Sensores de Flujo

Robótica Escuela de Ingeniería Industrial

SENSORES DE FLUJO ¿Qué es un sensor? Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc. El sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.

Sensores de flujo 

Definición El sensor de flujo es un dispositivo que, instalado en línea con una tubería, permite determinar cuándo está circulando un líquido o un gas. Estos son del tipo apagado/encendido; determinan cuándo está o no circulando un fluido, pero no miden el caudal. Para medir el caudal se requiere un caudalímetro. Que también son llamados medidores de flujo o flujómetros.

Funcionamiento El funcionamiento de los sensores de flujo en línea se basa en el principio termodinámico. En un tubo de medición se genera calor que es absorbido por un medio circulante. La cantidad de calor transportada es por lo tanto una medida de la velocidad de flujo. Los sensores de flujo controlan con absoluta fiabilidad el flujo de medios gaseosos y líquidos. Escasa pérdida de presión y reacción rápida a los cambios en el flujo son propiedades que caracterizan a estos aparatos.

DOCENTE: ING. DANIEL RODRIGUEZ SALVATIERRA

Robótica Escuela de Ingeniería Industrial El sensor de flujo está dotado de un rotor de 5 lamas en halar con un imán permanente en cada lama, y un cojinete cerámico insertado en ambos lados. Junto a un eje cerámico, estos cojinetes garantizan una duración extraordinariamente larga a altas velocidades de flujo, además de una perfecta resistencia química. Cada paso de un imán por el transductor, situado en la base, genera un impulso de salida. La señal de salida se transforma en una señal de onda cuadrada de frecuencia linealmente proporcional a la velocidad de rotación del rotor y consecuentemente a la velocidad de flujo. La señal de salida puede ser transmitida hasta 300 m sin necesidad de acondicionamiento. La parte electrónica está enteramente encapsulada en resina epoxídica y, por lo tanto, adaptada a ambientes corrosivos. Entre los accesorios para el sensor de flujo encontramos: -Adaptador para soldar en acero inoxidable - Adaptador a “T” en acero inoxidable

Clasificación


Robótica Escuela de Ingeniería Industrial a) Tipo Pistón: Es el más común de los sensores de flujo. Este tipo de sensor de flujo se recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 0,5 LPM y 20 LPM. Principio de Funcionamiento: Consiste en un pistón que cambia de posición, empujado por el flujo circulante. El pistón puede regresar a su posición inicial por gravedad o por medio de un resorte. El pistón contiene en su interior contiene un imán permanente. Cuando el pistón se mueve el imán se acerca y activa un red switch, que cierra o abre (según sea la configuración) el circuito eléctrico. El área entre el pistón y la pared del sensor determina su sensibilidad, y por ende a qué caudal se activará el sensor.

Sensores tipo pistón



b) Tipo Paleta: Este modelo es recomendado para medir grandes caudales, de más de 20 LPM. Principio de Funcionamiento: Su mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo que se pretende detectar. El flujo empuja la paleta que está unida a un eje que atraviesa herméticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el exterior del sensor. Para ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paleta.

c) Tipo Elevación (Tapón) Este modelo es de uso general. Es muy confiable y se puede ajustar para casi cualquier caudal. Principio de Funcionamiento: Su mecanismo consiste en un tapón que corta el flujo. Del centro del tapón surge un eje que atraviesa herméticamente la pared del sensor. Ese eje empuja un interruptor ubicado en el exterior del sensor. Para ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapón.



Sensores de Flujo: Caudalímetro 

CONTADORES DE TURBINA ◦

Rango: En líquidos funciona tano con caudales bajos y altos (<2 LPM y >20000 PLM). En gases se puede ajustar para caudales bajos (<20 LPM)

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Principio de Funcionamiento: Una turbina colocada de frente al flujo, encapsulada en las paredes de la onu tubo, rota proporcionalmente al caudal. La velocidad de la turbina en sí cuanta por medios mecánicos o inductivos. Los convencionales, cada vez que una aspa pasa porción el sensor sí géneros sin impulso. Así la frecuencia de la señal corresponde a la velocidad del caudal

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Aplicaciones: ◦ Industria química: por características de ejecución, resistencia a la corrosión facilidad de instalación y seguridad.


