CONTROL DE PROCESOS – FACET – UNTTEMA 3 – Nota Auxiliar AELEMENTOS DE MEDICIÓN Y TRANSMISIÓNVariables de Proceso

Las variables tradicionales que se miden y controlan en los procesos son cuatro: Presión,Temperatura, nivel de interfase y caudal. Estas variables están vinculadas a las condicionesoperativas de los procesos. También interesa en la industria de procesos ciertas característicasfísicas (densidad, viscosidad, etc.) y químicas (composición, conductividad, pH, etc.) que tambiénse miden y controlan, pero en mucha menor escala.

Elementos de medición y transmisión

Son los dispositivos que se encargan de transformar la variable de ingeniería (temperatura, porejemplo) en una señal mecánica, eléctrica, etc. que puede ser usada por otros instrumentos(indicadores, controladores, registradores, etc.). Estos dispositivos tienen dos partes:

Elemento primario: es el que capta la variable a medir y produce cambios en propiedadesfísicas que luego puede transformarse en una señal.

Elemento secundario: capta la señal elaborada por el elemento primario y la transforma enuna salida (indicación por ejemplo) o genera una señal estandarizada que puede ser captadapor otro instrumento en forma local o remota.

Estas dos partes pueden estar claramente separados como en el caso de un tubo Venturi (elementoprimario) con transmisor de presión diferencial (elemento secundario) o bien ambos elementos estánconfundidos en un mismo dispositivo (medidor de presión tipo Bourdon con indicación de aguja).Analizando las relaciones causa efecto, se puede representar a un medidor-transmisor como dossistemas en serie:

ELEMENTOPRIMARIO

ELEMENTOSECUNDARIO

MEDIDOR - TRANSMISOR

VariableMedida

SeñalMedida

Medición de Presión

La presión, junto con la temperatura, constituyen las variables que más frecuentemente se miden ycontrolan en los procesos químicos industriales. Los elementos primarios que se emplean en estosambientes son fundamentalmente de dos tipos:

Elementos de columna de líquido: empleados fundamentalmente para indicación. A estegrupo pertenecen los diversos manómetros de tubo y las campanas con sello líquido.

Elementos elásticos: sirven tanto para medición local como para transmisores. Los cuatroelementos que se emplean en sensores industriales son: Tubo de Bourdon, diafragma,cápsulas y fuelles.

Existen en el mercado diversas tecnologías para transmisores que se acoplan con los elementoselásticos, pero las más difundidas y confiables son los extensométricos (strain gage), capacitivos yde alambre vibrante.

CONTROL DE PROCESOS – FACET – UNTTEMA 3 – Nota Auxiliar AELEMENTOS DE MEDICIÓN Y TRANSMISIÓNDispositivos industriales de medición de temperatura

Existen muchos dispositivos que sirven para medir temperatura, pero solo algunos han sidoadaptados para su uso en ambientes industriales. En la tabla siguiente están los principales.

PRINCIPIOGENERAL

TIPO Principio de funcionamiento ALCANCE (°C)

ELÉCTRICOS

Termocupla

La f.e.m. inducida en dos alambresde distintos metales o aleacionesdepende en forma directa de ladiferencia de temperaturas entre losdos extremos soldados (juntas).

-200 a 2000

Termoresistencias

Se infiere la temperatura a partir dela variación en la resistenciaeléctrica de un metal, generalmenteplatino, cobre o níquel.

-200 a 700

TermistoresSimilar al anterior, pero de unsemiconductor. La resistencia tienerelación inversa con la temperatura.

< 300

EXPANSIÓNTÉRMICA

Sistemas dedilatación

Son elementos que aprovechan lacapacidad de los fluidos (líquidos ygases) de dilatarse con la tempe-ratura. Generalmente se asocian atransmisores neumáticos.

-195 a 760

Termómetros devidrio

Similares a los anteriores pero paraindicación sobre una escala.

-200 a 350

Bimetálicos

Consisten en dos piezas dealeaciones de distinto coeficiente dedilatación térmica que producencambios de forma por efecto de latemperatura.

