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Generalidades Los transductores de flui- dos son ampliamente utili- zados en el mundo indus- trial para medir presión, nivel y flujo, tres paráme- tros característicos de líqui- dos, gases y otras sustan- cias que fluyen. Usted los encontrará, por ejemplo, en las industrias procesadoras de alimentos, medicamen- tos y productos químicos, los sistemas hidráulicos de líneas de producción auto- matizadas, y a lo largo de toda la cadena de produc- ción petrolífera, desde la exploración hasta la distri- bución, pasando por la per- foración, el transporte, la Sensores de presión y otros parámetros de fluidos Capítulo 3 refinación, etc, figura 3.1. Los sensores de flui- dos tienen también usos automotrices, médicos, am- bientales, científicos, didác- ticos, y de otros tipos. A continuación examinaremos cómo funcionan y se carac- terizan los principales tipos de sensores utilizados en los procesos industriales para medir presión, nivel y flujo. Sin embargo, antes de entrar en materia, es conveniente recordar algu- nos conceptos físicos bási- cos relacionados con el comportamiento dinámico y estático de los fluidos, co- mo el Principio de Arquíme- des, la Ley de Pascal, el Los sensores de presión, nivel y flujo son ampliamente utilizados en todo tipo de procesos industriales y no industriales basados en el manejo, control y monitoreo de fluidos como agua, aceites, combustibles, químicos, sangre, gases, etc. En este capítulo se repasan los conceptos básicos de la mecánica de los fluidos y examinan las características generales de los principales tipos de transductores utilizados para la medición de estos parámetros. Figura 3.1 Los sensores de fluidos son ampliamente utilizados en aplicaciones industriales y no industriales para medir la presión ejercida por líquidos, gases y otros compuestos, así como su nivel o altura y su velocidad de flujo. Teorema de Bernoulli, etc. Sensores de presión y otros parámetros de fluidos 2 Conceptos básicos de mecánica de fluidos Los fluidos son la materia prima, el producto final o un subproducto de muchos procesos, así como un me- dio para transferir energía de un sitio a otro. En todos estos casos se requiere su monitoreo y control cons- tante, el cual se realiza, bá- sicamente, a través de me- diciones de presión, nivel o flujo utilizando los sensores apropiados a cada situa- ción. La presión (P), en particular, se define como la fuerza por unidad de área (F/A) que actúa per- pendicularmente a la super- ficie de un fluido. En el caso de un fluido en reposo, con- finado en un recipiente co- mo se muestra en la figura 3.2, la presión en cualquier punto interno del mismo (P) depende del peso por unidad de volumen del lí- quido (mg/V), la distancia del punto a la superficie (h) y la presión externa aplica- da a esta última (Po). La unidad de medida de la presión en el sistema SI es el Pascal (Pa), equi- valente a 1.0 N/m2. En la práctica se utilizan también otras unidades, Tabla 3.1. Asimismo, la presión en un punto puede ser ab- soluta, diferencial o mano- métrica dependiendo de la presión tomada como refe- rencia (Po). Las mediciones de presión absoluta (psia) toman como referencia el vacío, las de presión dife- rencial (psid) la presión en un punto arbitrario y las de presión manométrica (psig) la presión atmosféri- ca ambiente. En un fluido confinado, independientemente de su cantidad, todos los puntos a la misma profundidad están sometidos a la misma pre- sión. Esta observación es muy útil, por ejemplo, para determinar la altura o nivel alcanzado por una columna de líquido a partir de medi- das de presión. También sirve para explicar el «Principio de Arquímedes» y la «Ley de Pascal», dos de los resultados más fa- mosos y útiles de la mecá- nica de los fluidos. El Principio de Arquí- medes, figura 3.3, esta- blece que un cuerpo sumer- gido total o parcialmente en un fluido experimenta un empuje o fuerza hacia arri- ba igual al peso del volu- men de fluido desalojado. Tabla 3.1 Factores de conversión de unidades de presión Figura 3.2 Concepto de presión ghPVmghPP ρ+=+= 00 / Figura 3.3 El Principio de Arquíme- des AWgLPPP DU /==−=∆ ρ Figura 3.4 La ley de Pascal Figura 3.5 El Teorema de Bernoulli