Tema: Medición de Nivel y de Flujo - udb.edu.sv · Tubo Venturi Silicio Fundido Tubo Pitot Tubo Annubar Área Variable Rotámetro Equilibrio de movimientos Potenciométrico Puente

1

Tema: Medición de Nivel y de Flujo

• 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.

• 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.

• 1 Transmisor de nivel por ultrasonido Model LIT25 de Greyline Instruments inc• 1 Tanque de 500 mm• 1 Breadboard• 1 Resistencia de 250 ohms• 4 alambres de telefonía• 1 Tester Digital• 1 Regla de 50 cm.• 1 destornillador plano tipo bornero• 1 pinza• 1 cortadora• 1 galón de agua• 1 Caudalómetro de aspa giratoria [SO3535-7S]• 1 Amplificador de potencia [S03536-7Q]

Instrumentación Industrial. Guía 6

Facultad: IngenieríaEscuela: ElectrónicaAsignatura: Instrumentación IndustrialLugar de ejecución: Instrumentación y Control (Edificio 3, 2da planta).Se hará en dos sesiones

Objetivo General

Objetivos Específicos

Material y Equipo

2

• 1 Tanque de llenado [SO3536-9K]• 1 Receptaculo con bomba [SO3536-9H]• 1 Hoja transparente graduada para el tanque [SO3536-9W]• 1 Beaker graduado. • 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.

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.

Figura 1. Transmisor indicador de Nivel LIT25


Introducción Teórica

3

Sensor sin contacto ultrasónico

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.El sensor es capaz de medir hasta 15.24 m de distancia, siendo la distancia mínima medible de 30.5 cm del sensor al nivel, es capaz de medir líquidos y 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 se medirá el nivel de lo que contenga en tanque, pero si en 20 mA se coloca la máxima distancia desde el sensor, se medirá la distancia que hay entre el sensor y el nivel


4

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=Vt

(1)

1la norma de lazo de corriente de 4-20 mA está disponible en ANSI/ISA-S50.1-1982(R1992) Compatibility of

Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments)


5

m=mt

(2)

La corriente volumétrica puede ser expresada en m3/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 masas se realiza análogamente a la conversión de volumen a masa vía la densidad:

m= 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 caudalExisten 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 VolumétricosSistema Elemento TransmisorPresión Diferencial Placa Orificio Equilibrio de fuerzas

ToberaTubo Venturi Silicio FundidoTubo PitotTubo Annubar

Área Variable Rotámetro Equilibrio de movimientosPotenciométricoPuente de Impedancias

Velocidad Vertedero con flotador en canales abiertos

Potenciométrico

Turbina PiezoeléctricoTransductores ultrasónicos

Fuerza Placa de impacto Equilibrio de fuerzasGalgas extensométricas

Tensión inducida Medidor magnético Convertidor PotenciométricoDesplazamiento positivo Disco Giratorio Generador tacométrico o

transductor de impulsosPistón Oscilante


6

Pistón AlternativoMedidor Rotativo

Torbellino Medidor de frecuencia de termistancia o condensador de ultrasonidos

Transductor de resistencia

Medidores de Caudal de MasaTérmico Diferencia de temperatura en dos

sondas de resistenciaPuente de Wheatstone

Momento Medidor Axial Convertidor de parMedidor Axial de doble turbina

Par giroscopio Tubo giroscopio Convertidor de parPresión diferencial Puente hidráulico Equilibrio de fuerzas

Tabla 1. Resumen de los equipos de medición volumétrica y caudal de masa.

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 (Por motivos de prueba la salida de

corriente de 4-20 mA no se conectará como se muestra en la figura).

Figura 4 Conexiones del transmisor de nivel ultrasónico

2. Conecte la salida de corriente y el miliamperímetro (escala de 200 mA) tal como se

muestra en la Figura 5.


Procedimiento

7

Figura 5. Medición de corriente en la salida de 4-20 mA del transmisor de nivel.