-50 a 500

RADIACIÓNTÉRMICA

Pirómetros óptico,de radiación total y

de relación

Sistema que mide la temperaturabasándose en la radiación que emitela superficie cuya temperatura escensada. El elemento sensible noestá en contacto con el cuerpo sobreel que se practica la medición.

-40 a 4000

VISUALESIndicadores de

color

Se trata de compuestos químicosque tienen la propiedad de cambiarsu color con la temperatura. Solosirven de indicación

-50 a 1000

CONTROL DE PROCESOS – FACET – UNTTEMA 3 – Nota Auxiliar AELEMENTOS DE MEDICIÓN Y TRANSMISIÓNMedición de caudal

Esta es una variable muy importante ya que su conocimiento es indispensable en los balances demateria y energía. El costo y las dificultades técnicas para la medición hacen que su uso sea menosdifundido. Una clasificación exhaustiva se la puede encontrar en la norma británica BS-7405.Algunos de los elementos primarios más empleados son los siguientes:

PLACA ORIFICIO. Consiste en dos elementos básicos, una placa orificio y un transmisor depresión diferencial. La placa orificio es una placa delgada con unorificio perforado que actúa como restricción en la corriente deflujo. Como el área de la corriente de flujo disminuye a medidaque el fluido pasa a través del orificio, su velocidad aumenta. Laenergía requerida para incrementar la velocidad del fluido seobtiene a través de una reducción en la presión estática.Midiendo el cambio que se produce en la presión estática con untransmisor de presión diferencial, se puede inferir el caudalvolumétrico. La raíz cuadrada de la salida del transmisor depresión diferencial es proporcional al caudal.

CAUDALÍMETRO MAGNÉTICO. El funcionamiento de un caudalímetro magnético se basa en laLey de Faraday de inducción magnética. Una partícula cargada eléctricamente que pasa a través deun campo magnético produce una tensión que es perpendiculartanto al campo magnético como al vector velocidad y estatensión es proporcional a la velocidad de la partícula. Puesto queun líquido conductivo contiene partículas cargadas, al pasar através de un campo magnético, producirá una tensión (Ley deFaraday). Los caudalímetros magnéticos generan un campomagnético perpendicular a la corriente de flujo y miden latensión producida por el fluido que pasa a través delinstrumento. La tensión producida es proporcional a la velocidad media del fluido. Esta tensión esacondicionada y suministrada como salida analógica.

CAUDALÍMETRO DE DESPRENDIMIENTO DE VÓRTICES. Los caudalímetros de vórticesmiden el caudal con la ayuda de un cuerpo que generavórtices. El principio básico de un medidor de vórtices esque los remolinos se desprenden del cuerpo a una frecuenciaproporcional al caudal volumétrico. Los vórtices sondetectados por distintos medios. A medida que los vórticesse van desplazando a través del caudalímetro, crean áreasalternadas de baja y alta presión. Y son estas presionesalternadas las que hacen responder a los elementos sensores.El elemento de detección produce una señal eléctrica de lamisma frecuencia con que se generan los vórtices. Esta

frecuencia es acondicionada en una salida de pulsos y/o analógica. La señal de salida esproporcional a la velocidad del fluido.

CAUDALÍMETRO A TURBINA. El caudalímetro a turbinamide caudal de líquidos claros mediante la detección de larotación de un alabe de turbina colocada en la corriente de flujo.Las partes básicas de un medidor a turbina son el rotor deturbina y el detector magnético. El fluido que circula sobre los

CONTROL DE PROCESOS – FACET – UNTTEMA 3 – Nota Auxiliar AELEMENTOS DE MEDICIÓN Y TRANSMISIÓNálabes del rotor lo hace girar y la velocidad rotacional es proporcional al caudal volumétrico. Eldetector magnético consiste de un imán permanente con devanados de bobina que capta el pasaje delos álabes de turbina. El paso de los álabes delante del detector hace interrumpir el campomagnético y produce una tensión en la bobina. La frecuencia con que se genera esta tensión esproporcional al caudal y se la acondiciona en una salida de pulsos y/o analógica.