y la ecuación de continuidad 2 222 2 111 2 1 2 1 vgyPvgyP ρρρρ ++=++ Para convertir a Multiplicar por psi Pa 6,8948x103 psi in Hg 2,0359 psi mm Hg 51,715 psi mm Hg 51,715x103 psi in H2O 27,680 psi cm H2O 70,3072 psi atm 0,068046 psi bar 6,8948x10-2 psi N/m2 6,8948x 103 psi din/cm2 6,8948x104 psi kg/m2 703,06 psi lb/ft2 144,0 Sensores de presión y otros parámetros de fluidos 3 La Ley de Pascal, figura 3.4, por su parte, establece que toda presión aplicada a un fluido confinado se transmite sin reducción a todos los puntos del mismo y a las paredes del depósito que lo contiene. En otras palabras, si la presión en un punto se incrementa o dis- minuye en una cantidad ∆P, en todos los demás puntos la presión varía en la mis- ma cantidad. Otros resultados fun- damentales de la mecánica de los fluidos, relacionados principalmente con fluidos en movimiento, son la Ecuación de Continuidad y el Teorema de Bernoulli, figura 3.5. La Ecuación de Continuidad establece que, en cualquier punto de un fluido en movimiento, la rapidez de flujo, es decir el producto de la velocidad por el área transversal (Av), es constante, es decir no cambia. El Teorema de Bernoulli, por su parte, establece que, en cualquier punto de un fluido en movi- miento, la presión total (PT), es decir, la suma de las presiones estática (PS) dinámica (PD) asociadas con el mismo, es también constante. La presión estática es la presión que existe en un punto de un fluido en virtud de su posición, inclu- so aunque no haya movi- miento, y la presión diná- mica la debida a la energía cinética del mismo, es decir a la velocidad que lleva. La primera se ejerce perpendi- cularmente a la dirección del flujo y la segunda, lla- mada también presión de impacto, paralelamente a la misma. Sensores de presión Los sensores de presión, figura 3.6, como su nom- bre lo indica, miden pre- sión o fuerza por unidad de área. Los sensores de pre- sión detectan presión con- virtiéndola inicialmente en movimiento mediante transductores primarios es- pecialmente diseñados y construidos para producir una deflexión proporcional a la presión aplicada. A continuación, esta de- flexión es convertida en una señal eléctrica equivalente utilizando galgas, LVDTs, potenciómetros y otros ti- pos de transductores de movimiento. En la figura 3.7 se muestran algunos elementos mecánicos co- múnmente utilizados en los sensores de presión para convertir presión en movi- miento. Los tubos de Bourdon, Figura 3.6 Presentaciones comunes de sensores de presión Figura 3.7 Configuraciones típicas de transductores primarios utilizados en sen- sores de presión. Sensores de presión y otros parámetros de fluidos 4 por ejemplo, son tubos me- tálicos curvados, abiertos en un extremo y sellados en el otro, con una sección transversal ovalada. El flui- do cuya presión se desea medir ingresa por el extre- mo abierto, anclado mecá- nicamente. Como resultado, aparece una fuerza en el extremo sellado que causa la deflexión del tubo. Los diafragmas, por su parte, utilizanun material flexible plano, con un lado expuesto a la presión del proceso y el otro a una presión de refe- rencia. El diafragma se do- bla hacia el lado de más ba- ja presión. En ambos casos, el movimiento mecánico resultante puede ser trans- mitido al núcleo de un LVDT, o al cursor de un po- tenciómetro, para conver- tirlo en una señal eléctrica. Los sensores de pre- sión pueden ser de varios tipos dependiendo de la tecnología utilizada para convertir la información del transductor primario en una señal eléctrica. Desde este punto de vista, se habla de transductores potenciomé- tricos, inductivos, capaciti- vos, piezoeléctricos, de gal- gas, piezorresistivos, micro- mecánicos, etc. Los senso- res de presión potencio- métricos, como el mostra- do en la figura 3.8, por ejemplo, utilizan un tubo de Bourdon, una cápsula o un fuelle para impulsar un cur- sor sobre un elemento re- sistivo. Son relativamente económicos y se utilizan en aplicaciones de bajo perfil, por ejemplo medidores de presión de aceite de vehícu- los. Los sensores de pre- sión inductivos utilizan el movimiento del transductor primario para accionar el núcleo de una bobina o un transformador y variar así la inductancia o el acopla- miento