UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE GUAYANA. COORDINACIÓN DE PRE-GRADO. COORDINACIÓN INGENIERÍA INDUSTRIAL. ASIGNATURA: INFORMÁTICA INDUSTRIAL. PUERTO ORDAZ – ESTADO BOLÍVAR.
PROFESOR: VICTOR AVENDAÑO.
INTEGRANTES: VELIZ V. DANIEL A. HERNÁNDEZ BETHSARY LEZAMA S. BLANCA R.
CIUDAD GUAYANA, MAYO DEL 2010.
ÍNDICE Introducción. .............................................................................................. 3 Medición de temperatura. .......................................................................... 4 Escalas de medición. ................................................................................. 4 Instrumentos para medición de temperatura.............................................. 5 Variación de volumen. ............................................................................... 5 Variación de resistencia en un semiconductor......................................... 11 Variación de resistencia en un conductor. ............................................... 12 Intensidad de radiación............................................................................ 13 Aplicaciones industriales.......................................................................... 17 Medicion de caudal. ................................................................................. 25 Clasificacion de los instrumentos de medicion de caudal. ....................... 25 Volumétricos. ........................................................................................... 25 Placa orificio............................................................................................. 26 Tobera:..................................................................................................... 28 Tubo Venturi. ........................................................................................... 28 Tubo pitot................................................................................................. 29 Tubo Annubar: ......................................................................................... 29 Rotámetro: ............................................................................................... 30 Flotador.................................................................................................... 30 Vertederos ............................................................................................... 32 Turbinas: .................................................................................................. 33 Sondas ultrasónicas:................................................................................ 34 Mediciones de tensión inducida ............................................................... 35 Caudalímetro magnético.......................................................................... 35 Caudalímetro de desplazamiento positivo ............................................... 35 Caudalímetro de disco oscilante .............................................................. 36 Caudalímetro de pistón alternativo. ......................................................... 36 Caudalímetro rotativo............................................................................... 37 Caudalímetro de Torbellino y Vórtex........................................................ 37 Medidores de caudal masa ...................................................................... 37 Caudalímetro Térmico ............................................................................. 37 Caudalímetro de Coriolis.......................................................................... 38 Aplicaciones industriales.......................................................................... 38 Ejemplo industrial:.................................................................................... 39 ANEXOS .................................................................................................. 42 CONCLUSION. ........................................................................................ 44
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INTRODUCCIÓN. En la actualidad, la gran mayoría de los procesos industriales realizados en el mundo se encuentran automatizados en su totalidad. Las grandes y medianas empresas en todo el planeta emplean cientos de dispositivos electrónicos, lo que ha ocasionado el desarrollo del campo a nivel general. Por ésta razón, el personal de ingeniería y mantenimiento de una planta, continuamente enfrenta una variedad de exigencias como las de maquinarias cada vez más complejas, presupuestos de mantenimiento cada vez más recortados, mayor disponibilidad de maquinaria y mejor productividad y rentabilidad. Asimismo, se han desarrollado técnicas efectivas para el monitoreo y mantenimiento de la maquinaria de forma rápida y confiables, que ponen todo en manos de la instrumentación para evitar grandes costos y poder hacer un mantenimiento predictivo según los datos obtenidos de estas prácticas. En el siguiente informe se comparan los tipos más corrientes de instrumentos de medición de temperatura y caudal que se usan actualmente para la adquisición de datos, tales como: detectores de temperatura de resistencia (RTD), termistores, termopares, rotámetros, toberas, etc
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MEDICIÓN DE TEMPERATURA. Intuitivamente se define la temperatura como la medida de lo frío o de lo caliente que se encuentra un cuerpo. En términos de Termodinámica, se tiene que la temperatura es la propiedad de un cuerpo que determina el flujo de calor (Ley Cero de la Termodinámica). La temperatura es un concepto fundamental, una dimensión intrínseca que no puede medirse en función de la masa, de la longitud, ni del tiempo. En un proceso industrial la temperatura es uno de los parámetros más importantes en las aplicaciones industriales. Por lo general la calidad del producto depende de la precisión y de la exactitud con que se realice la medición y el control de la temperatura. ESCALAS DE MEDICIÓN. A fin de contar con una base congruente para efectuar mediciones precisas y convenientes de la temperatura se idearon algunos métodos de medición en función de algunos estados de equilibrio fáciles de reproducir. A los cuales se les designó un valor numérico. Las escalas de medición de temperatura más utilizadas son: Escalas Absolutas: son aquellas escalas que tienen como referencia el cero absoluto que es la menor temperatura que se puede conseguir físicamente en la materia. Existen dos escalas absolutas: · ·
Escala Kelvin (K). Escala Rankine (ºR).
Escalas Relativas: son aquellas escalas que tienen como referencia los tres estados del agua, sólido, líquido y gas. · ·
ºC =
Escala Celsius (ºC). Escala Fahrenheit (ºF).
5 * (º F - 32 ) 9
Las ecuaciones de conversión de las escalas citadas son
æ9 ö º F = ç *º C ÷ + 32 è5 ø º K =º C + 273,15 º R = º F + 459,67
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INSTRUMENTOS PARA MEDICIÓN DE TEMPERATURA. La medida de temperatura constituye una de las mediciones más comunes y más importantes que se efectúan en los procesos industriales. Las limitaciones del sistema de medida quedan definidas en cada tipo de aplicación por la precisión, por la velocidad de captación de la temperatura, por la distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador necesarios; es importante señalar que es esencial una comprensión clara de los distintos métodos de medida con sus ventajas y desventajas propias para lograr una selección óptima del sistema más adecuado. Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y entre los cuales figuran: a) variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases); b) variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia); c) variación de resistencia de un semiconductor (termistores); d) f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares); é) intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación); f) otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal...) De este modo se emplean los instrumentos siguientes: Termómetros de vidrio, termómetros bimetálicos, elementos primarios de bulbo y capilar rellenos de líquido, gas o vapor, termopares, pirómetros de radiación, termómetros de resistencia, termómetros ultrasónicos, termómetros de cristal de cuarzo. VARIACIÓN DE VOLUMEN. Termómetro de vidrio. El termómetro do vidrio básicamente está compuesto por un bulbo o elemento sensor, un tubo de vidrio, en su interior un tubo capilar (por donde se desplaza un líquido) y un liquido Este líquido tiene una característica que es que, al aumentar la temperatura este se expandirá y al disminuir se contraerá. Al aplicarle temperatura al bulbo este se encarga de transmitírselo al liquido que se encuentra dentro del tubo capilar, provocando una expansión de este fluido que queda a una altura determinada. Esta altura del líquido me da una medición de la temperatura aplicada, por que se encuentra una escala. El líquido mas utilizado es el mercurio pero también se utiliza alcohol, pentano o mercurio con una mezcla.
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Termómetro bimetálico. Se basa en el principio de que un metal cuando es sometido a una temperatura se dilata, entonces el bimetálico se forma uniendo dos metales de coeficiente de dilatación diferente, que al ser expuesto a una temperatura tiende a producir. Este movimiento es amplificado en un extremo del bimetálico por un juego de engranajes en el cual se encuentra un puntero y una escala para indicar el valor de y temperatura. Regularmente el bimetálico tiene forma helicoidal, por que ocupa menos espacio pero también se puede conseguir en espiral.
Ventajas. · · · · ·
Excelente exactitud ± 1. 0 % del spam. Fácil de leer la indicación. Robustos. De diámetro reducido. Bajo costo.
