INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

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ELEMENTOS PRIMARIOS Y FINALES DE CONTROL

Temas

1. Simbología ISA
2. Terminología SAMA
3. Diagramas de Instrumentación.
4. Elementos Primarios de medición.
5. Medidores de Presión
6. Medidores de Flujo
7. Medidores de Nivel
8. Medidores de Temperatura.
9. Otras variables.
10. Tipos de válvulas automáticas de control de caudal.
11. Características de caudal inherente en válvulas.
12. Dimensionamiento de válvulas.
13. Otros elementos finales de control.

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

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SIMBOLOGÍA

P&ID

• Documento fundamental de un proyecto de automatización o instrumentación.
• Incluye todos los elementos a instalar en el proceso (incluyendo servicios auxiliares, purgas, sistemas de lavado y drenaje, etc.)
• Presenta condiciones de diseño de los equipos a instalar. Identifica las cañerías, refiriendo los materiales, diámetros, aislaciones, etc.
• Detalla los sistemas de control a utilizar y presenta desde sus sensores hasta los actuadores.

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• Complementa al PFD (Process Flow Diagram)

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• Sirve de base para la ingeniería de detalle Se suele ir actualizando durante el proyecto

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ISA

• La Instrument Society of America de los Estados Unidos crea y actualiza permanentemente, las normas usadas en la instrumentación empleada en todo proceso.

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• La creación de un manual tiene como objetivo el uniformar los conocimientos en el campo de la instrumentación y no pretende ser un elemento estático, sino en permanente revisión, pues una de las características de una norma es su actualización repetitiva

Simbología ISA

• Códigos de identificación de instrumentos

Simbología ISA

• Tabla de códigos de identificación de instrumentos

Simbología ISA

• Líneas de instrumentación

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Simbología ISA

• Símbolos generales

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Simbología ISA

• Símbolos generales

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Simbología ISA

• Símbolos para cuerpos de válvulas de control

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Simbología ISA

• Símbolos para actuadores

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Simbología ISA

• Símbolos para acción de la válvula en caso de fallo

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Simbología ISA

• Ejemplos de funciones

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Simbología ISA

• Ejemplos de funciones

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Simbología ISA

• Ejemplos de funciones

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Simbología ISA

• Ejemplos de funciones

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Simbología ISA

• Ejemplos de funciones

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P&ID

• Ejemplo

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P&ID

• Ejemplo

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P&ID

SAMA

• Cuando la guerra envolvió a Europa en 1914 e interrumpió el comercio, nació la industria de productos y suministros de laboratorio de EE. UU.

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• Las principales preocupaciones de los fabricantes en 1918 eran la estandarización de las partes de los instrumentos para acelerar la producción de guerra y las reparaciones en el campo, la eliminación de ciertos instrumentos para permitir una mayor producción de equipos importantes para las fuerzas armadas y la posible abolición de la posguerra de la importación libre de aranceles. instrumentos y aparatos científicos para ayudar a fortalecer la joven industria estadounidense.

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• Veintiuna empresas formaron la membresía constitutiva de la Asociación de Fabricantes de Aparatos Científicos de América en noviembre de 1918.

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• La asociación evolucionaría y se transformaría a lo largo de las décadas en lo que hoy es la Asociación de Productos de Laboratorio.

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Simbología SAMA

• Se utilizan para describir y documentar estrategias y sistemas de control diseñados para aplicaciones industriales y de servicios públicos.

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• Aunque es similar en concepto a los diagramas ISA, existen diferencias significativas entre los dos métodos de diagramación de sistemas de control.

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• Un diagrama SAMA utiliza varios tipos de símbolos de envolvente (caja) para representar los diversos elementos o funciones del sistema de control. Estos símbolos están unidos por los símbolos de conexión. Los símbolos de procesamiento de señales se utilizan para describir las funciones dentro de cada caja.

Simbología SAMA

• Símbolos de envolvente (caja)

Simbología SAMA

• Símbolos de conexión

Simbología SAMA

• Símbolos de procesamiento de señal

Simbología SAMA

• Ejemplo

Diagrama de flujo SAMA

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

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MEDIDORES DE PRESIÓN

Definiciones

• Presión es la fuerza que se ejerce sobre una superficie por unidad de área.

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• En el SI Internacional su unidad es el Pascal, Pa

Definiciones

• Clases de presión

Definiciones

• Otras clases de presión

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• Presión estática

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• Presión hidrostática

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• Presión de impacto

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• Presión total

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Definiciones

• Densidad

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• Es la razón de la masa dividida entre el volumen

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• Peso específico

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• Es la razón del peso dividido entre el volumen

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• Gravedad específica

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• Es la relación que existe entre la masa de una sustancia y la masa del agua para un mismo volumen.

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• Gas ideal

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• Es un modelo simplificado que cumple con las leyes de los gases ideales.

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Definiciones

• Leyes de los gases ideales:

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• Ley de Avogadro

= constante para p y T constante

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• Ley de Boyle-Mariotte

PV = constante para n y T constante

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• Ley de Gay-Lussac

= constante para n y V constante

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• Ley de Charles

= constante para n y p constante

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Definiciones

• Leyes de los gases ideales:

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• Ley universal de los gases ideales

= constante

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Experimentalmente se observa que esta constante tiene aproximadamente el mismo valor para todos los gases

R= 8.32441 ± 0.00026 J/mol K

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Definiciones

• Número de Avogadro

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• Iguales volúmenes de gas a la misma presión y temperatura contienen el igual número de moléculas,

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• N_A= (6.0022045 ± 0.00031) x 10²³ moléculas/mol

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• Como el número total de moléculas, N, es igual al número por mol, N_A, multiplicado por el número de moles, n, se tiene:

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• PV = NkT

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• donde k= R/ N_A se conoce como constante de Boltzmann

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• k = (1.380662 ± 0.000044) x 10^-23 J/K

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Curiosidades del número de Avogadro

1. Aunque lleve su nombre, este número no fue descubierto por Amadeo Avogadro. De hecho, el italiano nunca llegó a conocerlo. Fue el francés Jean Perrin, premio Nobel de Física en 1926, que basó en el desarrollo de las teorías de Avogadro gran parte del trabajo de toda su vida, el que propuso dar su nombre a un concepto fundamental en el estudio de las magnitudes de las sustancias a nivel atómico y molecular.

