CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
14 CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
En este capítulo se presenta una revisión teórica de los conceptos y fundamentos relativos al desarrollo de sistemas de monitoreo, sobre el diseño de las interfaces hombre-máquina, la medida de presión y el estudio del dióxido de carbono en la producción de alimentos; todas estas variables definidas desde el punto de vista de distintos autores para alcanzar una mejor concepción del objeto de estudio. Además se ofrece una revisión de los antecedentes de la investigación en la misma área.
1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
En la actualidad, sistema de monitoreo es un término ampliamente aplicado en procesos donde se requiera saber el comportamiento de variables físicas y químicas que intervengan en el mismo, como flujo. Para efectos del presente estudio se cita n recientes investigaciones que han abordado los aspectos antes mencionados.
Un aporte considerable es la investigación de Daza, Molina, Nava y
Serrudo (2010), titulada “Sistema automatizado para el monitoreo y control
de Motores Diesel”; la cual consistió en la construcción de un controlador
para el monitoreo y control de motores diesel.
Para el desarrollo del controlador propuesto se utilizó el microcontroladorCharon II, cuyo objetivo primordial fue supervisar las variables más importantes presentes en los motores diesel, entre las cuales se encuentran temperatura, presión, nivel del tanque de combustible y revoluciones del motor, las cuales pueden ser monitoreadas por medio de un panel local o a distancia a través de una computadores portátil conectada por medio de un cable de red al controlador.
Dicha investigación fue del tipo aplicada, descriptiva y proyectiva, y se llevo a cabo adaptando la metodología propuesta por Angulo (1986), la cual consta de seis fases, abarcando desde la definición de las especificaciones, hasta la construcción del prototipo y pruebas finales, arrojando como resultado un funcionamiento eficiente, buena operatividad y bajo costo.
De esta manera, el beneficio que aporta dicha investigación se basa en el aporte que brinda el sistema de monitoreo diseñado e implementado y la interfaz con el operador, además de los métodos de medición de presión aplicados para obtener las variables estudiadas y mostrarlas de forma remota.
Por otra parte, la investigación de Jordán y Paz (2009), titulada “Diseño de
un sistema de monitoreo y control para los equipos de propulsión y
navegación de las unidades lacustres menores”, consistió en realizar un
estudio de todo el sistema de monitoreo y alarmas de las diferentes lanchas
pertenecientes al I.N.C., con el objetivo de diseñar un sistema nuevo de fácil
comprensión para el capitán de la embarcación.
Para desarrollar el sistema de monitoreo se empleó un microcontrolador en conjunto con una serie de componentes, permitiendo visualizar por medio de una pantalla LCD las variables estudiadas, que son presión, temperatura, revoluciones por minuto del motor, voltaje y nivel de agua. Aparte, el sistema cuenta con alarmas visual y sonora en caso de que se presente una alteración de las variables objeto de estudio, también, el operador tiene la posibilidad de apagar el motor diesel marino en caso de que lo considere pertinente.
Los beneficios que generó este diseño son varios, ya que disminuye los costos de reparación, así como también los riesgos de accidentes, aumentando así la seguridad y disponibilidad de las unidades lacustres menores.
Dicha investigación genera un aporte en cuanto a los métodos de medición de presión utilizados y llevados al sistema de captación de datos para el monitoreo. La diferencia de la investigación en curso es el autómata programable utilizado para la captación de datos, ya que en esta se usa un microcontrolador y los datos son llevados a una pantalla LCD, en contraste con la investigación actual que utiliza un controlador lógico programable y el muestreo se realiza a través de una interfaz hombre-máquina.
De igual modo, la investigación de Fernández, Núñez y Zambrano (2009),
titulada “Medidor de presión absoluta y diferencial para el distrito socialista
tecnológico AIT PDVSA Mérida”, la cual tuvo como propósito el diseño de un
medidor de presión absoluta y diferencial, con la finalidad de lograr un
instrumento que permita obtener medidas de presión en sitios específicos en los procesos de la industria.