Rango de aplicación: Se utilizan para medir temperaturas entre 100 ºF y -300 ºF. (- 200 A 500 ºC). Son de uso muy común en la industria para o medición local de temperatura, generalmente con dial circular y con orientación de ángulo para asegurar que la indicación pueda ser leída fácilmente. Termómetro de bulbo y capilar. Los termómetros tipo bulbo, consisten esencialmente en un bulbo conectado con por un capilar o una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre una escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo. Las clases de éste tipo de termómetros: - Clase I: Termómetros actuados por líquido. - Clase II: Termómetros actuados por vapor. - Clase III: Termómetros actuados por gas.
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- Clase IV: Termómetros actuados por mercurio. Los termómetros actuados por líquido tienen el sistema de medición lleno de líquido y como su dilatación es proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta uniforme. El volumen del líquido depende principalmente de la temperatura del bulbo, de la del capilar y de la del elemento de medición (temperatura ambiente). Los líquidos que se utilizan son alcohol y éter. El campo de medición varía entre 150 hasta 500 ºC dependiendo del tipo de líquido que se emplee. Los termómetros actuados por vapor contienen un líquido volátil y se basan en el principio de presión a vapor. Al subir la temperatura aumenta la presión de vapor del líquido. La escala de medición no es uniforme, sino que la distancia entre divisiones va aumentando hacia la parte más alta de la escala. La presión en el sistema depende solamente de la temperatura en el bulbo. Los termómetros actuados por gas están completamente llenos de gas. Al subir la temperatura, la presión de gas aumenta proporcionalmente y por lo tanto estos termómetros tienen escalas lineales. La presión en el sistema depende principalmente de la temperatura del bulbo, pero también de la temperatura del tubo capilar y del elemento de medición, siendo necesario compensar la temperatura del ambiente en el sistema de medición. Los termómetros actuados por mercurio (clase IV) son similares a los termómetros actuados por líquidos (clase I). Pueden tener compensación en la caja y compensación total. F.E.M POR LA UNIÓN DE DOS METALES DISTINTOS. Termopares. Los termopares se basan en el principio de que cuando dos metales distintos están en contacto, se genera un voltaje en función de la temperatura Esto fenómeno fué descrito y estudiado por Thomas Seebeck en el año 1821 y en su honor se le llama efecto Seebeck. Esta unión o contacto forma un dispositivo transductor de temperatura a voltaje continuo, conocido indistintamente con dos nombres de termocupla o termopar.
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El voltaje generado es de algunas decenas de milivoltios y esta relacionado al tipo de metales en contacto tanto para la magnitud como para la polaridad. La figura 3 representa varias características de algunos termopares. Los tipos de termopares son los siguientes: K, J, T, E, R y S. Tipo K (Nickel - Cromo 10 % y Nickel); Esta termocupla es ampliamente usada en los rangos de temperatura que va desde los 1000 a 2000 ºF. Tiene una característica de respuesta cercana a la lineal. Es apropiada para atmósferas oxidantes y es mecánicamente fuerte. Tipo J (Hierro y Constantan): Indudablemente la mas utilizada. Provee una alta salida (mV) con respecto a la temperatura es decir, tiene una alta sensibilidad, su costo es bajo, apropiada para ambientes oxidantes, esta sujeta a ataques químicos. Tipo T (Cobre y Constantan): Es recomendable para rangos de temperaturas cercanos a las de ambiente. De todas las combinaciones de metales, usadas en la fabricación de termocuplas, ésta es la más homogénea. Entre sus ventajas tenemos alta sensibilidad, bajo costo. Tipo E (Nickel - Cromo al 10 % y Constantan): Es la que tiene la más alta sensibilidad. Son utilizadas para mediciones de temperatura en forma diferencial. Tipo R (Platino - Rodlo al 13 % y Platino): Esla es una excelente termocupla para la medición de altas temperaturas. Tipo S (Platino - Rodio al 10 % y Platino): Es una estándar para la calibración de termocuplas. Tiene una alta repetibilidad, es químicamente estable y tiene buenas propiedades mecánicas. Es relativamente costosa y está sujeta a la contaminación ambiental. Un termopozo es esencial para liberarla de los efectos de la contaminación. No es recomendable para la medición de bajas temperatura. La conexión de los termopares requiere de una compensación, ya que al cambiar de metal se crea otro termopar en serie y se suma una fuerza electromotriz. Es por lo tanto inevitable que haya al menos dos uniones de termopar en el sistema. En muchos textos teóricos se habla de una unión fría, temperatura fija o de referencia a cero grados centígrados, en donde se efectúa el cambio de metates. Por supuesto que no es práctico Como solución a este error introducido en la medición se aplican compensaciones electrónicas apoyadas en otros elementos captadores de temperatura (RTD o Termistores) o simplemente se hace sustracción del milivoltaje producido por las conexiones y se mantiene fija, suponiéndola constante para el rango de temperatura ambiente.
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Las mediciones de temperatura que utilizan termopares o termocuplas basan su funcionamiento en los siguientes descubrimientos: ·
Efecto Seebeck: En un circuito cerrado, formado por dos metales diferentes, se genera una fuerza electromotriz (diferencia de tensión o de potencial) si las dos uniones se encuentran a temperaturas distintas. Esta tuerza electromotriz genera un flujo continuo de corriente.
·
Efecto Peltier: En un circuito abierto, formado por dos metales diferentes, se genera una fuerza electromotriz proporcional a la
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temperatura de la unión y que depende de la composición de los metales ·
Efecto Thompson: En un metal homogéneo, si un extremo del metal está a mayor temperatura que el otro, entonces se genera una fuerza electromotriz proporcional al gradiente de temperatura.
Leyes Termoeléctricas. Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares, han permitido establecer 3 leyes fundamentales. Las siguientes leyes obtenidas por medios experimentales, son útiles para entender el funcionamiento de las termocuplas. ·
Ley de los Metales Intermedios: “Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto A hasta otro punto B 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 A y B”.
·
Ley de las Temperaturas Sucesivas: “La fuerza electromotriz generadas por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la fuerza electromotriz del termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3".
·
Ley del Circuito Homogéneo: "En un conductor metálico homogéneo no puede sostener la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor".’
En los termopares existen dos puntos importantes: la unión caliente (en el proceso) y la unión fría (en el lugar de medición). Los materiales utilizados para fabricar termopares están normalizados y tienen un comportamiento definido. VENTAJAS: · Construcción simple. · Auto-energizadas. · Robustas. · Económicas. · Amplio rango de medición. DESVENTAJAS: · No son lineales. · Generan voltajes muy bajos. · Requieren de circuitos de compensación. · Pobre estabilidad y pobre sensitividad.
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VARIACIÓN DE RESISTENCIA EN UN SEMICONDUCTOR. Termistores. Los termistores, o resistores térmicos, son dispositivos semiconductores que se comportan como resistencias con un coeficiente de temperatura de resistencia alto y, generalmente negativo. En algunos casos, la resistencia de un termistor a temperatura ambiente puede disminuir hasta un 6% por cada 1ºC que se eleve la temperatura. Dada esta alta sensibilidad al cambio de temperatura hacen al termistor muy conveniente para mediciones, control y compensar con precisión la temperatura. El uso de termistores está muy difundido en tales aplicaciones, en especial en el rango más bajo de temperatura de -100ºC a 300ºC. Los termistores se componen de una mezcla sintética de óxidos de metales, como manganeso, níquel, cobalto, cobre, hierro y uranio. Su rango de resistencia va de 0.5 ohms. a 75 ohms y están disponibles en una amplia gama de formas y tamaños. Los más pequeños son cuentas con un diámetro de 0.15 mm a 1.25 mm. Las cuentas se pueden colocar dentro de una barra de vidrio para formar sondas que son más fáciles de montar que las cuentas. Se hacen disco y arandelas presionando el material termistor en condiciones de alta presión en formas cilíndrica y plana con diámetros de 2.5 mm a 25 mm. Las arandelas se pueden apilar y conectar en serie o paralelo con el fin de incrementar la disipación de potencia. Tres características importantes del termistor lo hacen extremadamente útil en aplicaciones de medición y control: a) Resistencia-temperatura b) Voltaje-corriente c) Corriente-tiempo Las características resistencia – temperatura muestra que un termistor tiene coeficiente de temperatura de resistencia muy elevado y negativo, lo cual lo convierte en un transductor de temperatura ideal. En la característica voltaje-corriente se observa que la caída de voltaje a través de un termistor aumenta con el incremento de corriente hasta que alcanza un valor pico, más allá del cual la caída de voltaje decrece con el incremento de corriente. El constantano es una aleación de 55% de cobre y 45% de níquel. Cromel= Aleación de Cromo y Níquel Alumel =Aleación de aluminio, manganeso y níquel.
