Sensores de medición de densidad, viscosidad, consistencia y turbidez

Sensores de medición de densidad, viscosidad, consistencia y turbidez

MÉTODOS DE PRESIÓN DIFERENCIAL

∙ Definición y descripción del transductor.

En la medida de densidad por presión diferencial se fijan dos puntos, en el tanque o en una tubería ver cal, del proceso y se les conecta un instrumento de presión diferencial, bien directamente o bien a través de una cámara de medida. Como la diferencia de alturas es fija en el líquido, la única variable que altera la presión diferencial es la densidad, siempre que no varíe la temperatura. En el caso de medición directa del contenido másico mediante presión hidrostática (HTG = Hydrosta c Tank Gauging), donde interesa la máxima exactitud, se usa una sonda de resistencia Pt100, lo que permite compensar las diferencias de densidad obtenidas.

∙ Formas y materiales de fabricación.

MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN

• Sonda de resistencia Pt100
• Tanque vertical o tubería vertical
• Instrumento de presión diferencial
• Líquido a medir

∙ Fundamentos teóricos de operación: Bases físicas, mecánicas, químicas, etc.

La presión diferencial es la diferencia entre un determinado valor de presión y otro valor de referencia. De hecho se podría considerar también la presión absoluta como presión diferencial basada en el vacío como referencia o la presión relativa en comparación con la presión atmosférica.

La presión diferencial medida por el instrumento es: P = h × Y × g

Despejando Y queda:   Y = Ph X g        donde Y es densidad                                        

∙ Características:

Ventajas

• Máxima exactitud

Desventajas

• No debe variar la temperatura

∙  Ejemplos de aplicación.

En los procesos industriales, la densidad es una variable cuya medida es vital a veces. Tal es el caso de la determinación de la concentración de algunos productos químicos como el ácido sulfúrico, la medida exacta del caudal en gases o vapores que viene incluida por la densidad, la medida de la densidad en un producto final que garantiza las cantidades de los ingredientes que intervienen en la mezcla, etc.

MÉTODO DE DESPLAZAMIENTO

∙ Definición y descripción del transductor.

En el método de desplazamiento (Figura 7.13), se emplea un instrumento de desplazamiento o barra de torsión parecida al utilizado en la medición de nivel de líquidos. El flotador está totalmente sumergido en el líquido y está equilibrado, exteriormente, para que el par de torsión desarrollado represente directamente la densidad del líquido.

∙ Formas y materiales de fabricación.

MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN

• Instrumento de desplazamiento o barra de torsión
• Resorte
• Recipiente del líquido
• Líquido
• LVDT
• Electrónica

Fundamentos teóricos de operación: Bases físicas, mecánicas, químicas, etc.

Al sumergir un cuerpo dentro del líquido, el nivel indicado por la probeta sube debido al desplazamiento. Un objeto que se sumerge desplaza un volumen de líquido igual al volumen del objeto. Por el Principio de Arquímedes se sabe que la masa del objeto se obtiene multiplicado su volumen por la densidad del fluido.                                                                                                  

∙ Características:

Ventajas

• Exactitud del ± 1%, con una amplitud de medida de densidad que puede llegar hasta un mínimo de 0,005.
• Práctico de usar

Desventajas

• No es adecuado en los líquidos pegajosos o que tengan sólidos en suspensión, ya que podrían adherirse al flotador y falsear la medida.

∙ Ejemplos de aplicación.

En los procesos industriales, la densidad es una variable cuya medida es vital a veces. Tal es el caso de la determinación de la concentración de algunos productos químicos como el ácido sulfúrico, la medida exacta del caudal en gases o vapores que viene incluida por la densidad, la medida de la densidad en un producto final que garantiza las cantidades de los ingredientes que intervienen en la mezcla, etc.

