2.1 MEDICIÓN DE PRESIÓN. La presión se define como la fuerza ejercida sobre una superficie por unidad de área. En ingeniería, el término presión se restringe generalmente a la fuerza ejercida por un fluido por unidad de área de la misma superficie que lo encierra. De esta manera, la presión “P” de una fuerza “F” distribuida entre un área “A” se define:
Existen muchas razones por las cuales en un sistema determinado proceso se debe medir presión. Entre estos se tienen: a. Calidad del producto: la cual frecuentemente depende de ciertas presiones que se deben mantener en proceso. b. Por seguridad: como por ejemplo, en recipientes presurizados donde la presión no debe exceder en un valor máximo dado por las especificaciones del diseño. c. En aplicaciones de medición de nivel. d. En aplicaciones de medición de flujo.
Variable presión
Temperatura Nivel Flujo
Típicamente se realizan tres tipos de medición de presión, presión absoluta, presión relativa y presión diferencial. a. Presión absoluta. La presión absoluta, es la presión que representa la diferencia de presión en el punto de mediación y el vacío donde la presión es cero. b. Presión relativa. La presión relativa es la diferencia de presión entre dos puntos, uno de los cuales funciona como referencia. refere ncia. c. Presión atmosférica. Se conoce como presión atmosférica a la presión ejercida ejercida por la atmósfera terrestre medida mediante un barómetro.
d. Vacío. Se conoce como vacío a la diferencia de presiones atmosféricas y la presión absoluta, es decir, la presión medida por debajo de la atmósfera.
En el sistema Internacional de Unidades, la unidad de medida de presión es el Pascal (Pa), que se define como la fuerza ejercida por un Newton (N) sobre un área de un metro cuadrado (m2). O sea, Pa = N/m 2. Esta es una unidad de presión muy pequeña, pero el kilo pascal (KPa), 1.000 Pa, permite expresar fácilmente los rangos de presión comúnmente más usados en la industria petrolera. Otras de las unidades utilizadas son el Kilogramo por centímetro cuadrado (Kg./cm2); libras por pulgada cuadrada (Psi); bar, y otros. En la tabla 1 se presentan los factores de conversión entre las unidades de presión más comunes.
d. Vacío. Se conoce como vacío a la diferencia de presiones atmosféricas y la presión absoluta, es decir, la presión medida por debajo de la atmósfera.
En el sistema Internacional de Unidades, la unidad de medida de presión es el Pascal (Pa), que se define como la fuerza ejercida por un Newton (N) sobre un área de un metro cuadrado (m2). O sea, Pa = N/m 2. Esta es una unidad de presión muy pequeña, pero el kilo pascal (KPa), 1.000 Pa, permite expresar fácilmente los rangos de presión comúnmente más usados en la industria petrolera. Otras de las unidades utilizadas son el Kilogramo por centímetro cuadrado (Kg./cm2); libras por pulgada cuadrada (Psi); bar, y otros. En la tabla 1 se presentan los factores de conversión entre las unidades de presión más comunes.
Instrumentos para medición de la presión a. Instrumentos mecánicos Los instrumentos mecánicos utilizados para medir presión cuyas características se resumen en la tabla 2, pueden clasificarse en: Columnas de Líquido: Manómetro de Presión Absoluta. Manómetro de Tubo en U. Manómetro de Pozo. Manómetro de Tubo Inclinado. Manómetro Tipo Campana. Instrumentos Elásticos: Tubos Bourdon. Fuelles. Diafragmas. b. Instrumentos electromecánicos y electrónicos Los instrumentos electromecánicos y electrónicos utilizados para medir presión pueden clasificarse en: Medidores de Esfuerzo (Strain Gages) Transductores de Presión Resistivos Transductores de Presión Capacitivos Transductores de Presión Magnéticos Transductores de Presión Piezoeléctricos Tabla 2. Principales características de los instrumentos para medir presión.
Descripción de los instrumentos de medir presión presión y vacío. Aunque algunos diseños resistentes pueden ser utilizados en campo y en línea, los manómetros sirven en gran parte como patrones para la calibración de otros instrumentos de medición de presión. a. Columnas de líquido
Estos instrumentos se conocen principalmente como “Manómetros”. En ellos la presión aplicada se balancea contra una columna de líquido. La forma más simple consiste de un tubo vertical sellado en un extremo, que contiene líquido; por el otro extremo se aplica la presión que se quiere medir. El líquido sube en el tubo hasta que el peso de la columna balancea la presión aplicada.
