Objetivos

1. Objetivo General.

Utilizando una maqueta hidráulica aplicar la técnica de medición por presión hidrostática para medir nivel.

2. Objetivos Específicos.

Realizar medición de nivel utilizando la presión hidrostática.

Fundamento Teórico

Nivel.

El nivel para un fluido puede definirse como la distancia que existe entre la referencia y la superficie del fluido.

Las aplicaciones más comunes de las medidas de nivel se toman en estanques, pozos, canales, vertederos, etc, Con el fin de determinar el contenido de cada uno de ellos y en caso de ser necesario activar dispositivos de seguridad en los recipientes a presión, para el accionamiento de válvulas o vertederos que sirven para la regulación del fluido.

Por otra parte para realizar la medida de nivel puede ser necesaria con mucha o poca precisión, con indicación del nivel instantáneo o con registro continúo de la medida, con medición local o transmisión a distancia de unos centenares o miles de metros.

Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de Pascal y el principio de Arquímedes.

El principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623-1662) que se resume en la frase: «el incremento de presión aplicado a una superficie de un fluido incompresible, contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo».

El principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el embolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma presión.

El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido estático (e incompresible), será empujado con una fuerza igual al peso del volumen de líquido desplazado por dicho objeto. De este modo cuando un cuerpo está sumergido en el fluido se genera un empuje hidrostático resultante de las presiones sobre la superficie del cuerpo que actúa siempre hacia arriba a través del centro de gravedad del cuerpo y de valor igual al peso del fluido desplazado. Esta fuerza se mide en Newtons (en el SI) y su ecuación se describe como:

Fy= E - m.g = (Pf - Ps) . Vg

Donde ρ_f y ρ_s son respectivamente la densidad del fluido y del sólido sumergido; V el volumen del cuerpo sumergido; y g la aceleración de gravedad.

Medidor manométrico

La presión manométrica es la presión que ejerce un sistema en comparación con la presión atmosferica.

Son normalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por medio de un elemento que se define la diferencia entre la presión que es desconocida y la presión atmosférica que existe, si el valor absoluto de la presión es constante y la presión atmosférica aumenta, la presión manométrica disminuye; esta diferencia generalmente es pequeña mientras que en las mediciones de presiones superiores, dicha diferencia es insignificante, es evidente que el valor absoluto de la presión puede abstenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro.

La presión puede obtenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro.

Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica

Po su parte, el medidor manométrico, consiste en un manómetro conectado directamente a la inferior del estanque. El manómetro mide la presión debida a la altura de líquido h que existe entre el nivel del estanque y el eje del instrumento. Así pues, el rango de medida del instrumento corresponderá a:

0 – (h · γ · g)

h = altura de líquido en m

γ = densidad del líquido en Kg/m3

g = 9,8 m/s2

Como las alturas son limitadas, el rango de medida es bastante pequeño, de modo que el manómetro utilizado tiene un elemento de medida del tipo fuelle.

El instrumento sólo sirve para fluidos limpios ya que si el líquido es corrosivo, coagula o bien tiene sólidos en suspensión, el fuelle puede destruirse o bien bloquearse perdiendo su elasticidad; por otra parte, como el rango de medida es pequeño no es posible utilizar sellos de diafragma. La medida está limitada a estanques abiertos y el nivel viene influido por las variaciones de densidad del líquido.

Medidor de membrana

El Medidor de membrana; utiliza una membrana conectada con un tubo estanco al instrumento receptor.

La fuerza ejercida por la columna de líquido sobre el área de la membrana comprime el aire interno a una presión igual a la ejercida por la columna de líquido. El instrumento es delicado ya que cualquier pequeña fuga del aire contenido en el diafragma destruiría la calibración del instrumento.

Medidor de Tipo Burbujeador

Mediante un regulador de caudal se hace pasar por un tubo (sumergido en el depósito hasta el nivel mínimo), un pequeño caudal de aire o gas inerte hasta producir una corriente continua de burbujas. La presión requerida para producir el flujo continuo de burbujas es una medida de la columna de líquido.

Este sistema es muy ventajoso en aplicaciones con líquidos corrosivos con materiales en suspensión (el fluido no penetra en el medidor, ni en la tubería de conexión).

Otras características de este tipo de medidor son:

• El manómetro puede situarse a distancias hasta 200 m.

• La tubería empleada suele ser de 0,5" con el extremo biselado.

• La presión de alimentación del gas debe ser superior a la presión ejercida por el nivel máximo.

• Puede emplearse en líquidos corrosivos, con sólidos en suspensión o en emulsiones.

• No es apropiado para líquidos muy viscosos donde la burbuja puede tener dificultades para desprenderse del extremo del tubo.