La misma se clasificó como una investigación descriptiva y no experimental, ya que presenta una manera factible para la posible solución de un problema práctico, y está fundamentada en la metodología de Angulo (1986), la cual comprende definición de especificaciones (Fase I), esquema del hardware (Fase II), ordinograma general (Fase III), implementación del hardware (Fase IV), integración del hardware con el entorno (Fase V) y por último la construcción del prototipo definitivo y pruebas finales (Fase VI).
De esta manera, el beneficio directo de este diseño es que permite, más adelante, la producción de un instrumento con tecnología propia del país, obteniendo reducción de costos por importación, fácil mantenimiento y sobre todo aporta para el avance tecnológico del país.
El aporte obtenido de esta investigación es el manejo y desarrollo de equipos y métodos que permitan una medición concisa de la presión diferencial, ya que este es un método para conocer el flujo del fluido.
Manteniendo el mismo orden de ideas, Amaya, Bustamante y Moreno
(2007), desarrollaron un trabajo de grado titulado “Sistema de monitoreo y
control de nivel para los tanques de almacenamiento de la estación de flujo
GG8”, que tuvo como propósito el desarrollo de un sistema de monitoreo y
control de la variable nivel para los tanques de almacenamiento de la
estación de flujo GG8 de la empresa Petróleos de Venezuela S.A.,
(PDVSA).
Para el desarrollo de los objetivos de la investigación se utilizaron los lineamientos descritos por Angulo (1986), mencionados anteriormente, obteniendo resultados efectivos en las pruebas con respecto a la parte de programación, de tal manera que el tiempo de uso de las bombas es controlado y la cantidad de ellas dependan de el nivel de crudo que exista en los tanques de almacenamiento.
El aporte que genera esta investigación se basa en el ámbito de programación aplicado para la obtención del nivel de los tanques y el control del ambiente que integra el proceso; a diferencia de ésta investigación, la cual busca el monitoreo de la variable estudiada y recolección de datos sobre su comportamiento.
Por último se tiene la investigación de Ahumada, Añez, Faria y González (2006), titulada “Optimización de un sistema de control y monitoreo de motores de inducción mediante una Red Device Net para procesos industriales”. El propósito de esta investigación fue diseñar una propuesta para la optimización de un sistema de control y monitoreo de motores de inducción, mediante el control permanente de las variables del motor, como son corriente, voltaje, potencia y temperatura.El tipo de investigación se encuentra aplicada-descriptiva, y está estructurada en cuatro fases:
definición del problema, creación de la documentación, diseño del prototipo y finalización del diseño.
El sistema de control y monitoreo diseñado permite tener un seguimiento
permanente de los parámetro a manejar de los motores, así mismo permite
predecir cuándo se debe realizar un mantenimiento predictivo debido a que el operador pueda analizar la tendencia de estos equipos a través de la interconexión hombre-máquina.
De esta forma, el beneficio directo de esta investigación es el desarrollo y programación de la interfaz hombre-máquina para el monitoreo de los motores de inducción, además de la interconexión y comunicación entre el autómata programable y dicho sistema.
2. BASES TEORICAS
A continuación se presentan los fundamentos teóricos recopilados para la actual investigación, citando a autores como Creus (2010), Malooney (2006), Peña (2003) y trabajos realizados por la Universidad del Cauca – Colombia (2010), la Universidad de Navarra – España (2009) y artículos de la revista EroskiConsumer.
2.1. SISTEMA DE MONITOREO
El Centro Iberoamericano para el Desarrollo del Conocimiento de la
Formación Personal (CINTEFOR, Uruguay, 2011), define Monitoreo como “el
proceso continuo y sistemático mediante el cual se verifica la eficiencia y la
eficacia de un proyecto a través de la identificación de sus logros y
debilidades y en consecuencia, recomendar medidas correctivas para
optimizar los resultados esperados del mismo”.
La Organización para la Cooperación Económica y el Desarrollo (OECD, 2005), define monitoreo como una actividad continua que usa la recolección sistemática de datos sobre indicadores específicos.
De esto se obtiene que monitoreo es un proceso continuo de recolección de datos para verificar la eficiencia de un sistema a través de sus características y recomendar acciones según lo observado.
