Post on 20-Jan-2016
Flujo monofásico y multifásico
La diferencia fundamental entre el flujo monofásico (de una sola fase) y el flujos
multifásico (dos fases o tres fases en forma simultánea), es la existencia de los patrones
de flujo o los regímenes de flujos. El patrón de flujo se refiere a la configuración
geométrica de los gases y las fases del líquido en la tubería. Cuando el gas y el flujo de
líquidos de forma simultánea en un tubería, las dos fases pueden distribuirse en una
variedad de configuraciones de flujo. Las configuraciones de flujo difieren entre sí en la
distribución espacial de la interfase, dando lugar a diferentes características de flujo,
tales como la velocidad y la distribución del colgamiento. El patrón de flujo existente en
un sistema de flujo multifásico depende de las variables que figuran a continuación:
Los parámetros de funcionamiento, es decir, las tasas de flujo del gas y el
líquido.
Variables geométricas, como el diámetro del tubo y el ángulo de inclinación.
Las propiedades físicas de las dos fases, es decir, la densidad, la viscosidad, y la
tensión interfacial.
En flujos monofásicos normalmente se tiene un flujo laminar o turbulento.
Cuando se tienen flujos multifásicos, las fases se distribuyen en una variedad de
regímenes de flujo. Las configuraciones del régimen de flujo se ven afectadas por las
velocidades del gas y de líquido, el diámetro del tubo y las propiedades del fluido. Estos
efectos resultan en una variedad de patrones tanto en tubería horizontal y tubería
vertical.
Tubería horizontal:
Estratificado (stratified)
Estratificado ondulado (stratified wavy)
Tapón (plug)
Bache (slug)
Burbuja (bubble)
Anular (annular)
Neblina (mist)
Tubería vertical:
Burbuja (bubble)
Burbuja finamente dispersa (finely dispersed bubble)
Tapón (slug)
Revuelto (churn)
Anular (annular)
Flujo monofásico: Para una sola fase líquida o de gas que pasa a través de la sección
transversal de la tubería (A) para un promedio de velocidad (V), la velocidad de flujo
volumétrico Q se puede calcular por:
Q = AV
Flujo Multifásico: Un método simple para estimar el flujo volumétrico para cada fase
es establecer la distribución de cada fase, asumiendo que cada fase está ocupando una
fracción de la superficie total de la sección transversal en cualquier instante, que viene
determinado por las siguientes relaciones:
fo=Ao/ A, fw=Aw/A, fg=Ag/A
fo + fw + fg = 1
En donde fo, fw, y fg son las fracciones de volumen (fracción a través de la
sección transversal A).
Medidores
Los medidores de flujo facilitan el control de los insumos del proceso y la
obtención de correctos índices de producción o consumo. Deben ser instalados en las
líneas principales o a la entrada de equipos de mayor consumo, su tipo y capacidad
dependerán de las variables del proceso mismo donde serán instalados.
La medición de flujo es uno de los aspectos más importantes en el control de
procesos; de hecho, bien puede ser la variable más comúnmente medida. 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. Es necesario
conocer el principio de operación y características de funcionamiento de los diferentes
medidores de flujo disponibles. Debido a que sin tal conocimiento, es difícil seleccionar
el medidor más apropiado para una determinada aplicación.
1. Instrumentos medidores de caudal
Los diferentes métodos que se utilizan para medir caudales se dividen de
acuerdo a los tipos de flujo, el flujo volumétrico, que representa la variación de volumen
por unidad de tiempo y el flujo másico, que representa la variación de masa por unidad
de tiempo. De esta forma entonces existen medidores volumétricos y medidores de
caudal másico, pero hay que tener en cuenta que ambos pueden servir para la misma
aplicación, ya que el volumen y la masa son proporcionales entre sí.
Medidores volumétricos
Los medidores volumétricos determinan el flujo en volumen del fluido, bien sea
indirectamente por deducción (presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza,
tensión inducida, torbellino) o bien sea, directamente (desplazamiento).
Medidores de flujo volumétricos
Un medidor de velocidad, utilizado para medir flujo volumétrico, puede
definirse como un medidor en el cual la señal del elemento primario es proporcional a la
velocidad del fluido. Utilizando la ecuación:
Q = AV
Q: Tasa de flujo
A: Área transversal de la tubería
V: Velocidad del fluido
Puede observarse que la señal generada es lineal con respecto al flujo
volumétrico. Los medidores de tipo volumétricos son menos sensibles a las variaciones
en el perfil de velocidad del fluido, cuando se les compara con los medidores de flujo de
tipo diferencial.
Instrumentos de presión diferencial
Los medidores de flujo de tipo diferenciales son los más comúnmente utilizados.
