71 Instrumentación 2

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ

Departamento de Ingeniería Electrónica

INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

Profesor:Ing. Ángel Custodio PhD

Ahora se inicia el estudio de los medidores industriales mas importantes.

Este tema se clasifica en cinco sub-temas:

a)Medidores de Presión.b)Medidores de Caudal.c)Medidores de Nivel.d)Medidores de Temperatura.e)Medidores de variables físicas y químicas.

En este semana el objeto es enfocarse en los medidores de presión y caudal

INGENIERÍA ELECTRÓNICA – INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

5ta sesión de clase.Tema a tratar: Medidores Industriales (Tema 5)

TEMA 4: INSTRUMENTOS DE MEDICION


SUMARIO

TEMA 4: Instrumentos de Medición

Términos básicos en la instrumentación Clasificación de los instrumentos

TEMA 5: Medición de Presión

Principios básicos Medidores de presión Instalación de medidores de presión Galgas extensométricas Celdas de carga

TEMA 6: Medición de Caudal

Bases teóricas Medidores de Presión Diferencial Sensores de área variable Sensores de Caudal de Velocidad Sensores de Placa Desplazamiento PositivoMedidores de TurbinaFlujómetros electromagnéticosMedidores de nivelSelección de sensores



INTRODUCCIÓN

No es suficiente el manejo de una misma simbología para poder comprender los proyectos de instrumentación industrial. También es necesario discutir y conversar utilizando los mismos términos y definiciones. En este capitulo se describen estas definiciones y posteriormente se establece una clasificación de la instrumentación industrial.



PRE-REQUISITOS


Resulta útil tener presente la terminología básica de mediciones industriales referente a sensores y a la medición como técnica de cálculo.

COMPETENCIAS

Habiendo estudiado y analizado el contenido descrito a continuación, el alumno estará en posición de identificar y definir los diversos sensores utilizados en la medición industrial así como determinar cuándo y dónde implementar cada uno de ellos.


TEMA 4: INTRODUCCIÓN: DEFINICIONES GENERALES, CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS

DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS

Medición: Es la extracción de información de las variables o parámetros que actúan en los procesos o sistemas.

Rango o Campo de Medida: Espectro de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior o inferior de la capacidad de medida o de transmisión de instrumento. Esta representado por dos valores extremos. Ejemplo: Un termómetro que mide entre 29 y 45 ºC.

Alcance: Es la diferencia algebraica entre los valores extremos del rango. El alcance expresa con un solo numero, dado en unidades del proceso. Ejemplo: 16 ºC. El alcance también es conocido con los términos Gama o Amplitud, y con el termino Span del idioma ingles.




Características Estáticas: Son aquellos que deben considerarse cuando el instrumento es usado para medir una condición que no varia con el tiempo, o sea, en condiciones de régimen permanente. Error estático: Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida. Sensibilidad: Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, viene dada en tanto por ciento de la amplitud. Zona Muerta: Es el campo de valores de la variable que no hacen variar la señal de salida del instrumento. Se expresa en tanto por ciento de la amplitud.




Repetitividad: Es la capacidad de reproducción de las precisiones del indicador del instrumento, al medir repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación, recorriendo toda la gama. Se considera en general su valor máximo y se expresa en tanto por ciento de la gama.

Precisión: Representa la tolerancia de medidas o de transmisión del instrumento y define los limites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea con condiciones normales de servicio. Existen varias formas de expresarlos:

Tanto por ciento del alcance. Tanto por ciento del Rango máximo. Tanto por ciento de la lectura efectuada. Directamente, en unidades de la variable medida.




Velocidad de Respuesta: Es la rapidez con la cual el instrumento responde a cambios en la cantidad medida.

Retardo de Medición: Un retardo en la respuesta del instrumento a cambios en la variable medida.

Tiempo Muerto: Es un tipo de retardo donde el instrumento comienza a responder solamente cuando la variable ha cambiado en una magnitud lo suficientemente grande para vencer la inercia. El tiempo muerto depende de la velocidad con que la variable medida cambie y de la zona muerta del instrumento.




Error Dinámico: Es la diferencia entre el valor real de la cantidad que esta variando con el tiempo y el valor indicado por el instrumento, si se asume que no hay error estático.

Hay error dinámico en todos los instrumentos, ya que se enfrentan a una transferencia de energía que requiere tiempo. Constituye un error adicional al error estático.

Fidelidad: Es el grado de acercamiento con el cual un instrumento indica los cambios en la variable medida sin aparecer errores dinámicos.