MÉTODOS DE VISCOCIDAD

Definición

La viscosidad es la propiedad de un líquido que presenta una resistencia al flujo. Cuando el líquido fluye sobre una superficie, una porción de éste la humedece y la capa humectante de partículas se adhiere a ella y permanece estacionaria. Conforme el líquido fluye sobre la superficie, la capa inmediatamente superior a la humectante se desplaza con lentitud  y, conforme aumenta la profundidad de las capas de líquido, se mueven con mayor velocidad que la que queda bajo ellas, siendo la superior la que se mueve con mayor rapidez. Si la superficie superior se desplaza a una velocidad mayor que el nivel inferior adyacente a la superficie sobre la que se desplaza el flujo, y éste tiene cierta profundidad, se puede desarrollar una ecuación para expresar esa condición.

∙ Fundamentos teóricos de operación: Bases físicas, mecánicas, químicas, etc.

Viscosímetros

En la industria, se emplean los siguientes sistemas para la medida de viscosidad.

Viscosímetros discontinuos que se basan en:

a) Medir el tiempo que emplea un volumen dado del fluido para descargar a través de un orificio (Figura 7.37a). El orificio puede sustituirse por un tubo capilar.

b) Tiempo de caída de una bola metálica o de ascensión de una burbuja de aire en el seno del fluido contenido en un tubo o bien de caída de un pistón en un cilindro (figura 7.37b).

c) Par de resistencia de un elemento estacionario en una taza rota_ va que gira a velocidad constante. El par se mide por el desplazamiento angular de un resorte calibrado unido al elemento Fijo (figura 7.37c).

Entre los viscosímetros continuos que permiten el control de la viscosidad se encuentran los siguientes:

1. Caída de presión producida por un tubo capilar al paso del fluido que se bombea a caudal constante (figura 7.38a). Dos tomas, situadas antes y después del tubo capilar, se conectan a un transmisor de presión diferencial neumático o electrónico o digital.

2. Rotámetro con flotador sensible a la viscosidad (figura 7.38b). Se mantiene un caudal constante del  fluido, con lo que la posición del flotador depende de la viscosidad. Al rotámetro se le puede acoplar un transmisor neumático, electrónico o digital.

3. Rotacionales. Miden el par de torsión necesario para hacer girar un elemento en el fluido. El fluido está contenido entre dos cilindros, uno fijo (radio Ra) y otro giratorio (radio Ri) de longitud

L, de modo que es dividido en múltiples capas con velocidad angular diferente, desde

0 a ɯ. El movimiento relativo de las capas indica la Tasa cortante (Shear rate D) y la Tensión cortante (Shear stress  t ).

La velocidad de giro es seleccionada (w), el par de rotación resistente (M) se mide y así se

Verifica:  

En la norma DIN ISO 3219:1993 se indica la forma de determinar la viscosidad utilizando un viscosímetro rotacional. La velocidad de rotación es de 25 a 600 rpm. El campo de medida es de 10 a 150.000 mPas. El par de torsión abarca de 0,05 a 30 mNm.

4. Vibraciones. La frecuencia de resonancia de una horquilla o de un cilindro en el seno del fluido indica la densidad, mientras que la amplitud de la vibración es inversamente proporcional a la viscosidad. El sistema electrónico asociado mantiene la vibración en la frecuencia de resonancia. La temperatura del fluido abarca desde -40 °C a +150 °C.

El campo de medida es de 0,3 a 10.000 cP.

Características

Ventajas o desventajas

Funcion de tranferencia

OSCILADOS TIPO COLPITTS

Cualquier circuito activo capaz de amplificar  una señal, de forma que la potencia de salida sea mayor que la potencia de entrada, puede convertirse en un oscilador estable, esto se logra sí la cantidad necesaria y suficiente de señal de salida se retroalimenta en la debida fase a la señal de entrada. En nuestro caso la retroalimentación es llevada al transistor Q1 a través del circuito formado por L1, C2 Y C3 construyendo un oscilador del tipo Colpitts.

La condición para que la oscilación sea estable se conoce como el criterio de Barkhausen y se expresa como una relación entre L1, C2, C3 y los parámetros internos del transistor Q1 y L1 es una inductancia variable que permite cambiar la frecuencia de oscilación manteniendo la estabilidad.

