2.3.1 CAUDAL

¿Qué es el caudal?

En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que pasa por el río en una unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

Principios de funcionamiento de los medidores

Es el fenómeno físico en que se basa el medidor, y es una característica de diseño. Para los medidores de caudal volumétricos, los principales sistemas son presión diferencial, área variable, velocidad, tensión inducida , desplazamiento positivo y vórtice. Para los másicos se deben destacar el sistema térmico y el sistema basado en la fuerza de Coriolis.

Aunque también podríamos decir que podemos clasificarlo de acuerdo a si es una corriente libre , o una corriente en tubería.

2.3 Características (según la variable de proceso).

Presión diferencial

Se deduce de la aplicación del teorema de Bernouilli. Mediante la interposición de un Diafragma , una Tobera, un tubo Venturi, un tubo Pitot o un tubo Annubar, se puede relacionar el cambio de velocidad y presión que experimenta el fluido con el caudal.

Diafragma: Consiste en una placa con un orificio que se interpone en la tubería. Como resultado de esta obstrucción existe una pérdida de carga, que es la que se mide por comparación con una sonda aguas arriba y otra aguas debajo de la instalación.

Toberas: En este medidor al igual que en el diafragma, se dispone de una toma de presión anterior y otra posterior, de manera que se puede medir la presión diferencial. La tobera permite caudales muy superiores a los que permite el diafragma (del orden de 60% superiores).

Venturi: La función básica de este medidor consiste en producir un estrangulamiento en la sección transversal de la tubería, el cual modifica las presiones, con la medición de este cambio es posible conocer el gasto que circula por la sección, el estrangulamiento de esta es muy brusco, pero la ampliación hasta la sección original es gradual.

Pitot: Mide la velocidad del flujo en un punto del fluido, consta de un hueco alineado con el flujo que se aproxima y está cerrado por uno de sus extremos con un tapón redondo que tiene un pequeño orificio en la línea central del tubo. El fluido dentro del tubo Pitot es estacionario, en tanto que el que se aproxima fluye alrededor de este.

Annubar: Es una mejora del tubo pitot, y se basa en medir la presión estática y la total. Con la diferencia que se obtiene la velocidad del fluido, y conociendo la sección se obtiene el caudal.

Área variable

Los medidores de caudal de área variable se deben instalar verticalmente. Su principio de funcionamiento se basa en un flotador que cambia de posición dentro de un tubo de área variable. El área del tubo es pequeña en la parte inferior y va aumentando hasta alcanzar la mayor sección en la parte superior.

Velocidad

Principalmente existen tres elementos para caudalímetros que basan su principio de funcionamiento en la velocidad del fluido: Los vertederos (para canales abiertos), las turbinas y las sondas ultrasónicas.

Los medidores de caudal tipo turbina se basan en un rotor que gira a una velocidad proporcional al caudal del fluido que pasa.

Dentro del grupo de los medidores rotativos, destacan el cicloidal, el birrotor y eloval.

Coriolis

Los medidores de caudal másico basados en este teorema son de dos tipos. El primer tipo consta de un tubo en forma de , el cual se hace vibrar perpendicularmente al sentido del desplazamiento del flujo.

El segundo tipo está formado por dos tubos paralelos; estos se hacen vibrar de forma controlada a su frecuencia de resonancia.

TérmicoLos medidores térmicos de caudal usan dos técnicas para la determinación del caudal másico. La primera es la elevación de temperatura que experimenta el fluido en su paso por un cuerpo caliente y la segunda es la pérdida de calor experimentada por un cuerpo caliente inmerso en un fluido.

Sensor de caudal con ruedas de paleta: se utiliza cuando los datos sobre el caudal deben trasmitirse como salida de impulsos. este sensor contiene un transductor que trasmite una señal de 0-100Hz.

Sensor de caudal de turbina: La alta precisión es la característica principal de este sensor. Mide con precisión el caudal de los líquidos transparentes sobre una amplia gama de caudales.

Medidor de caudal con fuelles de paleta: este tipo de disposición es ideal para utilizarse en aplicaciones donde la suciedad y los contaminantes de granos sólidos son una gran preocupación.

