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miércoles, 18 de mayo de 2016

Medicion de caudal

Medición de caudal:

     Los fluidos están presentes en la mayoría de los procesos industriales, ya sea porque intervienen en forma directa en el proceso de producción o porque pertenecen a los circuitos secundarios necesarios. Sea por la razón que sea, los fluidos están ahí y, por tanto, hay que controlarlos, para lo que es necesario saber en todo momento cuáles son las principales características de los fluidos, que pueden variar mucho de una aplicación a otra. En el mercado existe una gran variedad de medidores, tanto desde el punto de vista de tamaños y rangos de operación como de principios de funcionamiento. Esto es debido a que se intenta conseguir la máxima precisión para la mayor cantidad de aplicaciones.

Movimiento de fluidos:

     El estudio del movimiento de los fluidos se puede realizar a través de la dinámica como también de la energía que estos tienen en su movimiento. Una forma de estudiar el movimiento es fijar la atención en una zona del espacio, en un punto en un instante t, en el se especifica la densidad, la velocidad y la presión del fluido. En ese punto se examina lo que sucede con el fluido que pasa por él. Al movimiento de un fluido se le llama “flujo” y dependiendo de las características de este se les puede clasificar en:
(a) Flujo viscoso y no viscoso: los flujos viscosos son aquellos que presentan resistencia al avance. Todos los fluidos reales son viscosos.
(b) Flujo incompresible y compresible: Los flujos incompresibles son aquellos en que la densidad (ρ = Masa/Volumen) prácticamente permanece constante.
(c) Flujo laminar y turbulento: en el flujo laminar, el fluido se desplaza en láminas o capas paralelas. En el turbulento las partículas se mueven siguiendo trayectorias muy irregulares.
(d) Flujo permanente: si las propiedades como la densidad, la velocidad, la presión no cambian en el tiempo en un punto del espacio, entonces se dice que el flujo es permanente, pudiendo cambiar de un punto a otro.

Principios de funcionamiento:
     El principio de funcionamiento hace referencia al fenómeno físico en que se basa el medidor, y es una característica de diseño. Para los medidores de caudal volumétricos, los principales sistemas son presión diferencial, área variable, velocidad, tensión inducida, desplazamiento positivo y vórtice. Para los másicos se deben destacar el sistema térmico y el sistema basado en la fuerza de Coriolis.
La fórmula para el caudal para este tipo de funcionamiento se deduce de la aplicación del teorema de Bernouilli. Este teorema relaciona la energía cinética, la potencial y la presión de un fluido en diferentes puntos de la vena fluida. Mediante la interposición de un Diafragma, una Tobera, un tubo Venturi, un tubo Pitot o un tubo Annubar, se puede relacionar el cambio de velocidad y presión que experimenta el fluido con el caudal.

Clasificación de los transductores y características:
Existen varios métodos para medir el caudal según sea el tipo de fluido, la precisión deseada, el control requerido y el tipo de caudal volumétrico o másico. En el presente capítulo, se nombrarán y se explicarán algunos de ellos, dándole más importancia a los medidores volumétricos que al los de caudal masa, pues los primeros son los que se utilizan más frecuentemente.

         Existen numerosos tipos de medidores y transmisores:
Elementos deprimógenos
-          Transmisores de presión
-          Másicos (Coriolis)
-          Desprendimiento de vórtices (Vortex)
-          Ultrasónicos
-          Electromagnéticos
-          Otros
Elementos deprimógenos:
Deprimógeno:
     Se denomina así al elemento primario cuya instalación produce una diferencia de presiones(pérdida de carga), que se vincula con el caudal que circula, en una relación determinable. Los elementos deprimógenos más usados son:
- Placa orificio
- Tuvo Venturi
- Boquilla / Codo
- Tubo Pitot / Annubar
- Cuña


Placa orificio:
      Una placa orificio es una restricción con una abertura más pequeña que el diámetro de la cañería en la que está inserta. La placa orificio típica presenta un orificio concéntrico, de bordes agudos. Debido a la menor sección, la velocidad del fluido aumenta, causando la correspondiente disminución de la presión. El caudal puede calcularse a partir de la medición de la caída de presión en la placa orificio, P1-P3. La placa orificio es el sensor de caudal más comúnmente utilizado, pero presenta una presión no recuperable muy grande, debido a la turbulencia alrededor de la placa, ocasionando un alto consumo de energía. En la (figura 1) se muestra la placa orificio.



Figura 1.  Placa Orificio
Fuente: CREUS,A. (2010). Instrumentación Industrial.



Ventajas
         Es una forma sencilla de medir caudal (es una chapa precisamente agujereada).
         Es importante diferenciar entre una medición de proceso y una medición fiscal.
         En ciertos casos, cuando circula gas se utiliza un transmisor multivariable.
         Suelen requerir arreglos de piping específicos para poder cumplimentar con sus importantes requisitos de tramos rectos.
Tubo Venturi
     El tubo Venturi es similar a la placa orificio, pero está diseñado para eliminar la separación de capas próximas a los bordes y por lo tanto producir arrastre. El cambio en la sección transversal produce un cambio de presión entre la sección convergente y la garganta, permitiendo conocer el caudal a partir de esta caída de presión. Aunque es más caro que una placa orificio, el tubo Venturi tiene una caída de presión no recuperable mucho menor.En la (figura 2) se muestra el tubo venturi.

