Medición de Flujo

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA

INGENIERIA DE PLANTAS INDUSTRIALES

SISTEMAS DE MEDICION DE FLUJO

Realizado por: Chango Paúl

Quishpe Mayra

Robles Nilo

Salazar Cristian

Yépez Randall

Fecha: 2015-03-13

Generalidades

Un fluido es una sustancia que posee la propiedad de que una porción de la misma puede desplazarse respecto a la otra, es decir, puede fluir venciendo las fuerzas de atracción entre las moléculas, que originan una resistencia interna a este desplazamiento relativo. Los fluidos pueden ser un líquido, un gas o mezcla de éstos dos. El flujo indica lo rápido que una sustancia (fluido) está en movimiento.

Los sistemas de fluidos pueden ser de tubería cerrada, semicerrado o abierta en cada caso, se pueden usar varios métodos de medición para determinar la velocidad de flujo requerida.

Las mediciones de flujo de fluidos son usadas en muchas aplicaciones que cubren un gran espectro de actividades tanto en la industria como la investigación. Las mismas pueden ser expresadas de tres formas: flujo volumétrico, flujo másico y velocidad de flujo. Las técnicas que se estudiaran para la medición de flujo de un fluido serán para el caso de tubería cerrada, debido a su importancia en los procesos industriales, laboratorios y plantas pilotos.

Los Medidores de Flujos de fluidos pueden ser utilizados en muchas aplicaciones tecnológicas y aplicaciones de la vida diaria, donde conociendo su funcionamiento y su principio de operación se puede entender de una manera más clara la forma que puede ayudar a solventar o solucionar problemas o situaciones comunes. Los medidores de flujo se emplean en operaciones tan diversas, como son el control de procesos, balances de energía, distribución, emisión de contaminantes, metrología legal, indicación de condición y alarma, transferencia de custodia de fluidos como el petróleo y sus derivados.

Factores para la Elección de un Medidor de Flujo

RangoLos medidores disponibles en el mercado pueden medir flujos desde varios mililitros por segundo (ml/s) para experimentos precisos de laboratorio hasta varios miles de metros cúbicos por segundo (m3/s) para sistemas de irrigación de agua o agua municipal o sistemas de drenaje. Para una instalación de medición en particular, debe conocerse el orden de magnitud general de la velocidad de flujo así como el rango de las variaciones esperadas.

Exactitud requeridaCualquier dispositivo de medición de flujo instalado y operado adecuadamente puede proporcionar una exactitud dentro del 5 % del flujo real. La mayoría de los medidores en el mercado tienen una exactitud del 2% y algunos dicen tener una exactitud de más del 0.5%. El costo es con frecuencia uno de los factores importantes cuando se requiere de una gran exactitud.

Pérdida de presiónDebido a que los detalles de construcción de los distintos medidores son muy diferentes, éstos proporcionan diversas cantidades de pérdida de energía o pérdida de presión conforme el fluido corre a través de ellos. Excepto algunos tipos, los medidores de fluido llevan a cabo la medición estableciendo una restricción o un dispositivo mecánico en la corriente de flujo, causando así la pérdida de energía.

Tipo de fluidoEl funcionamiento de algunos medidores de fluido se encuentra afectado por las propiedades y condiciones del fluido. Una consideración básica es si el fluido es un líquido o un gas. Otros factores que pueden ser importantes son la viscosidad, la temperatura, la corrosión, la conductividad eléctrica, la claridad óptica, las propiedades de lubricación y homogeneidad.

CalibraciónSe requiere de calibración en algunos tipos de medidores. Algunos fabricantes proporcionan una calibración en forma de una gráfica o esquema del flujo real versus indicación de la lectura. Algunos están equipados para hacer la lectura en forma directa con escalas calibradas en las unidades de flujo que se deseen. En el caso del tipo más básico de los medidores, tales como los de cabeza variable, se han determinado formas geométricas y dimensiones estándar para las que se encuentran datos empíricos disponibles. Estos datos relacionan el flujo con una variable fácil de medición, tal como una diferencia de presión o un nivel de fluido.

Tipos de Métodos de Medición de Flujo

Para sistemas de tubería cerrada se encuentran:

Medidores de flujo de presión diferencial

Métodos de Medición de Flujo

Presión Diferencial

Elemento Primario

Placa Orificio

Tubo Venturi

Tubo de Pitot

Area Variable

Elemento Secundario

Tubo de Bourdon

Diafragma

Fuelle

Desplazamiento Positivo

Velocidad

Tturbina

Vórtex

Electromagnético

Ultrasónico

Láser

Másico

Coriolis

Térmico

Los elementos de presión diferencial se basan en la diferencia de presiones provocada por un estrechamiento en la tubería por donde circula el fluido (líquido, gas o vapor). La presión diferencial provocada por el estrechamiento es captada por dos tomas de presión situadas inmediatamente aguas arriba y aguas abajo del mismo, o bien a una corta distancia. Su valor es mayor que la pérdida de carga real que debe compensar el sistema de bombeo del fluido.

