Valvulas: Instrumentación y Control
- Introducción
- Válvula de control.
- Categorías de válvulas.
- Mediciones
de nivel - Medidores
de flujo - Bibliografía
Una válvula
se puede definir como un aparato mecánico con el cual se
puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de
líquidos o gases mediante
una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial
uno o más orificios o conductos.
Las válvulas
son unos de los instrumentos de control
más esenciales en la industria.
Debido a su diseño
y materiales,
las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y
desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de
líquidos y gases, desde los más simples hasta los
más corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van
desde una fracción de pulgada hasta 30 ft (9 m) o
más de diámetro. Pueden trabajar con presiones que
van desde el vació hasta mas de 20000 lb/in² (140
Mpa) y temperaturas desde las criogénicas hasta 1500
°F (815 °C). En algunas instalaciones se requiere un
sellado absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen
importancia.
La palabra flujo
expresa el movimiento de
un fluido, pero también significa para nosotros la
cantidad total de fluido que ha pasado por una sección de
terminada de un conducto. Caudal es el flujo por unidad de
tiempo; es
decir, la cantidad de fluido que circula por una sección
determinada del conducto en la unidad de tiempo.
La válvula
automática de control generalmente constituye el
último elemento en un lazo de control instalado en la
línea de proceso y se
comporta como un orificio cuya sección de paso varia
continuamente con la finalidad de controlar un caudal en una
forma determinada.
Partes de la
válvula de control.
Las
válvulas de control constan básicamente de dos
partes que son: la parte motriz o actuador y el
cuerpo.
- Actuador: el actuador
también llamado accionador o motor, puede
ser neumático, eléctrico o hidráulico,
pero los más utilizados son los dos primeros, por ser
las más sencillas y de rápida actuaciones.
Aproximadamente el 90% de las válvulas utilizadas en la
industria son accionadas neumáticamente. Los actuadores
neumáticos constan básicamente de un diafragma,
un vástago y un resorte tal como se muestra en la
figura (1-a.). Lo que se busca en un actuador de tipo
neumático es que cada valor de la
presión
recibida por la válvula corresponda una posición
determinada del vástago. Teniendo en cuenta que la gama
usual de presión es de 3 a 15 lbs/pulg² en la
mayoría de los actuadores se selecciona el área
del diafragma y la constante del resorte de tal manera que un
cambio de
presión de 12 lbs/pulg², produzca un desplazamiento
del vástago igual al 100% del total de la
carrera.
Figura
1-a Actuador de una
válvula de control.
- Cuerpo de la
válvula: este esta provisto de un obturador o
tapón, los asientos del mismo y una serie de accesorios.
La unión entre la válvula y la tubería
puede hacerse por medio de bridas soldadas o roscadas
directamente a la misma. El tapón es el encargado de
controlar la cantidad de fluido que pasa a través de la
válvula y puede accionar en la dirección de su propio eje mediante un
movimiento angular. Esta unido por medio de un vástago
al actuador.
Debido a las
diferentes variables, no
puede haber una válvula universal; por tanto, para
satisfacer los cambiantes requisitos de la industria se han
creado innumerables diseños y variantes con el paso de los
años, conforme se han desarrollado nuevos materiales.
Todos los tipos de válvulas recaen en nueve
categorías: válvulas de compuerta, válvulas
de globo, válvulas de bola, válvulas de mariposa,
válvulas de apriete, válvulas de diafragma,
válvulas de macho, válvulas de retención y
válvulas de desahogo (alivio).
Estas
categorías básicas se describen a
continuación. Seria imposible mencionar todas las
características de cada tipo de válvula que se
fabrica y no se ha intentado hacerlo. Más bien se presenta
una descripción general de cada tipo en un
formato general, se dan recomendaciones para servicio,
aplicaciones, ventajas, desventajas y otra información útil para el
lector.
La válvula
de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra
el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en
ángulos rectos sobre el asiento (fig. 1-1).
Figura
1-1 Válvula de
compuerta.
- Servicio con apertura total o
cierre total, sin estrangulación. - Para uso poco
frecuente. - Para resistencia
mínima a la circulación. - Para mínimas cantidades
de fluido o liquido atrapado en la tubería.
Servicio general, aceites y
petróleo, gas, aire, pastas
semilíquidas, líquidos espesos, vapor, gases y
líquidos no condensables, líquidos
corrosivos.
- Alta capacidad.
- Cierre
hermético. - Bajo costo.
- Diseño y funcionamiento
sencillos. - Poca resistencia a la
circulación.
- Control deficiente de la
circulación. - Se requiere mucha fuerza para
accionarla. - Produce cavitación con
baja caída de presión. - Debe estar cubierta o cerrada
por completo. - La posición para
estrangulación producirá erosión
del asiento y del disco.
- Cuña maciza, cuña
flexible, cuña dividida, disco doble. - Materiales
- Cuerpo: bronce, hierro
fundido, hierro, acero
forjado, Monel, acero fundido, acero inoxidable, plástico
de PVC. - Componentes
diversos.
