instrumentación plantas tratamiento aguas
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Master en Ingeniería y Gestión Medioambiental 2007/2008
Módulo: Contaminación de las aguas
INSTRUMENTACION AUTOR: OSCAR ACEBAL
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©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.
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Índice 1 INTRODUCCIÓN................................................................................................................... 3 2 MEDIDA DE PARÁMETROS................................................................................................ 5
2.1 MEDIDA DE CAUDAL ................................................................................................... 5 2.1.1 CONDUCCIONES ABIERTAS........................................................ 5 2.1.2 CONDUCCIONES CERRADAS ..................................................... 9
2.2 MEDIDA DE NIVEL...................................................................................................... 14 2.2.1 ULTRASÓNIDOS ......................................................................... 15 2.2.2 SISTEMAS CAPACITIVOS .......................................................... 16 2.2.3 SISTEMAS CONDUCTIVOS ........................................................ 17 2.2.4 SISTEMA DE PRESIÓN DIFERENCIAL ...................................... 18 2.2.5 RADAR ......................................................................................... 19 2.2.6 MEDIDOR DE BOYA.................................................................... 20 2.2.7 NIVEL DE CRISTAL ..................................................................... 20 2.2.8 NIVEL DE BURBUJEO................................................................. 21
2.3 MEDIDA DE PRESION................................................................................................ 23 2.3.1 MANÓMETROS............................................................................ 23 2.3.2 TRANSMISOR DE PRESIÓN NEUMÁTICO ................................ 24 2.3.3 TRANMISOR DE PRESIÓN ELECTRÓNICO .............................. 25
2.4 MEDIDA DE PH ........................................................................................................... 28 2.5 MEDIDA DE TEMPERATURA..................................................................................... 30
2.5.1 TERMÓMETROS LOCALES........................................................ 30 2.5.2 TERMÓMETROS ELÉCTRICOS.................................................. 31
2.6 MEDIDA DE CONDUCTIVIDAD.................................................................................. 33 2.7 MEDIDA DE TURBIDEZ.............................................................................................. 35
2.7.1 METODO NEFELOMETRICO ...................................................... 36 2.7.2 METODO DE ABSORCIÓN DIRECTA......................................... 37
2.8 MEDIDA DE OXIGENO DISUELTO ............................................................................ 38 2.9 ELECTRODOS DE ION SELECTIVO.......................................................................... 39 2.10 MEDIDA DE COT ........................................................................................................ 42 2.11 ANALISIS DE GASES ................................................................................................. 43
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1 INTRODUCCIÓN
Los sistemas de medida dentro de las Plantas de Tratamiento de Aguas son un
elemento clave para asegurar el correcto funcionamiento de los diversos tratamientos
que se llevan a cabo en las mismas.
Diversos parámetros son medidos en las distintas áreas de las plantas de Tratamiento.
La medida y control de dichos parámetros permite mejorar el rendimiento de los
procesos de depuración, optimizar el consumo de reactivos y energía, así como
alargar la vida útil de las instalaciones.
Existen una serie de parámetros que se miden en la práctica totalidad las instalaciones
de depuración, ya que son claves para llevar el correcto control de la Planta. Mientras
que otra serie de parámetros son medidos en función del origen de las aguas
residuales y de los procesos que se llevarán a cabo para su depuración.
A su vez para conocer la calidad del vertido antes de su vertido final, se miden un
conjunto de parámetros que normalmente fija la Administración.
Parámetros habitualmente medidos en una EDAR urbana:
Caudal, nivel, pH, conductividad, temperatura, presión, turbidez, oxígeno disuelto, DQO, DBO, COT, nitratos, fosfatos, amonio, cloruros, metano.
En una EDAR industrial, los parámetros que son medidos, dependen de la
procedencia de las aguas residuales, pudiéndose medir además de los parámetros
medidos en una EDAR urbana, los siguientes parámetros:
Aceites y grasas, fluoruros, metales pesados, potencial redox.
En el esquema adjunto, se indica el lugar en el que se miden los distintos parámetros
en una EDAR urbana.
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REJAS DESARENADO DECANTADOR 1º
PROCESO AEROBIO
DECANTADOR 2º DESINFECCIÓN
NIVEL
ARQUETA ENTRADA
PRESIÓN DIFERENCIAL
CAUDALSÓLIDOS SUSPENSIÓNCONDUCTIVIDAD
SÓLIDOS EN SUSPENSIÓNpHTEMPERATURAAMONIONITRATOSFOSFATOSCONDUCTIVIDADDQO
OXÍGENO DISUELTOCAUDAL AIRE
CLOROSOLIDOS SUSPENSION
DQOpH
NITRATOSFOSFATOS
ARQUETA FANGOS ESPESADOR CALENTAMIENTO
FANGOSDIGESTORES
FANGOS
NIVELCAUDAL
TEMPERATURA TEMPERATURApH
GASOMETRO
% METANOCAUDAL
PRESION
LINEA DE AGUA
LINEA DE FANGOS
LINEA DE GAS
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2 MEDIDA DE PARÁMETROS
A continuación se describen los métodos de determinación de los parámetros
habitualmente medidos en las Plantas de tratamiento de aguas.
