa compensación de las influencias
de la temperatura ambiente en la espiral de medición y en el tubo capilar.
49
Ventajas.
Ö Muy buena estabilidad con el tiempo.
Ö Buena resultante motriz para accionar no sólo la aguja indicadora sino
también contactos para alarmas o control.
Figura 2.9 Algunos modelos de termómetros industriales y elementos.
Selección de un sistema lleno.
El sistema de vapor Clase II es el más simple, el menos costoso y el más difundido de
todos los sistemas llenos disponibles y, por lo tanto, será el primero que se considera al
seleccionar sistemas llenos para una aplicación en particular. Este sistema también tiene la
mejor exactitud sobre temperaturas ambiente variables, y su escala alineal ofrece una mejor
resolución en el tercio superior del alcance de temperatura.
Si un sistema Clase-II no resulta satisfactorio para una aplicación en particular, la
aplicación siguiente elección sería un sistema clase IB o IA. Estos tienen los sensores más
pequeños y pueden tener los alcances de temperatura más angostos. Además, se les
recomienda en especial para mediciones cercanas a la temperatura ambiente .
50
El sistema Clase IA, que está totalmente compensado para variaciones de
temperatura ambiente, es tan exacto corno los sistemas Clase II, y ofrecen una mayor
protección de sobrerrango que otros sistemas , sin embargo el costo de un sistema Clase IA
es mucho más alto que el de un sistema Clase IIA .
El sistema Clase IB está limitado por su corto capilar (máximo 6m ) y la temperatura
ambiente debe ser la misma tanto para el elemento de desplazamiento como para el capilar .
Los sistemas Clase III tienen a su favor los amplios rangos de temperatura pero
presentan la desventaja de tener sensores relativamente grandes.
El sistema Clase V es de poco uso hoy día a raíz de las restricciones ambientales
relacionadas con el mercurio y a la posibilidad de disponer de otros dispositivos de medición
para las mismas aplicaciones.
Características de los sistemas térmicos llenos: En la tabla 2.14 se comparan las
características de las cuatro clasificaciones correspondientes a sistemas llenos. Cada una de
ellas será luego analizada por separado:
Tabla 2.14 Características de los sistemas térmicos llenos.
Clase SAMA
Fluido
Principio de
funcionamiento
Rango de temperaturas
Exactitud, % del
alcance
Alcances de
temperatura más cortos
y más largos
Respuesta:
1= la más rápida
7= la más lenta
Capacidad de
sobrerrango
Linealidad de escala
máxima
Longitud de capilar
estándar, en m
Tamaño típico de
sensor para un alcance
de 110ºC, D. E. x
longitud, (mm)
Costo
Compensación total
Compensación parcial
I
Líquido
Variación de
volumen
-30 a 315ºC
±0,5%
215ºC
±0,75
215ºC
25ºC
330ºC
II
Vapor
Variación de
presión
-45 a 315ºC
±0,5 en los 2/3
del alcance
superiores
III
Gas
Variación de
presión
-195 a 315ºC
±0,5% 330ºC
±0,75%
330ºC
V
Mercurio
Variación de
presión
-35 a 650ºC
±0,5 500ºC
±0,75 500ºC
40ºC
215ºC
65ºC
550ºC
30ºC
665ºC
7
2
6
Media
IIA=1
IIB=3
IIC=4
IID=5
La menor
La mayor
Media
Lineal
Alineal
Lineal
Lineal
IA =30
IB =6
El menor
10 x 50
45
30
Entre Clase I y
Clase V
10 x 50
El mayor
15 x 200
VA:30
VB:15
Entre Clase II
y Clase III
10 x 100
El mayor
El menor
Medio
Invar
Bimetal
No req.
No req.
No req.
Bimetal
Entre Clase I
y Clase III
invar.
Bimetal
51
2.1.4 TERMOELÉCTRICOS.
El grupo de elementos de temperatura termoeléctricos son aquellos transductores
que convierten la temperatura en energía eléctrica, y posteriormente pueden convertirla (con
un circuito) en movimiento.
Este grupo, que aprovecha las propiedades eléctricas de los conductores y
semiconductores, está conformado por los siguientes instrumentos: termistores, termopares
resistencias eléctricas, medidores de radiación y medidores ópticos.
Termistores.
Los termistores o termoresistencias son resistencias térmicamente sensibles. Los
termistores son semiconductores que cambian su resistencia con los cambios de
temperatura, en contraste con los metales puros, los semiconductores muestran una
disminución en la resistencia con aumento de temperatura. Esta propiedad ocurre a causa
del incremento del suministro de electrones por ruptura de uniones covalentes, el incremento
en el suministro con aumento de temperatura es muy grande en los semiconductores, esto
da un coeficiente negativo mucho mayor que el coeficiente positivo de los metales puros,
esto es, los termistores tienen una mayor sensibilidad a pequeños cambios de temperatura.
Los termistores también tienen una muy alta resistencia a temperatura ambiente, lo
cual permite el uso de únicamente dos alambres en muchas aplicaciones, el tamaño y forma
de los termistores puede variar para proveer una mayor respuesta con poco cambio de
temperatura. Los termistores generalmente son difíciles de reproducir exactamente o
duplicarlos cuando es necesario un reemplazo. Desde el punto de vista industrial, son útiles
para la detección automática, la medición y el control de la energía física. La relación de
resistencia contra temperatura en los termistores, no es lineal, pero existe una ecuación (2.3)
aproximada que se aplica a la mayoría de los termistores:
(2.3)
R = R0B(1/T-1/To)
en donde:
Rt = resistencia del termistor a cualquier temperatura T en grados Kelvin
R0 = resistencia referida a la temperatura To en grados Kelvin
B = constante sobre rangos moderados de temperatura que depende de la composición y
fabricación del termistor.
El coeficiente de temperatura alfa, usualmente es expresado como un por ciento de
cambio de resistencia por cambio de grado de temperatura y su relación aproximada es la
que se muestra en la ecuación (2.4):
(2.4)
alfa = (dR/dT) (T/R) = -(B/To2)
B = E/K
en donde:
E = nivel de energía del electrón-volt
K = constante de Boltzman (8.625*10e-5 Kcal/m2 h °K)
52
A continuación, la gráfica 2.3 nos muestra las curvas características de tres tipos de
termistores en comparación con el termómetro de resistencia de platino:
H
Gráfica 2.3 Curvas características de tres tipos de termistores en
comparación con el termómetro de resistencia de platino.
El contacto eléctrico se puede hacer por medio de alambres incrustados en el
material durante la operación de prensado, por electrodeposición o mediante recubrimientos
de metal y cerámica.
Construcción de termistores.
Los termistores son fabricados con ciertos óxidos metálicos y sus mezclas; los
principales óxidos que se utilizan son los óxidos de cobalto, de cobre, de hierro, de
magnesio, de manganeso, de níquel, de titanio y de zinc.
Usualmente se comprime dentro de un recipiente de la forma deseada mezclando el
polvo, así es como se embuten los alambres que servirán de unión eléctrica, los óxidos son
re-cristalizados por un tratamiento calorífico, resultando un cuerpo cerámico denso; algunas
veces el termistor es introducido en una cápsula metálica o de vidrio para ser protegido.
Las formas más usuales son pequeñas laminillas, obleas, perlas, o pequeños
cilindros similares a una resistencia eléctrica. El contacto eléctrico se puede hacer por medio
de alambres incrustados en el material durante la operación de prensado, por
electrodeposición o mediante recubrimientos de metal y cerámica.
53
Ejemplos de Termistores:
Su tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor
variando de 0.5 a 10 segundos. El tiempo de respuesta es inversamente proporcional al
factor de disipación del termistor.
Debemos señalar que para obtener una buena estabilidad en los termistores es
necesario envejecerlos adecuadamente, tal como se indica en la gráfica 2.4 que se presenta
a continuación:
Gráfica 2.4 Curvas de estabilidad de termorresistencias. Por cortesía de General Electric Co.
54
Los termistores se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros
circuitos de medida de resistencia. La distancia entre el termistor y el instrumento de medida
puede ser considerable siempre que el elemento posea una alta resistencia comparada con
la de los cables de unión.
La corriente que circula por el termistor a través del circuito de medida debe ser baja
para garantizar que la variación de resistencia del elemento sea debida exclusivamente a los
cambios de temperatura del proceso, debido a que si es alta puede originar el calentamiento
de la unidad detectora
El límite superior de temperatura de operación depende de los cambios físicos en el
material o la soldadura utilizada para hacer las conexiones eléctricas y casi siempre es de
400ºC o menos. El límite inferior de temperatura de operación casi siempre está
determinado por la resistencia que llega a un valor tan grande, que no se puede medir por
métodos estándar.
Aplicación de termistores.
La aplicación de termistores como elementos primarios de medición de temperatura,
siguen el principio usual de resistencia termométrica, pero debe considerarse como una
relación negativa, resistencia-temperatura altamente no lineal anotada previamente.
El uso de termistores como elemento sensible de temperatura en la industria se ha
incrementado en años recientes, aunque muchas aplicaciones de termistores son
restringidas a nivel laboratorio, así como a nivel termometría intravenosa de la sangre y
mediciones de temperatura meteorológica, la aplicación más común en la industria es
formando parte de un circuito de compensación para otros instrumentos de temperatura
electrónicos.
La aplicación del termistor puede clasificarse en tres grupos:
-El primer grupo aprovecha la dependencia de la resistencia del termistor de la
temperatura. Esta aplicación es la medición y percepción de temperatura, en este grupo
también se incluye el control basado en las variaciones de la resistencia que corresponden a
las de temperatura.
Como un ejemplo de un control de temperatura por medio de un termistor,
supongamos un circuito de un termistor en serie con la bobina de un relevador y una fuente
de corriente, si la temperatura ambiente en que esta inmerso el termistor es alta, su
resistencia será baja, y habrá suficiente corriente para energizar al relevador, si la
temperatura del termistor se reduce por debajo de un punto crítico, su resistencia se hace lo
bastante alta, como para disminuir la energía y des-energizar al relevador.
-Un segundo grupo de aplicación, se basa en el tipo de resistencia del termistor, la
resistencia negativa de un termistor conectado en un circuito eléctrico, se puede utilizar para
compensar el aumento de resistencia del resto del circuito, cuando sube la temperatura
ambiente, de este modo, se puede mantener constante la resistencia de todo el circuito, ante
las variaciones de temperatura, este es el principio que se utiliza para hacer compensaciones
por cambio de temperatura ambiente en los circuitos en los sistemas de termopares y bulbos
de resistencia.
55
-Un tercer grupo de aplicación se basa en la propiedad del retraso de tiempo del
termistor, si un termistor se conecta en serie con una resistencia, la bobina de un relevador,
un interruptor y una fuente, cuando se cierra el circuito, el relevador no se energizará hasta
que pase un lapso de tiempo que es función de la constante de tiempo del termistor.
El termistor tiene algunas ventajas sobre otros dispositivos de temperatura, es
sumamente sensible y manifiesta un mayor cambio en la salida por grado de temperatura
que por ejemplo un termopar o un bulbo de resistencia, por lo tanto se puede utilizar en
lugares que normalmente no son accesibles para otros tipos de elementos primarios de
temperatura.
Termopares.
Los termopares se basan en el efecto descubierto por Seebeck en 1821que al estar
efectuando algunos experimentos notó que en el circuito cerrado hechos por alambres de
metales diferentes, se permite que fluya una corriente eléctrica si la temperatura de una
unión es elevada en función de la temperatura de la otra unión. La diferencia de potencial
así obtenida, se llama fuerza electromotriz térmica (fem).
Esta corriente eléctrica es importante porque puede calentar el termopar y afectar la
precisión en la medida de la temperatura, por lo que durante la medición debe procurarse
reducir al mínimo el valor de la misma.
La fuerza electromotriz que se genera depende de la diferencia de temperaturas entre
la unión caliente y la unión de referencia y también depende de la composición de los
alambres, sin embargo, no hay leyes termoeléctricas que deben cumplirse para que el
termopar funcione de acuerdo con lo antes dicho.
Figura 2.11 Diagrama de un sistema de termopar típico.Por cortesía de Honeywell, Inc.
La selección de los alambres para termopares se hace de forma que tengan una
resistencia adecuada a la corrosión, a la oxidación, a la reducción y a la cristalización, que
desarrollen una fem relativamente alta, que sean estables, de bajo costo y de baja
resistencia eléctrica y que la relación entre la temperatura y la fem sea tal que el aumento de
ésta sea (aproximadamente) paralelo al aumento de la temperatura.
En 1886, Le Chatelier introdujo un termopar que consiste en la unión de un alambre
de platino y el otro de una aleación de 90% de platino con 10% de rodio. Está combinación,
conocida como tipo S, es aceptada como estándar para propósitos de calibración y
comparación, este tipo de termopar fue fabricado y vendido por W.C. Hernaeus, y algunas
56
veces es llamado el termopar Heraeus. Tiempo más tarde debido a un error en la
preparación, se aprendió que la composición del termopar compuesto por 87% de platino y
13% de rodio, conocido como tipo R, da un poco más de salida de fuerza electromotriz, este
tipo es frecuentemente utilizado en la industria.
Leyes Termoelásticas de los Termopares.
La fuerza electromotriz desarrollada es un circuito termoeléctrico, esta influida por dos
fenómenos, uno conocido como el “Efecto Peltier” y el otro como “Efecto Thompson”. En
1834, Peltier, hizo algunas investigaciones para demostrar científicamente el fenómeno
descubierto por Seebeck. Como resultado emitió un enunciado que recibe su nombre.
Efecto Peltier.
Cuando una corriente eléctrica es pasada a través de dos metales diferentes, en un
sentido opuesto el calor es liberado y la unión es calentada. Este efecto es reversible, es
decir, si la unión se calienta o se enfría, se genera una fuerza electromotriz en uno u otro
sentido. Según este enunciado, se supone que la salida de la fuerza electromotriz sería una
función lineal de la temperatura, sin embargo, al fabricarse los termopares con diversas
combinaciones de alambres, no se logró confirmar esta suposición, así que, en 1854,
después de hacer algunas investigaciones Thompson emitió su propio concepto que es el
siguiente.
Efecto Thompson.
En un metal homogéneo, se absorbe calor cuando una corriente eléctrica fluye en un
sentido y se genera calor cuando fluye en sentido contrario. Este efecto es reversible, de
modo que se genera una fuerza electromotriz en uno u otro sentido si hay un gradiente de
temperatura en los extremos de un metal homogéneo.
Combinando los efectos de Peltier y de Thompson, se confirma el fenómeno
descubierto por Seebeck en 1821. Los alambres usados en los termopares comerciales, se
seleccionan de tal manera que el efecto Thompson sea lo más pequeño posible, es decir,
que el valor que la fuerza electromotriz genera debido a este efecto sea casi despreciable
para que la mayor parte de la fuerza electromotriz dependa del efecto Peltier.
Si la temperatura en la junta de referencia se mantiene constante, o si la fuerza
electromotriz generada por esta parte de la junta es compensada dentro del circuito por
algún medio (ver termistores), la fuerza electromotriz generada en el circuito dependerá del
valor de la junta caliente o de medición y de esta manera, es usado el termopar para medir
cambios de temperatura.
El efecto Peltier ocurre solo en las juntas y a diferencia del efecto Joule, es
irreversible. El efecto Joule debe recordarse, es aquél en que se produce calor en una
resistencia por la que circula una corriente y ese valor varía con el cuadrado de dicha
corriente.
57
Para que un termopar funcione correctamente, deben cumplirse las leyes
siguientes:
Ley de los Circuitos Homogéneos.
Una corriente eléctrica no puede ser generada en un circuito por un solo metal
homogéneo, aunque cambie su sección, por la sola aplicación de calor.
Ley de los Metales Intermedios.
Si en un circuito formado por varios conductores, la temperatura es uniforme desde la
unión del primer conductor hasta el último, la suma algebraica de todas las fuerzas
electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la
misma que si se pusieran en contacto directo la primera y la última unión.
Ley de las Temperaturas Intermedias.
La fuerza electromotriz generada por un termopar en sus uniones a las temperaturas
T1 y T3, es la suma algébrica de la fuerza electromotriz de termopar con sus uniones T1 y
T2, más la fuerza electromotriz del mismo termopar con sus uniones a T2 y T3.
De la ley de los Circuitos Homogéneos, se deduce que la fuerza electromotriz
generada depende exclusivamente de la composición química de los alambres y de las
temperaturas que existen en las uniones, el calibre del alambre no influye en este valor de la
fuerza electromotriz, por lo tanto se pueden fabricar termopares con alambres de cualquier
calibre.
Analizando la ley de los Metales Intermedios, se puede determinar que el
instrumento que es utilizado para medir la fuerza electromotriz, puede tener su alambrado
interno construido por metales diferentes del termopar, como la temperatura del instrumento
es la misma, se cumple la ley de los Metales Intermedios y no afecta el resultado final de
medición.
Para obtener la junta caliente o unión de medición en los termopares, se utilizan tres
procedimientos; torcer los dos alambres para tener una unión firme, esto sólo se practica
cuando no sean temperaturas muy elevadas. Un segundo método es hacer una unión por
medio de caldeo o fusión de los metales, Para que esto suceda es necesario que los dos
alambres que conforman el termopar tengan un punto de fusión similar y pueda lograrse
dicha unión.
Un tercer método utilizado cuando no se consigue la unión por caldeo, es soldar las
dos juntas ya sea con autógena o con soldadura eléctrica, sin embargo; se logra agregando
un tercer metal, conocido como metal de aporte; sin embargo aunque se ha introducido un
metal extraño al termopar que podría afectar a la fuerza electromotriz, se cumple la ley de los
Metales Intermedios ya que las dos uniones que provocan este nuevo metal, están a la
misma temperatura, o sea, la temperatura de medición. Por lo tanto es valido fabricar los
termopares soldando la junta caliente.
58
Analizando la ley de las Temperaturas Intermedias, se puede hacer notar que lo
que es válido, es sumar las fuerzas electromotrices no así sumar las temperaturas, lo cual
daría un resultado erróneo. Para obtener la fuerza electromotriz generada por un termopar,
se debe partir de que la base de la unión de referencia o unión fría sea constante y aceptada
universalmente, actualmente todos los termopares están considerados con la unión de
referencia a 0°C, como la ecuación que rige a cualquier termopar es muy complicada y
prácticamente un algoritmo matemático, se acostumbra obtener la lectura de la fuerza
electromotriz contra temperatura a base de tablas, todas ellas están referidas a 0°C, la
temperatura ambiente sería la unión de referencia para el termopar en cuestión, o sea la
temperatura de unión T2 expresada en la ley de las Temperaturas Intermedias, por lo tanto,
el instrumento estará midiendo la fuerza electromotriz entre T2 y T3. Para leer la fuerza
electromotriz producida en ese termopar por la temperatura ambiente, o sea, lo que
corresponde a T1 y T2 expresado en la ley de las Temperaturas Intermedias.
Los valores de las fem están tabulados en tablas de conversión con la unión de
referencia a 0ºC. La gráfica siguiente presenta las curvas características de los termopares:
Gráfica 2.5 Curvas características fem / temperatura de los termopares.
59
Termopares Industriales.
Los termopares están construidos de tres partes principales, el termopar propiamente
dicho o sea dos alambres unidos entre sí, la cabeza de conexión que sirva para unir al
termopar con el instrumento de medición y los aisladores generalmente de cerámica que
aíslan ambos alambres de termopar para evitar una unión en el punto indebido.
Asociado con el termopar puede haber un tubo protector o un termo-pozo de material
adecuado para resistir al medio ambiente en que está sumergido, así como los efectos
abrasivos y corrosivos que lleva el fluido en el cual está sumergido.
La selección de los termopares debe estar basada en los siguientes factores: Rango
de temperatura de operación, precisión requerida, máxima salida de fuerza electromotriz en
algunas aplicaciones y la atmósfera en la cual el termopar debe ser instalado.
La clasificación de los termopares, fue hecha por ISA y son seis los termopares más
frecuentemente utilizados en la práctica. Aparte de esos seis, existe otro numeroso grupo de
termopares que se utilizan en la investigación. En la tabla 3.4 se pueden encontrar los límites
de temperatura a la cual pueden trabajar esos termopares, en función del calibre del
alambre.
Características generales de los termopares:
Termopar tipo T (Cobre – constantán): Tiene una elevada resistencia a la corrosión
por humedad atmosférica o condensación de la humedad y puede utilizarse en atmósferas
oxidantes o reductoras. Se prefiere generalmente para las medidas de temperatura entre 200 a 260ºC.
Termopar tipo E (Cromel – constantán): Puede usarse en vacío o en atmósfera
inerte o medianamente oxidante o reductora. Este termopar posee la fem más alta por
variación de temperatura, y puede usarse para las temperaturas entre -200 a 900ºC.
Termopar tipo K (Cromel – alumel): Se recomienda en atmósferas oxidantes y a
temperaturas de trabajo entre 500 y 1250ºC. No debe ser utilizado en atmósferas reductoras
ni sulfurosas a menos que esté protegido con un tubo de protección.
Termopar tipo J (Hierro – constantán): Es adecuado en atmósferas con escaso
oxígeno libre. La oxidación del hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de 550ºC,
siendo necesario un mayor diámetro del hilo hasta una temperatura límite de 750ºC.
Termopar tipo R, S y E de Pt – Pt/Rh: Se emplean en atmósferas oxidantes y
temperaturas de trabajo hasta 1500ºC. Si la atmósfera es reductora, el termopar debe
protegerse con un tubo cerámico estanco.
60
Los siguientes termopares son utilizados en investigación:
a) 40% de Iridio + 60% de Rodio-Iridio.
Recomendado para atmósferas oxidantes e inertes al vacío.
b) Tungsteno-Renio.
Recomendado para atmósferas reductoras e inertes al vació. Precaución: No se use
en presencia de oxígeno libre.
c) Tungsteno-Tungsteno + 26% de Renio.
Misma aplicación que el anterior.
Existen otras calibraciones de termopares tales como Geminol, Platinel II, Tungsteno
+ 5% de Renio-Tungsteno +26% de Renio, Tungsteno + 3% de Renio-Tungsteno + 25% de
Renio. Tienen algunas ventajas en aplicaciones específicas y pueden ser embarcados bajo
requisición de las compañías siguientes: Driver Harris Company para el primero, Engelhard
Industries Inc, para el resto.
Las aleaciones de los termopares tienen las siguientes especificaciones de la ISA:
CONSTANTANO: 60% Cu, 4, CROMEL: 90% Ni, 10% Al, 1% Si.
A continuación se muestra la tabla 2.15 con algunas características de los termopares
mencionados anteriormente, que son los intervalos de medida de temperatura, así como los
límites de error para cada intervalo, además de mencionar los intervalos de temperatura y el
error de los diferentes cables de extensión utilizados:
Tabla 2.15 Características de los termopares (Norma IEC-584-1982)
61
A continuación la tabla 2.16 nos muestra la composición química de cada
componente utilizado en la construcción de los termopares mencionados anteriormente:
Tabla 2-16 Designación de los termoelementos y su composición química.
A continuación se muestra la gráfica 2.6 sobre la eficiencia de cada termopar de
acuerdo al intervalo de temperatura que se desee medir:
Gráfica 2.6 Selección de termopares.
62
Cables de extensión.
Cuando el termopar está instalado a una larga distancia del instrumento, no se puede
conectar directamente al mismo, sino por medio de un cable que recibe el nombre de cable
de extensión, los cables de extensión conductores con propiedades muy similares al del
termopar hasta un límite de temperatura de 200°C. Esos cables de extensión son necesarios
ya que la temperatura de la cabeza del termopar no suele ser la misma temperatura de la
unión fría instalada en el instrumento; para que se cumpla la ley de los Metales Intermedios,
es necesario que el alambre de extensión sea de propiedades iguales que el termopar, si es
así, entonces se formarán otros termopares en la cabeza de conexión del termopar instalado
en el proceso.
Los cables de extensión se simbolizan con una X después de la letra correspondiente
al termopar, por ejemplo, TX es el cable de extensión de un termopar tipo T, JX es el cable
de extensión para un termopar tipo J, etc. Existe un código de colores publicado por la ISA,
para identificar cada uno de los cables de extensión.
El código de colores está formado por una combinación de tres colores: en virtud que
se maneja corriente continua, el cable de extensión debe ser polarizado, correspondiendo el
color rojo al forro del cable negativo, el forro del cable positivo tiene un color específico para
cada termopar; y finalmente el forro del alambre duplex que envuelve los dos conductores
que tiene un color específico para cada termopar; en el cual también aparecen los límites de
error entre el intervalo de temperatura en que se utilizan estos cables de extensión. El cable
de extensión WX, es el de Fierro-Cupronel, que se usa en los termopares tipo K. El cable de
extensión tipo SX es utilizado tanto para los termopares tipo R como S.
Es evidente que los termopares pueden conectarse directamente al instrumento, en
vez de usar un cable de extensión, sin embargo desde el punto de vista económico no sería
conveniente, sobre todo cuando se está instalando termopar de platino.
Es conveniente seguir las recomendaciones siguientes para la instalación de los
alambres de extensión:
Ö Se debe usar el cable de extensión respectivo de cada termopar. Al
conectarlo, respetar la polaridad en la cabeza del termopar del instrumento.
Ö Los cables de extensión deben de ir dentro de un tubo conduit metálico
conectado a tierra, además deben estar alejados 30cm de distancia mínimo
de cualquier línea de corriente alterna, para evitar la inducción en la señal.
No instale otros cables eléctricos en el mismo conduit del cable de
extensión.
Ö Escoger el aislamiento correcto del cable de extensión según su aplicación.
Ö El aislamiento de los cables de extensión, va a depender de las condiciones
del medio ambiente y de la temperatura a la que va a estar sujeto.
63
Instrumentos de medición de mV.
Para medir la fuerza electromotriz que genera un termopar, se puede utilizar el
circuito galvanométrico o el circuito potenciométrico.
A.- El circuito galvanométrico.
Está basado en el galvanómetro tipo D´Arsonval, se basa en la desviación de una
bobina móvil dentro de un campo magnético de imán permanente el cual está suspendido
mediante dos espirales con sus respectivos pivotes. Al generarse una fuerza electromotriz en
el termopar, la corriente pasa por la bobina formando su propio campo magnético, que se
orienta de acuerdo con el campo en el que está inmerso; siguiendo la ley de magnetismo ,
polos iguales se repelen polos contrarios se atraen, la bobina móvil gira hasta que el par
magnético se equilibra con el par de tensión de los resortes espirales que sostienen esta
bobina.
Una aguja indicadora está unida rígidamente a la bobina móvil y se desplaza enfrente
de una escala graduada en unidades de temperatura de acuerdo con el termopar que esta
manejando. Cuando se utiliza un galvanómetro se deben tener en cuenta tres características
muy importantes para la precisión de la lectura.
La primera de ellas, es que debe utilizarse el cable de extensión correspondiente al
termopar, el cual debe estar especificado en la carátula de instrumento. Ese cable de
extensión sirve para llevar unión fría o de referencia desde la cabeza del termopar hasta la
caja del instrumento.
La segunda consideración que debe tomarse en cuenta es la resistencia externa del
circuito, es decir la resistencia del alambre o cable de extensión más la resistencia que
presenta el termopar expresada en Ohms.
Es importante, porque la fuerza electromotriz que se genera en la unión caliente, es
disminuida por la resistencia del alambre o cable de extensión utilizado para conectar al
termopar, como esta resistencia es inevitable, el fabricante especifica también en la carátula
el valor de esta resistencia externa, como es muy difícil que la resistencia especificada por el
fabricante coincida con la resistencia de instalación del termopar, el fabricante ha previsto
este problema añadiendo al circuito de este instrumento una resistencia ajustable que recibe
el nombre de resistencia de compensación, normalmente las resistencias externas de los
instrumentos andan alrededor de 10 Ohms, por ejemplo, si la resistencia externa real es de
12 Ohms, para reducir la resistencia total del circuito se disminuyen 2 Ohms en la resistencia
de compensación logrando así una medición exacta.
La tercera consideración que debe tomarse en cuenta es el buen estado de los
tratamientos de rubí o zafiro, para que el par de fricción sea lo más chico posible, debe estar
instalado donde no existan vibraciones ni cambios magnéticos fuertes que afecten la lectura
del instrumento.
Los galvanómetros traen en su interior una unión bimetálica para hacer
compensación en la unión fría por cambios de la temperatura ambiente lo cual hace que
automáticamente el cero del instrumento se mueva al variar la temperatura de la caja.
64
B.- Circuito potenciométrico.
El potenciómetro es un instrumento electrónico que mide la fuerza electromotriz
generada por u n termopar, comparando esta fuerza electromotriz generada contra el voltaje
conocido de una fuente. El voltaje conocido se varía mediante el movimiento de un contacto
a lo largo de una resistencia variable, la posición de equilibrio se alcanza cuando los dos
voltajes son opuestos, iguales y no fluye corriente en el circuito.
En virtud de que la fuerza electromotriz del termopar tiene un valor determinado para
cada temperatura como la posición del contacto a lo largo de la resistencia variable
corresponde a la lectura del termopar en unidades de temperatura. Este circuito
potenciométrico recibe el nombre de circuito de balance continuo, ya que cualquier cambio
en la temperatura, y por ende en la fuerza electromotriz generada produce un desbalance en
el circuito lo cual hace que el instrumento se retro-alimente y logre el equilibrio en otra
posición, cambiando el valor de la lectura de la escala del instrumento.
Existen tres pasos para lograr el balance continuo esos tres pasos son: conversión,
amplificación y operación del motor del balance que corresponde a la retroalimentación del
instrumento.
Como la amplificación no se logra con una corriente continua es necesario convertir la
corriente continua y la corriente alterna, y esto se logra mediante un dispositivo que recibe el
nombre de convertidor, el cual es esencialmente una lengüeta delgada de metal que oscila
entre dos contactos conectados en los extremos opuestos de la bobina primaria del
transformador de entrada, a medida que la lengüeta se mueve de un contacto a otro se
produce una señal eléctrica, primero en una dirección y luego en sentido contrario,
produciendo así una señal de onda cuadrada. Esta señal de onda cuadrada se amplifica en
la bobina del secundario.
El termopar es susceptible al ruido eléctrico industrial debido a que durante su
funcionamiento puede generar tensiones de 2 a 50mV y se encuentra en un entorno en
donde las grandes máquinas eléctricas pueden crear cientos de milivoltios en el cable de
conexión. Por otro lado, el termopar trabajando como una antena, puede recoger radiación
electromagnética de radio, TV y microondas. De aquí que se requiera que los cables de
conexión estén torcidos y dentro de una funda metálica que se pone a tierra, que la unión de
medida esté puesta a tierra, y que el amplificador tenga una buena relación señal / ruido.
65
Pirometría
Un pirómetro en un instrumento utilizado para medir, por medios eléctricos,
temperaturas elevadas por encima del alcance de los termómetros de mercurio. Este término
abarca a los pirómetros ópticos, de radiación, de resistencia y termoeléctricos.
- Pirómetro de Milivoltímetro.
El Milivoltímetro es básicamente un galvanómetro de d’Arsonval. Se tiene un campo
magnético producido por el imán y las piezas polares que rodean a una bobina suspendida
entre pivotes que descansan en rubíes o zafiros. La aguja indicadora esta sujeta a la bobina
y la corriente eléctrica generada por el termopar pasa por ella y establece un campo
magnético proporcional a la corriente que atraviesa y hace que gire. La rotación de la bobina
mueve la aguja indicadora a lo largo de la escala y tanto la bobina como la aguja, sufren una
deflexión contra resortes en espiral. Estas espirales restringen el movimiento de la bobina y
la aguja y los devuelven a la posición de cero cuando se suspende la corriente.
Por lo general, se añade una espiral bimetálica a dichos resortes para proporcionar la
compensación de la unión de referencia. Dado que el instrumento mide el voltaje generado
por la diferencia de temperatura entre la unión de medición y la de referencia, es importante
mantener la unión de referencia a una temperatura constante o que el instrumento de
medición tenga una compensación automática y precisa para los cambios de temperatura en
dicha unión.
El movimiento de medidor del pirómetro con Milivoltímetro tiene una resistencia fija y,
para obtener lecturas exactas, es esencial que el termopar y los alambres conectores tengan
una resistencia compatible con la del medidor. Es importante que todas las conexiones estén
limpias y sean sólidas, ya que una conexión deficiente o sucia o una unión débilmente
soldada puede crear una unión fría falsa y originar un gran error en la indicación.
Lo más común es el uso de un termopar en el sistema de medición, pero existen
aplicaciones especiales en las que es ventajoso emplear más de un termopar, estos se
pueden utilizar en serie o en paralelo, para satisfacer los requisitos de una aplicación
determinada. Cuando es necesario obtener alta sensibilidad, los termopares se pueden
conectar en serie.
En general, un sistema para medición y control de termopar con Milivoltímetro es más
económico en lo que respecta a costo inicial, si sus características de precisión, respuesta y
control son adecuadas para satisfacer la aplicación de que se trate. Estas unidades son
predominantemente mecanismos activados por galvanómetros de encendido y apagado, con
puntos de ajuste alto y bajo. El indicador lleva algún tipo de aleta u otro mecanismo activador
que controla la conmutación cambiando la frecuencia de un oscilador, interrumpiendo un haz
de luz o cualquier otro sistema.
Los pirómetros de Milivoltímetro de tipo de aleta se equipan a menudo con protección
contra incendio, de tal manera que si un termopar se quema o rompe, sonará una alarma, se
detendrá el sistema o sucederán ambas cosas, es decir sonara una alarma y se apagará el
sistema, una mala característica que se asocia generalmente a estos medidores es que si
existe una falla en la fuente de alimentación no se apagan y deben restaurarse manualmente
cuando se restaure el suministro de energía.
66
- Pirómetros Potenciométricos.
Este tipo de pirómetro funciona básicamente bajo el principio de señal de error en el
que la fuerza electromotriz (fem) generada por el termopar se puede considerar como la
señal de error. Esta fem generada se compara después mediante un sistema de
potenciómetro para obtener una condición nula o de cero, y la señal de error necesaria para
obtener la condición nula se indica o registra mediante el sistema de potenciómetro, como la
fem generada. En un sistema de pirómetro potenciométrico no es necesario igualar las
resistencias de los termopares con el potenciómetro, debido a que se utiliza una fuerza
contraelectromotriz para producir una corriente nula. En un sistema de potenciómetro
manualmente operado, una fem del potenciómetro se neutraliza con la fem generada por el
termopar para producir una lectura de cero del galvanómetro.
Por lo general, se usa un termómetro de precisión que va montado en el
potenciómetro para indicar la temperatura ambiente, de tal modo que se pueda efectuar una
corrección en la lectura de la fem si no se utiliza la referencia del punto de fusión del hielo. Si
se emplea un tipo universal de potenciómetro de indicación, se puede utilizar cualquier tipo
de termopar generado de fem, como detector de la diferencia de temperatura.
Se fabrican pirómetros Potenciométricos pequeños y compactos para medir la salida
de algunas clases de termopares específicas, como los de cromel-alumel, hierro-constantan,
cobre-constantan, platino-platino-rodio. Estos pirómetros también se fabrican en
combinaciones para dos o más tipos de termopares.
Existe un tipo de sistema de pirómetro potenciométrico de equilibrio continuo que se
emplea con mucha frecuencia para aplicaciones industriales. En este tipo de sistema, el
alambre corredizo del potenciómetro, tiene un alcance definido y alcanza hasta un rango
específico, estos sistemas casi siempre se diseñan con el objeto de proporcionar una
compensación de la unión de referencia y no solo para una clase especifica de termopares,
sino también para un rango de temperaturas en particular. De igual manera, los diseños nos
permiten las modificaciones de los circuitos y el alambrado con el propósito de dejar margen
para cambios, tanto en el tipo de termopar como en el rango de temperatura.
En el sistema de equilibrio nulo, la fem que se mide se detecta mediante un
amplificador electrónico que impulsa al motor equilibrador. Se trata de un motor del tipo
servomotor que puede funcionar en ambas direcciones dependiendo de la polaridad de la
corriente de error detectada por el amplificador electrónico, el motor equilibrador gira en la
dirección necesaria para mover el brazo del potenciómetro, de manera que la fem calibrada
ajustable se compare exactamente con la fem generada por medio del termopar para dar
una diferencia cero o de equilibrio nulo. La fem necesaria para balancear el sistema se
presenta en el indicador y el registrador, como la fem producida por el termopar. Estas
unidades se pueden calibrar de tal manera que se lean directamente grados Fahrenheit o
Celsius.
67
- Pirómetros de Radiación.
Cuando se deben medir temperaturas y el contacto físico con el medio que se va a
determinar es imposible o poco práctico, se recurre al uso de métodos ópticos y de
pirometría de radiación térmica.
La pirometría de radiación térmica mide el calor radiante emitido o reflejado por un
objeto caliente, aunque la teoría indica que deben ser sensibles a todo el espectro de
energía irradiada por el objeto, los pirómetros de radiación prácticos son sensibles a una
banda limitada de longitudes de onda de energía radiante. La operación de los pirómetros de
radiación térmica se basa en los conceptos de cuerpo negro y ha permitido la medición y el
control automático de temperaturas en condiciones que no permiten utilizar otros elementos
sensores de temperatura.