Deriva: Es una variación en la señal de salida del instrumento producida por una variable ajena al proceso medido. Típicamente es atribuida a condiciones ambientales. Ejemplo 25 mV/ ºC para instrumentos electrónicos. En la figura se representa el aporte aditivo a la salida debido al calentamiento del instrumento.




Histéresis:

Es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el indicador del instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los sentidos ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento de la gama del instrumento. En todo caso el valor presentado en el indicador del instrumento depende de los valores precedentes.

Típicamente la respuesta de un instrumento a la variación de la señal de entrada en sentido ascendente o descendente presenta una combinación de histéresis más banda muerta, por lo que para obtener el valor de histéresis, se debe primero conocer su banda muerta, y luego determinar la diferencia, véase la siguiente figura.



CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS

Si observamos detenidamente la norma ISA-S5.1 puede observarse que los instrumentos se clasifican según los siguientes parámetros:

a)Según la variable que miden. Se tienen instrumentos para medir presión, caudal, nivel, etc.

b)Según su función. es el caso de para qué se utiliza el instrumento, es decir, indicador, elemento primario, registrador, transmisor, elemento final de control, controlador, interruptor, etc.



CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS

En el primer caso se tiene la clasificación típica de los medidores, mientras que el segundo caso tiene que ver con la estructura de los lazos de control, es decir:


TEMA 5: MEDICION DE PRESION

PRINCIPIOS FÍSICOS

Es la fuerza normal que se ejerce sobre una cierta área, y se mide en unidades de fuerza por unidad de área. Su fórmula es:

PRESIÓN

A

FP

Esta fuerza se puede aplicar a un punto en una superficie o distribuirse sobre esta. Cada vez que se ejerce esa fuerza, se produce una deflexión, una distorsión o un cambio de volumen o dimensión. Las mediciones de presión pueden ser desde valores muy bajos (como el vacío), hasta miles de toneladas por unidad de área.

Otros conceptos importantes son los de presión manométrica y gravedad específica



PRINCIPIOS FÍSICOS

Se llama presión manométrica a la diferencia entre la presión absoluta o real y la presión atmosférica. Muchos de los aparatos empleados para la medida de presiones utilizan la presión atmosférica como nivel de referencia y miden la diferencia entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica, llamándose a este valor presión manométrica.

Su fórmula es:

PRESIÓN MANO MÉTRICA

Presión manométrica = gh = h

Los aparatos utilizados para medir la presión manométrica reciben el nombre de MANÓMETROS.



PRINCIPIOS FÍSICOS

Es el cociente entre la densidad de una sustancia dada y la densidad del agua, cuando ambas sustancias están a la misma temperatura; por lo tanto, es una cantidad sin dimensiones.

Su fórmula es:

GRAVEDAD ESPECÍFICA



PRINCIPIOS FÍSICOS

Presión absoluta: Es la presión ejercida por la atmósfera terrestre.

Presión relativa: Es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se efectúa la medición (punto B). Hay que señalar que al aumentar o disminuir la presión atmosférica, disminuye o aumenta respectivamente la presión leída (puntos B’ y B’’).

Presión diferencial: Es la diferencia entre dos presiones (punto C y C’).

Vacío: Es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión medida por debajo de la presión atmosférica (puntos D, D’ y D’’).

CLASES DE PRESIÓN. La presión puede medirse en valores absolutos o diferenciales. En la siguiente diapositiva se indican las clases de presión que los instrumentos miden comúnmente en la industria.



PRINCIPIOS FÍSICOS

CLASES DE PRESIÓN..



PRINCIPIOS FÍSICOS

UNIDADES DE PRESIÓN. La presión es una fuerza por unidad de área y puede expresarse en unidades tales como kg./cm 2 , psi (libras por pulgada cuadrada), bar y atmósfera. Si bien la unidad normalizada es el Pascal (Newton por metro cuadrado y de símbolo Pa).

En la tabla se muestran las equivalencias entre estas unidades.

PsiAtmósfer

akg/cm2

cm c. de

a.Bar Pa

Psi 1 0,0680 0,0703 70,31 0,0685 7142

Atmósfera 14,7 1 1,033 1033 1,01311,01x10

5

kg/cm2 14,22 0,9678 1 1000 0,98 98100

cm c. de a. 0,0142 0,00096 0,0010 1 0,0009 100

Bar 14,5 0,987 1,02 1024 1 105

Pa 0,000140,987x10-

5

0,102x10

-40,01 10-5 1

Denominaciones diversas: Psi = lbf/in2

Psia = presión absolutaPsig = presión manométricaPsia = psig + presión atm.