3. Llene el tanque de agua hasta la marca de 200mm (20 cm).

4. Retire la protección del sensor sin contacto ultrasónico y sosténgalo en el tope del

tanque, manténgalo perpendicular a las paredes del tanque tal como se muestra en la

Figura 2.

5. Conecte el transmisor de nivel a la linea de alimentación de 110V RMS

6. 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 a su docente de laboratorio.

7. 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 6.

8. 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.

9. 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.

10.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 entres porcentaje, pulgadas o

cm, deje las unidades en cm.

11. 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 máximo del tanque que es de 55 cm.


8

12.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

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

13.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.

14. 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”.

15.Espere a que el transmisor de nivel muestre el valor y anótelo en la Tabla 2 ¿Coincide

este valor con el que indica la escala graduada del tanque? _____________. Anote

también el valor que muestra el miliamperímetro.

Tabla 2.

16.Abra la válvula del tanque hasta que el agua descienda a los niveles que indica la

Tabla 2 y anoté los demás datos que pide.

17.Llene de nuevo el tanque al nivel de 200 mm (20 cm) y calibre de nuevo el transmisor


20151050

Nivel del tanque (cm)

Medida indicada en LIT25 (cm)

Corriente (mA)

9

siguiendo el flujograma pero esta vez a 4= le colocará la distancia mínima de 30.5 cm

y a la de 20= la máxima de 55 cm

18.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?________________________________________________

Tabla 3.

19.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.

20.Desconecte de la linea de alimentación el transmisor de nivel y el circuito de la salida

de corriente.


20151050

Nivel del tanque (cm)

Medida indicada en LIT25 (cm)

Corriente (mA)

10

Figura 6. Flujograma para la calibración del transmisor de nivel.


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 8.

Figura 7. El recipiente de llenado.

1. Marcas para el llenado.2. Tubo de llenado.3. Escala.4. Cristal sintético.5. Marcas para vaciado.6. Tubo de vaciado.7. Marco del tanque.


12

Figura 8. 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 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. Se elige el valor ΔH lo más grande posible para mantener el error lo más bajo posible.


13

3. Fije en el tanque la hoja transparente con escala graduada y ponga el regulador de la bomba al máximo.

4. 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.

5. Controlando la bomba con el regulador del valor de referencia, llene el recipiente hasta una altura de aprox. 150 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 150 mm y ciérrela de nuevo dejando el punto rojo al frente.

6. Deje que el recipiente se vacíe en el beaker graduado.

Para ΔH = 150 mm, V150mm=_______________l

DETERMINACIÓN DE LA CORRIENTE VOLUMÉTRICA EN DEPENDENCIA DE LA TENSIÓN DE SALIDA DEL CAUDALÓMETRO DE ASPA GIRATORIA.

7. El caudalómetro de aspa giratoria produce una tensión UA. La cantidad que pasa por el medidor es determinada con el volumen del tanque y con un cronómetro.Es necesario realizar el ejercicio con una altura ΔH = 100 mm. Obtenemos el volumen respectivo con el ejercicio hecho en la parte II:

V100mm = ______________ l8. 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 UA (tensión de salida del sensor de flujo Voltaje) indicadas en la Tabla 4.

9. 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.

10.Con este promedio y el volumen (V100) se calculan para las tensiones de salida, la corriente volumétrica.

11. 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.

12.Anote en la Tabla 5 para las tensiones UA, los valores teóricos del fabricante y los valores medidos de la Tabla 4 y calcule la desviación. Registre finalmente los valores medidos y teóricos en una gráfica como una función UA = f(V ) (ver punto 1 de análisis de resultados).