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• El número de Avogadro señala la cantidad de sustancia que hay en un mol. Lo más habitual es utilizarlo para hablar de moléculas, pero es que un mol puede ser de otras cosas. Algunos ejemplos: un mol de átomos tendrá 6,022x10²³ átomos, un mol de manzanas tendrá 6,022x10²³ manzanas y un mol de camiones tendrá 6,022x10²³ camiones. Y así con todo

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• Se trata de un número gigantesco, tanto que resulta difícil de comprender a simple vista su magnitud. Pero algunos matemáticos han jugado con él para que nos hagamos a la idea, y Fernando del Álamo ha recogido algunos de sus ejemplos en el blog Historias de la ciencia: si llenásemos un número de Avogadro de tazas con agua del océano Pacífico, lo dejaríamos totalmente seco, y si cogiésemos un número de Avogadro de céntimos de euro y los repartiésemos entre todos los habitantes de la zona euro, les haríamos a todos billonarios. Otro más: 100 folios de papel apilados miden aproximadamente 1 centímetro de alto; si apilásemos un mol (es decir, un número de Avogadro) de folios, la torre resultante mediría 60 billones de kilómetros de alto.

Curiosidades del número de Avogadro

4. Existe un día designado como el Día del Mol por los entusiastas de la química. Es el 23 de octubre, y un momento concreto, las 6:02, en el que la celebración alcanza su pico. En la designación sajona de las fechas, ese momento se escribe 6:02 10/23, que se asemeja mucho al número de Avogadro.

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• Ese día, la web para profesores The Science Muse lanza enigmas para los internautas. Este era el del año 2012: “Imagina que tienes un número de Avogadro de dólares, y decides repartir 1.000 de esos dólares cada segundo a cada habitante del planeta. Asumiendo que la población de la Tierra es de 7.000 millones de personas, ¿cuánto tardarías en repartir todo tu dinero?”. La de Melanie Cameron fue elegida como la respuesta más precisa (agárrense que vienen números): “Tardaría 860.305.928.571,4464 segundos, 14.338.432.142,9 minutos, 238.973.869,048 horas, 9.957.244,54965 días o 27.280,1220374 años”.

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• A diferencia de otros más presentes en la cultura popular, como el número Pi o el número áureo, el número de Avogadro no ha sido muy empleado fuera de los ámbitos puramente científicos ya que es un concepto medianamente complejo. Pero alguno sí ha visto en él un filón comercial. La cadena de supermercados Trader Joe’s comercializó una marca de guacamole llamada Avocado’s Number, haciendo un juego de palabras entre avocado (aguacate) y Avogadro, añadiendo al chiste que mole es como se escribe mol en inglés.

Clasificación de medidores de presión

Balanzas hidrostáticas

• Medidores de Campana
• Operan con base en un principio de equilibrio de presión o fuerza.
• Miden presiones diferenciales en el rango de 1 a 15 pulg. de agua.

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Balanzas hidrostáticas

• Medidores de columna líquida
• Mediante el equilibrio de una fuerza o presión desconocida con otra conocida se pueden realizar mediciones de presión.

Balanzas hidrostáticas

• Flotador en tubo en “U”
• Son capaces de soportar presiones estáticas de hasta 350 kg/cm².

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Balanzas hidrostáticas

• Anillo en balance

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Elementos elásticos

• Diafragmas
• Son discos flexibles construidos de dos tipos de materiales: suaves o metálicos.

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Elementos elásticos

• Diafragmas

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P= diferencia de presiones

E= módulo de elasticidad

t = espesor del diafragma

μ= relación de Poisson

R= radio del diafragma

y_c= deflexión del centro

Elementos elásticos

• Fuelles

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Manométrico

Cargado

Diferencial

Elementos elásticos

• Tubos de Bourdon

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Elementos elásticos

• Tubos de Bourdon

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Cómo se fabrica un manómetro

https://www.youtube.com/watch?v=xs2caPhby4I&feature=youtu.be

Medidores electromecánicos

• Tubos de Bourdon con LVDT

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Medidores electromecánicos

• Tubos de Bourdon con LVDT

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Medidores electromecánicos

• Galgas extensométricas

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• Metálicas

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• de filamento

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• de película

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• Semiconductor

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Medidores electromecánicos

• Galgas extensométricas
• Características:

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• Metálicas
• Factor de galga: valores próximos a dos.
• Linealidad: precisión de 0.1 % por encima de 4,000 μ∈ y del 1% a partir de 10,000 μ∈
• Esfuerzo de rotura: entre 20,000 μ∈ y 25,000 μ∈
• Resistencia nominal: 120 Ω, 350 Ω, 600 Ω, 1000 Ω con tolerancias del 0.15%

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• Semiconductor.
• Factor de galga: entre 50 y 200.
• Linealidad: precisión del 1% a partir de 1,000 μ∈
• Esfuerzo de rotura: sobre 5,000 μ∈
• Resistencia nominal: 120 Ω

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Medidores electromecánicos

• Galgas extensométricas

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Medidores electrónicos de vacío

Medidores térmicos

Medidores de ionización

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MEDIDORES DE NIVEL

Definiciones

• Tensión superficial

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• La superficie de un líquido actúa como una membrana estirada bajo tensión. Esta tensión actúa paralela a la superficie y proviene de las fuerzas de atracción entre las moléculas.