Instrucciones
especiales para instalación y
mantenimiento
- Lubricar a intervalos
periódicos. - Corregir de inmediato las fugas
por la empaquetadura. - Enfriar siempre el sistema al
cerrar una tubería para líquidos calientes y al
comprobar que las válvulas estén
cerradas. - No cerrar nunca las llaves a la
fuerza con la llave o una palanca. - Abrir las válvulas con
lentitud para evitar el choque hidráulico en la
tubería. - Cerrar las válvulas con
lentitud para ayudar a descargar los sedimentos y mugre
atrapados.
Especificaciones para
el pedido
- Tipo de conexiones de
extremo. - Tipo de
cuña. - Tipo de asiento.
- Tipo de
vástago. - Tipo de bonete.
- Tipo de empaquetadura del
vástago. - Capacidad nominal de
presión para operación y
diseño. - Capacidad nominal de temperatura
para operación y diseño.
La válvula
de macho es de ¼ de vuelta, que controla la
circulación por medio de un macho cilíndrico o
cónico que tiene un agujero en el centro, que se puede
mover de la posición abierta a la cerrada mediante un giro
de 90° (fig. 1-2).
Figura
1-2 Válvula de
macho.
- Servicio con apertura total o
cierre total. - Para accionamiento
frecuente. - Para baja caída de
presión a través de la
válvula. - Para resistencia mínima
a la circulación. - Para cantidad mínima de
fluido atrapado en la tubería.
- Servicio general, pastas
semilíquidas, líquidos, vapores, gases,
corrosivos. - Ventajas
- Alta capacidad.
- Bajo costo.
- Cierre
hermético. - Funcionamiento
rápido.
- Requiere alta torsión
(par) para accionarla. - Desgaste del
asiento. - Cavitación con baja
caída de presión.
- Lubricada, sin lubricar,
orificios múltiples. - Materiales
- Hierro, hierro dúctil,
acero al carbono,
acero inoxidable, aleación 20, Monel, níquel,
Hastelloy, camisa de plástico.
Instrucciones
especiales para instalación y
mantenimiento
- Dejar espacio libre para mover
la manija en las válvulas accionadas con una
llave. - En las válvulas con
macho lubricado, hacerlo antes de ponerlas en
servicio. - En las válvulas con
macho lubricado, lubricarlas a intervalos
periódicos.
- Material del
cuerpo. - Material del macho.
- Capacidad nominal de
temperatura. - Disposición de los
orificios, si es de orificios múltiples. - Lubricante, si es
válvula lubricada.
Una válvula
de globo es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se
logra por medio de un disco o tapón que sierra o corta el
paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con la
circulación en la tubería (fig. 1-3).
Figura
1-3 Válvula de
globo.
- Estrangulación o
regulación de circulación. - Para accionamiento
frecuente. - Para corte positivo de gases o
aire. - Cuando es aceptable cierta
resistencia a la circulación.
Servicio general, líquidos,
vapores, gases, corrosivos, pastas
semilíquidas.
- Estrangulación eficiente
con estiramiento o erosión mínimos del disco o
asiento. - Carrera corta del disco y pocas
vueltas para accionarlas, lo cual reduce el tiempo y desgaste
en el vástago y el bonete. - Control preciso de la
circulación. - Disponible con orificios
múltiples.
- Gran caída de
presión. - Costo relativo
elevado.
Normal (estándar), en "Y",
en ángulo, de tres vías.
Cuerpo: bronce, hierro, hierro
fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, plásticos.
Componentes: diversos.
Instrucciones
especiales para instalación y
mantenimiento
Instalar de modo que la
presión este debajo del disco, excepto en servicio con
vapor a alta temperatura.
Registro en
lubricación.
Hay que abrir ligeramente la
válvula para expulsar los cuerpos extraños del
asiento.
Apretar la tuerca de la
empaquetadura, para corregir de inmediato las fugas por la
empaquetadura.
Especificaciones para
el pedido
- Tipo de conexiones de
extremo. - Tipo de disco.
- Tipo de asiento.
- Tipo de
vástago. - Tipo de empaquetadura o sello
del vástago. - Tipo de bonete.
- Capacidad nominal para
presión. - Capacidad nominal para
temperatura.
Las
válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales
una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual
permite la circulación directa en la posición
abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra
el conducto (fig. 1-4).
Figura
1-4 Válvula de
bola.
- Para servicio de
conducción y corte, sin
estrangulación. - Cuando se requiere apertura
rápida. - Para temperaturas
moderadas. - Cuando se necesita resistencia
mínima a la circulación.
Servicio general, altas
temperaturas, pastas semilíquidas.
- Bajo costo.
- Alta capacidad.
- Corte
bidireccional. - Circulación en
línea recta. - Pocas fugas.
- Se limpia por si
sola. - Poco mantenimiento.
- No requiere
lubricación. - Tamaño
compacto. - Cierre hermético con
baja torsión (par).
- Características
deficientes para estrangulación. - Alta torsión para
accionarla. - Susceptible al desgaste de
sellos o empaquetaduras. - Propensa a la
cavitación.
Entrada por la parte superior,
cuerpo o entrada de extremo divididos (partidos), tres
vías, Venturi, orificio de tamaño total, orificio
de tamaño reducido.