Estos miden el flujo de un fluido indirectamente, creando y midiendo una presión
diferencial por medio de una obstrucción al flujo. El principio de operación se basa en
medir la caída de presión que se produce a través de una restricción que se coloca en la
línea de un fluido en movimiento, esta caída de presión es proporcional al flujo. La
proporcionalidad es una relación de raíz cuadrada, en la cual el flujo es proporcional a la
raíz cuadrada del diferencial de presión.
Esta clase de medidores presenta una reducción de la sección de paso del fluido,
dando lugar a que el fluido aumente su velocidad, lo que origina un aumento de su
energía cinética y, por consiguiente, su presión tiende a disminuir en una proporción
equivalente de acuerdo con el principio de la conservación de la energía, creando una
diferencia de presión estática entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor.
La formula de flujo obtenida con los elementos de presión diferencial se basa en
la aplicación del Teorema de Bernoulli a una tubería horizontal, su formula simplificada
seria:
En la que H es la diferencia de alturas de presión del fluido o presión diferencial
y k es una constante que depende de los diámetros de la placa y de la tubería, densidad
del fluido, rugosidades de la tubería… etc.
Entre ellos pueden mencionarse: la placa de orificio, el tubo Venturi, el tubo
Pitot, la tobera y el medidor de impacto (Target).
Placa orificio
Es la forma más común y utilizada para medir presión diferencial en tuberías
donde se permita una gran pérdida de energía. Consiste en una placa con un orificio que
se interpone en la tubería dando como resultado de esta obstrucción una pérdida de
carga, que es la que se mide por comparación con una sonda aguas arriba y otra aguas
debajo de la instalación.
La presión diferencial captada es proporcional al cuadrado del caudal (usando
los principios de Bernoulli y Venturi para relacionar la velocidad con la presión del
fluido).
El orificio de la placa puede ser concéntrico, excéntrico o segmental con un
pequeño orificio adicional para la purga de pequeñas partículas de arrastres sólidos
cuando sea necesario. La placa concéntrica se utiliza para líquidos, la excéntrica para
los gases donde los cambios de presión implican condensación, y la segmentada para
caudales de fluido que contengan una cantidad pequeña de sólidos y gases. Tienen tal
diámetro que no causan error y sus parámetros de diseño son el diámetro, la temperatura
del fluido y el ambiente.
VENTAJAS
Costo independiente del tamaño de la tubería
Salida repetible, aunque la placa tenga un daño
DESVENTAJAS
Alta perdida de presión (40-80%)
Mantenimiento constante por incrustaciones en la placa y en las tomas de
presión
Tobera
La tobera es un elemento primario de medición de flujo, colocado en el punto de
medición con objeto de crear una reducción de presión diferencial, este instrumento se
puede describir como una transición entre la placa orificio y Venturi. Está situada en la
tubería con dos tomas, una anterior y la otra en el centro de la sección más pequeña.
Su capacidad es mayor que la de una placa orificio, de manera que puede
manejarse un régimen mucho mayor (hasta 60%) con la misma relación de diámetros y
con el mismo diferencial.
VENTAJAS.
Menor perdida de carga que una placa orificio (la perdida de la tobera es de 30 a
80%)
Resistentes a la abrasión y pueden usarse con fluidos sucios y en suspensión
Precisión del orden de _0.95 a _1.5%
DESVENTAJAS
Costo de 8 a 16 veces más que una placa orificio
Tubo Venturi
Es un tipo de boquilla especial, seguida de un cono que se ensancha gradualmente,
accesorio que evita en gran parte la pérdida de energía cinética debido al rozamiento. Es
por principio un medidor de área constante y de caída de presión variable.
Permite la medición de caudales mayores con una baja pérdida de carga y se usa donde
es importante la recuperación de presión, puesto que esta recuperación del cuello
Venturi es mucho más elevada que para otros elementos primarios, especialmente en
comparación con los de placas de orificio.
VENTAJAS
Permite la medición de caudales 60% superiores a los de la placa orificio en las
mismas condiciones de servicio y con una pérdida de carga de sólo 10 a 20% de
la presión diferencial.
Posee una gran precisión
Resistentes a la abrasión y pueden usarse con fluidos sucios y en suspensión.
DESVENTAJAS
Más grandes, caros y pesados que las placas orificios
El Tubo Vénturi puede tener muchas aplicaciones, por ejemplo en la industria
automotriz, en el carburador del carro, el uso de éste se pude observar en lo la
Alimentación de Combustible. Los motores requieren aire y combustible para
funcionar. Un litro de gasolina necesita aproximadamente 10.000 litros de aire
para quemarse, y debe existir algún mecanismo dosificador que permita el
ingreso de la mezcla al motor en la proporción correcta. A ese dosificador se le
denomina carburador, y se basa en el principio de Vénturi: al variar el diámetro
interior de una tubería, se aumenta la velocidad del paso de aire.
Tubo pitot
El tubo de Pitot puede ser definido como el instrumento para medir velocidades
de un flujo mediante la diferencia de presiones estática y dinámica en una línea de
corriente.
