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METODOLOGIA PARA LA SELECCION DE MEDIDORES DE FLUJO

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(1)

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

METODOLOGÍA PARA LA SELECCIÓN DE MEDIDORES DE FLUJO

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

P R E S E N T A

GUILLERMO MOTA GINEZ

ASESORES

M. EN C. RENÉ TOLENTINO ESLAVA

M. EN C. MARÍA CONCEPCIÓN ORTIZ VILLANUEVA

(2)
(3)

ÍNDICE

RESUMEN i

INTRODUCCIÓN ii

OBJETIVO iii

RELACIÓN DE FIGURAS iv

RELACIÓN DE TABLAS vi

CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS DE MEDICIÓN DE FLUJO 1

1.1 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 2

1.1.1 Viscosidad 2

1.1.2 Densidad 3

1.1.3 Presión 4

1.1.4 Presión de vapor 4

1.2 ECUACIONES DEL FLUJO DE FLUIDOS 5

1.2.1 Número de Reynolds 5

1.2.2 Ecuación de Continuidad 7

1.2.3 Ecuación de Bernoulli 8

1.3 FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS 9

1.4 CALIBRACIÓN DE FLUJO 10

1.4.1 Calibración de medidores de flujo volumétrico 11 1.4.2 Calibración de medidores de flujo másico 12

15 CARACTERÍSTICAS DE LOS MEDIDORES DE FLUJO 13

CAPÍTULO 2 MEDIDORES DE FLUJO 15

2.1 CLASIFICACIÓN DE MEDIDORES DE FLUJO 16

2.2 PLACA DE ORIFICIO 16

2.2.1Principio de funcionamiento 17

2.2.2 Requisitos de instalación 19

2.2.3 Aplicaciones 22

2.3 TUBO ANNUBAR 22

2.3.1 Principio de funcionamiento 22

2.3.2 Requisitos de instalación 24

(4)

2.4 MEDIDOR TIPO TURBINA 26

2.4.1 Principio de funcionamiento 26

2.4.2 Requisitos de instalación 28

2.4.3 Aplicaciones 30

2.5 MEDIDOR ULTRASÓNICO 30

2.5.1 Principio de funcionamiento 30

2.5.2 Requisitos de instalación 31

2.5.3 Aplicaciones 32

2.6 MEDIDOR MAGNÉTICO 32

2.6.1 Principio de funcionamiento 32

2.6.2 Requisitos de instalación 34

2.6.3 Aplicaciones 35

2.7 MEDIDOR TIPO CORIOLIS 36

2.7.1 Principio de funcionamiento 36

2.7.2 Requisitos de instalación 38

2.7.3 Aplicaciones 38

CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA PARA LA SELECCIÓN DE

MEDIDORES DE FLUJO 39

3.1 PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE MEDIDORES DE

FLUJO 40

3.2 ALGORITMO PARA LA SELECCIÓN DE MEDIDORES DE

FLUJO VOLUMÉTRICO 45

3.3 ALGORITMO PARA LA SELECCIÓN DE MEDIDORES DE

FLUJO MÁSICO 48

3.4 PROGRAMA FLOWSEL2011 PARA LA SELECCIÓN DE

MEDIDORES DE FLUJO 51

3.5 MANUAL DEL USUARIO 57

3.5.1 Requerimientos mínimos de instalación 57

3.5.2 Pantallas de información 59

CAPÍTULO 4 APLICACIONES DEL PROGRAMA 61

4.1 CASO 1. LÍQUIDO LIMPIO 62

4.1.1 Selección de referencia 62

4.1.2 Solución del programa FLOWSEL20011 62

4.2 CASO 2. LÍQUIDO A VELOCIDAD BAJA 64

4.2.1 Selección de referencia 64

4.2.2 Solución del programa FLOWSEL2011 64

4.3 CASO 3. LÍQUIDO LIMPIO 65

(5)

4.3.2 Solución de programaFLOWSEL2011 66

4.4 CASO 4. MEDICIÓNDE FLUJO MÁSICO 68

4.4.1 Selección de referencia A 68

4.4.2 Solución del programa FLOWSEL2001 70

4.4.3Selección de referencia B 71

4.4.4 Solución del programa FLOWSEL20011 71

4.5 COMPARACIÓN Y ANÁLISIS 72

CONCLUSIONES 74

BIBLIOGRAFÍA 76

(6)

i

RESUMEN

En este trabajo se elaboró un programa de cómputo desarrollado en la plataforma de Visual Basic 6.0, para seleccionar medidores de flujo, como son: placa de orificio, tubo annubar, medidor tipo turbina, medidor ultrasónico, medidor magnético y medidor tipo Coriolis; de acuerdo a las características del proceso.

Se desarrolló una metodología de selección para determinar cuál de los medidores de flujo es el adecuado para un sistemaindustrial. Con base a esta información se desarrolló el programa de cómputo, tomando como criterios de selección, el tipo de flujo a medir másico o volumétrico; tipo de fluido, líquidos limpios, líquidos sucios, líquidos viscosos, corrosivos, lechosos, gas o vapor y líquidos con sólidos suspendidos, diámetros de la tubería y número de Reynolds.

El programa de cómputo proporciona una selección del medidor de flujo, respecto a otras metodologías, la metodología desarrollada en este trabajo y el programa propuesto presentaron buenos resultados. Por otro lado el programa FLOWSEL2011 presenta el resultado y muestra información referente al medidor de flujo seleccionado, comoson ventajas, desventajas, principio de funcionamiento e instalación.

(7)

ii

INTRODUCCIÓN

Los fluidos están presentes en la mayoría de los procesos industriales ya sea porque intervienen en forma directa en el sistema de producción o porque pertenecen a los sistemas secundarios por lo que es fundamental tener un adecuado control. La medición de flujo es uno de los aspectos más importantes dentro de los procesos, de esta variable de hecho, bien puede ser la variable siendo una de las variables medidas. Existen muchos métodos confiables y precisos para medir el flujo. Algunos son aplicables solamente a líquidos, otros solamente a gases y vapores, y otros a ambos.

Es fundamental conocer las características de esos fluidos que pueden variar mucho de una aplicación a otra, es necesario medirlos y controlarlos, para ello existen diversos tipos de medidores de flujo en el mercado, dentro de los más utilizados a nivel industrial son la placa de orificio, el tubo annubar, el medidor tipo turbina, el ultrasónico, el de Coriolis y el medidor magnético. Cada uno de ellos tiene diferente principio de funcionamiento y características que definen el uso para determinada aplicación dentro del sistema de producción. Todos estos factores afectan la medición y deben ser tomados en cuenta en el momento de seleccionar el medidor de flujo.

Este trabajo tiene como objetivo desarrollar una metodología para la selección de medidores de flujo y presentar el programa de computo FLOWSEL2011 el cual realiza dicha selección, además proporciona información de relevancia de cada uno de los medidores. Para cumplir con el objetivo este trabajo se estructuró de la siguiente forma. En el Capítulo I se presentan las propiedades de los fluidos como son, viscosidad, densidad y presión necesarias para entender los principios de la medición de flujo. También se abordan las ecuaciones que rigen el flujo de fluidos en tuberías como son Continuidad y Bernoulli; así como los tipos de perfiles de velocidad.

En elCapítulo II se mencionan los medidores de flujo más utilizados a nivel industrial, su principio de funcionamiento, la ecuación por la cual están regidos, ventajas y desventajas y los requisitos de instalación. Los medidores que se presentan son de placa de orificio, tubo annubar, medidor tipo turbina, medidor ultrasónico, medidor magnético y medidor tipocoriolis.