Figura 1. (a) Manómetro de presión absoluta, (b) Manómetro de tubo en “U”
Estos instrumentos encuentran su mayor aplicación en laboratorios y como patrones para calibración de otros instrumentos de presión. El líquido utilizado depende del rango de presión a medir, pero generalmente se emplea agua, compuestos orgánicos y mercurio. A continuación se mencionan varios tipos de medidores de columnas de líquido: • Manómetro para medición de Presión Absoluta: es simplemente un tubo en "U" que
tiene un extremo sellado y al vacío y el otro extremo abierto a la presión absoluta que se va a medir, figura 1 (a). La ecuación que permite calcular el balance estático del instrumento es:
Donde:
P : Presión Absoluta. h : Diferencia de altura en los dos cuerpos del tubo. sg : Gravedad específica del líquido.
• Manómetro de tubo en "U": se utiliza para medir presión diferencial. Consiste en un
tubo en forma de "U" lleno de líquido. En cada una de las ramas del tubo se aplica una presión. La diferencia de altura del líquido en las dos ramas es proporcional a la diferencia de presiones. Un esquema característico puede verse en la figura 1 (b). • Manómetro de Pozo: en este tipo de manómetro una de las columnas del tubo en "U"
ha sido sustituida por un reservorio o pozo de gran diámetro, de forma tal que la presión diferencial es indicada únicamente por la altura del líquido en la rama no eliminada del tubo"U". Un ejemplo es mostrado en la figura 2 (a).
A1 = área de la pierna de diámetro menor A2 = área del pozo Figura 3. (a) Manómetro de pozo, (b) Manómetro de tubo inclinado Si la relación de A1/A2 es pequeña comparado con la unidad, entonces el error de despreciar este término se hace insignificante, y se convierte en una relación de equilibrio estático • Manómetro de Tubo Inclinado: se utiliza para mediciones de presiones diferenciales
pequeñas. En este tipo de manómetro, la rama del tubo de menor diámetro esta inclinada con el objeto de obtener una escala mayor, ya que en este caso h = L sen Ø, figura 2 (b).
• Manómetro de Tipo Campana: este tipo de sensor es una campana invertida dentro de un recipiente que contiene un líquido sellante.
Figura. Manómetros tipo campana. (a) campana de líquido sellado. (B) Mmanométro de presión diferencial. La campana está parcialmente sumergida en el líquido. La señal de mayor presión se aplica sobre el interior de la campana invertida; la señal de menor presión se aplica sobre el interior del recipiente que contiene el líquido. El movimiento vertical de la campana es proporcional al diferencial de presión. Para un balance estático puede utilizarse la siguiente ecuación:
Donde:
Kr : Constante del resorte. h : Desplazamiento de la campana. A : Área del interior de la campana. P2P1 : Diferencial de presión.
• Barómetro líquido.
Barómetros. Un simple barómetro puede ser construido a partir de un tubo de vidrio que esté cerrado en un extremo y abierto en el otro. La longitud del tubo debe ser mayor que 30 pulgadas (76,2cm). El tubo primero es llenado completamente de mercurio, el extremo abierto temporalmente tapado, y después el extremo tapado es colocado en un recipiente parcialmente llenado con mercurio. Cuando se quita el tapón, el mercurio en el tubo caerá en una cierto cantidad, creando un vacío en la parte superior del tubo. La altura de la columna, como se mide en la figura y expresada en pulgadas o en milímetros de mercurio, será después proporcional a la presión atmosférica. • Manómetro de presión absoluta.
Este tipo de medidor comprende un vidrio de tubo en U parcialmente lleno de mercurio, con la parte superior de una pierna evacuado y sellada (ver figura). La presión a medir se aplica a la otra pierna, y h se puede leer en unidades de mercurio absolutas.