2.1.1. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC)
Según Teruel (2005, p. 360) un PLC es un módulo programable en sistemas de automatismos que funciona a través de un lenguaje de programación propio de este elemento.
Por otra parte, según la Asociación de Manufactura Eléctrica Nacional (NEMA), Citado en CIED, (1993), un controlador lógico programable es un aparato electrónico que opera digitalmente y usa una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones con el fin de implementar funciones específicas, tales como lógica, secuencia, temporización, conteo y aritmética para controlar maquinas o procesos por medio de módulos de entrada o salida, discretas o analógicas.
Siguiendo el mismo orden de ideas se tiene que un controlador lógico programable, ó PLC, como un aparato electrónico programable que ejerce funciones según una lógica previamente grabada en su memoria y que permite implementar funciones especificas, tanto lógicas como matemáticas;
para controlar maquinas o procesos.
2.1.1.1. CLASIFICACIÓN DEL PLC
Maloney (2006, p.74) establece que es posible clasificar los distintos tipos del Controladores Lógicos Programables (PLC) en varias categorías.
(A) PLC NANO
Generalmente PLC de tipo compacto (Fuente, CPU e I/O integradas) que puede manejar un conjunto reducido de I/O, generalmente en un número inferior a 100.
(B) PLC TIPO COMPACTO
Estos PLC tienen incorporado la Fuente de Alimentación, su CPU y módulos I/O en un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas I/O hasta varios cientos (alrededor de 500 I/O), su tamaño es superior a los Nano PLC y soportan una gran variedad de módulos especiales, tales como:
• Entrada y Salidas análogas, con expansiones
• Módulos de comunicaciones.
• Interfaces de operador.
(C) PLC TIPO MODULAR
Estos PLC se componen de un conjunto de elementos que conforman el
controlador final, estos son:
• Rack.
• Fuente de alimentación.
• CPU.
• Módulos de I/O.
De estos tipos existen desde los denominados Micro PLC que soportan gran cantidad de I/O, hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten manejar miles de I/O.
2.1.1.2. ARQUITECTURA EXTERNA
Un controlador lógico programable está constituido por un conjunto de tarjetas o circuitos impresos, sobre los cuales están ubicados componentes electrónicos.
SegúnMaloney (2006, p.76) dichos componentes están conformados principalmente por: el chasis, que es donde se sitúan los diferentes módulos de entradas/salidas, módulos de comunicación, modulo del procesador, entre otros. Y la fuente de poder, la cual es la encargada de suministrar el voltaje y la corriente necesarios para todo el sistema.
El mismo autor define lo anteriormente expuesto de la siguiente manera:
(A) MÓDULOS DE ENTRADAS Y SALIDAS DIGITALES
Estas son las encargadas de emitir y recibir las diferentes señales
discretas al campo, tienen diferentes rangos de voltaje de operación. En caso
de las entradas, estas son las que reciben la información de campo, estas pueden estar conectadas a algún pulsador o interruptor. En caso de las salidas, son las que envían las señales a los actuadores para así activarse, estas pueden estar conectadas a válvulas, motores, entre otros.
(B) MÓDULOS DE ENTRADAS Y SALIDAS ANALÓGICAS
Estos módulos son los encargados de trabajar con las señales analógicas de campo, en caso de las entradas, estas leen las señales analógicas de algún transmisor ya sea de voltaje o corriente y las digitalizan para así poder ser tratadas por el procesador.En el caso de las salidas, estas cumplen la función inversa, estas reciben un mensaje digital del procesador y a continuación convierten dicho mensaje de digital a analógico para ser enviada a campo, estas señales normalmente son empleadas para controlar algún tipo de instrumento proporcional.
(C) MÓDULOS DE COMUNICACIÓN
Cuando los sistemas de automatización son muy amplios y existen
diversos dispositivos de control y/o supervisión, los módulos de comunicación
cumplen la función de enlazar a cada uno de ellos de manera que la
información ya bien sea acciones de control o variables tanto analógicas
como digitales puedan viajar entre los diferentes dispositivos o dentro de la
red de trabajo. Esto se hace gracias a su protocolo estandarizado de
comunicación que puede variar según sea el fabricante.