En el Capítulo III se muestra la metodología para seleccionar medidores de flujo, el algoritmo para la selección de medidores de flujo volumétrico, así como el algoritmo para seleccionar medidores de flujo másico. Por último se presenta, el programa para seleccionar medidores de flujo y el manual del usuario del programa FLOWSEL2011

(8)

iii

OBJETIVO

(9)

iv RELACIÓN DE FIGURAS

No. Descripción Página

1.1 Variación de la viscosidad dinámica del agua en función de la temperatura.

3

1.2 Presiones, manométricas, absoluta, de vacío y atmosférica.

4

1.3 Variación de la presión de vapor del agua en función de la temperatura.

5

1.4 Flujo laminar y turbulento en una tubería. 6

1.5 Perfiles de velocidad laminar y turbulento. 6 1.6 Diagrama representativo de la ecuación de la continuidad. 7 1.7 Región de entrada, flujo en desarrollo y flujo desarrollado en

una tubería.

10

1.8 Sistema volumétrico para la calibrar medidores de flujo volumétrico.

11

1.9 Sistema estático de pesado para la calibración de flujo másico. 13

2.1 Clasificación de los medidores de flujo. 16

2.2 Presión diferencial creada por la placa de orificio. 17

2.3 Tipos de placas de orificio. 18

2.4 Instalación de placas de orificio y tobera con accesorios en el mismo plano [1].

20

2.5 Instalación de placas de orificio y tobera en diferentes planos [1]. 21 2.6 Tramos mínimos de tubería para la instalación de placas de

orificio y tobera con expansiones, contracciones y entradas a presión atmosférica [1].

21

2.7 Tramos mínimos de tubería para la Instalación de placas de orificio, tobera y tubo venturi en presencia de válvulas y reguladores [1].

22

2.8 Requisitos de tubería recta para instalar tubos Annubar [2]. 24 2.9 Requisitos de tramo recto de tubería, con válvulas, reducciones y

expansiones, tuboAnnubar [2].

25

2.10 Sección transversal de un medidor tipo turbina para líquidos. 27 2.11 Instalación recomendada de medidores tipo turbina [3]. 28 2.12 Acoplamientos mínimos en líneas de gas [3].. 28

2.13 Instalación con tubería no recta [3]. 29

2.14 4 Recomendación de la instalación de un medidor de

gas [3]. 29

2.15 5 Cabezal individual transmisor receptor, medidor ultrasónico.

31

2.16 6 Instalación en tramo recto de tubería de un medidor 32

(10)

v ultrasónico [4].

2.17 Medición de flujo acondicionado, medidor ultrasónico 4]. 32 2.18 Elementos de un medidor de flujo electromagnético. 33 2.19 9 Distancia para instalar un medidor de flujo de tipo

electromagnético [5].

35

2.20 Longitudes recomendadas para tramos rectos, medidor de flujo tipo electromagnético [5].

36

2.21 Medidor tipo Coriolis. 36

2.22 Tipos de instalación, del medidor tipo Coriolis. 38

3.1 Metodología para la selección de medidores de flujo. 42 3.2 Metodología para seleccionar medidores de flujo

volumétricos.

45

3.3 Algoritmo para la selección de medidores de flujo volumétricos.

47

3.4 Metodología para la selección de medidores de flujo másicos.

48

3.5 Algoritmo para la selección de medidores de flujo másico.

50

3.6 Ventana de inicio del programa. 51

3.7 Pantalla de inicio de medidores de flujo. 52

3.8 Pantalla con información de la placa de orificio. 52

3.9 Pantalla de selección del medidor de flujo. 53

3.10 Pantalla con características del fluido y del sistema. 54

3.11 Características de los fluidos. 54

3.12 Pantalla del medidor de flujo seleccionado. 55 3.13 Información referente al medidor magnético. 56 3.14 Información referente al medidor magnético

continuación.

56

3.15 Icono del programa FLOWSEL2011. 57

3.16 Instalación del ejecutable. 58

3.17 Ventana de información de la placa de orificio. 59 3.18 Criterios de instalación de Placa de Orificio. 60 3.19 Instalación de la placa de orificio norma ASME. 60

4.1 Esquema de un tren de descarga y filtrado.

62

4.2 Datos del programa de cómputo. 63

4.3 Información del medidor de flujo para placa de orificio concéntrica.

63

4.4 Medidor seleccionado por el programa de cómputo. 65 4.5 Información referente a placa de orificio segmentada. 65 4.6 Diagrama de conexiones del medidor de flujo tipo turbina y

acondicionadores.

67

(11)

vi 4.8 Ventana de información del medidor tipo turbina. 67

4.9 Ventajas y desventajas medidor tipo turbina. 68 4.10 Software FCI seleccionador de medidores másicos. 69

4.11 Recomendación del flujo másico FCI. 69

4.12 Programa de cómputo selección de medidor másico. 70

4.13 Información medidor Coriolis. 71

4.14 Programa para seleccionar medidores de flujo. 72

RELACIÓN DE TABLAS .

No. Descripción Página

1.1 Densidad del agua en función de la temperatura para un intervalo de 0 ºC a 40 ºC.

3

3.1 Características de selección para medidores de flujo.

44

(12)

CAPÍTULO I

FUNDAMENTOS DE MEDICIÓN DE FLUJO

(13)

Capítulo I Fundamentos de medición de flujo

Ingeniería en Control y Automatización 2

1.1 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Los fluidos pueden dividirse en líquidos y gases. Las diferencias esenciales entre líquidos y gases son: a) los líquidos son prácticamente incompresibles y los gases son compresibles, b) los líquidos ocupan un volumen definido y tienen superficies libres mientras que una masa dada de gas se expande hasta ocupar todas las partes del recipiente que lo tenga.Es importante para la selección de medidores de flujo, las propiedades de éste como son: la viscosidad, la densidad, presión, densidad relativa entre otras.

1.1.1 Viscosidad

La viscosidad es la resistencia que presenta un fluido al corte y es aplicada para distinguir el comportamiento entre sólidos y fluidos. Existen dos tipos de viscosidad que se mencionan a continuación.

La viscosidad absoluta o dinámica (µ), se define como la relación entre la fuerza y el gradiente de velocidad con que una capa de fluido se desplaza con respecto a una superficie fija, indicando la mayor o menor resistencia que estos ofrecen al movimiento de sus partículas cuando son sometidos a un esfuerzo cortante, en la práctica corresponde a la resistencia de un líquido a la deformación mecánica. Algunas unidades en que se expresa esta propiedad son el Poise (P), el Pa·s y el centiPoise cP, siendo las relaciones entre ellas las siguientes: 1 Pa·s = 10 P = 1000 cP.

La viscosidad cinemática (υ), es la relación entre la viscosidad absoluta y la densidad de un fluido. Esta suele denotarse como ν.

ρ µ ν = (1.1)

Algunas de las unidades para expresarla son el m2/s, el stoke (St) y el

centistoke (cSt), siendo las equivalencias las siguientes: 1 m2/s = 10000 St =

1x106cSt. La viscosidad dinámica en el agua se puede determinar únicamente en función de la temperatura como se muestra en la ecuación 1.2.

105 ) 20 ( 001053 . 0 ) 20 ( 32727 . 1 log 2 20 10 + − − − = t t t t µ µ (1.2)

(14)
[image:14.612.120.495.67.298.2]

Capítulo I Fundamentos de medición de flujo

Figura 1.1Variación de la viscosidad dinámica del agua en función de la temperatura.

1.1.2 Densidad

Expresa la relación que existe entre la masa de una sustancia y el volumen que ocupa, su unidad en el sistema internacional es el kg/m3, aunque también se

expresa en g/cm3 esta expresada por la ecuación siguiente.

V m =

ρ

(1.3)

La densidad del agua a diferentes temperaturas en un intervalo de 0ºC a 40ºC, se muestra en la tabla 1.1.

Tabla 1.1 Densidad del agua en función de la temperatura para un intervalo de 0ºC a 40ºC.