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Los termistores también se pueden encontrar en el mercado con la denominación NTC (Negative Temperature Coeficient) habiendo casos especiales de coeficiente positivo cuando su resistencia aumenta con la temperatura y se los denomina PTC (Positive Temperature Coeficient). Resistencias PTC Las Resistencias PTC (Positive Temperature Coefficient), también llamadas termistores PTC, son resistencias cuyo coeficiente de temperatura es positivo,, es decir que su valor óhmico depende de la temperatura, al igual que las resistencias NTC, pero con la particularidad de que, mientras en las resistencias NTC disminuye su valor óhmico al aumentar la temperatura, en las resistencias PTC aumenta su valor óhmico al aumentar la temperatura. VARIACIÓN DE RESISTENCIA EN UN CONDUCTOR. Termoresistencias (RTD). Se basa en el principio que todo cuerpo al ser sometido a una temperatura varia su resistencia. Las RTD están construida con un arrollamiento muy fino de alambre de un material específico, cubierto por un material aislante eléctrico, protegido por un revestimiento de vidrio o cerámica. Los valores de resistencia en función de la temperatura vienen descritos por la ecuación de Callendar - Van Duser
Rt = Ro(1 + aDT ) donde Rt : Resistencia del conductor. Ro : Resistencia a la temperatura de referencia. Normalmente 0°C a : Coeficiente de temperatura de resistencia. DT : Diferencia entre la temperatura de referencia y la captada. Los materiales con que se construye el arrollamiento de las RTD son el cobre, nickel y platino. Siendo este el más utilizado, el de platino, debido a su linealidad y alto coeficiente. La RTD mas utilizada a nivel industrial es la pt-100, que quiere decir que es de platino y tiene una resistencia eléctrica de 100 Ohm a 0 °C.
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Existen varios tipos de termoresistencias o RTD en función del cableado y es cuando se habla de 2 hilos, 3 hilos y 4 hilos. La conexión de 2 hilos se ve afectada la medición, por la resistencia del cable que va desde la RTD al dispositivo realiza la medición, mientras que si se hace la conexión de 3 hilos esta resistencia se hace prácticamente cero. Si se necesita asegurarse que sea cero entonces tendrá que conectarse de 4 hilos. De estas tres tipos de conexión la más utilizada en la industria es la de 3 hilos. VENTAJAS: · Excelente estabilidad. · Excelente exactitud. · Comportamiento lineal. · · · ·
DESVENTAJAS. Costosas. Requieren circuitos de compensación. Pobre resolución (cambios do resistencia muy bajos). Se calientan (Self-heating).
INTENSIDAD DE RADIACIÓN. Miden la temperatura de un cuerpo a distancia en función de su radiación. Se fundan en la Ley de Stefan Boltzmann que dice: “la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo”, es decir . En la grafica se representa el grafico de la energía radiante de un cuerpo a varias temperaturas en función de la longitud de onda. Desde el punto de vista de medición de temperaturas industriales, las longitudes de ondas térmicas abarcan desde 0.1 micras
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para las radiaciones ultravioletas, hasta 12 micras para las radiaciones infrarrojas.
Grafico de la energía radiante de un cuerpo. Los instrumentos que miden la temperatura de un cuerpo en función de la radiación luminosa que este emite se denominan pirómetros ópticos de radiación parcial o pirómetros ópticos, y los que miden la temperatura captando toda o una gran parte de la radiación emitida por el cuerpo, se llaman pirómetros de radiación total. Pirómetros ópticos. Pirómetros ópticos manuales: se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al compararla visualmente con la imagen del objeto enfocado. Pueden ser de dos tipos: de corriente variable en la lámpara, y de corriente constante en la lámpara con variación del brillo de la imagen de la fuente (ver figura).
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Tipos de pirómetros ópticos manuales. Pirómetros ópticos automáticos: consisten en un disco rotativo que modula desfasadas la radiación del objeto y la de una lámpara estándar que inciden en fototubo multiplicador. Este envía una señal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua que coinciden en brillo la radiación del objeto y la de la lámpara. En este momento la intensidad de corriente que pasa por la lámpara es función de la temperatura. El factor de emisión de energía radiante (medida de la característica relativa del cuerpo para emitir energía radiante) depende mucho del estado de la superficie del cuerpo emisor; para un metal como el cobre para de 0.10 a 0.85 si el metal perfectamente cuenta con el valor de absorción de la superficie: el pirómetro dirigido sobre una superficie incandescente no indica su temperatura verdadera si la superficie no es perfectamente negra, es decir, que absorba absolutamente todas las radiaciones y no refleje ninguna. En los casos generales es preciso hacer una corrección de la temperatura leída (temperatura de brillo S) para tener en cuenta el valor de absorción (o de emisión ) de la superficie. Los valores de los coeficientes de emisión y las correcciones pertinentes están representados en una tabla para cada tipo de valor según la superficie que no están incluidas en esta parte. Pirómetros de infrarrojos. Capta la radiación espectral del infrarrojo invisible al ojo humano, y puede medir temperaturas menores de 700 ‘C, supliendo al pirómetro óptico que solo puede trabajar eficazmente a temperaturas superiores a 700 ‘C, donde la radiación visible emitida es significativa. En la figura se muestra un esquema de un pirómetro infrarrojo: la lente filtra la radiación infrarroja emitida por el área del objeto examinado y la
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concentra en un sensor de temperatura (termopar o termistor). La distancia focal de la lente varía entre 500 y 1500 mm. Análogamente al pirómetro óptico, debe considerase el coeficiente de emisión del cuerpo. El aparato dispone de un compensador de emisividad que permite corregir la temperatura leída, no solo para la perdida de radiación en cuerpos con emisividad menor que uno, sino también cuando hay vapores, gases, humos o materiales transparentes que se interponen en el camino de la radiación. La precisión es de más o menos 0.3 %.
Pirómetro de infrarrojo.