inductivo entre el primario y el secundario. En la figura 3.9 se muestra como ejemplo la estructura interna de un sensor de presión inductivo que utiliza un LVDT accionado por una cápsula. Los sensores de pre- sión capacitivos, como el mostrado en la figura 3.10, utilizan un transduc- tor tipo diafragma como una de las placas de un condensador. Al aplicar una presión, el diafragma se de- flecta y varía la capacitan- cia. Este cambio, que puede llegar a ser superior a 100 pF, se aprovecha para con- trolar la frecuencia de un oscilador o el acoplamiento de una señal AC a través de una red. Los sensores de pre- sión piezoeléctricos, co- mo el mostrado en la figu- ra 3.11, utilizan una lámi- na metalizada de cuarzo o material cerámico para con- vertir la fuerza transmitida por un diafragma en una señal eléctrica periódica, generalmente una onda se- no o un tren de pulsos. Se emplean principalmente pa- ra medir presiones varia- bles y se caracterizan por su excelente estabilidad térmica. Los sensores de pre- sión de galga extensio- métrica, como el mostrado Figura 3.8 Estructura de un sensor de presión potenciométrico Figura 3.9 Estructura de un sensor de presión inductivo con LVDT Figura 3.10 Estructura de un sensor de presión capacitivo Sensores de presión y otros parámetros de fluidos 5 en la figura 3.12, utilizan un diafragma que se deflec- ta proporcionalmente a la presión aplicada y una gal- ga o puente de galgas ad- heridas a él que varían su resistencia de acuerdo a la magnitud de la fuerza re- sultante. Tanto el diafrag- ma como las galgas pueden ser de material metálico o semiconductor, siendo esta última la opción más utiliza- da en la actualidad. Las galgas obtenidas de esta forma, que son mu- cho más sensibles que las metálicas, se denominan piezorresistores y constitu- yen el núcleo de los senso- res de presión piezorresisti- vos modernos. El efecto piezorresistivo es el princi- pio de transducción de pre- sión estándar adoptado por la industria semiconducto- ra. Típicamente hay cuatro piezorresistores dentro del área del diafragma de un sensor piezorresistivo y los mismos están interconecta- dos formando un puente de Wheatstone, con dos de ellos sometidos a tensión tangencial y los otros dos a tensión radial. También se dispone de interruptores de presión, como los mostrados en la figura 3.13, los cuales per- mutan el estado de uno o más contactos NO o NC cuando la presión medida alcanza un nivel predeter- minado o set point. Este cambio de estado puede ser utilizado, por ejemplo, para señalizar un circuito lógico, un microcontrolador, un PLC, etc., o energizar direc- tamente un actuador, diga- mos una electroválvula, una bomba de vaciado, un com- presor, etc. Actualmente, la ten- dencia es hacia los sensores de presión inteligentes, los cuales, además de los blo- ques funcionales básicos ofrecen también otras ca- racterísticas avanzadas, in- cluyendo la indicación digi- tal directa del valor de la presión y la posibilidad de ser programados por el usuario a la medida de sus necesidades. El modelo mostrado en la figura 3.14, por ejemplo, de la serie PPT de Honeywell, está dotado de los dos puertos de presión usuales y un conector tipo DIN de seis pines, con una salida análoga nominal de 0 a 5V y una interfaz digital serial RS-232 de dos hilos, a tra- vés de la cual se puede configurar el rango del vol- taje de salida, las unidades (psig, psid, psia) y otros parámetros. La selección de un sensor de presión requiere principalmente el conoci- miento del fluido con el fin de garantizar su compatibi- lidad con los materiales uti- lizados en el sensor, así co- mo del tipo de medición (manométrica, diferencial, absoluta), el rango de pre- siones a medir, el tipo de salida eléctrica deseada, la Figura 3.11 Sensores de presión piezoeléctricos Figura 3.12 Sensor de presión pie- zoeléctrico de galgas extensiométri- cas con un rango de 0 a 5000 psi. Figura 3.13 Interruptores de presión con set points desde 0.1” de H20 has- ta 60 psi. Figura 3.14 Transductor de presión inteligente PPT (Precision Pressure Transducer) configurable entre ±1 psi y ±500 psi. Su fabricante es Honeywell, Inc. (www.ssec.honeywell.com) Sensores de presión y otros parámetros de fluidos 6 exactitud