Tema: Medición de Nivel y de Flujo

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1 1 Facultad: Ingeniería Escuela: Electrónica Asignatura: Instrumentación Industrial Lugar de ejecución: Instrumentación y Control (Edificio 3, 2da planta).se hará en dos sesiones Tema: Medición de Nivel y de Flujo Objetivo General Utilizar el transmisor de nivel por ultrasonido de uso industrial model LIT25 de Greyline Instruments inc. Analizar un método de medición de flujo por medio de un sensor de aspa giratoria. Objetivos Específicos Calibrar el transmisor de nivel por ultrasonido LIT25 de Greyline Instruments inc. Medir con el transmisor de nivel diversos niveles de líquido en un tanque con diferentes calibraciones del instrumento. Medir e interpretar la corriente que se obtiene en la salida de 4-20mA del instrumento para los diferentes niveles y calibraciones. Analizar la curva de salida del sensor de flujo de aspa giratoria. Analizar el error obtenido de este experimento. Medir el tiempo que tarda en pasar por la tubería una cantidad fija de volumen para obtener la corriente volumétrica del caudalómetro. Comparar las mediciones de flujo realizadas en la práctica con el dato proporcionado por el fabricante. Material y Equipo 1 Transmisor de nivel por ultrasonido Model LIT25 de Greyline Instruments inc 1 Tanque de 550 mm 1 Tester Digital 1 Par de puntas para el tester 1 Regla de 50 cm. 1 destornillador plano tipo bornera 1 galón de agua 1 Caudalómetro de aspa giratoria [SO3535-7S] 1 Amplificador de potencia [S Q] 1 Tanque de llenado [SO3536-9K] 1 Receptáculo con bomba [SO3536-9H] 1 Hoja transparente graduada para el tanque [SO3536-9W] 1 Beaker graduado.

2 2 Instrumentación Industrial. Guía 6 1 Valor de referencia [SO3536-5A] 11 Puentes de conexión. 1 Fuente de +/-15V [SO3538-8D] 1 Cronómetro [SO5127-2F] 5 Cables de conexión. 1 Manguera. Introducción Teórica Transmisor Indicador de Nivel LIT25 Este compacto instrumento permite visualizar, controlar y transmitir a otros dispositivos el nivel de un tanque o depósito. Simplemente se monta el sensor sin contacto ultrasónico en el techo del tanque y el case con la pantalla digital en una ubicación conveniente para su visualización. El transmisor indicador de nivel posee una salida aislada de corriente de 4-20mA para transmitir el nivel directo a un PLC o controlador, además de un relé programable para activación de bombas o alarmas de nivel, temperatura o perdida del eco. El case con la pantalla además de utilizarse como un indicador local, permite la calibración del instrumento sin que se tenga que escalar el tanque para llegar al sensor. Sensor sin contacto ultrasónico Figura 1. Transmisor indicador de Nivel LIT25 Trae incorporado un sensor de temperatura que compensa los cambios de velocidad del sonido debido a la temperatura, la señal de nivel y temperatura van en un solo cable coaxial con una longitud de hasta 152 m de distancia del case con la pantalla.

3 3 El sensor debe estar separado del máximo nivel a medir una distancia de 30.5 cm y tiene capacidad para medir hasta m de distancia, puede medir tanto líquidos como sólidos (incluidos polvos finos), esta hecho con PVC y teflón, es hermético al agua y no es afectado por el polvo. En la Figura 2 se muestra las forma correcta e incorrecta de la ubicación del sensor, según el deposito y el material a medir: Figura 2. Ubicación del sensor ultrasónico Salida de corriente de 4-20 ma El transmisor de nivel trae una salida de corriente con un rango de 4-20 ma para indicar el nivel o distancia que se está midiendo, dependiendo de como se haga la calibración será lo uno o lo otro, si para 20 ma se coloca la mínima distancia desde el sensor y para 4mA la máxima distancia se medirá el nivel, si se hace a la inversa, se medirá la distancia que hay entre el sensor y el nivel