PRINCIPIOS FÍSICOS

CLASIFICACION DE SENSORES DE PRESIÓN.

En aplicaciones industriales los instrumentos de presión se clasifican en tres grupos: Mecánicos, electromecánicos y eléctricos o electrónicos.

Los mecánicos utilizan directamente elementos que se rigen por las leyes de la mecánica por efecto de la variación de presión.

Los electromecánicos utilizan la combinación de un elemento mecánico combinado con un transductor eléctrico que genera la señal eléctrica proporcional a la presión medida.

Los eléctricos y electrónicos utilizan principios eléctricos o electrónicos para medir la presión.



MEDIDORES DE PRESIÓN

MANÓMETRO DE COLUMNA LÍQUIDA

Este está hecho de vidrio o de alguna otra clase de tubo transparente con una perforación interna de un diámetro de ¼ “ o mas, y un espesor de pared adecuado que soporte la presión de diseño de dicho manómetro.

Aplicando las leyes de la hidrostática al manómetro se tiene:

Para la escala leemos la distancia entre los niveles de los brazos, “h”

El principio de acción de estos aparatos está basado en el equilibrio hidrostático de una presión, con la presión ejercida por una columna de líquido. El más común es el manómetro en U.



MANÓMETRO DE COLUMNA LÍQUIDA

El tubo en U clásico tiene el problema de que varían las escalas simultáneamente. Una forma de corregirlo es usando el tubo en U tipo pozo como muestra la figura:




MANÓMETRO DE TUBO BOURDON

La ley de deformación del tubo Bourdon es bastante compleja y ha sido determinada empíricamente a través de numerosas observaciones y ensayos en varios tubos.

El tubo Bourdon, desarrollado por Eugene Bourdon en 1949, consiste en un tubo metálico de sección transversal no circular, obtenido a base de aplanar un tubo de sección circular, que tiende a recuperar dicha forma cuando se aplica una diferencia de presión entre el interior y el exterior.

Si se ciega el tubo por un extremo, y se empotra rígidamente el otro, esta tendencia a recuperar la sección transversal provoca un desplazamiento del extremo libre. Por lo tanto este instrumento sirve para presiones relativas y presiones de vacío usando un método directo de medida.





El medidor tipo Bourdon es el que mas frecuente se utiliza en medida de presión, ya que es un instrumento extremadamente simple y robusto.

El Bourdon laminado en C se usa mayormente en aquellos casos en que los medidores de presión están conectados directamente a las vasijas y líneas del proceso, para indicación local de presión.

En la figura se muestran las partes fundamentales del tubo Bourdon y las configuraciones principales del tubo.

El movimiento de la punta del Bourdon se traduce mediante engranajes y piñones a un apuntador o registrador.

El tubo puede ser hecho de una variedad de metales incluyendo aleaciones de acero tipo 4130, acero inoxidable de tipo 316 y 403, cobre al benlum, K monel, monel, y bronce fosforoso.

El material seleccionado determina el rango y la resistencia a la corrosión del tubo. Un espiral de bronce, por ejemplo, es efectivo para presiones hasta de 400 psi, pero uno de acero puede manejar hasta 4000 psi.





Criterios para la selección de manómetros tipo Bourdon

Cada fabricante ofrece guías de selección de sus productos. En forma general son tres los criterios fundamentales a tomar en cuenta en la selección del medidor:

Características del proceso: Limpio, corrosivo, líquido, gas, etc.Fuerza y margen de medida.Velocidad de respuesta del proceso.

Guía de selección según el material de

construcción

En el caso del material, la siguiente guía puede ser útil.




EJEMPLO DE MANOMETRO DE PRESIÓN

ENUNCIADO: Se desea medir la presión en una tubería desde 0 a 15 psi usando un medidor de columna líquida. Dimensione el equipo para obtener una presión de 8 bits.