Medidor de caudal magnético: es utilizado en el análisis de líquidos difíciles y fangos

Sensor de caudal térmico compacto: utiliza el principio calorimétrico para monitorear en forma continua el caudal tanto de medios viscosos como de no viscosos.

Medidor de caudal de presión diferencial: estos medidores están diseñados para aplicaciones en ambientes difíciles.

Medidor de caudal de masa electrónico: mide caudales de gas.

Mide el estado de llenado de depósitos de:

a) líquidos

b) sólidos (polvo/granulados)

2.3.2 Nivel

• Medidores de nivel:

Medidores de nivel de forma directa

• Los instrumentos de medición directa se dividen en sonda, cinta, nivel de cristal e instrumentos d e flotador

Varilla o sonda:

• Consiste en una varilla o regla graduada, de la longitud conveniente para introducirla dentro del depósito. La determinación del nivel se efectúa por la lectura directa de la longitud mojada por el líquido. En el momento de la lectura el tanque debe estar abierto a presión atmosférica. Se emplea en tanques de agua a presión atmosférica.

Cinta y plomada:

Este sistema consta de una cinta graduada y un plomo en la punta. Se emplea cuando es difícil que la varilla tenga acceso al fondo del tanque. También se usa midiendo la distancia desde la superficie del líquido hasta la parte superior del tanque, obteniendo el nivel por diferencia.

Nivel tubular• Tubo de material transparente y

rígido conectado al depósito por dos bridas con dos válvulas manuales de corte.

• El liquido sube por el tubo hasta igualar al nivel del depósito

• Limitaciones:– No mucha presión– No Tª alta– No impactos– No líquidos que manchan

interior tubo• También de vidrio armado

– reflexión– refracción

Medidor de nivel tubular

Tubo de vidrio para líquidos limpiosModelo NDAMBRUNO SCHILING

MEDICIÓN POR PRESIÓN HIDROSTÁTICA

Manométrico: consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque. El manómetro mide la presión debida a la altura de líquido que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento. Sólo sirve para fluidos limpios, ya que los líquidos sucios pueden hacer perder la elasticidad del fuelle. La medición está limitada a tanques abiertos y el nivel viene influido por las variaciones de densidad del líquido.

Burbujeo: mediante un regulador de caudal se hace pasar por un tubo (sumergido en el depósito hasta el nivel mínimo), un pequeño caudal de aire o gas inerte hasta producir una corriente continúan de burbujas. La presión requerida para producir el flujo continuo de burbujas es una medida de la columna de líquido. Este sistema es muy ventajoso en aplicaciones con líquidos corrosivos o con Materiales en suspensión, ya que el fluido no Penetra en el medidor ni en la línea de conexión

Medidor de presión diferencial

• Tanque abierto: medidor de PP = γ·g·h

• Tanque cerrado: P=Pliq-Pdeposito

MEDIDOR DE NIVEL DE FLOTADOR:

Constituido por un flotador pendiente de un cable, un juego de poleas y un contrapeso exterior.

MODELOS: de regleta (el contrapeso se mueve en sentido contrario al flotador por una regleta calibrada), magnéticos (el flotador lleva dentro un imán y se desplaza moviendo una aguja indicadora).

6. Medidores de nivel.

• MEDIDOR POR ULTRASONIDOS:El tiempo entre la emisión de la onda y la recepción del eco es proporcional al nivel. Hay que evitar que existan obstáculos en el recorrido de las ondas. Son sensibles al estado de la superficie del líquido (espuma).

MEDIDORES DE NIVEL EN SÓLIDOSProblema: definir el nivel. No tiene por qué existir una superficie horizontal.

Se pueden usar algunos de los sensores que se usan para los líquidos y otros específicamente diseñados para sólidos.

Varilla Flexible.

La varilla flexible consiste en una varilla de acero conectada a un diafragma de latón donde está contenido un interruptor. Cuando los sólidos presionan, aunque sólo sea ligeramente en la varilla, el interruptor se cierra y actúa sobre una alarma.

Cono Suspendido.

El cono suspendido consiste en un pequeño interruptor montado dentro de una caja impenetrable al polvo, con una cazoleta o pieza pequeña de goma de la que está suspendida una varilla que termina en un cono. Cuando el nivel de sólidos alcanza el cono, el interruptor es excitado

Detector de niveles continuos

el instrumento se caracteriza por su sencillez puede emplearse en control de nivel pero debe ser muy robusto mecánicamente para evitar un posible rotura del conjunto dentro d el a tolva.