[image:14.612.211.405.514.662.2]
(15)

Capítulo I Fundamentos de medición de flujo

1.1.2 Presión

La presión de un fluido es la fuerza que se ejerce sobre un área unitaria, su unidades el Pascal (Pa) o N/m². El estudio de la presión de un fluido se debe hacer tomando como referencia otra presión, la cual normalmente es la de la atmósfera, la presión resultante se conoce como presión manométrica; sí se mide en relación con el vacío perfecto, se conoce como presión absoluta; la ecuación 1.4 muestra la relación de las presiones.

man atm

abs P P

P = + (1.4)

Donde:

abs

P = Presión absoluta, N/m²

atm

P = Presión atmosférica, N/m²

man

P = Presión manométrica, N/m²

En la figura 1.2 se da la relación entre laspresiones manométrica, absoluta, de vacío yatmosférica, La presión de vacío se refiere a presiones manométricas menores que la presión atmosférica.

Figura 1.2Presiones manométrica, absoluta, de vacío y atmosférica.

11.4 Presión de vapor

(16)

Capítulo I Fundamentos de medición de flujo

disminuye la presión a la que está sometido hasta llegar al grado en el que comienza la ebullición, se dice que ha alcanzado la presión de vapor, esta presión depende de la temperatura. Así por ejemplo, para el agua a 100 ºC, la presión es de 101 325 Pa que equivale a una atmósfera normal, como puede verse en la figura 1.3.Existen diversas ecuaciones para calcular la presión de vapor del agua. La ecuación 1.5 muestra una de ellas.

)] 5 . 243 /(

* 7 . 17 exp[ 112 .

6 +

= Td Td

Pv (1.5)

Donde:

Td = Temperatura de rocíoºC. P = Presión atmosférica en Pa.

Figura 1.3 Variación de la presión de vapor del agua en función de la temperatura.

1.2 ECUACIONES DEL FLUJO DE FLUIDOS

Existen dos ecuaciones fundamentales que son determinantes para conocer la dinámica de los fluidos. La ecuación de Bernoulli y la ecuación de continuidad;la primera representa la conservación de la energía en un fluido, y la segunda a la conservación de la masa.

1.2.1 Número de Reynolds

(17)

Capítulo I Fundamentos de medición de flujo

Fig. 1.4Flujo laminar y turbulento en una tubería.

Para el flujo laminar, el perfil de velocidades es una parábola y la velocidad promedio es un medio de la velocidad máxima. Para el flujo turbulento la curva de distribución de velocidades es más plana y el mayor cambio de velocidades ocurre en la pared de la tubería, (figura 1.5).

Fig. 1.5Perfiles de velocidad laminar y turbulento.

El número de Reynolds es un número adimensional que relaciona las propiedades físicas del fluido, velocidad, densidad y la geometría del ducto por el que fluye. Éste parámetro permite determinar si un flujo es laminar, turbulento o de transición.

µρ

Dv

=

Re (1.6)

Donde:

Re = Número de Reynolds, [Adimensional]. D = Diámetro del ducto, m.

(18)

Capítulo I Fundamentos de medición de flujo

ρ= Densidad del Líquido, kg/m3.

µ = Viscosidad del líquido, Pa·s.

Si el número de Reynolds es menor a 2100 el flujo es laminar, en el intervalo entre 2100 y 4000 el flujo es de transición y para valores mayores de 4000 el flujo es turbulento

1.2.2 Ecuación de continuidad

La ecuación de continuidad o conservación de masa es una herramienta muy útil para el análisis de fluidos que fluyen por tubos o ductos de diámetro variable. Para un flujo permanente, la masa de fluido que atraviesa cualquier sección transversal es constante por unidad de tiempo es:

2 21 2 1 1

1νΑ =ρν Α

ρ (1.7)

La velocidad del flujo cambia debido a que el área transversal varía de una sección del ducto a otra.

Figura 1.6Diagrama representativo de la ecuación de la continuidad.

Si se considera un flujo continuo a través de un volumen fijo con una entrada y una salida (figura 1.6); la razón con la cual el fluido entra en el volumen debe ser igual a la razón con la que el fluido sale del volumen para que se cumpla el principio fundamental de conservación de la masa.El flujo másico se define por:

AV Qm = ρ (1.8) Donde:

Qm=Flujo másico, kg/s.

ρ= Densidad, kg/m3.

A= Área transversal, m2.

(19)

Capítulo I Fundamentos de medición de flujo

Ingeniería en Control y Automatización 8

La densidad puede variar con el tiempo dependiendo de las condiciones de temperatura y presión, para un fluido incompresible ρ1= ρ2la ecuación de continuidad se puede expresar de la siguiente forma.

te cons v A v A v A

Qv = 1 1= 2 2= 3 3= tan (1.9)

La relación entre el flujo másico y el flujo volumétrico es la densidad de acuerdo a las ecuaciones 1.8 y 1.7.

v

m Q

Q =ρ (1.10)

1.2.3 Ecuación de Bernoulli

Esta ecuación se aplica a la dinámica de los fluidos por el principio de la conservación de la energía para los líquidos con sólidos suspendidos. Para llegar a la ecuación de Bernoulli, el fluido se mueve en un régimen estacionario, la velocidad del flujo en un punto no varía con el tiempo, se desprecia la viscosidad del fluido, que es una fuerza de rozamiento interna, y se considera que el líquido está bajo la acción del campo gravitatorio.Esta ecuación presenta limitaciones a pesar de que existen aplicaciones en casi todos los aspectos del flujo de fluidos como:

• No puede haber transferencias de calor.

• Es válida solamente para fluidos incompresibles.

• No puede haber pérdidas de energía debidas a la fricción.

Los parámetros que se destacan son cuatro: presión P, a la que está sometido el fluido, densidad del fluido ρ, velocidad del fluido ν y altura h sobre un nivel de referencia. Estos parámetros influyen en la energía contenida en el fluido en general. Para un flujo estable, viscoso e incompresible se tiene la siguiente ecuación. te cons pw mgz mv tan 2

1 2+ + =

γ (1.11)

Dividido entre el peso.

te cons p z g v tan 2 2 = + + γ (1.12)

Multiplicado por g.

te conns p gz v tan 2

1 2 + + =

ρ (1.13)

(20)

Capítulo I Fundamentos de medición de flujo

Ingeniería en Control y Automatización 9

te cons gz

P tan

2

1 2 =

+

+

ρ

ρν

(1.14)

Donde:

P: es la energía de presión,Pa.

ρgz: es la energía potencial del fluido tomando un nivel de referencia, Pa.

1/2

ρ

v2: es la energía cinética del fluido, Pa.

1.3 FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS

El flujo de un fluido se define como la corriente o el movimiento de un fluido que pasa através de un conducto. El controlar el flujo de un fluido ayuda a que los límites de presión de la tubería se encuentren dentro de los parámetros correctos y se prolonge la vida útil de la tubería.

Cuando las trayectorias de las particulas que están fluyendo continuamente cambian un poco una de otra, o no son paralelas al eje de la tubería el flujo es turbulento, por lo tanto si las trayectorias de las partículas del fluido en un conducto son paralelas al eje del mismo y las velocidades son bajas y cambian poco en sus valores, se dice que es un flujo laminar.

La región de flujo cerca del sitio en el que el fluido entra al tubo se denomina región de entrada. Como se muestra en la figura 1.7, el fluido por lo general entra a la tubería con un perfil de velocidad casi uniforme en la sección 1, a medida que el fluido se desplaza por la tuberia, los efectos viscosos hacen que se adhiera a la pared de la tubería debido a la condición de no deslizamiento. Lo anterior se cumple sin importar que el fluido sea aire relativamente no viscoso o aceite muy viscoso.

A lo largo de la pared de la tubería se produce una capa límite en donde los efectos viscosos son importantes, de modo que el perfil de velocidad inicial cambia con la distancia a lo largo de la tubería hasta que el fluido llega al final de la longitud de entrada (sección 2) mas allá de la cual el perfil de velocidad no varía en la dirección axial.