Medidor de Presión Diferencial de Diafragma

Consiste en un diafragma en contacto con el líquido del estanque, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo del estanque. En un estanque abierto esta presión es proporcional a la altura del líquido en ese punto y a su peso específico, es decir:

P = h . γ . g

en la que:

P = presión

h = altura del líquido sobre el instrumento

γ = densidad del líquido

g = 9,8 m/s2

El diafragma forma parte de un transmisor neumático, electrónico o digital de presión diferencial.

En el tipo más utilizado, el diafragma está fijado en un flanje que se monta rasante al estanque para permitir si dificultades la medida de nivel de fluidos, tales como pasta de papel y líquidos con sólidos en suspensión, pudiendo incluso ser de montaje saliente para que el diafragma enrase completamente con las paredes interiores del estanque tal como ocurre en el caso de líquidos extremadamente viscosos en que no puede admitirse ningún recodo.

La precisión de los instrumentos de presión diferencial es de ± 0,5 % en los neumáticos, ± 0,2 % a ± 0,3 % en los electrónicos, y de ± 0,15 % en los "inteligentes" con señales de salida de 4-20 mA c.c.

Hay que señalar que el material del diafragma debe ser el adecuado para resistir la corrosión del fluido.

Sistema Tobera - Obturador

El sistema tobera-obturador consiste en un tubo neumático aumentado a una presión constante P, con una reducción en su salida en forma de tobera, la cual puede ser obstruida por una lámina llamada obturador cuya posición depende del elemento de medida.

El aire de alimentación de presión normalizada 1,4 bar (20 psi) pasa por la restricción R y llena el volúmen cerrado V escapándose a la atmósfera por la tobera R,. Ésta tiene un diámetro muy pequeño, de unos 0,25-0,5 mm, mientras que la restricción R tiene un diámetro alrededor de 0,1 mm. Con el obturador abierto la presión posterior remanente es de unos 0,03 bar, lo cual indica que la relación de presiones diferenciales a través de la restricción R es de 1,4/0,03 =-= 50 veces. El consumo de aire del conjunto tobera-obturador es relativamente pequeño, del orden de 3 NI/min.

El escape de aire a través de la tobera depende de la posición del obturador, es decir, del valor de x. Debido a este escape, el volúmen V se encontrará a una presión P, intermedia entre P, y la presión atmosférica. En efecto: para x = 0 el obturador tapa casi totalmente a la tobera, con lo cual no hay escape de aire a la atmósfera y P, llega a ser casi igual a la presión P, del aire de alimentación: para x relativamente grande el obturador está bastante separado de la tobera y no limita el escape a la atmósfera siendo la presión P, próxima a la atmosférica.

Procedimiento Experimental

1. Se utilizó la maqueta de control de nivel existente en el laboratorio y un transmisor de presión diferencial. Se conectó el transmisor de presión diferencial tal y como indica la figura.

2. Se calibró el transmisor de presión diferencial en 4 mA para Zero y 20 mA para el Span.

3. Luego se tomaron las lecturas:

Se calcularon los valores de corriente a los porcentajes respectivos, (0%,25%50%,75% y 100% del margen de medida).

Se midió la corriente indirectamente desde el valor mayor al menor del margen de medida del sistema, registrando cinco valores para el transmisor en cada altura tomada.

Figura1

Figura2

Resultados

Experiencia 2: Datos Experimentales

Valores obtenidos luego de la Calibración

0 PSI --- 4mA / 1 PSI --- 20mA

Nº	h (Altura del tubo H2O) Cm	IExperimental (Transmisor) Bajando mA	IExperimental (Transmisor) Subiendo mA
0%	0	4.01	4.03
0%	0	3.98	4.01
0%	0	4.04	4.04
0%	0	4.04	4.03
0%	0	4.01	4.01
25%	25	12.10	12.01
25%	25	12.09	12.00
25%	25	12.12	12.03
25%	25	12.08	12.03
25%	25	12.10	12.00
50%	50	15.41	15.30
50%	50	15.39	15.33
50%	50	15.40	15.40
50%	50	15.40	15.38
50%	50	15.38	15.42
75%	75	17.94	17.93
75%	75	18.00	17.92
75%	75	18.00	17.90
75%	75	17.98	16.95
75%	75	17.98	16.98
100%	100	20.17	20.17
100%	100	20.08	20.08
100%	100	20.16	20.16
100%	100	20.17	19.97
100%	100	20.08	19.97

Valores Promedios de los datos obtenidos experimentalmente una vez

calibrado el transmisor.

Nº	h (Altura del tubo H2O) Cm	IExperimental (Transmisor) Bajando mA	IExperimental (Transmisor) Subiendo mA
0%	0	4.016	4.024
25%	25	12.098	12.014
50%	50	15.396	15.366
75%	75	17.98	17.536
100%	100	20.132	20.07