Consta de un orificio alineado con el flujo que se aproxima y está cerrado por uno de
sus extremos con un tapón redondo que tiene un pequeño orificio en la línea central del
tubo. El fluido dentro del tubo Pitot es estacionario, en tanto que el que se aproxima
fluye alrededor de este. Una partícula de fluido que se mueve a lo largo de la línea de
corriente, que coincide con el eje del tubo Pitot, alcanza el reposo al acercarse a la punta
del tubo, debido a que debe dividirse y pasar por ambos lados del tubo.
Al entrar momentáneamente en reposo, la presión del fluido se eleva a un valor,
el cual se conoce como presión de estancamiento y se relaciona con la velocidad del
tubo corriente arriba. La presión del flujo estacionario en el interior del tubo Pitot es
igual a la presión de estancamiento del flujo externo con el que está en contacto a través
del pequeño orificio localizado en el punto de estancamiento del tubo.
VENTAJAS
Bajo costo y pérdida de presión despreciable
DESVENTAJAS
Miden la velocidad en el punto y las mediciones volumétricas son poco precisas.
La máxima exactitud se consigue efectuando varias medidas en puntos
determinados y promediando las raíces cuadradas de las velocidades medidas.
Baja precisión del orden de 1.5-4%
No trabaja bien a velocidades bajas del flujo ni a velocidades muy altas
(supersónica)
Suelen utilizarse tubos de Pitot para la medida de caudales de gas en grandes
conducciones, como chimeneas de industrias pesadas. Un inconveniente del uso
del tubo en flujos gaseosos es la pequeña diferencia de presión que se genera,
esto se ha corregido con una modificación del instrumento que se conoce con el
nombre de Tubo de Pitot invertido o pitómetro.
Otra mejoría del tubo Pitot es el Tubo Annubar, este posee dos tubos de
medición de los caudales, uno de presión total y otro de presión estática. Estos tubos
hacen que su medición en comparación con la del tubo Pitot sea de mayor precisión.
Además posee una baja perdida de carga, este tubo sirve para medir pequeños y grandes
caudales de líquidos y gases.
Medidores de flujo de área variable
En los medidores de carga: orificio, boquilla, Venturi, la variación de la
velocidad de flujo a través de un área constante produce una caída de presión variable
que está relacionada con dicha velocidad. Mientras que en los medidores de área
variable la caída de presión permanece constante y es el área a través del cual circula el
fluido el que varía con la velocidad del flujo, relacionándose estos mediante un
calibrador adecuado.
Rotámetro
Mientras que la placa de orificio mantiene una restricción constante al flujo, y la
caída de presión resultante aumenta al aumentar el flujo, el rotámetro varía el área de la
restricción para mantener una caída de presión constante. Un rotámetro está constituido
por un tubo vertical de área interna variable, a través del cual se mueve el flujo en
sentido ascendente. Un flotador, bien sea esférico o cónico, que tiene una densidad
mayor que la del fluido, crea un pasaje anular entre su máxima circunferencia y el
interior del tubo. La exactitud de un rotámetro puede variar entre 0,5 y 5% de la tasa de
flujo. El rango puede variar desde pequeñas cantidades de flujos hasta 3.000 galones por
minutos. Puede medir flujo de líquidos, gases y vapores, y es insensible a las
configuraciones de tubería aguas arriba.
El Rotámetro consta básicamente de un “flotador” indicador que se puede mover
libremente en el interior de un tubo vertical ligeramente cónico con el diámetro menor
hacia abajo. El fluido ingresa por el extremo inferior y hace que el flotador suba hasta
que el área circulare entre él y la pared del tubo sea tal que la caída de presión en este
estrechamiento sea suficiente para sostener el flotador.
VENTAJAS
Se emplean en lugares que requieran indicación local
Bajo costo y pérdida de presión constante
Gases o líquidos (incluso viscosos)
DESVENTAJAS
Transmisores limitados
Presiones bajas
Instalación vertical
Las ranuras en el flotador hacen que rote y por consiguiente, que mantenga su
posición central en el tubo y como el área es variable se logra mantener constante la
relación peso del flotador y altura. Entre mayor sea el caudal, mayor es la altura que
asume el flotador.
Instrumentos de fuerza: Medidor de placa
Consiste en una placa instalada directamente en el centro de la tubería y
sometida al empuje del fluido. La fuerza originada es proporcional a la energía cinética
del fluido (que es proporcional al cuadrado de la velocidad) y es transmitida por un
transmisor neumático de equilibrio de fuerzas o por un transductor eléctrico de galgas
extensiométricas.
VENTAJAS
Precisión de _1%
Puede medir caudales de un mínimo de o.3 lpm hasta 40000 lpm
Apto para fluidos con pequeñas cantidades de sólidos en suspensión
Instrumentos de tensión inducida: Medidor magnético de caudal
El medidor magnético de caudal funciona según la ley de Faraday que establece
que la tensión inducida a través de cualquier conductor, al moverse este
perpendicularmente a través de un campo magnético, es proporcional a la velocidad del
conductor.