b. Instrumentos elásticos de medición de presión Esta clase de sensores se remontan a los primeros años de las tecnologías de la energía de vapor, el aire comprimido y la hidráulica, donde los sensores de presión utilizaban alguna forma de elemento elástico cuya geometría se veía alterada por cambios en la presión. Existen cuatro tipos de instrumentos elásticos principales utilizados para medir presión. Ellos son:
Tubos Bourdon. Fuelles. Diafragmas. Cápsula
Básicamente están diseñados bajo el principio que establece la deflexión que sufre un elemento elástico que es proporcional a la presión aplicada. Tubos Bourdon: En la patente de su inventor 1852 E. Bourdon describió el tubo bourdon como un tubo curvado o trenzado cuya sección de transferencia difiere de una forma circular. En principio, se trata de un tubo cerrado en un extremo, con una sección transversal interna que no es un círculo perfecto, y, si está doblado o deformado, tiene la propiedad de cambiar su forma con las variaciones de la presión interna. Un aumento de la presión interna provoca que la sección transversal se vuelva más circular y que la forma se enderece, lo que resulta en el movimiento del extremo cerrado del tubo, un movimiento comúnmente llamado desplazamiento de punta. La deformación que sufre el tubo, debido a la presión aplicada, es altamente repetitiva, pudiendo el sensor ser calibrado para producir precisiones que en muchos casos alcanzan 0,05% del span. El movimiento del extremo libre del tubo Bourdon se convierte, por medio de engranajes y eslabones, en un movimiento proporcional de una aguja o una plumilla del indicador o registrador. El movimiento de tubo Bourdon también puede ser acoplado electrónicamente a un transmisor o transductor . Materiales de construcción: los tubos Bourdon pueden fabricarse de varios materiales, entre tos cuales se tiene: acero inoxidable 316 y 403, Cobre Berilio, K Monel, Monel y Bronce Fosforado. El material seleccionado determina tanto el rango como la resistencia del tubo a la corrosión. Por ejemplo, un tubo espiral de bronce es adecuado para presiones hasta 300 psig, mientras que uno de acero, puede manejar presiones de hasta 4.000 psig.
Tubo Bourdon tipo “C”: se utilizan principalmente para indicación local en medidores de presión, que están conectados directamente sobre recipientes de proceso y tuberías. Tubo Bourdon en Espiral: se construyen enrollando el tubo, de sección transversal plana, en una espiral de varias vueltas en vez de formar un arco de 270° como en el tipo “C”. Este arreglo da al espiral un mayor grado de
movimiento por unidad de cambio en la presión si se compara con el tubo Bourdon tipo "C".
Tubo Bourdon Helicoidal: se construye de forma similar al tubo en espiral, pero enrollando el tubo en forma helicoidal.
Figura. Tipos de resortes bourdon. A) tubo tipo C, b) tubo espiral, c) tubo helicoidal Aplicaciones: los tubos Bourdon se utilizan como instrumentos de medición directa y como instrumentos de presión en ciertos tipos de controladores, transmisores y registradores. El tipo de Bourdon utilizado se determina principalmente por el espacio disponible en la caja del instrumento. Como una regla general, el tubo Bourdon tipo “C”, es el menos
sensible y el espiral es el más sensible. Ventajas y desventajas: entre las ventajas y desventajas de los medidores de presión de tubo Bourdon se incluyen: Ventajas
Bajo costo. Construcción simple. Cobertura de rangos bajos y altos. Una buena relación precisión/costo. Muchos años de experiencia en su aplicación.
Desventajas
Pérdida de precisión por debajo de 50 psig. Usualmente requieren amplificación, la cual introduce histéresis.
Fuelles: Un fuelle puede definirse como un tubo flexible, el cual cambia su longitud de acuerdo a la presión aplicada. Este cambio de longitud es mucho mayor que el que se obtendría si se utilizara un tubo Bourdon de las mismas características. Este es un tubo metálico de pared delgada con paredes laterales con circunvoluciones que permiten la expansión y contracción axial (ver figura).
Figura : fuelle
Aplicaciones: los fuelles se utilizan en aplicaciones de medición de presión absoluta y medición de presión diferencial. Además, son parte importante en instrumentos tales como transmisores, controladores y registradores. Los elementos de fuelle están bien adaptados para su uso en aplicaciones que requieren movimientos largos y fuerzas altamente desarrolladas. Son muy adecuadas para elementos de entrada analógica para registradores de amplio margen e indicadores y para elementos de retroalimentación en los controladores neumáticos. Diafragmas: El principio de operación es similar al de los fuelles, pero su construcción es diferente. El diafragma es un disco flexible generalmente con corrugaciones concéntricas, tal como se muestra en la figura 6.a. Los diafragmas pueden ser metálicos y no metálicos. Entre los materiales comúnmente más utilizados se encuentran: bronce, cobreberilio, acero inoxidable, Monel, neopreno, siliconas y teflón.
Figura: diafragmas.
Aplicaciones: los diafragmas se emplean en medición de bajas presiones y vacío; y en mediciones de presión absoluta y diferencial. Cápsula. El diafragma puede ser utilizado independientemente como un sensor de presión, pero también es componente básico de un elemento conocido como “cápsula”, figura 6.b. Una “cápsula” está formada por dos diafragmas unidos alrededor de su periferia.