2.1 MEDIDA DE CAUDAL La medida de caudal tiene como finalidad conocer la cantidad de un fluido que pasa
por una conducción durante un determinado periodo de tiempo.
En el ámbito de tratamiento de aguas residuales la medida del caudal de agua de
entrada al tratamiento sirve para ajustar una serie de parámetros críticos para el
tratamiento del agua residual.
Con la medida del caudal, actuaremos sobre el arranque/parada de bombas,
ajustaremos su caudal, dosificaremos más o menos reactivo, abriremos o cerraremos
compuertas, etc.
El caudal de agua en una planta residual se puede medir en conducciones abiertas o
en conducciones cerradas (tuberías).
2.1.1 CONDUCCIONES ABIERTAS El agua residual en las conducciones abiertas circula por acción de la gravedad, no
soliendo estar la conducción completamente llena.
La medida de caudal en este tipo de conducciones se efectúa mediante una
aceleración del caudal. De esta forma conociendo la velocidad del fluido y la sección
mojada del canal se puede conocer el caudal de fluido.
Conocido el ancho del canal, la cantidad de flujo es función de la altura del mismo en
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el canal.
Para generar una aceleración del caudal se emplean los siguientes elementos:
• Canales Venturi
• Vertederos
Canales Venturi
Un canal Venturi es un estrechamiento de la sección transversal de un canal.
El estrechamiento que se produce en la sección del canal, genera una subida de nivel
del líquido aguas arriba del estrechamiento, siendo esta variación en la altura del
líquido, proporcional al caudal que circula por el canal.
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La formula que rige el cálculo del caudal es la siguiente:
2/3h*cteQ =
Donde:
Q: Caudal de líquido
Cte: cte. Constructiva canal
h: altura medida
Para asegurar una correcta medida del nivel de líquido deberán seguirse unas
recomendaciones constructivas:
• Deberá mantenerse un tramo recto de canal, previo al venturi, de al menos 10
veces la anchura del canal.
• A la salida del venturi debe mantenerse un tramo recto de canal de al menos 5
veces la anchura del canal.
• El punto de medida se localizará a una distancia de 3 veces la altura máxima
de líquido, del inicio de la sección convergente del canal.
• La velocidad de paso del agua en el canal deberá ser mayor de 0.6 m/s para
que no existan deposiciones de sólidos que provoquen perturbaciones en el
flujo del líquido
• La relación entre el ancho de la garganta y el ancho del canal deberá ser
menor o igual a 0,7.
Para la media de la altura del líquido en el venturi se utilizará un elemento de medida
de nivel, estando recomendado el uso de un medidor por ultrasonidos debido a que
este elemento de medida no provoca perturbaciones en la circulación del líquido
Vertederos
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Un vertedero es una restricción al flujo que permite medir la variación de altura aguas
arriba de la restricción.
Este sistema se utiliza en canales donde se pueda efectuar un salto en la corriente de
líquido.
Existen distintos tipos de vertederos en función de su geometría. Estos pueden ser:
Sin contracción lateral: la restricción se aplica a todo el caudal.
Con contracción lateral en forma de V.
Con contracción lateral en forma trapezoidal.
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El cálculo del caudal mediante el uso de vertederos se lleva a cabo con las siguientes
fórmulas:
Q = cte * h3/2 vertederos sin contracción lateral o con contracción lateral trapezoidal
Q = cte * h5/2 vertederos con contracción lateral en forma de V
Donde:
Q: caudal de líquido
Cte: constante de proporcionalidad del vertedero
H: altura medida nivel líquido
Para asegurarnos una correcta medida de caudal, el punto de medida del nivel de
líquido deber realizarse a una distancia no menor a cuatro veces la altura máxima de
líquido en el salto.
2.1.2 CONDUCCIONES CERRADAS En las conducciones cerradas el caudal suele ser medido en función de la velocidad.
Para ello se puede utilizar métodos directos, que son los que miden directamente la
velocidad, como son los medidores magnéticos y ultrasónicos. O también se pueden
emplear métodos indirectos, que requieren de un elemento que provoque una
restricción al flujo para así medir el caudal en función de la presión diferencial.
Medidor magnético
Este sistema se emplea para la medida de caudal en líquidos conductores, ya que se
basa en la Ley de Faraday que establece que el voltaje inducido en un conductor que
se mueve en un campo magnético es proporcional a la velocidad del conductor.
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El sistema consta de dos bobinas situadas en extremos opuestos de la tubería y dos
electrodos situados también a ambos extremos de la tubería pero a 90º de las
bobinas.
