UNIVERSIDAD DE ORIENTENCLEO DE MONAGASESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADASDEPARTAMENTO DE INGENIERA DE SISTEMASCURSO ESPECIAL DE GRADO REA ACPIINSTRUMENTACION Y CONTROL INDUSTRIAL (ICI)

UNIDAD 2 SENSORES DE FLUJO

ASESOR:ING. MOISES PEREZ EQUIPO CIM PALMA J., YDDANY G.C.I.: 19.663.847 ROJAS S., ROSANGI F.C.I.: 19.909.224

MATURN, ABRIL DE 2015CONTENIDO

INTRODUCCION3MARCO TEORICO4CLASIFICACIN DE LOS SENSORES DE FLUJO.41.Segn la forma de obtener la medida42.Segn lo que se mide43.Segn el principio de funcionamiento4CRITERIOS DE SELECCION DE SENSORES DE FLUJO8DISCUSION10CONCLUSION10REFERENCIAS11ANEXOS19

INTRODUCCIONEl hecho de que la industria, bien sea qumica, petroqumica, de hidrocarburos, hidrulica, alimenticia entre otras, incluyan dentro de sus procesos, el manejo directo de cualquier tipo de fluido, cada uno diferenciados entre s por sus componentes, estructura y densidad,

LA EVOLUCION INDUSTRIAL ha provocado la demanda de mtodos e instrumentos, que de una u otra forma sirviesen para controlar, supervisar y reportar distintitos eventos dentro de los procesos productivos.Todo esto se debe a la incesante bsqueda de la automatizacin de los procesos, a travs de la cual, pudiese lograrse la optimizacin de SUS actividades , a este respecto, con la finalidad de facilitar informacin de utilidad, se proceder a presentar un bosquejo de los sistemas o sensores de medicin de flujos y/o caudal que son utilizados e implementados en la industria.

MARCO TEORICO

Fluido es aquella sustancia que, debido a su poca cohesin intermolecular, carece de forma propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene.CLASIFICACIN DE LOS SENSORES DE FLUJO.1. Segn la forma de obtener la medida

1.1 Sensores Invasivos: Son los caudalmetros que se colocan de forma que varen el movimiento del fluido cuyo caudal miden. Producen una prdida de carga en la instalacin y son menos complejos. Es el caso de la mayor parte de los sensores de caudal.

1.2 Sensores No invasivos: su colocacin no afecta al movimiento del fluido. Este tipo de sensores son ms utilizados en el caso de que haya slidos en suspensin.

2. Segn lo que se mide

2.1 Sensores Volumtricos: este tipo de caudalmetros son los ms habituales, ya que miden volumen por unidad de tiempo (en sistema Internacional m3/s).

2.2 Sensores Msicos: miden la masa por unidad de tiempo (en el S.I. kg/s). Su uso se hace necesario cuando la densidad del fluido varia)

3. Segn el principio de funcionamiento

3.1 Sensores de Presin diferencial: Se basan en provocar una presin diferencial entre dos puntos, que es proporcional al cuadrado de la velocidad del fluido. Su principio de funcionamiento se basa en obstaculizar el paso de fluido por una tubera, de forma que se produzca una cada en la presin del fluido, siendo el caudal proporcional a esta cada de presin. Los caudalmetros de presin diferencial se basan en las ecuaciones de continuidad y de Bernoulli. Dentro de este tipo de sensores, los ms habituales son:

Placa de Orificio: Consiste en una placa metlica delgada que se perfora en el centro y se instala en la tubera. Se hacen luego dos tomas de presin, una aguas arriba y otra aguas debajo de la placa, captando as la presin diferencial que es proporcional al caudal.

Tubo Venturi: Es una tubera corta recta, o garganta, entre dos tramos cnicos. La presin vara en la proximidad de la seccin estrecha; as, al colocar un manmetro o instrumento registrador en la garganta se puede medir la cada de presin y calcular el caudal instantneo

Tobera: consiste en una entrada de forma cnica y restringida mientras que la salida es una expansin abrupta. En este caso la toma de alta presin se ubica en la tubera a 1 dimetro de la entrada aguas arriba y la toma de baja presin se ubica en la tubera al final de la garganta. Estos instrumentos se utilizan en aplicaciones donde el fluido trae consigo slidos en suspensin, aunque si estos son abrasivos pueden afectar la precisin del instrumento.