Cuando el espesor de la capa límite ha aumentado hasta llenar por completo la tubería, los efectos viscosos son considerablemente importantes dentro de la capa límite. Para el fluido fuera de la capa límite (dentro del núcleo no viscoso que rodea la línea central de 1 a 2), los efectos viscosos son insignificantes. La forma del perfil de velocidad en la tubería y la región de entrada Ie, dependen

de si el flujo es laminar o turbulento. Así como con muchas otras propiedades del flujo en tuberías, la longitud de entrada adimensional, Ie/D, se correlaciona

(21)

Capítulo I Fundamentos de medición de flujo

Re 06 . 0

= D ie

Para flujo laminar (1.15)

6 / 1

(Re) 4 . 4

= D ie

Para flujo turbulento (1.16)

Para flujos con muy bajo número de Reynolds la longitud de entrada puede ser bastante corta (Ie=0.6D si Re=10), en tanto que para flujo con un gran número

de Reynolds puede asumir una longitud de muchos diámetros de tubería antes de llegar al final de la región de entrada (Ie=120D si Re=2000).

El cálculo del perfil de velocidad y de la distribución de presión dentro de la región de entrada es bastante complejo;sin embargo, una vez que el fluido llega al final de la región de entrada (sección 2 de la figura 1.7) es fácil describir el flujo, porque la velocidad es función solo de la distancia a la línea central. Lo anterior es cierto hasta que la tubería cambia de alguna manera, como unavariacón en el diámetro, o el fluido circula a través de un codo, válvula o algún otro componente en la sección 3.

El flujo entre (2) y (3) se denomina totalmente desarrollado. Más allá de la interrupción del flujo totalmente desarrollado (en la sección 4), el flujo comienza gradualmente a regresar a su carácter totalmente desarrollado (sección 5), y continúa con este perfil hasta llegar al siguiente componente del sistema de tubos (sección 6).

Figura 1.7Región de entrada, flujo en desarrollo y flujo desarrollado en una tubería.

1.4 CALIBRACIÓN DE FLUJO

(22)

Capítulo I Fundamentos de medición de flujo

resultan del tipo de instalaciones y procedimientos utilizados en la calibración. Estas incertidumbres se deben a la falta de habilidad para:

• Establecer y mantener un flujo estable.

• Procedimiento de medición de flujo.

• Separar la imprecisión debida a la estabilidad de flujo de la imprecisión del patrón de calibración de flujo.

• Determinar y establecer de forma pertinente las propiedades de los fluidos.

• Suprimir completamente perturbaciones sistemáticas de flujo.

La calibración de los medidores de flujo consiste en la comparación de las señales de salida de un instrumento en particular contra un patrón de incertidumbre conocida, ésta requiere una medición de flujo con máxima exactitud, usualmente con sistemas que conectan el flujo total de fluido durante un intervalo de tiempo medido. Este flujo es convencionalmente medido volumétricamente o gravimétricamente, la medición o cálculo de la densidad es frecuentemente requerida en ambos casos.

1.4.1 Calibración de medidoresde flujo volumétrico

Puesto que un líquido puede ser contenido dentro de un recipiente abierto uno de los métodos más convenientes para la calibración de los medidores de flujo de líquidos es el empleo de patrones volumétricos calibrados, este método es utilizado en muchos laboratorios del mundo, en la figura 1.8 se muestra un sistema de calibración volumétrico. Los instrumentos y el equipo que se requieren para la calibración son:

Figura 1.8Sistema volumétrico para calibrar medidores de flujo volumétricos

(23)

Capítulo I Fundamentos de medición de flujo

Ingeniería en Control y Automatización 12 • Sensores de temperatura instalados en la medida volumétrica y en la línea,

lo más cercano al medidor de flujo con resolución de 0.1 °C o mejor. Incertidumbre en la medición de temperatura ± 0.2°C o mejor.

• Sensor de presión con una incertidumbre en la medición de ±0.5 MPao mejor.

• Cronometro con resolución de 0.01 s.

Para realizar la calibración de forma correcta y confiable se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones:

• El medidor de flujo debe ser calibrado con el líquido o líquidos a emplear.

• El medidor de flujo debe ser instalado de acuerdo a las instrucciones del fabricante.

• No debe existir vibración o pulsaciones que puedan afectar el comportamiento del medidor de flujo.

• El número de valores de flujo seleccionados debe estar entre 2 y 5 flujos dentro del alcance del medidor.

1.4.2 Calibración de medidores de flujo másico

Dependiendo del fluido, diferentes procedimientos y equipos son usados para medir la masa del flujo y de esta forma realizar la calibración de medidores de flujo. El procedimiento más usado es por pesado directo del líquido recolectado y la medición del tiempo de recolección.

(24)

Capítulo I Fundamentos de medición de flujo

Figura 1.9Sistema estático de pesado para la calibración de flujo másico.

1.5 CARACTERÍSTICAS DE LOS MEDIDORES DE FLUJO

Amplitud (span). Es la diferencia algebraica entre los valores máximo y mínimo del intervalo de medición o señal de control de un instrumento.

Amplitud de control. Todos los instrumentos transmisores y controladores, reciben y/o envían sus señales dentro de ciertos límites (4mA - 20 mA de cd, 10mA a 50 mA cd, 1Vcd – 5Vcd para señales eléctricas, 3 psig -15 psig, 3 psig -27 psig, 6 psig -30 psig, para señales neumáticas).

Banda muerta (zona muerta). Es el intervalo de valores a través del cual puede cambiar la variable sin que se produzcan cambios en la señal de salida, es decir, no se obtiene respuesta. Esto está dado en porciento de la amplitud.

Condiciones ambientales. Son las condiciones externas especificadas (choque, vibración, temperatura, etc.) a las cuales puede estar expuesto un instrumento durante el transporte, maniobra y operación.

Confiabilidad. La probabilidad de que un instrumento realice su objetivo en forma adecuada dentro de límites específicos de error a lo largo de un tiempo determinado y bajo condiciones específicas.

Error. Es la diferencia algebraica entre el valor indicado o transmitido por un instrumento y el valor real de la variable medida.

(25)

Capítulo I Fundamentos de medición de flujo

Ingeniería en Control y Automatización 14

Medición. Es la determinación de la existencia o magnitud de una variable. Los instrumentos de medición, incluyen a todos los dispositivos utilizados directa o indirectamente para este propósito.

Perturbación. Un cambio indeseable que se presenta en un proceso el cual afecta al valor de una variable controlada en forma desfavorable.

Precisión. Es la tolerancia de medición o de transmisión de un elemento y define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se utiliza en condiciones normales de operación.

Intervalo de medición. Son los valores entre un mínimo y máximo de la variable que es capaz de detectar un instrumento.

Intervalo de operación. Son los valores entre un mínimo y máximo en que se espera que cambie la variable de proceso.

Sensibilidad. Un instrumento es sensible, cuando es capaz de detectar rápidamente los cambios que sufre una variable por pequeños que estos sean, en consecuencia, la sensibilidad se puede definir como el tiempo que tarda un instrumento para detectar un cambio de la variable medida o controlada.

Temperatura de operación. Gama de temperaturas en la cual se espera que trabaje un instrumento dentro de límites de error especificados por el fabricante.

(26)

Ingeniería en Control y Automatización 15

CAPÍTULO II

MEDIDORES DE FLUJO

(27)

Capítulo II Medidores de Flujo

Ingeniería en Control y Automatización 16

2.1 CLASIFICACIÓN DE MEDIDORES DE FLUJO

En la mayor parte de las operaciones realizadas en los procesos industriales en laboratorio y en plantas piloto es muy importante la medición de caudales de líquidos y gases, para lo cual existen dos tipos de medidores de flujo, los volumétricos y los másicos. Los volumétricos que determinan el caudal en volumen del fluido por unidad de tiempo y los de masa que determinan el caudal de masa por unidad de tiempo. Se reservan los medidores volumétricos para la medida general de caudal y se determinan los medidores de caudal másico a aquellas aplicaciones en que la exactitud de la medida es importante, por ejemplo en las determinaciones finales del caudal del producto para su fabricación.

