En el control de los procesos, el nivel de líquidos y sólidos contenidos en tanques y reactores, tolvas, etc., es una variable importante. Los dispositivos para la medida del nivel son muy variados. Algunos de ellos son:
Los más usados son:
Medidores de nivel por presión hidrostática
Es el método más común para medir niveles de líquidos. La transmisión de la señal del nivel se puede efectuar por medio de celdas de presión diferencial que pueden ser de tipo neumático o electrónico
Medidores de nivel por desplazamiento
Este tipo de medida se basa en la variación del peso aparente de un cuerpo parcialmente sumergido en un líquido, cuando la altura del líquido varía. Por ejemplo, el flotador utilizado en los tinacos para baño.
Métodos capacitivos
Se utilizan tanto en líquidos como en sólidos, polvos o granulados. El principio en el que se basan es muy sencillo. Una varilla metálica aislada o, verticalmente localizada dentro del depósito, desempeña la función de uno de los electrodos de un capacitor. Como el líquido ( o el sólido granulado) tiene una cierta conductividad, equivale a su vez al segundo electrodo del capacitor. La superficie aparente de los electrodos y, por lo tanto del capacitor, varía con el nivel; esta capacitancia se mide con un puente de C. A.
Medidas de Temperatura
Los elementos de medida de temperatura más adaptados al control automático de procesos son:
R Termopares (o pares termoeléctricos)
R Termómetros de resistencia
R Sistemas de bulbo y bourdon
R Termómetros de dilatación
R Pirómetros de radiación
R Termistores
Se describen los tipos más fundamentales
Termopares
Son seleccionados para la mayoría de las medidas industriales. Tienen sencilla construcción, si están bien calibrados son precisos. Se basan en el descubrimiento siguiente hecho por Jean Peltier en 1821: “Cuando hilos de metales diferentes están en contacto por los extremos, se genera una f.e.m. (y aparece una corriente eléctrica en el circuito) cuando los dos contactos están a diferentes temperaturas” .
Los pares de metales más utilizados en la constitución de termopares industriales son:
? Cobre – Constantán (aleación de cobre y níquel)
? Fierro – Constantán
? Platino – Platino rodio
Para muy altas temperaturas se fabrican termopares de metales refractarios como son:
? Tungsteno – Tungsteno renio
? Grafito – Silicio
? Iridio – Iridio renio
? Tungsteno – Iridio
? Molibdeno – Molibdeno renio
El termopar se selecciona en función de la gama de temperaturas, de los efectos corrosivos del medio ambiente y, de la precisión deseada.
La localización de un termopar en el proceso se debe considerar cuidadosamente. En realidad, además de los cambios térmicos por conducción en relación con el fluido, entran en juego intercambios de energía por radiación con las superficies calientes o frías de la instalación (tuberías, aletas, paredes, etc.)
Termómetros de resistencia (o termo-resistencias)
Se usan para alcanzar mayor precisión que con termopares, o para medidas de pequeñas desviaciones de temperatura (del orden de 0.02°C). Cuando se miden temperaturas próximas a la temperatura ambiente son imprescindibles las resistencias. El error máximo de los termómetros industriales de resistencia es cercano a 0.5%.
Este método aprovecha el cambio de la resistencia de los conductores eléctricos con la temperatura. Las sustancias que utiliza son hilos metálicos de platino (son los más usados por la precisión y resistencia a la corrosión), cobre o níquel, plata, etc.,
El hilo metálico de resistencia termométrica se enrolla en soportes aislantes generalmente de cerámica. Exteriormente las resistencias están protegidas por fundas termométricas de diversas sustancias (metal, cerámica, vidrio, etc.).
Medidas de Flujo
Existen muchos métodos básicos para la medida del flujo. Algunos están bastante generalizados, otros se aplican en casos restringidos.
Para efectos de clasificación, se pueden agrupar los elementos primarios de medida del flujo en los siguientes grupos principales:
1. Medidores de presión diferencial
2. Medidores rotativos (contadores y turbinas)
3. Medidores electromagnéticos de flujo
4. Medidores de área variable
5. Medidores de descarga
6. Medidores de caudal de masa
7. Medidores de caudal de sólidos
8. Medidores de vórtice
9. Medidores ultrasónicos de flujo
En este trabajo sólo se hará referencia a los tipos de medidores de flujo más importantes en la industria.
Medidores de presión diferencial
Los elementos de medida de flujo por presión diferencial, universalmente utilizados en la medida del flujo de los fluidos, se basan en el teorema universal de la hidrodinámica (teorema de Bernoulli).
P1 + pgh1 + pv12 = P2 + pgh2 + pv22
2 2
La expresión general que relaciona el flujo de los fluidos incompresibles “q” con la presión diferencial queda de la siguiente forma:
q = K Ö (P1 – P2)
Donde:
q : Flujo de los fluidos
k : Coeficiente de gasto
P1 : Presión 1
P2 : Presión 2
A pesar del gran avance teórico en este aspecto, es tal la complejidad de los fenómenos en cuestión que, para calcular los elementos de presión diferencial, se recurre a datos experimentales y a tablas determinadas empíricamente. Solo así se consigue una precisión aceptable.
Los elementos de presión diferencial son restricciones o constricciones de diversos tipos insertados en la tubería donde circula el fluido que se quiere medir. La caída de presión que ocurre en la restricción es una medida del caudal.
De los diversos tipos de restricciones, las mas usadas son:
a) Orificios
b) Tubos Venturi
c) Tubos Dall
Orificios:
Este es el tipo de restricción más usado. Tiene la forma de una placa circular, insertada en la tubería entre dos bridas, en la cual se hace un orificio con las dimensiones que indique el calculo. El material del orificio debe resistir la corrosión química y mecánica del fluido. Se usan mucho los diversos tipos de acero inoxidable.
Tubos Venturi:
Son restricciones más elaboradas que el orificio. El tubo de Venturi permite mayor precisión que el orificio, además, se recupera en gran parte la caída de presión. Otra de las ventajas es de que tenemos mayor constancia en las indicaciones a lo largo del tiempo, es decir, existe mayor repetibilidad.
El Tubo de Venturi es particularmente recomendable para líquidos con sólidos en suspensión. La única desventaja del Tubo de Venturi es el costo elevado.
Tubo Dall:
Este tubo produce perdida permanente de presión de cerca del 15% y es mas barato que el Tubo Venturi.
Medidores rotativos (contadores y turbinas)
Se utilizan contadores de modelos varios, (pistones oscilantes, disco de mutación, rotores de dientes engranados, contadores de gas, etc.) cuando se requiere medir cantidades de fluido con buena precisión (desde 0.1 a 1%). Los contadores domésticos de gas y agua son de este tipo.
Los medidores de gasto de tipo turbina permiten presiones mas altas de las que permiten los orificio y tubos de Venturi en la medida del flujo en líquidos. Físicamente, los medidores de turbina son de dimensiones muy pequeñas cuando se les compara con otros tipos de elementos primarios. El órgano principal lo constituye un turbina que mide la velocidad media del liquido.
En una bobina montada en el fondo interno del medidor, cuyo núcleo es un imán permanente, se inducen impulsos al paso de cada una de las paletas de la turbina. Estos impulsos son amplificados y transformados en impulsos rectangulares. Un contador electrónico de impulsos permite indicaciones digitales del flujo y de la cantidad de liquido. La precisión de los medidores de turbina es normalmente mejor que 0.5% en una amplia gama de medidas.
Medidores electromagnéticos de flujo
Los medidores de este tipo son los únicos que no presentan obstrucción al paso del liquido. La perdida de carga que introducen es igual a la de una tubería libre con el mismo tamaño. Por ese motivo son los elementos primarios ideales para la medida de flujos en líquidos viscosos o con sólidos en suspensión. La única condición será que el liquido tenga una conductividad eléctrica por encima de un mínimo establecido.