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Aplicaciones criogénicas: pivotes especiales permiten medir fluidos a temperaturas bajas. Mediciones de aceite: junto con los de tipo coriolis con los más indicados para la medición de aceites ligeros. Lácteos y bebidas: ejecución fiable probada en el sector Industria farmacéutica: modelos higiénicos y de precisión para fluidos de alto valor. Grandes tuberías: modelos de inserción bien probados en aplicaciones de suministro de agua.

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DIFERENCIALES DE PRESIÓN ◦ Rango: Principalmente para caudales bajos tanto líquidos (<2 LPM) como gaseosos (<20 LPM). ◦ Principio de Funcionamiento: ◦ Todos los modelos se basan en la diferencia de presión medida antes y después del sensor. Dicha diferencia es proporcional al caudal medido. ◦ Los diseños principales son: ◦ Paso reducido (placas orificio, toberas, tubos Venturi). ◦ Tubos Pitot. ◦ Aplicaciones: Se emplean para medir una amplia gama de caudales tanto líquidos como gaseosos.

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MAGNÉTICOS ◦ Rango: 0.01 [m/s] a 10 [m/s], con precisión dada por un error ajustable, ◦ Principio de Funcionamiento: • La ley de inducción de Faraday y el efecto Hall hacen explícito que es posible inducir voltaje en un conductor en movimiento bajo un campo magnético fijo, como el de la figura de más abajo. • El principio de funcionamiento del sensor es inducir voltaje proporcional a la velocidad del fluído para luego detectarlo por dos electrodos y transmitido a etapas posteriores de amplificación.



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Instalación: • Para evitar formación de burbujas se debe evitar colocar después de un codo o en los puntos más altos de la tubería. • No se debe instalar un sensor justo antes de donde se ubica un equipo de bombeo, pues podrían producirse bajas de presión. • Debe instalarse un sifón o una válvula de ventilación para, ante bajadas muy abruptas en las líneas, (más de 5 [m] a partir del nivel del sensor), evitar pérdidas de presión (e incluso presiones negativas). • En el caso vertical se recomienda que la dirección del flujo sea hacia arriba, pues sólidos se hundirán abajo y gases subirán lejos del tubo de medición.



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Se debe asegurar tanto las cañerías como el sensor en el caso en que las vibraciones del sistema sean severas. Se recomienda en este caso además instalar transmisor y sensor separadamente Se recomiensa que la entrada y salida del flujo al sensor cumpla con restricciones de distancia si es atravesada en orientación horizontal: la entrada debe ser mayor o igual a 5 veces el diámetro nominal, y la salida, 2 veces mayor o igual.



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ULTRASÓNICOS ◦ Rango: Varían fuertemente dependiendo del diseño y fabricante. ◦ Principio de Funcionamiento:  Efecto Doppler: Requiere de que el fluido contenga partículas que reflejen la onda sonora y de un dispositivo que emita una onda de frecuencia determinada y de un sensor que determine la frecuencia de la onda reflejada. La velocidad del caudal es proporcional a la diferencia de frecuencias.  Tiempo de Tránsito: consiste en medir la diferencia de tiempo que le toma a dos señales recorrer la misma distancia en direcciones opuestas. La diferencia de tiempo y el conocimiento.

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Tipos: De acuerdo al diseño existe otras clasificaciones. Se distinguen 3 tipos: fijación externa, inserción y en línea. Aplicaciones: • En general son versátiles pues miden gases y líquidos. • Los de fijación externa se usan donde se quiera instalar sin interrumpir el servicio. Además, se utilizan cuando se trabajan con fluidos muy corrosivos.


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En fluidos donde la temperatura se mantenga aproximadamente cte. pues la Tº afecta la medición de la velocidad de las ondas sonoras. No aplicar en fluidos de baja propagación acústica (pocos tienen esta característica)

VORTEX ◦

Rango: En general puede medir flujos con un Re>4000 (caudales altos). Los rangos específicos dependen de cada diseño.

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Principio de Funcionamiento:

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Se basa en la formación de vórtices flujo abajo cuando un cuerpo sólido atraviesa un fluido.