Presión diferencial creada por la placa orificio

La fórmula de caudal obtenida con los elementos de presión diferencial se basa en la aplicación del teorema de Bernouilli (altura cinética + altura de presión + altura potencial = constante) a una tubería horizontal. Sean Pa, Pc y Va, Vc las presiones absolutas y velocidades en la zona anterior a la placa donde el fluido llena todo el conducto y en la vena contraída, respectivamente, y Sa, Sc las secciones correspondientes, resulta:

siendo p0 la densidad (masa por unidad de volumen) del fluido, habiendo supuesto que no varía en toda la longitud estudiada de la vena.

Teorema de Bernoulli

En el caso de un fluido compresible, su densidad varía en toda la sección de la vena ya que cambiala presión, la temperatura y el peso específico.La expresión final que se obtiene es parecida a la de los fluidos incompresibles, introduciendo un coeficiente experimental de expansión Ɛ para tener en cuenta la expansión ocurrida durante la aceleración del flujo. No depende del número de Reynolds y es función de la relación de presiones, de la relación de calores específicos para los fluidos compresibles y de la relación de secciones del elemento y la tubería. La expresión final es:

expresada en las mismas unidades que la ecuación correspondiente a los fluidos incompresibles.

O bien en caudal masa:

Elementos de presión diferencialLa placa-orificio o diafragma consiste en una placa perforada instalada en la tubería. Dos tomas, conectadas en la parte anterior y posterior de la placa, captan esta presión diferencial proporcional al cuadrado del caudal.

Disposición de las tomas de presión diferencial

El orificio de la placa puede ser concéntrico, excéntrico o segmental, con un pequeño orificio de purga para los pequeños arrastres sólidos o gaseosos que pueda llevar el fluido. Los dos últimos diafragmas permiten medir caudales de fluidos que contengan una can_ dad pequeña de sólidos y de gases. La exactitud obtenida con la placa es del orden de ± 1% a ± 2 %. La tobera está situada en la tubería con dos tomas, una anterior y la otra en el centro de la sección más pequeña. La tobera permite caudales del 60% superiores a los de la placa-ori_ cio en las mismas condiciones de servicio. Su pérdida de carga es del 30% al 80% de la presión diferencial.Puede emplearse para fluidos que arrastren sólidos en pequeña can_ dad, si bien, si estos sólidos son abrasivos, pueden afectar a la precisión del elemento. El coste de la tobera es de 8 a 16 veces el de un diafragma y su exactitud es del orden de ± 0,95% a ± 1,5%.

Tipos de elementos

El tubo Venturi permite la medición de caudales del 60% superiores a los de la placa orificio, en las mismas condiciones de servicio y con una pérdida de carga de sólo del 10% al 20% de la presión diferencial. Posee una gran exactitud y permite el paso de fluidos con un porcentaje relativamente grande de sólidos, si bien, los sólidos abrasivos incluyen en su forma afectando la exactitud de la medida. El coste del tubo Venturi es elevado, del orden de 20 veces al de un diafragma y su precisión es del orden de ± 0,75% .

En fluidos difíciles (lodos) de viscosidad apreciable o corrosiva, se utilizan elementos tales como el de cuña y el de cono en V que proporcionan una mejor recuperación de la presión del fluido, es decir, la pérdida de carga que absorben es pequeña. Las tomas suelen estar aisladas del procesoy, de este modo, no presentan el riesgo de obturación de las tomas de presión y de los tubos que comunican con el transmisor de presión diferencial.

Medidores de Desplazamiento Positivo

Los medidores de desplazamiento positivo miden el caudal, en volumen, contando o integrando volúmenes separados del líquido. Las partes mecánicas del instrumento se mueven aprovechando la energía del fluido y dan lugar a una pérdida de carga. La exactitud depende de los huelgos entre las partes móviles y las fijas y aumenta con la calidad de la mecanización y con el tamaño del instrumento.Para una medición correcta, estos medidores no precisan de longitudes rectas aguas arriba y aguas abajo del propio medidor. Existen cuatro tipos básicos de medidores:

• Disco oscilante.• Pistón oscilante.• Pistón alternativo.• Rotativos.

Medidor de disco basculanteEl instrumento dispone de una cámara circular con un disco plano móvil dotado de una ranura en la que está intercalada una placa fija. Esta placa separa la entrada de la salida e impide el giro del disco durante el paso del fluido. La cara baja del disco está siempre en contacto con la parte inferior de la cámara en el lado opuesto, de modo que la cámara queda dividida en compartimientos móviles separados de volumen conocido.Cuando pasa el fluido, el disco toma un movimiento parecido al de un trompo caído, de modo que cada punto de su circunferencia exterior sube y baja alternativamente, estableciendo contacto con las paredes de la cámara desde su parte inferior a la superior. Este movimiento de bamboleo se transmite mediante una bola y el eje del disco a un tren de engranajes. El par disponible es pequeño, lo que pone un límite en la utilización de accesorios mecánicos. Empleado originalmente en aplicaciones domésticas para agua, se u_ liza industrialmente en la medición de caudales de agua fría, agua caliente, aceite y líquidos alimenticios. La exactitud es del ± 1% al ± 5%. La presión máxima es de 100 bar y el caudal máximo es de 600 l/min y se fabrica para pequeños tamaños de tubería.