La medición de flujo es un proceso complejo debido a que otras magnitudes como la presión y la temperatura tienen una influencia determinante en el comportamiento de los fluidos. Los medidores de flujo se emplean en operaciones tan diversas, como el control de procesos, control en componentes de mezcla. La transferencia de fluidos como el petróleo y sus derivados entre otras. Los elementos primarios de flujo que se usan en la industria se clasifican según su principio de funcionamiento, como se muestra en la figura 2.1.

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

DE FLUJO

Figura 2.1 Clasificación de los medidores de flujo.

2.2PLACA DE ORIFICIO

Los elementos de presión diferencial se basan en la diferencia de presiones provocada por estrechamiento en la tubería por donde circula el fluido (líquido, gas o vapor). La presión diferencial provocada por el estrechamiento es

Flujo Volumétrico

Presión diferencial

Placa de orificio

(28)

Capítulo II Medidores de Flujo

captada por dos tomas de presión situada inmediatamente corriente arriba y corriente abajo del mismo, como se muestra en la figura 2.2.

Figura 2.2 Presión diferencial creada por la placa de orificio.

2.2.1 Principio de funcionamiento

La forma más fácil para medir flujo es la placa de orificio, ésta es una placa circular con un orificio que se instala en la tubería en donde se requiere medir el flujo. Es importante que el borde del orificio tenga un acabado afilado. Las pruebas que se han hecho muestran que un pequeño redondeo en el borde del orificio introduce un error del 2% al 10%. La presión diferencial creada por la placa se mide, y se determina el flujo con las siguientes ecuaciones.

ρ π

ε 2( )105 10 4 2 1 6 2 P P d E C QV d

−       = (2.1) ρ π ε 5 2 1 6 2 10 ) ( 2 10

4 P P

d E C

Qm d 

     = (2.2) Donde: V

Q

= Caudal volumétrico, m3/s.

m

Q

= Caudal másico, kg/s.

d

C

= Coeficiente de descarga, [adimensional].

(29)

Capítulo II Medidores de Flujo

1

P = Presión estática absoluta antes de la placa, bar.

2

P = Presión estática absoluta después de la placa, bar.

=

ρ

Densidad del fluido, kg/m3.

ε = Coeficiente de dilatación térmica de un fluido [adimensional].

La corrosión provoca una reducción en la exactitud de la medición con el paso del tiempo. Cuando el flujo pasa a través del extremo afilado del orificio, el flujo no llena completamente la abertura del orificio. Este disminuye después de pasar a través del orificio hasta que el chorro alcanza un área mínima conocida como vena contracta, el área de este chorro es aproximadamente 0.61 veces el área del orificio.

Las placas de orificio son fabricadas de modo que el orificio sea concéntrico a la tubería, aunque existen placas excéntricas y segmentadas como se muestra en la (figura 2.3).

Figura 2.3 Tipos de placas de orificio.

La placa de orificio es la mas usada, se emplea para relaciones de diámetros β

de hasta 0.75, el límite máximo de uso es de 6860 kPa y 420 ºC, se fabrican en su mayor parte de acero inoxidable. Algunas de sus principales ventajas y desventajas son.

Ventajas

• Es económica.

• Fácil instalación y cambio.

• Se pueden usar una amplia gama de tamaños de tuberías en proceso.

• Uso probado por varios años de experiencia.

• Se construyen en su mayoría de acero inoxidable.

(30)

Capítulo II Medidores de Flujo

Ingeniería en Control y Automatización 19 • Permiten distancias grandes en las conexiones de tomas de presión. Desventajas

• Pérdida permanente de presión relativamente alta.

• Es inadecuada en la medición de fluidos con sólidos en suspensión.

• No conviene su uso en la medición de vapores que arrastran condensados (en tales casos es necesario perforar un pequeño orificio de drenado en la parte inferior de la placa).

• El comportamiento en su uso con fluidos viscosos es errático, pues la placa se calcula para una temperatura y una viscosidad dadas, lo que significa que si hay cambios en la temperatura, la medición resulta incorrecta.

• Sus características pueden cambiar debido a la corrosión, erosión, etc.

• La precisión en la medición depende del cuidado que se tenga durante la instalación.

2.2.2 Requisitos de instalación

Para emplear la placa de orificio, el diámetro mínimo de la tubería debe de ser de 2 plg, y el máximo de 50 plg, lo anterior no representa problema, ya que los diametros mas comunes son de 6 plg, 8 plg, 10 plg y 12 plg.Con la finalidad de evitar errores que resultan de la perturbación de la trayectoria del flujo debido a válvulas, conexiones, etc., se recomienda un tramo de tubería recta sin obstáculos antes y después del elemento primario de flujo. La longitud requerida depende de la relación β y de la intensidad de la perturbación del flujo.

La distancia mínima recomendada para una válvula de estrangulamiento y una relación β de 0.75 es de 45 diámetros de tubo desde la placa de orificio corriente arriba. Para un solo codo la distancia mínima sería solamente de 17 diámetros de tubo. Si no hay válvulas, termopozos u otros dispositivos insertados en la tubería próximos a la placa de orificio bastará una longitud recta equivalente a 5 diámetros después de la placa y de 25 diámetros antes. Procedimiento para la determinación de la tubería recta necesaria:

• Encontrar el dibujo que represente físicamente la instalación.

• Observar que las longitudes están representadas por letras.

• Localizar la relación del orificio estimada (relación de diámetros β)

(31)

Capítulo II Medidores de Flujo

Figura 2.4 Instalación de placas de orificio y tobera con accesorios en el mismo plano [1] .

Para placa de orificio con tomas de presión en la brida.

• d ≥12.5mm

• 50mm≤D≤1 000 mm

• 0.1≤β≤0.75

• ReD≥4000 y ReD≥170β2D

Para placas de orificio con tomas en la vena contracta (1D y ½ D) y tomas esquinadas.

• d ≥12.5mm

• 50mm≤D≤1 000 mm

• 0.1≤β≤0.75

• ReD≥4,000 para 0.1 ≤β≤ 0.5

(32)

Capítulo II Medidores de Flujo

Figura 2.5Instalación de placas de orificio y tobera en diferentes planos [1].

Figura 2.6Tramos mínimos de tubería para la instalación de placas de orificio y tobera con

(33)

Capítulo II Medidores de Flujo

Figura 2.7 Tramos mínimos de tubería para la instalación de placas de orificio, tobera y tubo Venturi en presencia de válvulas y reguladores [1].

2.2.3 Aplicaciones

Permite la adquisición de manera rápida y su fácil instalación, la medición con la placa satisface requerimientos de medición para fluidos limpios, gas o vapor y líquidos con sólidos suspendidos, puesto que su adquisición es de manera más económica.

2.3 TUBO ANNUBAR

2.3.1 Principio de funcionamiento

(34)

Capítulo II Medidores de Flujo

Ingeniería en Control y Automatización 23

2 2 2 1 ; 2 1 2 1 2 1 ν ν ρ

ρaire P P aire

P

P = + − =

(2.3)

De la ecuación se obtiene el valor de la velocidad.

h g gas m ∆ = 2

ρ

ρ

ν

(2.4) Donde:

ν

= velocidad en m/s.

m

ρ = densidad del fluido del manómetro, kg/m3.

aire

ρ = densidad del gas, kg/m3.

El tubo annubar se compone de cuatro partes esenciales:

• La sonda de alta presión con cuatro orificios encarados al flujo. Relativos a las medidas de circulación del fluido, cada orificio capta una presión generada por la velocidad del flujo en cada uno de los cuatro segmentos de la misma área.