CIRCUITO TANQUE.

La señal producida por el oscilador es alimenta da a través del condensador variable C7 a un circuito formado por las bobinas del viscosímetro que tienen una inductancia LV y una resistencia RV con otro condensador variable C4 en paralelo con las bobinas.

El  circuito descrito recibe el nombre de circuito tanque. Este circuito puede sintonizarse para un valor dado de la frecuencia de oscilación variando el condensador C4, esto último base que el circuito tenga una  impedancia puramente resistiva -resonancia- y produzca la mayor caída de voltaje posible entre sus terminales. Este voltaje es rectificado por el diodo D y alimentado al amplificador final.

Amplificador final

El circuito formado por el transistor Q2, recibe del diodo D la señal de las terminales del circuito tanque ya rectificada y la amplifica de tal forma que el voltaje a través de la resistencia R4 sea del orden de un milivolt para efectuar las mediciones en el osciloscopio.

Para disponer el circuito para hacer mediciones se colocan en su lugar las bobinas sobre la cámara del fluido y se varía L1 , C7 Y C4 para lograr la combinación que resulte en la mayor señal en el mili amperímetro mA , con esto se logra la mejor sintonización del circuito tan que durante las mediciones, al aproximarse la esfera de acero a cualquiera de las bobinas del viscosímetro, debido al cambio brusco de permeabilidad magnética, hace que varíe considerablemente su inductancia LV y por consiguiente saca de sintonía al circuito tanque disminuyendo la corriente en el mili amperímetro mA generando un voltaje en forma de pico a través de la resistencia R4 de la cual se saca la señal. Todo el circuito está alimentado por una fuente de voltaje E, a través de un contacto de dos polos.

MÉTODOS DE CONSISTENCIA

La consistencia es el grado de deformación que presentan los  fluidos cuando se les somete a un esfuerzo cortante. El término representa, esencialmente, la viscosidad de suspensiones de partículas insolubles en un líquido y es una característica de  fluidez del mismo.

El término consistencia se aplica, en la industria, en la fabricación de pinturas, de papel, en el envase de productos alimenticios, etc.

Las unidades de consistencia son totalmente distintas de las de viscosidad y se expresan en unidades arbitrarias. Por ejemplo, en la industria papelera, la consistencia designa la proporción entre el peso de materia seca o fibra de pulpa seca y el peso total de los sólidos más el agua que los transporta. Así:

Consistencia% = Peso sólidos secos en KgPeso sólidos secos+agua en Kg*100

La consistencia podrá detectarse, de acuerdo con la definición dada, presionando sobre la pulpa de papel con una cuchilla especialmente diseñada para eliminar el rozamiento y la fuerza de impacto.

Figura 1.0. Medidores de consistencia. Fuente: Berthold Industrial Systems

El medidor electroóptico (Figura 1.0 d) se basa en la captación de la luz re reflejada de una mezcla de pulpa de papel y agua. Dos detectores, D1 y D2, captan esta luz reflejada a través de  fibra óptica y de dos filtros F1 y F2, de tal modo que, en uno de ellos, el agua del fluido absorbe la luz mientras que en el otro no interviene prácticamente. Así, el cociente de las dos señales es una función de la cantidad de agua existente entre las partículas del producto, es decir, de la consistencia de la pulpa. El margen de medida es de 0,2% al 6%.

El medidor de consistencia por microondas (Figura 1.0 e) se basa en las propiedades dieléctricas del producto, fundamentalmente agua y materia sólida, con diferentes constantes dieléctricas. Existe una relación lineal entre el  tiempo de propagación de las microondas, es decir, la velocidad y la consistencia.

            V  = cer

Dónde: V= velocidad; c=  velocidad de la luz en el vacío; er = constante dieléctrica del medio.

Como las microondas avanzan menos en el agua que en las  fibras, el tiempo que emplean las microondas en atravesar la masa es función de la consistencia de la masa. El intervalo de medida es del 0% al 16%. La exactitud es del ± 0,02%.