Si se dimensiona un equipo como el indicado en la figura se tiene:

Si se utiliza agua:P1 = ρg(h - h1)P2 = ρg(h + h2)

Siguiendo el circuito hidrostático:P1 – P2 = ρg(h - h1) - ρg(h + h2)P1ma nométrica = ρg(h - h1) - ρg(h + h2) P1ma nométrica = - ρg(h1 + h2)

La altura máxima necesaria de la columna será (h1 + h2) cuando la presión sea máxima:

Para el agua

Para el mercurio



EJEMPLO DE MANOMETRO DE PRESIÓNPara dimensionar h1 y h2 se debe tener en cuenta que el volumen desplazado por P1 es igual al volumen que sube en A2, por lo que tomando una tubería cilíndrica:

V1 = V2h1A1=H2v2

Si se quiere una resolución de 8 bits, se obtendrá: 76 cm /256 = 0,3 cm en la medida, es decir:

h1max = 0,3 cm h2max = 75,7 cm

Luego, si la tubería mas delgada mide 0,5 cm de diámetro se obtendrá:



ESPIRAL

El Bourdon en espiral se hace doblando el tubo en forma espiral. Esto produce un desplazamiento angular por unidad de presión mucho mas alto que el C. El Bourdon helicoidal tiene la mismas ventajas, con una punta de viaje mas plana que el espiral.

HELICOIDAL

ESPIRAL




DIAFRAGMA

El diafragma consiste en una o varias cápsulas circulares concéntricas conectadas rígidamente entre sí por soldadura, formando un disco, de forma que al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas.

El sistema se proyecta de tal modo que, al aplicar presión, el movimiento se aproxima a una relación lineal en un intervalo de medida lo más amplio posible con un mínimo de histéresis y de desviación permanente en el cero del instrumento.

El diafragma se fija en su perímetro, aprovechándose el desplazamiento en el centro. El material del diafragma es normalmente aleación de níquel o inconel. Se utiliza para pequeñas presiones.




FUELLE

El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.

Hay que señalar que los elementos de fuelle se caracterizan por su larga duración, demostrada en ensayos en los que han soportado sin deformación alguna millones de ciclos de flexión. El material empleado para el fuelle es usualmente fosforoso y el muelle es tratado térmicamente para mantener fija su constante de fuerza por unidad de compresión.

Se emplean para pequeñas presiones. El material empleado para los fuelles es latón o acero inoxidable. Se utilizan para la medida y el control preciso de bajas presiones, a las que puedan afectar las variaciones en la presión atmosférica.




INSTALACIÓN DE MEDIDORES DE PRESIÓN

El Sifón es un elemento que se instala entre el medidor y la tubería con el fin de separar o aislar el material que fluye por la tubería del propio medidor. En forma general se utiliza para la condensación de vapores mediante el agregado de una cantidad de agua en su interior.

El retardador o pulsation dampener se utiliza cuando el material por la tubería genera mucha vibración, de tal forma que la misma no se vea reflejada en el medidor

Y diafragma que se utiliza preferentemente para fluidos corrosivos, aislando físicamente el mismo del medidor.




CONSIDERACIONES ADICIONALES DE LA INSTALACIÓN

También se pueden acoplar elementos electrónicos para digitalizar la señal del manómetro clásico:

Muchas veces se suelen usar manómetros de glicerina para evitar las vibraciones en la tubería.




EQUIPOS DE CALIBRACIÓN

A continuación se muestra el esquema de un calibrador mecánico

CALIBRADOR MECÁNICO OFRECIDO POR OMEGA



GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS

Se basan en el efecto piezorresistivo. La diferencia es que ahora se busca modificar la resistencia variando algunos de los parámetro de la resistencia, por ejemplo, su longitud l o su sección transversal A.

Si a una pieza de material resistivo se le aplica un esfuerzo, esta se deformará, y cambiará su resistencia. Por tanto, este tipo de sensores se utiliza para medir fuerza o presión, aunque también puede aplicarse a la medida de desplazamientos pequeños.

Todo material al que se le aplica un esfuerzo se deformará en mayor o menor grado, y llegará a un punto en que se romperá. Esta relación esfuerzo vs. deformación se muestra en la siguiente gráfica.

Los principales problemas de las galgas son:

Cuidar el margen elástico.El esfuerzo debe ser

totalmente transversal a la galga.La temperatura altera su

valor.

Las galgas se pueden aplicar a:

Medida de fuerza.Medida de presión.Medida de desplazamientos

pequeños.Medida de vibración.



CELDAS DE CARGA

Las celdas de cargas son arreglos de galgas extensométricas dispuestas en puente de wheastone preferiblemente, y utilizadas para medir peso.

Para ello se disponen las galgas en estructuras flexibles que puedan registras su deformación. Conforme mayor sea el peso se utilizan estructuras mas rígidas como el acero.