Cuerpo: hierro fundido, hierro
dúctil, bronce, latón, aluminio,
aceros al carbono, aceros inoxidables, titanio, tántalo,
zirconio; plásticos de polipropileno y PVC.
Asiento: TFE, TFE con llenador,
Nylon, Buna-N, neopreno.
Instrucciones
especiales para instalación y
mantenimiento
Dejar suficiente espacio para
accionar una manija larga.
Especificaciones para
el pedido
- Temperatura de
operación. - Tipo de orificio en la
bola. - Material para el
asiento. - Material para el
cuerpo. - Presión de
funcionamiento. - Orificio completo o
reducido. - Entrada superior o entrada
lateral.
La válvula
de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la
circulación por medio de un disco circular, con el eje de
su orificio en ángulos rectos con el sentido de la
circulación (fig. 1-5).
Figura
1-5 Válvula de
mariposa.
- Servicio con apertura total o
cierre total. - Servicio con
estrangulación. - Para accionamiento
frecuente. - Cuando se requiere corte
positivo para gases o líquidos. - Cuando solo se permite un
mínimo de fluido atrapado en la
tubería. - Para baja ciada de
presión a través de la
válvula.
Servicio general, líquidos,
gases, pastas semilíquidas, líquidos con
sólidos en suspensión.
- Ligera de peso, compacta, bajo
costo. - Requiere poco
mantenimiento. - Numero mínimo de piezas
móviles. - No tiene bolas o
cavidades. - Alta capacidad.
- Circulación en
línea recta. - Se limpia por si
sola.
- Alta torsión (par) para
accionarla. - Capacidad limitada para
caída de presión. - Propensa a la
cavitación.
Disco plano, disco realzado, con
brida, atornillado, con camisa completa, alto
rendimiento.
Cuerpo: hierro, hierro
dúctil, aceros al carbono, acero forjado, aceros
inoxidables, aleación 20, bronce, Monel.
Disco: todos los metales;
revestimientos de elastómeros como TFE, Kynar, Buna-N,
neopreno, Hypalon.
Asiento: Buna-N, viton, neopreno,
caucho,
butilo, poliuretano, Hypalon, Hycar, TFE.
Instrucciones
especiales para instalación y
mantenimiento
Se puede accionar con palanca,
volante o rueda para cadena.
Dejar suficiente espacio para el
movimiento de la manija, si se acciona con palanca.
Las válvulas deben estar en
posición cerrada durante el manejo y la
instalación.
Especificaciones para
el pedido
- Tipo de cuerpo.
- Tipo de asiento.
- Material del
cuerpo. - Material del disco.
- Material del
asiento. - Tipo de
accionamiento. - Presión de
funcionamiento. - Temperatura de
funcionamiento.
Las
válvulas de diafragma son de vueltas múltiples y
efectúan el cierre por medio de un diafragma flexible
sujeto a un compresor. Cuando el vástago de la
válvula hace descender el compresor, el diafragma produce
sellamiento y corta la circulación (fig. 1-6).
Figura
1-6 Válvula de
diafragma.
- Servicio con apertura total o
cierre total. - Para servicio de
estrangulación. - Para servicio con bajas
presiones de operación.
Fluidos corrosivos, materiales
pegajosos o viscosos, pastas semilíquidas fibrosas, lodos,
alimentos,
productos
farmacéuticos.
- Bajo costo.
- No tienen
empaquetaduras. - No hay posibilidad de fugas por
el vástago. - Inmune a los problemas de
obstrucción, corrosión o formación de gomas en
los productos que circulan.
- Diafragma susceptible de
desgaste. - Elevada torsión al
cerrar con la tubería llena.
- Tipo con vertedero y tipo en
línea recta. - Materiales
- Metálicos,
plásticos macizos, con camisa, en gran variedad de cada
uno.
Instrucciones
especiales para instalación y
mantenimiento
Lubricar a intervalos
periódicos.
No utilizar barras, llaves ni
herramientas
para cerrarla.
Especificaciones para
el pedido
- Material del
cuerpo. - Material del
diafragma. - Conexiones de
extremo. - Tipo del
vástago. - Tipo del bonete.
- Tipo de
accionamiento. - Presión de
funcionamiento. - Temperatura de
funcionamiento.
La válvula
de apriete es de vueltas múltiples y efectúa el
cierre por medio de uno o mas elementos flexibles, como
diafragmas o tubos de caucho que se pueden apretar u oprimir
entre si para cortar la circulación (fig. 1-7).
Figura
1-7 Válvula de
apriete.
- Servicio de apertura y
cierre. - Servicio de
estrangulación. - Para temperaturas
moderadas. - Cuando hay baja caída de
presión a través de la
válvula. - Para servicios
que requieren poco mantenimiento.
Pastas semilíquidas, lodos
y pastas de minas, líquidos con grandes cantidades de
sólidos en suspensión, sistemas para
conducción neumática de sólidos, servicio de
alimentos.
- Bajo costo.
- Poco mantenimiento.
- No hay obstrucciones o bolsas
internas que la obstruyan. - Diseño
sencillo. - No corrosiva y resistente a la
abrasión.
- Aplicación limitada para
vació. - Difícil de determinar el
tamaño.
Camisa o cuerpo descubierto;
camisa o cuerpo metálicos alojados.
