Instrumentación y control Control estadístico. CEBI_E12 : presentación 5

Transcripción

1 CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL FCEyN-INTI Materia de Especialización CEBI_E12E12 Instrumentación y control Control estadístico Docente a cargo: Juan José Dominguez CEBI_E12 : presentación 5

2 Medición de nivel Objetivo: para el correcto funcionamiento del proceso consideración del balance adecuado de materias primas o de productos finales Influencia de la espuma eliminación de las falsas alarmas fácil calibración del aparato Medir nivel es diferenciar interfases, Directamente la altura del líquido Presión hidrostática desplazamiento producido por un flotador las características eléctricas del liquido.

3 Medición directa Varilla o sonda: varilla graduada que se introduce en el depósito y se lee la longitud mojada. Cinta y plomada cinta con plomada en la punta. Visor de vidrio: consiste en un tubo de vidrio con su extremo inferior conectado al tanque, que funciona por vasos comunicantes Flotante: consiste en un flotador ubicado en el seno del líquido que sigue el movimiento del mismo

4 Medición por presión hidrostática Se basa en inferir nivel mediante una presión diferencial y por lo tanto el uso de una celda de presión diferencial i oficiando i de transmisor de nivel. h = P.δ δ donde: d h = nivel P = presión δ = peso específico Manométrico: consiste en un manómetro conectado a la parte inferior del tanque, mide la presión debido a la altura del líquido entre el nivel del tanque y el eje del instrumento. Para líquidos limpios (elasticidad del fuelle)

5 Burbujeo: mediante un regulador de caudal, se hace burbujear un caudal de aire o gas inerte, a presión constante a través de un tubo sumergido en el líquido hasta producir un flujo continuo de burbujas. La presión requerida equivale a la presión hidrostática ejercida por la columna de líquido. Esta se mide mediante un celda de presión diferencial. El método es simple y da buen resultado, en el caso de líquidos muy corrosivos, con sólidos en suspensión o con emulsiones.

6 Presión diferencial: consiste en un diafragma en contacto con el líquido del tanque, que permite medir la presión hidrostática en el fondo del tanque. Muy buena precisión

7 Medición por desplazamiento Consiste en un flotador interno a un tanque y parcialmente sumergido en el y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión unido rígidamente al mismo. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior al tanque. El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el ángulo de rotación de su extremo libre es directamente proporcional a la fuerza aplicada. Se utilizan en servicios con fluidos sucios y temperaturas elevadas y pueden utilizarse en la interfase entre dos líquidos de distinta densidad

8 Medición por características eléctricas del líquido Por conductividad: consiste en uno o varios electrodos y un relé eléctrico o electrónico que es excitado cuando el líquido los moja, cerrando el circuito y circulando una corriente segura (el líquido debe ser conductor). Generalmente se usa como alarma o control de nivel alto y bajo

9 Capacitancia: mide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes del tanque. La capacidad depende linealmente del nivel del líquido

10 Ultrasonido: se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo en un receptor. El tiempo entre la emisión y la recepción es inversamente proporcional al nivel. Son sensibles al estado de la superficie del líquido (espuma) y pueden usarse en áreas clasificadas. La onda se refleja y teniendo en cuenta que viaja a 331m/segundo se calcula la distancia que recorre durante el tiempo de vuelo.en el sensor hay piezoeléctricos sujetos a la membrana, unos emiten y otros reciben.

11 Medición de temperatura Requiere relacionar los cambios producidos en un elemento u objeto, con los cambios de cantidad de calor contenido en el mismo. Algunas de las formas en que la temperatura puede ser inferida por los cambios que provoca son: Cambios de volumen Cambios de presión Cambios de densidad Cambios de viscosidad Tensión generada en la juntura de 2 metales diferentes Cambios de resistencia eléctrica Intensidad de radiación total emitida Otros Debe estar instalado en el lugar adecuado, y no debe alterar de ninguna manera el proceso que está midiendo. d