VENTAJAS
No producen pérdidas de presión
DESVENTAJAS
Requiere fluidos conductores
No sirve para fluidos gaseosos
Requiere de tubería siempre llena de fluido
Medidores de Vortex y Torbellinos
El Medidor de vortex se basa en el hecho de que los vórtices se forman a continuación
de un obstáculo, en el sentido de la corriente. Cuando un líquido fluye por el tubo de
medida en el que se encuentra un cuerpo que obstaculiza el flujo, los vórtices se forman
sucesivamente una vez a un lado y luego al otro a continuación de dicho cuerpo. La
frecuencia de los vórtices que se esparcen a cada lado es directamente proporcional a la
velocidad de circulación media y, por consiguiente, al caudal volumétrico.
El Medidor de caudal por torbellino se basa en la determinación de la frecuencia del
torbellino producido por una hélice estática situada dentro de la tubería por la cual pasa
el fluido. La frecuencia del torbellino es proporcional a la velocidad del fluido.
VENTAJAS
Adecuados para gases, vapores y líquidos
Amplia capacidad de rango de flujo (50:1)
Mantenimiento mínimo
Buena exactitud y repetibilidad
DESVENTAJAS
No sirve para fluidos viscosos sucios
Limitaciones de tamaño de tubería (<8´´) y el número de Reynolds (>100000´´)
Instalación debe ser en tubería recta con el medidor perfectamente alineado
Precisión del instrumento es de 0.2% del caudal medio, por lo que el error
porcentual se hace mayor cuando más bajo es el caudal
Instrumentos por desplazamiento positivo
Los medidores de desplazamiento positivo miden el caudal en volumen
(contando o integrando) volúmenes separados de líquido. Las partes mecánicas del
instrumento se mueven aprovechando la energía del fluido y dan lugar a una pérdida de
carga.
Los medidores de desplazamiento positivo son dispositivos que separan la
corriente de flujo en segmentos volumétricos individuales. Un volumen conocido de
fluido se aísla mecánicamente en el elemento del medidor, y es pasado desde la entrada
de este hasta su salida, llenando y vaciando alternadamente los compartimientos o
cámara del medidor. Las partes mecánicas del medidor se mueven aprovechando la
energía del fluido. El volumen total de fluido que pasa a través del medidor en un
período de tiempo dado, es el producto del volumen de la muestra por el número de
muestras. Los medidores de flujo de desplazamiento positivo frecuentemente totalizan
directamente el flujo en un contador integral, pero también pueden generar una salida de
pulso que puede ser leída localmente o transmitida a una sala de control.
Los medidores de desplazamiento positivo pueden clasificarse, de acuerdo al
movimiento del elemento de medición, en:
Disco oscilante
Pistón oscilante
Tipo rotación
Pistón reciprocante
La mayoría de estos medidores se utilizan en aplicaciones para líquidos, sin
embargo, existen algunas versiones disponibles para gases.
Medidor de disco oscilante
Está compuesto por: 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.
Cuando pasa el fluido, el disco toma un movimiento parecido al de un trompo caído de
modo que cada punto de su circunferencia exterior sube y baja alternativamente
estableciendo contacto con las paredes de la cámara desde su parte inferior a la superior.
Este movimiento de balanceo se transmite mediante el eje del disco a un tren de
engranajes.
VENTAJAS
Se utilizan en la medición de agua fría, agua caliente, aceite y líquidos
alimenticios
Precisión es de _1-2%
DESVENTAJAS
Caudal máximo es de 600 lpm
Se fabrica para pequeños tamaños de tubería
Medidor 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.
Los medidores rotativos se emplean mucho para la medición de crudos y
gasolinas, con intervalos de medida que van de unos pocos lpm de líquidos limpios de
baja velocidad hasta 64000 lpm de crudos viscosos.
Principalmente hay dos sistemas:
El Medidor bi-rotor está diseñado para medir el flujo total de productos líquidos
que pasa a través del mismo por medio de una unidad de medición que separa el flujo en
segmentos separándolos momentáneamente del caudal que pasa a través del medidor.
Son diseñados para que los efectos adversos de líneas fuera de alineación no puedan ser
transmitidos a la unidad de medición.
El Medidor oval realiza mediciones en productos difíciles sin comprometer la
precisión, tales como: ácido sulfúrico súper saturado, dióxido de titanio, azufre derretido
y mantequilla de maní.