TEMA 6: MEDICIÓN DE CAUDAL: MEDIDORES VOLUMÉTRICOS (PRESIÓN DIFERENCIAL, ÁREA VARIABLE, VELOCIDAD, FUERZA,

TENSIÓN INDUCIDA, DESPLAZAMIENTO POSITIVO)

Se define flujo o caudal a la relación entre la cantidad que circula por unidad de tiempo por una sección de un proceso ó sistema.

El caudal puede ser: volumétrico o másico

No existe una unidad específica para representar el caudal. Se emplea unidad de volumen / unidad de tiempo ó unidad de masa/unidad de tiempo según se trate de caudal volumétrico ó másico.

Asociado a la variable caudal está la variable cantidad que matemáticamente se determina como la integral con respecto al tiempo del caudal.

MEDICIÓN DE CAUDAL




Los sensores de caudal volumétrico son de:

Presión DiferencialÁrea variableVelocidad FuerzaTensión inducida Desplazamiento positivoTurbina.

MEDICIÓN DE CAUDAL




Los medidores de caudal volumétricos determinan el caudal en volumen del fluido, directamente en los metros de desplazamiento positivo ó indirectamente por deducción en el resto.

Los medidores de caudal másico pueden ser :

TérmicoDe momentoPar giroscópicoDe presión diferencial

En la industria los instrumentos más comunes para la medida del caudal volumétrico son los de presión diferencial.

MEDICIÓN DE CAUDAL




Se basa en el hecho de que el paso de un fluido por una restricción cualquiera produce una diferencia de presión entre la parte anterior y posterior de la misma.

La medición de esta diferencia de presión permite obtener de forma indirecta el caudal que está circulando.

Las expresiones que permiten calcular el caudal se obtienen a partir de la aplicación del Teorema de Bernoulli a una tubería horizontal.

MEDIDOR POR PRESIÓN DIFERENCIAL





Si Pa, Pc y Va, Vc son las presiones absolutas y velocidades en la zona anterior y posterior de la restricción donde el fluido llena todo el conducto y en la vena contraída y Sa y Sc son las secciones transversales correspondientes, entonces:Donde el primer término es energía cinética, el segundo es trabajo y el tercer término no se coloca por que es energía potencial la cual es cero si se asume la tubería horizontal. Siendo wo el peso específico del fluido, supuesto que no varía.





También se tiene la ecuación de continuidad: (caudal que entra es igual al que sale)

SaVa = ScVc

Despejando la velocidad de la ecuación de continuidad tenemos:

Ahora se despejan las presiones y velocidades de la ecuación de Bernouli y se sustituye la ecuación anterior en el resultado quedando:





Como

Luego

Finalmente, como :





Y definitivamente se llega a la siguiente expresión del caudal volumétrico para fluidos ideales incompresibles:

HKw

hKQ

OV

4

2

1

2

4

D

d

gdK

ca PPh

H es la diferencia de alturas

El valor en el denominador de K, dentro de la raíz se denomina velocidad del coeficiente aproximación o E, y la relación se diámetros se le denomina Beta

DONDE





Las fórmulas anteriores son aproximadas. Deben considerarse factores de corrección que tienen en cuenta el reparto desigual de velocidades, la contracción de la vena del fluido, las rugosidades de la tubería, el estado del líquido, del gas, del vapor, etc.

Estos factores se engloban en CJ, llamado coeficiente de descarga, donde C = coeficiente de caudal y J = factor global de corrección (viscosidad, rugosidad, etc.).

Los valores de C y J son determinados experimentalmente en función del número de Reynolds. El factor de descarga C suele valer 1 para venturi y toberas, pero 0,6 para placas orificio.

De esta forma, la expresión del caudal volumétrico queda como:

Los elementos de restricción más utilizados son:

La placa-orificio (plato-orificio ó diafragma)La tobera El tubo venturi.









Placa-Orificio

Es una placa perforada instalada en la tubería. La presión diferencial que se produce es captada mediante dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la placa. Dicha presión diferencial es proporcional al cuadrado del caudal.

El orificio de la placa puede ser:

SEGMENTAL

CONCÉNTRICO

EXCÉNTRICO

Los dos últimos se utilizan para medir caudales de fluidos que contengan una pequeña cantidad de sólidos y gases





Placa-Orificio

SEGMENTADO INFERIOR

EXCÉNTRICO INFERIOR

Orificio excéntrico superior para líquidos con gas.

Orificio Excéntrico inferior para gas con líquido o líquidos con sólidos.

Segmentado superior para líquidos con gas.

