Medidores Tipo Vortex

Estos medidores cuentan con una obstrucción de cara plana como la mostrada en la figura 1.15, que se coloca en la corriente del flujo provocando la creación de vórtices a una frecuencia que es proporcional a la velocidad del flujo. Un sensor en el medidor de flujo detecta los vórtices y genera una indicación en la lectura del dispositivo medidor.

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El cuerpo de cara plana también llamado elemento generador de vórtices, puede variar de fabricante a fabricante. Conforme el flujo se aproxima a la cara frontal del elemento generador de vórtices, éste se divide en dos corrientes, el fluido cerca del cuerpo tiene una velocidad baja en relación con la correspondiente en las líneas de corrientes principales.

La diferencia en velocidad provoca que se generen capas de corte, las cuales eventualmente se rompen en vórtices de forma alternada sobre los dos lados del elemento generador de vórtices. La frecuencia de los vórtices creados es directamente proporcional a la velocidad del flujo.

Figura 1.16. Medidor de Flujo Tipo Vortex.

Unos sensores colocados dentro del medidor detectan las variaciones de presión alrededor de los vórtices y generan una señal de tensión eléctrica que varía a la misma frecuencia que la de derramamiento del vórtice. La señal de salida es una cadena de pulsos de tensión eléctrica y una señal analógica de corriente directa. Éste medidor está diseñado para ser instalado directamente en la tubería, sin la necesidad de herramientas especiales ó procedimientos complicados de instalación como se muestra en la figura 1.16.

1.4.1.2.3 Medidores Electromagnéticos

Estos medidores pueden manejar la mayoría de los líquidos, previendo que el material sujeto a medición sea eléctricamente conductivo, ya que su principio de medida está basado en la Ley de Faraday, la cual expresa que al pasar un fluido conductivo a través de un campo magnético, se produce una fuerza electromagnética (fem) y ésta fem es directamente proporcional a la velocidad

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del fluido, de donde se puede deducir también el caudal. Éste medidor está formado por un tubo revestido interiormente con material aislante el cual es montado directamente en la tubería como se muestra en la figura 1.17, y sobre dos puntos diametralmente opuestos de la superficie interna se colocan dos electrodos metálicos, entre los cuales se genera la señal eléctrica de medida. Los electrodos detectan el voltaje generado en el fluido. Puesto que el voltaje generado es directamente proporcional a la velocidad del fluido, una mayor velocidad de flujo genera un voltaje mayor. Su salida es completamente independiente de la temperatura, viscosidad, gravedad específica ó turbulencia. En la parte externa se colocan los dispositivos para generar el campo magnético, y todo se recubre de una protección externa, con diversos grados de seguridad. La pérdida de presión a lo largo del sensor es la misma que la de una sección de tubería, puesto que no hay partes móviles u obstrucciones del flujo.

Figura 1.17. Medidor de Flujo Electromagnético.

1.4.1.2.4 Medidores de Flujo por Ultrasonidos

El medidor de flujo por ultrasonidos consta de unas sondas que trabajan por pares, como emisor y receptor (ver figura 18). La placa piezo-cerámica de una de las sondas es excitada por un impulso de tensión ó voltaje, generándose un impulso ultrasónico que se propaga a través del medio líquido a medir, ésta señal es recibida en el lado opuesto de la conducción por la segunda sonda que lo transforma en una señal eléctrica.

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Figura 1.18. Medidor de Flujo por Ultrasonidos.

El convertidor de medida determina los tiempos de propagación del sonido en sentido y contrasentido del flujo en un medio líquido y calcula su velocidad de circulación a partir de ambos tiempos y a partir de la velocidad se determina el caudal.

Hay dos tipos de medidores de flujo por ultrasonidos:

 DOPPLER: Miden los cambios de frecuencia causados por el flujo del líquido. Se colocan

dos sensores, cada uno a un lado del flujo a medir y se envía una señal de frecuencia conocida a través del líquido. Sólidos, burbujas y discontinuidades en el líquido harán que el pulso enviado se refleje, pero como el líquido que causa la reflexión se está moviendo, la frecuencia del pulso que retorna también cambia y ese cambio de frecuencia será proporcional a la velocidad del líquido.

 TRANSITORIOS: Tienen transductores colocados a ambos lados del flujo. Su configuración

es tal que las ondas de sonido viajan entre los dispositivos con una inclinación de 45° respecto a la dirección de flujo del líquido. La velocidad de la señal que viaja entre los transductores aumenta ó disminuye con la dirección de transmisión y con la velocidad del líquido que está siendo medido. Se tienen dos señales que viajan por el mismo elemento, una a favor de la corriente y otra en contra de manera que las señales no llegan al mismo tiempo a los dos receptores. Se puede hallar una relación diferencial del flujo con el tiempo transmitiendo la señal alternativamente en ambas direcciones. La medida del flujo se realiza determinando el tiempo que tardan las señales en viajar por el flujo.