Existen dos tipos de cápsulas: convexas en las cuales la orientación de las corrugaciones de los dos diafragmas es opuesta; y tipo “nido” (nested) donde la
orientación de las corrugaciones coincide. La cápsula de diafragma es utilizada por los transmisores neumáticos y electrónicos de diferencial de presión. Una cápsula está formada uniendo la periferia de dos diafragmas a través de estañado o soldadura. Dos o más cápsulas pueden unirse entre sí (ver figura), y por lo tanto la deflexión total del conjunto es igual a la suma de las desviaciones de las cápsulas individuales. Tales elementos se utilizan en algunas galgas de presión absoluta. Estas configuraciones también se utilizan en aplicaciones de aeronaves.
Figura. El uso del elemento cápsula en un manómetro. c. Instrumentos electrónicos Sensores de fuerza o presión, transductores y transmisores Una desventaja común que presentan los instrumentos mecánicos, es el método utilizado para transmitir el movimiento del elemento de medición de presión a un indicador, tal como un puntero o una plumilla. Un eslabón mecánico, sufre de desgaste, tiene un alto grado de histéresis, lo cual limita la precisión, velocidad de respuesta y repetibilidad de la medición. Los avances en la tecnología electrónica han dado la respuesta a este problema, sensando electrónicamente el movimiento del elemento de medición de presión. El resultado de esto es: respuesta mucho más rápida, menor desgaste e histéresis, mejor compensación de la temperatura, y una salida, la cuál es una señal eléctrica proporcional al movimiento del elemento de
presión. Esta señal puede ser aplicada y condicionada luego para que reúna los requerimientos del sistema de control. Hay una distinción clara entre el sensor de presión y un transductor de presión. El sensor proporciona la base de la medición, el transductor convierte la energía de una forma a otra. En los instrumentos de presión completamente mecánicos descritos anteriormente, un resorte puede proporcionar la restauración de fuerza y, por medio de vínculos y de la palanca, amplificar y transmitir el valor de sensor a un indicador, grabador, o controlador mecánicamente operado. En los transductores de presión neumática, una contrapresión de aire actúa sobre el diafragma, fuelle, bourdon, u otro elemento elástico para igualar la presión detectada (proceso). Un sistema de balance fuerza o posición puede ser utilizado en los instrumentos neumáticos. Los transductores de corriente a presión utilizados para la operación del control neumático diafragma En los transductores electrónicos u electroópticos, los valores de sensor son convertidos en cantidades eléctricas (corriente, resistencia, capacitancia, resistencia, y alteraciones en las salidas piezoeléctricas y ópticos). La invención de la banda extensométrica ( galga extensométrica, strain gage) sirvió de impulso inicial para utilizar transductores eléctricos. Hay numerosas ventajas para un gran número de aplicaciones que derivan de una cierta forma de transducción electrónica. Estas unidades son muy pequeñas, son fáciles de integrar en las redes eléctricas, y numerosas otras características electrónicas se pueden añadir a los transductores y transmisores, incluyendo verificaciones incorporadas de la calibración, compensación de temperatura, autodiagnóstico, acondicionamiento de señales y otras características, que pueden ser derivadas a partir de la integración de un microprocesador en la unidad sensortransductor transmisor. La mayoría de los instrumentos electromagnéticos de presión, incorporan uno de los instrumentos primarios de medición de presión discutidos previamente (instrumentos elásticos). El hecho de que la energía del proceso sea transformada en una señal eléctrica, a partir de un movimiento mecánico, hace que a estos instrumentos se les dé el nombre de “Transductores”.
Entre estos instrumentos electromagnéticos utilizados para medir presión se pueden mencionar:
Strain Gages o Estensómetros. Transductores Resistivos. Transductores Capacitivos. Transductores Magnéticos. Transductores Piezoeléctricos.
Strain Gage (también galgas o bandas estensométricas): los transductores de presión tipo Strain Gage proporcionan un medio conveniente y confiable para medir presión de gases y líquidos. Son especialmente adecuados para ser utilizados en sistemas viscosos y corrosivos. Estos dispositivos se han utilizado ampliamente en la presión y células de peso de carga durante varios años. Las galgas extensométricas generalmente se montan directamente sobre el sensor de presión o elemento de suma de fuerza. Pueden ser soportadas directamente por diafragmas de detección o unidas a resortes en voladizo, que actúan como una fuerza de restauración. Ventajas:
Muy buena exactitud (0,1 %). No sensible a golpes y vibración. Rango entre 10 y 10.000 psi. Excelente estabilidad. Buena repetibilidad. Efecto de temperatura despreciable si se compensa.
Desventajas:
Limitaciones por alta temperatura. Requiere compensación por temperatura. Requiere fuente de poder externa. Requiere conversión de señal.