Cuando se alimentan con corriente alterna las dos bobinas, estas generan un campo
magnético que es cortado por el líquido que fluye por la tubería. Al cortar el campo
magnético se genera una fuerza electromotriz inducida que es detectada mediante los
dos electrodos, que es proporcional al valor del campo magnético, a la velocidad del
líquido y a la distancia entre los electrodos. Debido a que la distancia entre los
electrodos y el valor del campo magnético son constantes, la fuera electromotriz
inducida es proporcional a la velocidad.
Conociendo la sección de la tubería y la velocidad calculada, se obtiene el caudal de
líquido.
Este método de medida, tiene una serie de ventajas que han de ser tenidas en cuenta:
• No genera perdida de carga
• No se ve afectado por variaciones de densidad y viscosidad
• No le afecta la variación de presión y temperatura
• Tiene elevada precisión
Medidor de ultrasonidos
Este sistema de medida se basa en el principio Doppler, que establece que cuando se
emite una frecuencia constante a través de un fluido en movimiento, la frecuencia
recibida varía proporcionalmente a la velocidad del fluido en movimiento.
El sistema de medida consta de un emisor de frecuencia y un receptor situados a uno
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en frente del otro en la tubería. El emisor generará una frecuencia que atravesará la
corriente de líquido y será detectada mediante el receptor. La variación entre la
frecuencia emitida y la detectada es proporcional a la velocidad del fluido.
Debido a la difracción entre superficies, el ángulo de entrada de la señal de frecuencia
ha de ser de 15º.
Este sistema tiene la limitación de que solo es aplicable a fluidos que tengan partículas
en suspensión, puesto que lo que mide es el movimiento de partículas. Debido a esto,
este método no es útil para la medida en líquidos limpios.
Medidor Vortex
Este sistema se basa en los vórtices que se generan el un fluido cuando se coloca un
obstáculo en su camino. La frecuencia de generación de estos vórtices es
directamente proporcional a la velocidad del fluido.
Debido a que el volumen y la distancia entre vórtices es constante, midiendo el
número de vórtices generados se conocerá el caudal del fluido.
bvsf *
=
donde:
f: frecuencia de vortex
s: factor adimensional
v: velocidad fluido
b: anchura obstáculo
Para la detección de los vórtices se emplea un sensor capacitivo.
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Medidor de presión diferencial
Este método se basa en el teorema de Bernoulli, que indica que al realizar una
restricción en una tubería, la disminución del diámetro genera un aumento de la
velocidad del fluido. Por el principio de conservación de la energía, la energía potencial
se transforma en energía cinética:
Ec = Ep
0.5 * m * v2 = m * g * h
hgv **2=
donde:
v: velocidad fluido
g: cte gravedad
h: diferencia manométrica entre ambos lados de la restricción
El valor del caudal del líquido tras la restricción es igual a la velocidad del líquido
multiplicada por la sección de la tubería y multiplicada por una la constante de
descarga de la restricción.
De esta forma el caudal tiene la siguiente expresión:
hgSKQ **2**=
donde:
Q: caudal
K: cte de descarga
S: sección tubería
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En la expresión, K, S, y g son valores constantes, por lo que el caudal es proporcional
a la variación de la altura manométrica.
Para la medida del caudal, por tanto se utiliza un transmisor de presión diferencial
cuya descripción se encuentra en el apartado de medida de presión.
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2.2 MEDIDA DE NIVEL
La medida del nivel es otra de las operaciones que se realizan habitualmente en una
Planta depuradora. La medida de nivel se puede realizar en conducciones abiertas y/o
en tanques, depósitos o arquetas.
La medida de nivel en conducciones abiertas se utiliza por ejemplo para medir el
caudal de líquido que circula por la conducción o para medir una pérdida de carga en
la conducción que por ejemplo en el caso del paso a través de unas rejas, active el
mecanismo de limpieza automático de las mismas.
La medida de nivel en tanques, depósitos o arquetas sirve para conocer la cantidad
de líquido o sólido almacenado, para bien tener un registro de la capacidad restante de
un tanque, bien conocer la cantidad de reactivo que queda en un tanque o bien poner
en arranque o paro un sistema de bombeo o dosificación.
Existen diversos sistemas de medida de nivel tanto para conducciones cerradas como
para tanques o depósitos.