Figura 2. Tubo venturi.
Fuente: CREUS, A. (2010). Instrumentación Industrial.


Boquilla y codo
     Una boquilla es una restricción con una sección de aproximación de contorno elíptico que termina en una garganta de sección circular. Se mide la caída de presión entre un diámetro aguas arriba y un diámetro y medio aguas abajo de la cañería. Las boquillas
proveen una caída de presión intermedia entre la placa orificio y el tubo Venturi.En la (figura 3) se puede observar  la boquilla y codo.
     El codo produce un cambio de dirección en el flujo del fluido en una cañería, generando una presión diferencial, resultante de la fuerza centrífuga. Dado que en las plantas de procesos se dispone de codos, el costo de estos medidores es muy bajo. Sin embargo la exactitud es muy pobre.



Figura 3. Boquilla y codo.
Fuente: instrumentación. Antonio Creus.


Annubar:
     Es una versión mejorada del tubo pitot, y se basa en medir la presión estática y la total. Con la diferencia que se obtiene la velocidad del fluido, y conociendo la sección se obtiene el caudal. Los Diafragmas, Toberas, y los tubos venturi se basan en cambiar el perfil de la vena fluida y, por consiguiente, su velocidad y presión; en cambio tanto los tubos Pitot como los Annubar se basan en introducir un sensor dentro de la tubería, intentando que no afecten la vena fluida. En la (figura 4) se muestra el dispositivo annubar.





Figura 4. Tubo Annubar.
Fuente: http://sagautomation.com/Files/Emerson/Measurement/measurementprod.html(2014)

Rotámetros: 
     Son medidores de caudal en tuberías de área variable, de caída de presión constante. El Rotámetro consiste de un flotador (indicador) que se mueve libremente dentro de un tubo vertical ligeramente cónico, con el extremo angosto hacia abajo. El fluido entra por la parte inferior del tubo y hace que el flotador suba hasta que el área anular entre él y la pared del tubo sea tal, que la caída de presión de este estrechamiento sea lo suficientemente para equilibrar el peso del flotador. El tubo es de vidrio y lleva grabado una escala lineal, sobre la cual la posición del flotador indica el gasto o caudal. En la (figura 5) se muestra diversos tipos de rotámetros.




Figura 5. Rotámetros.
Fuentehttp://tarwi.lamolina.edu.pe/~dsa/Medidores.htm(2014).


Caudalímetro:
     Es un instrumento de medida para la medición de caudal o gasto volumétrico de un fluido o para la medición del gasto másico. Estos aparatos suelen colocarse en línea con la tubería que transporta el fluido. También suelen llamarse medidores de caudal, medidores de flujo o flujómetros.

Tipos de Caudalímetros:

(a) Mecánico de molino:
Consisten en un molino cuyas aspas están transversales a la circulación de fluido. El flujo hace girar el molino cuyo eje mueve un contador que acumula lecturas. Un ejemplo de este uso son los contadores de agua de las viviendas o los antiguos contadores de gas natural.

(b) Electrónicos de molino: 

     Sus partes mecánicas consisten en un molino con aspas transversales a la circulación de flujo, el molino tiene en un extremo un imán permanente. Cuando este imán gira genera un campo magnético variable que es leído por un sensor de efecto de campo magnético (sensor de efecto Hall), después el circuito electrónicolo convierte en pulsos que transmite a través de un cable.

En otra versión de este tipo de caudalímetro se instalan imanes en los extremos de las aspas. Al girar los imanes pasan cerca de un reedswitch que cuenta los pulsos. La desventaja de este diseño está en la limitación de las revoluciones por minuto (RPM) que puede alcanzar a leer un reedswitch. También existe de tipo de caudalímetro de molino en versión transparente donde solo se requiera confirmar que existe circulación sin importar el caudal. En la (figura 6) se muestra el caudalimetro electronico de molino.



Figura 6. Caudalimetros electrónicos de molino.
Fuente: http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf(2014).

(c) Magnéticos:

     Están basados en la ley de Faraday que enuncia que el voltaje inducido a través de un conductor que se desplaza transversal a un campo magnético es proporcional a la velocidad del conductor.


     Aplicamos un campo magnético a una tubería y medimos su voltaje de extremo a extremo de la tubería. Este sistema es muy poco intrusivo pero solo funciona con líquidos que tengan algo de conductividad eléctrica. Es de muy bajo mantenimiento ya que no tiene partes móviles. En la (figura 7) se muestra el caudalimetro magnético.




Figura 7. Caudalimetro magnético.
Fuente:http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf  (2014).