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• Cohesión

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• Se define como la fuerza de atracción entre partículas de la misma clase.

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• Adherencia

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• La adherencia se define como la atracción mutua entre superficies de dos cuerpos puestos en contacto.

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Definiciones

• Nivel

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• Se define como la frontera entre dos fluidos.

La condición para que el nivel en un recipiente se mantenga es que la cantidad de flujo de entrada sea igual a la de salida.

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• Coeficiente de descarga de un orificio:

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Q= Caudal de salida por el orificio

C= Constante del orificio

A= Área del flujo

g= Aceleración de la gravedad

h= Carga del líquido

Definiciones

• Capilaridad

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• La capilaridad, que es el ascenso de los líquidos por tubos muy estrechos debido a las fuerzas atractivas entre sus moléculas y la superficie interior del tubo

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• El menisco de un líquido es la superficie curvada que forma en un tubo estrecho

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Medidores de Nivel

Nivel de líquidos

• Medidores directos
• Sondas

La determinación del nivel se efectúa por lectura directa

El tanque tiene que estar abierto a presión atmosférica

Se utiliza en tanques de combustóleo o gasolina

No se recomiendan cuando el material es tóxico o corrosivo

Nivel de líquidos

• Medidores directos
• Mirillas

Consiste en un tubo de vidrio resistente a la presión con sus extremos conectados en forma de vasos comunicantes al tanque.

Se emplea para presiones de hasta 7 bar y fluctuaciones de nivel de hasta 1 m

Nivel de líquidos

• Medidores directos
• Mirillas

Tienden a ensuciarse por las características del líquido.

Su ventaja principal es la gran seguridad en la medición.

Nivel de líquidos

• Medidores directos
• Flotadores

Las partes móviles están expuestas al fluido

El tanque no puede someterse a presión

Precisión de ± 5%

Nivel de líquidos

• Medidores de presión hidrostática
• Medidor manométrico

Consiste en manómetro conectado en la parte inferior del tanque.

Se limita a medición en tanques abiertos y fluidos limpios.

El campo de medida es bastante pequeño.

Nivel de líquidos

• Medidores de presión hidrostática
• Medidor de membrana.

La fuerza ejercida por la columna del líquido sobre la membrana comprime el aire interno.

Su precisión es de ± 1% y trabaja a temperaturas de hasta 60 °C.

Nivel de líquidos

• Medidores de presión hidrostática
• Medidor de burbujeo.

Utiliza un tubo sumergido en el líquido por el que circula aire.

La tubería empleada suele ser de ½” con el extremo biselado.

El manómetro receptor puede colocarse a distancias de 200m.

Nivel de líquidos

• Medidores de presión hidrostática
• Medidor presión diferencial.

Su precisión es de ± 0.2 % en los transmisores electrónicos.

No tienen partes móviles, son confiables y de fácil limpieza.

Soportan temperaturas de fluido de hasta 120 °C

Nivel de líquidos

• Medidores de presión hidrostática
• Medidor basado en el desplazamiento.

Su precisión es del orden de ± 0.5%

Su intervalo de medida varía entre 0-300 a 0-2000 mm

Puede utilizarse en tanques abiertos o cerrados.

F= Empuje del líquido g= aceleración de la gravedad

S= Sección del flotador P= peso del flotador

H= Altura sumergida l = longitud del tubo de torsión

ρ = Densidad del líquido

Nivel de líquidos

• Medidores de las características eléctricas
• Medidor conductivo

Consiste en uno o varios electrodos y un circuito electrónico que excita un relé eléctrico o electrónico al ser los electrodos mojados por el líquido.

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La impedancia mínima es del orden de los 25 MΩ/cm, y la tensión de alimentación entre los electrodos y el tanque es alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas, por causa del fenómeno de la electrólisis.

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El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, y con la sensibilidad ajustable permite detectar la presencia de espuma en el líquido.

Nivel de líquidos

• Medidores de las características eléctricas
• Medidores capacitivos

Mide la capacidad del condensador formado por un electrodo sumergido en el líquido y las paredes del tanque.

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Trabaja en la gama baja de radiofrecuencia de pocos MHz, midiendo la admitancia de un circuito de corriente alterna, la que varía según el nivel de líquido en el tanque.

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La constante dieléctrica depende de las condiciones de temperatura, humedad, densidad y tamaño de las partículas existentes en el líquido. La sensibilidad puede aumentarse alargando la longitud del electrodo, lo que es más práctico, o acercándolo más a las paredes del tanque.

Nivel de líquidos

• Medidor de ultrasonidos
• Se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo en un receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque.

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• La exactitud de estos instrumentos es de unos ± 5 mm o bien del ± 0,25% al ± 1%. Los instrumentos son adecuados para todos los tipos de tanques y de líquidos o fangos, pudiendo construirse a prueba de explosión.

Nivel de líquidos

• Medidor de nivel de radar o microondas
• Se basa en la emisión continua de una onda electromagnética, típicamente dentro del intervalo de los rayos X (10 GHz). El sensor envía las microondas hacia la superficie del líquido. Una parte de la energía enviada es reflejada en la superficie del líquido y la capta el sensor. El tiempo empleado por las microondas es función del nivel en el tanque.

Nivel de líquidos

• Medidor de nivel de radiación
• Consiste en un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del tanque y con un contador Geiger que transforma la radiación gamma recibida en una señal eléctrica de corriente continua.

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• La exactitud de la medida es del ± 0,5% al ± 2%.