Medidores de caudal másico
La determinación del caudal masa puede efectuarse a partir de una medida
volumétrica, compensándola para las variaciones de densidad del fluido, o bien,
determinar directamente el caudal masa aprovechando características medibles de la
masa del fluido. En las ocasiones en que interesa aprovechar características medibles de
la masa, existen tres sistemas básicos: los instrumentos térmicos, los de momento
angular y los de Coriolis. La necesidad de tener medidores de flujo más precisos en
procesos de transferencia de masa, ha incentivado el desarrollo de medidores de flujo de
masa.
Medidor térmico de caudal
Los medidores térmicos de caudal se basan comúnmente en el principio físico de
la elevación de temperatura de fluido en su paso por un cuerpo caliente (Medidor
Thomas).
Estos medidores constan 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.
Cuando el fluido esta en reposo, la temperatura es idéntica en las dos sondas.
Cuando el fluido circula, transporta una cantidad de calor hacia el segundo elemento
termistor, y se presenta una diferencia de temperaturas que va aumentando
progresivamente entre las dos sondas a medida que aumenta el caudal.
Esta diferencia es proporcional a la masa que circula a través del tubo, de
acuerdo con la ecuación:
Medidor de momento angular
Los medidores de caudal masa de momento angular se basan en el principio de
conservación del momento angular de los fluidos. Así, si a un fluido se le comunica un
momento angular manteniendo constante la velocidad angular, la medición del par
producido permite determinar el caudal masa.
Medidor de Coriolis
La medición de caudal por el efecto Coriolis, también conocido como medición
directa o dinámica, da una señal directamente proporcional al caudal másico, esta
medición directa de la masa de flujo evita la necesidad de utilizar cálculos complejos y
como estándar fundamental de medición, la masa no deriva sus unidades de otra fuente
ni se ve afectada por variaciones de temperatura o presión; tal constancia hace a la
masa, la propiedad ideal para medir.
Se basa en que la aceleración absoluta de un móvil es la resultante de la
aceleración relativa, la de arrastre y la de Coriolis. Tres bobinas electromagnéticas
forman el sensor, la bobina impulsora hace vibrar los dos tubos, sometiéndolos a un
movimiento oscilatorio de rotación alrededor del eje.
VENTAJAS
No se ve afectado por cambios de temperatura o presión.
Requiere de mínimo mantenimiento.
Permite la medición de flujo en forma bidireccional.
Es de fácil calibración en el campo.
El error real es de menos del 0.2% de la tasa de flujo
DESVENTAJAS
Constituye el sistema de medición de flujo de mayor costo.
2. Instrumentos de medición velocidad de flujo
VERTEDEROS
En la medición de caudal en canales abiertos se utilizan vertederos, los cuales
provocan una diferencia de alturas del líquido en el canal entre la zona anterior del
vertedero y su punto más bajo. Y existen diferentes tipos. La diferencia de alturas H se
mide mediante un instrumento de flotador o burbujeo, el cual puede indicar, registrar y
regular directamente el caudal o bien transmitirlo a distancia con un transmisor de tipo
potenciométrico, neumático de equilibrios de movimientos, o digital.
El caudal es proporcional a la diferencia de alturas según la fórmula general:
TURBINAS
Las turbinas son medidores que poseen 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 áreas entre
el rotor y el cono posterior ejerce una fuerza igual y opuesta. Debido a ello el rotor está
equilibrado hidrodinámicamente, sin la necesidad de utilizar rodamientos axiales.
Para captar la velocidad de la turbina existen dos tipos de convertidores, de
reluctancia e inductivos, para ambos la frecuencia que genera el rotor de turbina es
proporcional al caudal, siendo del orden de 250 y 1200 ciclos por segundo para el
caudal máximo.
VENTAJAS
Fácil instalación y salida lineal con el flujo
Adecuado para medición de fluidos de líquidos limpios o filtrados
Buena rangeabilidad (10:1)
Precisión elevada, del orden de 0.3%
Adecuado para presiones ilimitadas y temperaturas extremas
DESVENTAJAS
Útil sólo para líquidos de baja viscosidad
Requieren equipo secundario de lectura
TRANSDUCTORES ULTRASÓNICOS
Dos tipos de medidores ultrasónicos son utilizados fundamentalmente para la
medida de caudal en circuitos cerrados. El primero (tiempo de tránsito o de
propagación) utiliza la transmisión por impulsos, mientras que el segundo (efecto
Doppler) usa la transmisión continua de ondas.
Los medidores por tiempo de transito miden el caudal por diferencia de
velocidades del sonido al propagarse éste en el sentido del fluido y en el sentido
contrario. Los sensores están ubicados en una tubería de la que se conocen el área y el
perfil de velocidades. Los principios de funcionamiento de estos instrumentos son
variados.
VENTAJAS
Muy buena precisión
Ideal para líquidos muy corrosivos
DESVENTAJAS
Requiere fluidos limpios
Los medidores por efecto Doppler proyectan ondas sónicas a lo largo del flujo
del fluido y mide el corrimiento de frecuencia que experimenta la señal de retorno al
reflejarse el sonido en las partículas contenidas en el fluido.