Teoría de las mediciones de radiación: un cuerpo radiante perfecto, denominado
tradicionalmente cuerpo negro, se utiliza como estándar comparativo para determinar
cuantitativamente la energía irradiada por un objeto caliente. Si se logra una buena
aproximación a las condiciones del cuerpo negro, (lo cual significa que el cuerpo absorbe
toda la radiación térmica que intercepta o que irradia el máximo de energía térmica sobre
una banda más ancha de longitudes de onda que cualquier otro cuerpo con los mismos
parámetros físicos y a la misma temperatura), la radiación detectada por la celda de
radiación térmica variará en la cuarta potencia de la temperatura absoluta de la fuente. La
relación de energía de radiación térmica y temperatura para una condición de cuerpo negro
se puede expresar con la ecuación (2.5):
(2.5)
W = δT04
Donde:
W = energía radiante emitida por unidad de área del cuerpo negro
δ = constante de Stefan-Boltzmann
T0 = temperatura absoluta en °K
Esta es la ley de Stefan-Boltzmann y en ella se supone que el cuerpo negro irradia
hacia un receptor que se encuentra en el cero absoluto.
En aplicaciones practicas para pirómetros de radiación térmica, la transferencia de
energía térmica radiante se efectúa a temperaturas superiores al cero absoluto, por tanto la
ecuación se modifica, para expresar la relación de energía radiante y temperatura en esas
condiciones:
(2.6)
W = σ(T4 – T04)
Donde:
σ = una constante
T = temperatura absoluta del cuerpo negro
T0 = temperatura absoluta del medio ambiente
68
Emisividad: una superficie negra áspera irradia mas calor que una superficie lisa y
brillante a la misma temperatura. Este efecto se denomina emisividad y se expresa en
números de 1 a 0.
En las aplicaciones industriales en que se requieren pirómetros de radiación térmica
para medición y control se pueden utilizar técnicas infrarrojas.
Figura 2.12 Pirómetro de radiación.
Pirometría infrarroja: la energía infrarroja es invisible al ojo humano, pero se puede
sentir. Lo que se siente cuando se pone la mano cerca de una superficie caliente es
precisamente la energía calorífica irradiada. Al aumentar la temperatura de la superficie,
existe un incremento proporcional en la energía infrarroja irradiada. A temperaturas
superiores a aproximadamente 542 °C (1000 °F), una superficie comienza a radiar energía
lumínica visible y, al mismo tiempo, existe un aumento proporcional en la energía infrarroja.
Este aumento proporcional en la energía infrarroja, en función de la temperatura de la
superficie hace posible la pirometría infrarroja combinando un detector apropiado, circuitos
electrónicos y un medio de indicación y control. Los principios infrarrojos en que se utilizan
bolómetros, termopares
al vacío y termopilas, se han utilizado con éxito en
espectrófotometros infrarrojos y como pirómetros espectrales de radiación total.
El bolómetro es un dispositivo térmico que cambia su resistencia térmica en función
de la temperatura. La resistencia del bolómetro varia en respuesta a la intensidad de la
variación térmica enfocada sobre él. Este dispositivo casi siempre se fabrica de un alambre
de níquel o un listón delgado de platino, dependiendo de su aplicación y la velocidad de
respuesta requerida. El listón de platino proporciona una respuesta más rápida.
El termopar al vacío es un termopar común con una masa térmica baja que
responde con gran rapidez a cambios en la energía térmica radiante. El termopar esta
encerrado dentro de una caja al vacío con una mirilla, adecuada para admitir la energía
radiante.
69
En aplicaciones industriales en las que se requiere la velocidad de respuesta, del
termopar al vacío, se acostumbra a ensamblar varios en serie para formar una termopila. La
termopila tiene una velocidad de respuesta más lenta, aunque las velocidades de respuesta
de menos de varios segundos no son importantes en muchas aplicaciones industriales.
Se han desarrollado termómetros infrarrojos industriales para usar sulfuro de plomo
fotoconductor como detector, con tiempos de respuesta de 0.25 s como estándar, o con
tiempos de respuesta de 0.04 s para aplicaciones especiales.
Cada uno de los diferentes sistemas dependen de la transmisión de energía
infrarroja, emitida por el objeto calentado al detector en el sistema de medición, a través de la
atmósfera circundante. No existe ningún contacto directo con la superficie cuya temperatura
sé esta determinado.
Los pirómetros de radiación térmica funcionan básicamente de acuerdo con la ley de
Stefan-Boltzmann. El pirómetro se debe diseñar para tener una respuesta la longitud de
onda del rango de temperatura deseado. Las partes esenciales de un pirómetro básico de
radiación son: lente, termopila y la unidad de medición. Las lentes o los espejos utilizados
deben ser capaces de hacer pasar o reflejar las longitudes de onda de energía radiante
emitidas por el objeto caliente y enfocarlas sobre el detector receptor que emite la fem de
salida o sufre el cambio de resistencia. Después, esta salida se puede determinar en forma
de temperaturas mediante un dispositivo de medición.
El detector que se usa más a menudo en la industria es la termopila. Esta es más
resistente que otros, aunque su tiempo de respuesta es, por lo general, 2 s o más, cuando el
tiempo de respuesta debe ser menor a 2 s se puede utilizar el bolometro. Aunque es más
costosa y menos resistente su construcción. Los dos detectores de radiación de tipo
industrial que se usan mas en aplicaciones comerciales, junto con sus dispositivos de control
automático asociados son: Rayotube de Lee and Northrup y el Radiamatic de Honeywell.
Los pirómetros de radiación se usan industrialmente cuando las temperaturas son
superiores al rango práctico de operación de los termopares, cuando la vida del termopar es
corta debido a las atmósferas corrosivas, cuando el objeto cuya temperatura se va a medir
esta en movimiento en procesos al vacío o en hornos a presión, cuando los sensores de
temperatura dañarían al producto, y para obtener la temperatura promedio de una superficie
grande.
Figura 2.14 Diagrama de un pirómetro de
Radiación total(Fery)
Figura 2.15 Diagrama de un pirómetro de
Radiación visible
70
- Pirometría Óptica.
Este es un dispositivo oficial reconocido internacionalmente para medir temperaturas
superiores a 1063 °C. Se ha utilizado para establecer la Escala Internacional de
Temperaturas Superiores a 1063 °C. El pirómetro óptico mide la intensidad de la energía
radiante emitida en una banda angosta de longitudes de onda del espectro visible. Existen
unidades manuales y automáticas y ambas tienen más o menos la misma precisión.
El pirómetro óptico es un dispositivo para medir la temperatura de un objeto caliente
por la brillantez de la superficie de dicho objeto. El ojo humano, sin ninguna ayuda, fué el
primer pirómetro óptico que se usó para determinar la temperatura de objetos candentes.
Este método era aproximado y, cuando mucho, permitía hacer solo una estimación, pero
constituía el único medio disponible para determinar altas temperaturas. El ojo humano
sigue desempeñando un papel importante en la pirometría óptica, ya que sirve para
comparar la brillantez de un objeto con la de otro, en forma muy precisa.
La intensidad de luz en el espectro visible emitida por un objeto caliente varia
rápidamente con su temperatura. En todos los pirómetros ópticos se utiliza un filtro rojo que
va entre el objeto y el ojo del observador. La luz monocromática escogida tiene una longitud
de onda de máxima sensibilidad para el ojo con el fin de minimizar o eliminar el factor de
diferencias individuales en el juicio sobre los colores y la sensación de estos.
Figura 2.15 Estructura interna de un pirómetro óptico.
-
Los pirómetros ópticos se pueden clasificar en dos tipos
El primero compara óptimamente la luz del objeto caliente con la de una lámpara en
el instrumento. La salida de la luz de la lámpara de comparación, se mantiene constante con
una corriente eléctrica constante a través del filamento. La comparación con el cuerpo
caliente se lleva a cabo haciendo girar una cuña de absorción óptica graduada para cambiar
la brillantez aparente del cuerpo caliente hasta que se esfuma la pequeña marca de prueba
luminosa que aparece el campo de visión.
El segundo hace variar la intensidad de luz de una lámpara de comparación calibrada
para equipararla con la intensidad de la luz emitida por el objeto caliente, en ambos tipos la
luz emitida por el objeto caliente y la lámpara de comparación debe tener la misma longitud
de onda para obtener mediciones precisas.
71
Pirómetro microóptico: es un instrumento de laboratorio con un alto grado de
precisión y se puede utilizar para medir blancos de menos de 1 milésima de pulgada de
tamaño, a una distancia de 5.5 pulgadas. Este se produce en varios modelos que abarcan el
rango de temperaturas comprendido entre 700 y 5000 °C en tres rangos.
Utilizando filtros montados externamente, se puede ampliar la escala a 10 000 °C.
Estas lecturas mas elevadas no son directas, sino que se deben determinar por medio de
gráficas comparativas.
Pirómetro óptico de Leeds and Northrup: se compone de dos unidades, la porción de
telescopio que sirve para observar el blanco y la caja de control que contiene las baterías y
al circuito del potenciómetro. El sistema óptico produce una imagen erecta del objeto
detectado, y se logra una yuxtaposición perfecta del filamento con la imagen utilizando un
filamento de listón fino dentro de una lámpara con caras planas.
El dispositivo que cambia la pantalla permite obtener variaciones de rango con
facilidad. También se muestran el filtro rojo para intensificar el espectro rojo y el interruptor
del circuito básico.
Pirómetro óptico automático de Leeds and Northrup: este se debe apuntar
manualmente sobre el blanco y el área u objeto cuya temperatura se va a medir debe ser lo
suficientemente grande para cubrir totalmente el campo visual. Esta área se observa sobre
una pantalla de vidrio esmerilado o con auxilio de un ocular. La radiación se enfoca hacia el
limitador del campo visual mediante un lente objetivo.
La radiación del blanco recorre una trayectoria óptica que la dirige hacia el área
sensible del fotodetector. Una trayectoria óptica similar, desplazada de la que porta la
radiación del blanco, dirige la radiación de la lámpara estándar al mismo punto del detector.
Hay un disco modulador de luz que gira y bloquea alternativamente la radiación de
una trayectoria, mientras pasa la radiación de la otra a 90 ciclos / s. El modulador de disco
giratorio permite que el fotodetector perciba alternadamente la radiación del blanco y de la
lámpara estándar. La lámpara estándar opera a una longitud de onda de 6530 A°.
2.1.5 APLICACIONES:
Búsqueda bibliografica por parte del alumno, de acuerdo a la carrera correspondiente.
72
2.2 PRESIÓN
2.2.1 TIPOS DE PRESIÓN (PRESIÓN Y PRESIÓN DIFERENCIAL)
Generalidades.
La presión, definida como un fuerza por unidad de área, es una de las más
importantes variables de los procesos industriales. Un amplio intervalo de presión que va
desde el ultravacío donde las presiones son tan bajas como una milésima de mm de
Mercurio (un micrón) hasta presiones de 700 kg /cm2 y mayores deben ser medidas y
controladas con precisión en los procesos industriales.
A causa de este amplio intervalo de medición son necesarios numerosos elementos
para medir presión. Estos elementos deben variar desde métodos directos tales como un
tubo de Bourdon o espiral con principios elásticos, hasta métodos diferenciales, tales como
medidores de filamento caliente o alambre caliente usados para medir vacíos extremos.
Las unidades para medir presión más comúnmente utilizadas son el kg/cm2 en el
sistema métrico decimal, lb/in2 en el sistema ingles (SIA). Actualmente, se está introduciendo
en México el Sistema Internacional de Unidades, el cuál utiliza el Pascal como unidad de
presión.
En la tabla 2.17 se enlistan las unidades de conversión de un sistema a otro, en la
cual también aparece la presión en forma de columna de mercurio o columna de agua.
Tabla 2.17 Factores de conversión de unidades de presión.
2
cm de c
de agua
mm de c
de Hg
Bar
Pa
0.0703
70.01
31.72
0.0685
7143
0.0024
0.0025
7.54
1.868
0.0024
258.4
1
0.8334
0.0345
34053
25.4
0.033
3448
406.79
393.9
29.32
28.94
1
0.9578
1.033
1
1033
1000
760
735.6
1.0133 101000
0.08 98109
0.0113
0.0935
0.0183
0.09474
0.01
1
0.7096
0.001
100
0.0193
0.5035
0.9793
0.6313
0.0612
0.5313
1
0.0013
133
14.3
409
29.39
0.337
1.02
1800
750
1
10
0.00014
0.003
103e-7
0.01
0.0073
0.001
1
Unidad
Psi
Pulgada
c. de a.
Pulgada c.
de Hg
Atmósfera
Kg/cm
Psi
1
37.48
0.036
0.062
Pulgada
c. De a.
Pulgada
c. de Hg
Atmósfera
Kg/ cm2
0.381
1
0.0735
0.4912
13.6
14.7
14.22
Cm de c
de agua
mm de c
de Hg
Bar
Pa
0.00029 0.000967
6
73
La mayoría de los sistemas de control de procesos industriales requieren la medida
de presión, por lo que existen diversos tipos de sensores y medidores de presión.
Antes de considerar éstos en detalle, es importante explicar algunos términos usados
en la medición de presiones, así como establecer la diferencia entre presión absoluta,
presión de dispositivo y presión diferencial. La presión absoluta de un fluido es la diferencia
entre la presión de un fluido y el cero absoluto de presión, mientras que la presión de
dispositivo indica la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica. Por tanto, la
presión absoluta y la mostrada por el dispositivo están relacionadas por la expresión:
Presión absoluta = Presión de dispositivo + Presión atmosférica
El término presión diferencial se usa para describir la diferencia entre dos
presiones absolutas, tales como las medidas en dos puntos de un fluido (a menudo entre los
dos lados de un limitador de flujo en un sistema de medida de caudal).
El rango de presiones para el que comúnmente se requiere la medida se extiende
desde 1,013 a 7000 bares (1 a 6910 atmósferas.) En la próxima discusión, por tanto, se
describen primero los dispositivos usados para medir presión en este rango medio más
frecuente, siguiendo a continuación con técnicas empleadas para medir presiones fuera de
este rango.
En virtud de la gran cantidad de elementos primarios que miden presión y presión
diferencial, se han clasificado en tres grandes grupos a saber: medidores elásticos,
medidores no elásticos y medidores eléctricos.
2.2.2 MEDIDORES ELÁSTICOS.
Estos instrumentos aprovechan la propiedad elástica de los metales, están basados
en la aplicación de la “Ley de Hooke” que establece:
“dentro del límite elástico las deformaciones de un metal son proporcionales a los esfuerzos”.
Las configuraciones más utilizadas en la industria son los tubos de Bourdon los
fuelles, los diafragmas y las cápsulas, como elemento elástico auxiliar de los tres últimos, se
utiliza un resorte.
Tubo de Bourdon.
Eugene Bourdon (1808 – 1888). Inventó en 1847 un manómetro que lleva su nombre
y fue adoptado por Francia en 1849; el aparato consiste en un aparato metálico curvado y
aplanado, fijo por el lado donde se alimenta la presión y acoplado en el otro extremo a un
mecanismo que impulsa una plumilla o puntero indicador. Este elemento sensible puede
adoptar cuatro formas, las cuales son: Tubo C, espiral, helicoidal y torcida.
El más simple es el tubo C, que se utiliza para medir presiones hasta 1500 Kg/cm2
con un error máximo del 2%, sin embargo los instrumentos que requieren mayor precisión es
de 0.5%. Los materiales generalmente usados para el tubo de Bourdon son el bronce
fosforado, cobre al berilio, acero, acero inoxidable y acero de aleación de cromo. El material
más común para bajas presiones es el bronce. Cuando la presión es aplicada en el extremo
74
abierto del tubo, la tendencia es recuperar la sección redonda transversal original del tubo al
mismo tiempo que se retira para ser enderezado.
Este movimiento causa que el extremo libre del tubo se desplace una cantidad
determinada de espacio, este movimiento pequeño es amplificado por un sector de engrane
y un piñón, en el eje del cual esta montado la aguja, que se desplaza frente a una escala. De
acuerdo a la ley de Hooke la calibración es una línea recta y puede ser fácilmente lograda y
trazada en una escala circular en cualquiera de las unidades conocidas.
Hay cuatro características de los fluidos que son altamente perjudiciales en el uso de
este tipo de instrumentos. Ellas son corrosión, cavitación, congelación y contaminación.
La corrosión ataca principalmente a los elementos construidos con bronce y sus
aleaciones, para evitar este ataque será necesario utilizar alguna aleación o metal que sea
inmune a la corrosión. Conviene tomar en cuenta que el calor es otro de los elementos que
también perjudica a este instrumento, en caso de que se maneje vapor, por ejemplo se debe
utilizar una trampa de condensados que en el mercado recibe el nombre de “cola de cochino”
(pig tail) esta trampa permite que el vapor se mantenga apartado del tubo de Bourdon,
permitiendo solo el paso de la presión a través del condensado.
La cavitación es otro fenómeno perjudicial a la buena operación y promedio de vida
de este instrumento, esta cavitación puede ser producida por fenómenos propios del fluido o
bien por vibración mecánica o golpeteo de una bomba, para minimizar el efecto de la
cavitación es necesario agregar un accesorio que recibe el nombre de amortiguador en la
entrada del manómetro, este amortiguador puede tener diferentes diseños.
La congelación se refiere en este caso a fluidos que generalmente circulan calientes
en las tuberías pero que a temperatura ambiente son sólidos, un ejemplo de este tipo de
fluidos es el asfalto, otro es la cera parafina, las grasas vegetales o animales, etc. Cuando se
presenta este fenómeno el fluido caliente y en estado líquido penetra al tubo, pero al
enfriarse forma una sustancia sólida que provoca rigidez en el tubo impidiendo así la
medición de la presión. Con el objeto de eliminar la congelación del fluido dentro del tubo se
utiliza un sello que recibe el nombre de sello químico.
Este sello consiste esencialmente en un diafragma generalmente protegido con teflón
que va montado a la entrada del medidor, entre ese diafragma y el tubo mismo hay un
espacio que se llena totalmente con un fluido no corrosivo que puede ser glicerina o aceite
de silicón, la presión es transmitida a través de este diafragma hasta el Bourdon no así el
fluido, el cual cuando esté caliente no alcanzará a afectar el tubo de medición. Entre
paréntesis, este sería otro método aunque más caro, para evitar la corrosión de un
instrumento de medición.
La contaminación es un fenómeno parecido al anterior excepto que en este caso el
producto sólido se obtiene merced a la proliferación de colonias bacterianas en el interior del
medidor, como un ejemplo particular de este fenómeno, se puede mencionar la leche, la cual
es un medio de cultivo de bacterias muy eficiente, para corregir o prever este problema, se
acostumbra utilizar un sello químico el cual aísla completamente al producto del tubo
medidor.
El tubo de Bourdon es muy común de medición industrial de la presión de líquidos y
gases. Cuando se aplica presión al fijo, y abierto, del tubo, la sección ovalada se hace más
75
circular causando un desplazamiento de la parte cerrada y libre del tubo. Este
desplazamiento se mide por algún tipo de transductor de desplazamiento. Que es
comúnmente un potenciómetro o un LVDT, o menos frecuentemente un sensor capacitivo.
En otras versiones se puede medir el desplazamiento ópticamente.
La deflexión máxima del extremo libre del tubo es proporcional al ángulo del arco que
define el tubo. Para un tubo en forma de "C", el valor máximo del arco es menor que 360°.
Donde se requieran resoluciones y sensibilidades mayores se usan tubos en espiral o
helicoidales. El incremento de las cualidades de medición se consigue a costa de costes de
fabricación comparados con los de tipo "C", aparte de un gran descenso en la presión
máxima que puede medirse.
Figura 2.16 Medidores elásticos
Los tubos de tipo "C" están disponibles para medir presiones por encima de los 6000
bares. Un tubo en "C" típico de 25 mm de radio tiene un desplazamiento máximo de 4 mm,
dando un nivel moderado de resolución en la medida. La precisión de la medida está
acotada típicamente en un ±1% de la escala completa de deflexión. Precisión similar poseen
los tipos helicoidales o espirales, pero si bien la resolución es mayor, la máxima presión que
se puede medir es de unos 700 bares.
La existencia de un mayor error potencial en la medición con tubos de Bourdon no ha
sido documentada, ya que todos los fabricantes de tubos de Bourdon no suelen advertir a
todos los usuarios de la metodología de calibración empleada. El problema procede de la
relación entre el fluido medido y el fluido empleado en la calibración. El indicador de los
tubos de Bourdon se establece en cero durante la fabricación, usando aire como medio de
calibración. Sin embargo, si se emplea en un fluido diferente, especialmente un líquido, dicho
fluido causará una desviación del cero de acuerdo con su peso en comparación con el aire,
resultando en un error de lectura del 6%, intolerable en medidas que requieran mediana
precisión.
76
Elemento de fuelle y resorte.
Este elemento es un aparato con apariencia externa de un farol chino, en su interior
lleva un resorte el cual se opone al efecto de la presión, en modelos más antiguos este
resorte estaba colocado en el exterior del fuelle. El intervalo del resorte determina realmente
el alcance de este medidor, los fuelles pueden ser abiertos o cerrados, un fuelle abierto se
utiliza generalmente en intervalos entre 13 a 230 cm de agua, cuando un fuelle es cerrado,
esa cubierta que lo cierra forma una concha protectora alrededor de este fuelle, el intervalo
en este segundo fuelle es de 0.2 a 2 kg / cm2 , generalmente son construidos de bronce
fosforado o de acero inoxidable cuando el ambiente en que están inmersos es corrosivo.
El movimiento obtenido por variaciones de presión venciendo al resorte, se amplifica
con un juego de palanca y se transmite a una aguja indicadora o a una pluma de tinta en
caso de registrador de papel. Para cambiar el intervalo de este instrumento, basta cambiar
el alcance del resorte sin modificar el resto del aparato.
Para presiones muy bajas y vacíos, se utiliza un elemento de doble resorte y doble
fuelle, en esta unidad, la presión esta conectada al interior del fuelle mayor, el cual crea una
apreciablemente mayor fuerza por unidad de área para actuar contra la fuerza del resorte
opuesto. Para medición de vacíos o combinaciones de vacío y presión, este elemento esta
también equipado con un resorte interior el cual se pone al colapso del fuelle.
medida para un instrumento
(presión de
El fuelle, mostrado en la figura 2.17 opera según
un principio similar al del diafragma, aunque se
emplean en aplicaciones que requieran mayor
sensibilidad que la conseguida con un
diafragma. Los cambios de presión en el fuelle
producen un movimiento de traslación al final del
fuelle que se mide por transductores capacitivos,
inductivos (LVDT) o resistivos de acuerdo con el
rango de movimiento producido. Un Figura 2.17
Fuelle.
rango típico de
de fuelle es de 0-1 bar
dispositivo).
Elemento de diafragma.
Estos elementos están formados por
una cubierta protectora con un diafragma
de un material elástico, por ejemplo hule, neopreno, teflón o cuero tratado con aceite, un
resorte que se opone a la presión y un tornillo de ajuste para que el mecanismo de
amplificación sea colocado en el cero de la escala por el medidor. Estos instrumentos están
diseñados para medir presiones muy cercanas a la atmosférica y de pequeño valor,
generalmente presiones o vacíos en el hogar de la caldera, en cámaras presurizadas de
algunos equipos industriales. Por su misma sensibilidad, es necesario montarlos con los
diafragmas en posición vertical ya que el peso del mismo diafragma modificaría la posición
del mecanismo, desajustando el cero mecánico. Los intervalos de operación más comunes
son de 0 a 2.5 cm de agua, para cambiar el intervalo de operación, se cambia el valor del
resorte haciendo nuevamente el ajuste de cero mecánico del instrumento.
77
Figura 2.18 Transductor de presión
de elemento elástico.
Constituye uno de los tres tipos comunes de
transductores de presión de elemento elástico, y se
muestra la figura 2.18. Los instrumentos de diafragma
se usan para medir presiones por encima de los 10
bares. La presión aplicada provoca el desplazamiento
del diafragma, y este desplazamiento se mide por un
transductor de posición. Ambas, la presión de indicador
y la diferencial, pueden ser medidas por diferentes
versiones de instrumentos basados en diafragma. En el
caso de la presión diferencial, se aplican ambas
presiones a ambos lados del diafragma y el
desplazamiento del diafragma corresponde a la diferencia de presiones. La magnitud de
desplazamiento típica en ambas versiones es de 0,1 mm, que se adapta bien a un sensor de
deformación.
Normalmente se usan cuatro sensores de deformación en una configuración puente,
en la que un voltaje de excitación se aplica a través de dos puntos apuestos del puente. El
voltaje de salida medido a través de los otros dos puntos del puente es, entonces, función de
la resistencia, cuyo cambio se debe al desplazamiento del diafragma.
Este arreglo compensa, asimismo, las variaciones de temperatura ambiente. Los
modelos de transductores de presión más antiguos de este tipo usaban sensores de
deformación metálicos unidos a un diafragma típicamente hecho de acero inoxidable.
Aparte de las dificultades constructivas que suponía unir los sensores, éstos
tenían un factor de deformación (factor de la galga extensiométrica) pequeño, lo que significa
que la baja salida procedente del puente de sensores de deformación tiene que ser
amplificada por un caro amplificador de corriente continua.
El desarrollo de los sensores de deformación semiconductores (piezorresistivos) ha
resuelto parte de los inconvenientes, ya que estos sensores proporcionan un factor superior
en 100 veces al de los metálicos. Sin embargo, sigue existiendo la dificultad de unir los
sensores al diafragma, al tiempo que aparece un nuevo problema debido a la no linealidad
de la característica de salida de estos dispositivos.
El problema de la unión de los sensores de deformación fué resuelto con la
aparición de los transductores piezoresistivos monolitícos de presión hace unos 15 años,
convirtiéndose actualmente en los transductores de presión basados en diafragma mas
usados. La célula monolítica consiste en un diafragma hecho de una hoja de silicona en la
que los resistores se difunden en el proceso de fabricación.
Además de evitar las dificultades de la unión, tales células monolíticas son muy
baratas cuando se fabrican en grandes cantidades. Aunque sigue existiendo el inconveniente
de una salida no lineal, se puede superar este obstáculo mediante el empleo de un circuito
de linealización activo, o incorporando la célula en un sistema transductor "inteligente"
basado en un microprocesador.
78
Este último generalmente presenta conversión A/D y servicios de interrupción en un
solo circuito integrado y entrega una salida digital adecuada a los esquemas de control por
ordenador. Tales instrumentos pueden ofrecer también compensación automática de
temperatura, autodiagnóstico y procedimientos de calibración. Estas características permiten
precisiones de medida por encima del 0,1% del fondo de la escala .
Como alternativa a las medidas de desplazamiento por sensores de deformación, a
veces se usan transductores capacitivos. Otra opción menos frecuente y basada en el
desarrollo de la fibra óptica son los sensores fotónicos, como el de la figura 2.19. Se trata de
un dispositivo basado en diafragma en el que el desplazamiento se mide por medios
optoelectrónicos.
En este dispositivo la luz viaja desde una fuente de luz por un cable de fibra óptica, se
refleja en el diafragma y vuelve por una segunda fibra a un fotodetector. Existe una relación
característica entre la luz reflejada y la distancia entre el extremo de la fibra y el diafragma.
De ésta forma, la cantidad de luz reflejada dependerá de la presión medida.
Figura 2.19 Sensor fotónico
Elemento de cápsula.
Estos elementos consisten en cápsulas construidas de latón delgado o acero
inoxidable, estas cápsulas son circulares y están conectadas rígidamente entre sí por
soldadaura, de modo que al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de las
pequeñas deformaciones es amplificada por un juego de palancas; este aparato está
diseñado de un modo que al aplicar presión. El movimiento es aproximadamente lineal en un
intervalo de medida lo más amplio posible, como en casos anteriores este movimiento es
amplificado por un juego de palancas para que finalmente sea reproducido mediante una
aguja frente a una escala o una plumilla en una gráfica registradora. El intervalo de
aplicación de estos fuelles es entre 2.5 y 250 cm de agua.
79
2.2.3 MEDIDORES NO ELÁSTICOS.
Este grupo de instrumentos para medir presión está formado por aquellos que utilizan
el principio de equilibrio de dos fuerzas, y convierten esa diferencia en una columna frente a
una escala que permite la medición de la presión. Está formado por cuatro grupos principales
como ejemplo, los cuales son: las columnas propiamente dichas, campana invertida,
campana de Ledoux y medidor de McLeod.
Columnas.
El ejemplo clásico de un medidor de columna es el conocido tubo de U, el cual está
parcialmente lleno de un fluido y es alimentado por dos presiones una en cada rama de
dicho tubo considerando que ese tubo se encuentra abierto, una de las presiones sería la
atmosférica, por lo tanto, se esta midiendo una presión diferencial comparando la presión
absoluta y restándole la atmosférica para obtener la presión manométrica del proceso.
Los fluidos más comunes con que están parcialmente llenas las columnas son agua,
aceite de densidad conocida y mercurio. Es importante que el diámetro interior del tubo de U
sea lo suficientemente grande para eliminar la capilaridad del fluido. Una variante del tubo de
U es el medidor de cubeta, el cual consiste en una cubeta o recipiente rectangular o
cilíndrico amplio y una columna o tubo de vidrio inmerso en él, la presión superior es recibida
en el recipiente amplio o cubeta, desplazando el fluido por el tubo de vidrio. Este tubo de
vidrio puede ir abierto (presión atmosférica) o puede ir conectado a la presión interior del
proceso.
Es importante hacer notar que el cero del instrumento se irá desplazando hacia abajo
muy ligeramente conforme aumenta la presión ya que el nivel de la cubeta tenderá a
descender conforme el fluido vaya ocupando
el tubo de vidrio. Esto trae como
consecuencia que la escala del instrumento no sea lineal y las divisiones superiores sean
ligeramente menores que las divisiones inferiores de la escala.
Otra variante más del tubo de U es el tubo inclinado, el cual como su nombre lo indica
tiene una de las ramas con una inclinación entre 15 y 20 ° con respecto a la horizontal, esta
inclinación permite al medidor obtener lecturas más precisas, la desventaja de este
instrumento es que solo sirve para medir presiones muy bajas cercanas al cero manométrico.
También es importante hacer notar que este instrumento lleva consigo un nivel de gota para
mantenerlo en una posición tal que no se introduzca un error por inclinación indebida al
montarse.
El manómetro de aro balanceado, constituye un tipo especial de tubo de U. Las
condiciones de alta y baja presión se hacen con tubos flexibles, de tal manera que el anillo
pueda girar en un eje. Al aumentar la presión en el lado de alta, se reduce el nivel de
mercurio en su lado del anillo, esto hace que el anillo gire alrededor de su centro ya que
queda fuera del equilibrio con el contrapeso debido al desplazamiento del mercurio en la
columna. Al girar el anillo, se arrastra una aguja que se mueve frente a una escala
expresada en unidades de presión.
El único instrumento capaz de medir presiones en el rango 1013 y 7000 bares es el
manómetro de tubo en forma de "U", de forma que uno de los extremos del tubo ha sido
80
sellado y evacuado. La figura 2.20 muestra un tubo en "U" sellado que contiene un fluido, y la
presión desconocida se aplica al extremo abierto del tubo.
La presión absoluta se mide en como la diferencia entre los niveles de mercurio en
ambos brazos del tubo. En este caso, la presión absoluta coincide con la de dispositivo, ya
que la presión del vacío es nula.
Figura 2.20 Tubo en "U" sellado que
contiene un fluido, y la presión desconocida
se aplica al extremo abierto del tubo.
Aparte de la dificultad de juzgar exactamente los niveles de los meniscos de mercurio,
un instrumento de estas características no puede dar una medida perfecta a causa de la
imposibilidad de conseguir un vacío total del extremo cerrado del tubo. Aunque es posible
por técnicas modernas diseñar un instrumento que ofrezca una medida razonablemente
precisa de presión absoluta, el problema se evita normalmente en la práctica midiendo la
presión de dispositivo en lugar de la presión absoluta.
Los manómetros de tubo en forma de "U", se usan comúnmente en
aplicaciones donde se requiere una indicación visual de los niveles de presión. El manómetro
de tubo en forma de "U" consiste en un recipiente de cristal en forma de la letra "U". Cuando
se usa para medir la presión de dispositivo ambos extremos del tubo están abiertos, con una
presión desconocida aplicada en uno de los extremos y el otro, abierto a la presión
atmosférica como se muestra en la figura 2.21. La presión de indicador desconocida del
fluido (P) se relaciona con la diferencia de los niveles de fluido (h) en las dos mitades del
tubo y la densidad del fluido (p) mediante la expresión:
h=
P − Pr ef
ρ*g
Figura 2.21 Otra forma de conectar el manómetro de tubo en forma de “U”
81
Una tercera forma de conectar el manómetro de tubo en forma de "U" es la que se
muestra en la figura 2.21 Cada uno de los extremos abiertos del tubo se conecta a presiones
desconocidas, midiendo el instrumento, de esta forma, la presión diferencial de acuerdo con
la expresión:
(2.7)
P1 − P 2 = ρgh
Los manómetros de tubo en forma de “U” se usan típicamente para medir presión de
dispositivo y diferencial por encima de los 2 bares. El tipo de líquido usado en instrumento
depende de la presión y características del fluído medido.
El agua es una elección conveniente y barata, pero se evapora fácilmente y es difícil
de ver (a causa de su transparencia.) Sin embargo se emplea extensivamente, superando
los principales obstáculos para su uso utilizando agua coloreada y rellenando el tubo
regularmente para contrarrestar la evaporación.
El agua no se usará como fluido del manómetro en forma de "U" en mediciones de
fluidos que reaccionan o se disuelvan en agua, ni donde se requiera medir presiones
elevadas. En las citadas circunstancias se emplean líquidos como anilina, mercurio y aceite
de transformador.
El manómetro de tubo en forma de "U", en una de sus múltiples formas, es un
instrumento comúnmente usado en la industria para dar una medida visual de la presión
sobre la que un operador humano puede actuar.
Normalmente no es posible transformar la salida del manómetro de tubo en "U" en una
señal eléctrica, por lo que este instrumento no es adecuado para su uso como parte de un
sistema de control automático.
Campana invertida.
El medidor de presión del tipo de campana invertida es utilizado para aplicaciones
que requieren un intervalo pequeño y sensible para presiones relativamente bajas y para
vacías. Se suministra en una campana invertida sencilla para medición de presiones
estáticas, cuando el instrumento está localizado en el punto de medición y la compensación
no es necesaria; o en un modelo de doble campana invertida. En este caso se mide una
presión diferencial o bien cuando la presión requiere una compensación.
Un amplio campo de aplicación se encuentra para el modelo de doble campana
invertida, que consiste en dos campanas invertidas inmersas en aceite, cada una de las
cuales es alimentada por presión en la parte inferior. Estas campanas forman los brazos de
un puente de balance y están arregladas de tal manera que trabajan contra un contrapeso,
cuando ambas presiones son iguales, la lectura cero es central , cuando una de estas
presiones aumenta la aguja indicadora se desplaza hacia uno de los extremos de la escala.
Cuando se trata de medir presión estática, una de estas líneas puede ser expuesta a la
atmósfera y la otra puede conectarse por ejemplo, al interior de un horno de modo que el
instrumento deba indicar la presión diferencial entre la atmósfera y el interior del horno.
Como resultado, el instrumento es particularmente aceptable para medir y controlar las
condiciones del horno, particularmente cuando es necesario una compensación de presión
atmosférica en un sistema de control de flama.
82
Este tipo de instrumentos de presión son sensibles a cambios de 0.01 mm de agua y
son suministrados en intervalos de escala de 0 a 5 cm de agua de vacío hasta 0 a 12 cm de
agua de presión manométrica. En el caso del modelo de una sola campana, la presión se
compensa con un contrapeso en el lado opuesto: El movimiento del puente de balance se
transmite a través de un mecanismo a un conjunto indicador de presión.
Campa de Ledoux.
Este medidor se conoce también con el nombre de medidor de mercurio y es muy
usual como medidor de flujo, consiste en dos recipientes unidos por la parte inferior similar al
manómetro de U, en realidad mide presiones diferenciales, uno de los recipientes contiene
un flotador de acero al carbón que arrastra un mecanismo para mover una plumilla.
El flotador de acero está sumergido en mercurio y tiene una configuración en forma
de campana lo cual le da su nombre. Esta configuración permite que las señales cuadráticas
que son producidas por un elemento primario de flujo como una placa de orificio, sea
linealizada cuando se va extrayendo el mercurio de la campana. Se construyen de varios
intervalos, los más comunes son de 0-20” de agua, de 0-50” de agua, 0-120” de agua y 0200” de agua. La segunda columna conocida como conexión de baja presión es un simple
tubo que forma el segundo brazo de un tubo de U convencional.
Medidor McLeod.
Se utiliza para medir presiones absolutas desde 0.0001mm de Hg a 10mm de Hg.
Opera en un columpio que permite hacerlo cambiar de posición horizontal a posición
vertical y viceversa, cuando está en posición horizontal el gas rarificado de presión
desconocida del proceso se introduce en todos los conductos del instrumento, una vez
logrado eso manualmente se hace cambiar de posición a vertical, atrapando un cierto
volumen de dicho gas en un tubo central y en un tubo capilar de compensación. El Hg
comprime el gas rarificado hasta que la presión se equilibra dejando entonces un nivel de Hg
inferior al cero absoluto. Frente a esta columna hay una escala graduada en micrones, como
es obvio, este sistema no sirve para gases que se condensen, además la lectura es
intermitente. Aplicando la ley de Boyle se puede hacer una escala calibrada en términos de
presión absoluta que represente el valor del sistema de vacío que se está midiendo.
Figura 2.22 Medidor de presión McLeod
La figura 2.22 muestra la forma general de un
medidor de McLeod, en el que un fluido a baja
presión se comprime a presiones superiores, las
cuales pueden ser leídas empleando un manómetro.
En esencia, el medidor puede ser visualizado como
un manómetro de tubo en forma de "U", sellado en
un extremo y donde el fondo del tubo en forma de
"U" puede ser bloqueado a voluntad. Para operar el
medidor, el pistón se retira previamente, causando
que el mercurio en la parte más baja del medidor
caiga bajo el nivel de la unión "J" entre los dos tubos
en el medidor marcados como "Y" y "Z".