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• Puede emplearse para todo tipo de líquidos, ya que no está en contacto con el proceso. Su lectura viene influida por el aire o por los gases disueltos en el líquido. Se emplea en caso de medida de nivel en tanques de acceso difícil o peligroso.

Nivel de líquidos

• Medidor de nivel de radiación
• En aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y donde los instrumentos de nivel convencionales fallan, encuentra su aplicación el medidor láser (y también el de radiación). Tal es el caso de la medición de metal fundido, donde la medida del nivel debe realizarse sin contacto con el líquido y a la mayor distancia posible por existir unas condiciones de calor extremas.

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• El sistema mide el nivel de forma parecida al medidor de nivel de ultrasonidos con la diferencia de que emplea la luz en lugar del sonido.

Nivel de sólidos

• Medidores de punto fijo

Medidor de Medidor de Medidor de Medidor de

diafragma cono invertido varilla flexible paletas rotativas

Nivel de sólidos

• Medidores continuos

Medidor electromecánico Medidor de báscula

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MEDIDORES DE CAUDAL

Definiciones

• Fluidos
• Es una sustancia que puede fluir o escurrir.

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Definiciones

• Flujo o caudal
• Es la velocidad a la que se mueve un fluido.

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• Flujo Gravimétrico
• Es el flujo o caudal expresado en peso del fluido por unidad de tiempo.

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• Flujo Volumétrico:
• Es el flujo o caudal expresado como volumen del fluido por unidad de tiempo.

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• Flujo laminar.
• Es el movimiento de un fluido en el que las partículas siguen trayectorias paralelas a la dirección del flujo.

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• Flujo turbulento.
• Es el movimiento de un fluido en el que las partículas de un fluido siguen trayectorias aleatorias.

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Definiciones

• Energía Cinética.
• Es la energía que poseen los cuerpos en movimiento, tomando a la tierra como cuerpo de referencia. Representa el trabajo de mover una masa desde una posición a otra.

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Aplicando la segunda ley de Newton,

F= ma

Definiciones

• Energía Potencial
• Es el trabajo que realizaría la fuerza de gravedad para mover un cuerpo desde cierta elevación de referencia hasta la altura final.

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Definiciones

• Viscosidad de un Fluido (μ).
• Es una medida de la dificultad con que se hace fluir un fluido, su unidad en el Sistema Internacional es Pa s

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• Ley de Poiseuille.
• El fluido que circula a través de un tubo cilíndrico de longitud L y sección transversal de radio r está dado por:

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Definiciones

• Ecuación de continuidad

Definiciones

• Ecuación de Bernoulli
• Establece que la suma de energías en un punto de la tubería que contiene un fluido es igual a la suma de energías en cualquier otro punto.

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• como V = A₁v₁ = A₂v₂ y ρ = m/V, podemos simplificar la expresión anterior dividiendo entre el volumen

Definiciones

• Número de Reynolds.
• Las características que presenta un fluido en el punto de medición no sólo dependen de las propiedades físicas del mismo y de la geometría y dimensiones del conducto en dicho punto, sino también de los antecedentes del flujo antes de llegar a la sección de medición, ya que estos afectarán la distribución de velocidades en el plano de la sección.

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• Para analizar los efectos de cada uno de estos factores en la medición del flujo, se necesitaría realizar un número exagerado de experimentos, el cual puede reducirse considerando las semejanzas cinemáticas, de tal forma que, bajo ciertas condiciones, se utilicen los resultados de las pruebas de un sistema de flujo para predecir el comportamiento de sistemas semejantes.

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• Las condiciones que deben cumplirse para considerar a dos sistemas semejantes son:

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• El sistema deberá ser geométricamente semejante.

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• El flujo deberá ser dinámicamente semejante.

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Definiciones

• Número de Reynolds.
• La aplicación de los resultados a sistemas semejantes podrá realizarse mediante la utilización de un grupo de coeficientes adimensionales.

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• Para poder combinar los efectos de estos diferentes tipos de fuerzas, se han establecido relaciones adimensionales basadas en experimentos con las propiedades de los fluidos. Una de las relaciones más importantes para el análisis del comportamiento del flujo de fluidos es el número de Reynolds.

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R = número de Reynolds

ρ = densidad

v = velocidad media

D = diámetro de la tubería

μ = viscosidad

Medidores de caudal

Medidores de caudal volumétrico

• Presión diferencial

como y suponiendo una tubería de sección circular:

si h₁= h₂, entonces

Como y haciendo

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se tiene:

Medidores de caudal volumétrico

• Presión diferencial

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​

Placas con orificio

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​

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Tobera y Venturi

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​

​

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Rectificadores

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Medidores de caudal volumétrico

• Presión diferencial

​

colocación de

placas con orificio

​

​

​

​

Medidores de caudal volumétrico

• Presión diferencial

​

disposición de tomas de

presión en placas con orificio

​

​

​

​

Medidores de caudal volumétrico

• Presión diferencial

​

Sistema de medición con

placas con orificio

​

​

​

​

Medidores de caudal volumétrico

• Presión diferencial
• Toberas

​

​

​

Medidores de caudal volumétrico

• Presión diferencial
• Venturi

​

​

​

Medidores de caudal volumétrico

• Presión diferencial
• Tubos Pitot y Annubar

​

​

​

Medidores de caudal volumétrico

• Presión diferencial
• Restricción cuneiforme y codos

​

​

​

Medidores de caudal volumétrico

• Rotámetro

​

​

​

G = peso del flotador

v_f = volumen del flotador

ρ_f = densidad del flotador

ρ_f = densidad del líquido

E = fuerza de arrastre del fluido

F = fuerza de empuje del fluido

C_d= coeficiente de arrastre

v = velocidad del fluido

A_f= área del flotador�A_w= área interna del tubo

Medidores de caudal volumétrico

• Rotámetro

​

​

​

Medidores de caudal volumétrico

• Rotámetro

​

​

​

​

Medidores de caudal volumétrico

• Vertederos

​

​

​

Q_v = caudal volumétrico

K = constante empírica

l = ancho de la garganta

H = diferencia de alturas

n = exponente empírico

Medidores de caudal volumétrico

• Turbinas

​

​

​

Medidor electromagnético de flujo

• La medición de flujo tiene relación lineal con el caudal. Por esta razón la precisión de la medición es muy alta.