2.1.1.3. PROGRAMACIÓN DEL PLC
Según la norma IEC (International ElectrotechnicalCommission) 1131-3 son definidos cuatro lenguajes de programación. Esto significa que su sintaxis y semántica ha sido también definida, no dejando ningún espacio para los dialectos; una vez que han sido aprendidos, se pueden usar en una gran variedad de sistemas basados en esta norma. Los lenguajes consisten de dos versiones textuales y dos graficas:
(A) VERSIONES TEXTUALES
Las versiones textuales de programación del PLC se presentan de dos formas:
(a) LISTA DE INSTRUCCIONES (IL): Es un lenguaje textual, que se asemeja al lenguaje ensamblador.
(b) TEXTO ESTRUCTURADO (ST): Es un lenguaje muy poderoso con sus raíces en el ADA, Pascal y C. puede ser usado excelentemente para la definición de bloques funcionales muy complejos, el cual puede ser usado luego dentro de cualquiera de los otros lenguajes.
(B) VERSIONES GRAFICAS:
Otro tipo de programación para los PLC se basan en versiones gráficas, y
estas están dividas en:
(a) DIAGRAMA ESCALERA (LD): Tiene sus raíces en USA, están basados en una representación gráfica de lógicas de escalera por relevadores.
(b) DIAGRAMA DE BLOQUES FUNCIONALES (FBD): Es muy común a la industria de procesos. Esta expresa el comportamiento de funciones, bloques funcionales y programas como un conjunto de bloques gráficos interconectados, parecido a diagramas de circuitos electrónicos.
(C) STEP7
Según la empresa SIEMENS (2011), es un software de programación para los sistemas de automatización, creado por SIEMENS, en especial los PLC y utiliza como leguaje de programación diagrama de escalera, diagrama de bloques funcionales o lista de instrucciones.
2.1.2. INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA
La Universidad del Cauca (2009), publicó un trabajo en línea en su página web titulado “Interfaz Hombre-Máquina”, donde define esta como “una interfaz que permite que el usuario u operador del sistema de control o supervisión, interactúe con los procesos”.
2.1.2.1. OBJETIVOS DE LA INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA
Según el trabajo de la Universidad del Cauca (2009), una interfaz hombre-
máquina busca obtener el estado del proceso con sólo un vistazo.
Sus objetivos fundamentales son:
• Asegurar que el observador comprenda la situación representada. Captar
la situación de forma rápida.
• Crear condiciones para la toma de decisiones correctas.Garantizar
confiabilidad al máximo.
• Que los equipos se utilicen de forma óptima y segura.
2.1.2.2. WINCCFLEXIBLE
Según SIEMENS (2011), es un software diseñado para interfaz hombre- máquina creado por SIEMENS, y permite al operador controlar y monitorear un proceso, llevándolos desde los paneles de control hasta un ordenador.
2.1.3. PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN
La comunicación entre los autómatas programables estas definidos como protocolos y existen varios tipos de estos.
2.1.3.1. MODBUS
De acuerdo a lo referido porBalcells (1997 p.299), Modbus define
básicamente un protocolo de comunicación pensado para una topología
maestro-esclavo. Su implantación ha sido bastante amplia durante la década
de los ochenta y son varias las marcas que ofrecen los productos
compatibles o pasarelas para enlazar la red propia con este estándar.
2.1.3.2. ETHERNET
Para Tomasi (2003, p.655), el 10BASE-5 es el sistema Ethernet original que especifica un cable coaxial “grueso” de 50? y doble blindaje como medio de transmisión. Por lo mismo, a esta versión de Ethernet se le llama thicknet (thick=grueso) o Ethernet gruesa. Por su naturaleza inflexible, a veces se le llama “manguera de jardín amarilla y congelada”. El sistema 10BASE-5 usa una topología de bus con varias derivaciones. Este sistema da servicio hasta a 100 nodos por segmentos con separación mínima de 2.5 m entre nodos.
