Sensor de Humedad

Introducción
Podría decirse que la humedad juega un rol en todos los procesos industriales. El solo hecho de que la atmósfera contiene humedad hace que, por lo menos, se estudie su efecto en el almacenamiento y operación de los distintos productos y dispositivos. El alcance que la influencia de la humedad podría tener en cualquier proceso industrial puede variar pero es esencial que al menos sea monitoreada, y en muchos casos controlada. Se puede decir que la humedad es una propiedad más difícil de definir y medir que sus parámetros asociados como pueden ser la presión y temperatura. La medición de la humedad es un proceso verdaderamente analítico en el cual el sensor debe estar en contacto con el ambiente de proceso a diferencia de los sensores de presión y temperatura que invariablemente se encuentran aislados del proceso por protecciones conductoras del calor o diafragmas respectivamente.

Principio de Funcionamiento
El principio de funcionamiento esta basado en el cálculo de la Humedad Relativa, la cual es la humedad que contiene una masa de aire, en relación con la máxima humedad absoluta (Humedad Absoluta es la cantidad de vapor de agua presente en el aire, se expresa en gramos de agua por kilogramos de aire seco (g/kg), gramos de agua por unidad de volumen (g/m³) o como presión de vapor (Pa o KPa o mmHg). A mayor temperatura, mayor cantidad de vapor de agua permite acumular el aire), que podría admitir sin producirse condensación, conservando las mismas condiciones de temperatura y presión atmosférica. Esta es la forma más habitual de expresar la humedad ambiental. Se expresa en tanto por ciento. Existen también otros parámetros típicos para determinar la humedad que utilizan algunos sensores, como son la medición del punto de rocío/escarcha (D/FPT) y partes por millón (PPM). El punto de rocío es la temperatura, por sobre los 0° grados, al cual el vapor de agua presente en el gas condensa. El punto de escarcha es la temperatura, por debajo de 0° grados, a la cual el vapor se cristaliza en hielo. El punto D/F PT es función de la presión del gas pero independiente de su temperatura, y por lo tanto se lo considera una magnitud fundamental.Los puntos de rocío y escarcha son utilizados cuando la sequedad de un gas es relevante, esto es en procesos en los que debe evitarse la condensación del vapor de agua a bajas temperaturas. El punto de rocío se usa también como un indicador del contenido de vapor de agua en procesos de alta temperatura como el secado industrial. Por otra parte, el parámetro partes por millón (PPM) es la expresión del contenido de vapor de agua por fracción de volumen (PPM) o, si es multiplicado por la relación entre el peso molecular del agua y el aire como PPM. Este parámetro es más dificultoso de conceptualizar porque está fuera del alcance del cuerpo humano detectar los cambios de esta magnitud en la atmósfera. Este término y los asociados como pueden ser: El termino PPM u otros asociados como la relación de mezcla, el porcentaje de volumen y la humedad específica, se utilizan cuando el vapor de agua es una impureza o un componente definido en una mezcla de gases que participa de un proceso industrial. Un ejemplo práctico de su aplicación son los gases de uso medicinal, como pueden ser el óxido nitroso, dióxido de carbono y oxígeno cuando son utilizados en operaciones quirúrgicas que deben tener un contenido de humedad menor a 60PPM.

Tipos de Sensores de Humedad
- Sensor de polímero resistivo. Por su misma estructura este tipo de sensores son relativamente inmunes a la contaminación superficial ya que no afecta su precisión aunque si el tiempo de respuesta. Debido a los valores extremadamente altos de resistencia del sensor a niveles de humedad menores que 20% es apropiado para los rangos altos de humedad.

- Sensor de polímero capacitivo. Este tipo de sensor es especialmente apropiado para ambiente de alta temperatura porque el coeficiente de temperatura es bajo y el polímero dieléctrico puede soportar altas temperaturas. Estos sensores son también apropiados para aplicaciones que requieran un alto grado de sensibilidad a niveles bajos de humedad, donde proveen una respuesta relativamente rápida. A valores de humedad superiores al 85% sin embargo el sensor tiene una tendencia a saturar y se transforma en no lineal.

- Higrómetro óptico de condensación. Con el higrómetro óptico son posibles precisiones de +/- 0.2°. Ciertos equipos especiales pueden tener un rango completo desde -85° hasta casi 100° de punto de rocío. Los tiempos de respuesta son rápidos y la operación está relativamente libre de problemas de pérdida de calibración.

