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Technical Documents - Documentos Técnicos: Instrumentación industrial - Medición de caudal

ORIFICIOS INTEGRALES

Para medir caudales muy bajos es posible utilizar micro-orificios u «orificios integrales». Se trata de bloques en los que se practica un orificio de forma precisa y que se montan directamente sobre los transmisores.

Pueden utilizarse para los siguientes caudales:

- Líquidos:1 litro/hora a 2.000 litros/hora

- Gases: 0,02 m3/h a 50 m3/h.

El medidor de flujo UNIWEDGE es un elemento patentado y fabricado por Taylor exclusivamente, y su selección no requiere de un calculo especial.

Este tipo de medidor funciona según el mismo principio de los anteriormente expuestos, pero debido a su construcción, es útil para la medición de fluidos bastantes viscosos y con un régimen de flujo laminar.

Medidores de flujo volumétrico.

Consisten en un rotor que gira con el paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal.

Un medidor de velocidad, utilizado para medir flujo volumétrico, puede definirse como un medidor en el cual la señal del elemento primario es proporcional a la velocidad del fluido. Utilizando la ecuación:

Puede observarse que la señal generada es lineal con respecto al flujo volumétrico. Los medidores de tipo volumétricos son menos sensibles a las variaciones en el perfil de velocidad del fluido, cuando se les compara con los medidores de flujo de tipo diferencial. Debido a que existe una relación lineal con respecto al flujo, no existe una relación de raíz cuadrada como en el caso de los medidores diferenciales; lo cual explica su mayor relación de flujo máximo a flujo mínimo. Los medidores de flujo de tipo volumétrico descritos a continuación tienen una amplia aplicación en la industria petrolera.

Medidores de turbina : El rotor contiene una serie de rieles magnéticos que al girar cierran un contacto del mismo tipo en el exterior del medidor. Esto podrá ser evaluado entonces como el caudal en término de la frecuencia o bien, contabilizar (sumar) la totalidad de caudal o volumen de un fluido en un determinado lapso de tiempo.

Un medidor tipo turbina esta constituido por un rotor con aspas o hélices instalado dentro de un tramo recto de tubería, axialmente en la dirección del flujo, tal como se muestra en la figura:

Figura - Medidor de flujo, tipo turbina

El rotor generalmente está soportado por cojinetes para reducir la fricción mecánica y alargar la vida de las partes móviles. A medida que el fluido pasa a través del tubo, el rotor gira a una velocidad proporcional a la velocidad del fluido. En la mayoría de los medidores, un dispositivo de bobina magnética, colocado fuera de la tubería, detecta la rotación de las aspas del rotor. A medida que cada aspa del rotor pasa por la bobina, se genera un pulso de voltaje en la bobina. El número total de pulsos es proporcional a la cantidad total de fluido que pasa a través del rotor, mientras que la frecuencia de los pulsos es proporcional a la tasa de flujo.

Su aplicación se referirá a fluidos muy limpios, líquidos o gaseosos, ya de que no ser así, el rotor podría resultar seriamente dañado. El error de estos elementos es bastante bajo, alrededor del 0,3% del Span.

Medidores de turbina

También se utilizan detectores de radio frecuencia para señalar el movimiento de las aspas. En este caso, una señal de alta frecuencia es aplicada sobre ia bobina. A medida que las aspas rotan, la señal de alta frecuencia es modulada, amplificada y retransmitida. Un detector de alta frecuencia tiene la ventaja de que no obstaculiza el rotor como lo hace el detector magnético. La fibra óptica también ha sido utilizada para detectar la rotación de las aspas. Este sistema opera por medio de la luz reflectada de las aspas del rotor.

El medidor tipo turbina es adecuado para medir flujos de líquidos, gases y vapores y es especialmente útil en sistemas de mezclas en la industria del petróleo. Es uno de los medidores más exactos para servicio de líquidos. Los tamaños van hasta 24 pulgadas y el rango puede ir desde 0,001 hasta 40.000 gpm en líquidos; y hasta 10.000.000 scfm de gases. Cada medidor se calibra para determinar el coeficiente de flujo o factor K, que representa el número de pulsos generados por unidad de volumen del fluido. Su exactitud, por lo tanto, es la exactitud del tren de pulsos y oscila entre +0,15% y +1% de la lectura. El factor K se representa por la ecuación:

En la selección de un medidor tipo turbina se debe tener en cuenta el tipo de fluido ya que los agentes corrosivos, sucio, sólidos y la acción erosiva del fluido puede dañar el mecanismo del medidor. Así, estos medidores son limitados a fluidos limpios haciéndose obligatorio el uso de coladores y de una instalación apropiada.

Medidor de Flujo de Tipo Electromagnético: El medidor de flujo magnético, figura siguiente , representa uno de los medidores de flujo más flexibles y aplicables. Proporciona una medición sin obstruir el flujo, es prácticamente insensible a las propiedades del fluido, y es capaz de medir los fluidos más erosivos.

Figura - Medidor de flujo tipo electromagnético

Se instala igual que un segmento convencional de tubería, y la caída de presión que produce no es mayor que la producida por un tramo recto de tubería de longitud equivalente. Los medidores de flujo magnéticos son por lo tanto muy adecuados para medir químicos, lodos, sólidos en suspensión y otros fluidos extremadamente difíciles de medir. Su principio de medición proporciona una medición de flujo con una señal inherentemente lineal al flujo volumétrico independientemente de la temperatura, presión, densidad, viscosidad o dirección del fluido. Laúnica limitación que tienen es que el fluido debe ser eléctricamente conductor y no magnético.

El principio de operación de un medidor de flujo magnético está basado en la Ley de Faraday que establece que cuando un conductor se mueve a través de un campo magnético, se produce un voltaje inducido, cuya magnitud es directamente proporcional a la velocidad del conductor, a la longitud del mismo y al campo magnético. Cuando las bobinas electromagnéticas que rodean al tubo se energizan, generan un campo magnético dentro de él.

Medidor de flujo de tipo ultrasónico: Los medidores de flujo de tipo ultrasónico utilizan ondas de sonido para determinar el flujo de un fluido. Un transductor piezoeléctrico genera pulsos de ondas, los cuales viajan a la velocidad del sonido, a través del fluido en movimiento, proporcionando una indicación de la velocidad del fluido. Este principio se utiliza en dos métodos diferentes; existiendo por lo tanto dos tipos de medidores de flujo de tipo ultrasónico.

Medidor ultrasónico de flujo que mide el tiempo de viaje de la onda ultrasónica: este tipo de medidor ultrasónico utiliza el método de medición del tiempo de viaje de la onda de sonido. El medidor opera de la siguiente manera: se colocan dos transductores en posición opuesta, de modo que las ondas de sonido que viajan entre ellos forman un ángulo de 45° con la dirección del flujo en la tubería, (ver figura lateral).

La velocidad del sonido desde el transductor colocado aguas arriba (A) hasta el transductor colocado aguas abajo (B) representa la velocidad inherente del sonido en el líquido, más una contribución debido a la velocidad del fluido. De una manera similar, la velocidad medida en la dirección opuesta B a A representa la velocidad inherente del sonido en el líquido, menos la contribución debido a la velocidad del fluido. La diferencia entre estos dos valores se determina electrónicamente y representa la velocidad del fluido, la cual es directamente proporcional al flujo del mismo fluido.

 

Figura - Medidor de flujo tipo ultrasónico

Los transductores pueden estar incorporados en un tramo recto de tubería, o pueden colocarse exteriormente sobre la tubería existente. Este tipo de medidor se utiliza principalmente en fluidos limpios ya que es recomendable que el fluido este libre de partículas que pueden producir la dispersión de las ondas de sonido. La exactitud de estos medidores esta entre +1% y +5% del flujo. Burbujas de aire o turbulencia en la corriente del fluido, causada por conexiones o accesorios aguas arriba, pueden dispersar las ondas de sonido provocando inexactitud en la medición.

Medidor ultrasónico tipo Doppler: Este tipo de medidor también utiliza dos transductores. En este caso están montados en un mismo compartimiento sobre un lado de la tubería tal como se muestra en la figura lateral derecha. Una onda ultrasónica de frecuencia constante se transmite al fluido por medio de uno de los elementos. Partículas sólidas o burbujas presentes en el fluido reflectan la onda de sonido hacia el elemento receptor.

El principio Doppler establece que se produce un cambio en la frecuencia o longitud de onda cuando existe un movimiento relativo entre el transmisor y el receptor. En el medidor Doppler el movimiento relativo de las partículas en suspensión que posee el fluido, tienden a comprimir el sonido en una longitud de onda más corta (mayor frecuencia). Esta nueva frecuencia se mide en el elemento receptor y se compara electrónicamente con la frecuencia emitida.

Figura - . Medidor de flujo tipo ultrasónico tipo Doppler

El cambio de frecuencia es directamente proporcional a la velocidad del flujo en la tubería. Estos medidores normalmente no se utilizan en fluidos limpios, ya que se requiere que una mínima cantidad de partículas o burbujas de gas estén presentes en la corriente del fluido. El medidor Doppler Clásico requiere un máximo de 25 ppm de sólidos suspendidos en la corriente del fluido, o burbujas de por lo menos 30 micrones. La exactitud de estos medidores generalmente es de +2% a +5% del valor medido. Debido a que las ondas ultrasónicas pierden energía cuando se transmiten a través de la pared de la tubería, estos medidores no deben ser utilizados con materiales tales como concretos que impiden que la onda atraviese la pared de la tubería.

MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Los medidores de este tipo, toman el caudal del fluido, contando o integrando volúmenes separados del mismo. Son dispositivos que separan la corriente de flujo en segmentos volumétricos individuales. Un volumen conocido de fluido se aísla mecánicamente en el elemento del medidor, y es pasado desde la entrada de este hasta su salida, llenando y vaciando alternadamente los compartimientos o cámara del medidor.

Los medidores de desplazamiento positivo son esencialmente instrumentos de cantidad de flujo. Se utilizan frecuentemente para medida de líquidos en procesos discontinuos. Para procesos continuos se prefieren los instrumentos de caudal.

El instrumento de desplazamiento positivo, toma una cantidad o porción definida del flujo, y la conduce a través de un medidor, luego produce con la siguiente torsión y así sucesivamente. Contando las porciones pasadas por el medidor se obtiene la cantidad total pasada por este. La exactitud de los medidores de desplazamiento positivo es alta, generalmente entre 0,1 y 1 %.

Las partes mecánicas del medidor se mueven aprovechando la energía del fluido. El volumen total de fluido que pasa a través del medidor en un período de tiempo dado, es el producto del volumen de la muestra por el número de muestras. Los medidores de flujo de desplazamiento positivo frecuentemente totalizan directamente el flujo en un contador integral, pero también pueden generar una salida de pulso que puede ser leída localmente o transmitida a una sala de control. La parte mecánica del instrumento se mueve aprovechando la energía del flúido, dando esto como resultado una gran perdida de presión en la línea. Los medidores de desplazamiento positivo se adaptan excelentemente a aplicaciones de procesos discontinuos y a aquellos que requieren una totalización del volumen que pasa a través del medidor.

En la instalación de un medidor de desplazamiento positivo se recomienda instalar un retenedor o filtro, aguas arriba, para evitar que partículas extrañas entren en la cámara del medidor. También se recomienda un mecanismo para eliminar las burbujas de aire presentes en el líquido, ya que el medidor registrará el volumen de aire con el líquido. Los medidores de flujo de desplazamiento positivo son sensibles a los cambios de viscosidad. Para viscosidades por debajo de 100 centistokes el medidor debería ser calibrado para el fluido específico. Por encima de este valor, cambios en la viscosidad no afectan el funcionamiento.

El error de medición de estos elementos dependerá exclusivamente, de la holgura que existan entre las partes fijas y móviles, por lo cuál su uso queda generalmente limitado a líquidos.

Existen tres tipos básicos de medidores de desplazamiento positivos:

  • -Medidor de Disco Oscilante.
  • -Medidor de Pistón Oscilante.
  • -Medidor de Pistón Alternativo o Reciprocante.
  • -Medidores Rotativos.

La mayoría de estos medidores se utilizan en aplicaciones para líquidos, sin embargo, existen algunas versiones disponibles para gases. El Sistema de Disco Oscilante dispone de una cámara circular con un disco plano móvil dotado con una ranura en la que se encuentra intercalada una placa fija. Esa placa, separa la entrada y la salida e impide el giro del disco durante el paso del fluido. El movimiento del disco será similar al de una moneda a punto de cesar su giro en el piso o en una mesa. De esta forma, en cada vuelta, se desplazara un volumen conocido del fluido en cuestión. El movimiento del eje es transmitido a un magneto el cual se usa para mover una magneto externa al medidor. Esta rotación puede utilizarse para conducir el mecanismo de un registrador o un transmisor. La operación de este tipo de medidor se muestra en la figura siguiente :

Medidor de disco oscilante.

Como este medidor atrapa o encierra una cantidad fija de flujo cada vez que el eje rota, entonces el caudal es proporcional a la velocidad de rotación del mismo.

Este tipo de medidor encuentra su mayor aplicación en agua y en servicios donde la precisión no es de mayor importancia.

El Medidor de Pistón Oscilante, consiste en una cámara cilíndrica con una salida y una placa divisoria que separa esta salida en dos. El funcionamiento de las diferentes fases del ciclo se describe mediante la gráfica siguiente:

Ciclo de un medidor de pistón oscilante.

El medidor de Pistón Alternativo es uno de los primeros elementos de medición de caudal por desplazamiento positivo. Al igual que los anteriores se describe mediante un esquema a continuación:

Medidor de pistón alternativo o convencional .

Los Medidores Rotativos son de muchos tipos, y son los más usados en la actualidad, dentro de la categoría de desplazamiento positivo. Su funcionamiento es muy sencillo y su mantenimiento bajo. Puede manejar crudos pesado algo viscoso en una gran gama de caudales.

A continuación se describen gráficamente los principales sistemas de este tipo:

Medidor Bi-Rotor

El medidor bi-rotor en un medidor tipo desplazamiento positivo diseñado para medir el flujo total de productos líquidos que pasa a través del mismo por medio de una unidad de medición que separa el flujo en segmentos separándolo momentáneamente del caudal que pasa a través del medidor. Los segmentos son contados y los resultados son transferidos al contador o cualquier otro sistema totalizador a través del tren de engranajes.

Los medidores son fabricados con cuerpo de acero en casco unitario o doble teniendo la unidad de medición removible como una unidad separada del cuerpo.

Son diseñados para que los efectos adversos de líneas fuera de alineación no puedan ser transmitidas a la unidad de medición. Una ventaja adicional de la fabricación de doble casco es que la presión de operación, cualquiera que sea, es constante dentro y alrededor de la unidad de medición. Por lo tanto no hay cambio en la precisión de una presión de operación a otra.

Medidores Ovales

Desde ácido sulfúrico súper saturado, dióxido de titanio, azufre derretido y mantequilla de maní, el Medidor Oval hace la medición del producto más difícil un asunto sencillo y sin comprometer la precisión. Un diseño simple - los dos engranajes ovales de precisión - son las únicas piezas móviles, proveen repetitibilidad y larga vida con muy poca pérdida de presión en el proceso.

Como funciona el medidor tipo oval

El medidor oval mide en forma precisa el flujo de líquido utilizando el diferencial de presión para hacer rotar un par de engranajes que sellan el flujo de salida, desarrollando el diferencial de presión. El diferencial de presión a través del medidor de flujo, origina las fuerzas que actúan sobre el par de engranajes y los hace rotar. En la figura 1 (arriba ), el engranaje B está hidráulicamente desbalanceado. Por lo que el engranaje A impulsa el engranaje B hasta el engranaje A vuelva a estar balanceado hidráulicamente . En este punto, el engranaje A . Esta acción de impulso altera provee una rotación suave a un torque casi constante sin puntos muertos. Al rotar los engranajes atrapan cantidades precisas de líquido en los espacios vacíos de la cámara de medición de medición, y la tasa de flujo es proporcional a la velocidad rotacional de los engranajes. Ya que él deslice entre los engranajes ovales y la pared de la cámara es mínimo, el medidor no es afectado por cambios en la viscosidad y lubricación de los líquidos medidos. Un eje de salida, que rota en proporción directa a los engranajes ovales por medio de un acople magnético potente, impulsa un tren de engranajes que proveen el registro del medidor en unidades de galones, litros, libras.