Los sistemas de medida de nivel habitualmente utilizados en las Plantas depuradoras
son los siguientes:
SISTEMA DE MEDIDA UBICACIÓN MEDIDA TIPO DE MEDIDA
ULTRASONIDOS CANAL ABIERTO/ DEPÓSITOS MEDIDA CONTÍNUA
CAPACITIVO CANAL ABIERTO/ DEPÓSITOS MEDIDA CONTÍNUA
CONDUCTIVO CANAL ABIERTO/ DEPÓSITOS MEDIDA LÍMITE
PRESION DIFERENCIAL DEPÓSITOS MEDIDA CONTÍNUA
RADAR CANAL ABIERTO/ DEPÓSITOS MEDIDA CONTÍNUA
DE BOYA DEPÓSITOS MEDIDA LÍMITE
NIVEL DE CRISTAL DEPÓSITOS MEDIDA CONTÍNUA
BURBUJEO CANAL ABIERTO/ DEPÓSITOS MEDIDA CONTÍNUA
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2.2.1 ULTRASÓNIDOS
Este sistema de medida utiliza pulsos de sonido que son enviados desde un emisor
hacía la superficie cuyo nivel se quiere medir. Estos pulsos son reflejados por dicha
superficie y su eco es recogido por un receptor situado junto al emisor. De esta forma
el sistema mide el tiempo utilizado en la propagación del sonido, siendo proporcional a
la distancia entre el emisor y la superficie.
svth *=
h: altura
t: tiempo de propagación
vs: velocidad del sonido (331 m/s a 0º C)
La velocidad del sonido varía con la temperatura, por lo que los sensores deben tener
una compensación de la temperatura. La variación es de 0.17% por ºC.
El sistema de medida por ultrasonidos se compone además de un
procesador/amplificador de señal, que se encarga de procesar la señal recibida y
transformarla en una señal eléctrica 4-20 mA.
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2.2.2 SISTEMAS CAPACITIVOS
Este sistema de medida utiliza un condensador para medir las variaciones de nivel.
Estas variaciones provocan cambios en la capacidad del condensador.
Un condensador consta de dos placas metálicas separadas a una distancia y mediante
un dieléctrico. Cuando a estas dos placas se les aplica tensión en corriente continua y
luego se desconecta la tensión, esa tensión permanece entre las dos placas
conductoras un determinado periodo de tiempo.
La capacidad de un condensador depende de la cte dieléctrica del aislante y de la
distancia entre las placas.
Si el producto a medir es un conductor, el condensador estará formado por un
electrodo recubierto de un aislante y del propio producto a medir.
En el caso de que el producto no sea conductor, el condensador estará formado por
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dos electrodos actuando el producto a medir como aislante.
Los sistemas capacitivos que utilizan al producto como aislante, presentan la limitación
de que un cambio en su constante dieléctrica motivado por un cambio en sus
propiedades, generará errores en la medida.
Entre las ventajas que presenta este sistema están su coste, precisión y facilidad de
instalación.
2.2.3 SISTEMAS CONDUCTIVOS
Este sistema de medida se emplea para el control del nivel, no siendo posible la
indicación de nivel en continuo. Este sistema de medida solo se puede utilizar con
líquidos conductivos.
El sistema consta de dos electrodos conectados a corriente alterna. Uno de los
extremos de una de los electrodos actuará como nivel mínimo, y el extremo del otro
electrodo actuará como nivel máximo. Como toma de tierra del sistema se utilizará la
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pared del depósito o canal si es metálico, o una tercer electrodo de referencia.
Dependiendo de los niveles que se quiera controlar, la longitud de los electrodos
variará.
Este sistema se utiliza muy a menudo para controlar el arranque/paro de una bomba.
La bomba arrancará cuando el líquido alcance el electrodo de medida de nivel máximo
y parará cuando el nivel baje por debajo del electrodo de nivel mínimo.
2.2.4 SISTEMA DE PRESIÓN DIFERENCIAL
Este sistema se emplea para la medida de nivel en depósitos a presión atmosférica o
a presión.
Para la medida en depósitos a presión atmosférica se emplea un elemento de presión
diferencial, situándose la cámara de baja presión a la atmósfera, y la cámara de alta
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situada en el depósito, de esta manera la diferencia entre la medida de presión en la
cámara de alta y de baja es proporcional a la altura del líquido en el depósito.
caPatmosfériP =1 hgPPP ∗∗=−=∆ ρ12 = hcte∗
hgcaPatmosferiP ∗∗+= ρ2
2.2.5 RADAR
El sistema Radar para la medida de nivel emplea las ondas de radio para llevar a cabo
la medida.
Las ondas de radio son transmitidas mediante una antena situada por encima del
producto a medir su nivel. Cuando las ondas de radio alcanzan un medio con distinta
constante dieléctrica, parte de la energía de las ondas de radio es reflejada.
La diferencia de tiempo entre el pulso emitido y el reflejado es proporcional a la
distancia entre el emisor y la superficie.
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2.2.6 MEDIDOR DE BOYA
El sistema de nivel de boya se trata de un sistema mecánico de control de nivel. Su
uso habitual es para el arranque/paro de bombas situadas en una arqueta.
La boya permanece flotando en la superficie de líquido y se encuentra conectada con
un actuador. Según varíe el nivel del líquido en la arqueta la boya alcanzará un nivel
definido en el que actuará sobre el sistema de arranque/paro de las bombas.
Este sistema de control tiene la ventaja de ser barato y de fácil instalación.