Caucho, caucho blanco, Hypalon,
poliuretano, neopreno, neopreno blanco, Buna-N, Buna-S, Viton A,
butilo, caucho de siliconas, TFE.
Instrucciones
especiales para instalación y
mantenimiento
Los tamaños grandes pueden
requerir soportes encima o debajo de la tubería, si los
soportes para el tubo son inadecuados.
Especificaciones para
el pedido
- Presión de
funcionamiento. - Temperatura de
funcionamiento. - Materiales de la
camisa. - Camisa descubierta o
alojada.
Válvulas de
retención (check) y de desahogo
(alivio)
Hay dos
categorías de válvulas y son para uso
específico, más bien que para servicio general:
válvulas de retención (check) y válvulas de
desahogo (alivio). Al contrario de los otros tipos descritos, son
válvulas de accionamiento automático, funcionan sin
controles externos y dependen para su funcionamiento de sentido
de circulación o de las presiones en el sistema de
tubería. Como ambos tipos se utilizan en
combinación con válvulas de control de
circulación, la selección
de la válvula, con frecuencia, se hace sobre la base de
las condiciones para seleccionar la válvula de control de
circulación.
Válvulas de
retención (check).
La válvula
de retención (fig. 1-8) esta destinada a impedir una
inversión de la circulación. La
circulación del líquido en el sentido deseado abre
la válvula; al invertirse la circulación, se
cierra. Hay tres tipos básicos de válvulas de
retención: 1) válvulas de retención de
columpio, 2) de elevación y 3) de mariposa.
Válvulas de
retención del columpio.
Esta
válvula tiene un disco embisagrado o de charnela que se
abre por completo con la presión en la tubería y se
cierra cuando se interrumpe la presión y empieza la
circulación inversa. Hay dos diseños: uno en "Y"
que tiene una abertura de acceso en el cuerpo para el esmerilado
fácil del disco sin desmontar la válvula de la
tubería y un tipo de circulación en línea
recta que tiene anillos de asiento reemplazables.
- Cuando se necesita resistencia
mínima a la circulación. - Cuando hay cambios poco
frecuentes del sentido de circulación en la
tubería. - Para servicio en
tuberías que tienen válvulas de
compuerta. - Para tuberías verticales
que tienen circulación ascendente.
Para servicio con líquidos
a baja velocidad.
- Puede estar por completo a la
vista. - La turbulencia y las presiones
dentro de la válvula son muy bajas. - El disco en "Y" se puede
esmerilar sin desmontar la válvula de la
tubería.
Válvulas de
retención con disco inclinable.
Cuerpo: bronce, hierro fundido,
acero forjado, Monel, acero fundido, acero inoxidable, acero al
carbono.
Componentes: diversos.
Instrucciones
especiales para instalación y
mantenimiento
- En las tuberías
verticales, la presión siempre debe estar debajo del
asiento. - Si una válvula no corta
el paso, examinar la superficie del asiento. - Si el asiento esta
dañada o escoriado, se debe esmerilar o
reemplazar. - Antes de volver a armar,
limpiar con cuidado todas las piezas internas.
Válvulas de
retención de elevación
Una válvula
de retención de elevación es similar a la
válvula de globo, excepto que el disco se eleva con la
presión normal e la tubería y se cierra por
gravedad y la circulación inversa.
Figura
1-8 Válvula de
retensión (tipo de elevación).
- Cuando hay cambios frecuentes
de circulación en la tubería. - Para uso con válvulas de
globo y angulares. - Para uso cuando la caída
de presión a través de la válvula no es
problema.
Tuberías para vapor de
agua, aire,
gas, agua y vapores con altas velocidades de
circulación.
- Recorrido mínimo del
disco a la posición de apertura total. - Acción
rápida.
Tres tipos de cuerpos: horizontal,
angular, vertical.
Tipos con bola (esfera),
pistón, bajo carga de resorte, retención para
vapor.
Cuerpo: bronce, hierro, hierro
fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, PVC, Penton,
grafito impenetrable, camisa de TFE.
Componentes: diversos.
Instrucciones
especiales para instalación y
mantenimiento
- La presión de la
tubería debe estar debajo del asiento. - La válvula horizontal se
instala en tuberías horizontales. - La válvula vertical se
utiliza en tubos verticales con circulación ascendente,
desde debajo del asiento. - Si hay fugas de la
circulación inversa, examinar disco y
asiento.
Válvula de
retención de mariposa
Una válvula
de retención de mariposa tiene un disco dividido
embisagrado en un eje en el centro del disco, de modo que un
sello flexible sujeto al disco este a 45° con el cuerpo de la
válvula, cuando esta se encuentra cerrada. Luego, el disco
solo se mueve una distancia corta desde el cuerpo hacia el centro
de la válvula para abrir por completo.
- Cuando se necesita resistencia
mínima a la circulación en la
tubería. - Cuando hay cambios frecuentes
en el sentido de la circulación. - Para uso con las
válvulas de mariposa, macho, bola, diafragma o de
apriete.
Servicio para líquidos o
gases.