12 Una de las restricciones de los sensores de temperatura es el rango en el cual pueden medir con exactitud aceptable

13 Termómetro de vidrio: deposito de vidrio que contiene un elemento que al calentarse se expande y sube por un capilar, por ej: Mercurio - 35 a +280 ºC, alcohol -110 a 50 ºC Termómetro bimetálico: se basa en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes laminados conjuntamente, su campo de medida va de -200 a +500 ºC Termómetro de bulbo y capilar: consisten en un bulbo conectado por un capilar a un espiral que cuando el líquido se expande el espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja. Se dividen en actuados, por líquido, por vapor, por gas y por mercurio

14 Termoresistencia o RTD: es el más exacto, permitiendo efectuar medidas de temperatura con una exactitud de ± 01º 0,1 C a temperatura ambiente. Su funcionamiento se basa en que la resistividad de un conductor metálico cualquiera depende d de la temperaturat Consiste usualmente en un arrollamiento de hilo del conductor adecuado (platino), bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica, a su vez encapsulado y situado dentro de un tubo de protección (termovaina) adecuado al fluido del proceso, con borneras en su cabezal que permiten la conexión de la termoresistencia con el instrumento de lectura mediante cables de extensión.

15 Elemento resistivo -Alta resistividad eléctrica -Alto coeficiente de variación de temperatura con la resistencia Rt = R0 (1+α t) -Relación lineal resistencia-temperatura. -Rigidez y ductilidad -Estabilidad de las características durante la vida útil Platino: más adecuado (precisión - estabilidad) pero alto costo (Pt-100) Níquel: +R y +variación por grado pero falta de linealidad. Cobre: variación de resistencia uniforme y barato pero baja resistividad

16 Termocuplas o termopares: son dispositivos que presentan gran alcance de medida (-200 a 3000ºC), baja sensibilidad y una respuesta no lineal, pero son de alta fiabilidad, buena estabilidad, rápida respuesta, relativo bajo costo y además son componentes robustos y sencillos. Su funcionamiento se basa en Seebeck: en un circuito cerrado formado por dos metales diferentes, se establecerá una corriente eléctrica si las dos uniones se mantienen a distinta temperatura. Efecto Peltier: cuando se unen dos metales diferentes, aparece una fuerza electromotriz (fem), que depende de la temperatura de la junta de los metales puestos en contacto, y es independiente de la forma y dimensión de los mismos Efecto Thomson: si a lo largo de un conductor homogéneo, se crea un gradiente de temperatura, aparece una fem entre sus extremos, que depende del metal y el gradiente de temperatura.

17 En un circuito básico de una termocupla, la fem neta será la suma de las producidas por el efecto Peltier en ambas juntas y por el efecto Thomson en los conductores A y B, siempre que T1 T2 en los puntos p y q (T1= 0ºC), esto es: e1: fem en mv debida al efecto Peltier en la junta p. e2: fem en mv debida al efecto Peltier en la junta q. e3: fem en mv debida al efecto Thomson en el metal A. e4: fem en mv debida al efecto Thomson en el metal B. I = ( ei / R) = ( e1 + e2 + e3 + e4 / R)

18 La fem varia entre 1 y 7 milivoltios cuando la diferencia de temperatura entre juntas es de aproximadamente 100 C. Estos mv son medidos por un voltímetro de impedancia de entrada infinita, cuya salida puede ser: a-electrónicamente procesada para obtener una salida en 4-20 ma, en este caso se trataría de transmisor de temperatura. b-formar parte entrar un controlador de temperatura, al cual se conecta la termocupla a través de cables de extensión. (junta caliente, expuesta al proceso; junta fría, referidaa0ºc) a Ganancia de una termocupla: cociente entre el cambio de fem generada y el cambio de temperatura en una junta que lo produjo [mv/ ºC]. Cuando la ganancia permanece constante en un intervalo de temperaturas, se dice que la termocupla es lineal dentro de esos valores. Alta ganancia y linealidad son dos factores importantes en el momento de seleccionar una termocupla.