2.2.7 NIVEL DE CRISTAL
Este sistema de indicación de nivel se aplica en tanques de almacenamiento de
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líquidos. Se trata de un sistema visual de indicación, en el que es el líquido
almacenado el que indica su nivel en el tanque.
El sistema de medida se trata de un tubo transparente conectado al tanque mediante
dos bridas. El líquido sube por el tubo hasta alcanzar el nivel del tanque.
Si al tubo se le incorpora una escala, el sistema da una medida de la cantidad de
líquido almacenada en el tanque.
2.2.8 NIVEL DE BURBUJEO
Este sistema se utiliza para medir el nivel de líquidos en tanques o en conducciones
abiertas.
Este sistema se basa en la introducción de burbujas de aire u otro gas, mediante un
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tubo sumergido en el líquido. Se debe regular el caudal de aire hasta que se empiecen
a formar burbujas dentro del líquido. La presión requerida para la formación de
burbujas es proporcional al nivel de líquido.
H*g*P ρ=
P: presión de aire inyectado
ρ : densidad de líquido
H: Nivel de líquido
Si el nivel del líquido varia, la presión de aire inyectado también variará hasta que las
presión de aire inyectado se iguales a la presión ejercida por la columna de líquido. De
esta forma el nivel de líquido vendrá determinado por la medida de la presión de aire
introducido.
Este sistema se puede utilizar para la medida de nivel de líquidos corrosivos o con
materiales en suspensión, ya que el fluido no penetra en el medidor. Tiene la limitación
de que la densidad del líquido a medir ha de ser constante.
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2.3 MEDIDA DE PRESION
La medida de presión en las Plantas de tratamiento de aguas se utiliza habitualmente
como medida de control de los equipos que trabajan a presión.
Existes diversos elementos de medida de presión, siendo las más habituales los
siguientes:
• Manómetros
• Transmisores de presión neumáticos
• Transmisores de presión electrónicos
2.3.1 MANÓMETROS
Estos equipos indican localmente la medida de presión. Existen distintos modelos,
aunque los más empleados son los manómetros Bourdon.
El manómetro Bourdon consiste en un tubo metálico que tiene uno de sus extremos
tapado, mientras que por el otro se le aplica la presión. Este extremo se encuentra fijo,
mientras que el extremo tapado está libre para que al variar la presión, éste se abra o
cierre provocando un movimiento que se aun piñón al que se acopla una aguja, que
indica la medida en una esfera graduada.
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2.3.2 TRANSMISOR DE PRESIÓN NEUMÁTICO
Este sistema se emplea para transmitir la medida de la presión a cierta distancia (sal
de control). Para ello se requiere la conversión de la señal de presión en una señal
neumática, que suele ir de 0.2 a 1 bar.
El transmisor neumático se compone de un suministro de aire a través de un conducto
que termina en una reducción denominada tobera. La tobera se encuentra obstruida
por una paleta sobre la que actúa la presión que se quiere medir. Se calibra el sistema
para que el fondo de escala del transmisor se produzca cuando la vaina impida la
salida de aire por la tobera, y por lo tanto se transmita 1 bar de presión. A principio de
escala del transmisor, la vaina permitirá pasar aire para que la señal de salida sea de
0,2 bares.
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2.3.3 TRANMISOR DE PRESIÓN ELECTRÓNICO
Estos sistemas son mucho más precisos que los transmisores neumáticos, por lo que
se usan cuando se requiere gran precisión y una rápida respuesta.
Existen varios sistemas transmisores de presión electrónicos, como son:
• Inductivos
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El fluido de proceso transmite su presión a un diafragma sensor a través de
unos diafragmas aisladores que contiene el líquido de llenado y están en
contacto con el fluido de medida.
El diafragma sensor flexiona en función de las variaciones de presión y
generan una variación en la distancia que separa dos circuitos magnéticos
situados a cada lado. De esta forma variará la inductancia diferencial siendo
esta variación proporcional a la variación de presión.
Mediante un conversor se convertirá la señal de inductancia a una señal 4-20
mA que se transmite a la sala de control.
• Capacitivos
La medida se basa en la variación de capacidad que sufre un condensador en
función de las variaciones mecánicas. Estas variaciones mecánicas se generan
por la flexión de un diafragma que está sometido a las variaciones de presión.
Las variaciones en la capacidad son detectadas por un circuito electrónico, y
son transformadas en una señal de salida de 4-20 mA.
• Piezoeléctricos
Se basan en la generación de potencial eléctrico por sustancias cristalinas
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sometidas a presión.
• Células extensiómetricas
Se basan en las variaciones en la resistencia de un hilo conductor cuando se
su longitud varia por torsión o presión, alterando el diámetro del hilo.
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2.4 MEDIDA DE pH
El pH se define como el menos logaritmo de la concentración de iones hidronio en el
agua.
