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