Capitulo III
Instrumentos de Medición
Profesor:
Rafael Guzmán Muñoz
[email protected]
2007
Índice
Contenidos y Agenda
Clases de Instrumentos
• En función de los Instrumentos
• En función de la Variable de Proceso
Variables de Proceso
•
•
•
•
Caudal
Presión
Nivel
Temperatura
2007
EN FUNCION DE LA VARIABLE
DE PROCESO : Nivel
 Al igual que en la medición de muchas otras variables físicas, la
medición de nivel puede obtenerse en forma directa o indirecta. En el
primer caso se aprovecha directamente la variación del nivel para
hacer la medición, este es el caso de los flotadores, de los sensores
basado en electrodos, etc. En el segundo caso se detecta la diferencia
de altura en forma indirecta, como lo son por ejemplo los sensores
sónicos.
 En la práctica existen muchos dispositivos distintos ideados para medir
en aplicaciones industriales. Debido a lo extenso que resultaría
estudiarlos a todos ellos en que se analizan en esta sección a los más
representativos.
2007
Sensor de Nivel Tubular
 Tubo de material transparente y rígido
conectado al depósito por dos bridas con
dos válvulas manuales de corte. El líquido
sube por el tubo hasta igualar al nivel del
depósito:
 Limitaciones:
• No soportan mucha presión.
• No soportan mucha Tª.
• No son resistentes a los impactos.
• No se pueden usar líquidos que
manchen el interior del tubo.
 También los hay de vidrio armado (piezas
de vidrio y acero)
2007
Sensor de Nivel tipo Flotador
Este sensor consiste generalmente en un conjunto compuesto por un
flotador, un contrapeso y una polea. Este elemento tiene la
característica de ser lineal y es un sensor de fácil construcción.
2007
Sensor de Nivel tipo Flotador
dH  dS  Rd 
De la figura es posible deducir la relación válida para la polea, en ella
se observa que cuando el nivel sufre una variación de magnitud dH la
polea experimenta un desplazamiento dS de igual magnitud, esto es,
el cambio de nivel se traduce en un desplazamiento angular de la
polea, este desplazamiento puede ser fácilmente aprovechable si en el
eje de la polea se conecta el cursor de un potenciómetro lineal.
2007
Sensores en Base a Electrodos
• Este tipo de sensores se utiliza para medir nivel en
sistemas con líquidos con buenas características de
conductividad eléctrica. Los dispositivos que utilizan este
tipo de principio constan generalmente de los electrodos,
los cuales se introducen en el fluido. De este modo,
puesto que el liquido es conductor, la resistencia eléctrica
que se presenta entre los terminales de los electrodos
variará con el nivel.
• Estos sensores se utilizan para conductividades iguales
o mayores a 20(/cm) y en general resultan ser
sensibles a los cambios de conductividad del líquido. Para
mejorar el comportamiento frente a este fenómeno es
aconsejable que ambos electrodos se encuentren a una
corta distancia entre si.
•Una variación de la estrategia anterior es aquella en
donde se mide directamente la resistencia del líquido, la
cual variará con el nivel. Naturalmente este método, por
las razones anteriormente expuestas, resulta ser más
inexacto.
2007
Sensores en Base a Efecto
Capacitivo
Estos elementos se utilizan tanto en la
medición de niveles de líquido como de
sólidos en forma granular. Su principio de
funcionamiento consiste en que el
material, líquido o sólido, actúa como
dieléctrico entre dos placas paralelas, de
modo que al variar el nivel varía la
capacidad del conjunto.
•
2007
Sensores en Base a Efecto
Capacitivo
En un condensador de placas paralelas, separadas por un dieléctrico, la
capacidad esta dada por:
C   0 KA / d
En donde:
K = Constante dieléctrica del material
0 = Permeabilidad magnética del vacío
d = Distancia entre placas
A = Area de las placas.
El nivel del fluido o mineral forma dos condensadores, cada uno con
distinto dieléctrico. El área de las placas varía con el nivel H,
obteniéndose una capacidad igual a:
C( H )   0 ( D / d )(k1  K 2 ) H  K 3 L
2007
Transductores de nivel
Hidrostáticos
• Es posible aprovechar algunas de las características hidrostáticas de
los líquidos para medir los niveles. Así, por ejemplo, si se mide la
presión absoluta en el fondo del estanque ésta será proporcional al
nivel del líquido.
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Transductores de nivel
Hidrostáticos

Los mecanismos han tenido diferentes formas:
 Sistema de caja con diafragma.




Tubo de burbuja de aire.
Medidores de presión diferencial.
Medidores de presión diferencial tipo seco.
Sistema de diafragma de balance de fuerzas.