requerida y el rango de temperatura de operación. Las especifica- ciones nominales de un sensor de presión PPT típico de 20 psi, por ejemplo, po- drían ser las siguientes: Por tanto, en este ca- so, una presión de entrada, digamos, de 16,75 psi pro- duciría 16.75x5/20=4,187V en la salida análoga. Otros datos que especifican los fabricantes son el voltaje de alimentación, el tiempo de respuesta (100 µs, típico), la deriva (offset), el tipo de empaque, la histéresis, la linealidad, la repetibilidad, la sensibilidad, las impe- dancias de entrada y de sa- lida, etc. La histéresis, por ejemplo, expresada como un porcentaje de la escala total (full scale), digamos ±0.1 %FS, se refiere a la habilidad del sensor para proporcionar la misma sali- da a una temperatura dada, antes y después de un ciclo de temperatura. Sensores de flujo y cau- dal Los sensores de flujo, figu- ra 3.15, como su nombre lo indica, detectan y mi- den flujo, es decir transfe- rencia de materiales de un sitio a otro a través de tu- berías, mangueras, canales, bandas transportadoras, conductos abiertos o cerra- dos, etc. Estos materiales pueden ser materias pri- mas, productos o desechos en forma de sólidos, líqui- dos, gases o sólidos que flotan en líquidos. El flujo de un material es siempre la respuesta a una fuerza aplicada, producida, por ejemplo, por un motor, una bomba hidráulica, un com- presor de aire, una cabeza de presión estática, etc. Los sensores de flujo se deno- minan comúnmente cauda- límetros. Las mediciones exac- tas de flujo son importantes en los procesos industriales para garantizar que las ma- terias primas se suminis- tren a la velocidad apropia- da y en las proporciones correctas, y prevenir la ocu- rrencia de presiones o tem- peraturas peligrosas, así como desbordamientos y otros efectos nocivos. Tam- bién permiten determinar la cantidad de producto que ha pasado del proveedor al cliente, facilitando su inven- tario, valoración y contabili- zación.En todos estos ca- sos, importa primariamente conocer el caudal del ma- terial, es decir qué tan rápi- da o lentamente se está moviendo o desplazando. Combinando las mediciones de caudal con mediciones de volumen o masa se pue- de determinar la cantidad de material que está siendo transportada. Desde este último punto de vista, se habla de flujo volumétrico y flujo másico, referidos, respecti- vamente, al volumen o ma- sa de material que pasa por un punto determinado du- rante un período determi- nado. Por ejemplo, si un líquido fluye a una veloci- dad (v) de 4 m/s a través de una tubería de 0.3 m2 de área transversal (A), enton- ces el caudal volumétrico (Q) del mismo es simple- mente Q=vxA=4x0.3=1.2 m3/s. Por tanto, existen caudalímetros de flujo má- sico y caudalímetros de flu- jo volumétrico. Estos últi- mos son los más comunes. El flujo de un líquido a través de una tubería de- pende esencialmente de cuatro factores: su veloci- dad de flujo (v), su densi- dad (ρ), su viscosidad (µ) y el diámetro de la tubería (Ø). La viscosidad, en parti- cular, se refiere a la mayor o menor facilidad que tiene el fluido para correr. Su unidad de medida es el Poi- se (P). La densidad, por su parte, representa su peso por unidad de volumen. Tanto la viscosidad como la densidad son afectadas por los cambios de temperatu- ra, disminuyendo a medida que aumenta está última, y viceversa. Estos parámetros se relacionan entre sí me- diante el llamado número de Reynolds (Re) así: siendo v la velocidad (m/s), Rango (FS)........………….0 a 20 psi Resolución………………...0,005 psi Rango de salida análogo..0 a 5 V Resolución análoga.……..1,22 mV Exactitud.………………….0.05 %FS Rango de temperatura…..