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1.4.1.3 Medidores de Flujo Másico

La continua necesidad de mediciones de flujo más exactas en procesos donde se relaciona la masa (reacciones químicas, transferencia de calor, etc.) ha resultado en el desarrollo de medidores de flujo másico. Existen muchos diseños disponibles, pero uno de los más usados en aplicaciones de flujo de líquidos es el medidor tipo Coriolis, el cual basa su operación en el fenómeno natural llamado fuerza de Coriolis.

1.4.1.3.1 Medidores de Flujo Másico Tipo Coriolis

Los medidores Tipo Coriolis miden el flujo másico de un fluido directamente. Puesto que la masa no cambia, el medidor es lineal sin tener que ser ajustado por variaciones en las propiedades del líquido. También elimina la necesidad de compensar por cambios de condiciones de temperatura y presión. Éste tipo de medidores son sumamente convenientes para medir líquidos cuya viscosidad varía con la velocidad a determinada presión y temperatura.

Los medidores Coriolis están disponibles en varios diseños, el diseño más popular consiste en un

tubo en forma de “U” (figura 1.19) albergado en un sensor conectado a una unidad electrónica. La unidad electrónica puede estar situada hasta 500 pies del sensor.

Figura 1.19. Vibración, el Tubo en Forma de “U” es el Corazón del Medidor Coriolis.

Dentro del sensor, el tubo en forma de “U” vibra a su frecuencia natural mediante un dispositivo

magnético ubicado en la curvatura del tubo. La vibración cubre menos de 0.1 pulg. y completa un ciclo alrededor de 80 veces por segundo. Mientras el líquido fluye a través del tubo, es forzado a

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Capítulo I 26 de 145 arriba” durante la primera mitad de su ciclo, el líquido que fluye a través del medidor se mantiene forzado hacia arriba al presionar hacia abajo el tubo.

Siendo forzado hacia arriba, el líquido que fluye hacia fuera del medidor mantiene su movimiento vertical disminuido al presionar hacia arriba el tubo, ésta acción causa una torsión en el tubo. Cuando el tubo se mueve hacia abajo en la segunda mitad del ciclo de vibración, el fenómeno de torsión se presenta en la dirección opuesta. La cantidad de torsiones es directamente proporcional a la razón de flujo másico del líquido fluyendo a través del tubo. Sensores magnéticos ubicados en cada lado del tubo de flujo miden la velocidad del tubo, que cambia conforme el tubo se tuerce. Los sensores alimentan ésta información a la unidad electrónica, donde es procesada y convertida en una tensión eléctrica proporcional al flujo másico.

1.4.1.3.2 Medidores de Flujo Másico Tipo Térmicos

Éste tipo de medidores han sido utilizados tradicionalmente para mediciones de gas, sin embargo, actualmente ya se han desarrollado para aplicaciones en flujos líquidos. Éste tipo de medidores también operan independientemente de la densidad, presión y viscosidad. Los medidores térmicos (ver Figura 1.20) usan un elemento precalentado independiente aislado del fluido. La corriente del flujo conduce calor del elemento sensor. El calor conducido es directamente proporcional a la razón de flujo másico. El sensor nunca entra en contacto directo con el fluido. El paquete electrónico incluye el analizador de flujo, el compensador de temperatura y el acondicionador de señal que provee una salida lineal directamente proporcional al flujo másico.

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1.4.2 Medidores de Presión (Manómetros)

Los manómetros son instrumentos que se emplean para medición de presión en fluidos, generalmente determinando la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica.

1.4.2.1 Manómetros de Diafragma

Estos dispositivos muestran un principio de funcionamiento basado en el movimiento de un diafragma debido a la fuerza ejercida por la presión de un fluido, su configuración es más compleja que el manómetro de tubo en U ya que muestra más partes funcionales, como amortiguador, aprisionador, tubo de entrada, etc. (ver figura 1.21).