83
El fluido a presión desconocida pu se introduce por el tubo marcado como "Z", desde
donde también fluye hacia el tubo marcado como "Y", de sección "A". A continuación se
empuja el pistón, subiendo el nivel del mercurio hasta la unión "J". En este momento, el fluido
en el tubo "Y" está a presión pu y contenido en un volumen conocido Vu. Un empuje mayor
del pistón comprime el fluido en el tubo "Y", hasta que se alcanza la marca de cero en el tubo
"Z". La medida de la altura (h) sobre la columna de mercurio en el tubo “Y" permite el cálculo
del volumen comprimido del fluido Vc como:
(2.8)
Vc=h*A
Entonces, por la ley de Boyle:
(2.9)
puVu = pcVc
También, aplicando la ecuación de la hidrostática:
(2.10)
pc = pu + ρgh
donde p es la densidad del mercurio. Por lo tanto:
pu =
( Ah^ 2 ρg )
(Vu − Ah)
(2.11)
El volúmen comprimido "Vc" es frecuentemente más pequeño que el
volúmen original, aproximándose en tal caso la ecuación anterior por:
Pu =
Ah^ 2 ρg
Vu
para Ah<<Vu
(2.12)
Aunque la mejor precisión que se logra alcanzar con los medidores de McLeod sea de
±1%, está incluso mejor que la de otros medidores de presión para este rango, y se usa
como referencia para calibrar otros medidores. La mínima presión medible es de 10-4 mbar,
aunque se pueden medir presiones más pequeñas si se aplican las técnicas de división de
presión.
84
2.2.4 MEDIDORES ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS.
Estos instrumentos están diseñados en función de las características de los
materiales principalmente metálicos. Estos instrumentos deben ir acompañados de un
potenciómetro lo suficientemente sensible para que detecte la medición eléctrica, la cual es
función de la presión del sistema.
Manómetro de ionización.
Este instrumento funciona como un tríodo, se utiliza en la medición de vacío extremo
(de 0 a 1micron de Hg, presión absoluta), consta de un bulbo conectado a la fuente de vacío.
Cuando los electrones emitidos por un filamento caliente bombardean las moléculas
de gas, ocurre una ionización de las mismas, estos iones permiten que la corriente fluya
entre los electrodos. La proporción de flujo de iones es una medición directa de la cantidad
de gas presente y por lo tanto, de la presión absoluta. La corriente resultante es amplificada
electrónicamente y después medida con un potenciómetro electrónico graduado en unidades
de presión absoluta.
El medidor de ionización es un tipo especial de instrumento usado para medir
presiones muy pequeñas en el rango de 10-13 a 10-3 bares. El gas a presión desconocida se
introduce en un recipiente de cristal que contiene un filamento que descarga electrones al
ser calentado, como se muestra en la figura 2.23. La presión se determina mediante la
medición de la comente que fluye entre el ánodo y el cátodo. Esta corriente es proporcional
al número de iones por unidad de volumen, cuyo número es proporcional a la presión.
Figura 2.23 Manómetro de ionización.
Manómetro de resistencia (Pirani).
Este manómetro opera bajo el principio de que la perdida de calor de un alambre
caliente varía de acuerdo con los cambios de presión a los que está sujeto. La resistencia
detectora forma parte de un puente de Wheatstone, en lugar de ser un elemento calentador
separado, un voltaje suficiente es aplicado al puente para causar un calentamiento del
elemento de resistencias, la compensación por cambios de temperatura ambiente es
efectuada usando una segunda resistencia y un sensor los cuales están encerrados en un
recipiente al vacío como referencia.
La lectura del instrumento es un voltaje o corriente de un desbalance que ocurre
cuando la resistencia sensora y la resistencia de referencia tiene diferente valor. Usando un
85
sistema de retroalimentación y un servomecanismo, el equilibrio se alcanza
automáticamente, arrastrando un puntero frente a una escala graduada en unidades de
presión. Las perdidas de calor son relativamente grandes cuando se opera con presiones de
alrededor de 1mm de Hg absoluto.
Una forma típica del medidor de Pirani se muestra en la figura 2.24. Es parecido al
medidor de termopar pero tiene un elemento calefactor que consiste en 4 bobinas de
alambres de wolframio conectadas en paralelo. Dos tubos idénticos se conectan
normalmente en un circuito puente como se muestra en la figura, conteniendo uno él gas a la
presión desconocida, mientras en otro se mantiene a muy baja presión.
La corriente pasa por el elemento de wolframio, que alcanza una cierta temperatura de
acuerdo con la conductividad térmica del gas. La resistencia del elemento cambia con la
temperatura y produce el desequilibrio del puente de medida. De este modo, el medidor de
Pirani evita el uso de un termopar para medir la temperatura (como en el medidor de
termopar). Tales medidores cubren el rango de presiones de 10-5 milibares a 1 milibar.
Figura 2.24 Forma típica de un manómetro de resistencia (Pirani).
Medidor de termistor.
Los medidores de termistor operan basados en el mismo principio que los de Pirani,
pero usan materiales semiconductores en lugar de metales como elementos calentados. El
rango de presiones normales va desde 10-4 milibares a 1 milibar.
Manómetro de termopar.
Este manómetro está formado por dos celdas, una de medición y otra de referencia.
En cada celda hay dos termopares calentados por sendos filamentos alimentados por sus
respectivas bobinas secundarias de un transformador. Los termopares están conectados en
serie y la resultante en forma de mini-voltaje que se obtiene, se mide con un potenciómetro
graduado en presión absoluta.
86
El medidor de termopar es uno de los del grupo de medidores que funcionan basados
en el principio de la conductividad térmica. Los medidores de Pirani y los basados en
termistor también pertenecen a este grupo. A baja presión, la teoría cinética de los gases
predice una relación lineal entre la presión y la conductividad térmica. La medición de la
conductividad térmica da una indicación de la presión.
La figura 2.25 muestra un esquema básico de un medidor basado en termopar. La
operación de medidor depende de la conducción de calor entre la lámina caliente en el
centro y la superficie fría exterior del tubo de cristal (que normalmente está a la temperatura
de la habitación.) La lámina metálica se calienta por el paso de una corriente a través de ella,
y su temperatura es medida por un termopar, la temperatura medida depende de la
conductividad térmica del gas, que depende de la presión del mismo.
Una fuente de error en este instrumento lo constituye el hecho de que el calor se transmite
por radiación así como por conducción. El calor transmitido por radiación es una magnitud
constante e independiente de la presión que puede ser medida y corregida. Sin embargo, es
más conveniente diseñar el sistema para que presente una pérdida de radiación baja,
eligiendo un elemento a calentar con baja emisividad. Los instrumentos de termopar se usan
típicamente para medir presiones en el rango de 10-4 milibares a 1 milibar.
Figura 2.25 Esquema básico de un medidor basado en termopar.
87
Medidor de esfuerzos (Strain Gage).
Los elementos sensibles de resistencia variable (Strain Gage), se desarrollaron en
Estados Unidos durante el decenio de los 30´s, basados en un principio establecido por
Kelvin, que consiste en relacionar los cambios eléctricos de un filamento, cuando se produce
un acortamiento o alargamiento con respecto a su longitud inicial. Originalmente, este
elemento estaba formado por alambre de sección circular, actualmente se fabrican con
alambres en forma de laminilla, esta innovación permite fabricar estos elementos de tamaño
muy pequeño y además con posibilidad de pegarse o adherirse a superficies curvas. Su
intervalo de aplicación es de 7 a 3500Kg/cm2. La presión de medición en este instrumento va
de acuerdo con las características del potenciómetro al cual va conectado.
Dispositivos de cable resonante.
Figura 2.26 Dispositivo de cable resonante
El dispositivo de cable resonante es un
instrumento relativamente nuevo que procede los
recientes avances en el campo de la Electrónica.
Un dispositivo típico se muestra en al figura 2.26.
El cable se tiende a lo largo de una cámara que
contiene el fluido a una presión desconocida y
sometido a un campo magnético. El cable resuena
a su frecuencia natural de acuerdo con su tensión,
que varia con la presión. Esa frecuencia se mide
por circuitos electrónicos integrados en el
dispositivo. Tales dispositivos son muy precisos, típicamente ±0.2% del fondo de escala, y
son particularmente insensibles a los cambios en las condiciones ambientales.
2.2.4.1 HOJAS DE DATOS (ESPECIFICACIONES).
Intervalos de operación.
Los instrumentos para medir presión cubren intervalos desde muy cerca de 0
absoluto hasta 10 toneladas/cm2, este intervalo de aplicación de los medidores es el intervalo
industrial, más sin embargo en algunos casos se pueden emplear para medir mayores,
principalmente utilizando el medidor de esfuerzos.
En la tabla siguiente se enlistan los intervalos de operación de cada uno de los
elementos tratados.
88
Tabla 2.18 Rangos de operación de manómetros
Tipo de manómetro
Intervalo de operación
0.0001 g- 0.001 mm de Hg (abs)
Manómetro de ionización
0.001 - 0.5 mm de Hg (abs)
Manómetro de termopar
Manómetro de resistencia
Manómetro de McLeod
Manómetro de campana invertida
Manómetro de aro balanceado
Manómetro de fuelle abierto
Manómetro de cápsula
Manómetro de diafragma
Manómetro de campana de Hg (Ledoux)
Manómetro de U
Manómetro de fuelle cerrado
0.001 –1.0 mm de Hg (abs)
0.0001- 10.0 mm de Hg (abs)
0.0 – 7.6 cm de agua
0.0 – 10.0 cm de agua
13.0 – 230.0 cm de agua
2.5 – 250.0 cm de agua
2.5 – 250.0 cm de agua
0.0 – 5.0 m de agua
0.0 – 2.0 Kg/cm2
0.0 – 3.0 Kg/cm2 (abs)
Manómetro de espiral
Manómetro de Bourdon tipo C
Medidor de esfuerzos (Strain Gage)
0.0 – 300.0 Kg/cm2
0.0 – 1500.0 Kg/cm2
7.0 – 3500.0 Kg/cm2
Manómetro helicoidal
0.0 – 10000.0 Kg/cm2
Transductores de presión inteligentes
AI introducir un microprocesador a un transductor de presión se mejoran sus
características o especificaciones. Mejora la sensibilidad, se incrementa el rango de medida,
hay una mejor compensación de histéresis y otras no linealidades, y corrección para los
cambios de temperatura y presión. Precisiones de ±0.1% se pueden alcanzar con
dispositivos basados en puentes piezorresistivos de silicio, por ejemplo. En vista de sus
superiores características, es quizás sorprendente que estos transductores sólo representen
el 1% de las ventas de dispositivos de medida de presión en la actualidad.
El costo significativamente superior de estos dispositivos frente a los "no inteligentes"
parece proponerse como explicación, pero este factor difícilmente explica un nivel tan bajo
de introducción en el mercado.
Algunos transductores de presión basados en microprocesador hacen uso de
técnicas novedosas de medición del desplazamiento. Por ejemplo, ambos tipos, los
basados en diafragma y los dispositivos basados en tubos de Bourdon combinados con el
uso de métodos ópticos de desplazamiento como se muestra en la figura 2.27.
89
Figura 2.27 Transductor de presión inteligente
El movimiento se transmite a una pantalla que progresivamente oculta uno de los dos
fotodiodos monolíticos que están expuestos a la radiación infrarroja. El segundo fotodiodo
actúa como referencia permitiendo al microprocesador calcular una relación de señal que es
linealizada y está disponible como medida analógica o digital de presión. La precisión típica
de la medida es de +-0,1%.
2.2.4.2 APLICACIONES:
90
2.3 NIVEL.
Medidores de nivel.
La medición del nivel de líquidos, lechadas o materiales secos dentro de un recipiente
puede parecer sencilla, pero puede convertirse en un problema más o menos difícil cuando
el material es corrosivo o abrasivo, cuando se mantiene a altas presiones, cuando es
radioactivo o cuando se encuentra dentro de un recipiente sellado en el que no conviene
tener partes móviles o cuando es prácticamente imposible mantenerlas.
En la industria, la medición de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista
del funcionamiento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuado de
materias primas y de productos finales. Al igual que con otros elementos primarios de
medición, los medidores de nivel pueden ser adaptados a un proceso dado e integrarlos a un
procesador que regule o tome decisiones establecidas para el mismo proceso.
Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y de
sólidos que son dos mediciones claramente diferenciadas y que serán estudiadas a
continuación.
Medidores de nivel de líquidos.
Los medidores de nivel trabajan midiendo: 1) directamente la altura del líquido, 2) la
presión hidrostática, 3) el desplazamiento producido por el propio líquido contenido en el
tanque del proceso, ó 4) aprovechando las características eléctricas del líquido.
Figura. 2.28 Medidor de nivel portátil.
2.3.1 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DIRECTA.
Los instrumentos mecánicos de medición y control de niveles o mediciones y control
de carga hidrostática incluyen dispositivos visuales e indicadores. Consiste en un indicador
de nivel externo transparente adosado a un estanque que permite visualizar el nivel de
líquido alcanzado. Esta medición utiliza el principio de igualación de presión. Usualmente se
utiliza en líquidos limpios tales como lubricantes.
Este es un método simple y relativamente barato, pero no es apropiado para
procesos industriales ya que no permite realimentación de la medida al sistema.
91
Medidor de Varilla Graduada.
El dispositivo más simple para medir un nivel es una varilla o regla graduada, también
conocida como sonda, de longitud conveniente para introducirla dentro de un depósito
abierto a presión atmosférica. La determinación del nivel se efectúa por la lectura directa de
la longitud mojada por el líquido. Se utiliza en tanques de fuel-oil o gasolina.
Este método no es muy práctico cuando el material es tóxico o corrosivo y cuando el
individuo que lo aplica tiene que estar de pie sobre la abertura y manejar con las manos al
descubierto la varilla al sacarla del recipiente. Este método no sirve para controlar el nivel
excepto para llenar manualmente el tanque o el depósito para proporcionar el volumen
requerido para la aplicación.
Otro medidor consiste en una varilla graduada, con un gancho que se sumerge en el
seno del líquido y se levanta después hasta que el gancho rompe la superficie del líquido. La
distancia desde esta superficie hasta la parte superior del tanque representa indirectamente
el nivel. Se emplea un tanque de agua a presión atmosférica.
El medidor de cinta graduada y plomada, es un medidor similar al anterior, se emplea
cuando es difícil que la regla graduada tenga acceso al fondo del tanque.
Mirilla.
La mirilla de vidrio es una método visual para medir el nivel de materiales líquidos no
corrosivos que no manchan y no son pegajosos. En las mediciones en depósito cerrado se
pueden mantener presiones más o menos altas utilizando mirillas protegidas para mayor
seguridad en caso de ruptura. Normalmente, las mirillas de vidrio se utilizan para medir
niveles de líquido por el método visual con fluctuaciones de 91 cm.
Cuando se utilizan para medir variaciones mayores, se pueden emplear varias
secciones cortas; que esta combinadas de tal manera que el nivel de líquido siempre es
visible en una de ellas. El nivel de la mirilla equivale al del depósito.
Este tipo de mirillas de vidrio de ventanilla se puede encontrar en planchas de vapor,
cafeteras, calderas de vapor, tanques y otros depósitos abiertos o cerrados para los que este
tipo de indicación visual es adecuado. Por lo general, esto significa que hay una persona al
cuidado que puede controlar manualmente el nivel de líquidos dentro de límites escogidos
para dicha aplicación y que las indicaciones remotas no son necesarias.
En algunos casos se utilizan alumbrados especiales detrás de las mirillas y están
arreglados de tal modo que se pueden ver diferentes colores para distintos líquidos de nivel.
Se pueden agregar sensores fotoeléctricos a las mirillas para asegurar el control automático
de nivel. En este tipo de instalación, el detector sensible a la luz y el revelador proporcionan
la señal para iniciar la actividad de bombas y válvulas.
Se debe cuidar que el calibre de la mirilla sea lo mayor posible, ya que, si es
demasiado pequeño, se detecta la acción capilar y el nivel indicador será más alto que el
real. Los líquidos también tienen un menisco donde se adhieren al vidrio, por lo que, es
necesario tener cuidado en la medición del nivel según la naturaleza química del líquido que
se maneja. No es lo mismo agua que mercurio por ejemplo.
92
La mirilla de vidrio indica los cambios de nivel con una precisión de 1/64 plg en las
mejores condiciones, pero no señala el volumen real del líquido en el depósito. Para conocer
el volumen se aplica:
(2.13)
V= ( A dh + c)
donde,
A = área
dh = cambio en la medición de nivel
La forma del depósito determina con frecuencia el tipo de instrumento requerido para
efectuar la medición del nivel. Un depósito alto determina con frecuencia el tipo de
instrumento requerido para efectuar la medición del nivel. Un depósito alto y angosto permite
mediciones de nivel más exactas con respecto al volúmen que los depósitos bajos y anchos,
pues un ligero cambio de nivel en estos últimos representa mayor capacidad en una sistema
controlado.
Instrumentos de Flotador
Figura 2.29 Flotador de nivel.
Cuando se necesita una indicación o el registro de una medición de nivel, se puede
emplear un sistema que tenga flotador y una cinta o un flotador y una cadena al tratarse de
depósitos abiertos. En depósitos cerrados, al vacío o bajo presión que se deben tener
sellados, se acostumbra usar flotadores con brazo de torsión, flotadores de jaula, flotadores
magnéticamente acoplados y dispositivos hidráulicos operados con flotador.
Un sistema con flotador básico consiste en un cable, el flotador, 2 poleas y una regla.
La regla se instala en la parte superior del tanque y un indicador entrega la lectura de nivel
del estanque a lo largo de la regla. Este sistema aunque relativamente simple y preciso, tiene
el inconveniente de requerir equipamiento mecánico que lo hace ser complejo, sobre todo en
aplicaciones con estanques presurizados.
Los flotadores pueden tener cualquier forma redonda, cilíndrica o una combinación
de ambas. Sus tamaños también pueden variar según las dimensiones del depósito en el
que se van a utilizar. El flotador se debe construir de tal forma que flote dentro del material.
Esto significa que la densidad del flotador debe ser inferior a la del material que lo sostiene.
El material debe escogerse también de manera que no se pueda corroer o erosionar por
acción del material en el que flota. De otra manera cambiaría su densidad.
Los instrumentos de flotador consisten en un flotador situado en el seno del líquido y
conectado al exterior del tanque indicando directamente el nivel. La conexión puede ser
directa, magnética o hidráulica.
93
Las únicas limitaciones en un sistema de medición de nivel con flotador y cinta o
cadena son las que impone la variación del nivel que se va a medir en el depósito o la
columna hidrostática en particular y una decisión práctica respecto al tamaño del flotador
para dicha aplicación.
Si se requiere indicar o controlar el material en forma remota, se puede montar
relevadores piloto en el eje giratorio que lleva la cadena. La rotación del eje se transforma
en indicación de nivel por medios neumáticos, eléctricos o hidráulicos, para utilizarse en la
ubicación remota.
El mecanismo del flotador puede restringirse en algunas aplicaciones debido a que es
difícil mantener una operación limpia y eficiente. En la mayoría de los medidores de cinta,
ésta se enrolla alrededor de un tambor que hace girar al eje. Es necesario utilizar un
contrapeso para mantener tensa la cadena o la cinta conforme el flotador se eleva o
desciende con el nivel del medio que se esta midiendo.
Los instrumentos de flotador tienen una precisión de 0.5%, y en la siguiente tabla se
resumirán sus características:
Tabla 2.19 Diferentes tipos de flotador y sus características
Sistema
Flotador
Principio
Componentes Aplicación
de
operación
Flotador, cadena,
contrapeso,
indicador
Flotador, brazo de
torsión, indicador,
Flotador de
sellos, jaula,
desplazamiento
abastecimiento de
aire
Flotador
magnético
Flotador, imanes,
tubo del flotador
Rango
Desventajas
Depósitos
abiertos
El flotador
asciende y
desciende
con el nivel
del líquido
que se mide
0-3 pies
Depósitos
abiertos o
cerrados
El flotador
asciende y
desciende
con el nivel
del líquido y
el flotador
hace girar un
brazo de
torsión.
Hasta 60
grados de
movimiento
del brazo
de torsión y
el doble de
longitud de
éste
Se limita a los
grados de
movimiento y a
la longitud del
brazo
El flotador
porta un imán
que puede
hacer
funcionar los
interruptores
o imane
internos
ilimitado
Retardo de
medición
Depósitos
abiertos o
cerrados
Altura limitada,
difícil limpieza y
mantenimiento
94
Válvulas de Purga
Estos instrumentos podrían no considerarse por sí solos como medidores de nivel,
aunque en conjunto si actúan como tal. Es decir, si imaginamos un tanque con un líquido en
su interior y en diferentes alturas ponemos una válvula de purga, si abrimos una y no sale
fluido es que éste esta a un nivel superior o inferior. Las válvulas de purga actúan, en un
proceso, como medida de seguridad liberando la presión que se maneja, para evitar que
aumente y explote u ocurran complicaciones.
Instrumento basados en la presión hidrostática.
Medidor manométrico. Membrana. Burbujeó. Presión diferencial.
El medidor manométrico consiste en un manómetro conectado directamente a la
parte inferior del tanque. En la figura 2.29A puede verse un instrumento de este tipo en el
que se observaran varios accesorios como son una válvula de cierre para mantenimiento, un
pote de decantación con una válvula de purga. El manómetro mide la presión debida ala
altura del líquido h que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento. Así, el campo
de medida del instrumento corresponderá a:
Figura 2.29A Medidor Manométrico
95
0 - h* γ *g pascal
con:
h = altura del líquido en m
γ = densidad del líquido en Kg / m3
g = 9.8m/s2
o bien, expresado γ en g / cm3 se obtendría 0 – 0,098 h γ bar (o bien 0 – 0,1 h γ Kg /
cm2).
Como las alturas son limitadas, el campo de medida es bastante pequeño, de modo
que el manómetro utilizado tiene un elemento de medida del tipo fuelle,.
El instrumento solo sirve para fluidos limpios ya que si el líquido es corrosivo, coagula
o bien tiene sólidos en suspensión, el fuelle puede destruirse o bien bloquearse o perdiendo
su elasticidad; por otra parte, como el campo de medida es pequeño no es posible utilizar
sellos de diafragma. La medida limitada a tanques abiertos y el nivel viene influido por las
variaciones de densidad del líquido. Una variante emplea un transductor de presión
suspendido de la parte superior de tanque e inmerso en el tanque en el líquido, transmitiendo
la señal de 4-20mA c.c, a través de un cable que acompaña al de suspensión. La
transmisión o indicación de nivel a través de una comunicación RS-232 permite conectar con
la interfaz de un ordenador.
Figura 2.30 Medidor
de Membrana.
El medidor de membrana utiliza una membrana conectada
con un tubo estanco al instrumento receptor. La fuerza ejercida por la
membrana de líquido sobre el área d la membrana compre el aire
interno a una presión igual a la ejercida por la columna de líquido. El
volumen del aire interno es relativamente grande, por lo cual el
sistema está limitado a distancia no mayor de unos 15 m debido a la
compresibilidad del aire. Como antes, la presión máxima que el líquido
ejercerá es 0,098 hγ bar. El instrumento es delicado ya que cualquier
fuga de aire contenido en el diafragma destruiría la calibración del
instrumento.
El medidor de tipo de burbujeo emplea un tubo sumergido del líquido en el interior
del cual se hace burbujear aire mediante un rotámetro con un regulador de caudal
incorporado(2). La presión del aire en la tubería equivalente a la presión hidrostática ejercida
por la columna del líquido, es decir, al nivel. El regulador de caudal permite mantener un
caudal de aire constante a través del líquido independientemente del nivel (es normal un
caudal de 150N1/h); si no existiera, habría una gran diferencia en los caudales de aire
necesarios desde el nivel mínimo al máximo, con el inconveniente de un gasto de aire
indebido. La tubería empleada suele ser 1/2'' con el extremo biselado para una fácil
formación de la burbujas de aire. En tubería de menor diámetro tipo capilar reduciría el
tiempo de respuesta pero produciría un error en la medida provocado por la perdida de carga
del tubo.
96
La presión de aire en la tubería, es decir, el nivel, se mide mediante un manómetro de
fuelle cuyo campo de medida corresponde a la presión máxima ejercida por líquido (0.098 hγ
bar, con un h en m y γ en g/cm3).
El manómetro receptor puede colocarse hasta distancias de 200 m. El sistema a
emplearse es en tanques cerrados con dos juegos, rotámetros-regulador y con la señal de
aire conectada a un transmisor de presión diferencial.
Señalemos que no solo puede utilizarse aire sino también otros tipos de gases e
incluso líquidos como fluido de purga y que el tubo debe tener una longitud adecuada
para evitar que las variaciones bruscas del nivel introduzcan en su interior una cierta
columna de liquido que retarde el paso del aire y falsee momentáneamente la lectura.
El método de burbujeo es simple y da buenos resultados , en particular, en caso de
líquidos muy corrosivos o con sólidos en suspensión y en emulsiones. No se recomienda su
empleo cuando el fluido de purga perjudica al liquido y para fluidos altamente viscosos donde
las burbujas formadas del aire o del gas de purga presentan el riesgo de no separarse
rápidamente del tubo . Desde el punto de vista de mantenimiento es muy útil situar una T
con un tapón en la parte superior del tubo para su limpieza periódica .
El medidor de presión diferencial consiste en un diafragma en contacto con el
líquido del tanque, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo del tanque . En un
tanque abierto esta presión es proporcional a la altura de liquido en ese punto y a su peso
específico (figura 2.30A).
Figura 2.30A Medidor de presión diferencial
Es decir: P = Hγ g en la que:
P = presión
H = altura de liquido del instrumento
γ =densidad de liquido
g= 9,8m/s2
El diafragma forma parte de un transmisor neumático, electrónico o digital de presión
diferencial semejante a los transmisores de caudal de diafragma que ya estudiamos . En el
tipo mas utilizado, el diafragma esta fijado en una brida que se monta rasante al tanque para
permitir sin dificultades la medida de nivel de fluidos, tales como pasta de papel y líquidos
con sólidos de suspensión, pudiendo incluso ser de montaje saliente para que el diafragma
enrase completamente con las paredes interiores del tanque (figura 2.30B) tal como ocurre
en el caso de líquidos extremadamente viscosos que no puede admitirse ningún recodo.
97
Figura 2.30B Tipos de diafragma
Hay que señalar que el nivel cero del liquido se seleccionara en un eje a la altura del
diafragma. Si el instrumento sé calibrar en el tanque, el 0% del aparato debe comprobarse
con el nivel mas bajo en el borde interior del diafragma (entre el borde inferior y el superior
del diafragma la señal de salida no esta en proporción directa al nivel).
En el caso de que el tanque este cerrado y bajo presión, haya que corregir la
indicación del aparto para la presión ejercida sobre él liquido debiendo señalar que la lectura
será
muy
poco
precisa
si
la
presión
es
grande
suele
conectar
un tubo
en
la
parte
superior de
tanque
y
medir
la
diferencia de
presiones
entre
la
como inferior
y la superior,
utilizando
transmisores
de presión
diferencial
de diafragma
tal
como
presentados en la figura 2.30C.
98
Figura 2.30C Mediciones de presión diferencial en tanque cerrado
Cuando los gases o vapores encima del tanque son condensados, la línea desde la
toma superior se llena gradualmente con el condensador hasta llenar todo el tubo, en cuyo
caso la tubería dibujada a la derecha del transmisor de las figuras 2.30C a y 2.30C b tendría
mayor presión que la tubería izquierda y, por lo tanto, habrá que cambiar las conexiones del
instrumento ya que este indicara bajo cuando el nivel sea alto y viceversa:
En efecto, puede verse en la figura 2.30C b que:
P =(H-h) γ
para h = 0
p=H
De este modo, el instrumento tendría que estar graduado a la inversa, es decir,
indicar 0% a 3 psi y 100% a 15 psi en un termistor neumático, o bien señalar 0% a 4mA y
100% a 20mA en un transductor de señal de salida de a 4- 20 miliamperios en corriente
continua.
Para corregir este inconveniente se utiliza un muelle llamado de supresión para que
este aplicado a la barra de equilibrio de fuerzas del transmisor y que produce una fuerza
igual a la diferencia entre el nivel máximo y mínimo. Como es natural, puede ajustarse la
tensión del muelle para cada caso particular figuras 2.30C a y 2.30C b.
Algunos fluidos presentan el riesgo de depósitos de cristales o de sólidos en la
superficie del diafragma en tal caso cabe la solución de emplear un diafragma recubierto de
teflón para reducir el deposito gradual del producto. No obstante, como el movimiento del
diafragma es muy pequeño y se considera al sólido algo flexible, si parte del diafragma
queda rígido, el instrumento marcará de forma errática o permanentemente menos del nivel
99
del real. Es inconveniente se resuelva empleando un transmisor de nivel de presión
diferencial con membrana de sello que responde a la presión transmitida en lugar de la
fuerza creada por él liquido sobre la membrana.
En el tanque cerrado y a presión con líquido de vapor condensable existe el riesgo de
obturación de la línea de compensación , en particular si el fluido no es limpio. Para evitarlo
puede purgarse la línea con liquido o gas, método que no se recomienda por los problemas
de mantenimiento y la posible perdida de precisión que presenta , o bien emplear un
transmisor de presión diferencial unido con dos capilares a dos diafragmas conectados en
las partes inferior y superior del tanque. En la figura 2.30C f puede verse un esquema de la
instalación. Es importante que los dos diafragmas estén a al misma temperatura para evitar
los errores en la medida que se presentarían por causa de las distintas dilataciones del
fluido contenido en el tubo capilar.
Si el tanque es elevado y el medidor se sitúa a un nivel muy inferior, la columna del
liquido que va desde el nivel mínimo al medidor es mucho mayor que la propia variación de
el nivel, por lo cual, la precisión del mismo se hace sobre una parte muy pequeña de la
escala.
Para corregir este inconveniente se utiliza un muelle llamado de elevación que, en
forma similar a de su presión esta aplicado a la barra de equilibrio de fuerzas del transmisor
y produce una fuerza que se ajusta igual a la de la columna de liquido citada.
Del medidor de presión diferencial puede emplearse también en la medida de
interfaces. La amplitud de la medida vendrá dada por la diferencia de presiones sobre el
diafragma del elemento, primero con el tanque lleno del liquido mas denso y después con el
liquido menos denso. Por ejemplo, si la interfase en agua -keroseno (γ = 0.8) y el tanque
tiene tres metros de altura, la presión diferencial disponible Será de :
0,098 X 3X1 - 0,098X 3 X 0,8 = 0,0588 bar = 600mm c. de a.
que puede medirse fácilmente con un transmisor de presión diferencial sensible dotado de
resorte de elevación para compensar la presión inicial de liquido menos denso .
La precisión de los instrumentos de presión diferencial es de +/- 0.5% en los
neumáticos +/- 0.2% a +/-0.3% en los electrónicos, y de 0.15+/-% en los inteligentes con
señal de salida de 4-20mA c.c. y de +/-0.1% en los que se emplean en los tanques abiertos
y cerrados a presión y a vació , no tienen partes móviles dentro del tanque, son de fácil
limpieza, son precisos y confiables , admiten temperaturas del fluido hasta 120° C y no son
influidos por las fluctuaciones de presión. El tanque cerrado presenta el inconveniente de la
posible condensación de los vapores del tanque en el tubo de conexión al instrumentó; este
inconveniente se elimina fácilmente con el resorte de su presión descrito. Hay que señalar
que el material del diafragma debe ser el adecuado para resistir la corrosión del fluido
(existe material de acero inoxidable 316, monel, tantalio, hastelloy B, inoxidable recubierto de
teflón).
Los instrumentos basados en la presión hidrostática permiten inventariar el tanque.
En la figura puede verse el montaje de los instrumentos, tres transmisores de presión
situados en la parte inferior, media y superior del tanque, y una sonda de temperatura. Las
medidas calculadas son:
100
La temperatura media tomada entre la parte inferior y la media del tanque permite
corregir la densidad y el volumen calculado. Otros factores que influyen son la configuración
del tanque, los asentamientos del tanque en el terreno, las expansiones térmicas y la
variaciones de densidad en las capas del liquido. La preescisión en la medida de la masa
llega al +/-0.01%.
2.3.2 DESPLAZADOR DE NIVEL.
Consiste en un flotador parcialmente sumergido en el
líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión
unido rígidamente al tanque. Dentro del tubo unido a su extremo
libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de
giro a un transmisor exterior del tanque. Dentro del tubo y unido
a su extremo libre se encuentra una varilla que transmite el
movimiento de giro a un transmisor exterior al tanque.
Figura 2.31 Medidor
de nivel NMT
El tubo de torsión se caracteriza porque el ángulo de rotación de su extremo libre es
directamente proporcional a la fuerza aplicada, es decir, al momento ejercido por el flotador.
El movimiento angular del extremo libre del tubo de torsión es muy pequeño, del orden de los
9°. El tubo proporciona además de un cierre estanco entre el flotador y el exterior del tanque
(donde se dispone el instrumento receptor del par transmitido)
Este método se basa en la diferencia entre el peso de un cuerpo en un líquido y la
fuerza de empuje que ejerce esté último sobre el cuerpo (principio de Arquímedes). Esta
fuerza de empuje depende del volúmen desplazado del cuerpo, la densidad relativa del
medio y el nivel de éste. Para que el cuerpo sea desplazado es necesario que el cuerpo sea
más pesado que el medio desplazado.
Usualmente, se monta el cuerpo a ser desplazado en una tubería de by pass, lo que
permite realizar calibraciones y monitoreo independientemente del proceso. Si el cuerpo va a
ser montado directamente en el estanque, usualmente se hace dentro de una guía.
Este método de medición es bastante preciso pero depende de la densidad relativa y
requiere de una gran cantidad de equipamiento mecánico.
Medición de la interfase.
El instrumento anterior sirve también para la medición de la interfase entre dos
líquidos inmiscibles de distinta densidad como agua y aceite. En este caso el flotador es de
pequeño diámetro y de gran longitud y está totalmente sumergido. El peso del volumen
desplazado por el flotador, es decir, el empuje, se compone entonces de dos partes, del
líquido más denso en la parte inferior y del menos denso en la superior, con una línea de
separación de la que depende el par de torsión proporcionado al transmisor exterior.
Se ve claramente que el empuje depende del nivel relativo de separación de los dos
líquidos y que la amplitud de medida está determinada por la diferencia entre las densidades
de los líquidos. Las dimensiones relativas del flotador (longitud y diámetro) dependerán pues
de la amplitud de medida seleccionada.
101
El instrumento sirve también para medir la densidad del líquido. En este caso, el
flotador esta totalmente sumergido. El campo de medida de densidades es bastante amplio,
de 0.4 a 1.6. El cuerpo del medidor puede estar montado directamente en el tanque o en un
tubo vertical al lado del tanque.
El movimiento del brazo de torsión puede transmitirse por medio del eslabón a un
transmisor neumático o electrónico de equilibrio de fuerzas, o digital permitiendo en la
conexión una compensación mecánica o digital para el peso específico del líquido. La
precisión es del orden de γ 0.5% a γ 1% y el intervalo de medida puede variar de 0-300 a 02000 mm c.de a.
El instrumento puede utilizarse en tanques abiertos y cerrados a presión o a vacío,
tiene una buena sensibilidad pero presenta el inconveniente del riesgo de depósito de
sólidos o de crecimiento de cristales en el flotador que afectan a la precisión de la medida y
es apto sólo para la medida de pequeñas diferencias de nivel (2,000 mm máximo estándar).
La medida de nivel de interfases requiere flotadores de gran volumen.
2.3.3 METODOS ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS.
Instrumentos basados en características eléctricas del liquido.
El medidor de nivel conductivo o resistivo(figura 2.31A) consiste en uno o varios
electrodos y relé eléctrico o electrónico que es excitado cuando el líquido moja a dichos
electrodos. El líquido debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito
electrónico, y de este modo el aparato puede discriminar la separación entre el líquido y su
vapor, tal como ocurre, por ejemplo en el nivel de agua de una caldera de vapor.
Figura 2.31A Medidor de nivel conductivo
La impedancia mínima es del orden de los 20 MΩ/cm, y la tensión de alimentación es
alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas por causa del fenómeno de la
electrólisis. Cuando el líquido moja los electrodos se cierra el circuito electrónico y circula
una corriente segura del orden de los 2mA; el relé electrónico dispone de un temporizador de
retardo que impide su enclavamiento ante una ola de nivel del líquido o ante cualquier
perturbación momentánea o bien en su lugar se disponen dos electrodos poco separados
enclavados eléctricamente en el circuito.
102
El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, utiliza relés
eléctricos para líquidos con buena conductividad. Montado en grupos verticales de 24 o más
electrodos, puede completar los típicos niveles de vidrio de las calderas, y se presta a la
transmisión del nivel a la sala de control y a la adición de las alarmas correspondientes.
Una variante del aparato se utiliza en el control del nivel de vidrio en la fusión. Un
sistema electromecánico baja el electrodo hasta que éste entra en contacto con al superficie
del vidrio fundido que a las temperaturas de fusión es conductor. El circuito está proyectado
de tal forma que en el momento del contacto, el electrodo queda parado y su posición
marcada en un registrador, instantes después invierte su movimiento hasta romper el
contacto eléctrico y se repite nuevamente el ciclo.
El instrumento es versátil, sin partes móviles, su campo de medida es grande con la
limitación física de la longitud de los electrodos. El líquido contenido en el tanque debe tener
un mínimo de conductividad y si su naturaleza lo exige, la corriente debe ser baja para evitar
la deterioración del producto. Por otro lado, conviene que la sensibilidad del aparato sea
ajustable para detectar la presencia de espuma es caso necesario.