-45ºC a 85ºC µ ρφ ⋅⋅ = vRe Sensores de presión y otros parámetros de fluidos 7 Figura 3.15 Los sensores de flujo o caudalímetros trabajan con base a una gran variedad de principios físicos. En la foto- grafía se muestran algunos ejemplos representativos de tecnologías modernas Ø el diámetro (m),ρ la densidad (kg/m3) y µ la viscosidad (P). Dependiendo del valor de Re, se habla de flujo laminar o flujo turbulento, figura 3.16. El flujo laminar en tuberí- as corresponde a valores de Re inferiores a 1200 y se presenta a bajas velocidades o con liqui- dos muy viscosos. Se caracteri- za porque el movimiento del fluido se realiza en capas para- lelas cuya velocidad disminuye progresivamente a medida que se alejan del centro, siendo máxima en este último punto y mínima, prácticamente cero, en las paredes. El flujo turbulento en tu- berías corresponde a valores de Re por encima de 1200 y se presenta en altas velocidades o con líquidos poco viscosos. Se caracteriza porque el movimien- to del fluido se realiza en forma de remolinos o torbellinos que viajan en todas las direcciones. Los flujos con valores de Re iguales o cercanos a 1200 se denominan de transición y tie- nen características intermedias. Por lo general, un caudalímetro diseñado para medir flujo lami- nar no produce lecturas correc- tas en presencia de flujo turbu- lento, y viceversa. Por esta ra- zón, al seleccionar un caudalí- metro, es importante conocer el valor de Re para el fluido parti- cular considerado. La mayoría de los caudalí- metros se basan en métodos de medida indirectos, siendo los más comunes la presión dife- rencial, el desplazamiento posi- tivo, la velocidad y el flujo mási- co. Los caudalímetros de obstrucción o presión dife- rencial, figura 3.17, por ejemplo, se utilizan para medir el flujo de fluidos a través de tuberías. En los mismos se in- terpone una placa con un orifi- cio de tamaño y forma específi- ca cuya función es reducir el área a través de la cual cir- cula el líquido para cambiar su velocidad y crear así una diferencia de presiones (∆P) a ambos lados. Esta última puede ser medida con un sensor de presión diferen- cial y utilizada para calcular la velocidad a la cual sale el fluido del orificio. Multipli- cando esta velocidad por el área del orificio y un factor de corrección llamado co- eficiente de descarga (Cd), del orden de 0,6 a 0,97, se obtiene el caudal volumétrico (Q). Figura 3.16 Perfiles típicos de movi- miento de fluidos (a) Flujo laminar. (b) Flujo turbulento Sensores de presión y otros parámetros de fluidos 8 Una variante son los rotámetros o cau- dalímetros de área variable , f igura 3.18, en los cuales, como su nombre lo in- dica, se mantiene constante la diferencia de presiones a ambos lados de la obstrucción y se varía la sección de paso del fluido. Consis- ten de un tubo cónico de plástico, vidrio o metal, provisto en su interior de un pistón o un flotador que es arrastrado por el fluido. Este último ingresa por la parte inferior y sale por la superior. Si no hay flujo, el flotador perma- nece en reposo en la parte del tubo que tiene su mis- mo diámetro. Al aumentar el caudal, el flotador se desplaza hacia arriba hasta alcanzar una altura propor- cional al caudal. Su posición puede ser leída sobre una escala graduada en el tubo o detectada mediante un captador magnético u ópti- co. Los caudalímetros de desplazamiento posi- tivo operan separando el fluido en segmentos de vo- lumen conocido. La versión más común es el caudalí- metro de aspas rotato- rias, figura 3.19a, com- puesto de una cámara cilín- drica con dos puertos, uno de entrada y otro de salida, y un rotor acanalado donde se alojan unas aspas resor- tadas. A medida que el flui- do llena la cámara, el rotor es obligado a girar a una cierta velocidad, provocan- do que las aspas entren y salgan del mismo, y así se mantengan en contacto constante con las paredes del cilindro. El fluido conte- nido en cada sección es descargado cuando la mis- ma alcanza el puerto de sa- lida. El caudal se obtiene multiplicando las r.p.m. de giro del rotor por el volumen descargado en cada vuelta. Otra forma común de caudalímetro de desplazamiento positivo es el medidor de ló- bulos, figura 3.19b, constituido por dos pi- ñones de forma elípti- ca, cuidadosamente mecanizados, que son impulsados por el mo- vimiento del fluido y giran desfasados 90° entre sí. Puesto que los piñones están en contacto perma- nente entre sí y con las pa- redes de la cámara, forman un sello, lo cual les permite transportar en cada vuelta un volumen de líquido co- nocido. Multiplicando este vo- lumen por el número de r.p.m. se obtiene el caudal volumétrico. La información de las r.p.m. puede ser su- ministrada, por ejemplo, por un sensor de proximi- dad inductivo asociado a un contador. Los caudalímetros de turbina, figura 3.20, están