VENTAJAS
Bajo costo, independientemente de la tubería
Bueno para medir caudales difíciles, tales como mezclas gas-líquido y fangos.
DESVENTAJAS
Baja precisión
No sirven para líquidos y gases limpios
3. Instrumentos medidores de temperatura
Existen diferentes sensores que se utilizan en la industria de procesos para medir
la temperatura, entre los que se pueden mencionar:
Termómetro de bulbo (líquido, gas y vapor).
Termómetros bimétalicos.
Termopares.
Termómetros de resistencia.
Termistores.
Pirómetros de radiación.
La selección y especificación apropiada de un instrumento de temperatura,
depende mucho del conocimiento de los diferentes tipos de sensores disponibles, de sus
limitaciones y de consideraciones prácticas.
4. Instrumentos medidores de presión.
Presión: La presión se define como 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 superficie que lo encierra. De esta manera, la presión
(P) de una fuerza (F) distribuida sobre un área (A), se define como:
Instrumentos para medición de la presión
Instrumentos mecánicos
Estos instrumentos se conocen principalmente como “Manómetros”. En ellos la
presión aplicada se balancea contra una columna de líquido. El líquido sube en el tubo
hasta que el peso de la columna balancea la presión aplicada.
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 o mercurio. Los instrumentos mecánicos utilizados
para medir presión pueden clasificarse en:
Manómetro de Presión Absoluta (Pman + PBar)
Manómetro de Tubo en U (diferencial).
Manómetro de Pozo.
Manómetro de Tubo Inclinado.
Manómetro Tipo Campana
Instrumentos Elásticos:
Básicamente están diseñados bajo el principio que establece que la deflexión
sufrida por un elemento elástico es proporcional a la presión aplicada. Se utilizan para
medir desde bajas presiones y vacío, presiones absolutas y diferenciales. Entre los
instrumentos elásticos están el tubo Bourdon, fuelle y diafragmas.
Tubos Bourdon.
Fuelles.
Diafragmas.
Instrumentos electromecánicos y electrónicos
Estos instrumentos generan una señal eléctrica la cual puede ser aplicada y
condicionada luego para que reúna los requerimientos del sistema de control. 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”.
Los instrumentos electromecánicos y electrónicos utilizados para medir presión
pueden clasificarse en:
Transductores de Presión Resistivos
Transductores de Presión Capacitivos
Transductores de Presión Magnéticos
Transductores de Presión Piezoeléctricos
5. Instrumentos medidores de nivel.
Hay una gran variedad de técnicas por medio de las cuales se puede medir el
nivel de líquidos o sólidos en equipos de procesos. La selección de la instrumentación
adecuada depende de la naturaleza del proceso; del grado de exactitud y control
requeridos y del aspecto económico.
Tipos de instrumentos para medir nivel
Al igual que otras variables de proceso, el nivel puede ser medido por métodos
directos o métodos indirectos. Los métodos e instrumentos utilizados para medición de
nivel pueden clasificarse de la siguiente manera:
Métodos visuales.
Instrumentos actuados por flotadores.
Desplazadores.
Instrumentos de nivel de tipo hidrostáticos.
Métodos electrónicos.
Métodos térmicos.
Métodos sónicos.
Instrumentos fotoeléctricos.
Instrumentos radioactivos.
Los instrumentos de medición directa se dividen en:
Sonda.
Cinta y plomada.
Nivel de cristal.
Instrumentos de flotador.
Mientras que los instrumentos que miden el nivel aprovechando la presión
hidrostática se dividen en:
Medidor manométrico.
Medidor de tipo burbujeo.
Medidor de membrana.
Medidor de presión diferencial de diafragma.
Aplicaciones e importancia de conocer el tipo de flujo
La necesidad de entender el comportamiento de una mezcla líquido-gas dentro
de una tubería se ha hecho más imperativo en los últimos años, debido a que la industria
petrolera en particular avanzaría en gran medida si se pudiese manejar eficientemente el
flujo bifásico proveniente de un pozo antes de llegar al separador. Las ventajas de
transportar el crudo sin separarlo antes son considerables ya que la cantidad de gas
presente en el crudo tiene un efecto interesante: disminuye la viscosidad y densidad del
mismo, facilitando así su transporte. Hasta ahora, se han diseñado tuberías capaces de
manejar flujos multifásicos pero no se sabe con exactitud lo que sucede adentro y por
ende se tiende a sobredimensionar el sistema de tuberías y accesorios que vayan a
manejar el flujo. Dentro del tubo, la mezcla de fluidos puede presentar diversos arreglos
que dependen de las velocidades superficiales y propiedades de cada sustancia así como
de la inclinación de la tubería, arreglos que son conocidos como patrones de flujo y
tienen gran influencia en la caída de presión que experimenta la mezcla, así como en el
radio de volúmenes de cada fluido en el sistema; factores que afectan directamente en
las propiedades físicas de la mezcla. En particular, al trabajar con flujo bifásico líquido-
gas, el radio volumétrico o holdup representa el volumen de líquido o gas presente en
una sección volumétrica de tubería. Si se conociera extensivamente el comportamiento
detallado de las sustancias dentro de la tubería, sería posible manipular las condiciones
de trabajo para aprovechar al máximo la presión del flujo, la cantidad de gas, y/o el
patrón de flujo presente, para así economizar en equipos de transporte, red de tuberías y
accesorios, medidores, equipos de separación y otros, de acuerdo con las características
del sistema y la topografía de la región considerada El flujo multifásico gas-líquido
ocurre por doquier en diversos campos industriales. Algunos ejemplos son la industria
del petróleo, química, nuclear, industrias geotérmicas, etc. El flujo multifásico se
encuentra en estas industrias, así como otras, en una amplia gama de aplicaciones de
ingeniería.