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• No hay deflectores dentro de los tubos de medición, ni partes móviles por lo que no hay pérdida de presión adicional y la vida de servicio es extremadamente larga.

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• Alta precisión, bajo consumo de energía, componentes estables y ajuste de parámetros.

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• Se puede utilizar el sistema de medición de dos vías, para medir el flujo positivo y el flujo negativo.

Medidores de caudal volumétrico

• Placa de impacto

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​

​

F= fuerza total en la placa

ρ = densidad del fluido

v = velocidad del fluido

A = área de la placa

C_d = constante experimental

Medidores de caudal volumétrico

• Desplazamiento positivo
• Disco oscilante

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Medidores de caudal volumétrico

• Desplazamiento positivo
• Medidor cicloidal

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INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

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MEDIDORES DE TEMPERATURA

Definiciones

• Es una medida de la energía cinética de los cuerpos y es directamente proporcional a ella

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• Se mide indirectamente a través de alguno de los siguientes fenómenos:

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Termómetro de vidrio

• Consta de un depósito de vidrio que contiene un fluido que al calentarse se expande y sube por un tubo capilar.

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• Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son:

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Mercurio……………….......................-35 hasta +280°C

Mercurio (capilar lleno con gas)…..…-35 hasta +450°C

Pentano…………………………….....-200 hasta +20°C

Alcohol……………………………......-110 hasta +50°C

Tolueno…………………………….….-70 hasta +100°C

Termómetro bimetálico

• Se basan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes laminados conjuntamente.

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• La precisión del instrumento es de ± 1% y su campo de medida de -200 a +500°C

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Termómetro de bulbo y capilar�

• Consisten en un bulbo conectado por un capilar a una espiral.

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Termómetro de bulbo y capilar�

• Clases de termómetros bimetálicos

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Clase I: líquido: I A: Compensación completa

I B: Compensación en caja

Clase II: vapor: II A: T. bulbo > T. ambiente

II B: T. bulbo < T. ambiente

II C: T. bulbo > ó < T. ambiente

II D: T. bulbo > ó < ó = T. amb.

Clase III: gas

Clase IV: mercurio: IV A Compensación completa

IV B Compensación en caja

Termómetros de resistencia

• Se basan en la variación de resistencia de un conductor con la temperatura, como se expresa en la siguiente relación

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• Dado que el material más empleado es el platino se les conoce a veces como Platinum Resistance Thermometer (PRT), para el platino: α₁ ≈3.90x10^-3/K y α₂ ≈-5.83x10^-7/K^2.

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Símbolo

Termómetros de resistencia

• Materiales

Termómetros de resistencia

• Una aplicación distinta es la medida de la velocidad de un fluido, denominada anemometría de hilo caliente. Se basa en un hilo muy corto y fino por el que se hace pasar una corriente eléctrica para provocar su calentamiento. Si el fluido está sumergido en un fluido el hilo se enfría por convección, con la consiguiente variación de resistencia eléctrica.

Termistores

• Son semiconductores cuya resistencia eléctrica varía con la temperatura. Si sus coeficiente de temperatura es negativo se denominan NTC, en caso contrario PTC.

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• Su funcionamiento se basa en el aumento del número de portadores en el semiconductor con la temperatura, lo que reduce su resistencia eléctrica.

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• El parámetro β se denomina Temperatura Característica del Material y tiene valores de 2000K a 5000K. Este valor se puede encontrar midiendo la resistencia del Termistor a dos temperaturas conocidas T₁ y T₂.

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Símbolo NTC Símbolo PTC

Termistores

• Los termistores NTC se fabrican de mezclar y sintetizar óxidos dopados de metales como el níquel, cobalto, manganeso, hierro, y cobre, que se encapsulan con epoxy o vidrio.

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Termistores

• Características generales de los termistores NTC de uso más frecuente.

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Termopares

• Consiste de un circuito cerrado formado por dos alambres conductores de diferente composición, bajo los siguientes principios:

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• Efecto Seebeck:
• En un termopar se produce una fem proporcional a la diferencia de temperaturas entre las uniones.

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• Efecto Peltier:
• Al hacer circular corriente por un circuito de termopares se produce una unión se calienta y la otra se enfría.

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• Efecto Thomson:
• Al circular una corriente por un conductor homogéneo con temperatura no homogénea, se absorbe o se libera calor.

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Termopares

7. Cables de compensación, diferentes a los del termopar pero con f.t.e.m pequeña.
8. Caña pirométrica
9. Protector (cubierta externa).
10. Protector de la caña

1. Conductores (diferentes).
2. Unión de medida.
3. Unión de referencia.
4. Hilos de termopar sin aislar.
5. Hilos de termopar aislados.
6. Cables de extensión iguales a los del termopar

Termopares

• Códigos de colores

Termopares

• Tabla de tensiones vs. Temperatura para un termopar tipo J, la unión de referencia se supone a 0 ºC. Las tensiones están en milivoltios

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Pirómetros de radiación

• Se fundan en la ley de Stefan-Boltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (Kelvin) del cuerpo, es decir:

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W = intensidad de energía radiante

K = constante

T = temperatura absoluta del cuerpo

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El coeficiente de emisión o emisividad de un cuerpo es la relación entre la energía radiante emitida por un cuerpo y la de un cuerpo negro que se encuentra a la misma temperatura y en las mismas condiciones de servicio.