Transductores resistivos: Estos transductores operan bajo el principio de que un cambio en la presión produce un cambio en la resistencia del elemento sensor. Están constituidos por un elemento elástico (tubo Bourdon, fuelle, diafragma), el cual hace variar la resistencia de un potenciómetro en función de la presión. La figura 9 muestra dos tipos de transductores resistivos. En uno de ellos el elemento sensor lo constituye un fuelle y el otro un diafragma. La figura 10 muestra un tipo de transductor resistivo en el cual no se utiliza un elemento elástico como sensor.
Figura. Transductor resistivo de temperatura
Transductores Capacitivos: La figura muestra un sensor de presión que utiliza capacitancias en vez de resistencias como elementos del puente de Wheatstone. En este caso, el elemento sensor es un diafragma que está en contacto con la presión del proceso. Cuando la presión aplicada produce una deflexión en el diafragma, la capacitancia del elemento cambia en proporción a la presión aplicada; ya que la capacitancia es función del material dieléctrico entre las placas del capacitor y de las distancias entre las placas. Este cambio en la capacitancia produce un cambio en la señal de voltaje d.c. del circuito del puente. Esta variación de voltaje se convierte en una señal estándar de 420 mA. Estos transductores pueden censar presiones bajas, se usan frecuentemente en transmisores de presión manométrica así como diferencial y en aplicaciones de medición de presión, flujo y nivel. Ventajas:
Muy buenos para medir presiones bajas. Construcción rígida. No es afectado por vibración.
Desventajas:
Sensibles a la temperatura. Se requiere electrónica adicional para producir una señal de salida estándar. Requiere fuente de poder externa.
Figura. Transductor de presión capacitivo
Transductores magnéticos: Existen dos tipos, los de inductancia variable y los de reluctancia variable. Transductores de Inductancia Variable: Utilizan una bobina con un núcleo magnético móvil. La inductancia en la bobina varía proporcionalmente según la posición que ocupe el núcleo dentro de la bobina. De este modo, variaciones de presión sobre el sensor producen cambios en la posición del núcleo, lo que a la vez origina un cambio en la inductancia (figura 12). Este tipo de sensor ha venido siendo utilizado para detectar pequeños desplazamientos de cápsulas y otros instrumentos.
Transductores de Reluctancia Variable: En este caso existe un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético. El circuito magnético se alimenta de una fuerza magnetomotriz constante, de este modo, al variar la presión en el sensor, varía la posición de la armadura produciéndose un cambio en la reluctancia y por lo tanto el flujo magnético. Los dos tipos de transductores magnéticos utilizan como sensor un elemento elástico y circuitos eléctricos constituidos por un puente de Wheatstone. Aplicaciones: estos transductores se utilizan en algunos instrumentos para medición de presión absoluta, manométrica y diferencial, y en aplicaciones de medición, flujo y nivel. También se utilizan en ciertos convertidores presión/voltaje.
Figura . Transductor de reluctancia variable
Transductores piezoeléctricos: La piezoelectricidad se define como la producción de un potencial eléctrico debido a la presión sobre ciertas sustancias cristalinas como el cuarzo, titanato de bario, etc. En un sensor piezoeléctrico la presión aplicada sobre varios cristales producen una deformación elástica. Un semiconductor piezoresistivo se puede describir como un elemento que produce un cambio en la resistencia, causado por un esfuerzo aplicado sobre un diafragma. De esta manera, resistencias de estado sólido se pueden utilizar como instrumentos de presión, del mismo modo que los alambres de un Strain Gage, pero con varias ventajas. La alta sensibilidad o factor de medida es aproximadamente 100 veces mayor que en los Strain Gages de alambre. Las piezoresistencias están difundidas en un medio homogéneo de silicona cristalino. De esta manera, las resistencias están integradas al elemento sensor.
2.2 MEDICIÓN DE NIVEL Y DENSIDAD. La medición de nivel consiste en medir la altura a la que se encuentra la superficie libre del líquido a partir de una línea de referencia. Existen básicamente dos métodos: Métodos Directos Estos consisten en medir directamente la superficie libre del líquido a partir de una línea de referencia. Pueden ser:
Observación visual directa de la altura sobre una escala graduada: medidor de vara, de tubo de vidrio, etc. Determinación de la posición de un flotador que descansa sobre la superficie libre del líquido: flotador y cinta, flotador y eje, etc. Electrodos que hacen contacto con la superficie libre del líquido.
Métodos Indirectos Estos consisten en medir otros efectos que cambian con el nivel del líquido. Entre ellos están:
Medición de presión hidrostática o presión diferencial. Medición de fuerza de empuje. Como en el de tubo de torsión. Medición de la radiación nuclear. Medidor radioactivo. Reflexión de ondas de radio, de radar o sónicas desde la superficie libre del líquido. Medidor ultrasónico. Medición de la capacitancia eléctrica.
Estos métodos tienen un error inherente debido a que el nivel se determina a partir de la medida de otra variable. Medición Directa de Nivel Medidores de sonda o de vara Estos instrumentos consisten en una varilla o regla graduada de la longitud conveniente para introducirla dentro del depósito, la determinación del nivel se efectúa por la lectura directa de la longitud mojada por el líquido, cuando la sonda se introduce
hasta el fondo del tanque. Este método sirve para tanques a presión atmosférica y se usa comúnmente en tanques de fuel oil, gasolina y aceites en motores de combustión interna. Una variante de este método consiste en una varilla graduada con gancho, que se sumerge en el líquido y se levanta después hasta que el gancho rompe la superficie del líquido. En este caso la distancia entre ese punto y la parte superior del tanque representa directamente el nivel del tanque. Este se puede usar solo cuando la superficie libre del líquido se puede ver directamente. Cuando el tanque tiene una profundidad grande, entonces se hace difícil manipular la regla por su longitud, en este caso se puede sustituir la varilla por una cinta flexible al cual se le coloca un peso en la punta, formando el medidor de cinta y plomada. Medidores de nivel de cristal Consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados al tanque mediante bloques metálicos y válvulas. Se usan por lo general tres válvulas: dos de cierre de seguridad y mantenimiento en los extremos del tubo, con las cuales se impide la fuga de líquido en caso de ruptura del tubo; y una válvula de purga.
El nivel de cristal normal se emplea para presiones de hasta 700KPa, para presiones mas elevadas se usa un cristal grueso, de sección rectangular y protegido por una armadura metálica. En este caso la lectura se puede efectuar por reflexión o por transparencia.
La principal ventaja de este método es la gran seguridad que ofrece en la lectura del nivel del líquido, pudiendo controlar o calibrar con este las lecturas de otros aparatos.
Sin embargo presenta la desventaja de permitir solo una indicación local. Aunque se pueden usar cámaras de televisión para la medición a distancia. Medidores de nivel de flotador Consisten en un flotador situado en el seno de un líquido y conectado al exterior del tanque indicando directamente el nivel. La conexión puede ser directa, magnética, eléctrica e hidráulica. Conexión directa Existen dos modalidades: Flotador y cinta Consta de un flotador que puede ser de níquel, cobre o plástico el cual esta conectado mediante una cinta y a través de una polea a un contrapeso al exterior del tanque. La posición del contrapeso indicará directamente el nivel. Su rango de medida será igual a la altura del tanque. Este método solo sirve para tanques abiertos, debido a la dificultad de producir un sello suficientemente hermético en la cinta. Flotador y eje Consiste en un flotador conectado a un eje giratorio que sale del tanque y en cuyo extremo se encuentra una aguja indicadora, la cual indica sobre una escala el nivel del tanque. Este método se puede utilizar en una gran variedad de líquidos, inclusive en aquellos de alta viscosidad y en tanques cerrado con presiones hasta de 1000 psi. Es sin embargo aconsejable no usarlo para líquidos con sólidos en suspensión, ya que estos sólidos se pueden depositar sobre el flotador produciendo un error en la medida. En este caso el rango (H) está limitado por la longitud del brazo del flotador (L) y el ángulo rotado (α) que no debe ser superior a 60º ya que para valores mayores la
medida se vuelve altamente no lineal. El valor del rango se puede calcular con la expresión: H = 2Lsin(α /2).