El medidor de capacidad mide la capacidad del condensador formado por el
electrodo sumergido en el líquido y las paredes del tanque. La capacidad del conjunto
depende linealmente del nivel del líquido.
En fluídos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacidad total del
sistema se compone de la del líquido, la del gas superior y de las conexiones superiores.
En fluídos conductores con una conductividad mínima de 100 microhmios / c.c el
electrodo está aislado usualmente con teflón interviniendo las capacidades adicionales entre
el material aislante y el electrodo en la zona del líquido y del gas.
El circuito electrónico alimenta el electrodo a una frecuencia elevada, lo cual
disminuye la reactancia capacitiva del conjunto y permite aliviar en parte el inconveniente del
posible recubrimiento del electrodo por el producto.
El sistema es sencillo y apto para muchas clases de líquidos. Sin embargo, hay que
señalar que en los fluídos conductores, los sólidos o líquidos conductores que se encuentran
En suspensión o emulsión, y las burbujas de aire o de vapor existentes, aumentan y
disminuyen respectivamente la constante dieléctrica del fluido dando lugar a un error
máximo de 3% por cada tanto por ciento de desplazamiento volumétrico. Por otro lado, al
bajar el nivel, la porción aislante del electrodo puede quedar recubierta de líquido y la
capacidad adicional que ello representa da lugar a un error considerable.
La precisión de los transductores de capacidad es de +- 1%. Se caracterizan por no
tener partes móviles, son ligeros, presentan una buena resistencia a la corrosión y son de
fácil limpieza. Su campo de medida es prácticamente ilimitado y puede emplearse en la
medida de nivel de interfases. Tiene el inconveniente de que la temperatura puede afectar
las constantes dieléctricas y de que los posibles contaminantes contenidos en el .líquido
pueden adherirse al electrodo variando su capacidad y falseando la lectura, en particular en
el caso de líquidos conductores. El funcionamiento del sistema a una frecuencia elevada o
bien la incorporación de un circuito detector de fase, compensan en parte este
inconveniente.
103
El sistema ultrasónico de medición de nivel, se basa en la emisión del impulso
ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo en un receptor. El
retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque.
Figura 2.32 Medidor de nivel ultrasónico NUS.
Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 KHz. Estas sondas atraviesan
con cierto amortiguamiento o reflexión el medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en
la superficie del sólido o del líquido.
En las aplicaciones de alarma de nivel los sensores
vibran a una frecuencia de resonancia determinada, que se
amortigua cuando el líquido los moja.
En el segundo caso de indicación continua del nivel, la
fuente ultrasónica genera impulsos que son detectados por el
receptor una vez que a transcurrido el tiempo correspondiente
de idas y vuelta de la onda a la superficie del sólido o del
líquido.
Figura 2.33 Control de nivel por
Vibración.
El sensor emisor dispone de un oscilador excitador para enviar un impulso ultrasónico
a la superficie del fluido y el sensor receptor recibe esta señal reflejada enviando una señal
función del tiempo transcurrido, y por lo tanto del nivel, a un oscilógrafo o a un indicador.
La precisión de estos instrumentos es de +- 1 a 3%. Son adecuados para todos los
tipos de tanques y de líquidos o fangos pudiendo construirse a prueba de explosión.
Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar señales
erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida, como en el caso de un líquido
que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos.
La utilización del ordenador permite, a través de un programa, almacenar el perfil
ultrasónico del nivel, y así tener en cuenta las características particulares de la superficie del
líquido tal como la espuma, con lo cual se mejora la precisión de la medida. Por otro lado, el
ordenador facilita la conversión del nivel a volúmen del tanque para usos de inventario, y
además proporciona características de autocomprobación del instrumento.
104
El sistema de radar de microondas emplea la propagación de una onda
electromagnética que no es influida por la temperatura ni por las variaciones de densidad
que pueden existir sobre el líquido. De este modo, la espuma, que es transparente a la señal
de radar, deja de ser un problema como ocurriría en el medidor de ultrasonidos. Un oscilador
de estado sólido genera una frecuencia de barrido de 10 a 11 GHz y enfoca la señal sobre el
líquido por medio de una antena. La diferencia de frecuencias entre las señales de
transmisión y de retorno es proporcional al tiempo empleado por las mismas.
Como la constante dieléctrica de los vapores sobre el líquido es casi la unidad, la
variación de la velocidad es despreciable, de modo que la señal de velocidad de radar es
más constante que la de ultrasonidos. El sistema de medición por rayos gamma, consiste en
un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del tanque y con un contador
Geiger que transforma la radiación gamma recibida en una señal eléctrica de corriente
continua. Como la transmisión de los rayos es inversamente proporcional a la masa del
líquido en el tanque, la radiación captada por el receptor es inversamente proporcional al
nivel del líquido ya que el material absorbe parte de la energía emitida.
Los rayos emitidos por la fuente son similares a los rayos X, pero de longitud de onda
más corta. La fuente radiactiva pierde igualmente su radiactividad en función exponencial del
tiempo. La vida medida (es decir, el tiempo necesario para que el emisor pierda la mitad de
su actividad) varía según la fuente empleada. En el cobalto 60 es de 5.5 años y en el cesio
137 es de 33 años y en el americio 241 es de 458 años.
Las paredes del tanque absorben parte de la radiación y al detector le llega solo un
pequeño porcentaje. Los detectores son, en general, tubos Geiger o detectores de cámara
iónica y utilizan amplificadores de c.c. o de c.a . El instrumento dispone de compensaciones
de temperatura, de linealización de la señal de salida, y de reajuste de la pérdida de
actividad de la fuente de radiación, extremo este último a tener en cuenta para conservar la
misma precisión de la puesta en marcha. Como desventajas en su aplicación figura en
blindaje de la fuente y el cumplimiento de las leyes sobre protección de radiación, que en
nuestro país están reglamentadas por la Junta de Energía Nuclear.
La precisión de la medida es de es +- 0.5 a +- 2%, y el instrumento puede emplearse
para todo tipo de líquidos ya que no está en contacto con el proceso. Su lectura viene
influida por el aire y por los gases disueltos en el líquido.
El sistema se emplea en caso de medida de nivel en tanques de acceso difícil
peligroso. Es ventajoso cuando existen presiones elevadas en el interior del tanque que
impiden el empleo de otros sistemas de medición . Hay que señalar que el sistema es caro y
que la instalación no debe ofrecer peligro alguno de contaminación radiactiva siendo
necesario señalar debidamente las áreas en donde están instalados los instrumentos y
realizar inspecciones periódicas de seguridad.
En aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y donde los instrumentos de
nivel convencionales fallan
105
2.3.4 MEDIDORES DE NIVEL DE SÓLIDOS.
La exigencia de la industria requiere el desarrollo de instrumentos capaces de medir
sólidos, como materias primas o productos finales contenidos en tanques o silos.
Los detectores de nivel de punto fijo proporcionan una medida en diversos puntos
determinados. Entre los más empleados se encuentra el DETECTOR DE DIAFRAGMA, el de
CONO SUSPENDIDO, el de VARILLA O SONDA FLEXIBLE y el de PALETAS ROTATIVAS.
Detector de diafragma.
Consiste en una membrana flexible que pueda entrar en contacto con el producto
dentro del tanque, ésta contiene en su interior un conjunto de palancas con contrapesos que
se apoyan sobre un micro-ruptor que cuando el nivel del sólido alcanza el diafragma lo
fuerza venciendo el contrapeso actuando sobre el micro-interruptor (mecánico o de mercurio)
el cual puede accionar una alarma o actuar automáticamente sobre un transportador o
maquinarias asociadas al depósito.
Figura 2.34 Medidores de nivel con diafragma NPF
Ventajas y aplicación.
Ö Bajo costo
Ö Pueden emplearse en tanques
cerrados sometidos a baja presión o
vacío gracias a una línea neumática
que iguala presiones a ambos lados
de la membrana.
Ö Es útil para materiales con diversa
densidad, y para aquellos materiales
granulares cuyo diámetro no sea
mayor de 80mm.
Figura 2.35 Detector de nivel
neumático.
106
Cono suspendido.
Consiste en un micro-interruptor montado dentro de una caja
estanca al polvo con una cazoleta de goma de la que está
suspendida una varilla que termina en un cono, que al alcanzar el
interruptor el nivel de sólidos es excitado.
La cazoleta permite flexibilidad a la posición del cono
permitiendo que el aparato actúe como alarma de acuerdo al grado
(alto/bajo) de nivel. Se debe proteger mecánicamente cuando
maneja materiales pesados.
Figura 2.36 Control de
nivel por desplazamiento.
Ö
Ö
Ö
Ö
Es barato
Se utiliza en tanques abiertos
Precisión de 50mm
Se emplea como alarma y para el control de nivel de carbón, granos y
caliza.
Varilla o sonda flexible.
Consiste en una varilla de acero conectada a un diafragma de latón donde está
contenido un interruptor, el cual se cierra y acciona la alarma cuando los sólidos presionan.
El conjunto de la unidad está sellado herméticamente (a prueba de explosión).
Ö Se emplea como alarma de alto nivel y abiertos, estando dispuesto en la
parte posterior del tanque
Ö Se utiliza para medir materiales como carbón
Ö Puede trabajar hasta una temperatura máxima de 300ºC
Ö Tiene una precisión de 25mm
Paletas rotativas.
Consiste en un eje vertical, dotado de paletas que gira continuamente a baja
velocidad accionado por un motor.
Cuando llega el producto a las paletas, las inmoviliza, ocasionando que el soporte del
motor y la caja de engranajes empiecen a girar en sentido contrario.
El soporte del motor actúa consecutivamente sobre 2 interruptores; uno excita el
equipo de protección (como por ejemplo una alarma) y el otro desconecta la alimentación
eléctrica del motor con lo que éste queda bloqueado.
107
Si el nivel baja, las paletas se dejan al descubierto, y entonces un resorte vuelve al
motor a su posición inicial liberando los dos micro-interruptores, excitándo el motor por lo que
vuelven a girar las palas y se desconecta la alarma.
Ö El eje de las palas puede adaptarse (siendo flexible o rígida) a las
condiciones de trabajo
Ö Se emplea en tanques abiertos a baja presión (máximo 10 kg/cm2)
Ö Trabajan con materiales de diversas densidades (a prueba de explosión)
Ö Se emplean como detectores de materiales granulares y carbón.
Ö Precisión de 25mm.
2.3.5 APLICACIONES:
108
2.4 FLUJO.
Medidores de flujo.
El flujo o gasto es otra variable importante en los procesos industriales. Sus unidades
son volúmen / unidad de tiempo o masa / unidad de tiempo. En el inicio de la industria, los
procesos eran intermitentes y solo se pesaban los componentes y el producto final;
actualmente, con los procesos continuos se requiere disponer de medidores precisos para
toda clase de características de los fluidos, lo cual ha motivado que el flujo sea la variable
con más elementos primarios actualmente en uso.
La medición de flujo se utiliza para dos propósitos:
a) Contabilidad, en donde se cuantifican los diversos fluidos para fines contables y
balances de masa.
b) Base de control de procesos y operaciones.
El flujo no afecta las propiedades físicas y químicas del fluido, sin embargo, cuando
se utilizan fluídos para realizar una reacción química o mezcla de productos, se afectan las
propiedades, haciendo necesario en estos casos, la medición precisa ya que si esto no se
logra se afectarán las propiedades físicas o químicas del producto final.
La medición continua tiene lugar a medida que el fluido fluye a través de un conducto,
lo cual permite su indicación, registro y control automático constante durante el tiempo que
dura un proceso.
En muchos procesos, los medidores de flujo contribuyen más que cualquier otro tipo
de instrumento de medición a la economía y eficiencia que provee la instrumentación,
aunque es relativamente simple en teoría, los medidores del flujo incluyen un número de
variables que pueden influir sobre su desarrollo satisfactorio en una instalación dada.
Se han dividido los elementos en grupos cada uno de ellos con un principio de
operación definido, los cuales son los siguientes:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Volumétricos
Caída de presión en tubería
Caída de presión en canales
Área variable
Velocidad y corriente
Masa
Torbellino
109
Métodos de medición de fluidos.
Tabla 2.20 Medidores volumétricos.
Sistema
Elemento
Transmisor
Presión diferencial
Placa orificio tobera
Tubo Venturi
Tubo de Pitot
Tubo Anular
Equilibrio de fuerzas
Silicio difundido.
Área Variable
Velocidad
Conectados a tubo U o a
elemento de fuelle o de
diafragma
Rotámetro
Fuerza
Vertedero con flotador en
canales abiertos
Turbina
Sondas ultrasónicas
Placa de impacto
Tensión Inducida
Medidor Magnético
Desplazamiento Positivo
Disco Giratorio
Pistón Oscilante
Pistón Alternativo
Medidor Rotativo (Cicloidal,
Birrotor, Oval).
Medidor de frecuencia de
resistencia de termistor o
condensador de ultrasonidos
Torbellino
Equilibrio de movimientos
Potenciométrico
Puente de Impedancias
Potenciométrico
Piezoeléctrico
Equilibrio de fuerza
Galgas extensiométricas
Convertidor Potenciométrico
Generador tacométrico o
transductor de impulso.
Transductor de resistencia.
Tabla 2.21 Medidores de caudal de masa.
Compensación de presión y
temperatura en medidores
volumétricos
Térmico
Diferencia de temperatura en
dos sondas de resistencia
Puente de Wheatstone
Momento
Medidor axial
Medidor axial de doble turbina
Convertidor de par
Par giroscopio
Presión Diferencial
Tubo giroscopio
Puente Hidráulico
Convertidor de par
Equilibrio de fuerzas.
110
2.4.1 INSTRUMENTOS VOLUMÉTRICOS.
Este grupo de medidores también son conocidos como medidores por método
directo, su utilización es principalmente para dosificar fluidos, la precisión de estos
instrumentos es de 0.5% o mejor.
Los medidores toman una cantidad de fluido definida y lo llevan a través de un
medidor hasta la salida del mismo, procediendo con la siguiente porción y así
sucesivamente, acumulando los incrementos medidos que se totalizan mecánicamente o por
cualquier otro medio para obtener el consumo total.
Estos instrumentos también son conocidos como medidores de flujo de
desplazamiento positivo. Las partes mecánicas del instrumento se mueven aprovechando la
energía del fluido y dan lugar a una pérdida de carga. La precisión depende de los huelgos
entre las partes móviles y las fijas y aumenta con la calidad de la mecanización y con el
tamaño del instrumento.
En cada instrumento, se pueden destacar tres componentes comunes:
Ö cámara, que se encuentra llena de fluido
Ö Desplazador, que, bajo la acción del fluido circulando, transfiere el fluido
desde el final de una cámara a la siguiente
Ö mecanismo (indicador o registrador), conectado al desplazador, que cuenta
el número de veces que el desplazador se mueve de una parte a otra en la
cámara de trabajo.
Bomba de desplazamiento positivo.
Una bomba de desplazamiento positivo, puede ser habilitada como un dosificador de
flujo, en su forma más común, un émbolo es desplazado hacia atrás y hacia delante
entregando en cada embolada, un volumen definido del fluido, El volumen es ajustado con la
carrera del émbolo.
Acoplando un micro-switch en el cigüeñal del mecanismo, se puede enviar una señal
eléctrica hasta un contador de impulsos eléctricos, el cual integrará el número de emboladas
totales, las cuales multiplicadas por un factor, proporcionarán el volumen del fluido.
Pistón oscilante.
Este medidor se utiliza en la medición de cualquier tipo de líquido, no es afectado por
cambios de temperatura, viscosidad o densidad. Se fabrican en tamaños nominales desde
¾” hasta 6”, para medir flujos desde 7,5 litros por minuto (2 galones por minuto), hasta 3.785
litros por minuto (1000 galones por minuto). Resiste presiones hasta de 21Kg/cm2.
El medidor de presión oscilante está formado por una cámara de medición de forma
anular, con una placa divisora que separa los orificios de entrada y de salida. La única parte
móvil es el pistón cilíndrico que oscila suavemente en el movimiento de vaivén entre las dos
caras planas de la cámara, el cual tiene una ranura que se desliza en la placa divisora que
hace de guía del movimiento oscilante.
111
Al oscilar el pistón transmite su movimiento a un tren de engranes y a un contador,
disponiendose un par elevado para accionar los accesorios mecánicos necesarios.
Figura 2.37 Se aprecia una sección transversal de un medidor de pistón oscilante mostrando las
cuatro etapas de su ciclo de funcionamiento.
Se puede decir que el pistón tiene cuatro posiciones. En la posición 1el espacio VI se
esta llenando, mientras que el espacio V2 se esta vaciando. En la posición 3, el espacio V1
se mantiene lleno, mientras que el espacio V2 se esta llenando y descargando. En la
posición 4, el espacio V2 permanece lleno mientras que el espacio V1 la mitad se carga y la
mitad descarga. Estos medidores tienen algunos accesorios como impresor y
predeterminado, o sea un dispositivo que cierra una válvula cuando se completa la cantidad
de fluido deseada. La precisión normal es del 1% pudiendo se llegar a los 0,2% con pistón
metálico y 0,5 % con pistón sintético. Estos medidores se usan normalmente en la edición
de caudales de agua y de líquidos viscosos o corrosivos.
Disco oscilante.
Este medidor consiste en un disco contenido en una cámara esférica de forma cónica,
la cual está cortada por una división vertical entre los puntos de entrada y descarga. Los
espacios arriba y abajo del disco crean una cámara separada que progresa de la entrada a
la descarga conforme el disco cabecea cuando un volumen del líquido pasa a través del
medidor. Este movimiento es parecido al de una moneda antes de detenerse al caer. Al final
del eje de rotación hay un contador acoplado.
112
Figura 2.38 Partes del medidor de disco oscilante o disco giratorio.
El rango de operación varía desde 4 a 4000 litros por minuto, su precisión es de 1% o
mejor. Estas unidades son capaces de medir un amplio rango de líquidos industriales
corrosivos y no corrosivos, incluyendo agua doméstica. Se suministran para altas
viscosidades o presiones y algunas unidades tienen un corte automático para control de
proceso.
Figura 2.39 Medidor de disco oscilante.
Dentro del cuerpo, el medidor tiene un cedazo que protege el paso de sólidos y
sedimentos. Cuando se utiliza un dispositivo de repetición automático para cantidades
prefijadas de flujo, el contador comienza a circular y cuando llega a cero principia un nuevo
ciclo con la cantidad que se fijó de antemano. El circuito puede estar acoplado a una válvula
solenoide que opera una automática de diafragma, una bomba u otro equipo, con el fin de
cortar el flujo cuando se ha complementado la cantidad prefijada o bien sonar una alarma
que indicará que el flujo indicará predeterminado se ha completado.
Como en el caso anterior, el movimiento del integrador es operado por la diferencia
de presiones entre la entrada y la salida del medidor.
Rotor lobulado (cicloidal).
Este medidor consta de dos impulsores lobulados dentro de una cámara de cierre
hermético, los cuales giran sin estar en contacto por medio de engranes, con un movimiento
similar a una bomba de engranes. Como los lóbulos no están en contacto, la caída de
presión es baja y hay deslizamiento sobre todo con un gasto bajo. La aplicación satisfactoria
se logra con gastos altos y puede medir hasta 28m3/h (1 000 000 pies3/h). Su precisión es de
1% del flujo.
113
Aletas rotatorias.
Este medidor contiene un tambor
excéntrico con 4 aletas radiales que son
forzadas hacia fuera por resortes contra la
caja cilíndrica del medidor, para formar 4
compartimentos sellados. Encima de la caja,
va un reductor con un sistema de engranes
que comunica a un calibrador y encima del
calibrador va un contador, cuya lectura indica
el volúmen del líquido que pasa a través del
medidor. Suele llevar también un filtro, que
va alojado dentro del recipiente antes del
medidor, con el objeto de evitar el paso de
sólidos que puedan obstruir el rotor.
Figura 2.40 Esquema de medidor de aletas
rotatorias
La presión del fluido hace girar el tambor. El rango de utilización es moderado, la
precisión es de 1/2% o mejor, como virtualmente no tiene claros, excepto en los extremos, la
fuga es pequeña.
Tope rotatorio.
En este dispositivo, un rotor limitado opera en relación de tiempo con dos rotores que
se desplazan a la mitad de su velocidad. Tiene sello del líquido capilar. Todas las superficies
en la cámara de medición son barridas durante el ciclo de medición.
Figura 2.41 Esquema de .trasporte de fluido a través de rotores.
Este dispositivo provee un desplazamiento constante independiente de los cambios
en la viscosidad del líquido. Su rango de aplicación es de 19 a 5700 litros/ minuto (5 a 1500
galones /minuto). Su precisión es de + 0.2% sobre el rango de 5 a 100% de relación de flujo.
La pérdida de presión para aceite grado 40 es de 2lb/plg2. Así, puede manejar líquidos con
viscosidades de hasta grado 150000 de unidades de viscosidad absolutas.
Medidor de ruedas ovaladas.
El medidor de desplazamiento positivo de ruedas ovaladas mide y continua
exactamente la cantidad de líquido que pasa a través de él reduciendo la presión de entrada
muy ligeramente para desarrollar la fuerza necesaria para girar un par de engranes internos.
114
Como la forma de un engrane es oval, al girar el medidor, una gran cantidad de fluido
en el área formada entre la caja de la máquina y uno de los engranes, es entregada en un
giro. A causa de la tolerancia mínima empleada en su fabricación, la cantidad de fuga entre
los engranes ovales y la pared de la cámara de medición es mínima, de aquí que el medidor
es virtualmente inafectado por los cambios de densidad, viscosidad y lubricidad del medio
que esta fluyendo.
Figura 2.42 Transporte del fluido por medio de medidores de ruedas ovaladas.
Los engranes se desplazan conforme transcurre el flujo a través del medidor. Se
recomienda instalar el medidor con los engranes ovales y sus flechas horizontales para
mínima fricción. Si medidor es instalado con la flechas perpendiculares al piso, tanto la
sensibilidad como la precisión pueden ser afectadas.
Figura 2.43 Corte transversal de medidor de ruedas ovaladas.
El medidor debe ser instalado en una tubería limpia, libre de cualquier sólido. En todo
caso, es necesario instalar cedazos que sirvan como filtro. Los sólidos que entran al medidor
afectan la precisión, dañando los engranes y causando que el medidor sea inexacto.
También debe evitarse instalar el medidor en el lado de succión de la bomba; esto reduce la
cabeza de precisión de la bomba y el líquido pude fugarse a través del empaque de la
bomba, después que ha sido medido, causando lecturas erróneas. No se recomienda
instalar el medidor en una línea de flujo pulsante, pues esto debe causar un excesivo
golpeteo e inexactitud.
115
Medidor de gas de sello líquido.
Una caja cilíndrica, con más de la mitad llena de agua, contiene un tambor con
cuatro aletas espirales y una entrada de gas en el centro. El gas entra al compartimiento
superior, forzando la rotación. El rango de aplicación es de pocos pies cúbicos por minuto,
hasta grandes flujos. La precisión es del 0.5% o mejor. Es utilizado tanto para la medición de
gas combustible, como para calibración de otros medidores. La pérdida de presión es tan
baja como 3mm de columna de agua.
Características de aplicación.
A causa de su alto desarrollo, estos medidores son ampliamente utilizados para
medición de flujo de aceite combustible y otros productos de hidrocarburos, en instrumentos
de pequeño tamaño. También debido a que son auto contenidos y no requieren energía
eléctrica, son adecuados para aplicaciones de medición de vehículos tal como distribución
de gas, petróleo, aceite y otros líquidos. Los medidores de desplazamiento positivo son
instrumentos sensibles al flujo.
Ventajas.
Ö Amplio rango de medición.
Ö Adecuados para flujos de alta viscosidad o con grandes cambios de
viscosidad.
Ö Lecturas locales directamente en unidades volumétricas, con opción de
salida de pulsos y también con salida de pulsos de alta resolución.
Ö No requieren suministro de energía, y son virtualmente inafectados por la
configuración de la tubería de montaje.
Limitaciones.
Ö La tolerancia de construcción de los componentes en movimiento, están
sujetos a desgaste.
Ö El mantenimiento regular y el servicio continuo es necesario.
Ö No son adecuados para líquidos sucios, no lubricantes o abrasivos.
Ö Son caros, particularmente en grandes diámetros y sus refacciones son
caras.
Ö Se pueden dañar por alta velocidad y su funcionamiento está muy limitado
por el tamaño del aparato.
Ö Son de difícil instalación y tienen alta pérdida de presión.
Transductor de torbellinos y Vortex.
El medidor de caudal por torbellino se basa en determinación de la frecuencia del
torbellino producido por una hélice estática situada dentro de la tubería a cuyo través pasa el
fluido (gas). La frecuencia del torbellino es proporcional al caudal volumétrico. La detección
de la frecuencia se logra con una termistancia de muy baja inercia térmica que sigue los
efectos de refrigeración del torbellino generado en el gas.
116
La termistancia es alimentada con una corriente continua constante y las variaciones
de resistencia que se producen dan lugar a variaciones de tensión que son amplificadas
obteniéndose como señal de salida una tensión senoidal constante y de frecuencia igual a la
del torbellino al pasar por la termistancia. Los transductores de torbellino son adecuados en
la medida de caudales de gases. Su precisión es de 0,75%.
Figura 2.44 Esquema general de inductor de torbellinos
Vortex.
El medidor de caudal de vórtice consiste en una barra atravesada dentro del tubo que
provoca la formación de unos pequeños remolinos o vórtices, que se van alternando
sucesivamente a lado y lado de dicha barra, variando la frecuencia de estos vórtices
linealmente con la velocidad del fluido y por lo tanto con el caudal. Estos vórtices actúan
sobre la barra que los ha originado, haciéndola vibrar en fase con ellos y transmitiendo esas
vibraciones al cristal piezoeléctrico ubicado en la parte superior de la barra. El cristal genera
una señal eléctrica oscilatoria de frecuencia proporcional al caudal, de acuerdo a la siguiente
ecuación: Q =k*v/d, donde k es una constante, v la velocidad del fluido y d el ancho de la
barra.
Figura 2.45 Generación de vértices.
117
El Medidor de flujo vortex por tanto es un transductor de caudal que entrega una
señal eléctrica oscilatoria, cuya frecuencia es proporcional a la magnitud del caudal que se
esta midiendo, por lo tanto su respuesta es lineal. El medidor vortex es frecuentemente
tenido en consideración de selección para gran número de propósitos porque este puede ser
usado para líquidos, gases y vapor de agua y además sin recalibración.
Figura 2.46 Medidores vortex de barra
Los medidores de flujo vortex son relativamente poco sensitivos a cambios en la
temperatura del fluido, presión o densidad. Estos medidores producen una caída de presión
pequeña en la línea del tubo. Los medidores vortex son medianamente simples, no tienen
partes movibles y pocas conexiones donde puedan ocurrir escapes, su costo de instalación
es bajo, requiere poco mantenimiento, su costo no es muy elevado, pero no es útil para flujos
bajos o fluidos con número de Reynolds bajo porque no habría formación de vortex, tampoco
se recomienda su uso con fluidos corrosivos.
Figura 2.47 Corte transversal de medidores vortex de cono.
Los tipos de transductores que usan:
Ö
Ö
Ö
Ö
Transductor
Transductor
Transductor
Transductor
de
de
de
de
impulsos
impulsos
impulsos
impulsos
por microrruptor eléctrico o neumático.
por sensor magnético.
por disco ranurado.
fotoeléctrico.
118
2.4.2 CAIDA DE PRESION EN TUBERÍA.
Probablemente el método más ampliamente usado para medición industrial de flujo,
la presión diferencial (DP), cuyos medidores están disponibles en una gran variedad de
tipos, operan con el principio de que el fluido es acelerado a través de una restricción
haciendo que su energía cinética momentáneamente aumente a expensas de su energía
estática, la presión diferencial h causada por un incremento de velocidad varía de acuerdo a
la raíz cuadrada de la relación de flujo Q, según la ecuación :
(2.14)
en donde :
Q= flujo
k= constante
h= diferencial de presión
d= densidad
Esta fórmula ilustra las limitaciones mayores en el cual se aplican todos los sistemas
de presión diferencial, los cambios de densidad no son importantes en la mayoría de las
aplicaciones de líquido. Sin embargo, los cambios de densidad en los fluidos gaseosos
pueden causar significativos errores en la medición.
La principal ventaja de los medidores de presión diferencial es que pueden ser
aplicados a un vasto número de mediciones de flujo, incluyendo la mayoría de los líquidos y
los gases, líquidos viscosos, sobre un rango extendido de presión y temperatura. Los fluidos
difíciles de hecho normalmente imponen más restricciones severas en el dispositivo
secundario utilizado para la medición de la presión diferencial, que en el elemento primario
en si mismo. Para fluidos difíciles se usan accesorios tales como cámaras de sello,
purgadores, colectores de gas, etc.
Una de las principales desventajas de este tipo de medidores es la alta pérdida de
presión total. La presión total después del elemento primario, que en este caso es una placa
de orificio, es menor que la presión de entrada, lo cuál aumenta el costo por pérdida de
energía al utilizar este medidor. Este grupo de medidores se pueden clasificar en cuatro
secciones: medición directa en tubería, medidores con alta pérdida de presión, medidores
con baja pérdida de presión y medidores con utilización de velocidad de fluido.
Medición directa en tubería.
El método más sencillo para medir flujo es aprovechar la caída de presión a lo largo
de una tubería. Es sabido que para que exista flujo en un tramo de tubería, debe existir un
gradiente de presión en sus extremos; el flujo puede ser laminar o turbulento, de acuerdo
con el número de Reynolds. El flujo laminar es de 2100 hacia abajo .
119
Medidor de flujo laminar.
Este medidor de flujo laminar produce una presión diferencial a lo largo de una
tubería, la cual sigue la ley de Hagen-Poiseuille .Cuando el flujo es laminar (Re< 2100), la
relación entre le flujo y la caída de presión es lineal. La ecuación es la siguiente :
DP=0.000273 QLmiu /D4
(2.15)
en donde:
P= caída de presión en lb/plg2
Q= flujo en galones/ min
L= longitud de la tubería entre las tomas de presión en pies
miu= viscosidad del fluido a temperatura de operación en centipoises
D= diámetro interior de la tubería en plg
Para la medición de flujo con este instrumento sea aceptable. es necesario mantener
la viscosidad del fluido constante, bajo condiciones controladas. Este instrumento se puede
utilizar en arranques de plantas como si fuese un instrumento de laboratorio, gracias a su
relación lineal y su capacidad de flujo que está limitada por la velocidad del sonido dentro de
la tubería.
Medidor de codo.
Cuando el flujo es turbulento, se puede utilizar el codo de una tubería de la
instalación, como medidor de flujo. Las tomas de presión del medidor son localizadas a 45º
de ángulo de cara de la brida. Cuando la tubería es de 4º o mayor, se utiliza un coco de radio
corto, y cuando la tubería es menor de 4º se debe utilizar un codo de radio amplio. Debido a
que la presión diferencial es lograda por la velocidad del fluido, la medición de gas por este
medio debido a la baja densidad no es práctica. Los líquidos que tienen densidades mayores
desarrollan diferencias razonables . El radio de curvatura tiene un considerable efecto en la
presión diferencial, por tanto, los codos de radios cortos deben desarrollar más presión
diferencial que los codos de radio amplio.
Estos medidores no son afectados por cambios en la viscosidad debido a que las
tomas de presión están localizadas en el mismo diámetro. Este medidor no introduce
ninguna caída de presión extra debido a que la caída de presión es la misma midiendo o no
midiendo flujo. La ecuación más simple para medir flujo es:
Q= 5.663KD2 raiz (h/gr)
(2.16)
en donde:
Q= flujo en gal/min
k= coeficiente de flujo
D= diámetro interior de la tubería en plg
h= presión diferencial
gf= gravedad específica del fluido
120
Alta pérdida de presión.
Cuando se hace una medición de flujo por emisión de presión diferencial se espera
que parte de esa presión diferencial no sea recuperada. En ocasiones se grafica la pérdida
neta de presión en función de la diferencial medida y en función de la relación de diámetros
entre el diámetro del orificio y el diámetro interior de la tubería. Dos son los medidores que
definitivamente tienen una mayor caída total de presión.
Placa de orificio.
La placa con orificio o diafragma consiste en un disco plano y delgado con un orificio,
que se inserta entre dos bridas de la tubería de referencia. Este instrumento es el más
sencillo de los elementos primarios para medición, el más barato, pero puede resultar caro
en funcionamiento debido a las constantes perdidas de presión (60- 80% de la presión
diferencial que provoca).
Su principio de funcionamiento es sencillo; al pasar por el orificio de menor sección
que la tubería, el fluido se va constreñido, y el resultado es una diferencia de presiones en
ambos lados de la placa o diafragma. Esta es la presión a medir que es función del caudal.
Los diafragmas son muy accesibles, pueden cambiarse fácilmente para acomodarlos
a otra capacidad de medida y su rango de aplicación es tan exacto como el tubo de venturi o
tobera.
Se construyen generalmente del material delgado (0.19- 0.317cm) para orificios de
hasta 24.4 cm, o de material grueso (0.635 cm) que se utilizan para orificios mayores o
donde se requieren condiciones especiales. Los diafragmas contienen a veces un pequeño
orificio adicional para el paso de condensados o de gases.
Cuando se mide caudal de gases, el orificio se encuentra abajo, para permitir el paso
de condensados y prevenir de este modo su estancamiento en la placa. Cuando el fluido es
un líquido, este agujero se ubica en la parte superior para prevenir la formación de bolsas de
gas. La utilización de tales orificios de drenaje constituye frecuentemente una desventaja,
debido a que pueden producir errores en la medida.
Usualmente en los orificios de los diafragmas son concéntricos, pero también pueden
ser excéntricos o de segmento circular. Cuando los fluidos contienen una alto porcentaje de
gases disueltos, es recomendable al uso del diafragma con orificio excéntrico; de mayor
importancia, esta placa sirve especialmente para medir gases que contengan grandes
cantidades de condensados. La placa con orificio excéntrico se monta con el hueco tangente
a la superficie superior de la tubería, cuando el fluido es un líquido, y tangente a la superficie
inferior de la tobera cuando el fluido es un gas. Los líquidos que contengan sólidos, si estos
no son abrasivos, pueden ser medidos con diafragmas de orificio de segmento o de orificio
excéntrico.
La tolerancia en la construcción de los diafragmas es de 0.1 % del diámetro del
orificio. Aunque se dispone de sistemas de más alta exactitud, la de un sistema de medida
por diafragma es lo bastante grande para poder manipular, a voluntad, su flexibilidad. En
aplicaciones que requieren diafragmas para tuberías de 3.82 cm o menores, se recomienda
un conjunto precalibrado consistente en diafragma, bridas y tubos o bien una unidad
121
soldada. Con tal conjunto puede lograrse una precisión menor del 1%, de todos modos, un
error del 12% resulta muy aceptable.
El orificio de un diafragma estándar presenta una arista viva en la cara por la que
entra un fluido, mientras que la cara de la salida presenta un chaflan a 45 grados. De esta
forma, conforme a lo publicado por la ASME, se obtendrán medidas exactas con las
viscosidades del fluido para los cuales fue diseñado el diafragma. Sin embargo, cuando la
viscosidad varía, el número de Reynolds no es constante y es necesaria una corrección de
la medida. El diafragma de arista redondeada de la Foxboro Company esta diseñado de tal
forma que la presión diferencial a través de él permanece constante con el caudal, para un
amplio espectro de variación del número de Reynolds.
Hay dos métodos de uso para la elección del diafragma y la ejecución de la medida.
Uno de ellos consiste en calcular el diámetro del orificio a partir del diámetro de la tubería, la
naturaleza del fluido a medir, el caudal máximo y la escala del aparato de medida. Una vez
hecho esto, la medida se obtiene directamente sobre la escala del instrumento, sobre una
gráfica o como una señal de salida para un transmisor a distancia. El otro método consiste
en utilizar diafragmas de orificio y multiplicar las medidas obtenidas por una constante
correspondiente a las condiciones expresadas anteriormente.
Figura 2.48 Tipos de tubo pitot.
El tubo de pitot. Consiste en un
tubo sencillo u otro dispositivo similar, de
tamaño no muy grande, que suele estar
montado, enfrentado al viento relativo, en el
borde de ataque o debajo del ala, aunque
en ciertos aeroplanos está colocado en el
morro del avión o en el estabilizador vertical.
Esta localización le pone a salvo de
perturbaciones o turbulencias causadas por el movimiento del avión en el aire. Este
dispositivo, tiene un pequeño agujero en la punta para recoger la presión de impacto, que
debe permanecer siempre libre de cualquier impureza (insectos, etc..) que lo obstruya. Suele
tener un pequeño orificio en la parte de abajo para facilitar su limpieza. No es recomendable
soplar este tubo para limpiarlo, pues esto podría causar daño a los instrumentos.
Cuenta también con una resistencia, accionable con un interruptor desde la cabina
(pitot heat), que al calentarse impide la creación de hielo cuando se vuela en condiciones
atmosféricas que propician su formación. Siempre que se vaya a entrar en condiciones de
humedad visible, es conveniente conectar la calefacción del pitot para prevenir la formación
de este hielo, y una vez desaparecidas estas condiciones, desconectarla para evitar
desgastes y falsas indicaciones debido a la temperatura.
Las tomas estáticas. Como su propio nombre indica, toman la presión del aire libre
en que se mueve el avión. Son unos orificios, protegidos por alguna rejilla o similar, que
normalmente están situados en el fuselaje porque es donde sufren menos perturbaciones. Lo
usual es que estas tomas sean dobles, una a cada lado del fuselaje, y sus conducciones se
conecten en forma de Y en una sola para compensar posibles desviaciones, sobre todo en
los virajes ceñidos en que una toma recibe mayor presión estática que otra.
122
Estas tomas, salvo en aviones capaces de volar en zonas de muy baja temperatura,
no necesitan de protección antihielo debido a su ubicación. Igual que el tubo pitot deben
mantenerse limpias de impurezas.
Figura 2.49 Sistema de pilot y estática.
Figura 2.50 Medidor de Caudal por Presión Diferencial RCD
Baja pérdida de presión.
Tubo Venturi. Este elemento primario, promedia la velocidad del flujo a través de una
sección transversal de una tubería. Es recomendable la utilización de este instrumento
cuando el fluido a medir contiene grandes cantidades de sólidos en suspensión. También se
utiliza cuando se desea la máxima exactitud en la medición de fluidos altamente viscosos y
cuando se desee que la pérdida de carga debida al elemento primario sea mecánica. Este
último hecho no es suficiente para decidir a favor de este elemento, ya que su costo inicial
es alto y otros dispositivos tienen características similares o mejores. Para disminuir la
pérdida de carga en la medición, podemos colocar una combinación de tubo Venturi y
tobera aunque perdemos precisión en la medición.
Tubo Dall. Consiste de un tramo de tubo corto, en el que las pérdidas de carga son
menos que los anteriores instrumentos. Básicamente es un cuerpo cilíndrico corto, que se
diseña con una disminución repentina del diámetro, seguida de una restricción cónica y de
salida divergente.
Toberas de Flujo. La tobera de flujo es un instrumento que permite medidas de
velocidades de fluido cercanas al 60 – 65 % mas elevadas que permiten los diafragmas. Por
ello la tobera encuentra su principal aplicación cuando se han de medir grandes caudales en
líneas sometidas a alta presión y que tengan poco diámetro.
123
Respecto a la pérdida de carga, seria un error seleccionar una tobera de flujo para
reducir dicha pérdida de carga ocasionada por un diafragma, ya que para obtener una
presión diferencial medible con una tobera, para el mismo caudal, es necesaria una tobera
de diámetro menor, la cual causará aproximadamente la misma pérdida.
Una razón aceptable que favorece ocasionalmente la utilización de las toberas de
flujo, tanto con los diafragmas como con las toberas, es el hecho de que se necesita cierta
longitud de tubería recta antes y después del elemento primario.
Esta longitud ha de ser tanto mayor cuanto sea mayor el diámetro del orificio del
diafragma o de la tobera; pero siendo el diámetro de la tobera menor que el del diafragma,
se necesita una menor longitud de tramo recto con aquella que con éste. Esta ventaja puede
ser muy importante en algunos montajes de equipos.
La reducción en la sección a la entrada del cono junto con el diseño de la garganta
anular produce una presión diferencial apreciablemente mayor que la que se obtiene con un
Venturi o una tobera de dimensiones comparables. Es un instrumento barato, más corto y
más ligero que un Venturi.
2.4.3 CAIDA DE PRESION EN CANAL ABIERTO.
Vertedero.
Definición: Cuando la descarga del líquido a superficie libre es efectuada por encima
de un muro o una placa, tendremos lo que se denomina un vertedero. Si la descarga se
realiza sobre una placa de arista aguda, el vertedero se llama de pared delgada. Si por el
contrario, el contacto entre la pared y la lámina vertiente es más bien toda una superficie, se
denomina de pared gruesa. El punto más bajo de la pared en contacto con la lámina
vertiente se conoce como cresta.
Vertedero de lámina delgada.
En un vertedero de cresta delgada (altura de cresta (w) referida al fondo del canal,
nivel de la superficie libre del agua por sobre la cresta en una zona no perturbada* (h) y
velocidad uniforme del agua en esa sección V), el caudal ideal descargado, para todo nivel
de la superficie del canal por sobre w, se obtiene al aplicar la ecuación de Bernoulli a una
línea de corriente entre dos secciones ubicadas aguas arriba del vertedero.
Este balance se aplica a una situación ideal en que la energía se conserva, la
distribución de presiones sobre la cresta del vertedero es siempre presión hidrostática y el
flujo no se contrae en dicha sección.
Para obtener el caudal real, se define un coeficiente de gasto (Cd) de manera que
multiplicando ese coeficiente de gasto por el caudal ideal se corrijan las discrepancias entre
las hipótesis supuestas y las características reales del flujo.
124
Vertederos de pared delgada con descarga sumergida.
Un vertedero con descarga sumergida requiere un análisis más complejo ya que la
descarga (que se verá disminuida) pasará a ser función también de la profundidad aguas
abajo. La medición del caudal de las corrientes naturales nunca puede ser exacta debido a
que el canal suele ser irregular y por lo tanto es irregular la relación entre nivel y caudal.
Los canales de corrientes naturales están también sometidos a cambios debidos a
erosión o depósitos. Se pueden obtener cálculos más confiables cuando el caudal pasa a
través de una sección donde esos problemas se han limitado.
En general las estructuras a través de la corriente que cambian el nivel de aguas
arriba se denominan vertederos y las estructuras de tipo canal se denominan aforadores,
aunque esta distinción no siempre se cumple. Una distinción más importante es entre
dispositivos estándar y no estándar.
Un vertedero o aforador estándar es el que se construye e instala siguiendo
especificaciones uniformes y cuando el caudal puede obtenerse directamente de la
profundidad de la corriente mediante el empleo de diagramas o tablas de aforo, es decir,
cuando el aforador ha sido previamente calibrado.
Un vertedero o aforador no estándar es el que necesita ser calibrado individualmente
después de la instalación mediante el empleo del método velocidad / superficie como cuando
se establece el aforo de una corriente. Existe un conjunto tan amplio de dispositivos estándar
que es preferible evitar las estructuras no normalizadas salvo para hacer cálculos aislados
de los caudales de la corriente utilizando el método velocidad / superficie en un puente o un
vado o una alcantarilla.
La mayor parte de los vertederos están concebidos para una descarga libre sobre la
sección crítica con el fin de que el caudal sea proporcional a la profundidad de la corriente en
el vertedero, pero algunos vertederos pueden funcionar en una situación denominada
sumergida o ahogada, en el que el nivel de aguas abajo interfiere con la corriente sobre el
vertedero.
Algunos tipos de vertederos se pueden corregir mediante la sumersión parcial, pero
esto constituye una complicación poco conveniente que requiere medidas adicionales y más
cálculos, por lo que se la debe evitar siempre que sea posible. Otra variación que también es
preferible evitar, es la del vertedero sin contracción, que es un vertedero instalado en un
canal del mismo ancho que la sección crítica.
125
Figura 2.50A Tipos de vertederos
Vertederos de pared aguda.
Los dos tipos más comunes son el vertedero triangular (con escotadura en V) y el
vertedero rectangular como se muestra en las figuras 2.50A a y 2.50A b 3.Debe haber una
poza de amortiguación o un canal de acceso aguas arriba para calmar cualquier turbulencia
y lograr que el agua se acerque al vertedero lenta y suavemente. Para tener mediciones
precisas el ancho del canal de acceso debe equivaler a ocho veces al ancho del vertedero y
debe extenderse aguas arriba 15 veces la profundidad de la corriente sobre el vertedero. El
vertedero debe tener el extremo agudo del lado aguas arriba para que la corriente fluya
libremente tal como se muestra en las figuras 2.50A a y 2.50A b, esto se denomina
contracción final, necesaria para aplicar la calibración normalizada.
126
Para determinar la profundidad de la corriente a través del vertedero, se instala un
medidor en la poza de amortiguación en un lugar en el que se pueda leer fácilmente. El cero
del medidor fija el nivel en el punto más bajo de la escotadura. El medidor debe instalarse
bastante detrás de la escotadura para que no se vea afectado por la curva de descenso del
agua a medida que el agua se acerca a la misma.
CORRIENTE LIBRE
CORRIENTE SUMERGIDA
Figura 2.51 Corriente libre y corriente sumergida sobre un vertedero de pared aguda
Figura 2.52- Corriente libre con contracción final y corriente controlada con contracción en el
vertedero en un canal
127
(a) vertedero con escotadura en V de 90°
(b) vertedero con escotadura rectangular
Figura 2.53 Medición del caudal con vertederos de pared aguda
128
Figura 2.54 Los vertederos con pared aguda
deben tener el extremo agudo aguas arriba
Los vertederos con escotadura en V son portátiles y sencillos de instalar de manera
temporal o permanente. La forma en V significa que son más sensibles a un caudal reducido,
pero su ancho aumenta para ajustarse a caudales mayores. El ángulo de la escotadura es
casi siempre de 90°, pero se dispone de diagramas de calibración para otros ángulos, 60°,
30° y 15°, cuando es necesario aumentar la sensibilidad. En el Cuadro 1Figuran los valores
del caudal a través de pequeños vertederos con escotadura en V de 90°.
Para caudales mayores el vertedero rectangular es más adecuado porque el ancho se
puede elegir para que pase el caudal previsto a una profundidad adecuada.
Otros vertederos con pared delgada.
En algunos vertederos se combinan las características de la escotadura en V y de la
escotadura rectangular.
Vertedero Cipolletti.
El vertedero Cipolletti tiene una cresta horizontal como una escotadura rectangular y
lados en pendiente, sin embargo, para instalaciones sencillas, esto no aporta ninguna
ventaja con respecto a la escotadura rectangular.
Figura 2.55 Vertedero Cipolletti.
129
El canal de aforo Parshall.
Llamado así por el nombre del ingeniero de regadío estadounidense que lo concibió,
se describe técnicamente como un canal venturi o de onda estacionaria o de un aforador de
profundidad crítica. Sus principales ventajas son que sólo existe una pequeña pérdida de
carga a través del aforador, que deja pasar fácilmente sedimentos o desechos, que no
necesita condiciones especiales de acceso o una poza de amortiguación y que tampoco
necesita correcciones para una sumersión de hasta el 70%. En consecuencia, es adecuado
para la medición del caudal en los canales de riego o en las corrientes naturales con una
pendiente suave.
El principio básico se ilustra en la Figura 2.56. El aforador está constituido por una
sección de convergencia con un piso nivelado, una garganta con un piso en pendiente hacia
aguas abajo y una sección de divergencia con un piso en pendiente hacia aguas arriba.
Gracias a ello el caudal avanza a una velocidad crítica a través de la garganta y con una
onda estacionaria en la sección de divergencia.
Para fabricar los canales de aforo Parshall se han utilizado muy diversos materiales.
Se pueden prefabricar a partir de láminas de metal o madera o se pueden construir sobre el
terreno con ladrillo y argamasa utilizando un armazón de metal prefabricado para garantizar
mediciones exactas. Si hacen falta varios aforadores, se pueden moldear en hormigón
empleando tableros reutilizables. Se pueden tomar medidas eventuales de la profundidad del
caudal a partir de un puesto de aforo establecido en el muro del canal o, si se requieren
registros constantes, es posible instalar en una poza de amortiguación colocada en una
situación específica un registrador de flotante.
Figura 2.56 Canal de aforo Parshall (dibujado a partir de Scott y Houston 1959)
130
Tabla2.22 Dimensiones de algunos canales de aforo Parshall (de USDA-SCS 1965)
Ancho de la Garganta
A
B
C
D
"W"
(pies,
(pies)
pulgadas)
1
3-0
4-4 7/8 2-0 2-9 1/4
1½
3-2
4-7 7/8 2-6 3-4 3/8
2
3-4
4-10 7/8 3-0 3-11 ½
3
3-8
5-4 3/4 4-0 5-1 7/8
4
4-0
5-10 5/8 5-0 6-4 1 /4
5
4-4
6-4 ½ 6-0 7-6 5/8
6
4-8
6-10 3/8 7-0
8-9
7
5-0
7-4 ½ 8-0 9-11 3/8
8
5-4
7-10 1/8 9-0 11-1 3/4
131
Figura 2.57Dimensiones de un canal de aforo Parshall (de USDA-SCS 1965)
Dimensiones tal como se indican en la Figura 2.57.
Dimensión A = 2/3 (W/2 + 4)
Para estos límites de ancho de garganta las dimensiones siguientes son constantes:
E = 3-0, F = 2-0, g = 3-0, K = 3 pulg, N = 9 pulg, X = 2 pulg, Y = 3 pulg
Derramadores.
Estos instrumentos llamados también Vertederos consisten en una presa sobre cuyo
borde se derrama el líquido, o bien, tiene un corte por el que pasa el líquido. Los vertederos
o derramadores pueden ser rectangulares, triangulares, etc. Los vertederos de borde
cortante tienen bordes semejantes a los de los orificios a escuadra o desvanecidos;
132
generalmente todos los vertederos tienen un tipo de bordes. Algunos otros se llaman
vertederos de cresta ancha.
Generalmente se denomina ho a la carga del vertedero que es la altura del nivel del
líquido por encima de la cresta o la base del corte. Estos “instrumentos” de medición son
muy sencillos de entender y se utilizan en mediciones de nivel en donde trabajamos con
volúmenes altos de fluidos.
Canales.
Estos instrumentos se denominan y constituyen un conjunto de tuberías que forman
ductos cuya sección transversal no es circular, y la variación en profundidad es despreciable,
además de que se tiene un flujo turbulento. Por lo anterior, podemos decir que para el
calculo del flujo a través de estos canales se utiliza la ecuación de Fanning o Darcy.
Podemos encontrar canales rectangulares, canales elípticos, triangulares, rectos.
Para el cálculo del flujo del fluido a través de estos instrumentos utilizaremos la
modificaciones necesarias de la ecuación de Darcy atendiendo a la forma del canal y a las
características reológicas del fluido.
2.4.4 MEDIDORES DE ÁREA VARIABLE.
Figura 2.58 Rotámetro
ROTAMETRO
Consiste esencialmente de un flotador
indicador que se mueve libremente en un tubo
vertical ligeramente cónico con el extremo de
menor diámetro en la parte inferior. El fluido
entra por la parte inferior del tubo y ejerce una
fuerza ascendente sobre la base del flotador; al
subir el flotador permite que pase una
determinada cantidad de flujo por el área anular,
área formada entre el flotador y la pared del tubo
y será tal que la caída de presión en ese
estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de
gravedad y el peso del flotador, en ese momento
el flotador permanece estacionario en algún
punto del tubo. La pérdida de presión se mantiene constante sobre el intervalo completo del
flujo. Entonces para cada flujo. El flotador alcanza una altura determinada. El tubo cónico
lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo máximo.
Los rotámetros no necesitan tramos rectos de tubería antes y después del punto donde se
instalan.
133
La ecuación correspondiente al flujo ó caudal (Ca) viene dada por:
(2.17)
Cada magnitud tiene el significado indicado en la figura anterior y K es el coeficiente
del rotámetro. Generalmente el rotámetro se calibra con el fluido para el cual se empleará
como medidor del caudal. Sin embargo, si se calibra con un fluido A de densidad A y
después se emplea para medir el caudal de otro fluido B de B, la relación de caudales viene
dada por:
(2.18)
Se debe utilizar un rotámetro en el que el caudal de calibración deseado se obtenga
con el flotador en la zona central de la escala de lectura. Con este sistema de calibración y
utilizando el montaje detallado en el esquema, se determina el caudal de calibración por
lectura directa de la posición del flotador sobre la escala graduada que esta impresa en el
tubo del rotámetro.
Figura 2.59 Rotámetros comerciales
134
2.4.5 INSTRUMENTOS ELECTRÓNICOS:
a). Una unidad compensadora (multiplicador-divisor) que trabaja con un transmisor de
presión diferencial, un transmisor de presión absoluta PP/I de 4-20 miliampers c.c. y un
transmisor de temperatura TC/I de 4-20mA cc.
b). Una unidad calculadora que compensa el caudal de gas para las variaciones de
temperatura y presión y con correcciones manuales de peso específico y compresibilidad.
Características: alta precisión de + 0.2% de la escala para el intervalo 4-100% del caudal y
señal de salida 0-10V cc., su estabilidad y su facilidad de calibración.
c). Una unidad calculadora que compensa el caudal de gas para las variaciones de
densidad del gas con correcciones manuales del peso específico. Sus características son
semejantes a la unidad anterior exceptuando una mayor precisión de +0.15% de la escala.
En cada uno de los sistemas descritos, la precisión final de la medida depende de la
influencia de los varios componentes empleados. Debe señalarse que con placa-orificio
colocada en tubería especial prefabricada puede obtenerse una precisión en el caudal de
0.5%.
Algunos compensadores digitales con microprocesador reúnen transmisores en un
solo aparato, midiendo la presión, la presión diferencial y la temperatura. Se reduce así el
costo de la medición y se aumenta la precisión.
Medidores de caudal de masa.
La determinación del caudal de masa puede efectuarse a partir de:
Una medida volumétrica compensándola para las variaciones de densidad del fluido,
o bien determinar directamente el caudal masa aprovechando características medibles de la
masa del fluido. En el primer caso se compensa directamente la densidad o bien las
variables de presión o temperatura.
Compensación de variaciones de densidad del fluido en medidores volumétricos.
En los líquidos, como son incompresibles, la densidad varía por los cambios en la
temperatura del fluido. Si se instala un transmisor de densidad que mide ésta en condiciones
de servicio, bastará aplicar su salida directamente a la salida del transmisor de caudal para
tener así el caudal corregido.
Recordemos que la fórmula simplificada del caudal de un fluido incompresible es:
Q p = K ( Pa − Pc ) ρ o
(2.19)
Donde:
K= constante
Pa-Pc= presión diferencial creada por el elemento
Ρo= densidad del líquido en condiciones de servicio
135
O bien:
Q 2 p = K ( Pa − Pc ) ρ o
(2.20)
La señal de presión diferencial Pa-Pc captada por el transmisor debe multiplicarse por
la señal del transmisor de densidad. En el caso de señales neumáticas pueden emplearse
instrumentos compensadores analógicos.
El campo de medida del transmisor de densidad se fija de tal modo que el factor de
corrección sea 1 cuando la densidad transmitida corresponde a la de cálculo. Si el transmisor
de densidad mide ésta en condiciones estándar, la señal de salida correspondiente debe
corregirse manual o automáticamente para las variaciones de temperatura de la línea antes
de introducirla en el compensador.
En los gases la fórmula simplificada toma la misma forma que la fórmula anterior para
líquidos, ya que el factor ε puede incluirse en la constante K:
(2.21)
Q
2
p
= K ( Pa − Pc ) ρ o
ρo=peso específico del gas en las condiciones de servicio
Varios métodos pueden emplearse para compensar las variaciones de densidad
según sean las condiciones de servicio y la precisión que se desee en la medida:
1. Registrar la temperatura o presión, o ambas, y calcular las correcciones.
2. Compensar automáticamente el caudal sólo para la variable que cambia.
3. Compensar automáticamente el caudal para los cambios en la densidad sólo si se
esperan variaciones considerables en todas las condiciones de servicio.
En este caso puede trabajarse de dos formas:
a) Medir la densidad en condiciones de servicio y compensar así de modo directo y
automáticamente el caudal.
b) Medir la densidad en condiciones de referencia y corregirla manual y
automáticamente para las variaciones de temperatura (líquido) o temperatura y presión (gas,
considerando la compresibilidad constante) teniendo en cuenta que si las presiones son
altas, superiores a 10bar, la mayor parte de los gases reales se apartan de la ley de los
gases perfectos y es necesario aplicar el factor de corrección de compresibilidad.
Teniendo en cuenta que la expresión de la densidad del gas en condiciones de
servicio en función del correspondiente a 0ºC y 1 atm absoluta de presión es:
ρr =
273P
ρs
T
(2.22)
136
P= presión absoluta de servicio
T= temperatura absoluta de servicio
Ρs =densidad del gas a 0ºC y 1 atm.
Resulta como expresión del caudal:
(2.23)
Q2 p
P
273P
= K ( Pa − Pc )
ρ s = K ' ( Pa − Pc )
T
T
definir k
Con esta ecuación se considerarán elementos primarios que dan señales cuadráticas
del caudal (placa, orificio, tobera, tubo Venturi). Las señales cuadráticas pueden hacerse
lineales con el caudal utilizando un instrumento extractor de raíz cuadrada. Existen
instrumentos neumáticos que compensan la temperatura o la presión o ambas:
Hay que hacer notar que en la compensación de presión, la medida debe ser en
presión absoluta. A presiones superiores de 5 bar pueden utilizarse medidores de presión
relativa ajustados para dar señales representativas de la presión absoluta.
Medición directa del caudal-masa.
Existen tres sistemas básicos, los instrumentos térmicos, los de momento angular y
los de Coriolis. En menor escala se utilizan los de presión diferencial.
Medidores térmicos de caudal.
Se basan en dos principios físicos:
a). La elevación de temperatura del fluido en su paso por un cuerpo caliente.
b). La pérdida de calor experimentada por un cuerpo caliente inmerso en el fluido.
El primero es el más utilizado industrialmente. El primer instrumento de esta clase fue
proyectado por Thomas en 1911 para medir el caudal de masa de gas en una tobera. Son
también llamados medidores de caudal Thomas.
El medidor de Thomas consta de una fuente eléctrica de alimentación de precisión
que proporciona un calor constante al punto medio del tubo por el cual circula el caudal. En
puntos equidistantes de la fuente de calor se encuentran sondas de resistencia para medir la
temperatura.
Cuando el fluido está en reposo, la temperatura es idéntica en las dos sondas.
Cuando el fluido circula, transporta una cantidad de calor hacia el segundo elemento T2, y se
presenta una diferencia de temperaturas que va aumentando progresivamente entre las dos
sondas a medida que aumenta el caudal.
Esta diferencia es proporcional a la masa que circula a través del tubo, de acuerdo
con la ecuación:
137
Q = mCe (t 2 − t1 )
(2.24)
Q= calor transferido
m= masa del fluido
Ce= calor específico
t1= temperatura anterior
t2= temperatura posterior
El sistema está conectado a un puente de Wheatstone que determina la diferencia de
temperaturas y la amplifica con una señal de salida de 0-5V c.c. en 1000 ohmios de
impedancia. Esta señal puede ser utilizada en registradores, indicadores digitales y
controladores que pueden estar situados hasta 300m del instrumento.
La precisión del elemento primario es de +1% de toda la escala, la repetibilidad de
+0.2% de la escala y la constante de tiempo de 0.5 a 3s. La medida es apta para bajos
caudales de gas que van según los modelos de 0-10cm3/minuto.
Para aumentar el caudal medible se deriva con un capilar el fluído y se intercala un
laminador que garantiza el mismo flujo laminar que en el capilar, midiendo el caudal en el
sensor se obtienen la medida del caudal total. De este modo, los caudales medibles llegan a
15L/min en gases y a 20Kg/h en líquidos.
Instrumento adecuado para gases: aire, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, helio,
amoniaco, argón, monóxido de carbono, anhídrido carbónico, ácido clorhídrico, etano,
etileno, metano, fosfórico, etc. También puede emplearse en líquidos pero con caudales muy
bajos.
Medidores de momento angular.
Se basan en el principio de conservación del momento angular de los fluidos.
Partiendo de la segunda ley de Newton:
Z = Iα
(2.25)
Donde:
Z= par
I= momento de inercia
α= aceleración angular
Y de las fórmulas:
(2.26)
I = mr y H = Iw
2
Se llega a:
(2.27)
m
Z
= 2
t r w
138
En las que:
H= momento angular
m= masa
t= tiempo
r= radio de giro
w= velocidad angular
Medidor axial de una turbina:
Consiste en un rotor radial con canales de paso del fluido, que gira a una velocidad
constante por acoplamiento magnético con un motor síncrono, comunicando al fluido un
momento angular.
Una turbina adyacente al rotor impulsor elimina el momento angular del fluido y recibe
un par proporcional al mismo. La turbina está frenada por un resorte y su posición angular es
proporcional al par dando la medida del caudal masa.
Este sistema de medida es sencillo comparado con otros métodos para obtener el
caudal masa verdadero, pero es inexacto para caudales bajos, sólo puede medir caudales
en un solo sentido y es incapaz de medir variaciones rápidas en el caudal.
Medidor axial de doble turbina:
Contiene dos turbinas montadas en el mismo eje y enlazadas con un dispositivo de
torsión calibrado. Las palas de las turbinas son de ángulos distintos y tienden a girar a
velocidades angulares distintas. Cada turbina tiene un captador que da un impulso para cada
vuelta. El impulso de la turbina anterior abre un circuito puerta y el de la posterior lo cierra.
Durante el tiempo de apertura se excita un oscilador y el número de oscilaciones indica el
desfase angular entre las dos turbinas. El ángulo da el valor par, el cual a su vez es
proporcional a la medida del caudal masa. Tienenb una precisión de +1% del valor leído con
un intervalo de medida de caudales entre el valor máximo y el mínimo de 5 a 1.
Medidor de Coriolis:
Se basa en el teorema de Coriolis que observó que un objeto de masa m que se
desplaza con una velocidad lineal V a través de una superficie giratoria que gira con
velocidad angular constante w, experimenta una velocidad tangencial (velocidad angular x
radio de giro) tanto mayor cuanto mayor es su alejamiento del centro. Si el móvil se desplaza
del centro hacia la periferia experimentará un aumento gradual de su velocidad tangencial, lo
cual indica que se le está aplicando una aceleración, y por lo tanto, una fuerza sobre la masa
del objeto. Como el radio de giro va aumentando gradualmente, la velocidad tangencial
también varía, con lo que se concluye que una variación de velocidad comporta una
aceleración que a su vez es debida a una fuerza que actúa sobre la bola. Estas son,
respectivamente la aceleración y la fuerza de Coriolis.
La generación de la fuerza de Coriolis puede producirse de dos formas:
139
a). Por inversión de las velocidades lineales del fluido mediante la desviación de un
bucle en forma de omega Ω en estado de vibración controlada. La vibración del tubo,
perpendicular al sentido de desplazamiento del fluido, crea una fuerza de aceleración en la
tubería de entrada del fluido y una fuerza de desaceleración en la salida, con lo que se
genera un par cuyo sentido va variando de acuerdo con la vibración y con el ángulo de
torsión del tubo, que es directamente proporcional a la masa instantánea del fluido circulante.
La fuerza de Coriolis es el producto de los vectores w y V:
F = 2mw V
Siendo:
F= fuerza de Coriolis
m= masa del fluido contenida en el tubo recto de longitud L
w= velocidad angular alrededor del eje del tubo en Ω
V= velocidad lineal del fluido
El par creado respecto al eje R-R del tubo es: M = 2 Fr = 4mV w r = 4 w rQ
Si Kses la constante de elasticidad del tubo y θ el ángulo de torsión del tubo, la fuerza
de torsión del tubo equivale al par creado respecto al eje R-R del tubo es: { T = K sθ )
Q=
Luego como M=T resulta finalmente el caudal másico:
K sθ
4w r
Los sensores magnéticos de posición están situados en el centro del tubo y combinan
dos intervalos de tiempo, uno del movimiento hacia abajo del tubo y el otro del movimiento
hacia arriba. La diferencia de ondas se traduce en impulsos que alimentan un integrador
lineal. Cuando hay caudal, el integrador carga un condensador y la carga es conectada a
una señal analógica proporcional al ángulo de torsión del tubo. La diferencia en el tiempo (Δt)
de las señales de los sensores de posición está relacionada con θ y con la velocidad (Vi) del
tubo en su punto medio según:
Tgθ =
y como θ es pequeño, resulta:
θ=
Vi
Δt
2r
Lw
Δt
2r
Y combinando las expresiones de Q y θ, resulta:
Q=
KsL
Δt
8r 2
lo que indica que el caudal sólo es proporcional al intervalo de tiempo y a las
constantes del tubo. Es independiente de w (frecuencia de vibración del tubo).
b). Por inversión de las velocidades angulares del fluido mediante un tubo recto. Se
observa que la velocidad lineal del fluido en los puntos A y B es la misma, pero que la
vibración a que se somete el tubo es tal que la velocidad angular en A es contraria a las
agujas del reloj mientras que en B es en el mismo sentido. Esta diferencia de fase es la que
miden los sensores y es proporcional al caudal másico. La ventaja principal del tubo recto
con relación al tubo en Ω es que su pérdida de carga es muy baja. La medida es
independiente de la temperatura, presión y densidad del fluido. Todos estos instrumentos de
140
caudal pueden disponer de unidades de transmisión inteligente que les permiten su fácil
calibración, el cambio rápido del campo de medida y la lectura de la variable en cualquier
punto de la instalación donde se hayan previsto tomas, por ejemplo en el transmisor y en el
receptor.
Medidores de turbina.
Introducidos al mercado en la década de los
cuarenta, estos dispositivos tienen una precisión muy alta y
gran resistencia mecánica. Su construcción, muy sencilla,
consta de un rotor montado sobre unos cojinetes y
empotrado dentro de un compartimiento. Cuando el fluido
que queremos medir circula a través de este
compartimiento, el rotor empieza a girar libremente a una
frecuencia proporcional a la cantidad de fluido que está
pasando en un momento dado.
Figura 2.60 Medidor de turbina
Los medidores tipo turbina tienen como principal función la de mandar una señal de
salida de la medición con estas mediciones para líquidos viscosos con poca limpieza así
como gases Ideales para lugares o procesos con condiciones extremas de temperatura y
presión. Incluyendo gas natural, CO2, hidrógeno, oxigeno, nitrógeno, gasolina, alcohol,
precisión de procesos, entre otros. Luego se instala un dispositivo detector capaz de medir la
frecuencia de giro del rotor.
La salida de este detector se conecta a un circuito electrónico que produce una señal
equivalente a la velocidad de fluido que circula por el medidor. Esta señal, a su vez, se
alimenta de un dispositivo registrador / indicador con una escala graduada en unidades de
velocidad de flujo.
Medidores magnéticos de flujo .
Estos medidores se basan en los hallazgos del físico inglés Faraday, quien descubrió
en 1831 que al mover un material conductor dentro de un campo magnético se producía una
fuerza electromagnética de magnitud proporcional al movimiento. Se dice que Faraday
intentó medir el caudal del río Támesis aprovechando el campo magnético de la tierra y
colocando dos electrodos en las riveras opuestas del río. No obtuvo los resultados
esperados porque aún no conocía el fenómeno de la polarización de los electrodos. Este
fenómeno se debe a la electrólisis que se produce entre los electrodos cuando éstos se
alimentan con corriente directa. La electrólisis produce gases que contaminan los electrodos,
con lo que se evita un contacto eficiente entre éstos y el líquido que fluye en la tubería. Para
evitar esta manifestación, los medidores magnéticos actuales se alimentan con corriente
alterna.
141
En resumen, un medidor magnético de flujo consiste básicamente en un campo
magnético producido por un par de electroimanes y dos electrodos. Todo esto se encuentra
montado en un tubo apropiado que se puede intercalar en la tubería que transporta el fluido
que se desea medir. El voltaje que se produce entre los electrodos está en función de la
distancia entre ellos, la densidad del flujo magnético y la velocidad del fluido. Como los
primeros dos parámetros no varían se puede considerar que el potencial entre los electrodos
es proporcional a la velocidad del fluido. Al medir este potencial es posible determinar la
velocidad de flujo. Aunque el diseño de un medidor de flujo magnético tiene una gran
complejidad, la instalación, la calibración y el mantenimiento son muy sencillos.
La principal ventaja de estos dispositivos es su capacidad para medir fluidos de alta
densidad, como los que se presentan en la industria del papel y el azúcar (pulpa, melaza,
etcétera). La desventaja principal es su alto costo y que los fluidos que circulen deben tener
ciertas características conductoras de electricidad:
Ö La alta precisión del sistema electromagnético permite medir en caudales de
baja velocidad.
Ö Su construcción es adecuada para la industria alimentaria, donde se
requiere una estricta higiene.
Ö Certificado para su utilización en zonas con riesgo de explosión, garantiza la
máxima seguridad operacional.
Ö Medición de flujo de alta precisión y sin restricciones, para todo tipo de
fluidos conductores, incluyendo los de alta viscosidad.
Ö Una variedad de protecciones, revestimientos y convertidores de señal
permiten configurar el medidor de caual idóneo para cualquier aplicación.
Ö Diámetros de de 6 mm hasta 2 mt.
Ö Aplicación especial para aguas residuales y plantas de tratamiento, con
aprobación para consumo.
Rangos de operación:
•
•
•
•
Temperatura -20 a 200 °C
Flujo
0.025 a 113000 m3/h
PMáx.
350 bar.
Protección IP 67/68
Figura 2.61 Medidores magnéticos de flujo
142
2.4.6 ANEMÓMETROS.
Un anemómetro puede ser cualquier instrumento que sirve para medir la velocidad de
un gas, por ejemplo un tubo Pitot, pero el término se refiere por lo común a cualesquiera de
los tipos que se especifican a continuación:
Anemómetro de Aleta .- Es un contador de revoluciones muy delicado que tiene
cojines de piedras preciosas, accionado por un pequeño molino de viento, usualmente de 75
a 100mm de diámetro, construido con aletas planas o ligeramente curvadas, dispuestas en
forma radial.
Anemómetro Térmico.- Se compone primordialmente de un conductor fino calentado
eléctricamente (casi siempre de platino ) que se expone a la corriente gaseosa cuya
velocidad se desea medir. Un aumento en la velocidad del fluido, manteniendo todos los
demás factores iguales, incrementa la velocidad del flujo de calor del alambre al gas; esto
tiende a enfriar el alambre y alterar su resistencia eléctrica. El tubo de pitot estático
combinado está compuesto por un tubo de impacto recubierto con una o más hileras de
perforaciones u orificios de 0.51 a 1.02 mm de diámetro, en la cubierta para medir la presión
estática.
Aquí la velocidad V o m/s en el punto donde se ubica el extremo de la punta, esta
dada por la ecuación :
(2.28)
Vo = C (2gcDh )1/2 = C (2gc (pi –po ) / po )1/2
Cuando se trata de gases a velocidades superiores a los 60 m/s, la compresibilidad
adquiere una gran importancia especial y deberá utilizarse la ecuación siguiente:
(2.29)
Donde:
Vo = C( (2gc k po / (k-1) (ro ) ) (( pi /ro ) (k-1) / k-1 ) ) 1/2
C= coeficiente adimensional
pi =presión de impacto
po = presión estática local
k = la razón específica entre el calor específico a presión constante y el calor específico a
volumen constante.
Existen ciertas limitaciones en lo que respecta a los diversos usos de los tubos Pitot.
En caso de gases la diferencia es muy pequeña a velocidades bajas. Con líquidos a
velocidades bajas, es importante el número de Reynolds. Los coeficientes son notablemente
menores que la unidad para número de Reynolds inferiores a 500 para Pitot estático.
El tubo Pitot estático está más sensible a las desviaciones o ángulos de ataque que el
tubo Pitot simple, debido a la sensibilidad de las tomas estáticas a la orientación. El error
comprendido depende enormemente de las dimensiones exactas de la prueba. En general
deben evitarse ángulos superiores a 10 ° si se desea mantener errores de velocidad a un
nivel del orden del 1% o menos. Este instrumento es una forma especial del tubo Pitot, el
cual es capaz de desarrollar una diferencia de presión de 5 a 10 veces a la del tubo Pitot
estándar.
143
Esto se logra utilizando un par de instrumentos Venturi concéntricos en lugar de la
prueba Pitot. La toma de baja presión se conecta a la garganta del Venturi interno que a su
vez se descarga dentro de la garganta del Venturi externo.
Annubar-. Este instrumento corresponde a una versión comercial del tubo Pitot pero
puede aplicarse a mediciones de flujo de líquidos, vapores y gases. Aunque tiene un nuevo
diseño, su principio de funcionamiento se basa en la ecuación de Bernoulli para el equilibrio
de energía. Es sencillo y consta de un par de probadores pequeños y sensores de presión,
colocados dentro de la corriente del flujo del fluido a medir mediante un aditamento en forma
de rosca convencional o un niple de tubería. Dicho elemento de flujo puede manejar
presiones desde –30 inHg hasta de 2500inHg.
Anemómetro de Película Caliente .- Consiste en un elemento sensor en forma de
película de platino que se deposita en un sustrato de vidrio. Es susceptible a la acción de
burbujas y polvos cuando se trabaja con líquidos, soporta temperaturas elevadas.
Anemómetro Lasser Doppler.- Miden la velocidad local de fluidos a partir del
cambio de la frecuencia de radiación entre una fuente estacionaria y un receptor, a
consecuencia de la dispersión de partículas en la trayectoria de la onda.
2.4.7 APLICACIONES:
Búsqueda de información bibliografica por parte del alumno, de acuerdo a la carrera
correspondiente.
144
2.5 VARIABLES ANALITICAS
Además de las variables de presión, temperatura, flujo y nivel que son las más
comunes en la industria, existen otras que son de interés y que pueden clasificarse como
variables analíticas. No serán tratadas todas las faltantes, solamente aquellas que son más
comunes en la industria y que pueden clasificarse como físicas y químicas.
Las variables físicas son aquellas relacionadas con las causas físicas que actúan
sobre un cuerpo, con su movimiento o bien con la propiedades físicas de las sustancias.
Las variables químicas están relacionadas con las propiedades químicas de los
cuerpos o con su composición. Entre ellas se encuentran la conductividad, el pH ,redox, y la
composición de gases en una mezcla.