[ ]+−= HpH log
El agua es una sustancia químicamente neutra, en la que alguna de sus moléculas se
disocia espontáneamente:
H2O −+ +→ OHH
La constante de disociación del agua (Kw) a 22º C es de 10-14, de donde:
Kw1410* −== −+ OHH
CC
En una solución neutra de agua, las concentraciones de H+ y OH- son iguales a 10-7.
Por lo tanto el pH de una solución neutra es:
pH [ ] 710log 7 =−= −
Un ácido es una sustancia que proporciona iones H+ al agua, aumentando su
concentración y por lo tanto disminuyendo su pH.
Una base es una sustancia que proporciona iones OH- al agua, aumentando su
concentración y por lo tanto aumentando su pH.
El pH del agua es un parámetro muy importante en las plantas depuradoras, puesto
que tanto los tratamientos químicos como los biológicos tienen gran dependencia de
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este parámetro. A su vez la legislación determina un rango de pH en los que el agua
tratada puede ser vertida a un cauce.
Existen ciertos procesos químicos que deben llevarse a cabo a determinados pH
(tanto ácidos como básicos) por lo que la medida de pH es indispensable para ajustar
el pH del agua a las necesidades del cada proceso que se vaya a llevar a cabo en la
depuradora.
El pH se suele medir mediante un método potenciométrico. En este método el
electrodo de medida dispone de un cristal especial que es sensible al pH. Este
electrodo genera un potencial cuando se pone en contacto con iones H+. Comparando
esta respuesta con la de un electrodo de referencia se obtiene la medida de pH.
Con el fin de mantener automatizada la planta depuradora, la medida de pH se suele
llevar a cabo mediante un portalelectrodos de inmersión y su señal se envia al PLC de
la instalación mediante un transmisor.
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2.5 MEDIDA DE TEMPERATURA
La medida de la temperatura del agua residual se suele llevar a cabo en el vertido
final, para controlar la temperatura de vertido, cuyo valor está limitado por la
Administración a un valor máximo.
La temperatura también puede medirse a la entrada de la Planta, para predecir la
influencia que va a tener este parámetro en los distintos procesos que se van a llevar a
cabo en la Depuradora.
Un punto crítico donde debe efectuarse la medida de temperatura es en los procesos
de digestión anaerobios. En estos procesos la velocidad de reacción es directamente
proporcional a la temperatura, por lo que una alta temperatura va a favorecer que las
reacciones se lleven a cabo en el menor tiempo posible. Por otro lado, los
microorganismos que llevan a cabo estas reacciones son de tipo mesofílico, y tienen
un límite superior de temperatura que se encuentra alrededor de los 40º C, por lo que
el control de la temperatura es imprescindible para evitar que los microorganismos se
mueran y el proceso anaerobio no tenga lugar.
La medida de la temperatura puede realizarse de forma local, o bien transmitirse a la
sala de control para registrar su valor.
2.5.1 TERMÓMETROS LOCALES
• Termómetros de bulbo
Los termómetros de bulbo están formados por una vaina conectada mediante un
capilar a un tubo Bourdon en forma de espiral.
En los termómetros de bulbo la variación de la temperatura produce la expansión o
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contracción de un fluido, que provoca una variación en la presión interior que hace que
el tubo Bourdon se enrolle o desenrolle, lo que hace que una aguja acoplada al mismo,
indique la temperatura sobre una escala.
• Termómetros bimetálicos
Estos termómetros están formados por dos láminas de metal con diferente coeficiente
de dilatación, una con un coeficiente muy alto y la otra con el coeficiente más bajo.
Cuando se calientan las láminas de metal, una se dilata más que la otra con lo que se
consigue que uno de los lados se alargue más que el otro. Si las láminas de metal se
arrollan en espiral, la diferencia de dilatación hace que el sistema se torsione,
transmitiéndose esta torsión mediante una aguja que indica la medida sobre una
escala adecuada.
2.5.2 TERMÓMETROS ELÉCTRICOS
Los termómetros eléctricos se emplean para realizar una medida de temperatura y
transmitirla a la sala de control.
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Dentro de los termómetros eléctricos se pueden distinguir los siguientes:
• Termopares Los termopares miden la diferencia de potencial que se genera entre dos
metales situados juntos y sometidos a calor.
• Termorresistencias Las termorresistencias se basas en la resistencia eléctrica de los metales que
son sometidos a temperatura. Esta resistencia aumenta según aumenta la
temperatura.
• De radiación Los termómetros de radiación miden la intensidad de la energía radiante
emitida por un cuerpo.
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2.6 MEDIDA DE CONDUCTIVIDAD
La conductividad se define como la capacidad que tiene una sustancia para conducir
la corriente eléctrica. Su valor es el inverso de la resistencia.
La capacidad de conducir la corriente eléctrica por el agua, varía en función de su
pureza. Cuanto más pura sea el agua, menor es su conductividad. Y de forma
contraria, cuanto mayor contenido en ácidos, bases o sales tenga el agua, mayor será
su conductividad.