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La formación alternada de vórtices genera una diferencia de presión que generalmente son medidas por sensores piezo eléctricos o del tipo capacitivos.

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La velocidad del flujo es proporción a la frecuencia de formación de vórtices o a los cambios de presión.

Instalación: Sencilla debido a su estabilidad mecánica y poca sensibilidad a cambios de temperatura, viscosidad y presión.


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Aplicación: Se utiliza ampliamente para la medición de caudales gaseosos y líquidos.

MECÁNICOS VISUALES: ◦

Se trata de un cono transparente invertido con una bola plástica en su base. El fluido al circular impulsa la bola hacia arriba, a mayor caudal más sube la bola. La gravedad hace bajar la bola al detenerse el flujo. El cono tiene unas marcas que indican el caudal.

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Generalmente empleado para medir gases en lugares donde se requiere conocer el caudal con poca precisión. Un ejemplo lo podemos ver en los hospitales, unidos de la llave del suministro de oxígeno.

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Una modificación de este modelo permite medir la capacidad de pulmonar de una persona que haya sufrido alguna lesión recogiendo una exhalación a través de un adaptador para los labios.

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MECÁNICOS DE MOLINO:



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Consisten en un molino cuyas aspas están transversales a la circulación de fluido. El flujo hace girar el molino cuyo eje mueve un contador que acumula lecturas.

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Un ejemplo de este uso son los contadores de agua de las viviendas o los antiguos contadores de gas natural.

DIFERENCIAL DE Tº: ◦

Se colocan dos termistores y en el centro de ellos una pequeña resistencia calentadora. Si ambos termistores leen la misma temperatura el fluido no está circulando. Según aumenta el flujo uno de los termistores lee la temperatura inicial fluido mientras que el otro lee el fluido calentado. Con este sistema no solo se puede leer el caudal, sino que además se sabe el sentido de circulación. La ventaja de este tipo de Caudalímetro es que se puede conocer la cantidad de masa del fluido que ha circulado.

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DESPLAZAMIENTO POSITIVO: ◦

Separan el líquido en porciones que llenan un recipiente mientras se desplaza. Después cada porción es contada para medir el caudal. Existen muchas variantes de este sistema. De tornillo, de engranajes, pistones, etc.}

Aplicaciones Sus aplicaciones típicas incluyen detección de flujo de aire en sistemas de enfriamiento ambiental, aceite en sistemas hidráulicos, de lubricación y cajas de engranajes; fluidos en sistemas de refrigeración y calefacción, aplicaciones en bombas de transferencia y carga de combustible, y sistemas de agua potable y aguas servidas o negras. En la técnica de instalación de equipos de flujo de procesos y operaciones para medir el flujo o corriente de medios líquidos, el sensor de flujo es un elemento constituyente ciertamente importante para la seguridad en el servicio y funcionamiento. Las aplicaciones industriales requieren, en su mayoría, una medición de flujo, algunas veces dichas mediciones deben ser muy exactas, tal como la medición del material que se está usando en el proceso o manufactura en cuestión, de manera que se pueda determinar la cantidad del material en bruto. El funcionamiento de los sensores de flujo se basa en el principio termodinámico. En un tubo de medición se genera calor que es absorbido por un medio circulante. La cantidad de calor transportada es, por lo tanto, una medida de la velocidad de flujo.


Robótica Escuela de Ingeniería Industrial Los sensores de flujo controlan con absoluta fiabilidad el flujo de medios gaseosos y líquidos. Poseen como propiedades a destacar la escasa pérdida de presión y la reacción rápida a los cambios en el flujo.

Aplicaciones de Caudalímetros



Para determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los siguientes factores:  

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Caudal de disparo: se debe seleccionar un sensor más sensible si se requiere detectar flujos muy bajos. Pérdida de presión: al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se está reduciendo en alguna medida su presión. La presión de salida siempre va a ser menor a la de entrada, siendo el sensor de tapón el que más reduce la presión y el sensor de paleta el menos intrusivo. Impurezas en los fluidos: los sólidos en los fluidos pueden obstruir el sensor de pistón. En cambio, el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los sólidos. Tipo de fluido: se debe seleccionar un sensor que esté fabricado con materiales que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar. La temperatura, presión, acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los materiales.


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