19 Tipos de termocuplas:. a) La f.e.m. de la termocupla deberá incrementarse continuamente con el incremento de la temperatura dentro del rango en que la misma será utilizada. b) El valor de la f.e.m. deberá ser lo suficientemente grande como para poder ser medida con razonable exactitud. c) )Sus características ti termoeléctricas ti no deberán sufrir fi grandes alteraciones durante su uso ya sea por cambios internos de la aleación (evaporación de componentes, recristalización, etc.) o externos (contaminación, etc.). d) Deberán ser resistentes a la oxidación y corrosión en el medio y a la temperatura que son expuestas. e) Los termoelementos deberán ser homogéneos. f) La temperatura de fusión de los termoelementos deberá ser mayor que el límite superior del rango de utilización de la misma. g) Los metales y aleaciones metálicas con los que se fabricarán deberán ser elaborados y obtenibles en forma reproducible y de calidad uniforme. h) El costo de la termocupla deberá ser razonablemente bajo.

20 La vida útil de una termocupla dependerá de la temperatura de exposición, diámetro de los termoelementos, condiciones ambientales de uso. Al procesamiento de la lectura de la f.e.m. por parte del voltímetro, le continua una electrónica basada en microprocesador que linealiza la señal obteniendo una salida, por ejemplo en 4 a 20 ma que guarda una relación lineal con la temperatura medida por la termocupla de acuerdoasutipo(jkr a (J,K,R, etc) etc.)

21 Las termocuplas deben estar adecuadamente protegidas mediante el uso de termovainas

22 Termistores: son semiconductores con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado, por lo que presentan unas variaciones rápidas y extremadamente grandes para cambios extremadamente pequeños en la temperatura (gran sensibilidad). Se fabrican con una mezcla de óxidos metálicos encapsulados. Muy pequeño tamaño para en sondas especiales. Pirómetros de radiación: se basan en la ley de Stefan-Boltzan (W = K T 4 ), miden la temperatura de un cuerpo a distancia en función de su radiación. ió -Ópticos: miden en función de la radiación luminosa que este emite (se compara el brillo de un filamento de una lámpara calibrada con el del objeto caliente) -Radiación total: miden en función de la radiación total. Tienen rangos de medición de temperaturas superiores al de cualquier otro instrumento (aprox ºC), no requieren conexión física, poseen una respuesta rápida y su exactitud es excelente. Pueden utilizarse para medir donde la atmósfera o las condiciones impidan usar otro método, pueden medir temperaturas de objetos que se mueven y que no son accesibles

23 Medición ió de ph ph = log (1 / [H + ]) Determinación potenciometría Un medidor de ph es básicamente un voltímetro, los electrodos conectados al mismo generarán una diferencia de potencial, producida en la membrana de vidrio, que varia de acuerdo con la concentración de iones hidrógeno en la solución. Para cerrar el circuito y brindar una referencia, se requiere un segundo electrodo, que proporciona un voltaje estable y reproducible (en general el denominado calomel -mercurio, cloruro de mercurio-). Cuando los dos electrodos están conectados con un medidor de ph, la diferencia de voltaje se amplifica y se visualiza en un indicador analógico o digital

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27 Medición de conductividad Capacidad de una sustancia de conducir la corriente eléctrica (opuesto resistencia) En soluciones acuosas, el valor de la conductividad es directamente proporcional a la concentración de sólidos disueltos, por lo tanto, cuanto mayor sea dicha concentración, mayor será la conductividad La medida de la conductividad se obtiene aplicando un voltaje entre dos electrodos y midiendo la resistencia de la solución. La corriente a través de la solución y del circuito it exterior depende d de: Numero y tipo de iones en la solución Área efectiva de los electrodos Diferencia de potencial y distancia entre los electrodos Temperatura de la solución

28 Placas paralelas: este sistema de medición consta de dos placas paralelas de platino conectadas a un circuito de Wheastone de corriente alterna C=G*L/A C = conductividad G = conductancia L = distancia entre electrodos A = área de los electrodos

29 4 anillos: puede medir distintos rangos usando una única sonda. Se aplica una tensión a los dos anillos exteriores que induce una corriente en la solución de la muestra, cuya magnitud depende del número de iones. La corriente medida por los anillos interiores de detección, da un valor directo para la conductividad de la solución. lecturas lineales en un amplio rango sin ninguna polarización ió Menor mantenimiento (incrustaciones)