4 4 Instrumentación Industrial. Guía 6 Figura 3. Calibración salida de corriente de 4-20mA (debe haber al menos 5 cm de diferencia entre los valores que se le coloquen a 4 ma y 20 ma) Porque usar una salida de corriente de 4-20 ma? El transmitir valores de magnitudes físicas convertidas en corriente en lugar de voltaje está siendo ampliamente utilizado y se ha estandarizado por las instituciones: American National Standards Institute (ANSI) y Intrumentations Systems, and Automation Society (ISA) 1,debido a las ventajas que presenta, pues los datos pueden ser enviados a mayores distancias que utilizando voltaje y se logra inmunidad al ruido, a la vez que dispositivos como PLC u otros controladores pueden ya procesar esta información directamente sin dispositivos intermediarios. Medición de Flujo Además de la medición temperatura y presión se considera la medición de caudal en tuberías con líquido corriente como de las más importantes. Posibilita medir la cantidad que ya pasó o la cantidad que actualmente está pasando. También se puede usar en este método diferentes materiales sin necesidad de pesar. Para eso hay que diferenciar entre cantidad y flujo. Bajo cantidad se entiende el volumen o la masa que pasó por la sección transversal. El flujo es una variable dependiente del tiempo. Dependiendo de la denominación de la cantidad se diferencia entre corriente volumétrica V y corriente de masa m : V= V t (1) 1 la norma de lazo de corriente de 4-20 ma está disponible en ANSI/ISA-S (R1992) Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments)

5 5 ṁ= m t (2) La corriente volumétrica puede ser expresada en m 3 /s o l/min y la corriente de masa en kg/s o ton/ph por ejemplo. Así se define la corriente volumétrica o de masa a la cantidad (volumen o masa) que corre por una sección transversal dentro de una unidad de tiempo. La masa de un material no depende de la temperatura y presión. El volumen si varía con la temperatura y la presión es decir la densidad ρ. La medición de cantidad es realizada mayormente con mediciones volumétrica debido a su complejidad inferior. La conversión de corriente volumétrica a corriente de masa se realiza análogamente a la conversión de volumen a masa vía la densidad: ṁ= V (3) La mayoría de los equipos empleados para la medición de caudal sufren una pérdida de presión definida. Esta es la diferencia de la presión estática entre la entrada y la salida del dispositivo de medición. Es un valor de la energía necesaria para la operación del dispositivo de medición tomada del medio de medición. Con el volumen mínimo se define el menor volumen que se puede definir dentro de las tolerancias indicadas. Métodos de medición de caudal Existen varios sistemas para medir caudal según sea el tipo de caudal, volumétrico o másico. En la Tabla 1, se detalla el sistema, elemento y transmisor. Medidores Volumétricos Sistema Elemento Transmisor Presión Diferencial Placa Orificio Equilibrio de fuerzas Tobera Tubo Venturi Silicio Fundido Tubo Pitot Tubo Annubar Área Variable Rotámetro Equilibrio de movimientos Potenciométrico Puente de Impedancias Velocidad Vertedero con flotador en canales abiertos Potenciométrico Turbina Piezoeléctrico Transductores ultrasónicos Fuerza Placa de impacto Equilibrio de fuerzas Galgas extensométricas Tensión inducida Medidor magnético Convertidor Potenciométrico Desplazamiento positivo Disco Giratorio Generador tacométrico o Pistón Oscilante transductor de impulsos

6 6 Instrumentación Industrial. Guía 6 Pistón Alternativo Medidor Rotativo Torbellino Medidor de frecuencia de Transductor de resistencia termistancia o condensador de ultrasonidos Medidores de Caudal de Masa Térmico Diferencia de temperatura en dos Puente de Wheatstone sondas de resistencia Momento Medidor Axial Convertidor de par Medidor Axial de doble turbina Par giroscopio Tubo giroscopio Convertidor de par Presión diferencial Puente hidráulico Equilibrio de fuerzas Tabla 1. Resumen de los equipos de medición volumétrica y caudal de masa. Procedimiento PARTE I: MEDICIÓN DE NIVEL 1. Verifique que el transmisor de nivel tenga conectado el sensor y el cable de alimentación tal como se muestra en la Figura 4. Figura 4 Conexiones del transmisor de nivel ultrasónico 2. Conecte la salida de corriente al miliamperímetro (escala de 200 ma) 3. Mida la distancia que hay desde el 0 de la escala graduada que posee el tanque hasta el tope y anótelo: cm. 4. Si se coloca el sensor en el tope del tanque y sabiendo que este debe estar separado