- El diseño del cuerpo se
presta para la instalación de diversos tipos de camisas
de asiento. - Menos costosa cuando se
necesita resistencia a la corrosión. - Funcionamiento
rápido. - La sencillez del diseño
permite construirlas con diámetros grandes. - Se puede instalar virtualmente
en cualquier posición.
Con camisa completa.
Con asiento blando.
Cuerpo: acero, acero inoxidable,
titanio, aluminio, PVC, CPCB, polietileno, polipropileno, hierro
fundido, Monel, bronce.
Sello flexible: Buna-N, Viton,
caucho de butilo, TFE, neopreno, Hypalon, uretano, Nordel, Tygon,
caucho de siliconas.
Instrucciones
especiales para instalación y
mantenimiento
En las válvulas con camisa,
esta se debe proteger contra daños durante el
manejo.
Comprobar que la válvula
queda instalada de modo que la abra la circulación
normal.
Una válvula
de desahogo (fig. 1-9) es de acción
automática para tener regulación automática
de la presión. El uso principal de esta válvula es
para servicio no comprimible y se abre con lentitud conforme
aumenta la presión, para regularla.
La válvula
de seguridad es
similar a la válvula de desahogo y se abre con rapidez con
un "salto" para descargar la presión excesiva ocasionada
por gases o líquidos comprimibles.
El tamaño
de las válvulas de desahogo es muy importante y se
determina mediante formulas especificas.
Figura
1-9 Válvula de
desahogo (alivio).
Sistemas en donde se necesita una
gama predeterminada de presiones.
Agua caliente, vapor de agua,
gases, vapores.
- Bajo costo.
- No se requiere potencia
auxiliar para la operación.
- Seguridad, desahogo de
seguridad. - Construcción con
diafragma para válvulas utilizadas en servicio
corrosivo.
Cuerpo: hierro fundido, acero al
carbono, vidrio y TFE,
bronce, latón, camisa de TFE, acero inoxidable, Hastelloy,
Monel.
Componentes: diversos.
Instrucciones
especiales para instalación y
mantenimiento
Se debe instalar de acuerdo con
las disposiciones del Código
ASME para recipientes de presión sin fuego.
Se debe instalar en lugares de
fácil acceso para inspección y
mantenimiento.
Es la distancia
existente entre una línea de referencia y la superficie
del fluido, generalmente dicha línea de referencia se toma
como fondo del recipiente.
Métodos de medición.
Como se menciono
anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida mas
fácilmente, pero existen otros factores, tales como
viscosidad del
fluido, tipo de medición deseada, presión, si el
recipiente esta o no presurizado, que traen como consecuencias
que existan varios métodos y
tipos de instrumentos medidores del nivel. El medidor de nivel
seleccionado dependerá de nuestras necesidades o
condiciones de operación.
Los métodos
utilizados para la medición del nivel de líquidos,
básicamente pueden ser clasificados en: Métodos de
medición directa y método de
medición indirecta.
Métodos
de medición indirecta:
Método por medidores actuados por
desplazadores.
Estos tipos de
instrumentos se utilizan generalmente para llevar la
medición a sitios remotos o para el control de nivel,
aunque también pueden utilizarse como un indicador
directo. Están compuestos principalmente por un
desplazador, una palanca y un tubo de torsión.
La figura
(a) muestra los componentes básicos de uno de estos
medidores. Como podemos observar, el objetivo
principal de estos componentes, es convertir el movimiento
vertical del desplazador en un movimiento circular del tubo de
torsión.
Figura (a)
El principio de
funcionamiento se basa en el principio de Arquímedes y puede resumirse de la
siguiente manera: el peso del desplazador ejerce una fuerza sobre
el tubo de torsión, pero al subir el nivel, el desplazador
desplaza más líquido y este ejercerá una
fuerza o empuje sobre el desplazador, el cual se vuelve
más liviano. Esto trae como consecuencia que el tubo de
torsión gire debido a la disminución de la
torsión, que el desplazador ejerce sobre el. Este giro es
aprovechado acoplándose una aguja, la cual indicara el
nivel directamente.
Método de medidores actuados por
presión hidrostática.
Al estudiar el
objetivo referente a presión, deducimos un formula por la
cual se estableció que la presión en cualquier
punto debajo de la superficie del liquido, depende solamente de
la profundidad a la cual se encuentre el punto en cuestión
y el peso especifico del liquido, es decir, que 
. Como se recordara, esta
presión es conocida como presión
hidrostática.
Existen varios
tipos de medidores de nivel que trabajan y operan bajo este
principio, de los cuales los más comunes son:
Sistema
básico o Manómetro.
Entre los
medidores de nivel actuados por presión
hidrostática, el sistema básico o manómetro
es el más sencillo. Consta solamente de un
manómetro y en el caso de que el líquido cuyo nivel
se desea medir, sea corrosivo o viscoso, es necesario,
además del manómetro, un equipo de sello con la
finalidad de aislar el instrumento de dicho fluido.
El
manómetro puede ser uno convencional, con la diferencia de
que la escala en lugar
de ser graduada en unidades de presión, es graduada en
unidades de nivel.