- Higrómetro electrolítico. El sensor electrolítico se utiliza en aplicaciones secas de hasta un máximo de 1000 PPM y es apropiado para el uso en procesos industriales tales como gases ultra-puros, química fina, y producción de circuitos integrados, etc.


Construcción del Sensor
Para presentar la construcción del sensor se tomará la del Higrómetro óptico de condensación. El higrómetro óptico es considerado el método más preciso para la medición del punto de rocío, parámetro utilizado como un indicador del contenido de vapor de agua en procesos de alta temperatura. Esta es una medición primaria, que mide, como su nombre indica, el punto efectivo de condensación del gas ambiente y para el que se pueden con facilidad establecer estándares internacionales de calibración. El sensor contiene un pequeño espejo metálico cuya superficie es enfriada hasta que el agua de la muestra de gas condense. El espejo es iluminado por una fuente de luz y su reflexión es detectada por un fototransistor. Cuando la condensación ocurre la luz reflejada sufre una dispersión y por lo tanto disminuye la intensidad captada por el detector. Un sistema de control se encarga de mantener la temperatura de espejo en el punto necesario para mantener una delgada capa de condensación. Un termómetro de resistencia de platino (PRT) embebido en el espejo mide su temperatura y por lo tanto la temperatura de punto de rocío, convirtiendo ésta en una señal eléctrica. La señal viaja en forma digital desde el sensor hasta la electrónica del higrómetro que se encarga de hacer la conversión al valor correspondiente en humedad y salida en 4-20 mA.

Higrómetro óptico cuando empieza la medición

Higrómetro óptico cuando alcanza el punto de medición

Aplicación Industrial del Sensor.
Las aplicaciones típicas de los sensores de humedad son:
· Líneas de aire medicinal
· Equipo electrónico refrigerado con líquido
· Computadoras refrigeradas
· Hornos de tratamiento térmico

· Hornos de fundición

· Control ambiental de recintos
· Secadores
· Estándares de calibración de humedad Generadores de ozono
· Líneas de aire seco
· Sistemas de transferencia de nitrógeno
· Soldadura con gas inerte

Problema Práctico Industrial.
Se requieren utilizar bombas electros sumergibles para enviar las aguas residuales del SIAE (Sistema de Inyección de Aguas Efluentes) a los hornos de calentamiento. La serie de bombas sumergibles para aguas residuales BF se caracteriza por la sencillez y economía en sus estaciones de bombeo, sin riesgo de obstrucción por su gran sección de paso en el impulsor. Se pueden colocar en arquetas sumergidas bajo tierra sin ningún impacto ambiental, con total fiabilidad y mínimo mantenimiento. La posibilidad de acople y desacople rápido mediante guías, sin descenso al pozo, facilita la utilización de dicha serie con aguas residuales, aguas sucias, vertidos industriales no decantados con fibras largas y sólidos, líquidos que contienen aire y gases, así como fangos crudos y fluidos activos.
El motor, con su interior seco lleno de aire, está refrigerado por el mismo líquido de bombeo, mediante una recirculación a través de una camisa dispuesta en torno al mismo. Para separar el motor seco de la bomba se dispone de un sistema de estanqueidad de doble cierre mecánico con una cámara de aceite. El eje común de bomba y motor se apoya sobre rodamientos lubricados con grasa, de mínimo mantenimiento. La instalación de estas bombas se puede realizar en el interior del pozo, transportable o fuera de él en seco. En el primer caso puede trabajar parcial o totalmente sumergido, se fija deslizándose verticalmente sobre unas guías y se acopla
Automáticamente por su peso.

SENSOR CORIOLIS

Introducción

Hasta hace poco tiempo, ningún método práctico para medir la masa existía. Tales mediciones son necesarias en infinidad de aplicaciones entre las cuales se encuentran: los balances de masa de productos procesados y obtenidos en la planta, transferencia de custodia.

La medición directa de la masa de flujo evita la necesidad de utilizar cálculos complejos y como estándar fundamental de medición, la masa no deriva sus unidades de otra fuente ni se ve afectada por variaciones de temperatura o presión; tal constancia hace a la masa, la propiedad ideal para medir.