El funcionamiento de estos medidores se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética. Un conductor eléctrico que se mueve con velocidad perpendicularmente a un campo magnético de inducción, es el asiento de una fuerza electromotriz, dada por la relación:
e = (B)( l)(v)
Donde: e : Fuerza electromotriz
B : Campo magnético de inducción
l : Longitud del conductor
v : Velocidad perpendicular
La fuerza electromotriz inducida, que es proporcional al flujo del liquido, será amplificada por un amplificador electrónico. Una de las dificultades de esta medida reside en el bajo valor de la f.e.m. (milivolts), y de la aparición de diversas partes del circuito, de f.e.m. inducidas por los campos magnéticos existentes en los medios fabriles.
Otra dificultad se relaciona con las variaciones de tensión de la red, las que originan variaciones de la inducción magnética. Las variaciones en la conductividad del liquido pueden también introducir errores.
Resulta muy útil en la medida del flujo en líquidos con sólidos en suspensión, pastosos o corrosivos. Existen actualmente elementos primarios electromagnéticos cuyos electrodos no tienen contacto ohmico (resistencia) con el liquido, sino solamente capacitivo.
Medidores de Vórtice
Es un elemento primario de flujo que ofrece precisión superior a la de los orificios, no tiene piezas móviles y opera con una amplia banda de gastos. Las variaciones de presión y de temperatura no afectan las medidas.
Al no tener partes mecánicas su confiabilidad es alta. El instrumento se basa en la detección del paso de vórtices formados por un obstáculo ( elemento generador de vórtices), intercalado en el paso del fluido.
Los vórtices son pequeños remolinos en zonas localizadas. El elemento generador de vórtices atraviesa diagonalmente la tubería de medida y divide el flujo a la mitad.
Los vórtices se forman alternadamente en cada una de las dos mitades. La geometría y el perfil del elemento generador se determinan a fin de obtener las siguientes características de los vortices:
El número de vórtices proporcional al gasto dentro de una amplia gama de medidas. Por tanto existe relación lineal entre el flujo y el número de vórtices en un intervalo fijo de tiempo.
Siempre que se produce un vórtice, se produce una presión diferencial entre los lados superior e inferior del elemento generador. La sucesión de impulsos de presión se detecta por un elemento sensible insertado en el interior del elemento generador. El ritmo de los impulsos enviados por el detector es proporcional al número de vórtices y proporcional, por tanto, al gasto.
Este instrumento es utilizado con mucho éxito en aplicaciones comunes que usaban orificios y en la medida de gastos de líquidos con sólidos en suspensión o corrosivos.
Medidores ultrasónicos de flujo
Un haz estrecho de ondas sonoras (en la banda acústica o la ultrasónica) lanzada a través de un fluido en movimiento sufre un efecto de arrastre. El medidor ultrasónico de flujo aprovecha este efecto.
En su forma mas sencilla, esta constituido por un transductor transmisor de ultra sonido (TT) y por un transductor receptor (TR).
La onda ultrasónica, enviada en impulsos, atraviesa dos veces el fluido al reflejarse en la pared opuesta, Como la onda es arrastrada por el movimiento del liquido, el recorrido total, y por lo tanto, la atenuación de la onda depende de la velocidad del fluido.
Este tipo de medidor aun en su fase inicial, tiene una precisión mejor que la de la placa de orificio y no presenta ninguna obstrucción, como ocurre con el medidor electromagnético. Sirve pues para líquidos viscosos pastosos o peligrosos ( de alta presión, corrosivos, radioactivos).
Necesita de una corrección automática de temperatura por medio de un termistor porque la velocidad del sonido se altera en función de la temperatura presente en el cuerpo.