MEDIDOR DE ENGRANAJES. Es uno de los tipos más populares de medidor de desplazamientopositivo. Consiste de dos ruedas maquinadas y una cavidad demedición. El paso del fluido a través del medidor hace girar lasruedas ovaladas; cada rotación de las ruedas corresponde al pasode una cantidad conocida de fluido a través del medidor. Larotación de las ruedas suele ser detectada por un sensor deproximidad que genera una señal eléctrica con una frecuenciaproporcional al caudal. Esta señal es acondicionada luego enuna salida de pulsos y/o analógica.

Medición de nivel

El nivel es una variable muy importante en los procesos ya que está vinculada a la operación delequipo, al inventario, etc. Lo más común es designar con nivel a la posición de la interfase líquido-gas o sólido-gas. Pero también se suele medir y controlar la interfase líquido-líquido y líquido-sólido.

No existe algo así como “un medidor universal” que sea aplicable a todos (o la mayoría) de loscasos. Cada situación debe ser cuidadosamente analizada, ya que existe un sinnúmero decondiciones a tener en cuenta como tipo de sólidos o fluido, agresividad física o química, existenciade espuma, ángulos de talud en sólidos, etc.

En la actualidad existe una gama enorme de tecnologías de medición de nivel. Se comentan algunasde las tecnologías más comunes para la medición continua de nivel.

VIBRANTE

Existen tanto para líquidos como para sólidos:

Líquidos: existen para toda clase de líquidos. Esusado para seguridad y monitoreo de los límitessuperior e inferior de los tanques y en sistemas debombas. Pueden usarse en aquellas aplicacionesdonde no es posible utilizar un flotador, porejemplo turbulencia, espuma.

Sólidos: se usan en silos que contengan granosfinos y sólidos en polvo, por ejemplo: trigo, uva,cereales, harina, leche en polvo, azúcar, cemento,plástico granulado, yeso, etc.

Principio de funcionamiento:Es un sensor con forma de horquilla, que vibra a sufrecuencia de resonancia. Esta frecuencia cambiacuando la horquilla se pone en contacto con el sólido olíquido contenido en el recipiente. El cambio defrecuencia es evaluado y convertido en una señal. Sirvepara mediciones discretas.

CONTROL DE PROCESOS – FACET – UNTTEMA 3 – Nota Auxiliar AELEMENTOS DE MEDICIÓN Y TRANSMISIÓNCAPACITANCIA/ADMITANCIA RF

Las sondas de detección de nivel decapacitancia/admitancia RF se pueden usar paradetección de nivel para en depósitos, silos y tanques, demanera continua. Son aplicables en toda la industria,tanto en líquidos como en sólidos, pero principalmenteen líquidos. Están diseñado para soportar altas presionescomo altas temperaturas y materiales cáusticos.Principio de funcionamiento:La sonda de capacitancia y la pared del recipienteforman las dos placas de un capacitor, la capacidadestará determinada por su área superficial, la distanciaentre ellas, así como el tipo y propiedades dieléctricasdel producto que se está midiendo. A medida de que elrecipiente se llena, la capacidad aumenta.La capacidad se mide y una señal proporcional al niveles generada por un circuito electrónico que posee lasonda. La señal es evaluada por otra unidad electrónicaconectada al sistema.Las sondas de detección de nivel de Admitancia deradio frecuencia (RF) se ven afectadas por la resistenciadel material cuyo nivel se está midiendo. El sistema deAdmitancia RF mide tanto la capacitancia como laresistencia del material que se está midiendo y, pormedio de un circuito electrónico, sustrae la resistenciade la medición combinada.

CONDUCTÍMETRO

Se utiliza en líquidos que sean conductores de corrientey están diseñados para soportar líquidos agresivos. Nose pueden utilizar en líquidos que sean inflamables oexplosivos. Utiliza una pequeña corriente alterna, por loque no es peligroso para las personas y no tiene efectosde electrólisis.Principio de funcionamiento:Es un interruptor de nivel que suministra una pequeñacorriente alterna entre dos sondas, el circuito se cierrapor medio del fluido y se indica así el nivel cuando ellíquido `toca´ ambas sondas. Se utiliza en medicionesdiscretas.

