Capitulo III

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

12. Métodos Visuales 2007

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

28. RELACION ENTRE ESCALAS 2007

29. CONVERSIONES 2007

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

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

32. Termómetros de Vidrio • Su bulbo relativamente grande en la parte mas baja del termómetro contiene la mayor cantidad del liquido el cual se expande cuando se caliente y sube por el tubo capilar en el cual esta grabada una escala apropiada con marcas, en la parte superior del tubo capilar se coloca en case de que el margen de temperatura del termómetro se exceda de manera inadvertida. • Los líquidos mas usados son el alcohol y el mercurio. El alcohol tiene la ventaja de poseer un coeficiente de expansión más alto que el del mercurio pero esta limitado a mediciones de baja temperatura debido a que tiende a hervir a temperaturas altas. El mercurio no puede usarse debajo de su punto de congelación de -38.78°F (-37.8°C). 2007

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

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

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

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

37. Termómetros de Resistencia • Rango: (platino) -200ºC a +500ºC • • Precisión: 0.2% • • PT100. Sensiblidad 0.385 ohmios/ºC • • Para medir la variación de resistencia en el detector se usan circuitos basados en el puente de Wheatstone 2007

38. Termistores • Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura: Semiconductores o cerámicos • Alta sensibilidad 100 ohmios/grado (la PT100: 0.385 ohmios por grado) • No lineal. Linealizar en torno al punto de trabajo • Rango de Tª pequeño. Útil para Tª ambiente • Muy baratos y pequeños (=> menor cte. de tiempo) • Menos precisión (a veces no interesa más) • Problemas de estabilidad • Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve aumentado a medida que aumenta la temperatura • Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos 2007

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

40. Tipos de Termopares • Tipo K (Cromo (Ni-Cr) / Aluminio (aleación de Ni-Al)): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a +1.200 ºC y una sensibilidad 41µV/°C aprox. • Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C. • Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 ºC ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC. • Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros. 2007

41. Tipos de Termopares Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 ºC). • Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1.800 ºC. El tipo B por lo general presenta el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje. • Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1.600 ºC. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado quitan su atractivo. • Tipo S (Hierro / Constantán): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.600 ºC, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C). • Tipo T: es un termopar adecuado para mediciones en el rango de -200 ºC a 0 ºC. El conductor positivo está hecho de cobre y el negativo, de constantán. 2007

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

43. Pirometros • Un pirómetro, también llamado pirómetro óptico, es un dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 grados celsius. Una aplicación típica es la medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o fundiciones. • Uno de los pirómetros más comunes es el pirómetro de absorción-emisión, que se utiliza para determinar la temperatura de gases a partir de la medición de la radiación emitida por una fuente de referencia calibrada, antes y después de que esta radiación haya pasado a través del gas y haya sido parcialmente absorbida por éste. Ambas medidas se hacen en el mismo intervalo de las longitudes de onda. • Para medir la temperatura de un metal incandescente, se observa éste a través del pirómetro, y se gira un anillo para ajustar la temperatura de un filamento incandescente proyectado en el campo de visión. Cuando el color del filamento es idéntico al del metal, se puede leer la temperatura en una escala según el ajuste del color del filamento. 2007

44. Pirometros 2007

45. CARACTERISTICAS MEDIDORES DE TEMPERATURA 2007

46. Consultas ???? 2007