14

Voltaje de salida UA [V] Tiempo t [segundos] Corriente volumétrica

V=V⋅60

t[l/min]

2.0t1 =t2 =Promedio t =








Tabla 4. Valores de Salida UA para determinar la corriente volumétrica V

Voltaje de salidaUA [V]

Valor teóricoV [l/min]

Valor medidoV [l/min]

Desviación%

2.03.04.05.06.07.08.09.0

Tabla 5. Comparación de datos teóricos y medidos

13.Apague la fuente de alimentación y desconecte el equipo.


15

1. Realice un gráfico en Microsoft Excel u OpenOffice Calc con el ajuste de curva de regresión lineal y trace la recta óptima del transductor de nivel y de caudal. Ecuación: _______________________________ r2: _________________

2. Si se quiere utilizar el transmisor de nivel para medir el nivel de un tanque de 6 m de profundidad, indique como calibraría las escalas de 4 y 20 mA y que valor de corriente aproximadamente obtendría cuando el nivel del tanque estuviera a un nivel de 3.8 m.

3. Analice el error obtenido en la Tabla 5 ¿a qué puede deberse este error?4. ¿Qué posibles errores procedimentales puede identificar en las pruebas de medición

de caudal?

1. Investigue porque el utilizar corriente en lugar de voltaje se logra inmunidad al ruido y los datos pueden enviarse a mayores distancias.

2. Diseñe una aplicación utilizando el caudalómetro de la práctica donde se pueda medir la cantidad de volumen de líquido presente en un tanque que está siendo vaciado con un caudal de aproximadamente 0.6 l/min.

3. Investigue acerca de los medidores de flujo indirectos utilizando medición de diferencia de temperaturas

1. http://www.greyline.com/pdf/LIT25%20Brochure.pdf 2. http://www.greyline.com/lit25.htm 3. http://www.micronicsflowmeters.com/docs/spanish/LIT2520Spanish20Manual20Serie2

033.pdf4. Medición de Presión Llenado y Caudal.

IMT 4. SO 5167-2QLUCAS NÜLLE


Análisis de Resultados

Investigación Complementaria

Bibliografía

http://www.greyline.com/pdf/LIT25%20Brochure.pdf

http://www.micronicsflowmeters.com/docs/spanish/LIT2520Spanish20Manual20Serie2033.pdf

http://www.micronicsflowmeters.com/docs/spanish/LIT2520Spanish20Manual20Serie2033.pdf

http://www.greyline.com/lit25.htm

16

EVALUACION

% 1-4 5-7 8-10 Nota

CONOCIMIENTO 25%Conocimiento deficiente de los fundamentos teóricos

Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos

Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos

APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO

70%No hace, no realiza:-Calibración del transmisor de nivel por ultrasonido. -Mediciones con los transductores de nivel y de flujo.- Analisis de los gráficos para la curvas de salida.- Analisis del error obtenido del experimento y sus causas.

Presenta desarrollo incompleto de:-Calibración del transmisor de nivel por ultrasonido. -Mediciones con los transductores de nivel y de flujo.- Analisis de los gráficos para la curvas de salida.- Analisis del error obtenido del experimento y sus causas.

Realiza correcta y completamente todos los análisis solicitados.

ACTITUD 2.5%Es un observador pasivo.

Participa ocasionalmente o lo hace constantemente pero sin coordinarse con sus compañeros.

Participa propositiva e integralmente en toda la práctica.

2.5%Es ordenado; pero no hace un uso adecuado de los recursos

Hace un uso adecuado de los recursos, respeta las pautas de seguridad; pero es desordenado.

Hace un manejo responsable y adecuado de los recursos conforme a pautas de seguridad e higiene.

TOTAL 100%

Hoja de cotejo: 6


Guía 6: Medición de Nivel y de Flujo

Alumno:

Docente: GL: Fecha:

Máquina No:

Documents

Tema: Medición de Nivel y de Flujo - udb.edu.sv · Tubo Venturi Silicio Fundido Tubo Pitot Tubo Annubar Área Variable Rotámetro Equilibrio de movimientos Potenciométrico Puente