También se pueden agregar tres segmentos adicionales de 500 m, siempre que se use una repetidora para amplificar las señales y pasarlas de uno a otro segmento. Así, la longitud máxima del sistema se aumenta a 1500 m. Se pueden usar repetidoras remotas con una dista ncia máxima de 1000 m entre ella, y así se amplía la longitud máxima de lado a lado hasta 2.5 km.
El Ethernet 10BASE-5 usa un dispositivo llamado unidad de acceso al medio (MAU, de media Access unit) para conectar las terminales con el cable.
Cada conexión se llama salida y el cable conecta una MAU con su terminal se llama derivación. Dentro de cada MAU un transceptor transfiere las señales eléctricas entre la derivación y el medio coaxial de transmisión.
El protocolo de banda base para 10BASE-5 admite la velocidad de
transmisión de 10Mbps que use una técnica de señalización llamada
codificación Manchester.
En ella, cada celda de bit se divide en dos partes: la primera mitad contiene el complemento del valor del bit, y la segunda mitad contiene el valor real del bit. Así, una transmisión de bajo a alto en medio de una celda de bit representa un 1 lógico y una transmisión de alto a bajo representa un 0 lógico. A esta técnica de recuperar un reloj a partir de la corriente de bits de datos se llama a veces autosincronización. El formato Manchester también asegura que la corriente de bits codificados tendrá valor alto 50% del tiempo, y bajo 50% del tiempo, reduciendo así la carga desarrollada a través de la capacitancia inherente de la transmisión.
2.1.3.3. NORMAS DE COMUNICACIÓN DE SISTEMAS
Existen varias normas para la comunicación entre los sistemas donde se implementen sistemas de automatización, las cuales están definidas como:
(A) RS-232
Según Peña (2003, p.122) La norma RS-232 C, también conocida como norma V.24 del UIT-T, es la más usada en la comunicación en serie entre los ordenadores y sus periféricos, tales como impresoras, terminales de video, trazadores gráficos, módems, etc. Sin embargo, tiene la limitación de separación de la información (hasta 20 kbit/s).
Cabe señalar que, las normas RS-232 cubren los tres aspectos siguientes
de la comunicación entre el ETD y el ETCD: características eléctricas de las
señales, características mecánicas de los conecto res y descripción funcional
de las señales usadas para realizar la comunicación. La letra C en RS-232 C indica que se trata de la tercera revisión.
(B) RS-422
Para Peña (2003, p.130) la norma RS-422 A, utiliza señales simétricas diferenciales y alcanza velocidades de hasta 10 Mbit/s. le afectan menos las interferencias electromagnéticas, le influyen menos las caídas de tensión y presentan una mayor inmunidad a tensiones en modo común aplicadas a la línea de enlace.
Así pues, los dispositivos emisores que cumplen esta norma son capaces de transmitir señales diferenciales con un mínimo de 2V sobre un par de hilos trenzados terminados con una impedancia de 100?. Los receptores deben ser capaces de detectar una señal diferencial de ± 200mV en presencia de una señal común de ± 7V.
La ventaja de esta norma sobre la RS-232 C es que en aplicaciones de bus permite que un solo emisor pueda comunicar con varios receptores, aunque presenta la limitación de que los restantes receptores deben estar en estado de alta impedancia para no cargar el bus.
(C) RS-485
De acuerdo a lo señalado por Peña (2003, p.130), esta norma solo define
características eléctricas. Derivada del RS-422, también utiliza señales
diferenciales y permite la comunicación half dúplex de hasta treinta y dos
dispositivos maestros y treinta y dos dispositivos esclavos. Se considera como una interfaz multipunto que permite la comunicación de hasta treinta y dos pares de emisores-receptores (transceptores) en un bus de datos común y que al mismo tiempo satisface los requerimientos de la norma RS-422 A.
La velocidad de comunicación está estrechamente ligada a la longitud del enlace. Así pues, se tiene que para distancias próximas a los mil metros la velocidad efectiva está por debajo de los 100 kbit/s; para distancias de en torno a doscientos metros la velocidad es de 500 kbit/s y para distancias por debajo de los diez metros se consigue la mayor velocidad (˜ 10 Mbit/s).