Tubo Pitot: El tubo Pitot fue ideado por Henri de Pitot (1695-1771) y mide la diferencia entre la presin total y la presin esttica, o sea, la presin dinmica, la cual es proporcional al cuadrado de la velocidad. Consiste en un tubo que toma la presin de frente al flujo para desacelerarlo hasta cero y tomar as la medida de la presin de estancamiento y otro tubo que toma la presin en un costado de la tubera de forma perpendicular al flujo.

El tubo de Pitot mide directamente la velocidad del flujo en el punto en donde se toma el valor de la presin esttica y de estancamiento. Por tanto es muy sensible a la irregular distribucin de velocidades en la seccin transversal de la tubera, por eso su uso est limitado a tramos rectos de tubera y deben tomarse medidas en varios puntos de la seccin. El flujo deber luego calcularse en funcin del promedio de las velocidades medidas multiplicadas por el rea de la seccin de tubera.

Tubo Annubar: El tubo Annubar es otra variante del tubo de Pitot, el cual posee varios agujeros para la toma de la presin de estancamiento, ubicados en diversos puntos a lo largo de la seccin transversal del tubo. Todas estas tomas se unen en el interior del instrumento, de esta manera la presin de estancamiento medida ser un promedio de la presin correspondiente a diversas velocidades sobre el perfil de velocidades del fluido.

3.2 Sensores de rea Variable: Los elementos de rea variable se caracterizan por el cambio de rea que se produce entre el elemento primario en movimiento y el cuerpo del medidor. Constan de un tronco de cono invertido con u flotador en su interior cuyo peso se opone al paso del fluido (la circulacin del fluido se lleva a cabo de abajo hacia arriba). Ejemplo:

Rotmetro: Este consiste en un flotador cilndrico, ms denso que el fluido, colocado dentro de un tubo cnico vertical con el rea menor abajo y el rea mayor arriba. Al pasar el flujo de abajo hacia arriba levanta el flotador con lo cual la posicin de este ser proporcional al flujo.

3.3 Sensores de Velocidad: miden directamente la velocidad, a partir de la cual se puede medir el caudal. Tipos:

Turbina: Este medidor consiste de un rotor con alabes, semejante a una turbina, que se instala en el centro de la tubera y gira con una velocidad angular que es directamente proporcional al flujo. El fluido provoca que el rotor de la turbina gire a una velocidad que depende de la velocidad del flujo. Ultrasnico: miden la velocidad del flujo por la diferencia de velocidad del sonido al propagarse sta en el sentido del flujo y en sentido contrario. Consta de unas Sondas, que trabajan por pares, como emisor y receptor. Los hay de dos tipos, DOPPLER que por medio de sensores miden los cambios de frecuencia causados por el flujo del lquido. Se colocan dos sensores cada uno a un lado del flujo y los de TRNSITO, que lo hacen por medio de transductores colocados a ambos lados del flujo.

3.4 Sensores de Tensin Inducida: estos se basan en la ley de Faraday que sostiene que la tensin inducida a travs de cualquier conductor que se mueve perpendicularmente a travs de un campo magntico es proporcional a la velocidad del conductor. El conductor seria el fluido, por lo que este debe tener unas condiciones mnimas de conductividad. El sensor empleado en este caso es el siguiente:

Sensores Electro-Magnticos: Este tipo de sensor est formado por un tubo, revestido interiormente con material aislante. Sobre dos puntos diametralmente opuestos de la superficie interna se colocan dos electrodos metlicos, entre los cuales se genera la seal elctrica de medida. En la parte externa se colocan los dispositivos para generar el campo magntico, y todo se recubre de una proteccin externa, con diversos grados de seguridad. La interaccin entre el fluido y el campo magntico genera una fuerza electromotriz en dos electrodos ubicados a ras de la tubera, diametralmente opuestos y haciendo contacto con el fluido. Esta fuerza electromotriz es proporcional a la velocidad del fluido.

3.5 Sensores de Temperatura: se basan en el calentamiento del fluido en un punto determinado y medir la temperatura en dos puntos equidistantes de la fuente de calor. El sensor basado es el siguiente:

Sensor Trmico: Un mtodo de determinacin del flujo de masa es por el efecto de transferencia de calor. Se pone en contacto con el fluido una resistencia de platino con una corriente controlada. Esta resistencia sube su temperatura en condiciones sin flujo. Cuando el flujo se inicia, existe una disminucin de temperatura en el sensor por el intercambio de calor con el fluido. La corriente elctrica vara por la propia variacin de la resistencia con la temperatura y esta variacin es proporcional a la nueva temperatura del sensor.