 Al incluir circuitería electrónica moderna han
permitido un gran auge de esta tecnología
(autodiagnóstico, flexibilidad, conexión a SCD).
Aproximadamente el 30% de los sensores de nivel son
de este tipo.
2007
Métodos Visuales
2007
Sensores Ultrasónicos
• Los sensores ultrasónicos son dispositivos que miden distancia
usando un transductor o elemento sensitivo que envía un chorro o
rayo ultrasónico, este rayo contiene una serie de ondas de sonido
pulsantes, que se emiten en forma cónica, el reflejo de esto es
detectado y recibido por un transmisor. El tiempo que este chorro se
demora en ir al destino y volver a la fuente, es convertido en distancia
medida por el sensor, vale recordar la relación:
D=v*t
Donde:
D: distancia entre la fuente y el destino
t: tiempo de recorrido de la distancia D
v: velocidad de la señal ultrasónica, normalmente
conocida
2007
Sensores Ultrasónicos
 Los detectores de nivel sónico (9500
Hz) y ultrasónicos operan tanto por la
absorción de la energía acústica a
medida que viaja desde la fuente al
receptor, como por la alteración
(cambio de frecuencia) de una
frecuencia de oscilación comprendida
entre 35 a 40KHz.
 El transmisor se ubica en la parte
superior del estanque y el pulso viaja
en el aire (o el sonido 331 [m/s] a 0º
C), luego, del tiempo de viaje es un
dato debido a la profundidad del
estanque.
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Sensores por Burbujeo
 Trabaja midiendo la presión hidrostática
indirectamente. En este sensor se suministra
un flujo de aire constante a través de un
tubo que está sumergido en el interior del
tanque, se aumenta la presión justo hasta
que se obtiene la salida de burbujas, ésta es
la presión que se necesita para vencer el
peso de la columna líquido por encima de
este punto.
Con esta presión P, con la densidad del fluido
r y la gravedad se obtiene el nivel
despejando la siguiente fórmula P = rgH.
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Sensores por Diferencial de
Presión
 En tanques abiertos este sensor mide la diferencia de presión entre
la presión hidrostática originada por el peso de la columna del líquido
en la parte inferior del tanque y la presión atmosférica. La cual
relaciona el nivel del líquido con la siguiente fórmula PL - Patm = rgH,
donde PL es la presión hidrostática del peso de la columna del líquido,
Patm es la presión atmosférica, r es la densidad del fluido, g es la
gravedad, y H el nivel del líquido.
 En tanques cerrados este sensor mide la diferencia de presión que se
genera entre la parte inferior y superior del tanque, y la cual relaciona
el nivel con la siguiente fórmula PI - PS = rgH, donde PI - PS es la
diferencia de presión entre la parte inferior y superior del tanque, r es
la densidad del fluido, g es la gravedad, H es el nivel del líquido.
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Nivel por Radiación
 Consiste de un emisor de rayos gamma en la parte superior y un
receptor gaiger en el fondo del tanque. La intensidad con la que llegan
estos rayos da una indicación de la cantidad de líquido o sólido
contenido en el deposito.
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Sensor de Diafragma
 Consiste en una membrana flexible que
está colocada en un punto especifico en la
pared del tanque y donde se desea saber si
el nivel ha llegado. Cuando el sólido va
subiendo su nivel hace contacto con esta
membrana la cual está unida por medio de
un juego de palancas a un interruptor
eléctrico, este se aprovecha para indicar que
el nivel ya llego a esta posición.
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Cono Suspendido
 Consiste en una varilla que termina en
forma de cono y la cual está colocada en un
punto donde se desea saber si el nivel del
sólido ha llegado. Al subir el nivel, este hace
contacto con el cono de la varilla, activando
un interruptor eléctrico que está acoplado a
él. Aprovechado esto, para indicar que el nivel
ya llego a la posición.
2007
Varilla Flexible
 Consiste en una varilla que termina en
forma de cono y la cual está colocada en un
punto donde se desea saber si el nivel del
sólido ha llegado. Al subir el nivel, este hace
contacto con el cono de la varilla, activando
un interruptor eléctrico que está acoplado a
él. Aprovechado esto, para indicar que el nivel
ya llego a la posición.
2007
Medidor Conductivo
 Consiste en un electrodo el cual está colocado en un punto donde
se desea saber si el nivel del sólido ha llegado. Cuando el sólido que
tiene que ser de un material conductor hace contacto con el
electrodo, cierra un circuito eléctrico indicando de esta forma que
llego al nivel esperado.
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Paletas Rotativas
 Consiste en un juego de paletas que se mueven a baja
velocidad, cuando el producto sólido llega a las paletas, estas se
inmovilizan activando un interruptor eléctrico.
2007
Sondeo Electromecanico
 Consiste en un peso móvil
conectado a un motor por medio
de poleas, este peso móvil baja
hasta que toca la superficie del
sólido y nuevamente sube. En
todo momento se está
detectando la posición del sólido
con este método.
2007
Nivel de Bascula
 En este caso se coloca una bascula en la tolva para medir el
peso del sólido que se está depositando, si se conoce las
características de densidad de este sólido se determina el nivel.
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PRINCIPALES METODOS DE
MEDICIÓN DE NIVEL
•
•
•
•
•
1.2.3.4.5.-
Líquidos Limpios.
Líquidos con Espuma.
Interface.
Pulpa.
Sólidos.
E.- Excelente (sin restricciones de uso)
B.- Bueno (con restricciones de uso)
R.- Regular (pocas aplicaciones)
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Índice
Contenidos y Agenda
Clases de Instrumentos
• En función de los Instrumentos
• En función de la Variable de Proceso
Variables de Proceso
•
•
•
•
Caudal
Presión
Nivel
Temperatura
2007
EN FUNCION DE LA VARIABLE
DE PROCESO : Temperatura
¿Cómo se define Temperatura?
“Magnitud física que expresa el grado o nivel de calor de los
cuerpos
o
del
ambiente.
Su
unidad
Internacional es el grado kelvin (ºK). “
Otras escalas:
•
Celsius.
•
Fahrenheit (países anglosajones).
2007
en
el
Sistema
RELACION ENTRE ESCALAS
Escala
Kelvin
Rankine
Reamur
Centígrada
Fahrenheit
Cero
Absoluto
0°K
0°R
-218.5°Re
-273.2°C
-459.7°F
Fusión del
Hielo
Evaporación
273.2°K
491.7°R
0°Re
0°C
32°F
373.2°K
671.7°R
80.0°Re
100.0°C
212.0°F
2007
CONVERSIONES
2007
EFECTOS PRODUCIDOS POR LA
TEMPERATURA
Diferentes efectos producidos por la temperatura:
 Aumento de las dimensiones (Dilatación).







Aumento de presión a volumen constante.
Cambio de fem. inducida.
Aumento de la resistencia.
Aumento en radiación superficial.
Cambio de temperatura.
Cambio de estado sólido a líquido.
Cambio de calor
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Termómetros de Vidrio
 Son instrumentos que se utilizan para medir la temperatura de los
cuerpos, su funcionamiento se basa en la propiedad que tienen algunas
sustancias de variar su volumen con la temperatura, pueden usarse en
ellos sustancias sólidas, liquidas o gaseosas como termométricas, con la
única exigencia que la variación de volumen sea en el mismo sentido de
la temperatura.
 Los más comunes son:




Mercurio: (-37º C, 315ºC),
Mercurio con gas inerte (N2): (-37ºC, 510ºC),
Alcohol: hasta -62ºC
Precisión 1% del rango.
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Termómetros de Vidrio
 Su bulbo relativamente grande en la parte mas baja del termómetro
contiene la mayor cantidad del liquido el cual se expande cuando se
caliente y sube por el tubo capilar en el cual esta grabada una escala
apropiada con marcas, en la parte superior del tubo capilar se coloca en
case de que el margen de temperatura del termómetro se exceda de
manera inadvertida.
Los líquidos mas usados son el alcohol y el mercurio. El alcohol tiene la
ventaja de poseer un coeficiente de expansión más alto que el del
mercurio pero esta limitado a mediciones de baja temperatura debido a
que tiende a hervir a temperaturas altas. El mercurio no puede usarse
debajo de su punto de congelación de
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-38.78°F (-37.8°C).
Termómetros Bimetalicos
 Constan de dos láminas metálicas con diferente coeficiente de dilatación,
unidas sólidamente por sus extremos.
 Cuando la cinta se somete a cualquier temperatura mas alta a la temperatura a
la cual se hizo la liga se doblara en una dirección: cuando se somete a una
temperatura inferior, se dobla al otro lado.
 Muy usados como termostatos.
Cuando por efecto de la Tª se dilatan, se deforman produciéndose un
esplazamiento mecánico cuya fuerza se emplea para mover una aguja indicadora
o activar un mecanismo de control.
Helicoidales
Rango: 0 a 500ºC
Precisión: 1%
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Termómetros de Bulbo
 La variación de Tª produce la expansión o contracción del fluido lo
que deforma el recinto que lo contiene.
 La deformación es apreciada por un muelle Bourdon y transmitida a
un indicador o transmisor
 – Rango: (-40ºC a +425ºC)
– Precisión: 1%
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Termómetros de Resistencia
Existen dos tipos básicos de termómetros resistivos:
 Aquellos en que la resistencia eléctrica está constituida por un metal o
aleación (platino, níquel, cobre, manganina, etc.)