2.5.1 MEDICIÓN DE pH.
El pH es una medición de la acidez o alcalinidad de soluciones acuosas, el valor de
pH depende de la disociación o ionización de las soluciones. Los ácidos y las bases, al
ionizarse en soluciones acuosas, producen iones hidrógeno (H+). Cuando una solución es
ácida y iones hidróxido (OH- ) cuando la solución es de carácter básico. El agua se disocia
para formar iones hidrógeno y iones hidróxido como se indican en la siguiente ecuación:
H2O
H+ + OHLa medición del pH es una medición de la acidez o alcalinidad efectiva de una
solución. Más exactamente, el pH es expresado como la inversa del logaritmo de la
concentración de iones hidrógeno, el agua pura tiene una concentración de iones hidrógeno
igual a 10-7 moles por litro en condiciones estándar. El logaritmo negativo de esta cantidad es
7, por lo tanto el agua pura tiene un pH de 7.
La escala de pH, se considera de 0 a 14. si un ácido fuerte se disocia completamente
en el agua, una solución normal de este ácido tiene un valor de pH =0. Inversamente una
solución normal de una base completamente ionizada en el agua, debe tener un pH de 14. El
HCl y el NaOH cubren estas especificaciones, ya que la expresión de pH es logarítmica, la
curva de respuesta es extremadamente no lineal.
En la medida de pH pueden utilizarse varios métodos, de entre los cuales los más
exactos y versátiles de aplicación industrial son: el sistema de electrodo de vidrio y el de
transistor (ISFET-Ion Sensitive Field Effect Transistor). El elemento primario para medir pH
es el electrodo de vidrio, un potencial se desarrolla en una membrana de vidrio sensitiva al
pH, como resultado de la diferencia en la actividad del ion hidrógeno de la muestra y en una
solución estándar contenida dentro del electrodo. Este potencial medido con relación al
potencial del electrodo de referencia da un voltaje el cual se expresa como pH.
El potencial medido cambia con la temperatura, por lo tanto se dispone de un
segundo elemento o electrodo de referencia que suministra un potencial constante que sirve
de referencia para medir el potencial variable del electrodo de vidrio, el electrodo de
referencia contiene una celda interna formada por un alambre de plata recubierto con cloruro
de plata, en afinidad con un electrolito de cloruro de potasio. Este electrolito pasa a la
145
solución a través de una unión líquido por un vidrio poroso. De este modo la celda interna del
electrodo permanece en contacto con una solución que no varía en concentración y que por
lo tanto proporciona una referencia de potencial estable.
En la figura 2.62 puede verse la disposición interna de los electrodos para medir
potenciales.
Figura 2.62 Potenciómetro
La variación de la temperatura influye en la medida del pH. A pH constante alcanza
los 0.2 mV por grado centígrado. En la figura puede verse esta influencia. Como en el
instrumento final de indicación o registro o control, la medida se realiza en unidades de pH
en lugar de mV, es necesario compensar la influencia de las variaciones de temperatura de
la solución de ensayo (véase la formula E = -RT/F pH). Hay que señalar que el
termocompensador o sonda de resistencia compensa sólo la relación tensión-temperatura
del electrodo de vidrio y que sólo asegura la medida del pH real de la solución a su
temperatura real. No detecta las variaciones con la temperatura propias del pH de cada
solución, que siguen una ley distinta de una solución a la otra y para las cuales habría que
diseñar un compensador especial para cada una de ellas.
Así pues, la medida del pH es sólido válida a la temperatura a que se encuentra la
solución. El electrodo de transistor ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor) es
prácticamente irrompible, de estados sólido y proporciona una respuesta muy rápida.
El sensor posee una señal de pH de baja impedancia, lo que le da una gran fiabilidad,
y tiene una larga duración, funcionando en los líquidos más sucios y con más impurezas.
Incorpora un electrodo de referencia recambiable.
Los instrumentos de pH tienen una precisión de ±0.25 a ±1%, o bien, ±0.03 pH. El
microprocesador aporta “inteligencia” al transmisor de pH, proporcionando insensibilidad a
vibraciones, compensación automática de temperatura, autodiagnóstico y una precisión de
±0.1%.
146
Gráfica 2.7 Conductividad
2.5.2 CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA.
La conductividad es la capacidad de una solución acuosa para conducir una corriente
eléctrica, la conductividad eléctrica provee una útil medición de concentraciones de iones en
soluciones acuosas y cuando son aplicables, constituyen un método analítico simple y de
bajo costo. El agua por si misma es muy pobre conductora, el agua muy pura tiene una
conductividad muy cercana a 0, pero en soluciones acuosas de ciertas sales aumentan su
conductividad, la cual es inversa a la resistencia específica como se ve en la Tabla 2.23.
Tabla 2.23 Valores de Conductividad de soluciones dadas
Agua destilada
Agua destilada
Agua
Sol. 0.05% NaCl
Agua de mar
Sol. 30% H2SO4
Conductividad específica
0.01-0.1
1
100
1000
100k
1000k
Resistencia específica
10- 100M
1000k
10k
1000
100
1
La conductividad especificada se define como el reciproco de la resistencia en
Ohmios, medida entre dos caras opuestas de un cubo de 1 cm de lado sumergido en la
solución. La unidad es el mho o siemens(recíproco de ohmio) que es la conductancia de una
solución que con una diferencia de potencial de un voltio entre las caras de los electrodos da
lugar a la circulación de un amperio. Como esta unidad es demasiado grande se emplea a
menudo en soluciones diluidas el micromho (μmho) que es la millonésima parte de un mho.
Celda de conductividad.
El elemento primario de la medición de conductividad eléctrica es la celda de
conductividad, estas celdas son simples en su estructura básica, consisten físicamente de
dos placas de metal o electrodos firmemente espaciados dentro de una cámara aislada, las
celdas de inmersión son diseñadas para sumergirse en recipientes abiertos, para
147
instalaciones permanentes de tubería y tanques, algunas celdas son provistas con
conexiones roscadas, también pueden ser construidas para permitir su desmontaje sin
necesidad de cerrar tuberías o de presionar la línea donde están instaladas.
Para la determinación de la conductividad especifica, la celda se monte en un sistema
típico del puente de Wheatstone. Ver figura 6.4. Cuando se mida resistencia electrolíticas
altas, la impedancia capacitiva en serie con la celda de conductividad es baja en
comparación y no tiene efecto en la precisión de la lectura de la resistencia en el circuito de
balance del instrumento, sin embargo, si las capacidades de derivación están presentes,
como las largas longitudes de alambres de conexión, estas impedancias afectan la lectura
del puente y amplia el balance del instrumento. Este efecto es menor en altas frecuencias de
suministro del puente.
Figura 2.63 Puente de Wheatstone de celda de conductividad
Para determinar la constante de la celda por medios independientes, es necesario
medir la resistencia de la celda de conductividad inmersa en una solución preparada
cuidadosamente de una sustancia específica conocida, usualmente 0.001N, 0.1 N de cloruro
de potasio en agua. La selección de la solución estándar de KCl depende en gran parte de la
magnitud de la constante de la celda, ya que es deseable mantener la medición de la
resistencia tan cercana como sea posible al rango óptimo de 500 a 10,000 Ohms. La
constante de la celda K es calculada por la siguiente fórmula :
(2.30)
K= Rx * SC*KCl + SC*H2O
1000000
Donde:
• Rx es la resistencia medida en Ohms
• SC KCl = Conductividad especificada de KCl a temperatura de medición
• SC H2O = Conductividad especificada de agua destilada usada para hacer la
solución a la misma temperatura.
La celda de conductividad requiere hacer compensación por cambio de temperatura
en la solución, con relación a la temperatura estándar del instrumento. Esta compensación
puede ser automática por medio de un termistor y una resistencia. La principal aplicación del
detector de conductividad es en el análisis del agua de calderas, aguas potables y
soluciones de baja concentración.
148
2.5.3 CONCENTRACIÓN DE GASES.
En la industria es importante la determinación de la concentración de los gases
utilizados en el proceso, por razones de seguridad, de obtención de una combustión correcta
o cuantificación de los humos de salida en las calderas y hornos. En esta sección se tratarán
los métodos de medición de los gases combustibles de los hidrocarburos y del humo de
chimeneas.
Oxigeno disuelto.
Es el oxígeno disuelto en el agua que no se encuentra combinado ni con el hidrógeno
ni con los sólidos en suspensión. El sensor de oxígeno disuelto es una célula polarográfica
consistente en un cátodo de aleación oro-plata-platino y ánodo de plata-cloruro de plata
sumergidos en un electrolito de solución de potasa y cloruro potásico en agua. Una fina
membrana de teflón permeable a los gases permite la difusión del oxígeno procedente de la
muestra de agua. Las reacciones químicas que tienen lugar son:
En el cátodo:
En el ánodo:
Y la reacción total es
O2+2H2O+4e-=4OH4Ag+4ClK=4ClAg+4K+4eO2+2H2O+4Ag+4ClK=4ClAg+4KOH
Como para cada molécula de oxígeno que se reduce entran cuatro electrones en la
célula y cuatro abandonan el ánodo, se obtiene una corriente eléctrica de cátodo a ánodo
que es directamente proporcional a la cantidad de oxígeno que pasa a través de al
membrana. La tensión óptima entre ánodo y cátodo que permite seleccionar el componente
“oxígeno libre” en agua, es de 0,8 V c.c.
La cantidad de oxígeno reducida en el cátodo, es decir, la cantidad de oxígeno que
pasó a través de la membrana, depende de la presión ejercida por el oxígeno en el agua
sobre la membrana, que es parcial de oxígeno. La cantidad de oxígeno disuelto se mide en
mg / l (miligramos de oxígeno por litro de agua), en p.p.m.(partes por millón) siendo:
p.p.m = mg/l X1/ densidad del agua en g/cm3
El oxigeno disuelto viene influido por la temperatura, de aquel que es necesario
incorporar al circuito termocompensadores que refieran automáticamente la medida a una
temperatura estándar.
La precisión en la medida es de ±1% y el campo de medida suele estar entre 2 y 25
mg/l, o bién, 0- 100 % saturación.
149
Figura 2.63 A Sensor de Oxígeno disuelto
Turbidez.
Es una medida de la falta de transparencia de una muestra de agua debida a la
presencia de partículas extrañas. Estas partículas pueden ser plancton, microorganismos,,
barro, etc. La medida de la turbidez se efectúa para determinar el grado de penetración de
la luz en el agua o a su través y permite interpretar conjuntamente con la luz solar recibida y
la cantidad de oxígeno disuelto el aumento o disminución del material suspendido en el
agua.
La turbidez está expresada en unidades arbitrarias determinadas empíricamente con
un turbidímetro Jackson consistente en un tubo graduado que descansa en un soporte de
vidrio en cuya parte inferior se encuentra una vela encendida. La muestra del agua se
introduce lentamente en el tubo hasta en su interior deja de verse la llama de la vela.
150
La turbidez puede medirse en forma continua de dos formas:
Ö Luz reflejada. Una lámpara incandescente emite un rayo de luz que un
sistema de lentes enfoca en la muestra de agua. Una célula fotoeléctrica
capta la luz reflejada por las partículas en suspensión generando una
corriente proporcional a la concentración de sólidos suspendidos.
Ö Luz absorbida. La lámpara y la célula están situadas una enfrente de la
otra, con una columna de la muestra de agua que las separa. La célula mide
la absorción de la luz por sólidos en suspensión.
Intensidad de la radiación solar.
La intensidad de la radiación solar tiene un interés particular en el tratamiento de
aguas y en la determinación del rendimiento de los paneles solares. Consiste en un detector
provisto de placas blancas y negras que reflejan y absorben respectivamente la energía solar
radiada. Una termopila de termopares de cobre-cosntantán recoge en forma de corriente
continua la energía recibida por periodo de tiempo. La señal enviada normalmente es del
orden de 10mV/caloría/cm2/minuto, el campo de medida está entre 0-3
mV/caloría/cm2/minuto y la linealidad +1%.
O2, H2, N2, CO2, CO
Los gases enunciados en el encabezado de esta sección, suelen presentarse en
forma de mezcla, de la cual el más importante es el oxígeno en virtud de su peligrosidad y de
que se encuentre en mayor cantidad en los gases combustibles; sin embargo, el análisis de
nitrógeno suele ser importante cuando se esta manteniendo una atmósfera inerte en
determinado equipo. El bióxido de carbono y el monóxido de carbono se encuentran en
pequeñas cantidades en el aire, no así en los humos de chimeneas donde forman la principal
concentración. Por lo que respecta al gas hidrógeno, este es importante cuando forma parte
de un sistema de hidrogenación.
El método principal usado para el análisis de gas de combustión emplea un detector “
alambre caliente “ autocalentado, de un material tal como platino; este se monta en un
circuito de puente de Wheastone, el detector catalítico caliente causa que los combustibles
de las muestras se quemen en presencia de oxígeno, si la muestra no contiene un exceso de
oxígeno, se debe agregar oxígeno aire en cantidades controladas para proveer un exceso
tal que la reacción sea limitada por la cantidad de combustibles presentes.
La combustión de la mezcla produce calor, el cual es detectado como una elevación
en la temperatura en la espiral del detector catalítico. Ya que la presencia de la espiral es
una función de su temperatura, un desbalance eléctrico ocurre en el puente de Wheastone
proporcional a la concentración de los combustibles, la medición de esta señal eléctrica es
una medida de la concentración del combustible.
Este tipo de analizador es no específico; esto es, no puede diferenciar entre
diferentes combustibles, pero da una salida combinada de la mezcla en cuestión, ya que la
151
salida es una función de la relación de combustible y el calor de reacción, el analizador es
frecuentemente calibrado como “porcentaje de combustibles expresados como por ciento de
hidrógeno”, aunque puede ser calibrado para cualquier combustible específico cuando se
sabe que el combustible específico es predominante.
Otro tipo de analizador de combustible mide el calor desarrollado al quemar una
muestra de combustible en una pequeña flama piloto usando un termopar como sensor,
cuando los combustibles están presentes, la temperatura de las flamas se incrementa
proporcionalmente a la concentración de los combustibles. Este método evita la facilidad de
envenenamiento de las propiedades catalíticas del platino con sustancias tales como
vapores de silicón, los cuales pueden seriamente limitar la utilización del analizador
convencional de alambre caliente.
Los analizadores de combustible se pueden obtener en combinación con
analizadores de oxígeno, estos dispositivos son empleados para la prueba de combustión en
hornos y varios procesos de aparatos de combustión y son llamados analizadores de
combustión. Los métodos utilizados para análisis de oxígeno tanto en medios gaseoso como
en estado disuelto, están basadas sobre las siguientes características y mediciones.
1. Para magnetismo del oxígeno
2. Potencia eléctrico o corriente causado por reacciones específicas a la concentración del
oxígeno o presión parcial en celda electroquímicas.
3. Energía térmica desarrollada cuando se quema oxígeno en medio catalítico con un exceso
de un combustible adecuado.
4. Reducción del volumen de la muestra debido a una absorción química del oxígeno.
5. Cambio de color en una solución muestra en la cual la presencia o ausencia de oxígeno
libre causa diferencia en el color específico.
El analizador de oxígeno gaseoso más común emplea los principios paramagnéticos
o electroquímicos. Los más comunes analizadores de oxígeno disuelto utilizan el método
electroquímico, mientras los métodos de laboratorio emplean comparación de color de
muestras químicas fijas contra colores estándar.
El paramagnetismo del oxígeno, provee un excelente medio de análisis. De los gases
comunes, solamente el óxido nítrico y el bióxido de nítrico son paramagnéticos y en un grado
mucho menor que el oxígeno, estos gases son encontrados en bajas concentraciones. Los
analizadores paramagnéticos pueden ser termales o por medios magnéticos.
Los analizadores paramagnéticos termales emplean la tendencia del oxígeno a ser
menos paramagnéticos cuando es calentado. Este fenómeno usado para generar una
diferencia de presión incluida magnéticamente o “viento magnético”, en la celda de medición.
El cambio en el flujo de la muestra de la celda, resultado de la presión diferencial, es medida
como un detector térmico sensitivo en un puente de Wheatstone.
El desbalance creado en el puente es proporcional a la concentración de oxígeno o
presión parcial. Estos analizadores generalmente son usados como unidades continuas en
línea, ya que ellas son robustas y de construcción adecuada para instalación en tubería.
Los analizadores paramagnéticos por método mecánico, detectan la presión parcial
del oxígeno midiendo el esfuerzo de la fuerza requerida para prevenir el desplazamiento de
un cuerpo de prueba no magnético colocado dentro de un campo magnético no homogéneo.
152
Típicamente, el cuerpo de prueba está suspendido en un alambre de metal muy fino o una
fibra de cuarzo. Cuando el oxígeno está presente en los que rodea al cuerpo de prueba, el
oxígeno tiende a desplazar dicho efecto hacia la zona de menos esfuerzo magnético,
midiendo el valor.
De la fuerza necesaria para medir el desplazamiento, se determina la presión parcial
del oxígeno. Este principio es adecuado para rangos anchos y angostos y rangos
suprimidos. El método es razonable independiente de las variaciones del gas de
alimentación, excepto por diamagnetismo, el cual es principalmente en bajos rangos, los
analizadores de este tipo generalmente son menos sensitivos a la temperatura.
Analizadores de oxígeno electroquímico. Estos son usados en la medición de
oxígeno tanto en medio gaseoso como en estado disuelto, conteniendo tanques de oxígeno
y para rangos moderados y altos.
Analizador tipo amperométrico. Este instrumento consiste en un ánodo, un cátodo,
un electrolito adecuado y circuito de medición de corriente eléctrica para convertir la señal de
la celda a una señal analógica de concentración de oxígeno. El ánodo es de zinc o plomo, el
cual proporciona a la solución los iones metálicos mientras que el oxígeno y el agua
reacciona como un cátodo inerte, formando iones hidroxilo. La reacción produce una señal
de corriente de el circuito de medición, la cual es proporcional a la concentración de oxígeno
en la celda electrolítica. El electrolito puede ser un líquido con una solución gaseosa disuelta
en él, puede ser una pasta o un líquido contenido dentro de una membrana permeable al
oxígeno tal como una hoja delgada de teflón de polietileno el cual está en contacto con la
muestra, o puede ser la muestra normal utilizada en los analizadores de oxígeno disuelto.
La reacción típica de la celda es como sigue:
2Me
2 Me++ (reacción anódica )
O2 + H2O + 4e
4OH- (reacción catódica)
2 He + O2 + 2H2O
2 Me (OH)2 (reacción combinada)
Analizador tipo reacción – fuerza electromotriz. Este instrumento consiste de un
ánodo y cátodo de un metal tal como el platino en superficie opuesta de una cerámica tal
como óxido de zirconio , la muestra se expone a un electrodo mientras un gas de referencia
tal como aire es expuesta al otro, a temperaturas elevadas (550° a 1300°C). La cerámica se
hace conductiva y la siguiente reacción típica ocurre:
O2 + 4e
2O
2 O (reacción anódica)
O2 + 4e (reacción catódica)
Esta reacción produce una fuerza electromotriz la cual es proporcionada a la
diferencia en concentración de oxígeno entre la muestra y el gas de referencia, la salida de
milivoltios es una función logarítmica de la concentración del oxígeno, este método puede
ser usado para analizar oxígeno a altas temperaturas mejor que otros sistemas y es
adecuado para medición de trazos de oxígeno así como de rangos amplios suprimidos.
153
Humos de chimenea.
El análisis de los gases de la chimenea está relacionado con la eficiencia de la
combustión. Originalmente los intentos para determinar la eficiencia de la combustión se
resumía en el análisis del bióxido del carbono resultante de la combustión, sin embargo este
tiene el problema de la variación de la concentración con el tipo de combustible usado, por
ejemplo, la combustión del fuel oil produce 15% de CO2 y la combustión del gas natural
produce únicamente 12% de CO2 .Además esta concentración varia ya que los combustibles
no son composición exacta, esto es particularmente cierto en las plantas petroquímicas
donde los hornos diseñados para funcionar con fuel oil gas según la disponibilidad de
combustible usado. Para una eficiencia óptima de la combustión, el contenido de oxígeno se
debe de mantener en un nivel donde las perdidas debidas a gases combustibles sin quemar
sean iguales a las pérdidas ocasionadas por el calentamiento de exceso de gases inertes.
Ya que el contenido de oxígeno de gas de chimenea tiene una relación más diferente
entre el porcentaje de oxígeno y el exceso de aire de combustión, el análisis del oxígeno es
independiente de la composición del gas de una chimenea. Dos factores se deben de
considerar cuando se usa el análisis de oxígeno para controlar la combustión.
a) Analizador. Se debe seleccionar un analizador que sea exacto, digno de confianza y
con una velocidad de respuesta y precisión que sea afectada por los gases del fondo.
Si el analizador es afectado por hidrocarburos sin quemar o por variaciones de la
conductividad térmica del gas de la chimenea, su uso será limitado específicamente
en hornos o calderas que funcionen con diferentes combustibles. También es
conveniente de que el analizador sea adecuado para el ambiente en que se va a
instalar.
b) Punto de toma de muestra. El punto de toma de la muestra debe ser seleccionado
para que sea representativa el gas de chimenea, en el diseño de chimeneas,
intercambiadores de temperatura, recuperadores, existen estratificaciones de gas,
fugas de aire o zonas de calma que pueden conducir a serios problemas de
muestreo. Generalmente los puntos de toma deben de estar alejados de las paredes
de la caldera para evitar la mezcla de las fisuras en los registros de limpieza de la
caldera. Si se hace muestreo en calderas de grandes dimensiones, es conveniente
tomar varias muestras para tener una representación más completa de la
composición del gas de la chimenea. El sistema de muestreo ha sido un serio
problema por su mantenimiento y poca utilización. Los sistemas de muestreo
generalmente contiene una unidad detectora de vapor la cual suele estar diseñada
para aspiración de muestras relativamente limpias como humos de chimenea de
calderas funcionando con fuel oil o gas, para muestras más sucias como calderas
funcionando con carbón, calderas de recuperación, hornos de cemento, existen
sondas de inyección interna en el cual el eyector de vapor esta situado dentro de la
chimenea y la alta velocidad del chorro de vapor impide que la sonda se obstruya.
Algunos métodos alternativos de aspiración de muestra pueden ser por una bomba
mecánica o por aspiración con agua. Al entrar en el sistema de muestreo, la mezcla es
sacada y enfriada, separada del agua de lavado ya pasada a través de un enfriador final el
analizador de oxígeno. Este analizador debe estar diseñado para aceptar muestras
saturadas de condensado a temperaturas de hasta 45°C. En la caja del analizador, se
mantiene una temperatura controlada a 60 °C, en donde hay una unidad de filtro y
154
separación. La muestra entra en la primera cámara de la unidad en donde se va a eliminar el
condensado. El condensado junto con la muestra de by-pass, va a una rama del
burbujeador.
La presión originada por la unidad burbujeadora arrastre la muestra desde el
separador interno, a través de un filtro de 0.3 micras y a través de la celda de medición con
un flujo aproximado de 100 cm3 / min. Cuando no se cuenta con un analizador de oxígeno el
tipo descrito, puede utilizarse un analizador Orsat con excelentes resultados. El analizador
Orsat emplea una absorción de gases de una muestra en base volumétrica, usualmente es
para tipo de muestreo intermitente, pero en casos especiales puede ser del tipo de flujo
continuo empleando un puente neumático y una medición de flujo de gas del tipo diferencial.
El analizador Orsat está diseñado para análisis de oxígeno, bióxido de carbono y monóxido
de carbono. La muestra de 100cm3 se pasa alternativamente por cada uno de los
recipientes, midiendo por agotamiento el volumen de cada gas.
2.5.4 CALOR.
Detectores de flama.
En la industria estos detectores son importantes desde el punto de vista de la
seguridad. Por ejemplo, los quemadores empleados en hornos o calderas de vapor
necesitan tener una flama uniforme, estable y de calidad. Ante un fallo de la flama el sistema
de protección debe actuar inmediatamente, excitando un circuito eléctrico de enclavamiento
previsto, para que cuando caiga en seguridad, evite la entrada del combustible sin quemar
eliminando así el peligro de su encendido y subsiguiente explosión.
Los detectores de flama aprovechan varias características de la flama para su
funcionamiento: Calor, ionización y radiación. Hay tres tipos de detectores de flama: de calor,
de ionización-rectificación y de radiación.
1.-Los detectores de calor utilizan detectores térmicos formados por bimetales, termopares,
varillas de dilatación y dispositivos a expansión de líquidos.
2.-Los detectores de rectificación se fundamentan en la ionización
a)
Dos electrodos están dentro de la flama y se aplica una tensión o voltajes alternos,
esto causa una pequeña corriente alterna ya que los gases en la flama están
ionizados. La corriente circula con mayor facilidad en un sentido que en otro si la
superficie activa de uno es mayor que la del otro electrodo.
3.-Los detectores de radiación se basan o fundamentan en la radiación de energía que una
flama irradia en forma de ondas que producen luz y calor. Estos se clasifican en :
a) De radiación visible: Utilizan Sulfuro de cadmio y óxido de cesio. Son incapaces de
diferenciar la luz procedente de una flama de la de otras fuentes.
b) D. Infrarrojos: Emplean una célula de sulfuro de plomo cuya resistencia eléctrica
decrece al aumentar la intensidad de radiación.
155
c) D. ultravioleta: Consisten en un tubo que contiene dos electrodos, normalmente de
tungsteno. Funciona como el tubo Geiger.
El calor es una de las formas de energía. Las unidades que manejan esta propiedad
son las calorías en el sistema métrico decimal; Joules en el sistema internacional de
unidades y BTU (British Termal Unit). Una de las formas de energía que se intercambia
entre un sistema y el medio que lo rodea es el trabajo.
La medición de la energía térmica se efectúa con un instrumento llamado calorímetro.
El cual puede establecer estados de equilibrio estático y puede explorar velocidad de cambio
de propiedades termodinámicas durante un proceso en equilibrio. Generalmente, los
calorímetros son instrumentos cuantitativos aunque ciertos calorímetros encuentran uso en
la determinación de calentamiento de combustibles, el contenido calórico en alimentos,
calores de reacción, calor de transición o cambio de fase, calor de desecación, calor
específico de materiales, velocidades de reacción químicas y varias determinaciones
estequiométricas.
La mayoría de los calorímetros están formados
recipiente de muestra, 2) un recipiente de medio ambiente
cambio de energía interna del recipiente y el espécimen
calorímetros, algunos de los cuales se describen aquí,
diseñados para propósitos especiales.
por tres partes básicas: 1) Un
y 3) un medio para determinar el
encendido. Hay varios tipos de
pero existen otros calorímetros
Bomba calorimétrica.
Un recipiente a presión forma un contenedor de la muestra de una bomba
calorimétrica y es capaz de operar a altas presiones internas, el instrumento es útil para
determinar calores de combustión de materiales usualmente en un medio de oxígeno puro.
El espécimen es quemado dentro del incinerador y la temperatura que se eleva el recipiente,
usualmente inmerso en un baño de agua produce una medición del calor exotérmico
generado. El contenedor de la muestra o bomba normalmente está encerrada en una camisa
isotérmica o adiabática.
Calorímetro de caída.
El calorímetro de hielo es el más sofisticado de los calorímetros de calor. En este
instrumento el receptor de calor de la muestra consiste en un tubo aletado, encerrado en un
contenedor de vidrio sellado, el agua destilada desagregada que rodea al receptor aletado,
es enfriado con hielo seco en el receptor para formar una cubierta de hielo sobre las aletas.
Cuando un espécimen calentado es dejado caer en el receptor, la concentración volumétrica
de hielo desplaza un volumen de mercurio del recipiente de una proporción del recipiente de
vidrio. Este desplazamiento de mercurio es pesado externamente y es proporcional al calor
transferido al receptor del espécimen. La precisión de este instrumento es mejor que la
bomba calorimétrica.
156
Calorímetro adiabático.
El recipiente de la muestra de este dispositivo consiste de un pequeño calentador
eléctrico encerrado en donde el espécimen es colocado, el recipiente es eléctricamente
calentado mientras se mide la elevación de temperatura de respuesta, calor transferido al
ambiente es anulado por: 1) rodeando el recipiente de la muestra por una camisa adiabática
cuya temperatura es controlada para ajustarla a la del recipiente, 2) operando en un vacío, 3)
usando superficies sumamente pulidas y 4) disminuyendo el contacto mecánico entre el
recipiente y el medio ambiente. El calor específico del espécimen se puede determinar por la
entrada de energía eléctrica y la elevación de la temperatura resultante, esto es, después de
substraer la cantidad calórica del recipiente de la muestra.
Calorímetro de flujo.
Este instrumento es usado para determinar el calor específico de un gas. Usualmente
un flujo de gas teniendo una velocidad de flujo constante es pasado a través de un
calentador protegido y la elevación de temperatura es determinada con precisión, la relación
y la elevación de temperatura y la energía eléctrica de entrada permiten determinación del
calor específico del gas. Una versión modificada del calorímetro de flujo es usada para
determinar el calor de vaporización del líquido.
Calorímetro diferencial.
En este instrumento, dos especimenes son empleados: uno que tiene unas
propiedades conocidas o estándar y el otro espécimen de prueba: los especimenes son
calentados eléctricamente de modo que alcancen temperaturas idénticas y constantes. La
transmisión del calor del medio ambiente dentro de los especimenes se asume idéntico una
comparación de entrada eléctrica relaciona la capacidad calórica del espécimen desconocido
con el espécimen estándar.
Flama del quemador.
La detección de la flama del quemador es muy importante en la industria desde el
punto de vista de seguridad. Los quemadores de los hornos o calderas queman combustible
gaseoso al combinarse con el aire de combustión se forma una mezcla inflamable, la cual se
enciende con una chispa eléctrica o con un piloto previamente encendido para reducir el
fuego principal. Cuando falla el encendido de la flama, el sistema de protección de la caldera
o del horno debe actuar inmediatamente para evitar que una mezcla explosiva se acumule
en el hogar y produzca una explosión. Cuando el sistema no enciende por seguridad, se
cierra la válvula de admisión de combustible y se inicia un venteo de los gases de
combustión mediante un soplador.
Para la detección de la flama se aprovechan 3 características: La temperatura, la
ionización de los gases al quemarse y la detección por calor.
Detección por temperatura. La detección de la flama del quemador por temperatura
se puede lograr con bimetales, termopares o sistemas volumétricos de expansión de los
cuales los más usados son los bimetales y los sistemas volumétricos. Estos sistemas
aprovechan las características de los materiales de expansión en función de la temperatura;
157
son muy utilizados en instalaciones domésticas y algunos hornos de baja capacidad. Tienen
la ventaja de ser económicos y de fácil instalación. Sus desventajas son de operación
mecánica, lo cual produce flameo en los platinos de los relevadores, además no cuentan con
un programa de encendido ni de purga de los gases. Otra desventaja es que deben contar
con un piloto continuo para hacer el encendido principal.
Detección por ionización. Debido a la alta temperatura generada por la mezcla al
quemarse, además de generar calor, los gases se ionizan haciéndose eléctricamente
conductores. Aprovechando esta propiedad, se coloca un electrodo o varilla dentro de la
flama, o sea cuando la señal del electrodo se va a tierra. Como el circuito es electrónico, es
posible introducir un pequeño programa de encendido que incluya al barrido de gases antes
y después de producir la flama; no requiere piloto continuo. Las ventajas de este sistema
son la de tener un programa de seguridad, no ser influidos por el refractario caliente del
hogar o caldera, y ser capaces de enfocar un punto seleccionado de la flama. Sin embargo,
tiene la desventaja de que se puede deteriorar rápidamente el electrodo por las altas
temperaturas.
Detección por radiación. Los detectores por radiación están basados en la energía
en forma de ondas de luz y calor que produce una flama. Tanto las flamas de gas como las
de combustible, producen una radiación que es el 10% visible, 89% infrarrojo y 1%
ultravioleta. También los refractarios producen una radiación visible o infrarroja, los cuales
pueden interferir la lectura de la flama si el elemento primario no está bien orientado.
El detector de radiación visible más utilizado es la celda de sulfuro de cadmio, la cual
varia su resistencia en forma inversamente proporcional a la intensidad luminosa, su uso
está limitado a quemadores de combustible líquidos y son incapaces de diferenciar la luz
procedente de una flama con la de otras fuentes como la luz natural o la luminosa del
refractario.
Los detectores de radiación emplean la celda de sulfuro de plomo, cuya resistencia
eléctrica también es inversamente proporcional a la intensidad de radiación. Esta celda
tampoco distingue la radiación infrarroja emitida por el refractario o por la flama, sin embargo,
la emisión de energía de la flama tiene una característica cintilante que permite a un circuito
electrónico discriminar la señal de la flama de la señal uniforme de refractario debe tener
cuidado con el movimiento de los gases calientes frente al refractario, ya que este
movimiento puede simular el parpadeo de la flama excitando a la celda.
Las ventajas de estas celdas son que pueden detectar igualmente combustible
gaseoso o líquido, son capaces de enfocar un plano de la flama y tiene también programa
de encendido adecuado a las características de seguridad de cualquier horno o caldera.
Las desventajas son la insensibilidad de la flama cuando hay demasiado exceso de
gas, también son afectados por las corrientes de gases calientes frente al refractario caliente
puede simular la flama cuando se usa la celda de sulfuro de cadmio.
158
2.5.5 DENSIDAD
(g/cm3).
La densidad o masa específica de un cuerpo se define como su masa por unidad de
volumen. Como la densidad varía con la temperatura y con la presión (en los gases) se
especifica para un valor base de la temperatura que en líquidos suele ser de 0°C o de 15°C y
en los gases de 0°C y para un valor estándar de la presión que en los gases es de1atm.
Gravedad específica.
La relación de la densidad de un fluido a la densidad del agua (para líquidos y
sólidos) y la densidad del aire (para gases). Las escalas comunes de gravedad específica,
pueden ser encontradas en varios manuales, las cuales incluyen: (¡) API (American Petrolum
Institute) para productos del petróleo. (2) Brix, usada casi exclusivamente en la industria del
azúcar y (3) Baumé, ampliamente usado para medición de ácidos, líquidos ligeros y pesados
y jarabes.
Otras unidades
Grados API
(Para productos petrolíferos-Altas densidad)
Grados Baumé (Empleados para jarabes, ácidos y líquido más ligeros que el agua)
Grados Brix
(Empleados exclusivamente en la industria Azucarera- Ind. de los alimentos)
Métodos de medida de densidad.
Areómetros.
Consisten en un flotador lastrado en su parte inferior con un vástago superior
graduado, incluso con las unidades anteriores. El aparato se sumerge hasta que su peso es
equilibrado por el líquido que desaloja hundiéndose más cuanto menor es la densidad del
líquido. A este areómetro se le puede incorporar un transductor de inductancia variable con
la armadura fija en la parte inferior del flotador y con la bobina dispuesta en el exterior del
recipiente es posible transmitir eléctricamente a distancia la densidad, siempre que se
mantenga una altura constante del líquido con un REBOSADERO. Una variante de este
instrumento consiste en un flotador con un lastre en forma de cadena sujeta a un punto fijo
del recipiente. El flotador está completamente sumergido dentro del líquido y según su
densidad se sumerge más o menos variando proporcionalmente el peso efectivo de la
cadena. Un transformador diferencial capta la posición del flotador y da una señal de salida
en función de su desplazamiento.
Precisión general:
Presión :
Temperatura:
±1 a ±3 %
(6-8 bar)
(120-230°C)
159
Método de presión diferencial.
En el método de medición de densidad de un tanque o en diferentes elevaciones en
un tubo vertical, estas tomas son las piernas de un dispositivo de presión diferencial, el lado
de alta presión está conectado directamente al tanque o tubo, mientras que el lado de baja
presión es purgado con un fluído de referencia, usualmente agua. De este modo, la presión
diferencial es creada por dos columnas iguales, una de agua y la otra de la muestra del
fluído. Pequeños rotámetros de purga son utilizados para mantener las piernas de medición
limpias. Este sistema es ampliamente utilizado en la industria de pulpa y papel, así como en
la industria azucarera.
En un tanque o tubería vertical se fijan dos puntos y se les conecta un instrumento de
presión diferencial. Como la diferencia de alturas es fija, la única variable que altera la
presión diferencial es la densidad. Otro sistema utilizado es el de cámaras de medida a
presión atmosférica, las cuales se llenan con un líquido que sirve como referencia, cuya
densidad puede ser mayor o menor que la del líquido de proceso. Preferentemente no se
usa para fluidos muy viscosos, corrosivos o no limpios.
Precisión :
0.5-1%
Presión:
300 bar
Temperatura: 170°C
Método de desplazamiento.
Un flotador está totalmente sumergido en el líquido y está equilibrado exteriormente
para que el par de torsión represente directamente la densidad del líquido. Este sistema
puede emplearse en líquidos limpios mas no es líquidos pegajosos o que contengan sólidos
en suspensión, ya que podrían adherirse al flotador y falsear la medida.
Precisión :
±1%
Presión: 40kg/cm2
Temperatura:
170°C
Con una amplitud de medida de densidad que puede llegar hasta un mínimo de
0.005.Se utilizan en fluidos limpios.
Modelo del prisma rotativo.
Consiste en una fuente luminosa que incide en el líquido con un ángulo determinado, tal
que la reflexión de luz pase a refracción. El haz luminoso se enfoca en un prisma rotativo
que barre el líquido de proceso. La refracción que se presenta cuando el rayo luminoso
incide con el ángulo crítico se detecta con una celda fotoeléctrica y la señal es amplificada
para su registro.
¾ El índice de refracción puede relacionarse con la concentración de sólidos del líquido,
es decir de manera inferencial.
¾ Los refractómetros no son influidos por los sólidos no disueltos ni por el aire en
disolución. Su campo de medida mínimo es de 0.004 y su precisión es de
0.00012g/cm3.
160
Método de radiación atómica.