El medidor de engranaje tipo óvalo encuentra su mayor aplicación en el manejo de fluidos viscosos, donde a menudo se hace difícil la aplicación de otros medidores debido a limitaciones del número de Reynolds. Su diseño tolera en menor grado el manejo de líquidos con sólidos en suspensión; sin embargo, ello podría ocasionar daños en los dientes de los engranajes afectando su precisión.

Los accesorios más frecuentemente usados y disponibles para este tipo de medidores son:

  • Convertidor Frecuencia-Tensión.
  • Convertidor Frecuencia-Corriente (microprocesadores).
  • Totalizador Electromecánico/Reset Manual.
  • Totalizador Electromecánico/Parada Automática.

ROTAMETROS O MEDIDORES DE ÁREA VARIABLE

Los rotámetros, son medidores de área variable en los cuáles un flotador cambia su posición dentro de un tubo, proporcionalmente al flujo de un fluido. Consiste en un semicono en posición invertida, de tal forma que la velocidad del flujo va disminuyendo a medida que este avanza en el medidor.

Mientras que la placa de orificio mantiene una restricción constante al flujo, y la caída de presión resultante aumenta al aumentar el flujo, el rotámetro varía el área de la restricción para mantener una caída de presión constante.

Un rotámetro esta constituido por un tubo vertical de área interna variable, a través del cual se mueve el flujo en sentido ascendente, figura siguiente. Un flotador, bien sea esférico o cónico, que tiene una densidad mayor que la del fluido, crea un pasaje anular entre su máxima circunferencia y el interior del tubo. En un rotámetro clásico el flotador se mueve hacia arriba y hacia abajo dentro del tubo, el cual se encuentra graduado para indicar la tasa de flujo a la posición del flotador. Si el tubo no es transparente (por ejemplo metálico), la posición del flotador puede indicarse eléctrica o neumáticamente. La exactitud de un rotámetro puede variar entre 0,5 y 5% de la tasa de flujo. El rango puede variar desde una fracción de cm./min. hasta 3.000 gpm. Puede medir flujo de líquidos, gases y vapores, y es insensible a las configuraciones de tubería aguas arriba.

Figura - Principio de operación del rotámetro

Los rotámetros se encuentran disponibles en una amplia variedad de estilos. Los materiales del tubo, la forma y materiales del flotador, el tipo de conexiones, las longitudes de escala, la presión y la temperatura a las que puede operar, varían para cubrir un amplio rango de condiciones de servicio. Los rotámetros son usados para la medición de caudales de fluidos con viscosidades normales y bastante limpios.

La capacidad de un rotámetro se calcula en base al flujo de aire equivalente para servicios de gas o vapor; y en base al flujo de agua equivalente para servicios de líquido. Los fabricantes proporcionan las tablas de capacidad para varios diámetros de tubos y para diferentes tipos de flotador, basados en flujos de agua y aire a condiciones estándar. El flujo actual del fluido a ser medido con el rotámetro, debe convertirse a gpm de agua equivalente o a scfm de aire equivalente para poder utilizar las tablas de capacidad dadas por el fabricante, y así seleccionar el tamaño correcto del rotámetro. Para hacer esta conversión deben utilizarse las siguientes ecuaciones:

  Para líquidos
 Para gas

Medidores especiales.

El medidor de flujo doble consta de dos manómetros que se montan en la parte posterior de un instrumento sencillo, siendo posible para ambos registrar sobre la misma grafica. Este montaje es a veces muy útil para mantener condiciones de equilibrio entre dos caudales.