• La sonda de presiónalta transmite la media de las presiones detectadas por los cuatro orificios a la cámara de presión alta del transmisor electrónico de presión deferencial. Esta media es la suma de presiones debidas a la velocidad y a la presión estática.

• El orificio posterior capta la presiónbaja. La diferencia entre la presiónalta del tubo de interpelación y la baja presión del orificio es proporcional, según la teoría de Bernoulli, al cuadrado del caudal. En ciertos tipos de Annubar el orificio posterior está situado en la sonda de alta presión, mientras que en otros esta presión se capta mediante un tubo situado detrás de la sonda.

• La cabeza de conexión transmite la presión diferencial al transmisor electrónico.

El tuboannubar substituye con ventaja al Pitot, por su fácil instalación y la posibilidad de montarlo en tuberías existentes sin modificaciones complejas. Ventajas

• Pérdidas de presión del 2% al 3% de la diferencial de presión.

• Fácil instalación.

• Se puede usar para tuberías desde 1plg hasta 150plg.

• Pocos diámetros de tubería corriente abajo y corriente arriba del medidor.

(35)

Capítulo II Medidores de Flujo • Exactitud de ±0.5% a ±2% del flujo real en tamaños desde 2 plg hasta 24

plg para la mayoría de líquidos y gases. Desventajas

• En algunos casos representa muy baja diferencia de presión, 0.01 plg de agua.

• No es recomendable para fluidos sucios. 2.3.2 Requisitos de instalación

Los requisitos de tramo recto de tubería para la instalación se pueden observar en las figuras 2.8 y 2.9 que se muestran a continuación.

(36)
[image:36.612.117.498.70.559.2]

Capítulo II Medidores de Flujo

Figura 2.9 Requisitos de tramo recto de tubería con válvulas, reducciones y expansiones, tubo

Annubar [2].

•••• En el plano A significa que la barra se encuentra en el mismo plano que el tubo acotado “fuera del plano A significa que la barra se encuentra perpendicular al plano del tubo acotado.

(37)

Capítulo II Medidores de Flujo

Ingeniería en Control y Automatización 26

2.3.3 Aplicaciones

Este tipo de medidores de flujo generalmente se utilizan en aplicaciones de alto rendimiento, elimina la necesidad de acoplamientos, tuberías, válvulas, adaptadores y soportes de montaje, reduciendo de esta manera el tiempo de instalación.la precisión y repetividad de cada punto de medición de caudal se ven mejorados por el diseño de ranura frontal, el incremento de la intensidad de la señal y la reducción del ruido permite un riguroso control de procesos. Este tipo de medidores son aplicables para líquidos, gases y vapores

2.4 MEDIDOR DE TURBINA

2.4.1 Principio de funcionamiento

El medidor de flujo tipo turbina consiste de un rotor con varios álabes, suspendido sobre chumaceras en la corriente de un fluido, el número de álabes del rotor está en función del intervalo de medición del medidor y de su resolución. El eje de rotación del rotor es paralelo a la dirección del flujo, y las aspas del rotor ocupan casi todo el diámetro de la tubería. El fluido, al chocar con las aspas, produce el movimiento del rotor. La velocidad angular de rotación es directamente proporcional al flujo volumétrico. La velocidad de rotación se monitorea por una bobina detectora electromagnética, la cual se encuentra colocada en el exterior del alojamiento del medidor. Existen dos tipos de bobinas detectoras, que son de reluctancia e inductiva.

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 exterior. El paso de cada pala varia la reluctancia del circuito magnético. Esta variación cambia el flujo induciendo en la bobina una corriente alterna que es proporcional al giro de la turbina. En el tipo de inducción el rotor lleva incorporado un imán permanente y el campo magnético giratorio que se origina induce una corriente alterna en la bobina exterior.

Los medidores para gas y para líquidos funcionan bajo el mismo principio. La figura 2.10 muestra la sección transversal de un medidor de turbina típico para líquidos. Consta de una longitud de tubería en el centro de la cual hay un rotor de paletas múltiple, montado sobre cojinetes, para que pueda girar con facilidad, y soportando por un dispositivo de tipo cruceta que habitualmente incorpora un rectificador de flujo. La energía cinética del fluido circulando hace girar el rotor con una velocidad angular que en el margen lineal del medidor, es proporcional a la velocidad media axial del fluido y por lo tanto al caudal volumétrico. El cual está dado por:

(38)

Capítulo II Medidores de Flujo

Donde n es el número de pulsos por unidad de tiempo y k es una constante del medidor (dependiente del diseño y tamaño del medidor, del diámetro de la tubería y del número de paletas).

Figura 2.10 Sección transversal de un medidor tipo turbina para líquidos.

Los medidores de turbina para gas o líquido difieren fundamentalmente en el diseño del rotor. Una salida mediante impulsos eléctricos se produce cuando se detecta el paso de cada paleta alrededor de uno o más sensores situados en el campo del medidor. El punto más débil de un medidor de turbina para líquidos son los cojinetes, ya que tienen que soportar el peso del rotor.

Las ventajas de este medidor son su incertidumbe baja, se usan para fluidos con viscosidad de baja a media, son adecuados para presiones ilimitadas y temperaturas extremas altas y bajas, son fáciles de instalar, tienen poco peso y tamaño en relación al diámetro de la tubería. La exactitud es muy elevada, del orden de ± 0.3%. La menor incertidumbre se consigue con un flujo totalmente desarrollado, instalando el instrumento en una tubería recta de longitudes mínimas 10 diámetros corriente arriba y 5 diámetros corriente abajo.

Las desventajas principales son la incompatibilidad con líquidos altamente viscosos, posibles daños en caso de que se presente cavitación y la necesidad de equipo adicional, es relativamente caro, debido a sus excelentes características de desempeño.

2.4.2 Requisitos de instalación

(39)

Capítulo II Medidores de Flujo

de presión se reduce sobre una ley cuadrática con la reducción del régimen de flujo. En consecuencia si el medidor está operando al 50% de su capacidad, la pérdida de presión es de 25% de la que tendría con el flujo máximo.

El medidor debe ser instalado de tal modo que siempre esté lleno de líquido aunque el flujo sea nulo, debido a que en la puesta en marcha el choque del fluido podría dañarlo. Es necesario el empleo de un filtro a la entrada del instrumento, incluso para mediciones de flujo de agua, ya que la particula mas pequeña podria desgastar los álabes de la turbina y afectar la exactitud de la medida. La frecuencia generada por el medidor de turbina se transmite a un convertidor indicador o totalizador. Para evitar longitudes excesivas de tubería recta, generalmente se instala un enderezador de flujo en donde se requiere buena exactitud, la instalación recomendada se muestra en la figura 2.11, otras formas de instalar este medidor es con acoplamientos en línea como se muestra en la figura 2.12, instalación con tubería no recta en la figura 2.13 y recomendación de instalación de un cuerpo de gas, ver figura 2.14.

Figura 2.11Instalación recomendada de medidores tipo turbina [3].

(40)

Capítulo II Medidores de Flujo

Figura 2.13Instalación con tubería no recta, [3].

Figura 2.14 Recomendación de la instalación de un medidor de gas, [3].

2.4.3 Aplicaciones

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Capítulo II Medidores de Flujo

Ingeniería en Control y Automatización 30

de líquidos criogénicos (oxígeno y nitrógeno líquidos), inyección de agua a los pozos de aceite donde se manejan altas presiones.

2.5 MEDIDOR ULTRASÓNICO

2.5.1 Principio de funcionamiento

El medidor de flujo ultrasónico mide la velocidad del sonido dentro del fluido e inferencialmente calcula su velocidad, la medida se realiza disponiendo el conjunto emisor-receptor y ultrasonidos inmersos dentro del líquido o exterior a la tubería. Las variaciones de la velocidad del sonido son originadas por cambios en la densidad que varía el acoplamiento acústico entre los transductores y el fluido, pero además pueden ser factores perturbadores, los cambios en la temperatura, la cual debe ser compensada, variaciones en la viscosidad y en la compresibilidad, por lo que la medida queda restringida a un grupo de líquidos de características similares.