Cuando se aplica un potencial a un conductor, se generará una corriente eléctrica
inversamente proporcional a la resistencia del conductor.
Para medir la conductividad de un líquido se sumergen en él dos electrodos a los que
se les aplica una corriente alterna. La intensidad de la corriente generada es
proporcional a la conductividad del líquido.
La conductividad es un parámetro que depende de la temperatura, por lo que los
elementos de medida de conductividad deben tener una compensación de la
temperatura, para evitar errores en la medida.
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2.7 MEDIDA DE TURBIDEZ
La medida de la turbidez en las plantas de tratamiento de aguas sirve para conocer la
cantidad de partículas en suspensión presentes en el agua. Estas partículas que
generan turbidez pueden ser materia orgánica, inorgánica, bacterias, etc.
En una Planta depuradora, la medida de turbidez puede llevarse a cabo en distintos
puntos de la misma, como son la entrada y salida de la Planta, la salida de los
decantadores, salida de las etapas de filtración, etc.
De esta forma se puede conocer los rendimientos de los distintos procesos destinados
a la eliminación de las partículas que generan la turbidez del agua, medir la cantidad
de sólidos en los fangos activos, determinar la dosis de reactivos (coagulante y
floculante) necesarios para el proceso de depuración.
Los sistemas de medida de sólidos en suspensión, utilizan los procesos de absorción,
dispersión y transmisión de un rayo de luz cuando atraviesa un líquido que contiene
sólidos en suspensión.
Cuando una luz de una determinada longitud de onda atraviesa una solución con
partículas en suspensión, parte de esa luz se absorbe por las propias partículas en
suspensión, por los sólidos disueltos y por el propio líquido.
Otra parte de la luz es dispersada en todas las direcciones por las partículas.
Dependiendo del tipo y tamaño de la partícula, la dispersión se producirá de una
determinada forma y en una determinada dirección, así las partículas grandes
dispersan la luz hacia delante, mientras que las pequeñas lo hacen uniformemente
hacia delante y hacia atrás.
Finalmente otra parte de la luz es transmitida, disminuyendo la transmisión al
aumentar la distancia que recorra la luz, ya que de esta forma habrá más partículas
que absorban o dispersen la luz.
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Un medidor de turbidez consta de un foco emisor de luz, una célula fotoeléctrica que
recoge la señal de luz y un transductor que se encarga de convertir la señal luminosa
en eléctrica para poder ser indicada y registrada.
La concentración de sólidos en suspensión es una función logarítmica de la luz
captada por la célula fotoeléctrica.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
2
1ln*IIKCs
Donde:
Cs: Concentración sólidos
K: constante
I1: Intensidad de luz emitida
I2: Intensidad de luz detectada por la célula fotoeléctrica
Algunos sistemas para la mediad de la turbidez son los siguientes:
2.7.1 METODO NEFELOMETRICO
Se basa en la medida de la luz reflejada por las partículas hacia un receptor situado a
90º de la fuente emisora. La ubicación del emisor y receptor a 90º se debe a que
ubicándolos en esta posición, la precisión de la medida es más elevada que en otras
configuraciones.
La señal recogida por el receptor es proporcional a la concentración de sólidos en
suspensión presentes en el líquido.
Este método se utiliza para la medida de bajas concentraciones de sólidos en
suspensión.
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2.7.2 METODO DE ABSORCIÓN DIRECTA
Este método se usa para medir altas concentraciones de sólidos en suspensión
(mayores de 500 mg/l).
En este método el receptor y el emisor se encuentran uno en frente del otro, y la señal
de luz recogida por el receptor es inversamente proporcional a la concentración de
sólidos en suspensión.
Cuanto más separados estén el emisor y el receptor, el sistema tiene mayor
sensibilidad en la variación de concentraciones de sólidos, pero mide menor cantidad
de los mismos.
Por el contrario, cuanto más juntos estén emisor y receptor, el sistema mide mayores
concentraciones de sólidos, pero es menos sensible a variaciones en la concentración.
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2.8 MEDIDA DE OXIGENO DISUELTO
La medida de oxigeno disuelto en el agua residual, se lleva a cabo en los procesos
biológicos aerobios, en los que es necesario la presencia de una determinada cantidad
de oxígeno disuelto en el agua para que la oxidación biológica tenga lugar
correctamente.
La medida del oxígeno disuelto se lleva a cabo mediante un proceso electroquímico,
en el que se produce la reducción del oxigeno disuelto generando una corriente
eléctrica que es proporcional a presión parcial de oxígeno disuelto en el agua.
La celda electrolítica está formada por un ánodo de plata, un cátodo de oro, una
membrana permeable al oxígeno y una solución tampón alcalina que separa los
electrodos.
El equipo de medida de oxígeno generará una señal proporcional a la cantidad de
oxígeno disuelto, que actuará sobre los equipos de suministro de aire u oxígeno para
adaptar la difusión de oxígeno a las necesidades del sistema biológico en cada
momento.