Importancia de los instrumentos en los sistemas de control
Control de procesos : Es una especialidad de la ingeniería que combina, a su vez,
distintas ramas, entre las que destacan: sistemas de
control, automatización, electrónica e informática. Su principal aplicación y propósito
es el análisis, diseño y automatización de procesos de manufactura de la mayor parte de
las áreas industriales. El término proceso utilizado en “control de procesos” o “procesos
industriales”, se refiere a cambiar o refinar materias primas para lograr un producto
final.
En los inicios de la era industrial, el operario llevaba a cabo un control manual
de estas variables utilizando sólo instrumentos simples, manómetros, termómetros,
válvulas manuales, etc., control que era suficiente por la relativa simplicidad de los
procesos. Sin embargo, la gradual complejidad con que éstos se han ido desarrollando
ha exigido su automatización progresiva por medio de los instrumentos de medición y
control. Estos instrumentos han ido liberando al operario de su función de actuación
física directa en la planta y al mismo tiempo, le han permitido una labor única de
supervisión y de vigilancia del proceso desde centros de control situados en el propio
proceso o bien en salas aisladas separadas; asimismo, gracias a los instrumentos ha sido
posible fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y de
características, condiciones que al operario le serían imposibles o muy difíciles de
conseguir, realizando exclusivamente un control manual.
La utilización de un adecuado sistema de control nos permitirá operar en las
mejores condiciones posibles a cada requerimiento. De este modo se optimizará el
rendimiento general del proceso, con un mejor aprovechamiento de los recursos
implicados en el mismo. Todo ello repercutirá en una notable mejora económica de los
resultados.
La adopción de un sistema de control requerirá una importante inversión inicial,
pero resultará en unos menores costes de operación de la planta. El balance económico
final será positivo, dado que el ahorro conseguido en operación será superior a los
costes de instalación del sistema de control. Por este motivo es importante en todo
momento controlar el grado de utilización que se está haciendo del sistema, ya que de
este dependerá la economía de la operación.
Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos
categorías: procesos continuos y procesos discontinuos. En ambos tipos, deben
mantenerse en general las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en
un valor deseado fijo, bien en un valor variable con el tiempo de acuerdo con una
relación predeterminada, o bien guardando una relación determinada con otra variable.
El sistema de control que permite este mantenimiento de las variables puede
definirse como aquel que compara el valor de la variable o condición a controlar con un
valor deseado y toma una acción de corrección de acuerdo con la desviación existente
sin que el operario intervenga en absoluto.
La medición de flujo constituye tal vez, el eje de más alto porcentaje en cuanto a
medición de variables industriales se refiere. Ninguna otra variable tiene la importancia
de esta, ya que sin mediciones de flujo, sería imposible el balance de materiales, el
control de calidad y aún la operación de procesos continuos.
Estas mediciones son de gran importancia en la practica de la Ingeniería para
controlar todos y cada una de las desviaciones a considerar en un proceso donde exista
el flujo de fluidos.
Además, es usado para tener la información en la transferencia de productos para
la venta, eficiencia de los procesos, razón de reacción, razón de producción y muchas
otras cosas. Al final determina cuanto dinero puede ganar ó perder la industria. Por esto,
la mayoría de las empresas destinan gran cantidad de dinero y esfuerzo para asegurar
que el flujo sea medido y controlado exactamente, especialmente si está involucrada en
la transferencia de productos. Hay cuerpos de regulación a nivel de gobierno, a nivel
industrial y en las empresas, que están interesados en los métodos y razones para los
esquemas de medición y control de flujo.
La medición de flujo de fluidos es un proceso complejo debido a que otras
magnitudes tienen una influencia determinante en el comportamiento de los medidores
de flujo, por ejemplo: instalaciones inadecuadas, distorsiones en el régimen de flujo,
vórtices y vibración.