(d) Vortex:

     Está basado en el principio de generación de vórtices. Un cuerpo que atraviese un fluido generará vórtices flujo abajo. Estos vórtices se forman alternándose de un lado al otro causando diferencias de presión, esta son censadas por un cristal piezoeléctrico. La velocidad de flujo es proporcional a la frecuencia de formación de los vórtices. Son equipos de bajo mantenimiento y buena precisión. En la figura 8 se muestra el caudalimetro de vortex.

(e) Ultrasónicos:
     Son alimentados eléctricamente, y es posible encontrar dos tipos según su principio de medición: de efecto Doppler y de tiempo de tránsito; este último consiste en medir la diferencia entre el tiempo que le toma a dos señales atravesar una misma distancia, pero en sentido contrario utilizando como medio un fluido. Si el caudal del fluido es nulo, los tiempos serán iguales, pero cuando hay flujo los tiempos serán diferentes, ya que las
velocidades de las señales serán afectadas por la del fluido cuyo caudal se desea determinar; esta diferencia de tiempo más el conocimiento sobre la geometría de la cañería y la velocidad del sonido en el medio permiten evaluar la velocidad del fluido o el caudal. En la (figura 9) se muestra el caudalimetro de ultrasonido.




Figura 8. Caudalimetro de vortex.
Fuente: http://www.iquimica.com/nota.asp?Id=1520 (2014).



Figura 9. (a) Caudalimetro de tiempo de vuelo. (b) Caudalimetro de efecto doppler.
Fuente:http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf (2014).



     Los de tiempo de tránsito son más exactos que los de efecto Doppler, pero para obtener lecturas se requiere que los fluidos tengan un bajo porcentaje de impurezas; en caso contrario, los de efecto Doppler son de utilidad y entregan una muy buena señal, ya que su principio de funcionamiento se basa en el cambio de frecuencia de la señal reflejada sobre algún elemento que se mueve con el fluido.
La exactitud de estos sistemas de medición es muy dependiente del cumplimiento de los supuestos de flujo laminar.

(f) Diferencial de temperatura:

      Se colocan dos termistores y en el centro de ellos una pequeña resistencia calentadora. Si ambos termistores leen la misma temperatura el fluido no está circulando. Según aumenta el flujo uno de los termistores lee la temperatura inicial fluido mientras que el otro lee el fluido calentado. Con este sistema no solo se puede leer el caudal, sino que además se sabe el sentido de circulación.

     La ventaja de este tipo de caudalímetro es que se puede conocer la cantidad de masa del fluido que ha circulado y las variaciones de presión en el fluido; afectan poco a la medición. En la (figura 10) se muestra la medición de caudal por diferencial de temperatura.


Figura 10. Medidor de temperatura.
Fuente:http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf (2014).

Medidores de desplazamiento positivo:
      Los medidores de desplazamiento positivo miden el caudal volumétrico contando o integrando volúmenes separados del líquido. Las partes mecánicas de éstos instrumentos se mueven aprovechando la energía del fluido en movimiento. La precisión depende de los espacios entre las partes móviles y las fijas y aumenta con la calidad de la mecanización y con el tamaño del instrumento. Dentro de los medidores de desplazamiento positivo se encuentran: el medidor de disco giratorio y el medidor de pistón alternativo. 

Medidor de disco giratorio:
     El instrumento está compuesto por una cámara circular con un disco plano móvil el cual posee 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, mientras que su parte superior roza con la parte superior de la cámara en el lado opuesto. De este modo la cámara está dividida en compartimientos separados de volumen conocido. Cuando pasa el fluido, el disco toma un movimiento de giro inclinado como un trompo caído y su eje transmite el movimiento a un tren de engranajes de un contador mecánico (figura 13). Este instrumento se utiliza en aplicaciones domésticas para la medición de consumo de agua, se utiliza industrialmente en la medición de caudales de agua fría, agua caliente, aceite y líquidos alimenticios. La precisión es de ±1% a 2 %. En la (figura 11) se muestra el medidor de caudal de disco giratorio.



Figura 11. Medidor de disco giratorio.
Fuente:http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf (2014).

Medidor de pistón alternativo:
     El medidor de pistón convencional (figura 14) es el más antiguo de los medidores de desplazamiento positivo. Básicamente, está compuesto por un cilindro en donde se aloja el pistón y las válvulas que permiten la entrada y salida del líquido en su interior. El instrumento se fabrica en muchas formas: de varios pistones, pistones de doble acción, que son los que el líquido se encuentra en ambas caras del pistón, válvulas rotativas, válvulas deslizantes horizontales, etc. Algunos caudalímetros, en lugar de tener válvulas, poseen lumbreras por donde entra y sale el líquido del cilindro, en este caso, es el pistón quien se encarga de abrirlas o cerrarlas con su cara lateral. En la (figura 12) se muestra el medidor de pistón alternativo.



Figura 12. Medidor de pistón alternativo.
Fuente: http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf.(2014).



Medidor de 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 W, 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).  En la (figura 13) se muestra el medidor de Coriolis.




Figura 13. Vista interior del medidor de coriolis.





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