El medidor de flujo de doble rango. Consiste en un captador de caudal conectado a dos tubos de rango, como se muestra en la figura siguiente que representa la versión de las Taylor Instruments Company. Su propósito es contrarrestar la poca sensibilidad que presenta un captador de presión diferencial, en la parte baja de la escala de caudal. Para ello se disponen sobre el mismo captador dos cámaras de rango o escala; la primera actúa entre 0 y el 25 % del caudal y la otra lo hace entre el 25 % y el 100 %.

Figura Vista posterior de un medidor de doble rango. (Cortesía de Taylor Instrument Co.).

Medidores mecánicos

Los captadores hasta ahora descritos transmiten el desplazamiento del flotador o la inclinación de la balanza tórica, por medio de juegos de palancas, levas, u otro dispositivo mecánico, a un eje que gira arrastrando la pluma del registrador. Este eje ha de salir al exterior atravesando la pared de la cámara del flotador, que esta bajo presión. Esto se consigue por medio de una chumacera o cojinete estanco que, para no falsear la medida ha de producir el mínimo rozamiento posible sobre el eje.

Medidores eléctricos

Se utilizan frecuentemente sistemas de medida de caudal con transmisión eléctrica, cuando el instrumento de medida o registro se localiza lejos del elemento primario. Para ello se dispone de varios métodos.

El método de conductividad es utilizado por la Republic Flow Meters Company. Se utiliza la elevación del nivel del mercurio en la rama de baja presión de un tubo U para variar la resistencia de un circuito eléctrico (fig. 3-2). La corriente eléctrica que fluye por este circuito será, por tanto, función de la presión diferencial aplicada al cuerpo medidor y en consecuencia función de la velocidad del fluido que atraviesa el elemento primario.

Figura - Esquema del método de conductividad.

Medidores de flujo de tipo reten

Los captadores de caudal de este tipo utilizan un reten en lugar de la placa con orificio u otra restitución del flujo. Miden la fuerza con que la corriente fluida choca contra una superficie interpuesta en su camino, como se muestra en la figura siguiente, para un captador fabricado por la Foxboro Company. El reten, de forma circular y bordes afilados, apropiado para el margen de caudal a medir, se fija al extremo bajo de la barra de fuerza y queda exactamente centrado con la tubería.

El empuje que el fluido ejerce sobre el reten tiende por medio de la barra de fuerza, a variar la distancia entre la tapa o paleta y la tobera, lo que provoca la variación de la presión de aire en el relevador, en los fuelles de retroalimentación y en la salida de señal hacia el receptor.

Figura - Medidor de reten (cortesía de Foxboro Co.).

Medidores de caudal de vertedero

Canales y vertederos - Un vertedero es una presa baja o estructura de desbordamiento construida a través de un canal abierto. Tiene un tamaño y forma específicos con una relación única de flujo libre y cabeza de descarga.  El borde o superficie sobre la que fluye el agua se llama la cresta. Las tasas de descarga se determinan mediante la medición de la distancia vertical desde la cresta a la superficie del agua en la presa aguas arriba de la cresta. Los canales son dispositivos primarios que constriñen el flujo de un canal abierto para la medición. Una vez que el flujo se soporta detrás de la constricción existe una relación definida entre la profundidad corriente arriba y el flujo a través de la constricción. Esta relación puede determinarse a partir de una ecuación o una tabla.

 

Cuando el fluido se mueve en canales abiertos, se utilizan otros medios de medición. Generalmente se requiere algún tipo de vertedero o angostura, que proporcionen restricciones al paso del fluido. En la figura siguiente se muestra un vertedero de compuerta cortada en V, que puede utilizarse hasta caudales de 6000 galones por minuto; la abertura rectangular de lazos se recomienda para caudales mayores. Cuando las pérdidas de altura deben ser mínimas o si el líquido medio contiene considerables cantidades de sólidos, sedimentos, etc., se prefiere una angostura. Una de las formas que más se utiliza es la angostura Parshall que se muestra en la figura a continuación.

Figura - Instalación de angostura Parshall. (Cortesía de Foxboro Co.)

Figura - Vertedero cortado en V. El corte rectangular se muestra con líneas punteadas. (Cortesía de Foxboro Co.)

 

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