CONTROL DE PROCESOS – FACET – UNTTEMA 3 – Nota Auxiliar AELEMENTOS DE MEDICIÓN Y TRANSMISIÓNHIDROSTÁTICO

Es utilizado para medición continua de nivel en tanquesque contengan líquidos o barros, en la industria química,farmacéutica y alimenticia, como también entratamiento de agua y aguas residuales. La sonda,formando un sensor de presión se encuentra de distintosdiseños de construcción para diversas aplicaciones, porejemplo: para ser montadas a un costado del tanque, oarriba, para materiales corrosivos, etc.Principio de funcionamiento:El peso de una columna de líquido genera una presiónhidrostática. A densidad constante, la presiónhidrostática es solamente función de la altura de lacolumna de líquido:

hgp cahidrostáti ..

ULTRASÓNICO

Se usan para la medición continua de nivel, suelenmontarse a través de la parte superior del recipiente otanque.Principio de funcionamiento:Consiste en emitir un pulso de energíaque viaja a la velocidad del sonido en el espacio devapor que se encuentra por encima del líquido o polvo.La señal es reflejada por la superficie del líquido opolvo y va de vuelta al receptor. Se mide el tiempoentre la señal emitida y la señal recibida. A partir de esamedición de tiempo y con la velocidad del sonidoen el vapor se calcula la distancia desde el receptor a lasuperficie del líquido o polvo. En los últimos años,los medidores sónicos de nivel han mejorado enexactitud cuando se los aplica en forma adecuada.

CONTROL DE PROCESOS – FACET – UNTTEMA 3 – Nota Auxiliar AELEMENTOS DE MEDICIÓN Y TRANSMISIÓNRADIOMÉTRICO

Se utiliza tanto para medición continua o discreta. Eltransmisor no entra en contacto con el material ni con elrecipiente, tanto fuera o dentro de él. Se utiliza encontenedores de materiales o líquidos inflamables,venenosos o agresivos. Este dispositivo puede serencontrado en tanques de ácido, hervidores, silos decemento, ciclones, hornos rotativos, agitadores ymezcladores. Debido a que la fuente sola emite rayosgamma, el material y el tanque pueden ser contaminadoradiactivamente.Principio de funcionamiento:La fuente de rayos gamma, tanto de componentes decesio o cobalto, emite radiación que es atenuada amedida que pasa a través de los materiales. Un detector,montado en el lado opuesto del recipiente, convierte estaradiación en una señal eléctrica. La amplitud de la señales determinada por la distancia entre la fuente gamma yel detector y también por el ancho y la densidad delmaterial. El ancho y las paredes del recipiente, cuyaatenuación de la radiación es constante, se tienen encuenta en el cálculo de la señal. La determinación delnivel, se basa en la absorción de radiación por elproducto que contiene el tanque.

DE PRESIÓN DIFERENCIAL

Se usa para generalmente para recipientes bajo presión,el aparato computa la diferencia entre la presión total yla sobre presión. Esta presión es la presión de lacolumna de líquido, que luego es convertida en unaseñal eléctrica. Si la densidad del líquido se conoce, laseñal será directamente el nivel.

YO YO

Utiliza un mecanismo más simple para bajarEl flotador (en el caso de líquidos) o un peso (en el casode polvos) para buscar el nivel. Se cuentan lospulsos producidos a medida que el cable se varebobinando después de encontrar el nivel del tanque, loQue provee una indicación de la altura del espacio devapor.

CONTROL DE PROCESOS – FACET – UNTTEMA 3 – Nota Auxiliar AELEMENTOS DE MEDICIÓN Y TRANSMISIÓNCELDAS DE CARGA O EXTENSOMÉTRICOS

Las celdas de carga determinan el nivel pesando eltanque y su contenido. En la actualidad, las celdas decarga pueden soportar el tanque o bien se pueden fijarextensómetros a un miembro de soporte de la estructuradel tanque para medir la acción del peso cambiante.Tienen la ventaja de ser externos al contenido deltanque. Dan una medición continua de nivel.