Nivel de bascula Una báscula es un instrumento para medir y equilibrar fuerzas (pesos), y comprende una serie de elementos esenciales tales como un medio por el cual se puede tomar y soportar la carga, que por lo general es un tanque, una plataforma, un gancho u otro método conveniente para contener la carga

• MEDIDOR RADIOACTIVO:

Consta de una fuente radioactiva que se instala en un lado del depósito. Al otro lado se coloca un medidor de radiación.

Son buenos para medir fluidos con alta temperatura, líquidos muy corrosivos, etc. porque no existe contacto.

Su aplicación se ve limitada por las dificultades técnicas y administrativas que conlleva el manejo de fuentes radioactivas.

• MEDIDOR CAPACITIVO:

Mide la variación de la capacitancia en un condensador cuando varía el medio dieléctrico entre sus placas.

El dieléctrico es el líquido. Al variar el nivel del líquido varía proporcionalmente la capacidad.

2.3.4 TEMPERATURA

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente o frío.

El uso de instrumentos de medición es primordial para el:1. Control de sistemas2. Regulación de ambientes de cultivación3. Modos de producción4. Preservación de materia

El siguiente diagrama es referido a los instrumentos de medida de temperatura y sus alcances.

Campos de aplicación usuales en el medio Termómetros

Instrumento que sirve para medir la temperatura. El más usual se compone de un bulbo de vidrio que se continúa por un tubo capilar y que contiene determinado elemento el cual su dilatación por efecto de la temperatura se mide sobre una escala graduada.

sistema Rango ºc

Termocupla -200..2800

S. De dilatación

-195..760

Termoresist_encias

-250..850

Termistores -195..450

Pirómetros de radiación

-40..4000

TERMÓMETRO DE VIDRIO • Funciona por la dilatación de un líquido alojado en un bulbo ,

que se visualiza en un capilar cuyo pequeño diámetro permite apreciar grandes variaciones de la longitud del fluido dilatado para un determinado volumen.

• La expresión del volumen total del fluido encerrado es: • V = Vo (1+ α Δt )

ERRORES 1. Los que se generan por la dilatación del tubo de vidrio.

2. Los que se deben al tiempo de inmersión del bulbo.

3. Los que se deben a la falta de uniformidad de la superficie transversal del capilar.

4. Los que se deben a la profundidad de inmersión , etc.

Termómetro de Gas a volumen constante

• En este instrumento la variable que mide la temperatura es la presión de un gas que se mantiene a volumen constante. Se ha escogido este termómetro como patrón porque los valores de la temperatura que se obtienen con él son independientes del gas utilizado.

TERMÓMETRO BIMETÁLICOS

• Se basa en la diferencia de dilatación de los metales tales como: AluminioBronce, Cobre , Laton , Níquel , Níquel Cromo , Monel , Acero , Aleación Hierro – Niquel(36%) llamada Invar , Porcelana , Cuarzo. El aluminio tiene el mayor coeficiente de dilatación de los mencionados.

• Se obtienen exactitudes del orden del 1% de la medición.

TERMOMETROS DE RESISTENCIA

• Los termómetros de resistencia o termómetros a resistencia son transductores de temperatura, los cuales se basan en la dependencia de la resistencia eléctrica de un material con la temperatura, es decir, son capaces de transformar una variación de temperatura en una variación de resistencia eléctrica.

• DETECTORES DE TEMPERATURA RESISTIVOS (RTD)

• Los detectores de temperatura basados en la variación de una resistencia eléctrica se suelen designar con sus siglas inglesas RTD (Resistance Temperature Detector).Dado que el material empleado con mayor frecuencia para esta finalidad es el platino, se habla a veces de PRT (Platinum Resistance Thermometer).

• Un termómetro de resistencia es un instrumento utilizado para medir las temperaturas aprovechando la dependencia de la resistencia eléctrica de métales, aleaciones y semiconductores (termistores) con la temperatura; tal es así que se puede utilizar esta propiedad para establecer el carácter del material como conductor, aislante o semiconductor.