Medidor de nivel
mediante Presión Hidrostática
La figura 2-1
muestra una caja de diafragma Foxboro. Esta caja se sumerge en el
líquido que se va a medir, y un capilar lleno de aire se
extiende desde ella hasta el instrumento. La deflexión del
diafragma, que se produce por la altura del líquido,
provoca que el aire que contiene el capilar se comprima. El
instrumento que recibe el aire del capilar responde indicando la
altura del liquido que esta ejerciendo presión en el
diafragma. La caja se construye en dos secciones, entre estas
esta colocado el diafragma de caucho, o de una composición
sintética resistente al aceite.
Figura
2-1 Diafragma-caja medidor
de nivel de líquidos
(Cortesía de
Foxboro Co.).
Para la
medición de niveles en tanques al vació o bajo
presión pueden utilizarse los instrumentos de
medición del flujo por métodos de
presión diferencial. La única diferencia es que el
instrumento dará una lectura
inversa; es decir, cuando señale caudal cero en medidas de
flujo, se leerá nivel máximo en medidas de nivel.
Deben tomarse precauciones para obtener la correspondiente
respuesta del instrumento. Por ejemplo, es posible utilizar
medidores de rango compuesto. Como estos instrumentos
están diseñados para permitir el flujo en ambas
direcciones, es posible utilizarlos para mediciones de nivel de
líquido, teniendo la posición de cero en el
interior de la grafica, moviéndose la pluma hacia su borde
con el aumento de nivel.
El principio de
funcionamiento se basa en aplicarle al instrumento la
presión existente en la superficie del liquido en ambas
conexiones con la finalidad de anularla y que la presión
detectada, sea la presión hidrostática, la cual
como se ha visto, la podemos representar en unidades de
nivel.
Las mediciones de
nivel que se basan en la presión que ejerce un
líquido por su altura, implican que la densidad sea
constante. El instrumento se debe calibrar para una densidad
específica y cualquier cambio en ella trae consigo errores
de medición. El método más simple para
medir el nivel de un líquido en un recipiente abierto, es
conectar un medidor de presión por debajo del nivel mas
bajo que se va a considerar. Este nivel es, entonces, el de
referencia y la presión estática
indicada por el medidor es una medida de la altura de la columna
del líquido sobre el medidor, y por lo tanto del nivel del
líquido. El medidor de presión, cuando se usa para
mediciones de nivel de líquidos, se calibra en unidades de
presión, en unidades de nivel de líquido
correspondientes a la gravedad específica del
líquido, o en unidades volumétricas calculadas
según las dimensiones del recipiente. También se
puede calibrar de 0 a 100, lo que permite lecturas en
términos de tanto por ciento de nivel máximo. Para
que el medidor lea cero cuando el liquido esta en su nivel
mínimo, a través del elemento accionador debe haber
una línea horizontal aproximadamente al mismo nivel que la
línea de centros de la toma de la tubería de
mínimo nivel. En el medidor se pueden usar tornillos de
ajuste a cero para compensar pequeñas diferencias. Para
controlar el límite, el medidor de presión puede
ser un controlador, o puede estar ligado a un interruptor de
presión. Cuando no se requiere una indicación de
nivel, este último es suficiente.
Cuando no se puede
usar un diafragma, se puede instalar una caja sin este. Esto
requiere que el líquido se encuentre libre de
sólidos, que pueden obstruir el capilar. El
líquido, mientras sube en la caja comprime el aire del
capilar y el instrumento da la respuesta
correspondiente.
Método de
equilibrio de
presión de aire
Este método
se prefiere, normalmente, al de caja de diafragma si se dispone
de aire o liquido para purga, aunque se puede aceptar un bombeo
manual. Se
puede aplicar ya sea desde lo alto del depósito o de las
paredes laterales.
Método de
duplicador de presión
Un ejemplo del
tipo de duplicador de presión es el transmisor de nivel de
líquidos fabricado por la Taylor
Instruments Company, y que se muestra en la figura 2-2. Este
convierte la presión de la altura del líquido en
una señal de aire que se transmite a un instrumento
medidor de presión como receptor. La vista de la
sección transversal, muestra al transmisor en la
posición en la que se monta en le fondo del tanque, con la
columna de agua cargando sobre el diafragma. Una tubería
suministra aire al medidor de nivel a una presión de 3 a 5
psi, mas elevada que la correspondiente a la columna de
líquido para nivel máximo. Otra tubería
transmite la presión señal de nivel salida del
medidor, a un receptor a distancia.
Figura
2-2 Transmisor de nivel de
líquido
(Cortesía de
Taylor Instrument Co.).
Métodos
de medición directa:
Consiste en una
varilla o regla graduada, de la longitud conveniente para
introducirla dentro del depósito. La determinación
del nivel se efectúa por lectura directa de la longitud
mojada por el líquido. En el momento de la lectura el
tanque debe estar abierto a presión atmosférica. Se
utiliza generalmente en tanques de fuel oil o
gasolina.
Medidor de
sonda
Es el método de medir nivel
por medio de cintas. El instrumento esta compuesto por tres
partes principales que son: el carrete, la cinta graduada y un
peso o plomada.
La plomada sirve
para que se mantenga la cinta tensa al penetrar en el
líquido. Para medir el nivel se deja que la cinta baje
lentamente hasta que la plomada toque el fondo del recipiente.
Unas ves que la plomada toca el fondo se empieza a recoger la
cinta con el carrete, hasta que aparezca la parte donde el
líquido ha dejado la marca que indica
su nivel.
Otra forma simple
y quizás la mas común de medir el nivel, es por
medio del indicador de cristal. Estos tipos de indicadores
sirven para varias aplicaciones y se pueden utilizar tanto para
recipientes abiertos como para cerrados.
El indicador
consiste de un tubo de vidrio, en el caso del indicador de bajas
presiones y de un vidrio plano en el caso del indicador para
altas presiones, montadas entre dos válvulas, las cuales
se utilizan para sacar de servicio el indicador sin necesidad de
parar el proceso.
Los instrumentos
que utilizan un flotador-boya no dependen de la presión
estática para medir el nivel de líquidos. De todos
modos la presión estática debe tomarse en cuenta al
proyectar el flotador; ya que siendo este hueco, ha de
construirse lo suficientemente robusto como para soportarla sin
deformarse.
El flotador se
suspende de una cinta sometida a leve tensión. Conforme
aquel se desplaza arriba o abajo, siguiendo el nivel del
líquido, arrastra la cinta la cual hace girar una rueda
catalina. La figura 2-3, muestra un transmisor de nivel de
liquido Shand & Jurs que acoplado a un captador como el
descrito convierte la posición de flotador en impulsos
eléctricos. Los pulsos representan la información
de nivel y se transmiten a estaciones de control remotas, para su
lectura.
Figura
2-3 Esquema de un
transmisor de nivel de líquidos.
(Cortesía de
Shand & Jurs).
Es la cantidad de
fluido que pasa a través de la sección por unidad
de tiempo. Por ejemplo, en cierta tubería puede haber un
régimen de flujo de 100 galones de agua por minuto. Esto
quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100
galones de agua. Si se considera el numero de galones que van a
pasar a partir de cierto momento, después de dos minutos
200 galones, etc. Si el régimen de flujo se mantiene con
el mismo valor, después de cierto tiempo habrá
pasado un numero total de galones igual al régimen de
flujo multiplicado por el tiempo transcurrido; por ejemplo,
después de 15 minutos habrán pasado 100 x 15 =
1.500 galones.
Al contrario
dividiendo el número total de galones entre el tiempo, se
obtiene el régimen de flujo. En el ejemplo anterior
1.500/15 = 100 gal/min.
Unidades para medir cantidad de
fluido.
La cantidad de
cierto líquido, gas o vapor se puede medir en unidades de
masa, y el régimen de flujo en unidades de masa por unidad
de tiempo, por ejemplo, en libras por hora. De hecho, en la
práctica se utilizan dichas unidades, especialmente cuando
se trata de vapor de agua.
Pero con mucha
frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de
volumen y el
régimen de flujo en unidades de volumen por unidad de
tiempo, por ejemplo, galones por minuto, barriles por día,
pies cúbicos por hora. Generalmente la cantidad de agua se
mide en galones a 60 °F, la de otros líquidos
manejados en la industria del petróleo,
en barriles a 60 °F; la cantidad de gas en pies
cúbicos a 60 °F y 14.7 lb/plg.
El medidor de flujo doble consta
de dos manómetros que se montan en la parte posterior de
un instrumento sencillo, siendo posible para ambos registrar
sobre la misma grafica. Este montaje es a veces muy útil
para mantener condiciones de equilibrio entre dos
caudales.
El medidor de
flujo de doble rango. Consiste en un captador de caudal conectado
a dos tubos de rango, como se muestra en la figura 3-1 que
representa la versión de las Taylor Instruments Company.
Su propósito es contrarrestar la poca sensibilidad que
presenta un captador de presión diferencial, en la parte
baja de la escala de caudal. Para ello se disponen sobre el mismo
captador dos cámaras de rango o escala; la primera
actúa entre 0 y el 25 % del caudal y la otra lo hace entre
el 25 % y el 100 %.
Figura
3-1 Vista posterior de un
medidor de doble rango.
(Cortesía de
Taylor Instrument Co.).
Los captadores
hasta ahora descritos transmiten el desplazamiento del flotador o
la inclinación de la balanza tórica, por medio de
juegos de
palancas, levas, u otro dispositivo mecánico, a un eje que
gira arrastrando la pluma del registrador. Este eje ha de salir
al exterior atravesando la pared de la cámara del
flotador, que esta bajo presión. Esto se consigue por
medio de una chumacera o cojinete estanco que, para no falsear la
medida ha de producir el mínimo rozamiento posible sobre
el eje.
Se utilizan
frecuentemente sistemas de medida de caudal con
transmisión eléctrica, cuando el instrumento de
medida o registro se
localiza lejos del elemento primario. Para ello se dispone de
varios métodos.
El método
de conductividad es utilizado por la Republic Flow Meters
Company. Se utiliza la elevación del nivel del mercurio en
la rama de baja presión de un tubo U para variar la
resistencia de un circuito eléctrico (fig. 3-2). La
corriente
eléctrica que fluye por este circuito será, por
tanto, función de
la presión diferencial aplicada al cuerpo medidor y en
consecuencia función de la velocidad del fluido que
atraviesa el elemento primario.