Conexión magnética Esta puede ser de dos tipos. Flotador magnético con cinta El primer tipo consta de un flotador anular que posee un imán en su interior y que se desliza alrededor de un tubo sellado instalado en forma vertical dentro del tanque. Dentro del tubo una pieza magnética sigue al flotador en su movimiento y mediante un cable o varilla arrastra el indicador del instrumento situado generalmente en la parte superior del tanque. El instrumento puede ser además transmisor neumático o electrónico. Este método es recomendable para tanques cerrados en donde no se pueda correr el riesgo de fugas, como por ejemplo un tanque de gas licuado. Flotador magnético con indicación por color Esta es una variante de la conexión magnética en donde el flotador, que posee en su interior un imán, se desliza sobre una guía próxima a una pared del tanque. En este caso la indicación se realiza mediante la rotación de pequeños elementos magnetizables de color que el imán atrae al pasar cerca de ellos. Si cada una de las paredes del elemento son de color distinto entonces el elemento que esta en una posición diferente de los otros, y por tanto muestra un color distinto indicará la posición del nivel. Medición indirecta de nivel Medidor de nivel por fuerza de empuje El representante común de este tipo de medidor es el medidor de tubo de torsión, el cual consiste en un flotador, vertical y largo, parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión unido rígidamente al tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a un indicador en el exterior del tanque. Este tubo de torsión se caracteriza porque el ángulo de rotación de su extremo libre es directamente proporcional al momento aplicado, o sea al empuje que ejerce el flotador que según el principio de Arquímedes el flotador sufre un empuje hacia arriba que viene dado por la expresión:
El momento sobre la barra de torsión será entonces:
Donde: F: fuerza de empuje del líquido s: sección transversal del flotador H: altura sumergida del flotador γ : peso específico del líquido
l: longitud del brazo del flotador W: peso del flotador Luego al aumentar el nivel del líquido este ejerce un empuje sobre el flotador igual al volumen de la parte sumergida multiplicada por el peso específico del líquido, tendiendo a neutralizar su peso propio. El movimiento angular del extremo libre del tubo de torsión es muy pequeño, del orden de los 9º. Las dimensiones del flotador dependerán de la amplitud de la medida requerida. Sabiendo que su uso es apto para la medida de pequeñas diferencias de nivel hasta amplitudes de 200 mm. Este sistema presenta además la ventaja de proporcionar un cierre estanco entre el tanque y el exterior. Por lo tanto se puede usar en tanques abiertos o cerrados, a presión o al vacío. La precisión de este instrumento es del orden del 1% . Medición de nivel por presión hidrostática o presión diferencial Este método se basa como su nombre lo indica en la medición de la presión hidrostática en el fondo del tanque o la presión diferencial entre dos puntos del tanque, la cual será directamente proporcional al nivel de líquido en el tanque según la expresión:
Donde: P: presión ejercida por la columna de líquido h: altura del nivel de líquido por encima del medidor de presión γ : peso específico del líquido
G: gravedad específica de líquido
γH20 : peso específico del agua
Estos instrumentos se pueden usar tanto en tanques abiertos como en tanques cerrados, sin embargo su funcionamiento es diferente en ambos casos. Para tanques abiertos se usa la presión hidrostática manométrica y en tanques cerrados se usa una presión diferencial entre la parte inferior y superior del tanque. El rango de estos instrumentos varía entre 0 a 8 cm de agua hasta el rango máximo del manómetro utilizado para medir la presión. Medición de nivel por presión hidrostática en tanques abiertos En tanques abiertos se utiliza directamente la presión hidrostática manométrica medida en el fondo del tanque, la cual será directamente proporcional a la presión. Existen varios tipos de medidores de nivel para tanques abiertos a saber. Medidor manométrico Consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque, la lectura del manómetro indicará directamente la altura entre el nivel del líquido y el eje del manómetro, por lo que este se puede calibrar en unidades de nivel. Para este instrumento se acostumbra instalar además una válvula de cierre, para poder desmontar el instrumento sin tener que vaciar el tanque. Y se suele añadir también un recipiente de decantación, con una válvula de purga, para evitar que las partículas en suspensión del líquido lleguen al manómetro y poder eliminar regularmente las que se acumulen en el recipiente. Como los niveles son valores limitados, debido a mayor altura el nivel requiere de una resistencia mucho mayor, entonces el campo de medida de los manómetros es bastante pequeño por lo cual se usan generalmente elementos sensores de tipo fuelle. Este sistema solo sirve para fluidos relativamente limpios en tanques abiertos. Medidor de membrana (caja de diafragma) Este utiliza una membrana conectada con un tubo estanco lleno de aire a un instrumento medidor de presión. En este caso la fuerza ejercida por la columna de líquido sobre el área de la membrana comprime el aire atrapado en el tubo con una presión igual a la presión ejercida por la columna de líquido.