Existen dos tipos de diafragma que diferencia a dos manómetros en su configuración y principio, estos son:

1. El diafragma metálico que utiliza su característica de deflexión a la presión

2. El elemento de diafragma no metálico, opuesto por un resorte calibrado ó por un dispositivo

elástico similar. AMORTIGUADOR APRISIONADOR SECTOR DENTADO PIÑON PUNTO DE APOYO DEL PUNTERO TUBO DE ENTRADA FLEXORES AGUJA INDICADORA O PUNTERO AJUSTE PARA CALIBRACIÓN PIVOTE TOPE CÁPSULA DE DIAFRAGMA AMORTIGUADOR APRISIONADOR SECTOR DENTADO PIÑON PUNTO DE APOYO DEL PUNTERO TUBO DE ENTRADA FLEXORES AGUJA INDICADORA O PUNTERO AJUSTE PARA CALIBRACIÓN PIVOTE TOPE CÁPSULA DE DIAFRAGMA

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Estos tipos de elementos de diafragma se usan solamente como un medio de contener la presión y ejercer una fuerza en el lado opuesto del diafragma y de ésta forma comunicar las variaciones de la presión sensada.

1.4.2.2 Manómetro de Tubo Bourdón

El tubo de Bourdón, mostrado en la figura 1.22, es parte de un instrumento mecánico de medición de presión que emplea como elemento sensible un tubo metálico curvado ó torcido, de sección transversal aplanada. Un extremo del tubo está cerrado, y la presión que se va a medir se aplica por el otro extremo. A medida que la presión aumenta, el tubo tiende a adquirir una sección circular y enderezarse. El movimiento del extremo libre (cerrado) mide la presión interior y provoca el movimiento de la aguja. El elemento sensible del manómetro puede adoptar numerosas formas, donde las más usuales son las de tubo en C, espiral y helicoidal. El tubo en C es simple y consistente y muy utilizado para indicadores circulares, también se emplea mucho en algunos indicadores eléctricos de presión, en los que es permisible ó deseable un pequeño movimiento de la

aguja. El campo de aplicación es de unos 1500 kg/cm2_.

Las formas espiral y helicoidal se utilizan en instrumentos de control y registro con un movimiento

más amplio de la aguja. Los elementos en espiral permiten un campo de medición de 0.300 kg/cm2_,

y los helicoidales hasta 10000 kg/cm2_{. A menudo se prefiere el tubo torcido, consistente y compacto,}

especialmente para los indicadores eléctricos de presión.

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Los tubos Burdón se presentan en una serie de aleaciones de cobre y en aceros inoxidables al

cromo – níquel. En ciertos aspectos las aleaciones de cobre dan mejor resultado, pero los aceros

inoxidables ofrecen mayor resistencia a la corrosión. También se utilizan tubos de aleación hierro- níquel, debido a que tienen un coeficiente de dilatación muy pequeño, que hace que la lectura d la presión no esté influida por la temperatura del instrumento.

1.4.3 Criterios de Selección para Instrumentación

Los expertos afirman que el 75% de los instrumentos de medición instalados en la industria no operan satisfactoriamente. Una inadecuada selección contribuye al 90% de esos problemas. El requerimiento más importante para la selección de un medidor es saber exactamente que es lo que se espera que el instrumento haga. Es importante hacernos las siguientes preguntas al seleccionar un medidor:

1. ¿La medición se realiza para el control de un proceso (donde la repetibilidad es lo más

importante), para cuantificar ó para custodia de transferencia (donde la exactitud es lo más importante)?

2. ¿Es una indicación local ó se requiere una señal de transmisión?

3. Si se requiere una señal remota, ¿La señal es proporcional ó un medio de control para

encender ó apagar otro dispositivo?

4. ¿El líquido es viscoso, limpio ó con sólidos en suspensión (sucio)?

5. ¿Es eléctricamente conductivo?

6. ¿Cuál es su gravedad específica ó su densidad?

7. ¿Qué flujos son manejados en esa aplicación?

8. ¿Cuáles son las temperaturas y presiones de operación del proceso?

De la misma forma la precisión, rango, linealidad, repetibilidad y las características de la tubería deben ser considerados. Es de suma importancia conocer las capacidades e insuficiencias del equipo antes de tomar una decisión. Cada instrumento tiene ventajas y desventajas, el grado de satisfacción en su desempeño está directamente relacionado a que tan bien se correlacionan las

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capacidades del instrumento con los requerimientos del sistema. La mayoría de los distribuidores ofrecen cuestionarios, checklists y hojas de especificación diseñadas para obtener la información más importante y necesaria para correlacionar de manera correcta el medidor con la aplicación. Las mejoras tecnológicas deben tomarse en consideración. Por ejemplo, un error común es seleccionar un diseño que fue popular unos años atrás para una aplicación determinada y asumir que sigue siendo la mejor opción para nuestro trabajo. Muchos cambios e innovaciones se han realizado en los últimos años, haciendo de la selección un trabajo más amplio. Un reciente desarrollo es la capacidad de algunos programas computacionales de realizar tediosos cálculos que anteriormente se realizaban para seleccionar un instrumento de medición.