2.2. MEDICION DE CAUDAL O FLUJO
Según Çengel (2006, p.220), la cantidad de masa que pasa a través de una sección por unidad de tiempo se denomina Flujo Másico. Por otra parte el volumen del fluido que pasa a través de una sección se denomina Flujo Volumétrico.
Existen varios métodos de medición de flujo, como lo expresa Creus (2010, p.91), estos se dividen en los siguientes tipos.
2.2.1. MEDIDORES VOLUMÉTRICOS
Los medidores volumétricos determinan el caudal en volumen del fluido,
bien sea directamente (desplazamiento), bien indirectamente por deducción
(presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza, tensión inducida,
torbellino).
Hay que señalar que la medida del caudal volumétrico en la industria se efectúa principalmente con elementos que dan lugar a una presión diferencial al paso del fluido. Entre estos elementos se encuentran la placa-orificio o diafragma, la tobera y el tubo Venturi.
2.2.1.1. INSTRUMENTOS DE PRESIÓN DIFERENCIAL
La presión diferencial es la diferencia entre dos presiones. La fórmula de caudal obte nida con los elementos de presión diferencial se basaen la aplicación del teorema de Bernoulli (altura cinética + altura de presión + altura potencial = cte.) a una tubería horizontal, en la figura 1 se aprecia el teorema de Bernoulli.
Figura 1 – Teorema de Bernoulli. Fuente: Creus (2010)
Estos instrumentos se clasifican en los siguientes.
(A) PLACA ORIFICIO O DIAFRAGMA
La placa-orificio o diafragma consiste en una placa perforada instalada
en la tubería. Dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la
placa, captan esta presión diferencial la cual es proporcional al cuadrado del caudal. La disposición de las tomas puede verse en la figura 2 .
Figura 2 – Disposición de las tomas de presión diferencial. Fuente:
Creus (2010)
Por otra parte , las tomas en la brida (flangetaps) (fig. 2a), son bastante utilizada porquesu instalación es cómoda ya que las tomas están taladradas en las bridas que soportanla placa y situadas a 1" de distancia de la misma.
Toma en la vena contraída (vena contracta taps) (fig. 2 b),es la queestá
situada en un punto donde la vena alcanza su diámetro más pequeño,lo cual
depende de la razón de diámetros y se presenta aproximadamente a ½ Ø de
la tubería. La toma anterior se sitúa a 1Ø de la tubería.
Las tomas radiales (radiustaps), son parecidas a las tomas de vena contraída,pero fijando siempre las tomas anterior y posterior a 1 y ½ Ø de la tubería, respectivamente.
En cuanto a las Tomas en la cámara anular (comer taps) (fig. 2c), están situadas inmediatamente antes y después del diafragma y requieren el empleo de una cámara anular especial. Se emplean mucho en Europa.
Tomas en la tubería (pipe taps) (fig. 2d). Las tomas anterior y posterior están situadas a 2 ½ y 8 Ø, respectivamente. Se emplean cuando se desea aumentar el intervalo de medida de un medidor de caudal dado. La situación de las tomas está en un lugar menos sensible a la medida.
Figura 3 – Tipos de orificios en las placas. Fuente: Creus (2010)
El orificio de la placa puede ser concéntrico, excéntrico o segmental, con un pequeño orificio de purga para los pequeños arrastres sólidos o gaseosos que pueda llevar el fluido, como se observa en la figura 3.
Los dos últimos diafragmas permiten medir caudales de fluidos que
contengan una cantidad pequeña de sólidos y de gases.La precisión
obtenida con la placa es del orden de + 1 a ± 2 %.
(B) TOBERA
La tobera está situada en la tubería con dos tomas, una anterior y la otra en elcentro de la sección más pequeña. La tobera permite caudales60 % superiores a los de la placa-orificio en las mismas condiciones de servicio.