constituidos por una rueda alabeada que gira con una velocidad propor- cional a la velocidad de flu- jo del fluido. Multiplicando esta última velocidad por el área de la sección de paso se obtiene el caudal volu- métrico. La velocidad de giro de las paletas se detec- ta mediante un captador magnético, formado por un Figura 3.17 Principio de funcionamiento de un caudalí- metro de obstrucción o presión diferencial. Figura 3.18 Principio de funciona- miento de un Rotámetro o caudalíme- tro de área variable Sensores de presión y otros parámetros de fluidos 9 imán permanente colocado dentro de una bobina. Cada vez que uno de los alabes o cuchillas de la turbina pasa a través del campo magné- tico del imán, distorsionalas líneas de flujo del mis- mo e induce un pulso de voltaje en la bobina. La fre- cuencia de estos pulsos es proporcional a la velocidad de rotación de la turbina y, por tanto, al caudal volu- métrico. Los medidores de flujo másico proporcionan el peso real del fluido que pasa durante un período dado de tiempo. Puesto que esta lectura es directa y no utiliza datos inferidos de otras variables, la misma es exacta y no depende de la naturaleza sólida o líquida del fluido ni de su viscosi- dad, temperatura, presión y otros factores. Las medicio- nes de flujo másico se apli- can principalmente a mate- riales sólidos presentados en forma de polvo, pasti- llas, granos y otros tipos de partículas pequeñas. En la figura 3.21 se muestra co- mo ejemplo un método pa- ra determinar el flujo mási- co de un polvo conducido a través de una banda trans- portadora. En este sistema, el polvo es liberado por la tol- va y transferido a través de la banda transportadora a otro sitio, digamos: una ti- na de mezcla, un tanque de almacenamiento, la bodega de un barco, etc. La celda de carga determina el peso (W) del material contenido en una longitud fija (L) de la correa. El flujo másico (M) está dado por: Siendo v la velocidad de la banda transportadora. Por ejemplo, si esta última se mueve a 0.25 m/s, la longitud de la plataforma de pesado es de 3 metros y el peso medido por la celda es de 150 kg, entonces el flujo másico es de (150x 0,25)/13= 12,5 kgls. La cantidad de material trans- Figura 3.19 Caudalímetros de des- plazamiento positivo (a) Caudalímetro de aspas o pale- tas rotatorias. Funcionamiento (b) Caudalímetro de lóbulos im- pulsores. Aspecto físico. L vW M ⋅ = Figura 3.21 Sistema de banda transportadora y celda de carga usado para me- dir el flujo másico de materiales sólidos Figura 3.20 Funcionamiento del caudalímetro de turbina Sensores de presión y otros parámetros de fluidos 10 ferido por la banda puede controlarse variando la ve- locidad de esta última o re- gulando la salida del mismo de la tolva. Naturalmente, tam- bién se dispone de caudalí- metros electrónicos. Los más comunes son: los me- didores de Coriolis, los de- tectores de flujo rotóricos, los detectores de flujo elec- tromagnéticos, los caudalí- metros térmicos, los cauda- límetros de vórtice y los caudalímetros ultrasónicos. El medidor de Corio- lis, figura 3.22, por ejem- plo, consiste de un tubo metálico en forma de U lo- calizado en las inmediacio- nes de unas bobinas y a través del cual circula el fluido. Al aplicar una co- rriente pulsatoria a las bo- binas, el campo magnético producido hace que el tubo vibre, en forma parecida a un diapasón. Como resulta- do de la interacción entre este movimiento y el que lleva el fluido, el tubo se tuerce lateralmente, siendo su grado de deflexión pro- porcional a la masa de lí- quido que pasa a través de él. La cantidad de torsión es registrada por sensores magnéticos montados en ambos extremos del tubo. Con este método se puede medir flujo másico de todo tipo de fluidos. Los detectores rotó- ricos, figura 3.23, se in- sertan dentro de las tuberí- as utilizando un accesorio en forma de T y recurren a un sencillo sistema de rotor de rueda palet izada (paddlewheel), impulsado por el fluido, que gira a una velocidad proporcional a la rata de flujo. El rotor consta de cuatro cuchillas, cada una de las cuales incluye un imán permanente que exci- ta un dispositivo de efecto Hall y produce en cada paso un pulso de voltaje. Con- tando el número de pulsos producidos