El medidor de consistencia por radiación (Figura 1.0 f) dispone de una fuente de rayos gamma, cuya radiación es atenuada al atravesar la pasta. Esta atenuación es proporcional a los cambios en la consistencia a igualdad de distancias entre la fuente y el producto. La exactitud es del ± 0,01% y la repetitividad es del ± 0,0001%.

El medidor de consistencia de disco rotativo (Figura 1.0 b), mide el par de torsión necesario para hacer girar a una velocidad constante un disco con perfiles caracterizados dentro del fluido.

En el medidor de paleta (figura 1.0 c), una paleta de forma especial situada en el seno del fluido mide el esfuerzo cortante, no siendo influida por las fuerzas de impacto ni por las de rozamiento gracias a su forma geométrica. Un transmisor neumático o electrónico envía la señal correspondiente al valor de la consistencia.

Tabla 1.1. Medidores de consistencia

Sistema	Campo de medida	Exactitud	Ventajas	Desventajas	Aplicaciones
Distancia recorrida en una pendiente en un tiempo determinado.	Amplio	±0.1%	Simple	Laboratorio	Industria alimenticia, laboratorio
Disco rotativo o paleta rotativa	1.5% al 18%	±1%	-	Desgaste por abrasión.	Industria papelera
Paleta	0.7% al 16%	±1%	Continuo	Materiales especiales, mantenimiento y calibración.	Industria papelera
Electroóptico	0.2% al 6%	±0.1%	Muy exacto. Pequeñas tuberías con un caudal mínimo. Insensible al color o luminosidad.	Recubrimiento de producto y frecuentes calibraciones.	Papel
Microondas	0% al 16% Cs	0.02%	Independiente del grado o del tipo de madera.	Coste alto. Límite de uso por presión, conductividad y pH del proceso.	Pulpa y lechada
Radicación	0% al 15%	± 0.01%	No intrusivo	Coste alto. Inspecciones de seguridad.	Pulpa y lechada

MÉTODOS DE TURBIDEZ

Figura 2.0. Sensores de turbidez de transmisión, reflexión, relación y el turbidímetro Jackson (Jackson candle). Fuente: Honeywell

La turbidez es una medida de la falta de transparencia de una muestra de agua debida a la presencia de partículas extrañas. Estas partículas pueden ser plancton, microorganismos, barro, etc.

La medida de la turbidez se efectúa para determinar el grado de penetración de la luz en el agua o a su través y permite interpretar, conjuntamente con la luz solar recibida y la can dad de oxígeno disuelto, el aumento o disminución del material suspendido en el agua. La turbidez está expresada en unidades arbitrarias llamadas unidades nefelométricas de turbidez (NTU). Por ejemplo, el agua de uso doméstico, industrial y residual  tiene de 0,05 a 40 NTU.

Actualmente la turbidez puede medirse de tres formas de manera continua:

Sensores de transmisión (luz directa absorbida). La lámpara y la célula están situadas una enfrente de la otra, separadas por un tubo transparente lleno de la muestra de agua. La célula mide la absorción de la luz por los sólidos en suspensión. La señal disminuye con el aumento de la turbidez. La exactitud en la medida es del ± 5% al ± 10% y el campo de medida es de 0-2400 NTU.

Sensores de dispersión (luz reflejada). Es el método más utilizado. Una lámpara emite un rayo de luz blanca, o bien una luz infrarroja, que un sistema de lentes enfoca en la muestra de agua.

Una célula fotoeléctrica situada a 90° del haz de luz capta la luz reflejada por las partículas en suspensión. La intensidad de luz detectada es directamente proporcional a la turbidez del agua.

Bibliografía

Antonio Creus Sole. “Instrumentacion Industrial”, 8ª edición. Editorial: Alfaomega Grupo Editor S.A. de C.V., México.

Antonio Creus Sole. (2006). Instrumentación Industrial., 7a edición .  México, D.F.: 2006 Alfaomega Grupo Editor.

Harold E. Soisson. (1980). Instrumentación Industrial. México, D.F.: LIMUSA, S.A., de C.V.