El elemento de resistencia.- es un embobinado de material y calibre adecuadosLínea de conexión

Materiales usados normalmente en las sondasA) PLATINO • Es el material más adecuado desde el punto de vista de precisión y estabilidad, pero presenta el inconveniente de

su coste. En general la sonda de resistencia de Pt utilizadaa en la industria tiene una resistencia de 100 ohmios a 0ºC. por esta razón, y por las ventajosas propiedades físicas del Pt fue elegido este termómetro como patrón para la determinación de temperaturas entre los puntos fijos desde el punto del Oxigeno (-183ºC) hasta el punto de Sb (630'5).

B) NÍQUEL • Mas barato que el Pt y posee una resistencia más elevada con una mayor variación por grado, el interés de este

material lo presenta su sensibilidad; hay una falta de linealidad en su relación R - Tª. Efectivamente en el intervalo de temperatura de 0 a 100ºC, la resistencia de Niquel aumenta en un 62% mientras que el Pt solo aumenta en un 38%. Sin embargo los problemas relativos a su oxidación u otro tipo de deterioro químico, limitan su utilización e incluso ponen en peligro la reproducibilidad de sus medidas. Otro problema añadido es la variación que experimenta su coeficiente de resistencia según los lotes fabricados.

• C) COBRE • El cobre tiene una variación de resistencia uniforme en el rango de temperatura cercano a la ambiente; es estable

y barato, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad, ya que hace que las variaciones relativas de resistencia sean menores que las de cualquier otro metal. Por otra parte sus características químicas lo hacen inutilizable por encima de los 180ºC.

D) TUNGSTENO • Tiene una sensibilidad térmica superior a la del platino, por encima de 100ºC y se puede utilizar a temperaturas

más altas, incluso con una linealidad superior. Asimismo se puede hacer hilo muy fino, de manera que se obtengan resistencias de valor elevado, pero como consecuencia de sus propiedades mecánicas su estabilidad es muy inferior a la del platino. Las técnicas actuales de fabricación de láminas delgadas por evaporación , serigrafía u otro procedimiento ligado a la microelectrónica permiten depositar en superficies muy pequeñas resistencias de los materiales indicados anteriormente

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. El rango de temperatura de un pirómetro se encuentra entre -50 grados celsius hasta +4000 grados celsius. Una aplicación típica es la medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o fundiciones.

• Cualquier objeto con una temperatura superior a los 0 grados kelvin emite radiación térmica. Esta radiación será captada y evaluada por el pirómetro. Cuando el objeto de medida tiene una temperatura inferior al pirómetro, es negativo el flujo de radiación. De todas formas se puede medir la temperatura.

• 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

PIRÓMETROS DE RADIACIÓN

• Los pirómetros de radiación se fundamentan en la ley de Stefan - Boltzman que dice que la energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir

• W = s T4donde 1. W (potencia emitida) es el flujo radiante por unidad de área, 2. s es la constante de Stefan - Boltzman (cuyo valor es 5.67 10-8

W / m2 K4) y 3. T es la temperatura en Kelvin

Pirómetro óptico:• la temperatura del objeto (un

horno por ejemplo) se obtiene comparando el color de la llama con el del filamento de una lámpara eléctrica.

• La variable termométrica tiene que ver con la frecuencia de la luz, magnitud que determina el color de lo que vemos.

TERMOPAREs un dispositivo utilizado para medir temperaturas basado en la fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos. Es posible efectuar mediciones de temperatura muy precisas empleando termopares en los que se genera una pequeña tensión (del orden de milivoltios) al colocar a temperaturas distintas las uniones de un bucle formado por dos alambres de distintos metales. Para incrementar la tensión se pueden conectar en serie varios termopares para formar una termopila. Como la tensión depende de la diferencia de temperaturas en ambas uniones, una de ellas debe mantenerse a una temperatura conocida; en caso contrario hay que introducir en el dispositivo un circuito electrónico de compensación para hallar la temperatura del censor. Los termistores y termopares tienen a menudo elementos censores de sólo uno o dos centímetros de longitud, lo que les permite responder con rapidez a los cambios de la temperatura y los hace ideales para muchas aplicaciones en biología e ingeniería.