durante un de- terminado período de tiem- po se obtiene una indica- ción del caudal volumétrico. Este tipo de sensores, que sustituyen a los caudalíme- tros de turbina en muchas aplicaciones, pueden ser utilizados con una amplia variedad de líquidos, inclu- yendo ácidos, solventes y fluidos corrosivos. Los caudalímetros tér- micos, figura 3.24, utili- zando dos termistores su- mergidos dentro del fluido e integrados a un puente de Weathstone. El primer ter- mistor (NTC1) está en con- tacto con el fluido, mientras que el segundo (NTC2) está blindado, actuando como compensador de tempera- tura. A medida que pasa el fluido retira calor del ter- mistor 1, disminuyendo la temperatura a su alrededor y aumentando su resisten- cia. Como resultado, el puente se desbalancea y aumenta el voltaje de sali- da. Este último es propor- cional al flujo y puede ser detectado directamente con un medidor análogo calibra- do en unidades de flujo vo- lumétrico o utilizado para excitar un medidor electró- nico. La resistencia del ter- mistor 2 no se ve afectada por el flujo, pero sí por la temperatura del fluido. Figura 3.22. Funcionamiento de un medidor de Coriolis. Figura 3.23 Caudalímetro de rueda de paletas Sensores de presión y otros parámetros de fluidos 11 Los caudalímetros de vórtices, figura 3.25, utilizan un objeto sin forma aerodinámica sumergido dentro del fluido para crear aguas abajo unos remolinos o torbellinos llamados vórti- ces de Karman, los cuales siguen un patrón predeci- ble. Tales vórtices pueden ser detectados mediante un sensor de presión o ultrasó- nico, siendo su frecuencia directamente proporcional a la velocidad del fluido y, por tanto al flujo volumétrico. Este tipo de sensores ha adquirido una gran impor- tancia en los últimos años debido a que proporcionan una buena exactitud, del orden del 0.5%, son robus- tos, no tienen partes móvi- les y están libres de mante- nimiento. No obstante, para impedir atascamientos, de- ben utilizarse solamente con líquidos limpios, no abrasivos ni corrosivos. Los caudalímetros ul- trasónicos, figura 3.26, es- tán basados en el desplaza- miento de frecuencia que expe- rimenta una onda sonora, en este caso un ultrasonido, cuan- do se refleja en un fluido en movimiento. Este fenómeno se conoce como efecto Doppler. La onda ultrasónica, producida por un transductor piezoeléctri- co, es reflejada desde el líquido por burbujas de aire o partícu- las sólidas en suspensión y cap- tada por otro transductor pie- zoeléctrico, el cual la convierte en una señal eléctrica equiva- lente. La diferencia de frecuen- cia entre la señal transmitida y la señal recibida es proporcional a la velocidad del fluido y, por tanto, a su caudal volumétrico. Este tipo de sensores se insta- lan fuera de las tuberías y por tanto son adecuados para todo tipo de fluidos. Los caudalímetros ul- trasónicos basados en el efecto Doppler requieren que exista por lo menos un Figura 3.25 Principio de funciona- miento de un caudalímetro de vórti- ces Figura 3.26 Principio de funcionamiento de un caudalímetro ultrasónico de efecto Doppler Figura 3.24 Principio de funcionamiento de un caudalímetro térmico Sensores de presión y otros parámetros de fluidos 12 nivel de 25 ppm (partes por millón) de burbujas o partí- culas sólidas en suspensión que actúen como reflecto- res y las mismas tengan un diámetro de 30 micras o superior. Para fluidos lim- pios, sin partículas reflecto- ras, existen también senso- res ultrasónicos de flujo ba- sados en la medición de los tiempos de tránsito de la onda, es decir los que de- mora la radiación en alcan- zar el receptor cuando se propaga tanto en la direc- ción del flujo (a favor) co- mo en la dirección opuesta (en contra). La diferencia entre estos tiemposes pro- porcional a la velocidad del fluido y a su caudal Los caudalímetros electromagnéticos, figu- ra 3.27, están basados en la Ley de Faraday, la cual establece que si un conduc- tor se mueve a través de un campo magnético, en- tonces se induce en el mis- mo un voltaje proporcional a su longitud, su velocidad de desplazamiento y la in- tensidad del campo. En este caso, el fluido en movi- miento actúa como conduc- tor, mientras que el campo lo establecen dos bobinas montadas en las paredes exteriores de la tubería y excitadas por un voltaje DC pulsante. El voltaje induci- do, que es proporcional al caudal volumétrico, se cap- ta a través de dos electro- dos localizados en las pare- des internas del tubo. Este tipo de sensores se utilizan generalmente con fluidos difíciles y corrosivos, así como con emulsiones, áci- dos, aguas residuales, de- tergentes, comidas líquidas, etc. Los caudalímetros electromagnéticos se deno- minan también magme- tros y, dependiendo del método de montaje, pue- den ser básicamente de dos tipos: de inserción y estilo galleta. En estos últimos, figura 3.27(a), utilizados para aplicaciones de alta precisión, el campo magné- tico se produce a través de toda la sección transversal del tubo de flujo, mientras que en los primeros, figura 3.27(b) se radia hacia fue- ra de la punta de prueba. De cualquier modo, para aplicar la Ley de Faraday a un fluido en movimiento, es absolutamente necesario que este último sea conduc- tor. Por esta razón, los cau- dalímetro magnéticos tra- bajan mejor con soluciones acuosas que con hidrocar- buros. Figura 3.27 Principio de funcionamiento de caudalímetros electromagnéticos Sensores de presión y otros parámetros de fluidos 13 Transductores de nivel Los transductores de ni- vel, figura 3.28, como su nombre lo indica, detectan o miden nivel, es decir, la altura a la cual un material llena un tanque, una tolva, una bodega u otro tipo de contenedor. El material puede ser un líquido o un producto sólido en forma de polvo, granos, hojuelas, etc. Las mediciones de ni- vel son parte integral de muchos procesos industria- les. Las mismas permiten conocer las reservas dispo- nibles de un material y pre- venir su agotamiento o des- bordamiento, así como ga- rantizar que los ingredien- tes de alimentos, químicos y otros productos similares, fabricados con base en fór- mulas, se mezclen en las cantidades exactas requeri- das. El nivel se mide locali- zando la frontera o interfa- se entre dos medios, diga- mos un líquido o un polvo en contacto con el aire en un tanque abierto, o una capa de aceite flotando so- bre agua, figura 3.29. Esta medición puede hacerse por métodos directos, por ejemplo, utilizando un flota- dor; o por métodos indi- rectos, digamos midiendo la presión en el fondo de un tanque. Los métodos direc- tos son generalmente inva- sivos, es decir, implican un contacto directo del sensor con el material a medir, mientras que los métodos indirectos son típicamente no invasivos. Estos últimos son los preferidos cuando se trabaja con materiales corrosivos, peligrosos o so- metidos a altas temperatu- ras o altas presiones. Las mediciones de ni- vel pueden ser también puntuales o continuas, de- pendiendo, respectivamen- Figura 3.28 Los transductores de nivel se ofrecen en una gran variedad de presentaciones y trabajan con base en principios físicos relativamente sencillos. En la figura se muestran modelos representativos de sensores tipo flag (a), de flotador (b, i), ultrasónicos (c, e), capacitivos (d, j), vibratorios (h), ópticos (f) y de montaje lateral (g) Figura 3.29 El nivel se mide localizando la interfase entre dos medios. En este caso se utiliza un sensor de nivel capacitivo para medir la altura de las columnas de agua y aceite. La emulsión que se forma entre ambos medios actúa como capa fronteriza. Sensores de presión y otros parámetros de fluidos 14 te, de si la detección de la interfase se realiza en pun- tos específicos o a través de todas las posiciones posi- bles dentro de un rango da- do. La detección puntual es la requerida, por ejemplo, para marcar los límites infe- rior y superior de llenado de un tanque y alertar así cuando el mismo necesita ser rellenado o se ha des- bordado. Actualmente se dispo- ne de una gran variedad de tecnologías de transducto- res que miden y detectan nivel puntual o continuo de manera directa o indirecta y permiten la implementación de sistemas de control au- tomático. Los más comunes son los basados en flotado- res y efectos vibratorios, de desplazamiento, conducti- vos, ópticos, capacitivos y ultrasónicos; así como los basados en la medición de presión, peso, temperatura y otras variables indirectas.
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