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2.9 ELECTRODOS DE ION SELECTIVO
Estos electrodos tienen la particularidad de responder selectivamente a la actividad de
una determinada especie iónica en disolución.
Para efectuar la medida de una determinada especie iónica, se utiliza una celda
electroquímica compuesta por el electrodo selectivo de la especie a medir, y un
electrodo de referencia.
La calibración de la pareja de electrodos se lleva acabo mediante soluciones patrón
que contengan el ión que se quiere medir y un reactivo (que puede ser una solución
patrón de pH).
Se aplica una corriente a los electrodos que genera un potencial que es proporcional
a la actividad de un determinado ion. Este potencial viene expresado por la ecuación
de Nernst:
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xazFRTEE log3.20 +=
Donde:
E: potencial generado
E0: potencial cte determinado por el electrodo de referencia y la construcción interna
del electrodo de medida
R: cte de los gases
T: temperatura
z: cantidad de cargas de cada ion
F: cte de Faraday
ax: actividad del ion . Es un valor proporcional a la concentración del ion
Debido a E0,R, T, z y F son constantes, se tiene que el potencial generado es
proporcional a la concentración del ion que se quiere determinar.
Existen distintos tipos de electrodos de ion selectivos:
• Electrodo de vidrio La membrana está construida de un vidrio especial. La superficie de la membrana
actúa como intercambiadora de iones, cambiando iones de sodio o litio por los iones
que se quieren medir.
Los electrodos de pH, de sodio, de amonio y potasio pertenecen a este tipo de
electrodos.
• Electrodos en estado sólido La membrana esta formada por una sal inorgánica en la que en su superficie se
produce el intercambio de iones.
Los electrodos de sulfuro y fluoruro pertenecen a esta familia de electrodos.
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• Electrodos de membrana líquida La membrana está formada por un material soporte inerte impregnado con una
sustancia intercambiadora de iones. Al entrar en contacto el líquido a medir con la
sustancia intercambiadora, se producirá un intercambio iónico.
Los electrodos de nitrato y calcio pertenecen a este tipo de electrodos.
• Sondas sensoras de gas Estas sondas disponen de una membrana hidrófoba y permeable al gas. Dentro de la
membrana hay una solución electrolítica y un electrodo, generalmente de pH, con su
extremo situado casi en contacto con la membrana.
El gas difunde a través de la membrana hasta que se igualan las presiones parciales a
ambos lados de la membrana. El gas se disuelve en el electrolito y varía su pH, cuya
variación es detectada por el electrodo de pH.
Las sondas de amoniaco y dióxido de azufre pertenecen a este grupo de electrodos.
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2.10 MEDIDA DE COT
El carbono orgánico total (COT) se define como la cantidad de carbono, contenida en
el agua residual, determinada por oxidación catalítica de los compuestos del carbono
presentes. El COT es igual al carbono total menos el carbono inorgánico.
Para la medida del COT el caudal de muestra se acidifica has alcanzar pH inferior a 3,
con lo que se consigue que el carbono inorgánico pase a CO2, siendo purgado
mediante una columna desgasificadora.
Se añade a la muestra persulfato sódico y se pasa por un reactor de ultravioletas,
convirtiéndose el carbono orgánico en CO2. Este CO2 se mide mediante un detector
de infrarrojo no dispersivo.
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2.11 ANALISIS DE GASES En una Planta de tratamiento de aguas residuales, en la que se utilice un proceso
anaerobio, se generará gas metano. Este gas se quema para obtener la energía
necesaria para mantener la temperatura óptima de los procesos anaerobios.
Por lo tanto, es necesario conocer la riqueza en metano del gas generado en los
procesos anaerobios. Para ello se suele utilizar un analizador de gases por absorción
de infrarrojos.
Las moléculas tienen un determinado espectro de absorción en el rango de infrarrojos
que está relacionado con el número, configuración y tipo de átomos.
El equipo de medida por absorción de infrarrojos consta de un emisor de rayos
infrarrojos (2.5-15 micrones) que emite dos rayos paralelos que atraviesan dos celdas,
una contiene el gas a medir y la otra un gas de referencia. Los infrarrojos tras pasar
por las celdas son recogidos por un detector que contiene otro gas en su interior.
Cuando el gas absorbe los rayos infrarrojos, se produce un incremento de presión y
temperatura. El aumento de presión se transmite a una membrana que hace que varíe
la capacidad de un condensador.
El paso del haz de infrarrojos por las celdas de medida y referencia es alterno, por lo
que la diferencia entre la intensidad de luz detectada por el rayo de medida y el de
referencia se detecta como una señal de corriente alterna.
Para la evitar interferencias de otras moléculas se utiliza un filtro de interferencias que
permite que la muestra solo absorba la longitud de onda del gas que se quiere medir.