El medidor de Coriolis se basa en el teorema de Coriolis, matemático francés (1795- 1843) que observó que un objeto de masa m que se desplaza con una velocidad lineal V a través de una superficie giratoria que gira con velocidad angular constante w, experimenta una velocidad tangencial (velocidad angular x radio de giro) tanto mayor cuanto mayor es su alejamiento del centro. Si el móvil se desplaza del centro hacia la periferia experimentará un aumento gradual de su velocidad tangencial, lo cual indica que se le está aplicando una aceleración, que es precisamente la aceleración de Coriolis. Este fenómeno es el causante de que el remolino que se forma en el fondo de un depósito al vaciarlo, gira a derechas en el hemisferio Norte y a izquierdas en el hemisferio Sur. Asimismo todos los vientos de la circulación general que soplan desde el Norte al Sur en el hemisferio Norte son desviados, debido a la rotación de la Tierra de Oeste a Este, constituyendo los vientos predominantes de oeste. Por otro lado, el célebre péndulo de Foucault demuestra también el fenómeno.

Principio de funcionamiento

Todos los medidores de flujo másico trabajan bajo el mismo principio que consiste en la aplicación de la segunda ley de Newton: “fuerza es igual a Masa por Aceleración “ (F= m.a ). Esta ley es utilizada para determinar la cantidad exacta de masa que fluye a través del medidor. Un objeto que se mueve en un sistema de coordenadas que rota con una velocidad angular, experimentará una fuerza de Coriolis proporcional a la masa, a la velocidad del objeto y a la velocidad angular del sistema. Esta fuerza es perpendicular a la velocidad del objeto y a la velocidad angular del sistema de coordenadas. En la nueva generación de los medidores de Coriolis, comercialmente disponibles, el fluido a la entrada del medidor se divide entre dos tubos en forma de U, los cuales tienen un diámetro menor que el de la tubería del proceso. El flujo sigue la trayectoria curva de los tubos, y converge a la salida del medidor. Estos tubos se hacen vibrar a su frecuencia natural por medio de un mecanismo magnético. Si en vez de hacerlos rotar continuamente los tubos vibran, la magnitud y dirección de la velocidad angular es alternada. Esto crea una fuerza Coriolis alterna. Si los tubos en forma de U son suficientemente elásticos, las fuerzas de Coriolis inducidas por la masa del fluido producen una pequeña deformación elástica. A partir de ella se mide y calcula el flujo de masa.

Por ejemplo, cuando el tubo se está moviendo hacia arriba durante la primera mitad de un ciclo, el líquido que fluye en el metro resiste el ser forzado para arriba empujando hacia abajo en el tubo.

En el lado opuesto, el líquido que fluye del metro resiste el tener de su movimiento vertical disminuido empujando hacia arriba en el tubo. Esta acción causa el tubo a la torcedura. Cuando el tubo se está moviendo hacia abajo durante la segunda mitad del ciclo de la vibración, tuerce en la dirección opuesta. Esta torcedura da lugar a una diferencia de fase (retraso de tiempo) entre el lado de la entrada y el lado de enchufe y esta diferencia de fase es afectada directamente por la masa que pasa a través del tubo. Finalmente, la vibración es introducida por las bobinas eléctricas y medida comúnmente por los sensores magnéticos.

Tipos de Sensores Coriolis

El teorema de Coriolis dice que la aceleración absoluta de un móvil es la resultante de la relativa, la de arrastre y la de Coriolis. Los medidores de caudal másico basados en este teorema son de dos tipos.

El primer tipo consta de un tubo en forma de U, el cual se hace vibrar perpendicularmente al sentido del desplazamiento del flujo. Esta vibración controlada crea una fuerza de aceleración en la tubería de entrada del fluido y una fuerza de deceleración en la de salida, con lo que se genera un par que provoca la torsión del tubo, que es proporcional a la masa instantánea del fluido circulante.

El segundo tipo está formado por dos tubos paralelos; estos se hacen vibrar de forma controlada a su frecuencia de resonancia. Con los sensores adecuados (generalmente ópticos) se detecta la fase de la vibración y con ella el caudal masa, ya que es proporcional. Cuando el caudal masa es cero, la diferencia de fase también es nula. La gran ventaja de los caudalímetros basados en la aceleración de coriolis es que son inmunes a prácticamente todo: presión (tanto nominal como posibles pulsaciones), temperatura (excepto variaciones bruscas), densidad, viscosidad, perfil del flujo, y flujos multifase (con sólidos en suspensión). Un posible problema es la vibración, que si no está controlada y no actúa en forma correcta sobre los elementos preparados para tal fin, se puede transmitir a los tubos y, consecuentemente, someterlos a un proceso de fatiga que conduciría a finalizar con un deterioro prematuro.