7 7 del máximo nivel una distancia de 30.5 cm cuál es el máximo valor de nivel que podrá medir el sensor en este tanque? cm. 5. Llene el tanque de agua hasta ese valor de altura. 6. Sostenga el sensor ultrasónico en el tope del tanque, manténgalo perpendicular a las paredes del tanque tal como se muestra en la Figura Conecte el transmisor de nivel a la linea de alimentación de 110V RMS. Si todo esta bien, oirá como el sensor emite un sonido para detectar el nivel y se mostrará una medida del nivel en la pantalla, vea como en la parte que dice Echo (eco) aparece una señal intermitente indicando que la señal tiene buen eco, sino es así notifique al docente de laboratorio. 8. Se procederá a calibrar el rango de medida del mismo, para ello debe seguirse el flujograma que indica el fabricante y que se muestra en la Figura En este momento en la pantalla se encuentra la medida del nivel, es decir se está en la tercera caja de texto en modalidad normal, si presiona el botón con la flecha hacia arriba del indicador de nivel, pasa a la segunda caja de texto que le muestra la distancia desde el sensor al blanco. 10.Presione de nuevo el botón con la flecha hacia arriba y tal como dice el flujograma le mostrará la temperatura que hay en el sensor. 11. Presione de nuevo el botón con la flecha hacia arriba y volverá a la modalidad normal, ahora presione la flecha hacia abajo para seleccionar las unidades de calibración, en pantalla se muestra la palabra CALU y si dentro de esta opción se presiona la flecha hacia arriba, cambiará las unidades entre porcentaje, pulgadas o cm, deje las unidades en cm. 12.Presione el botón con la flecha hacia abajo para calibrar la salida de corriente de 4-20mA, primero le aparece que configure la de 4 ma, la pantalla estará intermitente entre 4= y el valor que tiene actualmente en cm, cuando la pantalla muestre ese valor, presione el botón ya sea con la flecha hacia arriba o la flecha hacia abajo para modificar ese valor, coloque el valor que obtuvo en el paso 3 (distancia desde el cero de la escala graduada del tanque al tope). 13.Cuando ya esté colocado, la próxima vez que se muestre la pantalla 4= presione el botón con la flecha hacia abajo y le aparecerá que calibre ahora los 20 ma, proceda

8 8 Instrumentación Industrial. Guía 6 igual que hizo en el caso anterior pero para 20= seleccione la distancia mínima que puede medir el sensor que es de 30.5 cm 14.Cuando vuelva a la pantalla de 20= presione el botón con la flecha hacia abajo y se mostrará en pantalla la palabra roc #, donde # dependerá de como han configurado el relé), deje esto como está y presione la flecha hacia abajo, hasta que aparezca la palabra DP#, donde # es el tiempo de amortiguación en segundos, que será el tiempo de respuesta para indicar un blanco nuevo, presione la flecha hacia arriba hasta que le aparezca DP5. Nota: en ambientes con turbulencia deben rechazarse blancos falsos como son agitadores, salpicaduras, etc. Por lo que debe colocarse una respuesta lenta de 15 o más, pero donde no exista este tipo de problemas como es el caso de la práctica se seleccione 5 o menos. 15. Pase a la siguientes cajas que muestra el flujograma presionando las tecla de flecha hacia abajo, hasta el instante en que le pregunte si quiere guardar la configuración YES?, presione la tecla de flecha hacia arriba para guardar la configuración, tal como dice el flujograma le aparecerán las letras C.S para indicarle que la configuración fue guardada y volverá a la modalidad normal. 16. Espere a que el transmisor de nivel muestre el valor Coincide este valor aproximadamente con el que indica la escala graduada del tanque?. Sino es así, reubique el sensor de tal manera que no este rebotando la señal en otra parte, de ser necesario limpie las paredes del tanque y revise la calibración. Si aún no obtiene la medida correcta notifique al docente de laboratorio. 17. Abra la válvula del tanque hasta que el agua descienda a los niveles que indica la Tabla 2 y anoté la medida indicada y el valor de corriente que se obtiene. Nivel del tanque (cm) Medida indicada en LIT25 (cm) Corriente (ma) Tabla 2. Medición de Nivel.