Pirómetros ópticos

• Se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado. El operador varía la corriente de la lámpara hasta que el filamento de la misma deje de verse sobre el fondo del objeto caliente enfocado.

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• El sistema óptico del pirómetro restringe el ancho de onda de 0,65 a 0,66 micras (zona roja del espectro) y dispone de filtros para reducir la intensidad de la radiación recibida, permitiendo la medida de un amplio margen de temperaturas. Sin embargo, sólo puede medirse la temperatura de objetos incandescentes o en fusión.

Velocidad de respuesta de los instrumentos de temperatura

• La constante de tiempo de un instrumento es el tiempo necesario para que alcance el 63,2% de la variación total de temperatura que experimenta. Es decir, si un instrumento cuya sonda o elemento primario pasa de un recinto de 70 °C a otro de 270 °C puede alcanzar el 63,2% de la diferencia, 270 - 70 = 200 °C, en 0,1 segundo; este tiempo será la constante de tiempo de la medida con el instrumento

Velocidad de respuesta de los instrumentos de temperatura

• Los elementos primarios eléctricos, sondas de resistencia, termistores, termopares y pirómetros de radiación se caracterizan porque el tiempo de respuesta depende, únicamente, del intercambio térmico entre el fluido y el elemento, ya que la corriente eléctrica circula por los cables de conexión a la velocidad de la luz, directamente al receptor.

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• En la sonda de resistencia, la masa a calentar está formada por una bobina de hilo arrollada en un núcleo y embebida en una cápsula rígida.

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• Los termistores son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta varía de fracciones de segundo a minutos, de acuerdo con su capacidad térmica, dada por el tamaño y forma del elemento sensible.

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• En el termopar, dos hilos soldados en un extremo constituyen la masa a calentar, que depende de la galga o diámetro de los hilos y de la forma de la soldadura, hilo torcido o soldado a tope

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

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ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

Definiciones

• Son dispositivos capaces de controlar el paso de un fluido

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• La válvula de control es una parte crítica del bucle de control.

Definiciones

• Partes de la válvula de control:

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1. Bonete

2. Prensaestopas

3. Retén de jaula o anillo de asiento

4. Vástago de la válvula

5. Obturador de la válvula

6. Cuerpo de la válvula

7. Anillo de asiento

8. Puerto

Definiciones

• Características:
• Regulación ideal en toda la carrera del vástago
• Capacidad suficiente para el servicio deseado
• Resistencia a la erosión
• Resistencia a la corrosión
• Tolerancia
• Facilidad de montaje

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• De acuerdo a las características del cuerpo y del obturador:
• Válvula de Globo
• Válvula de Saunders
• Válvula de Mariposa
• Válvula de Bola
• Válvulas de Obturador Excéntrico

Tipos de cuerpos

• Válvulas de Globo:
• El obturador se mueve en la dirección de su propio eje y existen diversas variedades.

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De asiento sencillo.

• Construcción simple,
• Requieren de un actuador de gran tamaño
• Se emplean cuando la presión del fluido es baja

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Tipos de cuerpos

• Válvulas de Globo de doble asiento
• Permiten una mayor capacidad
• No proporcionan cierre hermético
• La mayor parte de la industria ha dejado de utilizar los diseños de válvula de puerto doble.
• La fuerza dinámica del obturador tiende a equilibrarse cuando el flujo abre un puerto y cierra el otro.
• Las fuerzas dinámicas reducidas que actúan en el obturador permiten elegir un actuador más pequeño del que sería necesario para un cuerpo de válvula inestable de un sola puerto de capacidad parecida.
• Suelen tener más capacidad que las válvulas de un puerto de igual tamaño de línea.

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Tipos de cuerpos

• Válvula en ángulo:
• Se suelen utilizar en los servicios de agua de alimentación de calderas y de drenaje de calentadores, así como en sistemas de tuberías en espacios reducidos, donde la válvula también puede servir de codo.

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• Pueden tener conexiones de salida ampliadas, internos de capacidad limitada o salidas revestidas para reducir los daños causados por erosión, vaporización (flashing) o cavitación.

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• Permite tener un flujo regular, sin excesiva turbulencia

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Tipos de cuerpos

• Válvula de tres vías:
• Con tres conexiones de tubería se obtiene un servicio general convergente (combinación de flujos) o divergente (separación de flujos).

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• Las variantes incluyen diseños de jaula, puerto y guiados por vástago, que se eligen para servicio de alta temperatura y conexiones finales estándar (bridadas, atornilladas, soldadas a tope, etc.), que se pueden especificar para su adaptación a la mayoría de configuraciones de tubería.

​

• La elección requiere una consideración atenta, en especial para estructuras con obturador de válvula inestable.

Tipos de cuerpos

• Válvula Inclinada:
• Es adecuada como válvula de cierre y de control.

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• Como válvula todo-nada, se caracteriza por su baja pérdida de carga.

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• Como válvula de control presenta una gran capacidad de caudal.

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• Posee una característica de autodrenaje cuando está instalada con un cierto ángulo.

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• Las válvulas están disponibles de serie con superficies internas electropulidas <35 micropulgadas (0,89 micras). Están disponibles como opción otros valores inferiores respecto a la aspereza superficial.

Tipos de cuerpos

• Válvula de jaula:
• Consiste en un obturador cilíndrico que se desliza en una jaula con orificios adecuados a las características de caudal deseadas en la válvula.

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• Se caracteriza por el fácil desmontaje del obturador y porque éste puede incorporar orificios que permiten eliminar prácticamente el desequilibrio de fuerzas producido por la presión diferencial, favoreciendo la estabilidad del funcionamiento.

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• Es muy resistente a las vibraciones y al desgaste.