Construcción

En la siguiente figura se muestra la arquitectura de un sensor coriolis:

Conexión a Proceso:

Es utilizado para instalar el sensor en tuberías de proceso, esta disponible tipo bridada, roscada y conexiones sanitarias.

RTD:

Es un sensor tipo PT-100 de platino. Se encarga de sensar la temperatura de los tubos de flujo, lo cual corresponde a la temperatura del fluido.

Bobinas Detectoras:

Las bobinas detectarás (Pick-off Coils) y sus magnetos respectivos, están localizadas en cada lado de los tubos del sensor. Estos elementos producen una señal que representa la velocidad de oscilación del tubo de flujo. El flujo masico es determinado por la medición de la diferencia de tiempo entre las señales.

Distribuidor de flujo:

El distribuidor de flujo (Flor Splitter), se encuentra entre las conexiones a proceso y los tubos de flujo, se encarga de dividir el flujo del proceso permanente para distribuir la misma cantidad a los dos tubos de flujos.

Tubo de Flujo:

Los tubos de flujo son las partes húmedas y están construidas de Acero Inoxidable 316L o aleaciones de Níkel, dependiendo de la naturaleza del fluido de proceso. Sensores con materiales de construcción Tantalum y Tefzel también están disponibles para aplicaciones especiales.

Bobina Principal y Magneto (Drive Coil and Magnet):

La bobina principal es usada con un magneto, para producir la oscilación de los tubos de flujo a una frecuencia natural.

Sistema de Acondicionamiento

La Bobina Drive es energizada, la cual se encarga de mantener a los tubos vibrando a su frecuencia natural, luego esta es detectada por las bobinas Pick-off coil, las cuales producen una señal que representan la velocidad de oscilacion de los tubos de flujo. La siguiente figura representa el circuito de acondicionamiento de la señal:

Aplicación en la Industria Petrolera

Medición de Liquido

• La medición de liquido se realiza mediante un medidor de Flujo Másico Micro-Motion que tiene asociado un sensor Coriolis instalado en la salida de liquido del separador, el cual proporciona precisión en la medición en tiempo real, medición de la densidad y el cálculo de la gravedad especifica.
• La medición en tiempo real es llevada al sistema SCADA, el cual se encargará de acumular en el tiempo que sea necesario la producción de potencial, esta filosofía genera gran confiabilidad en la medición.

Medición de Gas

• La medición de gas es efectuada mediante un medidor de Flujo Masico Micro-Motion instalado en la salida de gas del depurador, el cual proporciona la cantidad de gas producido.

Aplicación Industrial del Sensor Coriolis

• Transferencia de custodia de Líquidos y Gases
• Fiscalización
• Balances de masa
• Mediciones de materias primas costosas
• Aplicaciones difíciles: fluidos sucios, corrosivos, con propiedades cambiantes, altamente viscosos

Problema Practico Industrial

Actualmente PDVSA utiliza el método de inyección de diluente para algunos pozos que se encuentran en el zona de morichal, ya que es considerada como una de las áreas más ricas del mundo en petróleo pesado, entre 9 y 13 grados API (AMERICAN PETROLEUN INSTITUITE) y extrapesados en 8 grados API, debido al grado de su viscosidad es extraído mediante un método tradicional y muy efectivo como lo es la inyección de diluentes. Este proceso es necesario para aumentar la gravedad API de este hidrocarburo y así darle mayor fluidez y facilitar el transporte por medio de tuberías hasta las estaciones de flujo, donde se cumple un proceso de cuatro fases principales que son calentamiento, separación, almacenamiento y bombeo a planta.

La inyección de diluente se realiza desde un múltiple, el cual cuenta con un sistema de control para ajustar el flujo de diluente inyectado a cada pozo asociado al múltiple, a través de válvulas de control de actuador neumático y posicionador inteligente, por lo tanto es necesario colocar un sensor coriolis para la realizar la medición de diluente inyectado a cada pozo.

La medición con el sensor coriolis en el sistema de inyección de diluente permitirá además de garantizar la dosificación correcta de diluente y evitar el consumo excesivo del mismo en el levantamiento y transporte del crudo extraído, lo cual, ayuda a prevenir los incidentes ocurridos en las tuberías de transportación. En la siguiente figura se muestra el diagrama de proceso para la inyeccion de diluente a pozos:

En la siguiente figura se muestra los sensores instalados en el multiple de inyección de diluente para realizar la medicion correspondiente a la dosificación de cada pozo: