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Sensores de caudal La medida de caudal se puede realizar mediante múltiples formas, las formas de medición más relevantes son: Tipo presión diferencial: 1• La placa-orificio o diafragma. • El tubo Venturi. Tipo Velocidad: 1• Turbina. • Sensor ultrasónico. Tipo térmico: • Sensor térmico Existen muchas formas de realizar la medida de caudal según diferentes principios, vamos a abordar primero los de presión diferencial pero antes tenemos que conocer el efecto Venturi. Efecto Venturi. El efecto Venturi es una consecuencia del Teorema de Bernouilli, y nos dice que en un fluido que se propaga en un tubo horizontal que tiene un estrechamiento, la velocidad del fluido en la parte estrecha es mayor que en la parte ancha y por estar ambas a la misma altura la presión en la parte ancha es mayor que la presión en la parte estrecha. Figura 1. Efecto Venturi.

Por tanto, si medimos la diferencia de presiones entre la parte ancha y la parte estrecha podemos determinar el caudal que circula por la tubería. Este efecto es aprovechado por 2 sensores distintos, vamos a ver sus características y funcionamiento: Placa orificio Es una placa que se inserta en la tubería realizando un estrechamiento de la sección de la misma, realizando dos tomas de presión antes y en la placa, se calcula la presión diferencial de la cual se extrae el valor de caudal. Con este sistema es posible medir caudales con una relación 3 a 1 entre el máximo y el mínimo (depende de la sección de la tubería) siendo la precisión del 1 al 2%. Es posible la medida sobre líquidos y gases, aunque los líquidos deben presentar poca cantidad de sólidos. Figura 2. Esquema del medidor según placa orificio.

La forma de representar el medidor de caudal según la norma ISA S5.1-ver. 84 es la siguiente: Figura 3. Símbolo de la placa orificio en la norma ISA S5.1


Tubo venturi. Consta de 2 conos, uno de entrada y otro de salida que se insertan en la tubería, el procedimiento de medida mediante tubo venturi, permite la medición de caudales entorno a 60% superiores a los medidos mediante la placa orificio, con una precisión de ± 0’75%, aunque el coste es muy superior a este. Presenta la ventaja de poder medir caudales líquidos con gran cantidad de sólidos. La figura 4 muestra el esquema de construcción de un tubo venturi y la figura 5 su representación en simbología ISA S5.1 Figura 4. Esquema del tubo venturi.

Figura 5. Símbolo del tubo venturi.

Turbina. Dentro de los sensores del tipo “velocidad” encontramos la turbina y el sensor utrasónico, se llaman de velocidad ya que se mide el tiempo que tarda en producirse un determinado evento que depende del caudal que pasa a través de la tubería. Los sensores basados en una turbina están construidos por un rotor que gira en el interior de una sección de tubería, la turbina está formada por palas las cuales llevan en sus extremos imanes permanentes, que al girar inducen un campo magnético sobre una bobina en el exterior de la tubería, permite medidas de caudal en una proporción de 15 a 1 entre el caudal máximo y mínimo con una precisión del 0,3%, y requieren que los fluidos sean limpios. Figura 6. Turbina.

En la utilización de la turbina como elemento de medición de caudal se ha de procurar que el medidor no se vacie de líquido ya que un choque del mismo a alta velocidad (golpe de ariete) provocaría un daño grave en el mismo. Sensor ultrasónico.


También es posible medir el caudal que se transporta por una tubería mediante ultrasonidos, ya que en la de propagación del sonido influye el medio por el cual se propaga. La forma constructiva del sensor es la que se muestra en la figura 7. Figura 7. Sensor de caudal ultrasónico.

En el sensor de caudal ultrasónico se emite una onda sonora de frecuencia superior a las audibles desde los 2 emisores, la diferencia de tiempos en la recepción de las 2 ondas emitidas determina el caudal por la tubería de diámetro conocido. Estos sensores tienen una precisión mínima de ± 2% y una relación de caudales de medida de aproximadamente 20 a 1 y son adecuados tanto para líquidos como para gases. En la figura 8 podemos ver un transductor de caudal ultrasónico comercial, preparado para gas natural. Figura 8. Transductor de caudal ultrasónico.

Sensor térmico El sensor térmico para la medida del caudal que circula por una tubería se basa en el transporte de calor que produce un fluido al moverse. Si observas la figura 9, podrás ver una fuente de calor (RH), que produce un calentamiento que es detectado por el sensor de temperatura RT1 (normalmente Pt100) y, dependiendo de la velocidad del fluido en la tubería el calor que capte el sensor será mayor o menor, el sensor de temperatura RT2 nos proporciona una compensación respecto a la temperatura del fluido. Figura 9. Esquema de funcionamiento del sensor de caudal térmico.

La precisión mínima de estos sensores es de ± 1% y la relación de caudales medibles es de 1 a 10.


Medida de nivel El nivel como variable de proceso que debe ser controlada la podemos dividir en dos partes muy bien diferenciadas, y van a utilizar instrumentos de medición diferentes: • Medida de nivel de líquidos. Donde el nivel del líquido es horizontal, aunque podemos tener problemas por una parte con las olas producidas por el vertido y los agitadores instalados en el tanque y por otra parte con la formación de espumas en la parte superior del tanque. • Medida de nivel de sólidos. Donde el nivel de los productos que generalmente se almacenan en silos (granos, piensos, etc...), no es horizontal como en los líquidos, aparte de encontrarnos con problemas de nieblas producidas por el polvo contenido en el producto almacenado. Medición de líquidos. La medición del nivel de los liquidos, al igual que las otras variables de proceso, se puede realizar de múltiples formas aunque vamos a ver los más habituales en la industria. Flotador magnético El flotador magnético consta de un tubo rodeado por un flotador que se sumerge en el fondo de un tanque, este va equipado con un imán que conmuta contactos montados en el tubo. Estos contactos van conectando en serie unas resistencias, provocando de este modo una variación “escalonada” de resistencias. Estas resistencias se conectan a un circuito de acondicionamiento y el voltaje muestreado del se transfiere a un transmisor que da una señal de corriente proporcional al nivel de líquido. En la figura 10 puedes observar el esquema interno del sensor y el transmisor acoplado (formando un transductor de nivel). La longitud mínima y máxima medible es de 30 cm a 6 metros con una precisión de 1% del fondo de escala. Figura 10.

Presión diferencial y presión manométrica


Los sensores y transductores basados en estos principios de medida, sirven para medir líquidos, y miden la presión que ejerce la columna de líquido que está sobre el punto de medida. Si el tanque está abierto o no está expuesto a sobrepresiones, la presión en la parte superior es la atmosférica y por tanto medimos presión manométrica, siendo esta bajo la columna de líquido:

Donde: P: Presión bajo la columna de líquido a una profundidad H. H: altura o nivel de líquido sobre el punto de medida de presión. γ: densidad de líquido. g: 9’8 m/s2. Y, por tanto el nivel de líquido (H) encima del punto de medida quedaría según la expresión siguiente:

Presión manométrica: Es la presión ejercida por alguna causa pero referida a la presión atmosférica, es decir, tomamos como origen de presiones la presión atmosférica. En la figura 11 puedes ver como se montaría un sistema de medida de nivel mediante presión manométrica, el transductor se instala en la parte inferior del tanque y mide la presión de la columna de líquido que está por encima de él. Figura 11

Cuando el tanque está expuesto a presiones diferentes de la atmosférica en su parte superior, es necesario utilizar instrumentos de presión diferencial, donde medimos la presión en el interior del tanque tanto en su parte superior como en su parte inferior, la diferencia de presiones nos proporciona una medida del nivel de líquido en el mismo. En la figura 12 puedes ver un esquema de funcionamiento de esta forma de medición. Figura 12 Medida de nivel por presión diferencial


Sensor capacitivo. La medida de nivel mediante sensores capacitivos se utiliza el principio del efecto capacitivo, donde varíamos alguno de los parámetros de un condensador, generalmente el dieléctrico del mismo. Los sensores capacitivos estan formados por una lanza conductora y un cabezal, la lanza es una de las placas del condensador y las paredes del tanque (metálico) forman la otra placa del mismo, el líquido intermedio es el dieléctrico que va a variar según el nivel que tenga, en caso de estar el depósito vacío el aire hace de dieléctrico. En la figura 13 podemos ver un transmisor de nivel de tipo capacitivo comercial. Figura 13

En los casos que el tanque no sea metálico, el transmisor tiene 2 lanzas que forman ambas placas del condensador. La precisión de estos transductores es de ±1%, no tienen partes móviles, tienen muy buena resistencia a la corrosión, el campo de medida es muy grande (depende de la lanza), pero los líquidos a medir deben ser homogéneos y con pocas burbujas, ya que afectaría a la constante dieléctrica del mismo. Sensor de ultrasonidos. Otra forma de medición de nivel continuo es mediante los ultrasonidos, se basa en la emisión de ondas sonoras desde el sensor hacia la superficie del producto a medir, ya sea líquido o sólido, las ondas rebotan y vuelven al sensor que mide el tiempo que tardan estas en realizar el recorrido, calculándose de esta forma el nivel de líquido existente en el tanque. La figura 14 muestra un transmisor de nivel por ultrasonidos comercial.


La precisión es de ±0’5% con la ventaja que se pueden instalar en todo tipo de tanques y para líquidos o sólidos, aunque son sensibles a la formación de espumas y variaciones de densidad, aunque estos inconvenientes se compensan de forma electrónica. El campo de medida varía entre 10 cm y 15 metros. Medición de sólidos En la medición continua de sólidos es posible emplear sensores basados en el efecto capacitivo pero han y composiciones constantes. También podemos encontrar transductores de microondas de conservarse humedades que eliminan la problemática de nieblas y proporcionan una medición fiable del nivel. En la medida de sólidos, por ejemplo grano, es muy habitual la formación de taludes, para ello se dispone de medidores de punto fijo que detectan un determinado nivel en el silo de almacenamiento, los sistemas de medición de cono suspendido son los más habituales en estos casos, se basan en un cono que se suspende de una varilla, cuando el sólido alcanza la posición del cono, lo desplaza maniobrando un interruptor que transmite la información a un elemento de proceso. La figura 15 muestra un ejemplo de la formación de un talud de grano y el modo de funcionamiento del cono suspendido Figura 15

Como se puede apreciar en la figura 15 al formase el talud se desplaza el cono suspendido y esta activa un contacto que informa que el nivel de sólido ha llegado a ese punto. La longitud mínima y máxima medible es de 30 cm a 6 metros con una precisión de 1% del fondo de escala.


Sensores de caudal