Figura
3-2 Esquema del
método de conductividad.
Medidores de flujo de
tipo reten
Los captadores de
caudal de este tipo utilizan un reten en lugar de la placa con
orificio u otra restitución del flujo. Miden la fuerza con
que la corriente fluida choca contra una superficie interpuesta
en su camino, como se muestra en la figura 3-3, para un captador
fabricado por la Foxboro Company. El reten, de forma circular y
bordes afilados, apropiado para el margen de caudal a medir, se
fija al extremo bajo de la barra de fuerza y queda exactamente
centrado con la tubería.
El empuje que el
fluido ejerce sobre el reten tiende por medio de la barra de
fuerza, a variar la distancia entre la tapa o paleta y la tobera,
lo que provoca la variación de la presión de aire
en el relevador, en los fuelles de retroalimentación y en la salida de
señal hacia el receptor.
Figura
3-3 Medidor de reten
(cortesía de Foxboro Co.).
Medidores de caudal
de vertedero
Cuando el fluido
se mueve en canales abiertos, se utilizan otros medios de
medición. Generalmente se requiere algún tipo de
vertedero o angostura, que proporcionan restricciones al paso del
fluido. En la figura 3-4 se muestra un vertedero de compuerta
cortada en V, que puede utilizarse hasta caudales de 6000 galones
por minuto; la abertura rectangular de lazos se recomienda para
caudales mayores. Cuando las pérdidas de altura deben ser
mínimas o si el líquido medio contiene
considerables cantidades de sólidos, sedimentos, etc., se
prefiere una angostura. Una de las formas que más se
utiliza es la angostura Parshall que se muestra en la figura
3-5.
Figura
3-4 Instalación de
angostura Parshall. (Cortesía de Foxboro Co.)
Figura
3-5 Vertedero cortado en
V. El corte rectangular se muestra con líneas
punteadas.
(Cortesía de
Foxboro Co.)
Medidores de flujo de
desplazamiento positivo
Los medidores de
desplazamiento positivo son esencialmente instrumentos de
cantidad de flujo. Se utilizan frecuentemente para medida de
líquidos en procesos
discontinuos. Para procesos continuos se prefieren los
instrumentos de caudal.
El instrumento de
desplazamiento positivo, toma una cantidad o porción
definida del flujo, y la conduce a través de un medidor,
luego produce con la siguiente torsión y así
sucesivamente. Contando las porciones pasadas por el medidor se
obtiene la cantidad total pasada por este. La exactitud de los
medidores de desplazamiento positivo es alta, generalmente entre
0,1 y 1 %.
Medidores de corrientes de
fluido
Estos medidores
tienen una hélice u otro elemento giratorio, que es
accionado por la corriente de fluido y transmite su movimiento,
por engranajes, al contador. Miden la velocidad del fluido y la
corriente en medidas de flujo. La figura 3-6 muestra el medidor
sparling accionado magnéticamente: fabricado por
Hersey-Sparling Meter Co., y del que se dispone de modelos para
medidas de flujo en tuberías desde 12,25 hasta 61 cm.
También se dispone de otros tipos de medidores para
tuberías hasta 183 cm. Una de las ventajas de estos
aparatos es la pequeña caída de presión que
provocan; por ejemplo, en líneas de tubería de 20,3
cm o más, la perdida es generalmente menor que 7,6 cm de
columna de agua, a velocidades normales. Generalmente el
propulsor ocupa aproximadamente ocho décimas partes del
diámetro de la tubería y se disponen de estas
paletas rectas con el fin de reducir la tubería y asegurar
un flujo suave a través del propulsor.
Medidores de flujo
ultrasónicos
El medidor de
flujo que fabrica la Gulton Industries, responde a la
deflexión de las ondas
ultrasónicas transmitidas a través de una corriente
fluida. Un transmisor que genera sonido
ultrasónico, se monta en el exterior de una tubería
colocando a distancias determinadas, aguas arriba y abajo, sendos
receptores de ultrasonidos opuestos al emisor. En condiciones de
no-flujo, ambos receptores reciben igual cantidad de
energía ultrasónica y generan tensiones iguales. En
condiciones de flujo (en cualquier sentido) las ondas
ultrasónicas se deflectan y como resultado los receptores
generan voltajes distintos. Comparando ambos voltajes, se tiene
indicación del sentido y la magnitud del flujo.
Los medidores de
masa de flujo diferentes de los demás en que miden
directamente el peso del flujo y no su volumen. El medidor de
masa de flujo de la General Eléctrica mide flujos gaseosos
o líquidos, por ejemplo, expresándolos directamente
en libras y, por tanto no le afectan las variaciones de
presión, temperatura ni densidad del fluido. La unidad
completa incluye cuatro componentes básicos: el elemento
sensible a la velocidad del flujo, el mecanismo del giroscopio
integrador, el registrador ciclométrico y el accionador de
contactos.
Manual de mantenimiento
industrial.
Robert C. Rosaler.
James O. Rice.
Tomo III
Editorial McGraw-Hill
Instrumentación para
medición y control.
W. G. Holzbock.
Publicaciones C.E.C.
s.a
Realizado por:
Enrique Jose
caroli