Segmentado inferior para vapor con líquido o líquido con sólidos.

SEGMENTADO SUPERIOR

EXCÉNTRICOSUPERIOR





Placa-Orificio

Consideraciones prácticas para su dimensionamiento

Para el dimensionamiento de todos los medidores de caudal por presión diferencial se suelen usar normas ISA, las cuales son complejas y difíciles de llevar. Un método aproximado para dimensionar el diámetro del orificio se da a continuación:

a) Utilizando la curva C y con la temperatura del fluido, se determina el factor de área E

b) Utilizando la tabla incrustada se determina la constante la tubería R. Para ello, se utiliza el diámetro interior de la tubería I.D





Placa-Orificio


c) Se define la presión diferencial a través de los orificios en H2O” = hd) Se calcula la gravedad específica del líquido a la temperatura de operación.

Gf.

e) Se calcula la gravedad específica del líquido a la temperatura de 15.6 °C. Gt

f) Se fija el caudal máximo en galones por minuto GPMg) Si el líquido se determina el factor de flujo Z mediante la siguiente ecuación:

t

f

GGPM

hGERZ

663,5





Placa-Orificio


h) Si el fluido es vapor aun deben determinarse los siguientes items:i) De la curva B se calcula el factor de comprensibilidad Y. Pero antes se debe

determinar el radio de perdida de presión X, mediante la ecuación X = h/(2Pf), donde Pf es la presión que fluye en PSIA

j) Se determina el Volumen específico (ft3/lbm) utilizando las tablas de vapor del agua.

k) Ahora se determina el factor de flujo Z usando la ecuación:

V

h

hrlbm

ERYZ

/

9,358





Placa-Orificio


l) Si el fluido es gas aun falta determinar la gravedad específica del gas (aire = 1) G y la temperatura con que fluye en gas data en °R = °F + 460 (Tf)

m) Ahora se utiliza la ecuación

Donde SCFH = Standard cubic feet hora.

f

f

GT

hP

SCFH

ERYZ

7727

Para el vapor y el gas, el valor de h expresado en pulgadas de agua debería ser igual o menor que Pf expresado en PSIA.





Placa-Orificio


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Tubo Venturi

El tubo venturi tiene una forma de dos conos truncados unidos por una sección cilíndrica por su diámetro menor, ubicándose una toma en la entrada y la otra en la sección cilíndrica.

Permite la medición de caudales 60% superiores al plato-orificio en las mismas condiciones de servicio y con una pérdida de carga de 10 a 20% de la presión diferencial.

Permite el paso de fluidos con un contenido relativamente alto de sólidos, si bien los sólidos abrasivos pueden afectarlos.





Tubo PITOT

El tubo PITOT mide la diferencia entre la presión total y la presión estática, o sea, la presión dinámica, la cual es proporcional a la velocidad.

La ecuación que se cumple en este caso es :

g

V

w

P

w

P

2

2121

donde :P2 : Presión de impacto o total absoluta en el punto donde el líquido anula su velocidad.P1 : Presión estática absoluta en el fluido.W : Peso específico.V1 : Velocidad del fluido en el eje del impacto.

De esta expresión se obtiene :

w

gPP

V

2)( 12

1




MEDIDOR POR PRESIÓN DIFERENCIALTubo Annubar. Se compone de cuatro partes esenciales:

1. La sonda de alta presión con cuatro orificios encarados al flujo. Basado en los cálculos de Chebychef, relativos a las medidas de circulación del fluido, cada orificio capta una presión generada por la velocidad del flujo en cada uno de los cuatro segmentos iguales.

2. El tubo de interpelación colocado en la sonda de alta presión transmite la media de las presiones detectadas por los cuatro orificios a la cámara de alta presión del transmisor electrónico de presión diferencial. Esta media es la suma de presiones debidas a la velocidad y a la presión estática.

3. El orificio posterior capta la baja presión. La diferencia entre la alta presión del tubo de interpelación y la baja presión del orificio es proporcional, según la teoría de Bernoulli, al cuadrado del caudal. En ciertos tipos de Annubar el orificio posterior está situado en la sonda de alta presión, mientras que en otros esta presión se capta mediante un tubo situado detrás de la sonda.

4. La cabeza de conexión transmite la presión diferencial al transmisor electrónico.

Este tubo es una mejora del tubo pitot ya que para su instalación no se requiere cortar el tubo sino simplemente hacer una perforación.

El Annubar substituye con ventaja al Pitot, por su fácil instalación y la posibilidad de montarlo en tuberías existentes sin gran obra.