Tipos de cuerpos

• Válvula de Saunders:
• El obturador es una membrana flexible.

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• El cuerpo puede revestirse de goma para trabajar con fluidos agresivos.

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• El servomotor debe ser muy potente.

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• Se utiliza en procesos químicos difíciles, en el manejo de fluidos negros o agresivos, o para control de fluidos que contienen sólidos en suspensión.

Tipos de cuerpos

• Válvula de Mariposa:
• El cuerpo está formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira transversalmente un disco circular.

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• Se necesita una fuerza grande del actuador para accionar la válvula en caso de una caída de presión elevada.

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• Se emplean para el control de grandes caudales de fluidos a bajas presiones.

Tipos de cuerpos

• Válvula de Bola:
• El cuerpo de la válvula tiene una cavidad interna esférica que alberga un obturador en forma de esfera o bola.

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• Se emplea principalmente para en el control de caudal de fluidos negros, o bien en fluidos con gran porcentaje de sólidos en suspensión.

Tipos de cuerpos

• Válvulas de obturador excéntrico:
• Válvula de obturador excéntrico rotativo.

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• Válvula de obturador cilíndrico excéntrico.

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Cuerpo de la válvula

Cuerpo de la válvula

• Empaques.
• Sirven para evitar fugas que pudiera haber alrededor del vástago.

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• La empaquetadura que se utiliza normalmente es teflón, cuya temperatura máxima de servicio es de 220 °C.

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Cuerpo de la válvula

• Empaques.
• Los materiales empleados como empaques deben cumplir los siguientes requisitos:

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• Ser inertes al ataque químico del fluido manejado.

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• Presentar baja fricción.

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• Tener un coeficiente de expansión bajo cuando la temperatura es alta.

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• Ser lo suficientemente elásticos para formar el sello y mantenerse comprimidos.

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• Ser resistentes a la abrasión.

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• Tener vida económicamente costeable, y facilidad de reemplazo.

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Cuerpo de la válvula

• Tapón u obturador.
• El obturador determina la característica de caudal de la válvula.

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• Las curvas características más significativas son: apertura rápida, lineal e isoporcentual

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Cuerpo de la válvula

• Tapón u obturador.

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isoporcentual

lineal

Cuerpo de la válvula

• Tapa o bonete:

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• Tapa normal (0 a 220 °C)

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• Tapa con aletas de radiación (-20 a 450 °C)

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• Tapa con columnas de extensión (-150 a -20 °C)

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• Tapa con fuelle de estanqueidad (20 a 450 °C)

Cuerpo de la válvula

• Conexiones:

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• Roscadas.

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• Bridadas.

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• Soldadas.

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Actuadores

• Los actuadores son los dispositivos de potencia que operan el mecanismo que afecta directamente al fluido de la variable manipulada o controlada.

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• Dependiendo del tipo de señal se clasifican en:

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• Neumáticos
• Eléctricos
• Hidráulicos
• Digitales
• Manuales

Actuadores

• Actuadores neumáticos

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• Consiste de un diafragma con resorte que trabaja entre 3 y 15 psi.

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• Al aplicar una presión sobre el diafragma, el resorte se comprime y el mecanismo empieza a moverse hasta alcanzar un equilibrio entre la fuerza ejercida por la presión del aire sobre el diafragma y la fuerza ejercida por el resorte.

Actuadores

• Actuadores eléctricos

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• Es un servomotor eléctrico acoplado al vástago de la válvula a través de un tren de engranajes.

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• El motor se caracteriza principalmente por su par y por el tiempo requerido, usualmente 1 minuto, para hacer pasar la válvula de la posición abierta a la cerrada o viceversa.

Actuadores

• Si la válvula cierra cuando se aplica aire sobre el diafragma se dice que es de acción directa, en caso contrario es acción inversa.

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Accesorios

Posicionador

Volante de accionamiento manual

Camisas

Accesorios

Transmisores de posición y microrruptores de fin de carrera

Repetidor.

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El repetidor o booster reduce el tiempo de transmisión de la señal en el bucle de control

Válvula solenoide de tres vías.

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Permite enclavar la válvula de control en una posición que suele ser la correspondiente a fallo de aire

Problemas en las válvulas de control

• La presencia de cavitación o evaporación instantánea (flashing) de un líquido dentro de una válvula, tienden a limitar el flujo y producen daño físico a la tubería y a la válvula.

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• Estas dos condiciones representan cambios en la fase del fluido al pasar de líquido a vapor.

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• Estos cambios resultan del aumento de velocidad del fluido a su paso a través de una restricción.

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Problemas en las válvulas de control

• Evaporación instantánea:
• Si la presión a la salida de la válvula permanece abajo de la presión de vapor del líquido, las burbujas permanecerán en el sistema.

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• La evaporación instantánea produce serio daño erosivo a las partes internas de una válvula de control y se caracteriza por una apariencia lisa o pulida de la superficie erosionada.

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Problemas en las válvulas de control

• Cavitación:
• Si la presión se recupera lo suficiente para elevar la presión de salida arriba de la presión de vapor del líquido, la burbujas se colapsarán produciendo cavitación.

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• Si las burbujas colapsan muy próximas a las superficies sólidas de la válvula, la energía liberada gradualmente arranca pequeñas partículas de material dejando una superficie áspera.