Esto es de gran importancia en la industria ya que con ellos podremos mantener
a los conductos en buen estado y darles el mantenimiento apropiado para que su
durabilidad y eficiencia sea la máxima posible.
La práctica totalidad de los procesos que tienen lugar en una planta industrial
exigen un control de los mismos. Esto se debe a la necesidad de controlar los distintos
parámetros de cada proceso, a fin de garantizar un buen funcionamiento de los mismos,
el óptimo aprovechamiento de los recursos implicados en la operación y unos niveles de
calidad en el producto final. Además, en muchas ocasiones el control del proceso
garantiza una operación segura de la planta.
Aplicaciones de los instrumentos en la vida real
Instrumentación: Es el grupo de elementos que sirven para medir, controlar o registrar
variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en éste.
En otras palabras, la instrumentación es la ventana a la realidad de lo que está
sucediendo en determinado proceso, lo que servirá para determinar si el mismo va
encaminado hacia donde deseamos. En caso contrario, podremos usar la
instrumentación para actuar sobre algunos parámetros del sistema y proceder de forma
correctiva.
La instrumentación es lo que ha permitido el gran avance tecnológico de la
ciencia actual en casos tales como: la automatización de los procesos industriales y
muchos otros de los aspectos de nuestro mundo moderno; ya que la automatización es
solo posible a través de elementos que puedan sensar lo que sucede en el ambiente, para
luego tomar una acción de control pre-programada que actué sobre el sistema y obtener
el resultado previsto.
En Ingeniería es imprescindible la determinación del caudal en un sistema de
conducción ya sea cerrado o abierto, para distintos propósitos, por ejemplo: diseño de
una línea de conducción, distribución de sistema de riego o generación de energía
eléctrica. Por lo que es imprescindible el conocimiento de los distintos instrumentos que
existen para medir flujo volumétrico, los cuales funcionan con los principios de la
Mecánica de Fluidos, como la ecuación de continuidad o el principio de Bernoulli.
Los proyectos de Ingeniería Hidráulica son de gran importancia para el avance
tecnológico, progreso y la calidad de vida. Muchos de estos proyectos están formados
por estructuras, conductos cerrados, máquinas hidráulicas y otros.
Aplicaciones de los instrumentos en la industria
Los medidores de flujo se emplean en operaciones tan diversas como: el control
de procesos, balances de energía, distribución, emisión de contaminantes, metrología
legal, indicación de condición y alarma, hasta lo que probablemente es la aplicación
más importante, la transferencia de custodia de fluidos como el petróleo y sus
derivados.
Las aplicaciones más habituales de este tipo de equipos en la industria consisten en:
Medir las cantidades de gases o líquidos utilizados en un proceso dado.
Controlar las cantidades adicionales de determinadas substancias aportadas en
ciertas fases del proceso.
Mantener una proposición dada entre dos fluidos.
Medir el reparto de vapor en una planta, etc.
Como hemos dicho, en numerosos procesos industriales, los equipos para la
medida de caudal constituyen la parte más importante de la instrumentación.
En aplicaciones industriales como el control de procesos donde la medición del
flujo del fluido tiene un alto impacto sobre la calidad del producto final, en los balances
energéticos de plantas para evaluar su eficiencia, en la cuantificación de la emisión de
contaminantes y en actividades de metrología legal que demandan la garantía de
mediciones de buena exactitud ó en los sistemas de indicación o alarma, se encuentran
siempre medidores de flujo de líquidos.
Con la ayuda de un medidor de flujo se pueden diseñar equipos para aplicaciones
específicas o hacerle mejoras a equipos ya construidos y que estén siendo utilizados por
empresas, en donde se desee mejorar su capacidad de trabajo utilizando menos consumo
de energía, menos espacio físico y en general muchos aspectos que le puedan disminuir
pérdidas o gastos excesivos a la empresa en donde estos sean necesarios.
Instrumentos medidores de caudal
Medidores volumétricos
Medidores de caudal másico
Medidores térmicos de caudal
Medidores de momento angular
Medidor de Coriolis
Instrumentos de presión diferencial
Instrumentos área variable
Instrumentos de fuerza
Instrumentos de tensión inducida
Instrumentos por desplazamiento positivo.
Medidores de Vortex y torbellino
Placa orificioToberaTubo VenturiTubo Pitot
Rotometros
Medidor de placa
Medidor magnético de caudal
Medidor de disco oscilanteMedidor de rotativo
Medidores volumétricos
Instrumentos de presión diferencial
Instrumentos área variable
Instrumentos de fuerza
Instrumentos de tensión inducida
Instrumentos por desplazamiento positivo.
Medidores de Vortex y torbellino
Placa orificioToberaTubo VenturiTubo Pitot
Rotometros
Medidor de placa
Medidor magnético de caudal
Medidor de disco oscilanteMedidor de rotativo
Medidores de caudal másico
Medidores térmicos de caudal
Medidores de momento angular
Medidor de Coriolis