3.6 Sensores de Vrtices: Una obstruccin chata colocada en la corriente del flujo provoca la creacin de vrtices a una frecuencia que es proporcional a la velocidad del flujo. Un sensor en el fluxmetro detecta los vrtices y genera una indicacin en la lectura del dispositivo medidor.La frecuencia de los vrtices creados es directamente proporcional a la velocidad del flujo y, por lo tanto, a la frecuencia del flujo del volumen. Pueden utilizarse en una amplia variedad de fluidos incluyendo lquidos sucios y limpios, as como gases y vapor.3.7 Sensores de desplazamiento Positivo: Los caudalmetros basados en este efecto estn formados por un conjunto de cavidades que se llenan y se vacan un nmero de veces por unidad de tiempo. Este nmero de veces es proporcional al caudal del fluido. Entre otro, estn basados en este principio:

Disco oscilante: Este instrumento dispone de una cmara circular con un disco plano mvil dotado de una ranura en la que esta intercalada una placa fija, la cual separa la entrada de la salida de este modo la cmara estar siempre dividida en dos compartimientos que forman los volmenes a medir.

Pistn: El medidor consiste de un sistema de cilindro y pistn duales, donde los pistones estn conectados por un eje. Una vlvula deslizante montada sobre el eje, controla los puertos de entrada y salida de flujo y tambin puede operar un mecanismo contador.

3.8 Placa de impacto: consiste en una placa instalada directamente en el centro de la tubera y sometida al empuje o fuerza de impacto del fluido.La fuerza originada es proporcional a la energa cintica del fluido y depende del rea anular entre las paredes de la tubera y la placa3.9 Coriolis: Esta ley explica qu ocurre si sobre un cuerpo en movimiento (cuya masa no tiene por qu ser constante) acta una fuerza neta: la fuerza modificar el estado de movimiento, cambiando la velocidad en mdulo o direccin. En concreto, los cambios experimentados en el momento lineal de un cuerpo son proporcionales a la fuerza motriz y se desarrollan en la direccin de esta; las fuerzas son causas que producen aceleraciones en los cuerpos.

CRITERIOS DE SELECCION DE SENSORES DE FLUJO

Rango: los medidores disponibles en el mercado pueden medir flujos desde varios mililitros por segundo (ml/s) para experimentos precisos de laboratorio hasta varios miles de metros cbicos por segundo (m3/s) para sistemas de irrigacin de agua o agua municipal o sistemas de drenaje. Para una instalacin de medicin en particular, debe conocerse el orden de magnitud general de la velocidad de flujo as como el rango de las variaciones esperadas.

Exactitud requerida: cualquier dispositivo de medicin de flujo instalado y operado adecuadamente puede proporcionar una exactitud dentro del 5 % del flujo real. La mayora de los medidores en el mercado tienen una exactitud del 2% y algunos dicen tener una exactitud de ms del 0.5%. El costo es con frecuencia uno de los factores importantes cuando se requiere de una gran exactitud.

Prdida de presin: debido a que los detalles de construccin de los distintos medidores son muy diferentes, stos proporcionan diversas cantidades de prdida de energa o prdida de presin conforme el fluido corre a travs de ellos. Excepto algunos tipos, los medidores de fluido llevan a cabo la medicin estableciendo una restriccin o un dispositivo mecnico en la corriente de flujo, causando as la prdida de energa.

Tipo de fluido: el funcionamiento de algunos medidores de fluido se encuentra afectado por las propiedades y condiciones del fluido. Una consideracin bsica es si el fluido es un lquido o un gas. Otros factores que pueden ser importantes son la viscosidad, la temperatura, la corrosin, la conductividad elctrica, la claridad ptica, las propiedades de lubricacin y homogeneidad.

Calibracin: se requiere de calibracin en algunos tipos de medidores. Algunos fabricantes proporcionan una calibracin en forma de una grfica o esquema del flujo real versus indicacin de la lectura. Algunos estn equipados para hacer la lectura en forma directa con escalas calibradas en las unidades de flujo que se deseen. En el caso del tipo ms bsico de los medidores, tales como los de cabeza variable, se han determinado formas geomtricas y dimensiones estndar para las que se encuentran datos empricos disponibles. Estos datos relacionan el flujo con una variable fcil de medicin, tal como una diferencia de presin o un nivel de fluido.