Pirómetro fotoeléctrico. Tiene un detector fotoeléctrico, lo que lo hace más rápido que los sensores térmicos, pero debe mantenerse refrigerado a muy baja temperatura mediante nitrógeno líquido para reducir el nivel de ruido eléctrico. La señal de salida depende de la temperatura instantánea del volumen del detector, por la que evite los retardos inherentes al aumento de la temperatura de la masa del detector que existen en los otros modelos de pirómetros. El detector genera una tensión proporcional al cubo de la temperatura . El instrumento con detector fotoeléctrico de uso general tiene un campo de trabajo de 35 a 1200 ‘C, pudiendo enfocar desde un metro hasta el infinito, posee una constante de tiempo de 2.20 a 200 ms y una señal de salida de 10 mv. El perfeccionamiento de estos instrumentos ha conducido a las cámaras infrarrojas que utilizan un detector fotoeléctrico de In sb (indio antimonio), y que exploran la superficie del objeto con un espejo plano oscilante alrededor de un eje horizontal y un prisma rotativo que gira alrededor de un eje vertical. El aparato produce una imagen de 16 cuadros/segundos y 100 líneas/cuadro con tonalidades de gris que representan la distribución de temperatura del cuerpo. Pirómetro de radiación total. Está formado por una lente de pyrex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación de objeto caliente en una termopila formada por
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varios termopares de pequeñas dimensiones y montado en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. La f.e.m. que proporciona la termopila depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión fría. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura ambiente. La compensación de este se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro. La compensación descrita se utiliza para temperaturas ambientes máximas de 120’C, a mayores temperaturas se emplean dispositivos de refrigeración por aire o por agua, que disminuyen la temperatura de la caja en unos 10 a 40 ‘C por debajo de la temperatura ambiente. En la medición de bajas temperaturas la compensación se efectúa utilizando además una resistencia termostática adicional que mantiene constante la temperatura de la caja en unos 50 ‘C, valor que es un poco más alto que la temperatura ambiente que pueda encontrarse y suficientemente bajo como para no reducir apreciablemente la diferencia de temperaturas útil. El pirómetro puede apuntar al objeto bien directamente, bien a través de un tubo de mira abierto (se impide la llegada de radiación de otras fuentes extrañas) o cerrado (medida de temperatura en baños de sales para tratamientos térmicos, hornos). Un cuerpo opaco emite a una temperatura dada una cantidad de energía de radiación que depende del material y de la forma de la superficie. El cuerpo puede reflejar energía radiante adicional procedente de cuerpos próximos, llamas, etc., de modo que si tiene n bajo coeficiente de emisión reflejara una gran cantidad de energía incidente, y, al contrario, con un alto coeficiente de emisión la energía reflejada será baja. El cuerpo negro posee una emisividad igual a la unidad y emite la máxima energía radiante. Los cuerpos cuyo coeficiente de emisión es menor que la unidad se conocen como cuerpos opacos. APLICACIONES INDUSTRIALES. No existe prácticamente límite en las aplicaciones de los instrumentos de medición en los procesos industriales. Algunas de las operaciones de proceso que se utilizan con mayor frecuencia son: · Calderas de vapor. · Secaderos y evaporadores. · Hornos de empuje. · Columnas de destilación. · Intercambiadores de calor.
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Calderas de vapor: se utilizan en la mayoría de industrias debido a que muchos procesos emplean grandes cantidades de vapor. La caldera se caracteriza por una capacidad nominal de producción de vapor en t/h a una presión especificada y con una capacidad adicional de caudal en puntas de consumo de fábrica. A la caldera se le exige mantener una presión de trabajo constante para la gran diversidad de caudales de consumo en la factoría, por lo cual debe ser capaz de: § Aportar una energía calorífica suficiente en la combustión del fuel=oíl o del gas con el aire. § Desde el punto de vista de seguridad, el nivel debe estar controlado y mantenido dentro de unos límites. § Es necesario garantizar una llama segura en la combustión. § El sistema de control debe ser seguro en la puesta en marcha, en la operación y en el paro de la caldera. § El funcionamiento de la caldera debe ser optimizado para lograr una rentabilidad y economía adecuadas, lo cual es posible con un control digital y/o distribuido que permite optimizar la combustión (ahorros de 2 a 10 % en combustible) y ganar en seguridad. Secaderos y evaporadores: Los secaderos tienen por objeto obtener el producto solido con poca humedad, mientras que los evaporadores concentran el producto en forma líquida al evaporar el agua. Entre los diversos modelos de secaderos se encuentra el secadero continuo de evaporación rápida (flash) que transporta el producto en una corriente de aire caliente y en muy poco tiempo disminuye su humedad hasta el valor final. Como es difícil medir directamente la humedad del producto en forma continua se controla en su ligar la temperatura variable que depende indirectamente de la humedad. El control suele ser en cascada, siendo la variable primaria la temperatura de salida y la variable secundaria la temperatura después del horno. El control es normalmente PID tal como lo muestra la figura.
Secadero de evaporación rápida.
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Otro tipo de secador es el rotativo, que consiste en un cilindro de gran longitud en cuya entrada se introduce el producto húmedo y a cuyo través circula aire caliente (ver figura).
Secadero rotativo. Otro tipo de secador es el de doble cilindro rotativo, representado en la figura, que fue uno de los primeros sistemas que se empleo para secar. Consiste en dos cilindros rotativos calentados con vapor que giran en sentidos opuestos hacia adentro muy poco separados y arrastrando una película del producto. Los cilindros se cargan con producto que se seca en el corto espacio existente en el rodillo hasta una cuchilla que lo arranca y cae en un transportador.
Doble cilindro rotativo. Los evaporadores existen en muchos tamaños, formas y tipos. El evaporador discontinuo es de producción forzosamente limitada por la necesidad de las operaciones de llenado y de vaciado. En cambio el evaporador continuo tiene una producción más regula. Según el número de veces que la solución es calentada por la fuente de calor se tienen varios tipos: evaporador de simple efecto, de doble efecto y de triple efecto e incluso de mas efectos, pero lo dos últimos son los más comunes (ver figuras).
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Evaporador de simple efecto.
Evaporador de triple efecto. Excepto el primer efecto los otros dos se calientan con el vapor del producto generado en el efecto anterior. Horno túnel: Los instrumentos de regulación y control forman parte integral de los equipos de proceso de la industria cerámica y en particular constituyen una necesidad en el proceso de cocción de los productos cerámicos realizado en un horno túnel. Los procesos de cocción del bizcocho y del bizcocho recubierto de esmalte se basan en el mantenimiento de una curva de cocción que establece un programa preciso de temperatura distribuida de acuerdo con las tres zonas típicas del horno: precalentamiento, cocción y enfriamiento (ver figura). La carga es transportada en vagonetas a una velocidad determinada y las temperaturas se regulan básicamente en la zona de cocción donde se encuentran situados los quemadores de combustible y los valores deseados en la zona de precalentamiento se alcanzan mediante la circulación de aire caliente procedente de la zona de enfriamiento. Estas temperaturas corresponden a las zonas del horno, ya que es muy difícil medir directamente la temperatura de las piezas.
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Esquema de la regulación de un horno túnel típico. La medida de la temperatura se efectúa con termopares de cromel-alumel o de platino-odio, según sea las temperaturas alcanzadas y con fundas cerámicas de mullitas sílice-aluminica o de aluminio recristalizado (las temperaturas máximas de trabajo de los termopares de cromel alumel y platino rodio son de 95 a 1200 ‘C y de 1400 ‘C. respectivamente). Las reguladores actúan o bien sobre una válvula de solenoide, o bien sobre válvulas neumáticas. La zona de cocción puede dividirse en varias zonas de control y cada una suele estar regulada independientemente por un regulador todo/nada, o flotante, o un regulador proporcional o proporcional+ integral, o proporcional+integral+derivativo. En el horno túnel es también importante la regulación del tiro al mantener una distribución uniforme de temperaturas en cada sección del horno. Las dos tomas del controlador de tiro se conectan en lados opuestos en la entrada o salida de la zona de encendido que es la posición que usualmente da los mejores resultados. El controlador actúa sobre el ventilador de salida del aire manteniendo así el tiro deseado. Columnas de destilación: la operación de destilación consiste en separar una mezcla por diferencia de composición entre un líquido y su vapor. Esta operación se realiza en forma continua en las denominadas columnas o torres de destilación donde por un lado asciende el vapor del líquido hasta salir por la cabeza de la columna y por el otro va descendiendo el líquido hasta llegar a la base. En estos pasos tiene lugar una mezcla entre las dos fases, de tal modo que pueden efectuarse extracciones a distintos niveles de la columna para obtener productos más o menos pesados.