El volumen de aire interno suele ser bastante grande por lo cual el sistema está limitado a distancias no mayores de 15 m debido a la compresibilidad del aire. El medidor tiene una exactitud de hasta 1% y puede trabajar hasta temperaturas de 60ºC. Este sistema es delicado ya que cualquier pequeña fuga de aire puede dañar la calibración e incluso inutilizar el sistema, por lo cual no es conveniente usarlo para líquidos corrosivos. Sistema de trampa de aire Este sistema es similar al de la caja diafragma abierta solo que no posee diafragma, quedando el aire del sistema de medición atrapado simplemente por el líquido. La principal limitación de este sistema es la posibilidad de pequeñas fugas del aire atrapado, por lo cual se requiere de aire de reposición y de una calibración periódica. Medidor de tipo burbujeo Este emplea un tubo sumergido en el líquido a cuyo través se hace burbujear aire mediante un regulador de caudal. La presión del aire en la tubería es equivalente a la presión hidrostática ejercida por la columna del líquido, es decir al nivel. El regulador de caudal permite mantener el flujo constante a través de tubería sin importar el nivel (caudal común 150Nl/h). La tubería de aire suele ser de ½ pulgada con el extremo biselado para la fácil formación de burbujas. El manómetro receptor puede colocarse hasta distancias de 300 m. Se puede además usar otros tipos de gas además de aire, e incluso líquido como fluido de purga si en algún caso se requiere. Este sistema es simple y da buenos resultados, en particular en el caso de líquidos muy corrosivos o con sólidos en suspensión y emulsiones.
No se recomienda su uso cuando el fluido de purga puede perjudicar el líquido del proceso. Tampoco es conveniente para líquidos muy viscosos en donde se presentan dificultades para la formación de las burbujas. Medición de nivel por capacitivo Este funciona midiendo la capacidad de un condensador (capacitor) formado por un electrodo sumergido en el medio del tanque y las paredes del tanque. La capacidad del conjunto depende linealmente del nivel del líquido.
En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal, y la capacidad será función de la capacitancia del dieléctrico formado por el gas mas el líquido mas el de las conexiones. Si el líquido es conductor con una conductividad mínima de 100 μΩ/cc el
electrodo se aísla, usualmente con teflón, y se debe añadir entonces la capacitancia del dieléctrico formado por el aislante. La precisión de este instrumento esta en el orden del 1%. Su campo de medida es prácticamente ilimitado y pueden emplearse en la medida de interfases de líquidos, con la única condición de que posean diferentes capacitancias eléctricas. Los principales inconvenientes son que temperatura puede afectar las constantes dieléctricas, y la posibilidad que se depositen elementos sólidos sobre el electrodo que falseen la medida. Medición de nivel por ultrasonido Este método se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante, la superficie libre, y la recepción del eco del mismo en el receptor. En este caso el retardo en la lectura o captación del eco depende del nivel del tanque. Estos se pueden usar como alarma, en este caso los sensores vibran con una cierta frecuencia y se
amortiguan (disminuye la frecuencia) cuando el líquido los toca. En este caso el montaje puede ser lateral o superior. Se pueden usar también como indicación continua, en este caso la fuente de ultrasonido genera impulsos que son detectados por el receptor una vez transcurrido el tiempo de ida y vuelta de la onda a la superficie del sólido o líquido. Como la reflexión de la onda se realiza en la superficie libre, el montaje podrá ser entonces en el aire o en el líquido. Sirven para todo tipo de líquidos, pero son sensibles a la densidad del fluido en el cual es transportada la onda, ya que la velocidad de propagación de la onda varía según la densidad del medio de transporte de ésta, por lo tanto el método no es conveniente para procesos en donde cambian continuamente las condiciones ambientales. También se presentan problemas de reflexión cuando en la superficie del líquido se forman espumas, existen sólidos en suspensión o la superficie no es suficientemente nítida debido a turbulencias por ejemplo. Trabajan generalmente con una frecuencia de 20 KHz. La precisión de estos instrumentos está en el orden del 1 al 3%. Medición de densidad. La densidad es una medida utilizada por la fisica para determinar la cantidad de masa contenida en un determinado volumen. La densidad tambien es simbolizada por la letra griega , es una magnitud referida a la cantidad de masa en un determinado volumen. Unidades de densidad en el sistema internacional de unidades (si):
Kilogramo por metro cubico (kg/m³) Gramo por centimetro cubico (g/cm³) Kilogramo por litro (k/ml) o kilogramo por decimetro cubico. El agua tiene una densidad proxima a 1kg/l (1000 g/dm³ = 1 g/cm³ = 1 g/ml) Gramo por mililitro (g/ml),que equivale a (g/cm³)
Instrumentos para la medición de densidad. La densidad puede obtenerse de forma indirecta y de forma directa. Para la obtencion indirecta de la densidad, se miden la masa y el volumen por separado y posteriormente se calcula la densidad. entre los instrumentos mas comunes para la medida de densidades tenemos:
El densimetro,permite la medida directa de la densidad de un liquido El picnometro,permite la medida de la precisadensidad de solidos, liquidos y gases La balanza de mohr es una variante de balanza hidrostatica que permite la medida precisa de la densidad de liquidos
La densidad se puede medir por medio de instrumentos diferentes a los que ya han sido mencionados como:
Medidores de flujo Nuclear Instrumentos de vibracion