Los medidores ultrasónicos de tipo Doppler utilizan el concepto de que si se deja pasar el ultrasonido en un fluido en movimiento con partículas, el sonido será reflejado de nuevo desde las partículas. Las variaciones de frecuencia del sonido reflejado será proporcional a la velocidad de las partículas.

En la figura 2.15 se muestra un cabezal individual transmitiendo con una frecuencia en un ángulo. El sonido tiene que realizar un recorrido a través del encapsulado, el adhesivo, la pared de la tubería y el flujo. En cada límite de separación el sonido es refractado. El instrumento consiste esencialmente en un emisor y receptor adosados en el exterior de la pared de la tubería. La energía ultrasónica consiste en un tren de pequeñas ondas senoidales a una frecuencia entre 0.5MHz y 20 MHz. Este intervalo de frecuencias es descrito como ultrasónico porque está fuera de la audición humana. La velocidad del flujo

v

está dada por:

θ

cos 2 ) ( ft fr ft c

v= − (2.6)

Donde fty frson las frecuencias de las ondas de transmisión y recepción,

respectivamente, c es la velocidad del sonido en el fluido medido, y θ es el

(42)

Capítulo II Medidores de Flujo

Figura 2.15Cabezal individual transmisor/receptor, medidor ultrasónico.

Al igual que en el caso de los medidores magnéticos, los medidores de caudal ultrasónicos no presentan obstrucciones al flujo, no dan lugar a pérdidas de carga. Son adecuadas para su instalación donde es esencial que la pérdida de carga sea pequeña. Los transductores son incorporados en el cuerpo del medidor sin necesidad de juntas de contacto con el fluido. No se necesita tubería en derivación ni válvulas de aislamiento, ya que todos los elementos activos pueden reemplazarse sin contacto alguno con el líquido. Para tuberías de diámetro superiores a 400 mm ofrecen una solución competitiva. Respecto a la precisión, tienen hasta un ± 0.5%.

Algunas de las ventajas de este medidor es que no ocasiona pérdida de carga, no cuenta con partes móviles, no influye el diámetro de la tubería, adecuada para la medición de materiales tóxicos o peligrosos, salida lineal con el caudal, su intervalo de medición es amplio, en tuberías de gran diámetro es económico, y en ciertos casos, único. Su instalación es simple.

A comparación de sus diversas ventajas las desventajas son muy pocas como su precisión no es muy alta y su costo es relativamente alto para tuberías de bajo diámetro.

2.5.2 Requisitos de instalación

(43)

Capítulo II Medidores de Flujo

Figura 2.16Instalación en tramo recto de tubería de un medidor ultrasónico [4].

Figura 2.17Medición de flujo acondicionado, medidor ultrasónico [4].

2.5.3 Aplicaciones

El líquido debe estar relativamente libre de sólidos y burbujas de aire. Las burbujas de aire en la corriente causan mayor atenuación de las señales acústicas que los sólidos. Este medidor de flujo puede tolerar un cierto porcentaje de sólidos, y una fracción de un porcentaje de burbujas. Dependiendo del fluido del proceso, debe seleccionarse el material adecuado del transductor y la protección para prevenir daños debido a la acción química. También hay limitación en la temperatura del proceso para una aplicación adecuada de estos medidores de flujo.

2.6 MEDIDOR MAGNÉTICO

2.6.1 Principio de funcionamiento

(44)

Capítulo II Medidores de Flujo

líquido conductor circulando por un tubo aislado eléctricamente, a través de un campo magnético y se montan los electrodos diametralmente opuestos en la pared de la tubería, como se muestra en la figura 2.18. La fuerza electromotriz generada a través de los electrodos es directamente proporcional a la velocidad media del fluido.

Figura 2.18 Elementos de un medidor de flujo electromagnético.

El instrumento, mostrado en la figura 2.18, consiste de un tubo cilindrico de acero inoxidable, con una capa aislante, que transporta el fluido a medir. Los electrodos deben estár al mismo nivel que la superficie interior del cilindro. Como los electrodos tienen que hacer un contacto con el fluido, el material de estos tiene que ser compatible con las propiedades químicas del fluido que circula. Entre los materiales más utilizados se pueden citar, acero inoxidable no Magnetico, Platino/Iridio, Monel, Hasteloy, Tintanio y Circonio para líquidos particuarmente agresivos.

En el medidor magnético de flujo el conductor es el líquido y Es es la tensión

generada, esta es captada por dos electrodos que rozan con la superficie interior del tubo y diametralmente opuestos.

BDv

K

E

s

=

m (2.7)

Donde Km es una constante y para la mayoría de los líquidos la conductividad

es igual a 1. De la ecuación 2.7 la tensión generada depende, no solo de la velocidad del fluido, sino también de la densidad del flujo B, la cual a su vez

está influida por la tensión de la línea y por la temperatura del fluido.

Para obtener una señal que dependa únicamente de la velocidad, la señal de tensión del medidor se compara en el receptor con otra tensión denominada tensión de referencia Er. Como las dos señales derivan a la vez del campo

(45)

Capítulo II Medidores de Flujo

Ingeniería en Control y Automatización 34

magnético produce una señal de tensión eléctrica del orden de µV a algunos mV para toda la escala que pueden ser manejados por un microprocesador para control por computadora. En general, la fuente de impedancia de estos medidores es del orden de kΩ para la mayoría de los líquidos comerciales que

pueden ser medidos. Ventajas

• No presentan obstrucciones al flujo, por lo que son adecuadas para la medida de todo tipo de suspensiones.

• No dan lugar a pérdidas de carga, por lo que son adecuados para su instalación en grandes tuberías de suministro de agua, donde es esencial que la pérdida de carga sea pequeña.

• Se fabrican en una gama de tamaños superior a la de cualquier otro tipo de medidor.

• No son prácticamente afectados por variaciones en la densidad, viscosidad, presión, temperatura y dentro de ciertos límites, conductividad eléctrica.

• No son afectados por perturbaciones del flujo corriente arriba del medidor.

• La señal de salida es líneal.

• Puede utilizarse para la medida del caudal en cualquiera de las dos direcciones.

desventajas

• El líquido cuyo caudal se mide debe tener una conductividad eléctrica. La energía disipada por las bobinas da lugar al calentamiento local del tubo del medidor.

• Al igual que otras formas de medida, este instrumento requiere un tramo recto inmediatamente antes del punto donde se realiza la medida para cierta exactitud, una longitud de cinco diámetros puede ser suficiente.

2.6.2 Requisitos de instalación

(46)

Capítulo II Medidores de Flujo

Figura 2.19. Distancia para instalar un medidor de flujo de tipo electromagnético [5].

Se puede realizar instalaciones con tramos rectos de tubería reducidos desde 0.5 D hasta 5 D de tuberías. En instalaciones en tramos rectos de tuberías reducidos, el rendimiento se desviará en 0.5% del caudal. Al instalar el medidor de flujo electromagnético en una sección horizontal del tubo, se debe impedir el paso de burbujas de aire sobre el sensor.

En la figura 2.20 se muestran los tramos rectos de entrada y salida, el contador debe estar instalado corriente arriba y disponer de suficiente tramo recto de tubería detrás de cualquier elemento perturbador de perfil de velocidad como son: codo, reducción, válvula. Si es posible el sensor se debe instalar lejos de elementos tales como válvulas, T, codos, etc

Tramo recto de entrada ≥ 5D

Tramo recto de salida ≥ 2D

Figura 2.20 Longitudes recomendadas para los tramos rectos, para un medidor

electromagnético [5].