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Las variables importantes que regulan el funcionamiento de la columna son la presión en la cabeza de la columna, el caudal, la composición y la temperatura de la alimentación, el calor añadido y las calorías extraídas, los caudales de destilación y de productos extraídos de la base. La presión en la columna se regula mediante un controlador de presión en cascada con un controlador de caudal de los gases incondensables que escapan del condensador. El caudal de la alimentación se regula con un controlador de caudal que mantiene un caudal constante, gracias a una banda proporcional bastante estrecha (alta ganancia). La temperatura de la alimentación es importante, al objeto de controlarla se emplea n intercambiador de calor con vapor. La temperatura se regula en cascada con el caudal del vapor. El calor añadido en la columna se efectúa a través de un intercambiador de caudal de calor instalado en la base o en un plato intermedio de la columna. Un controlador de caudal de vapor ajusta estas calorías aportadas. Como complemento se instala un controlador de nivel en la base de la columna que lo ajusta mediante una válvula de control que actúa sobre la extracción. Las calorías extraídas tienen lugar en el condensador de los gases que salen de la cabeza de la columna. Un controlador de caudal de agua de refrigeración del condensador ajusta estas calorías. El caudal de destilado se ajusta mediante un controlador de nivel del condensador, en cascada con un controlador de caudal en la extracción. El caudal del producto extraído en la base esta relacionado con el calor añadido en la columna y tal como se ha indicado está regulado indirectamente por el controlador de nivel de la base de la columna. Intercambiadores de calor: La gran mayoría de los procesos industriales emplean intercambiadores de calor en operaciones tales como precalentamiento, pasteurización, esterilización y refrigeración, entre otras. Existen varios sistemas para el control de los intercambiadores de calor debido a que son muchos los factores que deben considerarse: la presión del vapor o del fluido de alimentación, las fluctuaciones en el caudal del producto, las variaciones en la temperatura del producto, en su calor especifico, los retardos del proceso, etc. Un sistema es el control en cascada (ver figura) entre el controlador de temperatura como primario y un controlador de presión de vapor como secundario. De este modo, las variaciones de presión del vapor de la línea de alimentación son corregidas inmediatamente por el controlador
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de presión secundario y el controlador de temperatura primario se encarga de compensar las variaciones de temperatura por otras causas.
Control en cascada. En los casos de intercambiadores de calor entre líquidos, es usual estabilizar la temperatura del líquido de calefacción o refrigeración en un sistema separado. Cuando el intercambiador de calor tiene una respuesta demasiado lenta, el mantenimiento de temperatura del producto se realiza con un controlador de temperatura actuando sobre una válvula de tres vías diversora que deriva el intercambiador. De este modo se logra una respuesta rápida frente al empleo de una válvula de dos vías, ya que la capacidad térmica del intercambiador es grande e introduce un retardo considerable ante cambios en la carga. El producto es derivado y se mezcla directamente con el producto caliente que sale del intercambiador. Ejemplo industrial: La empresa Comercial Técnica del Aluminio (C.T.A), perteneciente al grupo Sural, se encarga de la producción de piezas automotrices (ruedas), a base de la aleación a 356.0. La aleación está compuesta de 4 elementos: Silicio 7%, Magnesio, Titanio y Hierro, y a su vez se agrega estroncio y boso como afinadores de granos. Se hace la recepción del metal puro proveniente de Venalum, luego la inspección certificado (el metal debe cumplir con ciertas condiciones, según el parámetro de proceso), se toma una muestra y se realiza un análisis químico, se compara estos resultados con la norma DEDPIOI, si no cumple las condiciones se drena el metal en pailas, se transfiere y se almacena. Si cumple las condiciones se carga el aluminio en el horno de recepción. Una vez realizado el análisis químico y comprobado las condiciones requeridas, se carga el aluminio en el horno de recepción y la adición de reproceso, se realiza otro análisis para medir el porcentaje de Fe, Si y Ti. Se debe controlar la temperatura del metal entre 790 °C – 800°C. Agregar los aleantes en el baño de metal líquido. Esperar tiempo (1-2 horas aproximadamente) necesario para fundir los aleantes y agitar muy bien el metal. Agregar el fundente (escorificador) y limpiar la superficie del metal retirando la escoria presente (agitar con paleta y desnatar el metal).
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Proceder a transferir la aleación hacia los hornos de almacenamiento. En los hornos de almacenamiento se reduce la temperatura y se agrega el Magnesio, esto debido a que el elemento es muy volátil y si se agrega antes se pierde la aleación y pueden ocurrir daños. Luego se transfiere la aleación al cristal de transferencia para des gasificar, se realiza la afinación de tamaño de grano y modificación de la estructura hipo eutéctica. Esta estructura se logra a un cierto valor de temperatura, generalmente entre los 1000 ‘C, razón por la cual es fundamental tener en este proceso un sistema de control de temperatura automático que contenga los instrumentos de medición correspondientes para lograr el valor deseado de temperatura para que se logre el desgasificado. El desgasificado se realiza con argón y la afinación de granos con estroncio y boro. El des gasificado se realiza para eliminar todos los gases que pueda tener la aleación y para eliminar las impurezas.
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MEDICION DE CAUDAL. El caudal es la relación entre la cantidad de materia (solida, liquida o gaseosa), que fluya a través de un conducto por unidad de tiempo. El caudal pude ser expresado en unidad de masa por unidad de tiempo (caudal volumétrico). Es una de las variables más utilizadas para la cuantificación de la producción, es por ello que por lo general está asociada a integradores para luego realizar Las facturaciones correspondientes. CLASIFICACION CAUDAL.
DE LOS
INSTRUMENTOS
DE MEDICION
DE
Según el caudal: Volumétricos. Determinan el caudal en volumen del fluido, bien sea directamente (desplazamiento), o indirectamente por deducción (presión diferencial,
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área variable, velocidad, fuerza, tensión inducida, torbellino). En la industria, esta medida se efectúa principalmente con elementos que dan a lugar a una presión diferencial al paso del fluido. Diferencial de presión: Se basa en la aplicación del teorema de Bernoulli a una tubería horizontal “altura cinética + altura de presión + altura potencial = cte.” (Ver figura).
Teorema de Bernoulli. Placa orificio. Consiste en una placa perforada instalada en la tubería. Dos tomas conectadas en la parte posterior de la placa, captan la presión diferencial la cual es proporciona al cuadrado del caudal. El orificio puede ser concéntrico, segmentado o excéntrico, según el nivel de presión diferencial que se requiera (ver figura), con un pequeño orificio de purga para los pequeños arrastres sólidos o gaseosos que pueda llevar el fluido. La placa de orificio es insertada transversalmente en la tubería, para la cual hay que cortar el tubo y colocar bridas, y las tomas de alta y baja presión pueden ser colocadas según la sensibilidad que se desee. Mientras más cerca de la placa se coloquen las tomas mayor será el diferencial depresión para el mismo caudal, sin embargo se debe tratar de colocarse a una distancia prudencial, que permita que el fluido no rote. La ecuación de Bernoulli está concebida para fluidos no rotacionales. La disposición de las tomas son mostradas en la figura.
Placa de orificio: concéntrica, excéntrica y segmentada.
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Disposición de las tomas de presión diferencial. · ·
· ·
·
Tomas en la brida: es bastante utilizada porque su instalación es cómoda ya que las tomas están taladradas en las bridas que soportan la placa y situadas a 1 pulgada de distancia de la misma. Tomas en la vena contraída: la toma posterior está situada en un punto donde la vena alcanza su diámetro mas pequeño, lo cual depende de la razón de diámetros y se presenta aproximadamente ½ diámetro de la tubería. La toma anterior se sitúa a 1 diámetro de la tubería. Tomas radiales: son parecidas a las tomas de vena contraída, pero fijando siempre las tomas anterior y posterior a 1 y ½ diámetro de la tubería, respectivamente. Tomas en la cámara anular: las tomas están situadas inmediatamente antes y después del diafragma y requieren el empleo de una cámara anular especial. Se emplean mucho en Europa. Tomas en la tubería: las tomas anteriores y posteriores están situadas a 2 ½ y 8 diámetro, respectivamente. Se emplean cuando se desea aumentar el intervalo de medida de un medidor de caudal dado. La situación de las tomas esta en un ligar menos sensible a la medida.
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Tipos de placas de orificio y su aplicación: A: Gases o líquidos limpios. Pequeños orificios de drenaje o venteo para eliminar pequeñas cantidades de líquidos o gas. B: Líquidos con considerables cantidades de gas. C: Gases con considerable cantidad de liquido condensado. Líquidos con arrastre de sólidos. D: Líquidos con posible sedimentación de sólidos. Tobera: Esta situada en la tubería con dos tomas, una anterior y otra en el centro de la sección más pequeña. La tobera permite caudales 60% superiores a los de la placa de orificio en las mismas condiciones de servicio. Su pérdida de carga es de 30 a 80% de la presión diferencial. Puede emplearse papa fluidos que arrastren sólidos en pequeña cantidad, si bien, si estos sólidos son abrasivos, pueden afectar la presión del instrumento. El costo de la tobera es de 8 a 16 veces el de una placa de orificio y su precisión es del orden del 0,95 a 1,5 % (ver figura).
Tobera. Tubo Venturi. Consiste en la medición de la presión diferencial producida por el cambio en la rapidez de un liquido que fluye por un tubo en forma de embudo (ver figura). La velocidad del fluido antes o después de la garganta, es decir en la tubería, está dada por: Donde: = densidad del fluido. = presión diferencial. A= área de entrada. a= área de salida. El tubo Venturi permite la medición de caudales 60% superiores a los de la placa de orificio en las mismas condiciones de servicio y con una pérdida de carga de solo 10 a 20 % de la presión diferencial. Posee un gran precisión y permite el paso de fluidos con un porcentaje relativamente grande de sólidos, los sólidos abrasivos influyen en su forma afectando la exactitud de la medida. Su costo es elevado, al orden de 20 veces el de un diafragma y su precisión es de más o menos 0,75%.
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Para el cálculo de los diafragmas, toberas y tubos Venturi se utilizan normas variadas, en las cuales se indican las perdidas de carga de los elementos y las condiciones en tramos de las tuberías con distancias mínimas a codos, curvas, válvulas, etc. Cuando estas condiciones de distancia son criticas, se utilizan dispositivos llamados enderezadores de vanes que dan un régimen laminar del fluido y permiten reducir el espacio recto necesario.
Tubo Venturi. Tubo pitot: Mide la diferencia entre la presión total y la presión estática, es decir, la presión dinámica, la cual es proporcional al cuadrado de la velocidad. La figura muestra el esquema simplificado del tubo pitot:
Tubo pitot. La ecuación que determina la relación entre la presión diferencial y la velocidad del fluido es:
Donde Pa es la presión total (incluye la presión ejercida por el impacto del fluido) Y Pc es la presión estática. El tubo pitot es sensible a las variaciones de la velocidad del fluido, y por lo tanto su ubicación dentro de la tubería debe ser inalterada. Siempre se busca que el flujo sea laminar, por lo que es importante que la tubería no produzca turbulencias en el desplazamiento del fluido en el interior para ello se requiere de largos tramos rectos de tubería. Se utiliza para le medición de caudales grandes y en fluidos limpios. Su precisión es baja, del orden del 1,5 al 4 %. Tubo Annubar: Es una innovación del tubo Pitot y consta de dos tubos, el de presión total y el de presión estática. El tubo que mide la presión total está situado a lo largo de un diámetro transversal de la tubería y consta de varios orificios
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de precisión crítica determinada por computador, que cubren cada uno la presión total en un anillo de área transversal de la tubería. Estos aíllos tienen áreas iguales. En tuberías de tamaño mayor de 1 pulgada, se dispone en el interior del tubo otro que promedia las presiones obtenidas e los orificios. El tubo que mide la presión estática se encuentra detrás del de presión total con su orificio en el centro de la tubería y aguas debajo de la misma. El tubo Annubar es de mayor precisión que el tubo pitot, del orden del 1 %, tienen una baja perdida de carga y se emplea para la medida de pequeños o grandes caudales de líquidos y gases.
Tubo Annubar. La presión diferencial creada por la placa, la tobera o el tubo Venturi, puede medirse con un tubo en U de mercurio o bien, transmitirse con los instrumentos llamados convertidores diferenciales. Área variable: Rotámetro: Son medidores de caudal en los cuales un flotador cambia su posición dentro de un tubo, proporcionalmente el flujo del fluido. Las fuerzas que actúan sobre el flotador se representan en la figura: G: peso del flotador. F: fuerza de empuje del fluido sobre el flotador. E: fuerza de arrastre del fluido sobre el flotador.
Flotador. En condiciones de equilibrio en los rotámetros se cumplen ciertas formulas, estas permiten determinar el caudal del fluido que pasa a través de un rotámetro conocido. Este caudal depende del peso específico del líquido y de los valores de la sección interior del tubo, ya que la misma cambia según sea el punto de equilibrio del flotador. Por estos motivos la selección del tamaño de un rotámetro es laboriosa y es conveniente
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emplear algún método que simplifique los cálculos requeridos. Con el fin de normalizar estos cálculos, se acostumbra a referir los caudales del líquido o vapor y gas, a sus equivalentes en agua y aire respectivamente. Estas reglas de cálculo especiales permiten determinar rápidamente los caudales equivalentes en agua o en aire del fluido, y de aquí, el tamaño del rotámetro consultando las tablas del fabricante. Estas dan el tamaño, el número del tubo y el del flotador con su forma y peso. Los tubos empleados para la fabricación de los rotámetros pueden ser de vidrio y metálicos. Los fabricantes los mecanizan de tal modo que queda asegurada la intercambiabilidad de los diversos tubos y flotadores a fin de obtener caudales correspondientes sin necesidad de calibrar individualmente cada rotámetro. Los tubos de vidrio pueden ser con nervios interiores que sirve para guiar el flotador. Los metálicos son siempre cónico lisos y precisan de extensión por no tener una lectura directa. Los tubos tienen conicidad expresada como la relación entre el diámetro interno del tubo en la escala máxima y el diámetro de la cabeza del flotador. Esta relación varía entre 1,20 a 1,35. ·
Esféricos para bajos caudales y poca precisión, con una influencia considerable de la viscosidad del fluido. · Cilíndricos 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 flujo con menor influencia de la viscosidad que, por sus características de caudal, puede compararse a una tobera. · Cilíndrico, con bordes salientes contra el flujo y con la mínima influencia de la viscosidad del flujo, que por su funcionamiento, puede compararse a una placa orificio. El material más empleado en los flotadores es el acero inoxidable 316, pero para satisfacer las gran variedad de requerimientos de resistencia a la corrosión que se presentan en la industria se utiliza también otros metales como el aluminio, bronce, monel, níquel, entre otros. Se utiliza también flotadores de plástico pero los metálicos son preferibles por su mayor facilidad de mecanización del borde superior. Las escalas de los rotámetros están grabadas en una escala de latón o de aluminio montada a lo largo del tubo y situadas en coincidencia con la línea de cero del tubo, o bien directamente en el tubo de vidrio. La escala puede estar grabada en unidades directas del caudal (referido siempre a unas condiciones de servicio dadas), o porcentaje de 10 a 100 % de la escala total. En este último caso, se añade un factor de multiplicación a todas las lecturas para convertir a unidades de caudal en volumen o peso del fluido. Otra forma de graduar la escala es en mm, acompañando una curva de calibración caudal/lectura en mm para determinar el caudal del fluido. La curva de calibración se emplea en rotámetros de pequeña capacidad, en los cuales el caudal no es lineal dentro del intervalo del campo de medida 10 a 1.