DISCUSION

Los sensores de medicin de fluidos, representan para la industria una invencin que ha disminuido en gran manera la ineficiencia y descontrol de los procesos que vinculan elementos que pueden ser medidos volumtrica o msicamente. El hecho de que en la actualidad puedan llevarse a cabo medidas exactas y eficientes de cualquier tipo de fluidos, indistintamente de sus propiedades o caractersticas, ha trado consigo que las grandes industrias, disminuyan sobre manera la incertidumbre de si sus procesos estn o no llevndose a cabo de la forma correcta y bajo los parmetros de seguridad que ameriten.Es preciso sealar que la intervencin de dichos sensores en conjunto con sistemas tecnolgicos que proporcionen un alto grado de seguridad (microcontroladores, PLCs entre otros), hoy en da es la combinacin ms buscada por las grandes fbricas e industrias, puesto que con su implementacin, podran posicionarse en el mercado y lograr responder con ms eficiencia y eficacia ante las demandas del entorno. As mismo, podran adems disminuir sobremanera los riesgos ligados a contendores de flujos que pudieran representar en condiciones inadecuadas, una bomba de tiempo para el medio ambiente, sus instalaciones y capital humano.La clasificacin proporcionada en esta investigacin con respecto a los tipos de instrumentos de medicin de flujos, es una forma amplia de visualizar cada una de las caractersticas de estos dispositivos, donde no solo se habla del tipo de fluido que miden, bien sea volumtrico m3/s o msicos kg/s, sino que adems se especifica su naturaleza invasiva o no invasiva de los mismos ante el flujo medido.Es muy importante recalcar que este tipo de dispositivos se basan cada uno en unos principios bsicos de medicin que deben tenerse en cuenta a la hora de hacer una eleccin, puesto que dentro de todos, algunos pueden resultar ms eficientes segn sea el caso, adems de que en todo momento debe existir un equilibrio costo-beneficio. El hecho de que estos instrumentos puedan ser tiles en distintas reas de la industria es una gran ventaja, ya que sirven no solo para medir el caudal de fluidos, sino tambin su velocidad y temperatura, bien sea de forma invasiva o no invasiva. Las estrategias de medicin estn basadas en principios bsicos de la fsica que datan de los tiempos de Newton y Faraday, el primero con su segunda ley aplicada en los sensores Coriolis donde se sostiene que la magnitud de la deformacin del tubo sensor es directamente proporcional a la cantidad de flujo msico que est pasando a travs del tubo. Por su parte Faraday sustenta el uso de sensores de tencin inducida, los cuales calculan la velocidad del flujo a travs de la induccin de cualquier fluido conductor que fluya perpendicularmente a travs de un campo magntico, siendo esta proporcional a dicha velocidad.Las estrategias de medicin de fluidos representan un factor importante, aunque ahora parezca obvio o sencillo, en tiempos pasados era todo un dilema encontrar la forma de medir fluidos ante la inexistencia tecnolgica. La estrategia invasiva de obstaculizacin de flujo es una que a partir de la cada de presin de flujo puede proporcionar valores de caudal de fluido de forma exacta, bien sea haciendo uso de placas de orificio segn la naturaleza del flujo, tubo de Venturi, tobera entre otros, todos dirigidos a medir caudales a partir del principio de presin diferencial.La industria de gases e hidrocarburos y la industria alimenticia, son unas de las principales en el uso de estos dispositivos, debido a que sus materias primas y productos, pertenecen en su mayora al tipo de fluidos volumtricos o msicos, como es el caso del petrleo, la gasolina, jugos, refrescos, fbricas de pastas alimenticias entre otras tantos que en la actualidad sustentan y controlan su da a da a travs del uso de estos dispositivos.

CONCLUSIONLa implementacin de sensores de medicin de flujo ha trado consigo un mejor control y supervisin de los distintos procesos industriales, en los cuales intervienen las medidas volumtricas o msicas. La evolucin de instrumentacin industrial en el mbito de sensores de medicin ha contribuido con la automatizacin y disminucin de riesgos en las grandes industrias, proporcionando adems de procesos ms eficientes, mayor seguridad para sus mquinas, ambiente y operadores.A partir de los sensores estudiados, se puede sealar que actualmente se cuenta con una amplia variedad dirigida exclusivamente a la medicin de fluidos, segn el tipo de material y sus componentes, lo que proporciona al industrial una gama amplia para llevar a cabo la seleccin que mejor se adapte a la situacin.

REFERENCIAS

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ANEXOS

Sensores de presin diferencial

Placas de orificio

Tipo de placas de orificio

Tubo de Venturi

Tobera

Vrtice

Rotmetro

Disco Oscilante

Turbina

Pistn

Tubo Pitot