Pistón oscilanteSe compone de una cámara de medida cilíndrica con una placa divisora que separa los orificios de entrada y de salida. La única parte móvil es un pistón cilíndrico que oscila suavemente, en un movimiento circular, entre las dos caras planas de la cámara, y que está provisto de una ranura que se desliza en la placa divisora fija y que hace de guía del movimiento oscilante.El eje del pistón, al girar, transmite su movimiento a un tren de engranajes y a un contador. El par disponible es elevado de modo que el instrumento puede accionar los accesorios mecánicos que sean necesarios y transmitir mediante un transmisor de impulsos.

Pistón alternativoEs el más antiguo de los medidores de desplazamiento positivo. El instrumento se fabrica en muchas formas: de varios pistones, pistones de doble acción, válvulas rota_ vas, válvulas deslizantes, horizontales. Estos instrumentos se han empleado mucho en la industria petroquímica y pueden alcanzar una precisión del ± 0,2%.

Su capacidad es pequeña comparada con los tamaños de otros medidores. Su costo inicial es alto, dan una pérdida de carga alta y son difíciles de reparar.

Medidor rotativoEste tipo de instrumento tiene válvulas rotativas que giran excéntricamente rozando con las paredes de una cámara circular y transportan el líquido, en forma incremental, de la entrada a la salida. Se emplean mucho en la industria petroquímica para la medida de crudos y de gasolina, con intervalos de medida que van de unos pocos l/min de líquidos limpios de baja viscosidad hasta 64.000 l/min de crudos viscosos.Hay varios tipos de medidores rotativos, siendo los cicloidales, los de dos rotores (birrotor) y los ovales los más empleados.

Medidores de turbinasConsisten en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. El fluido choca contra el borde frontal de las palas del rotor produciendo un área de baja presión y, como resultado de esta presión diferencial, las palas giran.

Medidor de turbina

Como la velocidad del fluido baja inmediatamente después de las palas de la turbina, por el principio de Bernouilli aumenta la presión aguas abajo de la turbina y, como consecuencia, se ejerce una fuerza igual y opuesta a la del fluido aguas arriba y, de este modo, el rotor está equilibrado hidrodinámicamente y gira entre los conos anterior y posterior sin necesidad de utilizar rodamientos axiales, evitando así los efectos indeseables de un rozamiento que necesariamente se produciría.Existen dos tipos de convertidores para captar la velocidad de la turbina. En el de reluctancia, la velocidad viene determinada por el paso de las palas individuales de la turbina a través del campo magnético creado por un imán permanente montado en una bobina captadora exterior. El paso de cada pala varía la reluctancia del circuito magnético. Esta variación cambia el flujo, induciendo en la bobina captadora una corriente alterna que, por lo tanto, es proporcional al giro de la turbina.

En el tipo inductivo, poco usado actualmente, el rotor lleva incorporadas piezas magnéticas y el campo magnético giratorio que se origina induce una corriente alterna en una bobina captadora exterior.La exactitud es muy elevada, del orden del ± 0,3%. La máxima precisión se consigue con un régimen laminar, instalando el instrumento en una tubería recta de longitudes mínimas 15 diámetros aguas arriba y 6 diámetros aguas abajo. El campo de medida llega hasta la relación 15 a 1 entre el caudal máximo y el mínimo, y la escala es lineal.El medidor debe estar instalado de tal modo que siempre esté lleno de líquido aunque el caudal sea nulo, ya que, en la puesta en marcha, el choque del fluido a alta velocidad podría dañarlo seriamente.Es necesario el empleo de un filtro a la entrada del instrumento, incluso para mediciones de caudal de agua, ya que la más pequeña partícula podría desgastar los álabes de la turbina y afectar a la exactitud de la medida. La frecuencia generada por el medidor de turbina se transmite a un convertidor indicador o totalizador.

Medidores de flujo electromagnéticos

El principio de funcionamiento de este tipo de medidor de flujo se basa en la ley de Faraday de la inducción electromagnética, que establece que si un conductor eléctrico se mueve en un campo magnético, se induce una fuerza electromotriz (F.E.M.), la amplitud de la que depende la fuerza del campo magnético, la velocidad del movimiento y la longitud del conductor

Donde E es F.E.M., B es la densidad de campo magnético, l es la longitud del conductor y V es la velocidad a la que el conductor es cortar el campo magnético. La dirección del F.E.M. en relación con el movimiento y el campo magnético está dada por la regla de derecho generador de Fleming.

Si el conductor ahora toma la forma de un líquido conductor, se genera un EFM conforme a la ley de Faraday. Es útil en este momento para referirse a BS 5792 1980, que establece: "Si el campo magnético es perpendicular a un tubo aislante eléctricamente a través del cual fluye un líquido conductor, una máxima diferencia de potencial puede medirse entre dos electrodos colocados en la pared del tubo, tal que el diámetro de unirse a los electrodos es tanto a la fuerza del campo magnético, la velocidad axial y la distancia entre los electrodos "por lo tanto pueden determinarse la velocidad axial y velocidad de flujo. Este principio se ilustra en la figura

Muestra la construcción de conceptos básicos de un medidor de flujo electromagnético. Consiste en un dispositivo principal, que contiene el tubo a través del cual pasa el líquido, los electrodos de medición y las bobinas de campo magnético y un dispositivo secundario, que provee la excitación de la bobina de campo y amplifica la salida del dispositivo primario y convierte a una de conveniente para la exhibición, transmisión y totalización.