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Según la aplicación, los rotámetros pueden dividirse en rotámetros de purga, de indicación directa para usos generales y armados con indicación magnética y transmisión neumática y electrónica. Los de purga se utilizan para caudales muy pequeños, los de vidrio de indicación directa pueden adoptar varias disposiciones y los armados incorporan un tubo metálico que no permite la lectura directa del caudal, por lo cual precisan de indicación o de transmisión. Los rotámetros se emplean conectados a las tomas de una placa orificio o diafragma, es decir como rotámetros bypass. En esta aplicación miden el caudal del fluido que circula de la toma de alta presión, la baja, debido a la presión diferencial creada por la placa.
De Velocidad: Vertederos: Se utilizan para medir caudales en canales abiertos y se encuentran en formas variadas. Estos provocan una diferencia de alturas del líquido en el canal entre la zona anterior del vertedero y su punto más bajo. El vertedero debe formar un ángulo recto con la dirección del caudal y el canal aguas arriba debe ser recto como mínimo en una distancia de 10 veces la anchura. La diferencia de alturas debe medirse en un punto aguas arriba lo suficientemente alejado como para no ser influido por la curva de bajada de la superficie del agua y es conveniente utilizar un pozo de protección (tubería de diámetro ligeramente mayor que el flotador) para el flotador del instrumento de medida, caso de utilizar este sistema. Los vertederos más utilizados son los siguientes tipos: · Rectangular con contracción lateral, simple y fácil de construir y el más económico. Es apto para la medida de caudales de 0 - 60 m3/h a 0-2000 m3/h. · Triangular o en V, que consiste en una placa con corte en V de vértice dirigido hacia abajo y con cada lado igualmente inclinado respecto a la vertical. A igualdad de tamaño, su campo de medida es más amplio que el de los otros vertederos. Es capaz de medir caudales dentro del intervalo 0-30 m3/h a 0-2300 m3/h. · Cipolleti o trapezoidal con la ranura en forma de trapecio invertido. La pendiente de los lados del trapecio corrige las contracciones laterales del manto de agua y el caudal es por la tanto proporcional a la altura de la cresta. Su campo de mediada equivale al del vertedero rectangular. · El vertedero Parshall o Venturi se emplea normalmente en aquellas aplicaciones en las que un vertedero normal no es siempre adecuado, tal como ocurre cuando el liquido transporta sólidos o sedimentos en cantidad excesiva, o cuando no existe altura de presión suficiente, o cuando no es posible construir un tramo recto de longitud suficiente (un mínimo de 10 veces la anchura del canal). Puede utilizarse para caudales superiores a 0-30 m3/h.
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Un instrumento de flotador, o bien de burbujeo, mide la diferencia de alturas dada y puede indicar, regular y registrar directamente el caudal, o transmitirlo a distancia con un transmisor.
Tipos de vertederos. Turbinas: Consisten en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre en el rotor; la diferencia de presiones debida al cambio de área entre el rotor y el cono posterior ejerce una fuerza igual y opuesta. De este modo el rotor está equilibrado hidrodinámicamente y gira
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entre los conos anterior y posterior si necesidad de utilizar rodamientos axiales evitando así un rozamiento que necesariamente se produciría (ver figura). Existen dos tipos de convertidores para captar la velocidad de la turbina. En el de la reluctancia, la velocidad viene determinada por el paso de las palas individuales de la turbina a través del campo magnético creado por un imán permanente montado en una bobina captadora exterior. El paso de cada pala varia la reluctancia del circuito magnético. Esta variación cambia el flujo induciendo en la bobina captadora una corriente alterna que, por lo tanto es proporcional al giro de la turbina. En el de tipo inductivo el rotor lleva incorporado un imán permanente y el campo magnético giratorio que se origina induce una corriente alterna en una bobina captadora exterior.
Medidor de turbina. La precisión es muy elevada, del orden de más o menos 0,3 %. El campo de medida llega hasta la relación 15 a 1 entre el caudal máximo y el mínimo y la escala es lineal. El instrumento es adecuado para la medida de caudales de líquidos limpios o filtrados. La sobre velocidad por exceso de caudal puede ser perjudicial para el instrumento. Sondas ultrasónicas: Miden el caudal por diferencia de velocidades del sonido al propagarse este en el sentido del flujo del fluido y en el sentido contrario. Los sensores están situados en una tubería de la que se conocen el área y el perfil de velocidades. Los principios de funcionamiento de estos instrumentos son variados.
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En otras técnicas de medición se mide la diferencia de fases o la diferencia de frecuencias entre las ondas del sonido que recorren el fluido e ambos sentidos. Existen otros métodos que se basan en los siguientes principios: · Desviación de haz de sonido emitido por un transmisor perpendicularmente a la tubería, que es utilizado en fluidos limpios. · Método doppler: se proyectan ondas sónicas a lo largo del fluido del fluido y se mide el corrimiento de frecuencia que experimenta la señal de retorno al reflejarse el sonido en partículas contenidas en el fluido. El método está limitado por la necesidad de la presencia de partículas, pero permite medir algunos caudales de fluidos difíciles tales como mezclas gas-liquido, fangos, etc. En todos los sistemas, se utilizan transductores piezoeléctricos tanto para la emisión como para la recepción de las ondas ultrasónicas. Tienen una precisión de más o menos 2 % y u intervalo de medida de caudales de 20 a 1 con una escala lineal. Son adecuados en la medida de mayor parte de líquidos, en particular de los líquidos con sólidos en suspensión con la salvedad de que las partículas o las burbujas de aire que pueda contener el líquido no deben compararse en tamaño con la longitud de la onda acústica. Son sensibles a los cambios de densidad del líquido que varían la velocidad del sonido.
Medición de caudal por ultrasonidos. Mediciones de tensión inducida
Caudalímetro magnético El principio de funcionamiento se basa en la Ley de Inducción Electromagnética de Faraday. Un campo magnético perpendicular al caudal de medición crea una excitación en dos bobinas ubicadas paralelamente por fuera de la cañería. Al pasar el flujo por el campo magnético creado por las bobinas se induce una FEM la cual es proporcional a la velocidad del flujo y por consiguiente al caudal. Caudalímetro de desplazamiento positivo Los caudalímetros de desplazamiento positivo miden el caudal en volumen contando o integrando volúmenes separados del líquido. Las
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partes mecánicas del instrumento se mueven aprovechando la energía del fluido y dan lugar a una pérdida de carga. Existen 4 tipos básicos de caudalímetros de desplazamiento positivo, los cuales son:
1) Disco Oscilante 2) Pistón Oscilante 3) Pistón alternativo 4) Rotativos Caudalímetro de disco oscilante Dispone de una cámara circular con un disco plano móvil dotado de una ranura en la que está intercalada una placa fija. Esta placa separa la entrada de la salida e impide el giro del disco durante el paso del fluido. La cara baja del disco está siempre en contacto con la parte inferior de la cámara en el lado opuesto. De este modo la cámara está dividida en compartimientos separados de volumen conocido. Caudalimetro de pistón oscilante El instrumento se compone de una cámara de medida cilíndrica con una placa divisora que separa los orificios de entrada y de salida. La única parte móvil es un pistón cilíndrico que oscila suavemente en un movimiento circular entre las dos caras planas de la cámara, y que está provisto de una ranura que desliza en la placa divisora fija que hace de guía del movimiento oscilante. El eje del pistón al girar, transmite su movimiento a un tren de engranajes y a un contador. El par disponible es elevado de modo que el instrumento puede accionar los accesorios mecánicos que sean necesarios Caudalímetro de pistón alternativo. El medidor de pistón convencional es el más antiguo de los medidores de desplazamiento positivo. El instrumento se fabrica en muchas formas: de varios pistones, pistones de doble acción, válvulas rotativas, válvulas deslizantes horizontales. Estos instrumentos se han empleado mucho en la industria petroquímica y pueden alcanzar una precisión del orden de ± 0,2 %. Su capacidad es pequeña comparada con los tamaños de otros medidores. Su costo inicial es alto, dan una pérdida de carga alta y son difíciles de reparar.