 Aquellos en que está constituida por un material semiconductor
(típicamente óxidos metálicos).
 Para un transductor termométrico del primer tipo usamos la
Denominación termo-resistencia o las siglas inglesas RTD (resistance
temperature detector).
 Los del segundo tipo se denominan termistores (en inglés thermistor).
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Termómetros de Resistencia
• Se basan en que la resistencia eléctrica de metales puros aumenta con
la Tª. En algunos de forma casi lineal.
• Este principio proporciona una forma muy precisa de medir.
Se necesita un material:
– resistente a la corrosión y ambientes hostiles
– comportamiento lineal
– alta sensiblidad
– fáciles de fabricar
– estables
-- facilidad de Instalación.
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Termómetros de Resistencia
• Rango: (platino) -200ºC a +500ºC
• Precisión: 0.2%
• PT100. Sensiblidad 0.385 ohmios/ºC
• Para medir la variación de resistencia en el detector se usan circuitos
basados en el puente de Wheatstone
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Termistores
 Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una
resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta
la temperatura: Semiconductores o cerámicos






Alta sensibilidad 100 ohmios/grado (la PT100: 0.385 ohmios por grado)
No lineal. Linealizar en torno al punto de trabajo
Rango de Tª pequeño. Útil para Tª ambiente
Muy baratos y pequeños (=> menor cte. de tiempo)
Menos precisión (a veces no interesa más)
Problemas de estabilidad
 Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una
resistencia variable cuyo valor se ve aumentado a medida que
aumenta la temperatura
 Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de
aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura,
desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de
equipos tales como motores eléctricos
2007
Termopares
 Sensores activos. Usan el efecto Seebeck: circula una corriente
cuando dos hilos de metales distintos se unen y se calienta uno de los
extremos.
 Se puede medir el voltaje, que es proporcional a la diferencia de
temperaturas.





Señal de salida muy baja: milivoltios.
Necesita acondicionamiento de la señal.
Sensibilidad baja: microvoltios por grado.
Aguantan altas temperaturas (p.e. calderas)
Bastante lineales
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Tipos de Termopares
 Tipo K (Cromo (Ni-Cr) / Aluminio (aleación de Ni-Al)): con una amplia
variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad
de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a +1.200 ºC y una
sensibilidad 41µV/°C aprox.
 Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y
gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el
ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.
 Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es
menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no
aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a
temperaturas superiores a 760 ºC ya que una abrupta transformación
magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a
+750ºC.
 Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de
alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación
de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S
que son más caros.
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Tipos de Termopares
Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido
a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir
altas temperaturas (superiores a 300 ºC).
 Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas
temperaturas superiores a 1.800 ºC. El tipo B por lo general presenta el
mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje.
 Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de
temperaturas de hasta 1.600 ºC. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado
quitan su atractivo.
 Tipo S (Hierro / Constantán): ideales para mediciones de altas
temperaturas hasta los 1.600 ºC, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su
elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso
general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la
calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C).
 Tipo T: es un termopar adecuado para mediciones en el rango de -200
ºC a 0 ºC. El conductor positivo está hecho de cobre y el negativo, de
constantán.
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PRECAUCIONES
 Problemas de conexión: Utilizar solo las extensiones adecuadas del
metal.
 Resistencia de la guía : evitar alta resistencia de las extensiones.
 Descalibración: involuntaria debida al medio. Verificar aislación
térmica de las guías.
 Ruido: alteración electromagnética de la medida. Ej. Motor.
 Desviación térmica :Disipación térmica a la atmósfera.
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Pirometros
 Un pirómetro, también llamado pirómetro óptico, es un dispositivo capaz
de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto
con ella. El término se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir
temperaturas superiores a los 600 grados celsius. Una aplicación típica es la
medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o
fundiciones.
 Uno de los pirómetros más comunes es el pirómetro de absorciónemisión, que se utiliza para determinar la temperatura de gases a partir de la
medición de la radiación emitida por una fuente de referencia calibrada, antes
y después de que esta radiación haya pasado a través del gas y haya sido
parcialmente absorbida por éste. Ambas medidas se hacen en el mismo
intervalo de las longitudes de onda.
 Para medir la temperatura de un metal incandescente, se observa éste a
través del pirómetro, y se gira un anillo para ajustar la temperatura de un
filamento incandescente proyectado en el campo de visión. Cuando el color
del filamento es idéntico al del metal, se puede leer la temperatura en una
escala según el ajuste del color del filamento.
2007
Pirometros
2007
CARACTERISTICAS MEDIDORES DE
TEMPERATURA
2007
Consultas ????
2007
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Capitulo III Parte A - RAMOS ON