El tubo de flujo, que es efectivamente una sección de tubo, está forrado con un material aislante adecuado (dependiente en el tipo de líquido) para evitar el cortocircuito de los electrodos, que son normalmente botón al ras con el trazador de líneas. Las bobinas de la herida alrededor del exterior del tubo de flujo son generalmente resina de epoxi encapsulada para evitar daños por humedad o líquida de sumersión

Excitación de la bobina de campo

Para desarrollar un campo magnético adecuado a través de la tubería, es necesario conducir la bobina de campo con algún tipo de excitación eléctrica. No es posible utilizar pura excitación C.C. debido al efecto de polarización resultante en unos electrodos y posterior acción electroquímica, así que algún tipo de excitación AC se emplea. Las técnicas más comunes son sinusoidales y no sinusoidal (onda cuadrada, DC pulsada, o trapezoidal)

Excitación sinusoidal de AC

Medidor de caudal electromagnético tempranos la mayoría utilizan estándar 50 Hz tensión como una fuente de excitación para las bobinas de campo, y de hecho la mayoría de los sistemas en uso hoy operar en este principio. El voltaje de la señal también se AC y es normalmente capacitivamente acoplado a la electrónica secundaria para evitar cualquier DC interferencias potenciales. Este tipo de sistema tiene varias desventajas. Debido a la excitación de AC, los productores de efecto transformador interfiriendo voltajes. Éstos son causados por callejero recogida por los cables de señal del campo magnético variable. Tiene un alto consumo de potencia y sufre de deriva cero causada por las tensiones interferentes mencionados anteriormente y la contaminación del electrodo. Esto requiere un ajuste de control manual cero. Estos problemas ya han sido superados en gran parte por el uso de ninguna excitación sinusoidal.

Ninguna excitación sinusoidal

Aquí es posible arreglar esa tasa de cambio de densidad de flujo dB/dt = 0 para parte del ciclo de excitación: por lo tanto, no hay transformador acción durante este período. La señal de flujo se muestrea durante estos períodos y es efectivamente libre de tensiones error inducido

Las excitaciones de onda cuadrada, pulsadas y trapezoidales se todos han empleado inicialmente en frecuencias alrededor de 50 Hz, pero la mayoría fabrica ahora ha optado por sistemas de baja frecuencia (2-7 Hz) ofrece los beneficios del consumo de energía mínimo (sólo el 20% de la energía utilizada por un sistema comparativo de 50 Hz), compensación automática para interferir los voltajes, automáticos cero ajuste y tolerancia de ligera acumulación de material en la superficie de los electrodos.

Un ejemplo de este tipo de técnica se ilustra en la figura donde se utiliza la excitación de la onda cuadrada. La fuente de la C.C. a las bobinas se enciende y se apaga a aproximadamente 2,6 Hz, con inversión de polaridad cada ciclo.

Muestra la corriente ideal para la excitación DC pulsada pero, debido a la inductancia de las bobinas, que esta forma de onda no puede alcanzarse por completo. La solución como se muestra en la figura es para alimentar las bobinas de campo de una fuente de corriente constante dando una excitación cerca de onda cuadrada. La señal producida en los electrodos de medición se muestra en la figura. La señal es muestreada en cinco puntos durante cada ciclo de medición, como se muestra, y se utilizan técnicas de microprocesador para evaluar y separar la señal de cierto flujo del flujo combinado y cero señales, como se muestra en la ecuación en la figura

Ámbito de aplicación

Medidores de flujo electromagnéticos son adecuados para la medición de una amplia variedad de líquidos tales como líquidos sucios para medir una amplia variedad de líquidos tales como líquidos sucios, pastas, mezclas, ácidos y álcalis; la exactitud es en gran parte afectada por los cambios de temperatura, presión, viscosidad, densidad o conductividad. Sin embargo, en el caso de la conductividad de este último, debe ser más grande que 1 microhmio/cm

Instalación

El elemento primario puede montarse en cualquier actitud en la tubería, aunque cuidado habría tomado para asegurar que cuando el medidor de flujo está montado horizontalmente, el eje de los electrodos en el plano horizontal.

Donde la acumulación de depósitos en los electrodos es un problema recurrente, existen tres alternativas para su consideración:

1. Limpieza ultrasónica de electrodos

2. Utiliza electrodos capacitivos que no entren en contacto con la corriente de flujo y por lo tanto, aislantes recubrimientos no tienen ningún efecto

3. Electrodos removibles, insertado a través de un conjunto de válvula de agua caliente del grifo, permitiendo a los electrodos se retira de las primarias y físicamente examinado y limpiado, y luego reinsertado bajo presión y sin detener el flujo

Cabe señalar que en las tuberías aisladas orejeras cosa normalmente será necesarios para asegurar que el cuerpo del medidor de flujo es en el mismo potencial que el líquido enharinados para evitar tensiones actuales e interferencias de circulación.

El diseño de un medidor de flujo magnético fue introducido recientemente, que se basa en un paquete de electrodo y bobina auto contenido, montado a 180 º con un paquete similar, a través de la línea central del tubo de flujo. Este diseño no requiere un tubo de flujo completamente alineada y parece tener algunas ventajas en términos de costo en aplicaciones de medio-y-de mayor tamaño.

La precisión del medidor de flujo puede ser afectada por el perfil de flujo, y el usuario debe permitir por lo menos 10 diámetros de tubo recto hacia arriba y 5 recto-diámetros corriente abajo del elemento primario para garantizar las condiciones óptimas. Además, para asegurar la precisión del sistema, es esencial que el elemento primario debería seguir siendo llenado con el líquido se mide en todo momento. Gases ocluidos causará imprecisión similar.

Para mayor información sobre requisitos de instalación, el lector se refiere a las secciones pertinentes de BS 5792 1980

Medidores de flujo están disponibles en tamaños de 32 mm a 120 mm de diámetro nominal para manejar velocidades de flujo de 0-0, 5 m/s a 0-10 m/s con una precisión de +-1% en una proporción de cobertura de 10:1

Medidores de flujo ultrasónico

Los medidores de flujo ultrasónico son capaces de medir la velocidad de un medio que fluye por la supervisión de interacción entre la corriente de flujo y una onda de sonido ultrasónica transmitida a través de él. Existen muchas técnicas; los dos más comúnmente aplicados son efecto Doppler y Tiempo de tránsito (tiempo de vuelo).

Medidor de flujo Doppler

Estos dispositivos utilizan el conocido efecto Doppler, que establece que la frecuencia de cambios de los sonidos si su fuente o reflector se mueve en relación con el oyente o el monitor. La magnitud del cambio de la frecuencia es una indicación de la velocidad de la fuente de sonido o sonido reflector.

En la práctica que el medidor de flujo Doppler se compone de una vivienda en la que dos cristales piezoeléctricos están en maceta, un transmisor y un receptor, con el conjunto otro ubicado en la pared del tubo, como se muestra en la figura. La emisora transmite ondas ultrasónicas de frecuencia F1 en ángulo O a la corriente de flujo. Si la corriente de flujo contiene partículas, gas ocluido u otras discontinuidades, algunos de la energía transmitida se reflejará hacia el receptor. Si el líquido es viajar a velocidad V, la frecuencia del sonido reflejado como controlado por el receptor puede ser demostrada ser F2 tales que

Donde C es la velocidad del sonido en el fluido. Arreglos:

Que demuestra la velocidad es proporcional al cambio de la frecuencia.

El medidor Doppler se utiliza normalmente como un barato flujo medidor con pinza, las limitaciones operacionales solamente que la corriente de flujo debe contener las discontinuidades de algún tipo (el dispositivo no supervisará líquidos claros), y la tubería debe ser acústicamente transitiva

Exactitud y repetibilidad del medidor Doppler son algo sospechoso y difíciles de cuantificar, ya que su funcionamiento es dependiente en el perfil de flujo, tamaño de partícula y concentración de sólidos suspendidos. Sin embargo, bajo condiciones ideales y dada la facilidad de calibración in situ, las exactitudes de +-5% deben ser alcanzables. Este tipo de medidor de flujo es más adecuado para su uso como un interruptor de flujo o flujo indicación donde no se requiere una precisión absoluta.

Medidores de flujo transitorio

Dispositivos difieren de los metros de flujo Doppler en que se basan en la transmisión de un impulso ultrasónico a través de la corriente de flujo y por lo tanto no dependen de las discontinuidades o partículas arrastradas en la corriente de flujo para la operación.

El principio de funcionamiento se basa en la transmisión de una onda de sonido ultrasónica entre dos puntos, primero en la dirección del flujo y de flujo de oposición. En cada caso el tiempo de vuelo de la onda de sonido entre los dos puntos habrá sido modificado por la velocidad del flujo medio, y la diferencia entre los tiempos de vuelo puede ser demostrada ser directamente proporcional a la velocidad de flujo.

En la práctica, las ondas sonoras no se generan en la dirección del flujo, pero en un ángulo a través de él, como se muestra en la figura. Tiempos de tránsito pulso descendente T1 y T2 ascendente a lo largo de la longitud de una ruta D puede ser expresado como T1=D/(C+V) y T1=D/(C-V), donde C es la velocidad del sonido en el fluido y V es la velocidad del fluido: ahora

Desde V2 es muy pequeña comparada con C2, pueden ser ignorado. Es conveniente desarrollar la expresión en relación con la frecuencia y eliminar la dependencia de la velocidad del sonido (C).

Desde F1 = 1/T1 y F2 = 1/T2 y promedio de velocidad del fluido V = V/cosѲ CE.