30 Medición de oxigeno disuelto El oxígeno disuelto es la cantidad de oxigeno libre que no se encuentra combinado. Los sensores tienen un cátodo de metal noble (plata, de oro o platino y un ánodo de plata que están conectados eléctricamente en una solución de cloruro de potasio separado del medio de la muestra por una membrana permeable de gas. Requieren un compensador de temperatura. Se aplica una tensión constante entre el cátodo y el ánodo. El oxígeno se difunde a través de la membrana y se reduce en el cátodo por el voltaje aplicado. Este proceso genera en un flujo de corriente, que detecta el instrumento, la cual es proporcional a la presión parcial de oxígeno. P.V = n R T Permite expresar la concentración de oxigeno disuelto como porcentaje de oxigeno o como mg/l. Cátodo:O H 2 O + 4 e - = 4 OH - Ánodo: 4 Ag + 4 KCl = 4 AgCl + 4 K e -

31 Porcentaje de Saturación: es la cantidad de oxígeno que el líquido puede contener a esa temperatura. Para un líquido dado, mantiene una relación constante entre el porcentaje de saturación y concentración a diferentes temperaturas.

32 Sensor de balance de oxígeno: tiene tres electrodos y el electrolito es generalmente de hidróxido de potasio. Un electrodo de referencia sensa de la tensión aplicada al cátodo y el ánodo y alimenta esta señal a un amplificador independiente, que maneja estos electrodos proveyendo una corriente variable suficiente para mantener el flujo de oxígeno. Cuando el sensor se sumerge en una muestra, el oxígeno se difunde a través de la membrana y se reduce en el cátodo mientras que una cantidad equivalente de oxígeno se genera en el ánodo, hasta que la presión de oxígeno en ambos lados de la membrana es igual. La corriente necesaria para mantener este equilibrio se convierte en una lectura de la presión parcial de oxígeno disuelto. Estos sensores se suministran con membranas permanente, eliminando la necesidad de mantenimiento, pero se debe reemplazar si se rompe o se bloquea.

33 Sensor polarográfico: el ánodo de plata está rodeado por un cátodo de metal noble (oro-plata-platino) platino). Consta de una compensación de temperatura. El electrolito de cloruro de potasio está contenido en su lugar por una membrana con un o-ring de goma. El extremo del sensor esta normalmente cubierto por un protector para proteger los elementos. Por cada molécula de oxígeno que entra en contacto con el cátodo, una corriente proporcional viaja a través del circuito.

34 Sensor galvánico: es el más simple. Los electrodos son generalmente de plata y plomo, y el electrolito es hidróxido de potasio. El potencial galvánico es desarrollado por la reducción de oxígeno sobre una superficie que actúa como catalizador y el cátodo. La corriente producida es proporcional a la cantidad de oxígeno reducido. Optimo para seguimiento a largo plazo de oxígeno disuelto Gran robustez del sensor (acepta esterilizarse) alta salida de corriente Dado que el sensor consume oxígeno, un flujo continuo de la muestra es necesario para extraer la muestra reducida frente a la membrana. A este tipo de sensores se le puede cambiar la membrana para extender su vida útil.

35 Sensor galvánico vs sensor polarográfico Los cátodos de sensores galvánicos requieren altas tasas de flujo de muestra para obtener lecturas estables, sin agitación suficiente será inestable la lectura. Las membranas de los sensores polarográficos son más gruesas que el tipo galvánico (deben ser relativamente finas para dar tiempos de respuesta razonables) y por lo tanto tienen una vida útil más larga. Los sensores galvánicos están activos en todo momento y se degradan en el almacenamiento, así como durante su uso. Los sensores polarográficos sólo están activos cuando miden y, por lo tanto, tienen una vida útil mayor.

36 Medición de turbidez Es una medida de la falta de transparencia de una muestra y nos proporciona datos sobre la concentración de partículas que no se han disuelto y que quedan suspendidas en la fase líquida. Se puede medir por: Luz reflejada: se emite un rayo de luz y se capta la luz reflejada por las partículas en suspensión. Luz absorbida: la fuente de emisión y la de captación están situadas una enfrente de otra y mide la absorción de la luz por las partículas en suspensión

37 Tecnología dispersión de retorno de la luz dispersión de la luz en un ángulo de 90º. La primera se beneficia de la tecnología de la fibra óptica para la plena compatibilidad con los portaelectrodos de proceso. La segunda para instalaciones de tubo directo.