Supérdida de carga es de 30 a 80 % de la presión diferencial. Puede emplearse parafluidos que arrastren sólidos en pequeña cantidad, si bien, si estos sólidos sonabrasivos, pueden afectar la precisión del elemento.
Figura 4 – Tobera. Fuente: Creus (2010)
(C) TUBO VENTURI
El tubo Venturi permite la medición de caudales 60 % superioresa los de
la placa orificio en las mismas condiciones de servicio y con una pérdidade
carga de sólo 10 a 20 % de la presión diferencial. Posee una gran precisión
ypermite el paso de fluidos con un porcentaje relativamente grande de
sólidos, sibien, los sólidos abrasivos influyen en su forma afectando la
exactitud de la medida.
Figura 5 – Tubo Venturi. Fuente: Creus (2010)
Es de notar que para el cálculo de los diafragmas, toberas y tubos Venturi se utilizan normasvariadas, entre las cuales se encuentran las siguientes:
• ISO 5167-1980 Medida del flujo de fluidos por medio de placas-orificio,
toberas o tubos Venturi, insertados en conductos de sección circular.
International OrganizationforStandarization, Ginebra, Suiza.
• Norma ASME 19.5 - Flowmeter Computation Handbook. American Society for Mechanical Engineers, New York, 1971
• Principle and Practice of Flow Meter Engineering L. K. Spink (1978)
• Normas AGA-3 y AGA-7 - Gas Measurement Committe Report American
Gas Association, Cleveland, Ohio
En estas normas se indican las pérdidas de carga de los elementos y las
condicionesde instalación en tramos rectos de las tuberías con distancias
mínimas a codos, curvas, válvulas, entre otros.
2.2.1.2. AREA VARIABLE (ROTAMETROS)
Los rotámetros son medidores de caudal de área variable en los cuales un flotadorcambia su posición dentro de un tubo proporcionalmente al flujo del fluido.Las fuerzas que actúan sobre el flotador se representan en la figura 6.
Figura 6 – Rotámetro. Fuente: Creus (2010)
Los tubos empleados en los rotámetros pueden ser de vidrio y metálicos.
Los fabricantes los mecanizan de tal modo que queda asegurada la intercambiabilidad de los diversos tubos y flotadores a fin de obtener caudales correspondientes sin necesidad de calibrar individualmente cada rotámetro.
2.2.1.3. TORBELLINO Y VORTEX
El medidor de caudal por torbellino se basa en la determinación de
lafrecuencia del torbellino producido por una hélice estática situada dentro de
latubería a cuyo través pasa el fluido (líquido o gas). La frecuencia del torbellinoes proporcional a la velocidad del fluido.
Figura 7 – Medidores de Caudal por Torbellino y Vortex. Creus (2010)
La detección de la frecuencia se logra con sensores de presión de cristalespiezoeléctricos que detectan los picos de presión en el lado contrario del torbellino,o con una termistancia de muy baja inercia térmica que sigue los efectos derefrigeración del torbellino generado en el gas, o bien mediante un condensadorde capacidad variable, función de la deformación de un diafragma (placa) antelas ondas de presión del torbellino o bien mediante la aplicación de un haz deultrasonidos perpendicularmente al torbellino, midiendo el tiempo de tránsito delhaz desde el transmisor al receptor.
Los transductores de torbellino son adecuados en la medida de caudales
de gasesy de líquidos y su intervalo de medida entre el valor máximo y el
mínimo es de 50 a1. Deben instalarse en tubería recta con longitudes
mínimas de 10 diámetros aguasarriba y de 5 diámetros aguas abajo. El
medidor debe instalarse perfectamente alineadocon la tubería para asegurar la formación correcta de torbellinos.
Los instrumentos de Vortex son parecidos al de torbellino, excepto que están basadosen el efecto Von Karman donde un cuerpo en forma de cono genera alternativamentevórtices (áreas de baja presión e inestabilidad) desfasados en 180°, cuya frecuenciaes directamente proporcional a la velocidad y, por lo tanto, al caudal. Laprecisión es del ± 1 %.