2.6.3 Aplicaciones

(47)

Capítulo II Medidores de Flujo

utilizados para la medición del flujo de líquidos con mínimas conductividades tan bajas como microSiemens/cm.

2.7 MEDIDOR TIPO CORIOLIS

2.7.1 Principio de funcionamiento

El medidor de flujo másico tipo coriolis se basa en el principio de Coriolis donde un objeto de masa m que se desplaza con una velocidad lineal

v

a través de una superficie giratoria de velocidad angular constante

ω

experimenta una velocidad tangencial

v

=

ω

r

. En este medidor de flujo la generación de la fuerza de Coriolis se produce por inversión de las velocidades lineales del fluido mediante una desviación del flujo en forma de omega en estado de vibración controlada. La vibración del tubo, perpendicular al sentido de desplazamiento del fluido, crea una fuerza de aceleración en la tubería de entrada del fluido y una fuerza de desaceleración en la de salida, con lo que se crea un par, cuyo sentido varía de acuerdo con la vibración y con el ángulo de torsión del tubo, que es directamente proporcional a la masa instantánea de fluido circulante figura 2.21.

Figura 2.21Medidor tipo Coriolis.

El par creado con respecto al eje R-R del tubo de la figura 2.21 es ,

4 4

2Fr rmxv rQ

M = = ω = ω siendo K, la constante de elasticidad del tubo y θ el ángulo de torsión del mismo, la fuerza de torsión del tubo que equivale al par creado respecto al eje del tubo es T=Ks

θ

. Luego como M=T resulta el flujo

másico.

r K

Q s

ω θ 4

(48)

Capítulo II Medidores de Flujo

Ingeniería en Control y Automatización 37

Así, el ángulo de torsión del tubo medido con dos sensores situados por encima y por abajo en la línea del eje, determinará el flujo. La constante Ks de

elasticidad del tubo tiene como expresión.

) 20 ( 1 ( ) º 20 ( + −

=S S x t

Ks K C kt (2.9)

Los sensores magnéticos de posición están situados en el centro del tubo y combinan dos intervalos de tiempo. Uno de movimiento hacia abajo del tubo y el otro el movimiento hacia arriba. De este modo la diferencia de las ondas se traduce en impulsos que alimentan un integrador lineal. Cuando hay flujo el integrador carga un circuito electrónico analogo o digital. La diferencia en tiempo ∆t de las señales de los sensores de posición está relacionada con θ y

con la velocidad vi del tubo en su punto medio según la siguiente ecuación.

t r vi

=

2

tanθ (2.10)

y como el ángulo θ es pequeño resulta:

t r L = 2 ω θ (2.11)

Por lo tanto la ecuación del flujo másico es:

t r

L K

Q s

m = 2 ∆

8 (2.12)

Lo que indica que el flujo solo es proporcional al intervalo de tiempo y a las constantes del tubo.Sus principales ventajas son, su salida líneal con el flujo másico, no requiere compensación por variaciones de temperatura o presión porque la medición es independiente de estas variables, además también es independiente de la densidad.

Este medidor de flujo es ideal para procesos delicados de lotes por peso, sirve para facturar líquidos o gases, es adecuado para casos de viscosidad variable, permite la medición de flujos másicos de líquidos dificiles de medir como adhesivos, nitrógeno líquido entre otros. No requiere de tramos mínimos de tubería porque la medición no depende de la velocidad del fluido o de la turbulencia se puede instalar vertical u horizontalmente.

Desventajas

• Su costo es muy alto.

• Se tiene que realizar limpieza de los tubos oscilantes en forma periodica.

(49)

Capítulo II Medidores de Flujo

2.7.2 Requisitos de instalación

[image:49.612.109.518.282.519.2]

El número de Reynolds no tiene limitaciones asociadas con el medidor de Coriolis, estos son insensibles a la distorsión del perfil de velocidades, por lo tanto no hay ningún requisito para las distancias corriente abajo o corriente arriba.El medidor debe ser instalado con el propósito de que se quedará lleno de líquido y por lo tanto el aire no puede entrar dentro a los tubos. En instalaciones higiénicas, el medidor también debe variarse completamente. La instalación más deseada esta en tubos de circulación hacia arriba verticales figura 2.22-B pero las instalaciones en líneas horizontales (figura 2.22A) son también aceptables. Instalaciones donde la circulación está en un tubo vertical hacia abajo no son recomendadas. En diseños de coriolis más nuevos la vibración de tubo normal no debe afectar el rendimiento del medidor de coriolis si es respaldado por el tubo de proceso (figura 2-22C)apropiadamente.

Figura 2.22Tipos de instalación del medidor tipo Coriolis.

2.7.3 Aplicaciones

(50)

Ingeniería en Control Automatización 39

CAPÍTULO III

METODOLOGÍA PARA LA SELECCIÓN DE

MEDIDORES DE FLUJO

(51)

Capítulo III Metodología para la Selección de Medidores de Flujo

Ingeniería en Control Automatización 40 3.1.- PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE MEDIDORES DE FLUJO

La medición de flujo es uno de los aspectos más importantes en el control de procesos; de hecho, bien puede ser la variable más comúnmente medida. Existen muchos métodos confiables y precisos para medir flujo. Algunos son aplicables solamente a líquidos, otros solamente a gases y vapores, y otros a ambos. El fluido puede ser limpio o sucio, seco o húmedo, erosivo o corrosivo, etc. Puede variar. Todos estos factores afectan la medición y deben ser tomados en cuenta en el momento de seleccionar un medidor de flujo.

Es necesario por lo tanto, conocer el principio de operación y características de funcionamiento de los diferentes medidores de flujo disponibles. Sin tal conocimiento, es difícil seleccionar el medidor más apropiado para una determinada aplicación.Las aplicaciones más habituales de este tipo de equipos en la industria consisten en:

• Medir las cantidades de gases o líquidos utilizados en un proceso dado.

• Controlar las cantidades adicionales de determinadas substancias aportadas en ciertas fases del proceso.

• Mantener una proporción dada entre dos fluidos.

• Medir el reparto de vapor en una planta, etc.

Los pasos a seguir para seleccionar un medidor de flujo volumétrico o másico son:

1.- Identificar qué tipo de flujo se va añadir, másico o volumétrico.

2.- Qué tipo de sistema se requiere.

• Presión diferencial.

• Velocidad.

• Tensión inducida.

• Másico.

3.- Bajo que condición desea seleccionar el medidor de flujo.

• Medidor recomendado por el fabricante.

• Medidor recomendado bajo ciertas condiciones de fabricante.

(52)

Capítulo III Metodología para la Selección de Medidores de Flujo

Ingeniería en Control Automatización 41 5.- Clasificar la característica del fluido de acuerdo a lo siguiente.

• Líquido limpio.

• Líquido sucio.

• Líquido con sólidos suspendidos.

• Fluidos a velocidad baja.

• Fluidos corrosivos.

• Fluidos lechosos.

• Vapor.

• Gas.

6.- Conocer el diámetro de la tubería.

7.- Se compara el diámetro de la tubería con los medidores de flujo posibles a seleccionar para realizar un análisis y determinar cuál es más adecuado.

8.- Determinar el número de Reynolds.

9.- Se analiza el número de Reynolds del proceso y comparar con los medidores de flujo ya determinados.

10.- Conocer la temperatura del proceso.

11.- Cual es la presión estática

12.- Se determina qué instrumento de medición de flujo es el más adecuado para la aplicación industrial.

13.- Termina el procedimiento.

Figure

Figura 1.1Variación de la viscosidad dinámica del agua en función de la temperatura.
Figura 2.9 Requisitos de tramo recto de tubería con válvulas, reducciones y expansiones, tubo Annubar [2]
Figura 2.22Tipos de instalación del medidor tipo Coriolis.
Figura 3.1 Metodología para la selección de medidores de flujo.
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Referencias

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