Los instrumentos de medición de densidad nuclear, pueden medir y controlar
suspensiones, lodos y líquidos moviéndose a través de líneas de proceso, esta utilidad se
encuentra en la industria química, cementera, petrolera, plásticos, papel, drenaje, minería,
acero e industria alimentaria. Su precisión es tan buena como ± 0.03 %, los medidores
pueden ser montados en tuberías desde 1 hasta 30° de diámetro.
La fuente de radioisótopos es montada en un lado de la tubería y la celda detectora
montada en el otro lado en la línea con la fuente de radioisótopo, la radiación transmitida
está en proporción de la gravedad específica del material en la tuberías : la celda detectora
convierte la radiación transmitida en corriente eléctrica, esta corriente es amplificada para la
lectura y para operar funciones de control.
Transductores estándar pueden ser utilizados y el rango de repetibilidad son
determinados por el tamaño de la tubería. Una calibración predeterminada es necesaria para
la mayoría de las aplicaciones, en la cual los ajustes de 0 y rango para cálculo de los valores
de adsorción conocida de un material de proceso dado, la revisión periódica es necesaria
para estandarizar la unidad por agotamiento de la fuente, haciendo la lectura a un tubo vacío
para ajustar el 0 y a tubo de proceso lleno con agua (factor igual a 1.0 ). No es necesario el
acceso a la fuente a la cabeza medidora para revisar el 0 y el rango.
Se basa en la determinación del grado con que el líquido absorbe la radiación
procedente de una fuente de rayos gamma. La radiación residual es la que se mide con un
contador de centelleo que suministra pulsos de tensión, cuya frecuencia es inversamente
proporcional a la densidad.
¾ La fuente de radiación utilizada es principalmente Cesio 137 (con 30 años de vida
media) y el Americio 241 (con 458 años de vida media).
¾ Las desventajas de este método es que se tiene que seguir el protocolo del
reglamento por la Junta de Energía Nuclear.
¾ Utilizado para toda clase de líquidos.
¾ Pero la lectura viene influida por aire o gases disueltos en el líquido.
¾ Precisión :
±0.5-2%
Método del punto de ebullición.
Mide la diferencia de temperaturas entre el punto de ebullición del líquido que se está
concentrando y el punto de ebullición del agua en las mismas condiciones de presión.
Esta diferencia de temperaturas es función de la densidad del líquido y se mide
mediante sondas de resistencia inmersas una en el líquido y la otra en agua, conectadas a
un puente de Wheatstone graduado directamente en densidad.
Este método es empleado en evaporadores.
161
Medidor de ultrasonidos.
Mide la velocidad del sonido dentro del fluido e inferencialmente calcula su densidad.
La medida se realiza disponiendo el conjunto emisor-receptor de ultrasonidos inmerso dentro
del líquido o bien en el tanque o tubería. Las variaciones de la velocidad del sonido son
provocados por cambios en la densidad, que varían el acoplamiento acústico entre los
transductores y el fluido. La temperatura, debe ser compensada, así como la viscosidad
Medidores de balanza.
Consiste en un tubo en U apoyado con conexiones flexibles y suspendido de una
báscula que trabaja por el principio de equilibrio de fuerzas y que según el tipo de transmisor
dará una señal o neumática o electrónica. Para gases, en el interior de una cámara de
medida en la que puede entrar el gas a medir, se encuentra una balanza formada por una
esfera llena de aire u otro gas patrón o de referencia que se apoya en su centro y lleva en el
otro extremo un contrapeso. El gas al circular dentro de la cámara desquilibra la balanza y
transmite estas desviaciones a través del acoplamiento magnético al sistema de indicación o
registro.
Precisión :
±0.25%
Medición de densidad.
La medición de densidad o gravedad específica (según la escala seleccionada del
instrumento puede ser lograda por 5 métodos: (1) Hidrómetro, (2) método de presión
diferencial. (3) Método de burbujeo. (4) Elevación del punto de ebullición. (5) Radiación
atómica. De los métodos anteriormente indicados solo trataremos los dos primeros.
1. HIDRÓMETRO.
El hidrómetro o densímetro consiste en un peso dentro de un flotador con un vástago
de pequeño diámetro que proporciona una porción de la escala y debe ser sumergido
durante el curso de la medición, la cantidad de inmersión es una indicación de la gravedad
específica del fluido. Los hidrómetros o densímetros pueden ser calibrados en términos de
cualquiera de las escalas de calidad específica antes mencionadas, aunque de cualquiera de
las escalas son instrumentos de laboratorio, el hidrómetro simple puede ser localizado en
una tubería equipado con un rebosador a nivel de lectura permitir lecturas visuales de un
líquido fluyendo continuamente. El hidrómetro se eleva o se hunde con los cambios de la
gravedad específica del fluido, la temperatura, el rango de gravedad específica de estos
instrumentos abarca desde 0.6 a 3.5 .
2. MÉTODO DEL BURBUJEO.
En el método de medición por burbujeo, se utiliza un transmisor de presión diferencial
como en el caso anterior, pero las tomas de alta y de baja presión están conectadas a unos
tubos de burbujeo como en el sistema de medición de nivel, con este método, se puede
utilizar una columna de referencia que contiene agua al mismo nivel del tanque de la
muestra, la cual se utiliza como referencia de gravedad específica.
162
También se puede utilizar el método de un solo tanque, el cual es el más simple y el
más ampliamente usado, en este caso dos tubos burbujeados son instalados dentro del
tanque que el extremo de un tubo que está más abajo que el extremo del otro tubo a la
presión del fluido es igual a la presión del fluido en los extremos de los tubos de burbujeo, ya
que la salida es menor de la de otros, la diferencia de presión debe ser igual que el peso de
una columna constante de líquido, esta presión diferencial es directamente proporcional a la
densidad del fluido. Este método es exacto dentro de 0.3 a 1% de gravedad específica
cuando se usa con líquidos que no tienden a cristalizarse en los tubos de medición.
2.5.6 CONSISTENCIA
Es el grado de deformación que presentan los fluidos cuando se les somete a un
esfuerzo cortante. Este termino representa esencialmente a la viscosidad de suspensiones
de partículas insolubles en un líquido y es una característica del mismo.
Este término es usado en:
o
o
o
Industria de pinturas
Industria alimenticia
Industria papelera
Las unidades usadas son totalmente diferentes a las de la viscosidad ya que son
arbitrarias, por ejemplo en la industria papelera se usa como consistencia la proporción entre
el peso seco de la materia o fibra de pulpa seca y el peso total de los sólidos mas el agua
que los transporta y lo reportan:
Peso sólidos secos en Kg
100
Consistencia % =
Peso sólidos secos + agua en Kg
La consistencia se mide en la industria de las formas siguientes ver figura 2.64:
Figura 2.64 a) Este dispositivo mide la distancia que recorre un fluido sobre una regla
graduada en un tiempo determinado, y además la muestra es regulada por el paso de un
obturador al inicio.
Figura 2.64 b) Este dispositivo es el medidor de consistencia rotativa y mide el par de torsión
necesario para hacer girar a una velocidad constante un disco con perfiles ya caracterizados.
Figura 2.64 c) Este instrumento es parecido al anterior; en este dispositivo un motor hace
girar las paletas dentro del fluido y el esfuerzo desarrollado por este se mide con un
transmisor neumático.
Figura 2.64 d) Medidor de paleta, este dispositivo tiene una forma especial y se encuentra
directamente en el seno del fluido, mide el esfuerzo cortante, y debido a su forma no se ve
influido por las fuerzas de rozamiento ni las de impacto, y va aunido a un transmisor
neumático o electrónico que envía la señal de la consistencia.
163
Figura 2.64 e) Medidor de Flotador, en este dispositivo el fluido es forzado para circular por
un tubo circular en cuyo interior se encuentra un eje sensible con varias placas
transversales. La deformación que sufre el liquido al pasar por las placas esta en función de
la consistencia que es detectada por un transmisor neumático o electrónico.
Figura 2.64 f) Medidor de Puente Hidráulico. Este dispositivo esta compuesto por una bomba
y un puente hidráulico en el cual la bomba deriva parte del fluido hacia el puente el cual mide
una diferencia de presiones mediante un manómetro diferencial, esta presión diferencial esta
en función de consistencia.
Figura 2.64 g) Medidor electroóptico. Se basa en la captación de luz reflejada de una mezcla
del fluido que se este midiendo y agua, tiene dos detectores los cuales captan la luz
mediante fibra óptica, la diferencia entre la luz captada por el agua y el fluido esta en función
de la consistencia.
Figura 2.64 Medidor neumático de consistencia
164
El balance de consistencia, es en realidad un transmisor neumático que opera con el
principio de balance de fuerzas, es montado directamente en la tubería de proceso. El
elemento primario o sensor de consistencia es un rodillo, una aleta o un flotador en forma de
3 cruces sobrepuestas por cuyo centro pasa un vástago que transmite el movimiento de
“flotación” que produce la consistencia del material que está siendo medido. El movimiento
del primario causado por el flujo de la pulpa es transmitido a través de un mecanismo a un
sistema de amplificación neumático, el dual envía al instrumento receptor una señal
proporcional a la consistencia de pulpa. Estos instrumentos pueden medir la consistencia de
la pulpa del papel a través de un rango de 2 a 8% con una precisión de 0.1% de
consistencia.
Medidor electrónico de consistencia.
Este instrumento representa un gran avance en la medición y registro de consistencia
de la pulpa, el diseño y construcción del instrumento es muy simple y fácil de entender y su
instalación es barata. Este sistema de medición utiliza un elemento detector, y un
instrumento receptor conectado eléctricamente. El elemento detector es un probador
cilíndrico de acero inoxidable 304 montado de la pasta a través de un adaptador soldado.
Este probador contiene un puente de resistencia que consta de 4 medidores de esfuerzo
(Strain gauge), dos de ellos trabajan a compresión y los otros dos a tensión. La longitud del
probador varía de 11 a 28 cm de longitud, determinada por el diámetro de la línea de pasta,
su peso aproximado es de 0.7 kg. Para la operación aproximada de este instrumento la
velocidad de la pasta en el probador debe permanecer entre 0.13 y 1.3 metros por segundo,
los límites de flujos para tubos nominales están mostrados en la tabla 2.24.
Tabla 2.24. Limites de flujo para medición de consistencia
Tamaño nominal
6”
8”
10”
12”
14”
Flujo GMP
40-400
70-700
110-1100
160-1600
210-2100
Tamaño nominal
16”
18”
20”
24”
30”
Flujo GMP
280-2800
350-3500
440-4400
630-6300
1000-10000
El probador de consistencia debe ser instalado en el tubo de proceso orientado hacia
la dirección del flujo, para detectar esta orientación, el probador trae una marca o una fecha
grabada en su brida para ser orientada adecuadamente, la tubería debe ser un tramo recto
de cuando menos 5 diámetros flujo abajo y dos diámetros flujo arriba del codo más cercano.
En un tubo horizontal o inclinado, el probador debe ser localizado simple en la parte superior
del tubo, en cualquier caso, la línea central del proceso debe interceptar el eje radial de la
tubería a 90 ° de arco. El cable de conexión no debe estar a más de 120 metros del
probador.
165
2.5.7 VISCOSIDAD Y CONSISTENCIA.
Conceptos.
Aplicados a fluidos sometidos a un esfuerzo cortante

Viscosidad. Resistencia al flujo.
Consistencia. Resistencia a la deformación.
Viscosidad.

La viscosidad es el rozamiento interno entre las capas de fluido. A causa de la
viscosidad, es necesario ejercer una fuerza para obligar a una capa de fluido a
deslizar sobre otra.
Figura 2.65 Desplazamiento de fluidos.

Esta resistencia se expresa como un cociente entre el esfuerzo cortante por unidad
de área (F/A) y la velocidad cortante por unidad de espesor de la capa de fluido (v/e).
µ=(F/A)/(v/e)
Los fluidos Newtonianos guardan relación lineal entre (F/A) y (v/e).
Gráfica 2.8 Fluidos Newtonianos
Otros fluidos tienen pendientes variables, son llamados no Newtonianos.
166
No Newtonianos.

Flujo Dilatante: La viscosidad aumenta
a medida que aumenta el esfuerzo de
corte al cual es sometido el fluido.
Flujo Pseudoplástico: La viscosidad
disminuye a medida que aumenta el
esfuerzo de corte sobre el fluido.
Flujo de Bingham ó Plástico: El
producto presenta un valor umbral de
esfuerzo de corte (ty), el cual es
necesario sobrepasar para que el fluido
se ponga en movimiento.
Grafica 2.9 Fluidos No Newtonianos.
Ecuación de Hagen-Poiseuille.

En términos más prácticos, se expresa la relación entre los esfuerzos y las
velocidades cortantes para un tubo capilar.
µ=(∆P/2l) /(4Q/πR^4) = π∆PR^4/(8Ql)
Donde:
∆P .- Presión diferencial
R .- Radio interior del tubo
Q .- Caudal del fluido
L .- Longitud del tubo
Expresiones de la viscosidad.
a) Viscosidad Dinámica (μ): definida por la ec. De Hagen Poiseuille. Unidades en el SI
Pa*s, en el CGS al poise (1dina*s/cm^2), y al centipoise.
b) Viscosidad cinemática (ν): Cociente de la viscosidad dinámica/densidad del fluido.
Unidades en el SI: m^2/s y en el CGS el cm^2/s llamado stoke.
Consistencia.
a) Grado de deformación de los fluidos cuando se someten a un esfuerzo cortante.
b) Representa esencialmente la viscosidad de partículas insolubles en un líquido y es
una característica de su fluidez.
c) Aplica en la industria de papel, pinturas, en el envase de alimentos, etc.
d) Sus unidades son arbitrarias.
167
Viscosímetros discontinuos.
a) Medición del tiempo en el que un volúmen descarga por u orificio o capilar.
b) Tiempo de la caída de una bola metálica o ascensión de burbuja o caída de un pistón
en un cilindro.
c) Par de resistencia de un elemento estacionario en una taza rotativa. EL par se mide
por desplazamiento angular de un resorte calibrado unido al elemento fijo.
Viscosímetros continuos.
a) Caída de presión por tubo capilar al paso de un fluido a caudal constante.
b) Par de torsión necesario para hacer girar un elemento en el fluido. El elemento gira a
través de un resorte calibrado por medio de un motor. El ángulo de desviación entre
el eje del motor y el elemento inmerso es proporcional a la viscosidad.
c) Rotámetro con flotador sensible a la viscosidad.
d) Vibraciones o ultrasonido.
168
2.5.8 VARIABLES FÍSICAS.
2.5.8.1 PESO.
Es la fuerza con la que un cuerpo es atraído a la tierra
(2.31)
P =mg
En la industria interesa determinar el peso de las sustancias en las operaciones de
inventario de materias primas, de productos finales, en la mezcla de ingredientes, etc.
Algunos métodos para medir el peso son:
a)
b)
c)
d)
Comparación con otros pesos patrones (balanzas y básculas).
Células de carga a base de galgas extensiométricas.
Células de carga hidráulicas
Células de carga neumáticas
Balanza clásica.
Constituida por una palanca de brazos iguales (cruz),
que se apoya en su centro y de cuyos extremos cuelgan los
platillos que soportan los pesos. Puede medir desde unos
pocos gramos hasta 300kg.
Figura 2.66 Balanza clásica
Balanza roberval.
Consiste en un paralelogramo articulado que puede oscilar alrededor del punto
central del lado superior del paralelogramo, manteniéndose verticales las varillas laterales
que soportan los platillos. Se caracteriza por que su equilibrio se alcanza
independientemente de la posición de los pesos de los platillos. Su campo de medida llega
hasta 40 kg. Se emplea en la comprobación de pesos de objetos terminados o en la
operación de llenado.
Precisión ±0.002 al 0.05%
Figura 2.67 Balanza de Roberval
Báscula clásica.
169
Es una placa apoyada en un punto de la que cuelgan en un extremo el peso a medir y
en el otro con forma de rectángulo, dos pesos móviles uno para ajuste grueso y otro para
ajuste fino; una fiel indica cuando la bascula esta ajustada.
Figura 2.68 Báscula clásica
Báscula automática
Consiste en una palanca en ángulo apoyada en su centro con un peso conocido en
un extremo y el desconocido en otro. La báscula alcanza siempre una posición de equilibrio
marcando directamente en una escala. Preescisión ±0.1
Desventajas:
Ö Lenta velocidad de respuesta.
Ö La posible corrosión que ataca al juego de
placas en particular en los puntos de apoyo,
debida a la suciedad, al polvo, a los
vapores y ala humedad.
Ö Al desgaste de la piezas móviles.
Figura 2.69 Báscula automática
Balanza electromagnética.
Utiliza un sensor de desplazamiento y
una bobina de par montados en un
servosistema que equilibra un peso patrón y el
peso desconocido. La señal eléctrica de salida
puede aplicarse a un microprocesador, lo que
proporciona una tara automática, unas rutinas
estadísticas con cálculo de la medida y la
desviación estándar de las pesadas y una
compensación de la temperatura. Precisión de
1 mg en 500g
Figura 2.70 Balanza electromagnética
170
Célula de carga.
Consiste esencialmente en una célula que contiene una pieza de elasticidad
conocida capaz de soportar la carga sin exceder de su límite de elasticidad. Esta pieza esta
cementada a una galga extensiométrica formada por varias espiras de hilo pegado a un
soporte de papel o resina sintética.
La tensión o compresión a que el peso somete a la célula de carga, hace variar la
longitud del hilo metálico y modifica por lo tanto su resistencia eléctrica. Las células están
protegidas contra la humedad y el polvo, tienen una precisión ±0.2%, admiten indicación a
distancia y pueden medir pesos de 20kg a más de 150t. Necesitan compensación de
temperatura del hilo de resistencia y de la pieza de acero deformable y son relativamente
caras.
Figura 2.71 Galgas extensométricas
Células de carga neumáticas.
Consisten en un pistón sobre el que se apoya la carga, que ejerce una presión sobre
un fluido hidráulico. Según la carga y de acuerdo con el área conocida del pistón se crea una
presión en el aceite que puede leerse en el manómetro de Bourdon y que por lo tanto refleja
directamente la carga. Se fabrican para unas capacidades de carga de 40 hasta 90t, son de
respuesta rápida, su precisión es de ±0.2%, admiten sobrecargas hasta el 40%, resistente a
vibraciones.
Figura 2.72 Célula de carga hidráulica
171
Células de carga neumáticas.
Consisten en un transmisor neumático de carga en el que el peso situado en la
plataforma de carga se compara con el esfuerzo ejercido por un diafragma alimentado a una
presión de tarado ajustable.
El sistema alcanza una posición de equilibrio gracias al conjunto de tobera-obturador
y a la cámara de realimentación del transmisor. La presión del aire alcanzada en esta
cámara indica el peso. La capacidad de carga de las células neumáticas varía de 10kg a
10t, poseen una precisión de ±0.2% y se adaptan fácilmente al control neumático con el
inconveniente de precisar de aire comprimido
Figura 2.73 Célula de carga neumática
2.5.8.2 VELOCIDAD.
Se efectúa de dos formas:
♦ Con tacómetros mecánicos
♦ Con tacómetros eléctricos.
Tacómetro mecánico.
Detectan el número de vueltas del eje de la máquina por medios exclusivamente
mecánicos pudiendo o no incorporar la medición conjunta del tiempo para determinar el
número de revoluciones por minuto. El más utilizado es el contador de revoluciones
empleado para medir la velocidad de rotación de toda clase de máquinas o dispositivos
giratorios. Consiste básicamente en un eje elástico terminado en punta que se apoya sobre
el centro de la pieza giratoria. El eje elástico al girar se mueve a través de un tren de
engranaje de dos diales calibrados concéntricos.
Cada división del dial exterior representa una vuelta del eje giratorio mientras que en
el dial interior una división da una revolución del dial exterior; conocido el tiempo de trabajo
del contador, medido mediante un cronómetro, es posible calcular la velocidad media en rpm.
172
Figura 2.74 Tacómetro mecánico
Tacómetros centrífugos.
Se basan en el volante centrífugo clásico empleado en las calderas de vapor. Dos
pesos rotativos articulados a un eje giratorio aumentan su radio de giro debido a la fuerza
centrifuga a la vez que comprimen un resorte. La medida de la compresión del resorte leída
en una escala representa la velocidad de giro del eje.
Figura 2.75 Tacómetro centrífugo
Tacómetros eléctricos.
Se utilizan a nivel industrial ya que permiten la transformación directa de la señal para
alimentar los instrumentos registradores o controladores de panel. Emplean un transductor
que produce una señal analógica o digital como una conversión de la velocidad de giro del
eje de la máquina.
Tacómetro de corrientes parásitas.
El eje de la máquina hace girar un imán dentro de una copa de aluminio. El giro del
imán induce corrientes parásitas en el aluminio que crean un par resistente proporcional a
la velocidad. Un resorte frena el cabezal del aluminio quedando este en una posición que se
señala en un dial.
Ejemplo. Tacómetro eléctrico del automóvil, empleado en aviación, en las máquinas
de ferrocarril. El campo de medida es de 0-15000 rpm.
173
Figura 2.76 Tacómetro de corrientes parásitas
Tacómetro de corriente alterna.
Consiste en un estator bobinado multipolar en el que el rotor dotado de un imán
permanente induce una corriente alterna. Un voltímetro da señal de la corriente inducida y
por lo tanto el giro en rpm del eje de la máquina.
Figura 2.77 Tacómetro de corriente alterna
De corriente continua o dínamo tacométrico.
Consiste en un estator de imán permanente y un rotor con un entre hierro uniforme.
La tensión continua recogida en las escobillas del rotor es proporcional a la velocidad en rpm
de la máquina. Esta tensión puede leerse en un voltímetro indicador o bien alimentar un
instrumento potenciométrico a través de una resistencia divisora de tensión.
Para velocidades de hasta 6000rpm.
Figura 2.78 Dínamo tacométrica
174
Tacómetro de frecuencia o frecuencímetro.
Mide la frecuencia de la señal de c.a. captada por transductores del tipo
electromagnético, capacitivo u óptico que dan impulsos cuyo número es proporcional a la
velocidad de giro de la máquina. El transductor no tiene contacto mecánico con el eje
rotativo. La medida de la frecuencia puede pasarse a un contador electrónico basado en la
medida de las revoluciones por unidad de tiempo.
Figura 2.79 Tacómetro de
Frecuencia
2.5.8.3 HUMEDAD Y PUNTO DE ROCIO.
Son de importancia en la industria y se utilizan en el acondicionamiento de aire, en
atmósferas protectoras empleadas en tratamientos térmicos, en secadores, y
humidificadores, en la industria textil, en la conservación de fibras, etc.
Varios términos se emplean al hablar de humedad o punto de rocío en el aire o en los
gases:
Humedad Absoluta. Cantidad de agua en kg por kg de aire seco.
Humedad Relativa. Es el cociente entre la presión parcial del vapor de agua a una
temperatura to y la presión total del vapor a saturación y a la misma temperatura to.
Equivalente al porcentaje de humedad.
Temperatura Seca. Temperatura del aire medida con un termómetro con el bulbo
seco (en contacto directo con la atmósfera)
Temperatura húmeda. Es la temperatura de equilibrio dinámico alcanzado por una
superficie húmeda cuando se la expone al aire. Puede medirse con un termómetro cuyo
bulbo está en ambiente de saturación lo que se consigue envolviéndolo con un paño que se
mantiene húmedo continuamente (bulbo húmedo).
Punto de rocío. Es la temperatura límite a la que el vapor de agua existente en el
aire o en el gas se condensa pasando al estado líquido
En los sólidos, la humedad puede expresarse como:
Contenido de Humedad. Expresado en tanto por ciento, es la cantidad de agua
existente en las sustancias sólidas por unidad de peso o de volumen del sólido seco o
húmedo. El término se aplica con preferencia en relación al sólido seco, es decir, viene
expresado en base seca.
175
Contenido de humedad comercial. Contenido de humedad expresado en kg de
agua por kg del material al salir este del proceso de secado.
Humedad en aire y gases.
Método de elemento de cabello (o nailon). Se basa en la expansión o contracción
lineal que son características de los materiales sensibles a las variaciones de humedad,
como los cabellos naturales o de fibra de nailon. Su precisión es del orden de ±3 a ±5.5 y su
campo de medida de 15 a 955 de
H.R.
Figura 2.80 Elemento de cabello
Bulbo seco y bulbo húmedo. Se basa en la captación de temperatura ambiente o
seca y de la temperatura húmeda, mediante dos termómetros, uno seco y otro con su bulbo
constantemente humedecido.
Con un diagrama psicométrico las temperaturas del bulbo seco y del bulbo húmedo
sobre las líneas correspondientes, se obtiene por intersección la humedad relativa. En lugar
de consultar el diagrama psicométrico para cada lectura puede utilizarse un instrumento que
mida directamente la temperatura diferencial entre los dos bulbos, seco y húmedo
respectivamente, con lo que el índice o la pluma de registro del instrumento indicará
directamente la humedad relativa. Tiene la ventaja de dar una gran precisión cuando la
humedad relativa esta próxima a la saturación, con lo que permite el uso de aparatos con un
campo de medida muy estrecho a la HR próxima a100%. A HR menor de 20% su precisión
es pobre. Su uso es desaconsejado en pequeñas cámaras, ya que el agua del bulbo húmedo
se incorpora al ambiente y falsea la lectura.
176
Figura 2.81 Bulbo seco y bulbo húmedo
Célula de cloruro de litio.
Consiste en una célula embebida en LiCl con una
rejilla de láminas de oro. La sal tiene la propiedad de variar
considerablemente de resistencia al aumentar o disminuir la
humedad ambiente ya que libera o absorbe iones de la
película soporte. Como la humedad relativa viene
determinada simultáneamente por
el contenido de la
humedad y por la temperatura del aire, se debe compensar
esta. La proporción de la sal de LiCl en la película que
recubre la célula determina el campo de medida de la
humedad; cuanto mas alta sea la proporción de la sal tanto
mas bajo será el campo de medida.
Figura 2.82 Célula de cloruro de
Litio.
El elemento no puede utilizarse en atmósferas con mucho polvo, con dióxido de
azufre, vapores ácidos, amoniaco, cloro, vapores alcalinos, acetileno, oxido de etileno y
atmósferas contaminadas con sal. El electo envejece disminuyendo su indicación en 1 a 2%
por año. La precisión suele ser de ± 2 a ±3% de HR y el lento puede medir de 5 a 95% de
HR.
Sensor de polímero.
Esta formado por una rejilla conductora con una base de poli estireno tratada con
ácido sulfúrico. La variación de humedad ambiente (30 a 90% HR) cambia la resistencia de
la superficie del sensor, debido a que el radical sulfato (SO4) libera o absorbe los iones H+
procedentes de la humedad del ambiente. Se utilizan compensadores de temperatura y el
sensor esta conectado a un puente de Wheatstone.
177
Humedad en sólidos.
Secado térmico. Es el método más antiguo, empleado normalmente como
comprobación de los demás sistemas. Consiste en aplicar calor al material hasta que no
pueda liberarse mas agua a no ser que se aumente la temperatura. El agua se evapora
mientras su presión de vapor dentro del material es mayor que la del aire del horno que le
rodea. La muestra del producto debe mantenerse un cierto tiempo a la temperatura de
secado para llegar a un equilibrio de humedad en su interior, pudiendo variar este tiempo de
2 a 15 h.
Tiene el inconveniente del excesivo tiempo que requiere y no distingue entre la
humedad y las materias volátiles que el cuerpo puede contener o que puedan producirse por
descomposición térmica.
Método de Conductividad. Se basa en la medida de la conductividad de una
muestra del producto al pasar una corriente a través de los electrodos en contacto con el
mismo. Estos electrodos forman parte de un puente de Wheastone con la indicación, el
registro o el control de la humedad.
Figura 2.83 Método de conductividad
Proporciona buenos resultados y es repetitivo. Sin embargo la lectura viene influida
considerablemente por el estado de la superficie de contacto de los electrodos, por la presión
de los mismos con el material, por la temperatura, etc. En particular en los materiales de alta
resistividad como el papel.
Método de capacidad. Se basa en la variación de la constante dieléctrica que el
material experimenta entre el estado húmedo y el estado totalmente seco. Los electrodos
que constituyen las placas de un condensador cuyo dieléctrico es el material cuya humedad
ha de medirse forman parte de un oscilador de radiofrecuencia cuya salida alimenta un
puente de medida de capacidades. El sistema se emplea en materiales con un contenido de
humedad menor de 20 a25% y es independiente de la presión del contacto de los electrodos
o de los cambios de temperatura.
Método de infrarrojos. Aplicado preferentemente en la fabricación el papel, una
fuente de rayos infrarrojos emite un haz de rayos hacia la superficie del material cuya
humedad desea medirse. La onda emitida esta seleccionada de tal forma que el agua
contenida en el producto absorbe la máxima radiación infrarroja mientras que la celulosa
absorbe el mínimo.
178
De este modo, un detector capta la radiación que atraviesa el material e indica la
humedad correspondiente. Para que la medida sea independiente de la capa de aire
intercalada entre el emisor, el material y el detector, de las variaciones de espesor el
material y de su posición relativa entre el emisor y el detector, se acostumbra a utilizar otra
fuente adicional que actúa como referencia. El conjunto emisor-detector suele ser móvil para
de este modo explorar toda la banda de papel.
Figura 2.84 Medida de humedad por infrarrojos
Método de Radiación. El método de radiación una fuente de neutrones de alta
energía se dirige contra el material del proceso y parte de la radiación emitida es reflejada
principalmente por los átomos de hidrogeno existentes en las moléculas del material. Como
el hidrogeno esta asociado químicamente con el agua, es posible determinar muy
exactamente la humedad del material.
Figura 2.85 Medida de humedad por radiación
2.5.8.4 PUNTO DE ROCIO.
Cámara de niebla. Realiza una medida manual discontinua del punto de rocío.
Consiste en una pequeña cámara con una bomba manual que permite comprimir una
muestra del gas. Se anota la presión y la temperatura inicial del gas y se comprime a una
presión dada. A continuación se abre una válvula de escape a la atmósfera con lo que el gas
sufre una expansión adiabática y baja de temperatura. El ensayo se repite varias veces
comprimiendo cada vez más el gas hasta que la temperatura alcanzada en la expansión
hace aparecer niebla en la cámara. Esta temperatura corresponde al punto de rocío.
Célula de Cloruro de Litio. Consiste en un maguito de tela impregnado con una
solución de LiCl, envolviéndolo en una bobina. Sobre el manguito esta arrollado un hilo bifilar
abierto en un extremo, y alimentado a través del secundario de un transformador, con lo que
circula una corriente entre los hilos a través de la sal de LiCl. Esta tiene la propiedad
característica de mantenerse con una humedad relativa del 11% en equilibrio con la
atmósfera húmeda. A valores inferiores al 11% la sal cristaliza y deja de ser conductora.
179
La sal es altamente higroscópica, por lo cual tiene una gran afinidad por la humedad
ambiental; cuanto mas alto sea esta tanto más conductora será la sal y tanto más se
calentara la bobina por la circulación de corriente a través del hilo bifilar. La temperatura de
equilibrio de la bobina esta pues relacionada con el punto de roció del aire o del gas de modo
que puede medirse con una sola resistencia y un instrumento de puente de Wheastone
graduado directamente en temperatura del punto de rocío.
Es apta para temperaturas ambiente de -30 130ºC, la célula exige que los gases cuyo
punto de rocío se mida no contengan ni amoniaco, ni dióxido de azufre, ni cloro, ni sal, ni
partículas en suspensión.
Sistema de condensación en un espejo. Consta de una cámara con un sistema
calefactor y refrigerante que controla la temperatura de la superficie de un espejo situado en
su interior y en el cual circula una corriente del gas cuyo punto de rocío hay que determinar.
Una célula fotoeléctrica actúa sobre el sistema de refrigeración o calentamiento para
conseguir el empañamiento constante de la superficie especular. La temperatura de esta
superficie indica el punto de rocío del gas.
Figura 2.86 Sistema de condensación en un espejo
Analizador de infrarrojos. No solo puede medir el punto de rocío (vapor de agua)
sino también cualquiera de varios constituyentes, tales como CO2, CO, CH4, C3H8, SO2, NH3.
La radiación por estos gases es absorbida de un modo característico. El analizador
de infrarrojos consiste en una fuente pulsante de infrarrojos (filamentos de Nichrome), dos
células, una de referencia y otra de muestra en cuyo interior pasan las radiaciones
infrarrojas, y un detector.
Si la cámara detectora esta llena de vapor de agua, la radiación infrarroja es
absorbida proporcionalmente a la concentración de vapor de agua en la célula de gas
muestra, con lo cual disminuye la presión en esta cámara como resultado de la energía
intermedia absorbida.
180
El instrumento además de medir punto de rocío puede determinar los porcentajes de
varios componentes en el gas a analizar. Los analizadores infrarrojos son de respuesta
rápida, aptos para el registro de varias muestras de gas, pueden analizar atmósferas
conteniendo amoniaco.
Figura 2.87 Sistema de infrarrojos
2.5.8.5 TURBIDEZ.
Oposición que ofrece una sustancia al paso de la luz y que es mayor que la que
presenta naturalmente en estado puro. Es una medida de la falta de transparencia de una
muestra de agua debida la presencia de partículas extrañas. (plancton, microorganismos,
barro, etc.). Se efectúa para determinar el grado de penetración de la luz a través del agua.
Permite interpretar conjuntamente con la luz solar recibida y la cantidad de oxigeno
disuelto el aumento o disminución del material suspendido en el agua. Aunque no es un
parámetro con un valor indicador absoluto, es uno de los que habitualmente se emplean para
caracterizar la calidad del agua
Los instrumentos que se emplean para medir la turbidez se denominan turbidímetros
o nefelómetros y miden en unas unidades de turbidez denominadas unidades nefelométricas
o NTU (del inglés nephelometer turbidity units). Según el sistema de medición, se pueden
registrar los resultados en otras unidades, como la JTU (Jackson Turbidity Units) o la FTU.
Turbidímetro, instrumento utilizado para medir la turbidez de los líquidos. Mide la
dispersión de un haz de luz en un ángulo de 90º. Constan de una caja oscura, en la que se
aloja la fuente luminosa y los receptores, en la que se inserta un recipiente transparente con
la muestra de líquido cuya turbidez se pretende determinar. Tras ubicar la muestra en su
receptáculo, se procede a taparlo para evitar la entrada de luz parásita del exterior.
Normalmente, antes de su utilización, se realiza una calibración del aparato con una solución
testigo de turbidez conocida.
181
Turbidímetro de Jackson: consiste en un tubo graduado que descansa en un
soporte de vidrio en cuya parte inferior se encuentra una vela encendida. La muestra de
agua se introduce lentamente en el tubo hasta que en su interior deja de verse la flama de la
vela.
Figura 2.88 Turbidímetro de Jackson
En forma continua se determina por:
Luz reflejada. Una lámpara incandescente emite un rayo de luz que un sistema de
lentes enfoca en la muestra de agua. Una celda fotoeléctrica capta la luz reflejada por las
partículas en suspensión generando una corriente proporcional a la concentración de sólidos
suspendidos.
Luz absorbida. La lámpara y la célula están situadas una frente a la otra, con una
columna de la muestra de agua que las separa. La célula mide la absorción de la luz por los
sólidos en suspensión. Precisión: ±5 a ±10% y el campo de medida es de 0-2400.
2.5.9 FIBRA ÓPTICA.
Los cables de fibra óptica suponen una alternativa a los voluminosos cables de
cobre para las telecomunicaciones. Un solo par de cables de fibra óptica puede transmitir
más de mil conversaciones simultáneas. Por el ojo de esta aguja pasan fácilmente varias
fibras ópticas.
Figura 2.89 Fibra óptica
182
La idea de fabricar fibras de vidrio de sílice suficientemente puro para transportar la
luz a grandes distancias se ha ido abriendo camino desde finales de los años 60. El
fundamento: la luz enviada por el interior de la fibra se refleja en sus paredes, lo que tiene
como consecuencia guiar el haz luminoso a lo largo de la fibra, incluso cuando ésta está
curvada.
En primer lugar los principales elementos de un enlace óptico. Comprenden un foco
luminoso láser, que es un diodo láser análogo al de los lectores de discos compactos, que
funciona en el infrarrojo próximo (a una longitud de onda de 1,3 o 1,5 µm). La luz emitida es
modulada por un transmisor, un sistema controlado por la señal eléctrica que aporta la
información.
Los impulsos luminosos se envían a través de la fibra; en el otro extremo, un
fotodiodo (o receptor) reconvierte la señal óptica en señal eléctrica. Y ésta es transformada
finalmente en sonido, imagen o texto en el teléfono, la televisión o la pantalla del ordenador.
Como en todos los sistemas de comunicación numérica, la información está
codificada en forma de una sucesión de «0» y de «1», en la que cada elemento se llama
«bit» (de binary digit).
En una fibra óptica, los «0» y los «1» son transportados físicamente por una onda
luminosa cuya intensidad se modula: el tiempo se divide en almenas de igual duración, y en
cada almena, el «1» se codifica por medio de un impulso luminoso de una cierta intensidad,
mientras que el «0» se representa por una ausencia de luz.
El éxito de los repetidores ópticos se explica por la puesta en común de tecnologías
llegadas a la madurez: la fabricación de fibras ópticas ultrapuras, las técnicas de dopado con
erbio y la fabricación de los diodos láser necesarios para los amplificadores.
En los años setenta, investigadores de la Universidad de Stanford y de los
laboratorios AT&T-Bell exploraron las posibilidades del bombeo por medio de diodos láser de
estas fibras al neodimio, con vistas a desarrollar las telecomunicaciones ópticas a una
longitud de onda de 1,06 µm.