Diferencia de la frecuencia se calcula mediante un convertidor electrónico, que proporciona una salida analógica proporcional en un promedio de velocidad del fluido. Una realización práctica de esta técnica funciona de la siguiente manera

Oscilador controlado genera impulsos electrónicos de los cuales son seleccionados dos pulsos consecutivos. La primera de ellas se utiliza para operar un transductor de cristal

de cerámica piezoeléctrica, que proyecta un haz de ultrasonidos a través del líquido que fluye en una tubería. Este pulso ultrasónico es recibido luego en el otro lado de la tubería, donde se convierte a un pulso electrónico. El último es entonces recibido por la electrónica "primero la llegada", comparando su hora de llegada con el segundo pulso recibido directamente. Si los dos pulsos son recibidos al mismo tiempo, el período de tiempo entre ellos equivale al tiempo que tarda el primer pulso a viajar a su transductor.

El segundo pulso debería llegar antes de la primera de ellas, el tiempo entre pulsos es demasiado corto. Entonces la primera llegada electrónica se retirará las tensiones para el oscilador controlado por voltaje (VCO), reducción de la frecuencia resultante. La electrónica continuará reducir la tensión a los VCO en pasos, hasta que se reciben los impulsos de primeros y segundo en la primera llegada de la electrónica al mismo tiempo. En este punto, el tiempo de la frecuencia periódico será igual que el tiempo de vuelo ultrasónico además el tiempo de retardo electrónico.

Si ahora se utiliza un circuito electrónico similar a proyectar un pulso ultrasónico en la dirección opuesta a la que muestra, que otra frecuencia se obtendrá, cuando restan de la primera, le dará una medida directa de la velocidad del fluido en la tubería, puesto que cancelarán las demoras electrónicas.

En la práctica, las cerámicas piezoeléctricas utilizadas actúan como transmisores y receptores de las señales ultrasónicas y así sólo es necesaria en cada lado de la tubería.

Típicamente el medidor de flujo consiste en un tubo de flujo que contiene un par de transductores ultrasónicos, montados externamente y un convertidor electrónico independiente/transmisor, como se muestra en la figura.

Los transductores pueden ser mojados o no y consisten en un cristal piezoeléctrico de tamaño para dar la frecuencia deseada (típicamente 1-5MHz para líquidos y 0.2-0.5 MHz para gases) figura.

Debido al hecho de que el medidor de flujo mide la velocidad en el centro de la tubería, es susceptible a los efectos de perfil de flujo, y debe tenerse cuidado para asegurar suficiente longitud de tubería recta aguas arriba y aguas abajo del tubo de flujo, para minimizar estos efectos. Para superar este problema, algunas fabricaciones utilizan técnicas de haz múltiple en que varias velocidades acordes son medidas y el promedio calculado. Sin embargo, es todavía buena práctica para permitir aproximadamente 10 diámetros corriente abajo hacia arriba y 5 de tubo recto. Además, puesto que este tipo de medidor de flujo si se basa en la transmisión a través del medio que fluye, los líquidos con un alto contenido de sólidos o contenido de

Este tipo de medidor de flujo puede obtenerse para su uso en líquidos o gases para tamaños de tubería de 75 mm nominal diámetro hasta 1500 mm o más para aplicaciones especiales y es bidireccional en operación. Exactitud de mejor que +-1% de tasa baja puede lograrse en un rango de flujo de 0.2 a 12 metros por segundo

Esta técnica también se ha aplicado con éxito para abrir el canal y el río caudal y también es ahora disponible como un medidor de flujo pinza para tubos cerrados, pero la precisión es dependiente en el conocimiento de cada instalación y calibración in situ es deseable.

El medidor de flujo de vórtice

Son un tipo de sensor de flujo que mide la frecuencia de los vértices a través de un dispositivo de farol ubicado en el caudal del flujo. En el área del dispositivo del farol la frecuencia del vértice es una proporción de la velocidad del flujo. Los medidores de flujo tipo vórtice son utilizados para medir el flujo de líquidos y/o gases. El principio es ilustrado en la figura.

Los vórtices se derraman alternativamente a cada lado del cuerpo farol, la tasa de ser directamente proporcional a la velocidad de flujo del vertimiento. Si este cuerpo está equipado centralmente en una tubería, la frecuencia del vertimiento de vórtice es una medida del caudal.

Cualquier cuerpo farol puede utilizarse para generar vórtices en una corriente de flujo, pero para que estos vórtices a ser regular y bien definida requieren cuidado diseño. Esencialmente, el cuerpo debe ser no racionalizada, simétrica y capaz de generar vórtices para un amplio rango de número de Reynolds.

Los más comúnmente adoptaron farol cuerpo diseños se muestran en la figura.

Estos diseños de efecto para garantizar la regularidad o simplificar la técnica de detección. Si se considera el diseño (d), se tendrá en cuenta que un segundo no racionalizada cuerpo se coloca justo abajo del vertimiento de vórtice de administración. Su efecto es reforzar y estabilizar el vertimiento. La anchura del cuerpo farol se determina por el tamaño del tubo y una regla del pulgar guía es que la proporción de la anchura del cuerpo al diámetro de la tubería no debe ser menor que 0.2 .