9 9 18.Llene de nuevo el tanque al nivel de 200 mm (20 cm) y calibre de nuevo el transmisor siguiendo el flujograma pero esta vez a 4= le colocará la distancia mínima de 30.5 cm y a la de 20= la distancia máxima (tomada en el paso 3) 19.Anote el valor que muestra el transmisor de nivel en la Tabla 3 Coincide este valor con lo que indica la escala graduada del tanque?. Que está midiendo ahora el sensor? Nivel del tanque (cm) Medida indicada en LIT25 (cm) Corriente (ma) Tabla 3. Medición de Distancia. 20.Abra la válvula del tanque hasta que el agua descienda a los niveles que indica la Tabla 3 y anoté los demás datos que pide. 21.Desconecte de la linea de alimentación el transmisor de nivel y el circuito de la salida de corriente.

10 10 Instrumentación Industrial. Guía 6 Figura 5. Flujograma para la calibración del transmisor de nivel.

11 11 PARTE II: MEDICIÓN DE FLUJO CONOCIMIENTO DEL SISTEMA DE MEDICIÓN. La bomba del recipiente transporta el líquido al recipiente de llenado por medio del caudalómetro de aspa giratoria. Con el valor de referencia se gradúan diferentes velocidades de flujo. El caudalómetro es uno de una sola tubería con una capacidad de medición de 0.04 l/min hasta 6 l/min. La tolerancia indicada por el fabricante comprende para el valor mayor ±1%. Las aspas disponen de barras de ferrita. Un detector inductivo registra el movimiento de las barras. Por medio de circuitos integrados se obtienen los pulsos proporcionales a la cantidad de flujo. A la salida del circuito se presenta una tensión que es proporcional al flujo (1V = 0,1 l/min). ARMADO DEL CIRCUITO Y DETERMINACIÓN DEL VOLUMEN DEL RECIPIENTE DE LLENADO. 1. Conecte los equipos según la Figura 6. Figura 6. Montaje y conexión del equipo. 2. Para completar los ejercicios es necesario conocer exactamente el volumen del recipiente de llenado, ya que el flujo se calcula con volumen por tiempo y se usará para definir la corriente volumétrica del caudalómetro con aspa giratoria. Como primer paso hay que determinar el volumen del recipiente (tanque) con la mayor

12 12 Instrumentación Industrial. Guía 6 exactitud posible. Para mantener el error de medición al mínimo se debería repetir el proceso varias veces y tomará el promedio de los resultados, sin embargo por cuestiones de tiempo se hará una sola vez, se llenará el recipiente hasta una marca y después debe vaciarse por un tubo a un beaker graduado. Así se obtiene el volumen para una altura de llenado ΔH. 3. La perilla de entrada a la esquina superior izquierda del tanque debe tener el punto verde arriba y rojo abajo (llenado por el orificio superior) al frente y la salida debe estar cerrada, en la perilla de la esquina superior derecha, con el punto rojo al frente. 4. Controlando la bomba con el regulador del valor de referencia, llene el recipiente hasta una altura de aprox. 100 mm. Si se pasó un poco de este valor utilice la perilla de la derecha para abrir un momento la salida del tanque con bomba, pasando al frente el siguiente punto verde que sigue al rojo girando la perilla en el sentido de las agujas del reloj y deje que el nivel baje a 100 mm y ciérrela de nuevo dejando el punto rojo al frente. 5. Deje que el recipiente se vacíe en el beaker graduado. Para ΔH = 100 mm, V 100mm = l DETERMINACIÓN DE LA CORRIENTE VOLUMÉTRICA EN DEPENDENCIA DE LA TENSIÓN DE SALIDA DEL CAUDALÓMETRO DE ASPA GIRATORIA. 6. El caudalómetro de aspa giratoria produce una tensión U A. La cantidad que pasa por el medidor es determinada con el volumen del tanque y con un cronómetro. 7. Llene el tanque con agua, dejando la salida abierta al máximo (la perilla de la derecha en el último punto verde girando en el sentido de las agujas del reloj) y gradúe con el valor de referencia las tensiones U A (tensión de salida del sensor de flujo Voltaje) indicadas en la Tabla Mientras se estabiliza la tensión de salida, deje la perilla de salida del tanque abierta. Después cierre con la perilla la salida (punto rojo al frente) y empiece la medición con el cronómetro cuando el nivel pase por el limite de 30 mm. Pare el cronómetro cuando alcance ΔH = 100 mm (corresponde al volumen elegido anteriormente) es decir H = 130 mm. Repita esto dos veces para obtener un promedio. 9. Con este promedio y el volumen (V 100 ) se calculan para las tensiones de salida, la corriente volumétrica. 10.Anote los valores medidos y calculados en la Tabla 4. Compare a continuación los valores con los indicados por el fabricante. Estos indican que 1V equivale a 0.1 l/min. 11. Anote en la Tabla 5 para las tensiones U A, los valores teóricos del fabricante y los