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Problemas en las válvulas de control

• Ruido:
• Vibración mecánica del tapón
• Ruido hidrodinámico
• Ruido aerodinámico

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Recomendaciones para elegir la característica de flujo de válvulas

Dimensionamiento

• La ecuación general de flujo de una válvula de control se obtuvo gracias a los esfuerzos de Daniel Bernoulli y a pruebas experimentales

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F = Caudal [gpm]

C_v = Coeficiente de dimensionamiento de la válvula. Determinado midiendo el caudal de que circula a caída de presión constante a 60 F

P₁ = presión aguas arriba

P₂ = Presión aguas abajo

γ = Densidad relativa

Dimensionamiento

• Dimensionar una válvula significa determinar el diámetro del orificio de manera que cuando deba circular el caudal normal mínimo y normal máximo las aperturas se encuentren en el tramo intermedio de su carrera (entre el 30 y el 70 %). La apertura será del 100 % para el caudal máximo. Con estas condiciones de cálculo se aseguran capacidad de regulación y rangeabilidad adecuadas.

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Procedimiento general para el dimensionamiento:

1. Determinar la caída de presión a través de la válvula Δp_v.

Hay dos situaciones para fijar el salto de presión:

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• La válvula se instalará en una línea existente. Planteando el balance de presiones (Teorema de Bernoulli) se puede conocer la distribución de presiones en la línea dónde se montará la válvula. Se deben considerar las pérdidas en equipos, accesorios y en el caso de órganos de impulsión la energía de suministro. La diferencia entre la fuerza impulsora y la pérdida de carga de la línea es lo que tiene disponible la válvula

​

• La válvula estará en una línea nueva en la que se deben especificar los sistemas de impulsión inclusive. Un heurístico propone que se establezca en 50% de la caída de presión en la línea sin válvula (33% de la caída de presión total).

​

Procedimiento general para el dimensionamiento:

2. Determinación de los caudales de operación

Se deben conocer (información del proceso) los caudales normales de trabajo (máximo y mínimo): F_Nmín, F_Nmáx. Al caudal máximo (válvula completamente abierta) se lo puede calcular como el máximo que circularía si válvula estaría completamente abierta. Se puede adoptar como estimación 1.25 veces el caudal normal máximo.

Procedimiento general para el dimensionamiento:

3. Cálculo de Cv para líquidos

Si la viscosidad cinemática es ≥ 20 cst el régimen es laminar y la ecuación del coeficiente de descarga de la válvula es:

​

​

Si la viscosidad cinemática es ≤ 20 cst el régimen es turbulento y se debe analizar:

• Si hay riesgo de cavitación incipiente que se da para las válvulas con alto coeficiente de recuperación de la caída de presión a las salida de la misma respecto a la que se produciría en al vena contracta
• Si el flujo es crítico (flasheo) ó subcrítico

​

Estas tres situaciones deben ser identificadas para la caída de presión que debe utilizarse para

el cálculo de C_v de la válvula

Procedimiento general para el dimensionamiento:

Verificación de cavitación incipiente. La válvula cavitará si:

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​

P₁= Presión aguas arriba

P_v= Presión de vapor del fluido a la temperatura de trabajo

K_c=coeficiente de cavitación incipiente, suministrado por el fabricante

​

En este caso se usa la ecuación [1] para el cálculo de C_v pero la caída máxima de presión admisible será y este es el valor que se usa.

​

Procedimiento general para el dimensionamiento:

Verificación de flujo crítico o subcrítico

Flujo crítico

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​

​

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​

P_c: presión crítica

C_f: factor de fluido crítico suministrado por el

fabricante Masoneilan

​

Si P_v < 0.5P₁, ΔP_s = P₁ – P_v

​

En este caso se usa la ecuación [1] para el cálculo de C_v pero la caída máxima de presión admisible será y este es el valor que se usa.

​

Flujo subcrítico

​

​

Vale la simplificación anterior si se cumple

P_v < 0.5P₁, ΔP_s = P₁ – P_v

​

En este caso en la ecuación [1] para el cálculo de C_v se usa el Δp_v calculado.

Procedimiento general para el dimensionamiento:

4. Cálculo de C_v para gases ó vapor

Flujo crítico

​

​

​

En este caso se usa la ecuación [1] para el cálculo de C_v pero la caída máxima de presión admisible será y este es el valor que se usa.

​

Flujo subcrítico

​

​

Vale la simplificación anterior si se cumple

P_v < 0.5P₁, ΔP_s = P₁ – P_v

​

En este caso en la ecuación [1] para el cálculo de C_v se usa el Δp_v calculado.

Procedimiento general para el dimensionamiento:

• 5. Determinación del diámetro

Del catálogo se determina el diámetro de la válvula según el C_v requerido en función de la apertura. Si el diámetro de la válvula y cañería son los mismos allí termina el dimensionamiento. Debe tenerse en cuenta que el C_v disponible por el fabricante puede ser mayor que el requerido lo que con lleva al cálculo de los nuevos caudales.

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Si el diámetro de la válvula y la cañería son diferentes se debe tener en cuenta la pérdida de carga adicional usando un factor de corrección para recalcular el C_v requerido.

Procedimiento general para el dimensionamiento:

• El CV corregido se calcula como:

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​

R: Factor de corrección de capacidad por reducción

Este valor aparece en la tabla 2 para d/D=1.5 y 2. Si la relación es otra se usa la ecuación:

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​

​

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d: diámetro de la válvula

D: diámetro de la cañería

Si el ángulo de reducción es menor de 40º se reemplaza el valor 1.5 por 1.

Procedimiento general para el dimensionamiento:

En el caso que haya reducción cañería válvula y el flujo es crítico (para gases y vapores) el factor de verificación de flujo crítico que se utiliza es C_fr/R

​

El flujo es crítico si

​

​

​

y el Δp_v que se usa en la ecuación es

Procedimiento general para el dimensionamiento:

Ecuaciones de dimensionamiento para vapor y gases

Procedimiento general para el dimensionamiento:

Factores de dimensionamiento para flujo máximo (Masoneilan)

Procedimiento general para el dimensionamiento:

Factores de dimensionamiento en función de la apertura (Masoneilan)