SENSORES DE ÁREA VARIABLE

Los sensores de área variable para la medición de caudal son los rotámetros, en los cuales un flotador cambia su posición dentro de un tubo en dependencia de la magnitud del flujo de fluido por el mismo.

Sobre el flotador actúan tres fuerzas:

F: fuerza de empuje del fluido sobre el flotador E: fuerza de arrastre del fluido sobre el flotador.G: peso del flotador





En las condiciones de equilibrio se cumple :

Donde:

vf : volumen del flotador Af : área de la sección del flotador pf: peso específico del flotado pl : peso específico del fluidov: velocidad del fluidoCd: coeficiente de arrastre del fluido sobre el flotador y depende de la viscosidad.





De las ecuaciones anteriores resulta vp p

C p Af l

d l f

= 2gv f ( )

El valor de Cd depende de la viscosidad del fluido.

Estas expresiones están planteadas en condiciones ideales, por lo que debe considerarse un coeficiente de descarga que englobe el reparto desigual de velocidades, la contracción de la vena del fluido, las rugosidades de la tubería, etc. Por conveniencia a este coeficiente se le incorpora el termino:

Quedando la expresión anterior como:

1 / Cd

vp p

p Af l

l f

= C2gv f ( )

Que puede expresarse como:fl

lf

Ap

ppQv

)(2gvCA = f

w





Los tubos empleados en los rotámetros pueden ser de vidrios o metálicos. Estos están equipados de tal forma que pueden intercambiarse los distintos tubos y flotadores a fin de obtener los caudales correspondientes sin necesidad de calibrar individualmente cada rotámetro. Los tubos de vidrio pueden tener nervios interiores para guiar el flotador. Aunque normalmente son lisos. Los tubos metálicos son cónicos lisos y precisan de extensión por no tener lectura directa.

Los tubos tiene una conicidad que expresada como la relación entre el diámetro interno del tubo en la escala máxima y le diámetro de la cabeza del flotador es de 1.2 a 1.35.





Los flotadores pueden tener varios perfiles de construcción y en dependencia de su forma está el campo de medida y la influencia de la viscosidad del fluido. Las características de cada tipo de flotador son:

Esférico: Para bajos caudales y poca precisión, con una influencia considerable de la viscosidad del fluido.

Cilíndrico con borde plano: Para caudales medios y elevados con una influencia media de la viscosidad del fluido.

Cilíndrico con borde saliente de cara inclinada contra el fluido: Con menor influencia de la viscosidad, por sus características puede compararse a una tobera.

Cilíndrico con bordes salientes contra flujo: Con la mínima influencia de la viscosidad del fluido. Puede compararse con una placa-orificio por su funcionamiento.





El material mas empleado en los flotadores es el acero inoxidable 316, aunque en dependencia de la resistencia a la corrosión se utilizan también otros metales o flotadores plásticos.

La pérdida de carga del rotámetro es constante y viene dada por la expresión:

pG v

Af f l

f

A esta pérdida de carga hay que sumarle la debida a las conexiones y al tubo para obtener la pérdida de carga total. Esta es aproximadamente el doble de la del flotador.





Dependiendo de la aplicación y forma de instalación, los rotámetros pueden ser:

De purga. Para caudales pequeños, con poca precisión.

De vidrio. Con indicación directa.Armados. Que precisan de

indicación magnética o transmisión neumática o eléctrica.

En by-pass derivación, instalados en las tomas de una placa- orificio que le sirve como bomba hidráulica midiendo un caudal menor proporcional al que circula por la tubería.




SENSORES DE CAUDAL DE VELOCIDAD

En este grupo se consideran los sensores de medición de caudal donde la medición se efectúa por el efecto de la velocidad del fluido sobre el elemento de medida.

El mas común es el vertedero.

Se emplean en la medición de caudal en canales abiertos.

Provocan una diferencia de alturas del líquido en el canal entre la zona anterior del vertedero y la posterior. El vertedero debe formar un ángulo recto con la dirección del caudal y el canal aguas arriba debe ser recto en una distancia como un mínimo de 10 veces su anchura.





Por la inclusión del vertedero, en la zona anterior al mismo, debido al cambio de la velocidad, se produce una elevación del líquido en el canal.

Esta diferencia de altura se mide en un punto aguas arriba lo suficientemente alejado del vertedero para que no sea influido por la curva de la bajada de la superficie del agua.