MEDIDOR DE PLACA ORIFICIO

Es un medidor de flujo basado en el principio físico de la caída de presión de un fluido circulando a través de una restricción, esto origina un incremento en la velocidad del fluido con la consecuente reducción en la presión del mismo.

La placa orificio consiste en una placa perforada ubicada en el interior de una tubería. Posee además, dos tomas de presión, una en la parte anterior y otra en la parte posterior de la placa, a las cuales se conecta un manómetro de presión diferencial

La placa orificio hace que la obstrucción al paso del fluido por la tubería sea de forma abrupta, esto provoca que la vena fluida presente una sección inferior a la del estrechamiento que se denomina “vena contracta” y que se encuentra corriente abajo del

mismo. El efecto de la vena contracta no sucede cuando el estrechamiento de la sección de la cañería es de forma gradual.

El orificio de la placa puede ser concéntrico, excéntrico o segmental. El concéntrico es el más comúnmente utilizado. El orificio de la placa es circular y concéntrico con el tubo en el que va instalado. Su exactitud es mucho mayor a la de los otros dos tipos de orificios. El excéntrico, el orificio en la placa es circular y tangente a la pared interna de la cañería en un punto. Se utiliza para fluidos con dos fases: vapor húmedo, líquidos que contienen sólidos, aceites que contienen agua, etc. El segmental, es un orificio en forma de segmento circular tangente en un punto a la circunferencia interna de la cañería. Se utiliza para fluidos barrosos con la ventaja que no acumula sólidos en el lado anterior a la placa.

Funcionamiento

En el Tubo de Venturi el flujo desde la tubería principal en la sección 1 se hace acelerar a través de la sección angosta llamada garganta, donde disminuye la presión del fluido. Después se expande el flujo a través de la porción divergente al mismo diámetro que la tubería principal. En la pared de la tubería en la sección 1 y en la pared de la garganta, a la cual llamaremos sección 2, se encuentran ubicados ramificadores de presión. Estos se encuentran unidos a los dos lados de un manómetro diferencial de tal forma que la deflexión h es una indicación de la diferencia de presión p1 – p2. Por supuesto, pueden utilizarse otros tipos de medidores de presión diferencial.

Componentes de los medidores de orificio

A. Placas de orificio

Son elementos instalados en los tubos para restringir el flujo del fluido (elemento primario). Se trata esencialmente, de una placa plana y redonda con un orificio o perforación.

B. Especificaciones de la placa de orificio

Algunas de estas especificaciones son:

El borde aguas arriba del orificio debe ser cuadrado y puntiagudo, sin contornos redondeados o biselados. La placa debe ser plana y lisa con una superficie molida y pulida. Debe ser de metal anticorrosivo como acero inoxidable. Par efecto de diseño se recomienda que la razón beta (β) que no es más que el resultado que se obtiene de dividir el diámetro del orificio por el diámetro interno del conducto donde se instala el orificio, está limitada en la siguiente forma.

Para medidores con conexiones en brida.

0.15 < β < 0.70

Para medidores con conexiones de tubería.

0.20 < β < 0.67

El informe del A.G.A. establece ciertas limitaciones en las dimensiones de la placa de orificio que se usan en la medición de gas:

Para una tubería de diámetro nominal de 4 pulgadas o menor, la placa de orificio será mayor de 0,060 de pulgadas de grosor y no más de 0.130.

Para una tubería de diámetro nominal de 6 pulgadas, el grosor de la placa será de por lo menos 0,010 de pulgada, pero no mayor a 0,255.

Para una tubería de más de 6 pulgadas de diámetro, el grosor de la placa no será menor a 0.100 de pulgada y no mayor a 1/30 del diámetro interno de la tubería; pero en ningún caso será más de 0,505 pulgadas de grosor.

El espesor no excederá de: - 1/30 del diámetro del conducto (D). 1/8 del diámetro del orificio (d). 1/8 del resultado obtenido al restar el diámetro del orificio del diámetro del conducto: [(D-d)/8].

Ecuación Básica de Flujo de orificio

Q=C∗√hw∗Pf

La computación de volúmenes de gas por medidores de orificio es realizado a través del uso de la ecuación básica de “Flujo de Orificio”.

Donde:

Q= Tasa de flujo – (ft3/hs)

C’= Constante de flujo de orificio

hw = Presión diferencial medidor (Pulgadas de agua)

Pf= Presión estática (psia)

La ecuación de flujo de orificio es derivada empíricamente desde las leyes fundamentales de física concerniente a, la

Conservación de energía Aceleración gravitacional Los de gas ideal

Aplicación

En la Industria Automotriz: en el carburador del carro, el uso de éste se pude observar en lo que es la Alimentación de Combustible.Los motores requieren aire y combustible para funcionar. Un litro de gasolina necesita aproximadamente 10.000 litros de aire para quemarse, y debe existir algún mecanismo dosificador que permita el ingreso de la mezcla al motor en la proporción correcta. A ese dosificador se le denomina carburador, y se basa en el principio de Vénturi: al variar el diámetro interior de una tubería, se aumenta la velocidad del paso de aire.