2.2.2. MEDIDORES DE CAUDAL MASA
La determinación del caudal masa puede efectuarse a partir de una medida volumétricacompensándola para las variaciones de densidad del fluido, o bien determinar directamente el caudal masa aprovechando características medibles de lamasa del fluido.En el primer caso se compensa directamente la densidad o bien las variablesde presión o temperatura.
En los líquidos, como son incompresibles, la densidad varía por los cambios enla temperatura del fluido. Si se instala un transmisor de densidad que mide éstaen condiciones de servicio, bastará aplicar su salida directamente a la salida deltransmisor de caudal para tener así el caudal corregido.
Según Çengel (2006, p.73), la ecuación de flujo másico con respecto al volumétrico es:
? ???? ? ????? ? ? ???? ? ? ?? ? ±????? ? ? ? ? ? ???? ??? ??? ?? ???????×? (1)
Varios métodos pueden emplearse para compensar las variaciones de densidadsegún sean las condiciones de servicio y la precisión que se desee en la medida:
• Registrar la temperatura o presión, o ambas, y calcular las correcciones.
• Compensar automáticamente el caudal sólo para la variable que cambia
(por ejemplo, sólo la temperatura)
• Compensar automáticamente el caudal para los cambios en la densidad
sólo si se esperan variaciones considerables en todas las condiciones de servicio.
2.2.2.1. MEDICION DIRECTA DEL CAUDAL MASA
Existen tres sistemas básicos, los instrumentos térmicos, los de momentoangular y los de Coriolis. En menor escala se utilizan los de presión diferencial.
(A) MEDIDORES TERMICOS DE CAUDAL
Los medidores térmicos de caudal se basan comúnmente en dos
principios físicos: La elevación de temperatura del fluido en su paso por Un
cuerpo caliente y la pérdida de calor experimentada por un cuerpo caliente
inmerso en el fluido.
De los dos principios, el más utilizado industrialmente es el primero debiendoseñalar que el primer instrumento de esta clase fue proyectado por Thomasen 1911 para medir el caudal masa de gas en una tobera. Por este motivo estosaparatos reciben también el nombre de medidores de caudal Thomas.
El medidor Thomas consta de una fuente eléctrica de alimentación de precisiónque proporciona un calor constante al punto medio del tubo por el cualcircula el caudal. En puntos equidistantes de la fuente de calor se encuentransondas de resistencia para medir la temperatura.
Cuando el fluido está en reposo, la temperatura es idéntica en las dos sondas, cuando el fluido circula, transporta una cantidad de calor hacia el segundo elementoT2, y se presenta una diferencia de temperaturas que va aumenta ndo progresivamenteentre las dos sondas a medida que aumenta el caudal. Esta diferenciaes proporcional a la masa que circula a través del tubo, de acuerdo conla ecuación:
? ? ? ?
???
?? ?
?? (2)
Donde:
Q: calor transferido
m: masa del fluido
c
e: calor específico
t
1: temperatura anterior
t
2: temperatura posterior
Figura 8 – Medidor Térmico. Fuente: Creus (2010)
El sistema está conectado a un puente de Wheatstone que determina la diferenciade temperaturas y la amplifica con una señal de salida de 0-5 V c.c.
en1000 ohmios de impedancia. Esta señal puede ser utilizada en registradores, indicadoresdigitales y controladores que pueden estar situados hasta 300 m del instrumento.
La precisión del elemento primario es de ± 1 % de toda la escala, la repetibilidadde ± 0,2 % de la escala y la constante de tiempo de 0,5 a 3 s. Es recomendablela calibración del instrumento en condiciones lo más cercanas posible asu utilización final.La medida es apta para bajos caudales de gas que van según los modelosde 0-10 cm
3/minuto.
(B) MEDIDORES DE MOMENTO ANGULAR
Los medidores de caudal masa de momento angular se basan en el principio deconservación del momento angular de los fluidos.
Partiendo de la segunda ley de Newton
? ? ? ? ? (3)
En la que:
Z=par
I = momento de inercia a = aceleración angular
Y de las fórmulas I = m · r
2, H = I · w se llega a
?
?