13 13 valores medidos de la Tabla 4 y calcule la desviación. Registre finalmente los valores medidos y teóricos en una gráfica como una función U A = f(v ) (ver punto 1 de análisis de resultados). Voltaje de salida U A [V] Tiempo t [segundos] Corriente volumétrica V= V 60 [l/min] t Tabla 4. Valores de Salida U A para determinar la corriente volumétrica V. Voltaje de salida U A [V] Valor teórico V [l/min] Valor medido V [l/min] Desviación % Tabla 5. Comparación de datos teóricos y medidos. 12. Apague la fuente de alimentación y desconecte el equipo.

14 14 Instrumentación Industrial. Guía 6 Análisis de Resultados 1. Realice un gráfico en Microsoft Excel u LibreOffice Calc con el ajuste de curva de regresión lineal y trace la recta óptima del transductor de nivel y de caudal. Ecuación: r 2 : 2. Si se quiere utilizar el transmisor de nivel para medir el nivel de un tanque cuyo nivel máximo será de 4 m, ubicando el sensor a una altura de m, indique como calibraría las escalas de 4 y 20 ma y que valor de corriente aproximadamente obtendría cuando el nivel del tanque está a un nivel de 2.8 m. 3. Analice el error obtenido en la Tabla 5 a qué puede deberse este error? Investigación Complementaria 1. Investigue porque el utilizar corriente en lugar de voltaje se logra inmunidad al ruido y los datos pueden enviarse a mayores distancias. 2. Investigue acerca de los medidores de flujo indirectos utilizando medición de diferencia de temperaturas Bibliografía Greyline instruments inc. (s.f). Manual del Usuario Instrucciones de Instalación y Operación Transmisor Indicador de Nivel Modelo LIT25 Serie 3.3. Recuperado el 18 de junio de 2015 de: pdf Lucas Nülle. (1987). Descripciones Experimentales Medición de Presión Llenado y Caudal. IMT 4. versión 1. Num. De Ref: SO Q.

15 15 Hoja de cotejo: 6 Guía 6: Medición de Nivel y de Flujo Alumno: Máquina No: Docente: GL: Fecha: CONOCIMIENTO 25 % APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO 70 % EVALUACION % Nota Conocimiento deficiente de los fundamentos teóricos No hace, no realiza: -Calibración del transmisor de nivel por ultrasonido. -Mediciones con los transductores de nivel y de flujo. - Análisis de los gráficos para la curvas de salida. - Análisis del error obtenido del experimento y sus causas. Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos Presenta desarrollo incompleto de: -Calibración del transmisor de nivel por ultrasonido. -Mediciones con los transductores de nivel y de flujo. - Análisis de los gráficos para la curvas de salida. - Análisis del error obtenido del experimento y sus causas. Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos Realiza correcta y completamente todos los análisis solicitados. ACTITUD 2.5 % 2.5 % Es un observador pasivo. Es ordenado; pero no hace un uso adecuado de los recursos Participa ocasionalmente o lo hace constantemente pero sin coordinarse con sus compañeros. Hace un uso adecuado de los recursos, respeta las pautas de seguridad; pero es desordenado. Participa propositiva e integralmente en toda la práctica. Hace un manejo responsable y adecuado de los recursos conforme a pautas de seguridad e higiene. TOTAL 100 %