Medidores de Flujo de Tipo Coriolis

Efecto Coriolis

La fuerza de Coriolis, también denominada efecto de Coriolis, descrita en 1835 por el científico francés Gaspard-Gustave Coriolis. Descrita como el efecto que ejerce la rotación de la Tierra sobre los objetos que se mueven sobre su superficie. Se trata de la fuerza producida por la rotación de la Tierra en el espacio, que tiende a desviar la trayectoria de los objetos que se desplazan sobre la superficie terrestre; a la derecha en el hemisferio norte y a la izquierda, en el sur. Esta fuerza no sólo aparece durante la rotación de la Tierra sino, en general, para cualquier objeto con masa que se desplaza a una determinada velocidad sobre otro objeto en rotación.

La medición de caudal por el efecto Coriolis, también conocido como medición directa o dinámica, da una señal directamente proporcional al caudal másico y casi independiente de las propiedades del producto como conductividad, presión, viscosidad o temperatura. La fuerza Coriolis aparece siempre y cuando se trata de una superposición de movimientos rectos con movimientos giratorios. Para el uso industrial de su principio se sustituye el movimiento giratorio por una oscilación mecánica. Dos tubos de medición por donde pasa el producto oscilan en su frecuencia de resonancia.

El caudal másico provoca un cambio en la fase de la oscilación entre la entrada y la salida del equipo. Este desfase es proporcional al caudal másico y crea después de una amplificación correspondiente la señal de salida. Las frecuencias de resonancia de los tubos de medición depende de la masa oscilante en los tubos y por lo tanto de la densidad del producto. Luego, la fuerza de Coriolis está determinada por la siguiente fórmula:

Dónde:

Fc: Fuerza de Coriolis.

∆m: Masa en movimiento.

W: Velocidad angular.

V: Velocidad radial en un sistema rotatorio u oscilante.

La amplitud de la fuerza Coriolis depende de la masa en movimiento m, su velocidad en el sistema v, y por tanto su caudal másico. En un medidor se utiliza la oscilación en lugar de una velocidad angular constante y los dos tubos de medida paralelos con fluido en su interior se hacen oscilar desfasadamente de modo que actúan como una horquilla vibrante. Las fuerzas Coriolis producidas en los tubos de medidas, causan un desfase en la oscilación del tubo. Cuando el caudal es cero, si el fluido está quieto, ambos tubos oscilan en una fase (1) Con caudal másico, la oscilación del tubo disminuye en la entrada (2) y aumenta en la salida (3)

Principio de medición de Flujo

Cada sensor de flujo tipo coriolis consistes en uno o dos tubos encapsulados en un compartimiento. Este medidor aplica para el cálculo la segunda ley de newton de movimiento.

Dentro de la carcaza, el tubo medidor de flujo vibra a su frecuencia natural (Fig 2). El tubo es movido por una bobina electromagnética que genera un movimiento constante cuando el tubo es energizado, esta bobina está localizada en el centro de las curvas y causa que los tubos oscilen en sentido opuesto. La vibración es similar a la de un diapasón, con una amplitud menor a una décima de pulgada y una frecuencia de 80 ciclos por segundo aproximadamente.

Como los tubos del medidor coriolis vibran en sentido opuesto, estos están balanceados y aislados de la vibración externa o los movimientos externos del medidor.

En los medidores de flujo tipo coriolis de dos tubos paralelos, cuando el fluido entra al sensor es divido entre los dos tubos internos a través de un manifold y la mitad del flujo pasa por cada tubo

De acuerdo a la segunda ley de Newton de movimiento, la magnitud de la deformación del tubo sensor es directamente proporcional a la cantidad de flujo másico que esta pasando a través del tubo.

Los detectores de velocidad electromagnética localizados en cada extremo del tubo sensor, miden la velocidad de la vibración del tubo. El flujo másico es determinado midiendo la diferencia de tiempo que se genera en el desfase entre las dos ondas sinusoidales que son obtenidas por los medidores electromagnéticos. Estos detectores

son llamados “pick-offs coil” o bobinas colectoras de señal las cuales están compuestas por un magneto y una bobina. Estas bobinas están montadas a un lado de las piernas de uno de los tubos y el magneto está montado en el lado opuesto.

Cada bobina se mueve a través de un campo magnético uniforme cercano al magneto. El voltaje generado por cada bobina crea una onda sinusoidal. Como los magnetos están montados en un tubo y las bobinas en el tubo opuesto, la onda sinusoidal generada representa el movimiento de un tubo.

Ambas bobinas colectoras (la de la entrada y la de la salida) generan ondas sinusoidales continuamente cuando los tubos están oscilando. Cuando no hay flujo en la tubería no está presente el efecto coriolis y las ondas sinusoidales esta en fase y coinciden unas con otras.

Cuando el fluido se está desplazando a través de los tubos del sensor, la fuerza coriolis es inducida en ambos extremos (entrada y salida). Esta fuerza causa que los tubos se curven uno con respecto al otro

La masa del fluido que atraviesa los tubos del sensor genera la fuerza coriolis que se opone a la vibración de los tubos. Cuando se produce la fuerza coriolis las ondas que

miden las 2 bobinas se desfasan y esta diferencia es directamente proporcional a la cantidad de masa que está presente en los tubos

Bibliografía

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