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Caudalímetro rotativo Este tipo de instrumento tiene válvulas rotativas que giran excéntricamente rozando con las paredes de una cámara circular y transportan el líquido en forma incremental de la entrada a la salida. Se emplean mucho en la industria petroquímica para la medida de crudos y de gasolina con intervalos de medida que van de unos pocos 1/min de líquidos limpios de baja viscosidad hasta 64 000 1/min de crudos viscosos. Caudalímetro de Torbellino y Vórtex Los transductores de torbellino son adecuados en la medida de caudales de gases y de líquidos y su intervalo de medida entre el valor máximo y el mínimo es de 50 a 1. Deben instalarse en tubería recta con longitudes mínimas de 10 diámetros aguas arriba y de 5 diámetros aguas abajo. El medidor debe instalarse perfectamente alineado con la tubería para asegurar la formación correcta de torbellinos. La precisión del instrumento es de ± 0,2 % del caudal instantáneo, por lo cual el error en tanto por ciento de la escala se hace mayor cuanto más bajo es el caudal. Medidores de caudal masa Caudalímetro Térmico Los medidores térmicos de caudal se basan comúnmente 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.
De los dos principios, el más utilizado industrialmente es el primero debiendo señalar que el primer instrumento de esta clase fue proyectado por Thomas en 1911 para medir el caudal masa de gas en una tobera. Por este motivo estos aparatos reciben también el nombre de medidores de caudal Thomas.
El medidor 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.
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Caudalímetro de Coriolis. El medidor de Coriolis se basa en el Teorema de Coriolis, matemático francés (1795-1843) 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, la 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, la que a su vez es debida a una fuerza que actúa sobre la bola. Estas son, respectivamente, la aceleración y la fuerza de Coriolis. Aplicaciones industriales. Las aplicaciones mencionadas en la medición de temperatura, son sistemas en los cuales también se hace necesario la aplicación de instrumentos medidores de caudal. Pero para mencionar algunas mas especificas están: 1. Medir las cantidades de gases o líquidos utilizados en un proceso dado. 2. Controlar las cantidades adicionales de determinadas sustancias aportadas en ciertas fases del proceso. 3. Mantener una proposición dada entre dos fluidos. 4. Medir el reparto de vapor en una planta, entre otras. 5. En la industria química: Medición sin contacto físico para fluidos agresivos o tóxicos Medición sin contacto físico a altas temperaturas Medición en producción con fluidos no conductores Controladores de caudal portátil para puestas en marcha y diagnósticos 6. En la industria petroquímica: Control de fugas en pipelines con reconocimiento de capas de separación 7. Exploración del petróleo: Medición en producción con presión elevada. Medición de la cantidad de agua inyectada durante la extracción de petróleo. 8. Gestión de aguas y alcantarillado: Medición de caudal en tuberías de gran diámetro (hasta DN 6500)
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Medición de caudal en tuberías de hierro dúctil para instalaciones de agua cloacal Medición de distribución y consumo Detección de fugas Verificación de contadores de agua 9. Centrales eléctricas: Medición de caudal en circuitos de agua fría, de calderas, de condensado y de calentamiento Medición de caudal en tuberías de gran diámetro (hasta DN 6500) Ejemplo industrial: Se va a considerar para este caso un sistema de caldera de cualquier producto. En la regulación de la combustión puede darse preferencia en el mando, al combustible o al aire para que la operación de la caldera corresponda a un sistema determinado de variadas características de seguridad. Estas características de combustión son las siguientes: · Caudal fuel- caudal aire en serie. · Caudal aire- caudal fuel en serie. · Presión de vapor- caudal fuel/ caudal vapor- caudal aire en serie. · Caudal aire- caudal fuel en para lelo. Para este ejemplo se tomara en cuenta únicamente el primer caso, caudal fuel-caudal aire en serie. En el esquema de funcionamiento, el controlador de presión ajusta el punto de consigna del controlador de caudal de fuel y esta variable actúa a través del relé de relación fuel-aire, como punto de consigna del controlador de aire. Como las variaciones del caudal de fuel influyen lentamente en la señal de presión de vapor, el controlador maestro se ajusta para una respuesta rápida ante cambios en la presión. En esta disposición si varía la presión del vapor, el caudal de fuel cambia antes que el del aire de combustión. Si se limita el caudal de fuel, lógicamente quedara también limitado el caudal de aire. La desventaja principal del sistema es el riesgo de explosión que se presenta ante un fallo de aire en el punto de consigna del controlador de caudal de aire; si así ocurre no hay aire de combustión pero el fuel continua circulando.
Esquema de funcionamiento: caudal fuel-caudal aire en serie.
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Como ejemplo adicional, se puede mencionar también la medición de un surtidor de gasolina, en realidad se está midiendo un caudal de suministro de combustible, pero con un arreglo en el sistema se totaliza el volumen de combustible despachado.
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ANEXOS
Ollas de almacenamiento de metal puro y horno de recepción de aleantes.
Parte frontal del Horno de tratamiento térmico y Entrada de rines al horno.
Fases de taladro radial: apertura listo para introducir la rueda y perforacion de la rueda.
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Panel de control y Maquina de rayos x para realizar vista radiologica de la rueda.
Línea de pintura y secado.
Almacenamiento temporal de ruedas: la primera son para mecanizar y, las segundas están listas para la venta.
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CONCLUSION.
La temperatura puede medirse de numerosas maneras y con una gran variedad de elementos. Estas páginas cubren las características de los sensores de uso más común en instrumentación y control de procesos y sugiere que criterios utilizar para seleccionar el mejor sensor para una aplicación particular, información destinada al personal de mantenimiento industrial y operarios de máquinas en general. Hoy en día la medición de flujo en vapores, gases y líquidos es una de las actividades más importantes en el campo de la instrumentación. Existen varios tipos de medición para satisfacer las diferentes aplicaciones de medida. Durante los últimos años las aplicaciones de medición han evolucionado significativamente. Estos se caracterizan por su ínfimo desgaste, su alta fiabilidad, amplio rango y una reducción de las caídas de pérdida de carga en el punto de medición. Existen muchos métodos confiables y precisos para medir flujo. Algunos son aplicables solamente a líquidos, otros solamente a gases y vapores; y otros a ambos. El fluido puede ser limpio o "sucio", seco o húmedo, erosivo o corrosivo. Las condiciones del proceso tales como presión, temperatura, densidad, viscosidad, etc., pueden variar. Todos estos factores afectan la medición y deben ser tomados en cuenta en el momento de seleccionar un medidor de flujo. Es necesario por lo tanto, conocer el principio de operación y características de funcionamiento de los diferentes medidores de flujo disponibles. Sin tal conocimiento, es difícil seleccionar el medidor más apropiado para una determinada aplicación.
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