MÉTODO DE BURBUJEO

Los sistemas de burbujeo o de purga continua, realizan la medición de nivel midiendo lapresión requerida para que un flujo constante de aire venza la presión hidrostática de unliquido, al salir el aire lo hace a manera de burbujeo, de ahí el nombre del sistema. Principiode funcionamiento: "La presión en el tubo es igual a la presión hidrostática causada por elnivel, si se mide la presión dentro del tubo se obtiene la medición del nivel", este método sepuede utilizar en recipientes abiertos o cerrados, la entrada del manómetro se monta porencima del nivel máximo del recipiente para que los sedimentos no se acumulen en el tubode conexión.

MEDIDORES A FLOTADOR

Uno de los primeros métodos para medir nivel delíquidos empleaba un flotador dentro de un tanqueconectado por medio de un cable a un contrapeso en elexterior del tanque.Una escala graduada sobre el tanque permite obtenerlecturas continuas y directas del nivel del líquido.Desgraciadamente, en este sistema abundan lasinexactitudes y solo es apto para indicación.

DESPLAZADORES

Difieren de los medidores de nivel a flotador en que el flotador ascencional reacciona a uncambio en el nivel del líquido. El flotador va montado sobre la superficie del líquido,subiendo y bajando con el nivel. Por el contrario, el desplazador está restringido de subircon el nivel del líquido y transmite una señal relacionada al cambio en la fuerza ascensionala medida que el nivel del líquido sube y baja alrededor del mismo. El uso de desplazadoresnormalmente está limitado a alcances relativamente cortos (por lo general menos de 1 50cm) debido al elevado costo de la cámara externa que aloja al desplazador.

CONTROL DE PROCESOS – FACET – UNTTEMA 3 – Nota Auxiliar AELEMENTOS DE MEDICIÓN Y TRANSMISIÓNÓPTICO

El sistema sensor óptico permite la monitorización delnivel de líquido de uno o varios depósitos. Se basa en eluso de fibras ópticas, de forma que la electrónicanecesaria se encuentra suficientemente alejada del puntode medida. Ello permite su uso seguro en entornoscríticos: atmósferas inflamables, explosivas,contaminadas electromagnéticamente, sin necesidad derecubrimientos especiales que encarecen su coste final.Principio de funcionamiento: De la cabeza transductorasale un haz luminoso que se refleja en la superficie delmedio cuyo nivel se desea medir. La señal luminosareflejada posee información dependiente de la distanciarecorrida por el haz, permitiendo la medida continua denivel.

POR PALETA ROTATORIADetecta la presencia o ausencia de sólidos secos agranel. Este dispositivo ofrece un rendimiento superioral monitorizar productos como grano, alimentos,cemento, gránulos de plástico y virutas de madera.Principio de funcionamiento: La paleta rotativa esaccionada por un motor de engranaje, y detecta elmaterial cuando el nivel alcanza el sensor . Cuando elmaterial entra en contacto con la paleta se detiene lavibración. Esta vibración provoca el cambio de estadodel relé. Cuando la paleta está libre, se reanuda lavibración y el relé vuelve a su condición normal.Este interruptor es idóneo para aplicaciones con sólidosen ambientes industriales extremos. El usuario puedeajustar la sensibilidad de la paleta en función de laspropiedades del material detectado.Se distinguen varios modelos de sensores compacto oampliado, con extensión rígida o cable. Pueden incluiruna paleta estándar (idónea para muchas aplicaciones), oarticulada (ofrece mayor sensibilidad para materialessólidos ligeros).

CONTROL DE PROCESOS – FACET – UNTTEMA 3 – Nota Auxiliar AELEMENTOS DE MEDICIÓN Y TRANSMISIÓNResumen esquemáticos de los métodos de medición de nivel para líquidos y sólidos