El caudal será Q = KlHn

Donde:Q: caudal en m3/s;K: Constante que depende del tipo de vertederol: Anchura de la garganta del vertedero en mH: Diferencia máxima de alturas en mn: Exponente que depende del tipo de vertedero o canal





Los vertederos mas utilizados son:

Rectangular con contracción lateral:

Es simple y fácil de construir, es el mas económico. Es apto par la medida de caudales de 0 - 60 m3/h a 0 - 2000 m3/h. La fórmula de medida de caudales que suele usarse es la de Francis:

Q = 1,84 (l - 0,2H)H3/2 m3/s

Siendo “l” la anchura del rectángulo en m.

Triangular o en V

Que consiste en una placa con corte en V. Con similar tamaño, su campo de medida es mas amplio que el de los otros vertederos. Es capaz de medir caudales de 0 - 30 m3/h a 0-2300 m3/h. La fórmula que se aplica es:

Q = 1,33 H2.475 m3/s para vertederos en V de 90 grados.

Cipolleti o trapezoidal

La pendiente de los lados del trapecio corrige las contracciones laterales del manto de agua y el caudal es proporcional a la altura de la cresta.

Su campo de medida es igual al Rectangular. La fórmula empírica es:

Q = 1,86 lH3/2 m3/s




SENSORES DE PLACA

Consiste en una placa instalada directamente en el centro de la tubería y sometida al empuje del fluido.

La fuerza originada es proporcional a la energía cinética del fluido y depende del área anular entre las paredes de la tubería y la placa:

vSQ

Donde S es el área interior de la tubería, y v es la velocidad del fluido.




DESPLAZAMIENTO POSITIVO




DESPLAZAMIENTO POSITIVO




MEDIDORES DE TURBINA

Los medidores de turbina se basan en el movimiento de una rueda de paletas que se inserta en la tubería, de forma que cada giro de la rueda implica un volumen de agua determinado que se va acumulando en un medidor.












FLUJÓMETROS ELECTROMAGNÉTICOS

El flujómetro Electromagnético se basa en la ley de Faraday que consiste en que se induce un voltaje a través de un conductor si éste se desplaza a través de un campo magnético constante y proporcional a la velocidad del conductor.

E es proporcional a V x B x D

Donde: E = El voltaje generado en un conductorV = La velocidad del conductorB = La fuerza del campo magnéticoD = Longitud del conductor

Para la medida de caudal se requiere que el líquido sea suficientemente conductor.





En un flujómetro, la tensión (E) dependerá de la velocidad promedio del fluido (V) el campo magnético (B) y la longitud del conductor (D) (la distancia entre los electrodos).





Otro tipo de medidor es el de inserción





Para la selección debe tomarse las siguientes características:

CONDUCTIVIDAD. La conductividad del líquido es importante.

ÁCIDOS Y BASES. La composición química del fluido es importante ya que influye en la construcción de los electrodos y el tubo.

VELOCIDAD. La velocidad máxima y mínima del fluido debe ser indicada.

VISCOSIDAD

TEMPERATURE





Para la selección debe tomarse las siguientes características:

CONDUCTIVIDAD. La conductividad del líquido es importante. ÁCIDOS Y BASES. La composición química del fluido es importante ya que

influye en la construcción de los electrodos y el tubo.VELOCIDAD. La velocidad máxima y mínima del fluido debe ser indicada.VISCOSIDADTEMPERATURE




MEDIDOR DE NIVEL

La medición de nivel es muy simple, ya que se puede usar tanto un sensor sumergido o por arriba. En ambos casos, se trabaja con la reflexión ocasionada por el cambio de medio. Luego lo que se tiene que medir es el tiempo que tarda en ir y venir la radiación.




GUÍA DE SELECCIÓN DE SENSORES

El primer paso es que información se requiere: continua o totalized, local o remota.

Si es remota: determinar si la transmisión es analógica, digital o ambos.

Una vez determinado lo anterior, se procede a evaluar las propiedades y características del flujo y de las tuberías usadas para el flujómetro.

1. En las tablas se dan las características de los fluidos y tuberías.2. Determinar el rango del medidor .

Luego se determina la precisión, en porcentaje del valor medido (AR), en porcentaje del margen de calibración (CS) o en porcentaje del full escala (FS).













REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ

Departamento de Ingeniería Electrónica

FIN DE CLASE.PROX. SESIÓN:

MEDIDORES DE NIVEL Y TEMPERATURA

Profesor:Ing. Ángel Custodio PhD


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71 Instrumentación 2