2.5.10 REACCIONES DE OXIDO-REDUCCIÓN.
Todas las reducciones químicas involucran un intercambio de electrones, y son
consideradas reacciones de oxidación- reducción. Estas reacciones producen potenciales
medibles y predecibles, el relativo valor de los oxidantes y reductores involucrados pueden
ser medidos por la determinación del potencial de oxidación- reducción (ORP). Esto puede
ser logrado insertando un electrodo inatacable, por ejemplo, de platino, rodio, oro o algún
metal altamente resistente a la corrosión y midiendo la fuerza electromotriz resultante por
medio de un potenciómetro o amplificador de alta impedancia, el voltaje medido es la
diferencia entre los voltajes individuales desarrollados de cada electrodo, si se usa un
electrodo de referencia de gas hidrógeno, el potencial del electrodo de medición debe ser el
verdadero potencial de oxidación –reducción de la solución, ya que el potencial del electrodo
de referencia de gas hidrógeno por convención es 0.
183
Generalmente se emplea un electrodo de referencia de cloruro de plata (Calomel), y
el potencial desarrollado por este electrodo requiere una corrección a la lectura del medidor
para referir el potencial de electrodo de medición al potencial 0 del electrodo de hidrógeno.
Para entender y referir los valores de ORP y las ecuaciones encontradas en los datos
de manuales y similares, es necesario tomar en cuenta que existen dos convenciones
diferentes, las cuales únicamente son opuestas en polaridad. La convención europea se
expresa con el potencial opuesto que existe en el electrodo de medición.
Los calores específicos de oxidación –reducción de una amplia variedad de
reacciones que involucran un cambio de electrodos pueden encontrarse en manuales y
literatura, los valores en volts, típicamente están referidos al electrodo de hidrógeno
(teniendo potencial 0), como unidad activa y a 25 °C, estos valores pueden ser insertados en
la forma general de la ecuación de Nernst:
(2.32)
E= Eo – 0.0591 - log oxidante
n
reductor
En donde:
E: fuerza electromotriz medida en voltios, opuesta al electrodos de hidrógeno normal cuyo
potencial es 0.
E0 : fuerza electromotriz estándar como se encuentra en la literatura para la reacción
involucrada bajo las condiciones especificadas.
N: número de electrones involucrados en la reacción
Limitaciones del método. Muchos tipos de reacciones químicas y procesos pueden
ser controlados por este método, pero tiene las siguientes limitaciones:
1. El electrodo de medición detecta los oxidantes y reductores en una solución, por
ejemplo, un cromato hexavalente dentro de un fluido del drenaje, puede ser el
componente que requiere medición, sin embargo, otras sustancias como sales de
hierro y sulfuros pueden estar presentes y pueden influir en el potencial neto.
2. Las variaciones de pH de la solución deben causar variaciones en el potencial neto
de la solución.
3. La temperatura debe influir el potencial ligeramente la corrección necesaria
usualmente del ser menor de 1 mV /°C.
Probablemente el tratamiento de agua emplea la medición de oxidación – reducción
en una mayor proporción que otro grupo de procesos, el potencial de oxidación – reducción
también es usado para controlar el flujo de cloro u otros agentes oxidantes en varios
procesos de blanqueado en la industria de la pulpa y papel, una amplia variedad de
aplicaciones existen través de la industria química, varios procesos de beneficio de mineral
emplean este método donde los niveles de oxidación y reducción son necesarios para una
misma separación.
184
2.6 ELEMENTOS FINALES DE CONTROL.
2.6.1 VÁLVULAS.
Dispositivo mecánico para controlar, retener, regular, o dar paso a cualquier fluido entubado.
•Partiendo por esta definición de Válvula, se analizaran las válvulas más comunes en el
mercado. Además en este análisis se verán las partes principales, algunas características y
su funcionamiento.
•Existen numerosos tipos de válvulas diseñadas para cierto tipo de uso, la mala elección de
estas puede llevar al mal funcionamiento y así acortar la vida útil, lo que conlleva a un
aumento excesivo de costos.
•En la selección de la válvula se requiere de los siguientes datos: Tipo de fluido, material,
presión, tipo de unión, temperatura, diámetro, etc.
•Debido a esto al seleccionar una válvula nos vemos en la necesidad de recurrir a catálogos
para ver algunas especificaciones técnicas como el peso, espacio disponible u otros
factores para así ver si concuerda con nuestros objetivos.
Válvula de control.La válvula automática de control generalmente constituye el último
elemento en un lazo de control instalado en la línea de proceso y se comporta como un
orificio cuya sección de paso varia continuamente con la finalidad de controlar un caudal en
una forma determinada.
Partes de la válvula de control.
Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son: la parte motriz
,servomotor o actuador y el cuerpo.
Cuerpo de la válvula: este está provisto de un obturador o tapón, los asientos del
mismo y una serie de accesorios. La unión entre la válvula y la tubería puede hacerse por
medio de bridas soldadas o roscadas directamente a la misma. El tapón es el encargado de
controlar la cantidad de fluido que pasa a través de la válvula y puede accionar en la
dirección de su propio eje mediante un movimiento angular. Esta unido por medio de un
vástago al actuador.
Hay gran variedad de estilos de cuerpos de válvula en general se clasifican por el tipo
de movimiento del obturador : movimiento lineal y movimiento rotatorio. Aunque el cuerpo de
la válvula tiene la función primaria de alojar los componentes internos y servir de soporte
mecánico para el obturador y los accesorios.
Actuador: el actuador también llamado accionador o motor, puede ser neumático,
eléctrico o hidráulico, pero los más utilizados son los dos primeros, por ser los más sencillos
y de rápida actuación. Aproximadamente el 90% de las válvulas utilizadas en la industria son
accionadas neumáticamente. Hay dos actuadores neumáticos básicos; en uno se utiliza
resorte y diafragma (fig 2) y el de pistón y cilindro. El actuador responde a la señal del
control automático y mueve las guarniciones de la válvula para variar el flujo.
Lo que se busca en un actuador de tipo neumático es que cada valor de la presión
recibida por la válvula corresponda una posición determinada del vástago. Teniendo en
cuenta que la gama usual de presión es de 3 a 15 lbs/pulg² en la mayoría de los ctuadotes
se selecciona el área del diafragma y la constante del resorte de tal manera que un cambio
185
de presión de 12 lbs/pulg², produzca un desplazamiento del vástago igual al 100% del total
de la carrera.
Los materiales de construcción son muy importantes para el cuerpo y las
guarniciones de las válvulas de control. Las piezas que hacen contacto con el flujo deben ser
compatibles en el aspecto de resistencia a la corrosión. La corrosión no es lo único que debe
preocupar por que la cavitacion en el cuerpo y las guarniciones puede producir muchos
daños. Por lo general ocurre con una gran caída de presión, aunque en realidad esto puede
suceder cuando casi se llega a la presión de vapor del fluido dentro del cuerpo. Esto puede
tener lugar en el punto de máxima velocidad del fluido cerca del asiento de la válvula.
Características de las válvulas.
Hay dos características de las válvulas, las inherentes y las instaladas.
INHERENTES.- Se refieren a la relación existente entre el flujo que pasa por la
válvula y la elevación del tapón, cuando AP es constante, a través de la válvula.
Válvula de abertura rápida: Máximo cambio de flujo a un pequeño viaje del vástago
( 2 posiciones
Válvula lineal: Varía linealmente el área del paso del fluido con variaciones del
movimiento del tapón.
Válvula de igual porcentaje: Al igual que la válvula lineal trabaja estrangulando el
flujo y no presenta un cierre hermético cuando el tapón está completamente pegado al
asiento.
FLUJO %
Gráfica 2.10 Carrera de válvula (%)
INSTALADAS: Si una válvula opera en un proceso y la AP a través de ella no es
constante, se dice que dicha válvula presenta características instaladas o de operación.
(2.33)
Q = √ (AP/ e)
Q = Flujo de fluido
ΔP = Caída de presión
186
C = Densidad del fluido
K = Constante de descarga
A = Área de paso
Relación caídas de presión .- Sirve para conocer las características de operación
de una válvula instalada.
(2.34)
Rp = ΔPv / ΔPs - ΔPv
Rp = Relación de caídas de presión
ΔPv = Caída de presión de la válvula (abierta)
ΔPs = Caída de presión total
ΔPs- ΔPv : Caída de presión en la línea cuándo la válvula está completamente abierta.
Selección de las válvulas de control.
a) Material del cuerpo: Se debe elegir de manera
corrosivos, etc
que registre fluidos abrasivos,
b) Tamaño de la válvula: La ΔP y Q son factores determinantes en la elección de un
tamaño apropiado de válvulas.
El factor usado para determinar el tamaño de una válvula es el coeficiente del flujo o
factor Cv.
Cv : Es el número de galones de U.S de agua / min. a 60° F que fluyen a través de
una válvula con su máxima abertura y con ΔP= 1 psi, medidos en las tuberías de entrada y
de salida directamente adyacentes al cuerpo de la válvula.
La fórmula básica para el flujo de líquidos es:
(2.35)
Q= KA √ (P1- P2 / G)
G = gravedad específica
G = 1 para el agua
Suponiendo ΔP = 1 psi
Q = KA
La ecuación expresa el flujo de agua a través de una válvula con una superficie de cuerpo A,
con ΔP = 1 psi. Sustituyendo Cv por ka.
(2.36)
187
Q = Cv √ (P1- P2 / G)
Las válvulas se denominan por el tamaño del conducto de sus conexiones. La
superficie de sus conexiones. La superficie máxima de flujo que pueden proporcionar debe
ser una magnitud del mismo orden que la del tamaño de la tubería.
El factor Cv que es un coeficiente de flujo cambia de la misma forma.
c) Características efectivas de la válvula.- Si un proceso presenta no linealidades, se
comportaría de forma estable para ciertos niveles de flujo e inestable para otros.
Ejemplo: Estable y lento para flujos grandes e inestable y rápido para flujos bajos. La
selección correcta de la válvula requiere de mucha experiencia en el campo.
d) El factor económico tiene gran importancia y por lo tanto debe tomarse en cuenta.
Gases.- El flujo para gases cuando T> 120° F viene dado por:
Q = 1360 Cv √ (ΔP P2 / G)
Q = Flujo (Ft3 /min)
ΔP = Caída de presión corriente abajo (psi)
P2 = Presion absoluta corriente abajo (psi)
Tf = Temperatura absoluta °R (°F + 460)
G = Gravedad específica
Para T entre 0° y 120° F :
Q = 60 Cv √ (ΔP P2 / G)
Flujo Crítico.- Cuando una válvula maneja gases o vapores, el gasto máximo que
permite pasar ocurre cuando la presión en la salida, medida en forma absoluta es
aproximadamente igual a la mitad en la presión de entrada.
Si la presión de salida es aún menor el flujo ya no aumenta si que permanece
constante, e igual al máximo.
En este último caso se dice que se tiene flujo crítico así:
Q = 1360 Cv √ (0.5 P1 ) 2 / G)
Q = 1360 Cv √ (0.5 P1 ) 2 / G)
¾ 120° F
188
¾ P2 < 0.5 Pi
¾ 0 -120°F
Para el gasto de vapor la ecuación es:
Q = 63.3 √ (0.5 P1 ) w
W = Densidad específica del vapor a la presión O. S Pi
2.6.2 TIPOS DE VÁLVULAS.
2.6.2.1 VÁLVULAS DE MARIPOSA.
El nombre de esta válvula viene de la acción tipo aleta del disco regulador de flujo, el
que opera en torno a un eje que esta en ángulo recto al flujo. Esta válvula obtura y regula. La
válvula de mariposa consiste en un disco (llamado también chapaleta u hoja), un cuerpo con
cojinetes y empaquetadura para sellamiento y soporte, un eje, y un disco de control de fluido.
Este tipo de válvula es recomendada y usada especialmente en servicios donde el
fluido contiene gran cantidad de sólidos en suspensión, ya que por su forma es difícil que
estos se acumulen en su interior entorpeciendo su funcionamiento.
Aunque estas válvulas son excelentes utilizándolas para control de fluido, su uso más
común es para servicio de corte y estrangulamiento cuando se manejan grandes volúmenes
de gases y líquidos a presiones relativamente bajas.
Para la estrangulación el disco se mueve a una posición intermedia, en el cual se
mantiene por medio de un seguro.
Figura 2.90 Válvulas de mariposa
Se pueden encontrar de extremos roscados, y para tamaños mayores con bridas.
Todas estas válvulas tienen limitaciones de temperatura debido al material de asiento y el
sello.
189
Figura 2.91 Válvula de mariposa.
El funcionamiento básico de las válvulas de mariposa es sencillo pues sólo requiere
una rotación de 90º del disco para abrirla por completo. Además, son válvulas de control muy
eficientes en comparación a las otras válvulas de control del tipo globo ya que la velocidad
de la corriente en el flujo no se pierde, porque el fluido circula en forma aerodinámica
alrededor del disco. El flujo en los asientos restringidos en las válvulas de globo y alrededor
del macho ocasiona grandes caídas de presión.
Válvulas de diafragma:
Las válvulas de diafragma se utilizan para el corte y estrangulación de líquidos con
gran cantidad de sólidos en suspensión, además desempeñan una serie de servicios
importantes para el control de fluido. Entre sus componentes principales tenemos el cuerpo,
el bonete y el diafragma flexible. Los dos tipos generales son:
Ö Válvulas de diafragma con cuerpo rectilíneo.
Ö Válvulas de diafragma con cuerpo tipo vertedero o Sauners.
En las válvulas de diafragma se aísla el fluido del mecanismo de operación o sea, los
fluidos no tienen contacto con las piezas de trabajo porque se produciría corrosión y fallaría
el servicio.
Las aplicaciones de este tipo de válvula son mayormente para presiones bajas y
pastas aguadas que a la mayoría de los demás equipos los corroerían y obstruirían. Cuando
la válvula se abre, se produce la elevación del diafragma quedando éste fuera de la
trayectoria de flujo y el líquido tiene un paso suave y sin obstrucciones. Cuando se cierra la
válvula, el diafragma asienta con rigidez contra un vertedero o zona circular en el fondo de la
válvula.
Los vástagos de las válvulas de diafragma no sufren torsión, solo poseen un
movimiento hacia arriba y abajo con la ayuda del pistón de compresión, el que a su vez se
puede mover con un brazo de palanca. Su duración depende de las presiones, temperaturas
y la frecuencia de las aperturas y cierres.
2.6.2.2 VÁLVULA DE CORREDERA
•Se utilizan para controlar líquidos a baja presión
•No se destinan a servicios donde se requiere un cierre hermético
190
•Se puede emplear en servicios en los que los líquidos o gases que pasan por la válvula
tienen alto contenido de sólidos.
•Los materiales de construcción de estas válvulas: aleaciones con bajo cromo, acero y acero
inoxidable.
•Tamaños desde 2 hasta 75in
Figura 2.92 Válvulas de corredera.
2.6.2.3 VÁLVULA EN ÁNGULO.
Son básicamente válvulas de globo que tienen conexiones de entrada y de salida en
ángulo recto. La formula de ángulo recto elimina el uso de un codo por que el flujo en el lado
de entrada esta en ángulo recto con la del lado de salida. Esta válvula permite tener un flujo
de caudal regular si existen turbulencias y es adecuada para disminuir la erosión cuando
esta es considerable por las características del fluido o bien por la excesiva presión
diferencial.El diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan, para
trabajar con grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen sólidos en
suspensión
•Su diseño es idóneo para fluidos que vaporizan
•Trabaja con grandes presiones diferenciales
•Fluidos que contienen sólidos en suspensión
•Materiales: Bronce, hierro fundido, hierro, acero forjado, inoxidable, Monel, PVC,
polipropileno, Penton y grafito impermeable
•
191
Figura 2.93 Válvula de control representativas
2.6.2.4 VÁLVULAS DE COMPUERTA.
Ésta válvula efectúa su cierre con un disco vertical plano, o de
forma especial, y que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su
disposición es adecuada generalmente para control todo-nada, ya que
en posiciones intermedias tiende a bloquearse. Tienen un alto porcentaje
de unidades en operación, algunas de sus ventajas y desventajas son:
•
•
No se prestan a un control preciso del flujo porque ocurre un
porcentaje anormal de cambio del flujo cuando está casi cerrada
y a alta velocidad.
No se destina para servicio de estrangulación porque la
compuerta y el asiento se erosionan con rapidez.
Figura 2.94 Válvula de
Compuerta.
192
Cuando están abiertas del todo, la mayor parte de las válvulas de compuerta
permiten flujo lineal en un conducto que tiene el mismo diámetro de la tubería.
Por lo general producen menor caída de presión en un sistema que cualquier otro tipo
de válvula.
Presenta muy poca resistencia al flujo de fluido cuando está en posición de apertura
total.
•
•
•
Elementos estructurales de la válvula.
z Los principales elementos estructurales de la válvula son: volante, vástago, bonete,
compuerta, asientos y cuerpo
Mecanismos de control de flujo.
z Son muchas las variantes en que se fabrican este tipo de válvulas para aplicaciones
especializadas.
z Estas válvulas se pueden clasificar, en general, por el tipo de elemento de control de
flujo utilizado.
Se diferencian unas de otras por:
z
z
z
z
Tipo de unión entre cuerpo y bonete (con hilo, apernada, soldada)
Tipo de vástago (con hilo externo o hilo interno)
Tipo de disco o compuerta (cuña de una pieza o de dos piezas)
Clasificación de la Norma API 600-1973:
Cuña 1 pieza.
z La cuña de una pieza es de fácil construcción, evita vibraciones y la
válvula puede colocarse en cualquier posición.
z Puede ser normal o flexible
Cuña dividida o de 2 piezas.
z Los 2 discos están en contacto entre sí mediante una unión de bola y
cuenca. Dado que los discos pueden girarse con independencia, se
adaptan a los cambios en los ángulos de los asientos y tienen buen
sellamiento y más duración.
z Se utiliza más en servicios corrosivos de baja presión.
Compuerta de doble disco.
z También se le conoce de cuchilla.
193
Tipos de vástago.
z Vástago no elevable, con rosca interna, tiene ventajas cuando hay poca altura.
z Vástago elevable con rosca externa que requiere más espacio libre, pero impide que
la rosca este en contacto con los fluidos del proceso.
z Vástago elevable con rosca interna, que expone la rosca del vástago a los líquidos
del proceso, por tanto, no se debe usar con líquidos corrosivos.
Tipo de bonete
z Bonetes con rosca interna o externa para válvulas pequeñas y servicio a baja presión.
z Bonetes con unión para válvulas pequeñas donde se necesita mantenimiento
frecuente.
z Bonetes con brida y atornillados para válvulas grandes y servicio a presión y
temperatura altas.
z Bonetes con abrazadera en válvulas para presión moderada, donde se necesita
limpieza frecuente.
z Bonetes sellados de presión para servicio con altas presiones y temperaturas.
z Bonetes con sello de pestaña para altas presiones y temperaturas.
z Bonetes con cierre de obturador para presión y temperatura altas.
Materiales
194
Tabla 2.25 Materiales de construcción de válvulas.
Métodos de sellado.
z En las válvulas de compuerta se requiere sellamiento en 4 lugares.
z Tres de ellos son para evitar fugas al exterior. (Dependen de las conexiones de
extremo, la unión entre el bonete y el cuerpo y alrededor del vástago).
z El cuarto es para restringir el escurrimiento del fluido, por lo general corriente abajo,
cuando está cerrada la válvula. (Depende de la cuña).
2.6.2.5 VÁLVULAS MACHO.
z Consisten en un cilindro o macho introducido en una cavidad correlativa en el cuerpo
de la válvula.
z Sus componentes básicos son: cuerpo, macho y la tapa.
z Se fabrican con diversos materiales: hierro fundido, acero, bronce, níquel, latón, PVC
y aleaciones resistentes a la corrosión.
z Sus tamaños van desde ¼ hasta 30 in.
z Capacidad de presión: hasta 5000 psi.
z Su operación es con ¼ de vuelta, al menos que tengan operador por engranes.
z Hay dos tipos principales de válvulas macho: lubricadas y no lubricadas.
195
Válvula macho lubricada.
z Para evitar las fugas entre la superficie del macho y el asiento en el cuerpo y reducir
la fricción durante la rotación.
z Se utiliza un lubricante para producir el cierre y su buen funcionamiento requiere un
programa de lubricación periódica.
z Las condiciones de operación están limitadas a las temperaturas y líquidos de
procesos para los cuales existe un lubricante apropiado.
z Se utilizan en la industria petrolera.
z Su ventaja es la operación rápida. Tiene una gama limitada de temperaturas según
sea el lubricante utilizado.
Válvula macho no lubricada.
z
Están disponibles en los tipos:
1. Elevable (para su operación se levanta en forma mecánica el macho
para facilitar la rotación).
2. Con camisa de elástomero (TFE) o revestimiento para el macho. (se
aplica como revestimiento-sello o por inmersión en el cuerpo rodeando
por completo el macho, eliminando la fricción).
Sus ventajas son: el cierre hermético, operación rápida, ausencia de problemas de
lubricación y amplia gama de temperaturas.
Categorías de válvulas macho.
z
z Son circulación rectilínea y orificios múltiples.
z El macho de circulación rectilínea es cónico o cilíndrico y los orificios de varios diseños:
•
•
•
•
•
Orificio redondo completo: abertura para toda la cavidad en el macho y
el cuerpo.
Orificio rectangular: posee orificios de tamaño completo, con una
apertura mínima del 70% del tamaño de la tubería.
Orificio de Venturi: tienen aberturas.
Orifico de rombo: la abertura del macho es en forma de rombo.
Orificios múltiples: simplifican la tubería.
Ventajas:
Ö
Ö
Ö
Ö
Ö
Ö
Ö
Ö
Operación rápida y sencilla.
Espacio mínimo para instalación.
Cierre hermético.
Principales servicios:
Apertura o cierre total sin estrangulación.
Tienen mínima resistencia al flujo.
Son para operación frecuente y tienen poca caída de presión.
Son ideales para manejar corrientes con alto contenido de sólidos, incluso
pastas muy espesas.
196
Ö Las válvulas lubricadas se usan para estrangulación aunque puede haber
abrasión si hay sólidos en el material que circula.
Ö Las válvulas no lubricadas no son recomendables para estrangulación, salvo
con caídas de presión menores, por el peligro de contracción y
aplastamiento de la camisa.
2.6.2.6 VÁLVULAS DE DIAFRAGMA.
Las válvulas de diafragma se utilizan para el corte y estrangulación de líquidos con
gran cantidad de sólidos en suspensión, además desempeñan una serie de servicios
importantes para el control de fluido. Entre sus componentes principales tenemos el cuerpo,
el bonete y el diafragma flexible. Los dos tipos generales son:
¾ Válvulas de diafragma con cuerpo rectilíneo.
¾ Válvulas de diafragma con cuerpo tipo vertedero o Sauners.
En las válvulas de diafragma se aísla el fluido del mecanismo de operación o sea, los
fluidos no tienen contacto con las piezas de trabajo porque se produciría corrosión y fallaría
el servicio.
Las aplicaciones de este tipo de válvula son mayormente para presiones bajas y
pastas aguadas que a la mayoría de los demás equipos los corroerían y obstruirían. Cuando
la válvula se abre, se produce la elevación del diafragma quedando éste fuera de la
trayectoria de flujo y el liquido tiene un paso suave y sin obstrucciones.
Cuando se cierra la válvula, el diafragma asienta con rigidez contra un vertedero o
zona circular en el fondo de la válvula. Los vástagos de las válvulas de diafragma no sufren
torsión, solo poseen un movimiento hacia arriba y abajo con la ayuda del pistón de
compresión, el que a su vez se puede mover con un brazo de palanca. Su duración depende
de las presiones, temperaturas y la frecuencia de las aperturas y cierres.
2.6.2.7 VÁLVULAS DE BOLA.
Son válvulas de macho modificadas.
z Sus principales componentes son: el cuerpo, el asiento y la bola.
z Tiene una bola con un orificio en un eje geométrico para unir las partes de entrada y
de salida del cuerpo.
z Se fabrican con una serie de materiales: hierro fundido, bronce, aluminio, acero al
carbono, latón, titanio, zirconio y aleaciones resistentes a la corrosión.
z Los tamaños comunes son de 1/8 hasta 42 in.
z Capacidad de presión: hasta 10 000 psi.
z Sólo requieren ¼ de vuelta para abrir o cerrar (en la posición abierta, el flujo es
rectilíneo y para cerrarla, se gira la bola 90°).
z No requieren lubricación y funcionan con un mínimo de torsión.
z Hay dos tipos básicos: de bola giratoria y la de elevación o de bola enjaulada
(producen cierre hermético).
z En base al diseño del cuerpo: entrada superior y entrada por el extremo o cuerpo
dividido.
197

Válvulas de entrada superior: la bola y los asientos se instalan por la parte
superior, los asientos están en ángulo.
Cuerpo dividido: la bola y los asientos se instalan desde los extremos.
z Los materiales para los asientos: son TFE, Nylon, buna-N y Neopreno, aunque su uso
esta limitado por las temperaturas.
z Los extremos del cuerpo: son de soldadura de enchufe, con brida o roscados, se
pueden cambiar con materiales de construcción.
z Las presiones que pueden controlar los asientos son menores que en la válvula de
compuerta o globo.
z La capacidad es reducida para presiones y temperaturas ocurre en tamaños de 2.5 in
o más grandes y con temperaturas superiores a 200-250 °F.
z Las válvulas de bola tiene orificios: completos, de venturi y de superficie reducida.
• Orificio completo: es igual al diámetro interior de la tubería.
• Orificio de Venturi: tiene superficies reducidas.
•
Orificio reducido: es de menor diámetro que la tubería.
Ventajas.
Ö
Ö
Ö
Ö
Ö
Ö
Ö
Ö
Se utilizan para servicio de corte.
Rápida operación.
Mantenimiento fácil.
No requieren lubricación
Producen cierre hermético con baja torsión
Su caída de presión es función del tamaño del orificio.
Capacidad para alto volumen de flujo.
El uso de orificios múltiples, permite ahorros en el costo de válvulas y
tuberías.Esta limitada a las temperaturas y presiones que permite el material
del asiento.No están limitadas a un fluido en particular. Se puede emplear
para vapor, agua, aceite, gas, aire, fluidos corrosivos, pastas aguadas y
materiales pulverizados secos.
2.6.2.8 VÁLVULAS EN Y.

Las válvulas en Y son una modificación de las válvulas de globo.
Tienen el conducto rectilíneo de una válvula de compuerta.
El orificio para el asiento está a una ángulo de unos 45º con el sentido de flujo. Por tanto,
se obtiene una trayectoria más lisa, similar a la de la válvula de compuerta.
Hay menor caída de presión que en la de globo convencional.
Tiene buena capacidad de estrangulación.
198
Componentes de la válvula en Y.

Sus componentes son: vástago, disco y anillo de asiento, como en las válvulas globo.
Figura 2.95 Válvula en Y.
Ventajas.
Es adecuada como válvula de cierre y de control.
Como válvula todo-nada se caracteriza por su baja pérdida de carga.
Como válvula de control presenta una gran capacidad de caudal.
Posee una característica de auto-drenaje cuando está instalada con un
cierto ángulo.
Ö Se emplea usualmente en instalaciones criogénicas.
Ö
Ö
Ö
Ö
2.6.2.9 VÁLVULAS DE RETENCIÓN.
Las válvulas de retención solo dejan pasar el agua, por lo tanto actúan como diodos
de flujo hidráulico mientras esta circule en un sentido determinado, cuando el agua invierte
este sentido, estas válvulas se cierran automáticamente impidiendo su tránsito. Las válvulas
de retención pueden ser:
•
•
•
•
•
•
•
•
De clapeta oscilante.
De bola.
De globo.
De diafragma.
Con <<by-pass>>.
Compensada.
De funciones múltiples.
Este tipo de válvula se usa en serie con las de compuerta y funcionan en posición
horizontal o vertical
199
•
•
•
•
La presión del fluido circulante abre la válvula; el peso del mecanismo de retención y
cualquier inversión en el flujo la cierra.
Existen distintos tipos de válvulas de retención y su selección depende de la
temperatura, caída de presión que producen y la limpieza de fluido.
Ciertas válvulas de retención se pueden equipar con pesos externos. Esto producirá
el cierre rápido del disco.
Este tipo de válvula se compone principalmente de asiento, cuerpo, disco, pasador
oscilante.
Ejemplos.
Válvulas de retención de inclinación del disco.
El punto del pivote del disco está de centro, una característica construida exacta para
retardar el cierre del disco. El diseño partido del cuerpo aumenta el área del flujo alrededor
del disco 40%, por lo tanto, es la pérdida principal más baja. El asiento es metal. Mínimo
tiempo de vida de la válvula 25 años. Disponible como cheque libre del oscilación; libere el
control abierto y ciérrese; o el control abierto y se cierra. Recomendado altamente para
eficacia máxima en estaciones de bombeo de la energía y del agua.
Válvulas de retención doblez de la puerta.
La longitud muy corta, da lugar a los costos más bajos para la compra y la instalación.
Las puertas dobles son por resorte para acción rápida no cierran de golpe el cierre contra el
asiento de goma en el cuerpo. Recomendado para las refinerías, plantas químicas de
Petróleo, y estaciones de bombeo de agua, cuerpo y puerta de acero, de bronce o
inoxidable.
Recomendada para:
•
•
•
Cuando hay cambios frecuentes de circulación en la tubería.
Para uso con válvulas de globo y angulares.
Para uso cuando la caída de presión a través de la válvula no es problema.
Aplicaciones:
•
Tuberías para vapor de agua, aire, gas, agua y vapores con altas velocidades de
circulación.
200
Aplicaciones.
Tabla 2.26 Aplicaciones de las válvulas.
Proceso en plantas de
bebidas, cervecerías,
refrescos, vitivinícolas, etc.
Líneas de conducción de
agua de riego, potable y
tratadas.
Plantas siderúrgicas, mineras,
Estaciones de bombeo, de
sistemas aire acondicionado.
riego, potable y tratadas.
Sistemas de vacío.
Plantas de proceso de aguas
industriales.
Plantas generadoras de
energía eléctrica.
Proceso en plantas
alimenticias.
Plantas de proceso
petroquímico.
Ventajas.
Ö Recorrido mínimo del disco a la posición de apertura total.
Ö Acción rápida.
Variaciones.
•
•
Tres tipos de cuerpos: horizontal, angular, vertical.
Tipos con bola (esfera), pistón, bajo carga de resorte, retención para vapor.
Materiales.
Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, PVC, Penton,
grafito impenetrable, camisa de TFE. Componentes: diversos
Figura 2.96 Interior de una válvula
201
Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento
1. La presión de la tubería debe estar debajo del asiento.
2. La válvula horizontal se instala en tuberías horizontales.
3. La válvula vertical se utiliza en tubos verticales con circulación ascendente,
desde debajo del asiento.
4. Si hay fugas de la circulación inversa, examinar disco y asiento
2.6.2.10 VÁLVULAS REGULADORAS AUTOMÁTICAS.
Existe gran variedad, viendo algunas tenemos:
Válvulas de venteo: este tipo de válvula suele utilizarse en acueductos para poder
desalojar el exceso de aire dentro de las tuberías, sin permitir la salida del fluido. Su
funcionamiento es mediante un flotador esférico que desciende para abrir y asciende con el
fluido hasta sellar contra la abertura superior. Está constituida por cuerpo, el que se
construye de hierro fundido, la esfera que es de acero inoxidable o bronce, el asiento de
teflón, neopreno o vitón, y las conexiones respectivas que son de hilo y flanges.
Válvulas reguladoras de temperatura: su finalidad es entregar el fluido a una
temperatura constante prefijada a la salida de la válvula, sin importar las variaciones que el
fluido puede tener a la entrada a la válvula.
Válvulas reguladoras de presión: el objetivo es mantener una presión constante
prefijada a la salida de la válvula, no obstante los cambios que pueda tener el fluido a la
entrada.
Válvulas reguladoras de seguridad y alivio: se usan para descargar la presión
excesiva creada por un fluido dentro de un recipiente, conforme a la presión máxima de
ajuste que tenga la válvula. Funcionan por medio de un elemento sensible a la presión
(resorte que mantiene la válvula cerrada mediante un disco y su asiento). Luego de
producirse la descarga de presión la válvula cierra automáticamente los materiales de
construcción para las válvulas antes mencionadas son:
¾ cuerpo: bronce, hierro y acero fundido.
¾ Disco y asientos: bronce, acero, acero inoxidable.
¾ Conexiones: hilos y bridas.
202
Tabla 2.27 Características generales de una válvula.
Tipo
Gama de tamaño Máxima presión
(Pulg)
(Psi)
Máxima
temperatura
(°F)
Material de
construcción
Retención
1/8 – 24
Hasta 10000
Hasta1200
Aleaciones
especiales, acero
inoxidable, acero,
bronce, hierro
Bola
1/8 – 42
Hasta10000
Hasta 1000
criogénica
Hierro, acero, latón,
bronce, acero
inoxidable; plásticos y
aleaciones especiales
Aguja
1/8 – 1
Hasta 10000
Hasta 500
criogénica
Bronce, acero, hierro,
acero inoxidable
Globo
1/2 – 30
Hasta 2500
Hasta 1000
Aleaciones
especiales, acero
inoxidable, acero,
bronce, hierro
Compuerta
1/2 - 48
Hasta 2500
Hasta 1800
Aleaciones
especiales, acero
inoxidable, acero,
bronce, hierro
Angulo
1/8 - 10
Hasta 2500
Hasta 1000
Aleaciones
especiales, acero
inoxidable, acero,
bronce, hierro
Hasta 2000
Hasta 2000
Materiales para fundir
o maquinar.
Camisas de plástico,
caucho o cerámica.
Hasta 5000
Hasta 600
Hierro, latón, acero,
acero inoxidable,
bronce; plásticos y
diversas aleaciones.
Disponibles con
camisas completas de
caucho o plástico
Mariposa
Macho
Hasta 30
203
Tabla 2.28 Listado de precios según empresa VALVULAS INDUSTRIALES (1998)
TIPO DE VALVULA
TAMAÑO (Pulg)
PRECIO NETO (Pesos)
BOLA BRONCE
1/4 - 4
$1.804 - $70.936
BOLA INOXIDABLE
1/4 - 3
$5.355 - $83.837
BOLA INOX. BRIDA
1 - 10
$31.185 - $ *
GLOBO BRONCE
1/4 - 4
$13.777 - $ *
GLOBO ANGULARES
1/2 - 2
$28.123 - $50.803
GLOBO INOXIDABLE
1/2 - 2
$17.101 - $54.131
COMPUERTA BRONCE
1/2 - 4
$5.920 - $107.240
COMPUERTA INOX
1/2 - 2
$15.284 - $48.838
COMPUERTA BRIDA
2 - 16
$138.600 - $ *
RETENCION BRONCE
1/2 - 4
$12.921 - $378.816
RETENCION INOX
1/2 - 3
$12.616 - $88.420
RETENCION BRIDA
2 - 12
$99.230 - $ *
SEGURIDAD
1/2 - 2
$46.305 - $158.466
CONO BRONCE
1/2 - 2
$16.979 - $100.842
CONO CON BRIDA
2-8
$188.108 - $3.652.091
CUCHILLA
3 - 18
$233.060 - $2.309.800
MARIPOSA
2 - 24
$21.149 - $ *
DIAFRAGMA BRIDA
1-8
$98.346 - $1.013.907
DIAFRAGMA R.GOMA
1-8
$81.802 - $2.539.749
SOLENOIDE 2 VIAS
1/2 - 2
$45.077 - $201.318
PURGA
1/4 - 2
$3.340 - $197.436
VENTOSA
1-2
$41.977 - $317.519
( * ): no poseen .
204
2.6.3 CONTROL AUTOMÁTICO O SERVOMOTORES.
Pueden ser de cuatro tipos:
–
–
–
–
Neumáticos (90% de uso en la industria).
Eléctricos.
Hidráulicos.
Digitales.
Los primeros dos son de respuesta rápida, gran capacidad de esfuerzo y sencillos
Servomotor neumático.
¾ Consiste en un diafragma con resorte que trabaja entre 3 y 5 psi.
¾ Al aplicar presión sobre el diafragma el resorte se comprime de tal modo que el
mecanismo empieza a moverse hasta llegar al equilibrio entre la presión del aire y el
esfuerzo del resorte
Servomotor eléctrico.
¾ Es un motor eléctrico acoplado al vástago de la válvula a través de un tren de engranaje
¾ El motor se caracteriza fundamentalmente por su par (esfuerzo realizado) y por el tiempo
requerido para hacer pasar la válvula de una posición abierta a cerrada
Servomotor eléctrico.
Existen básicamente tres tipos de circuitos eléctricos capaces de actuar sobre el motor.
– Todo-nada, Motor eléctrico unidireccional con dos interruptores de fin de carrera.
– Flotante, Motor eléctrico bidireccional con interruptores de fin de carrera, el interruptor
–
de controlador “flota” entre los dos contactos de accionamiento, se detiene cuando el
contacto móvil no toca ninguno de los fijos o si llega al final de su carrera.
Proporcional (Posición Variable), Motor bidireccional, relé de equilibrio y un
potenciómetro de equilibrio, se mueve se acuerdo al valor de la variable del proceso.
Servomotor hidráulico.
¾ Consiste en una bomba de accionamiento eléctrico que suministra fluido hidráulico a una
servoválvula.
¾ El líquido actúa sobre ambos lados de un pistón actuador, hasta conseguir la posición
exacta de la válvula.
¾ Es extremadamente rápida, potente, suave, cara.
¾ Solo se usa cuando no se puede emplear un servomotor neumático.
2.6.3 APLICACIONES:
Búsqueda de información bibliografica por parte del alumno, de acuerdo a la carrera
correspondiente
205

2.1 temperatura. - biblioteca upibi

Transcripción

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