Medidores de Caudal
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República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada UNEFA Ing. Giovanni Ghelfi Bachilleres: Juan Tello I. CAUDAL
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República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Defensa
Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza
Armada
UNEFA
Ing. Giovanni Ghelfi
Bachilleres:
Juan Tello I.
C.I: 19.196.680
CAUDAL
Puerto Cabello, Junio de 2013
INTRODUCCIÓN
La medida del flujo puede ser lograda introduciendo un dispositivo
en una línea de la pipa que haga ocurrir una gota de presión temporal
en ese punto. Este cambio momentáneo en la línea presión llevaría
entonces una relación directa al caudal.
La medición de flujo se utiliza en la industria y en el comercio con
dos propósitos fundamentales: la contabilidad y el control de los
procesos y operaciones, en especial los de naturaleza continua. El flujo
se define como la cantidad de líquido o gas que pasa por unidad de
tiempo en un área definida, por ejemplo una tubería. La cantidad de
fluido se puede medir en volumen o en masa.
Existen muchos métodos confiables para la medición de flujo, uno
de los más comunes es el que se basa en la medición de las caídas de
presión causadas por la inserción, en la línea de flujo, de algún
mecanismo que reduce la sección; al pasar el fluido a través de la
reducción aumenta su velocidad y su energía cinética; las placas de
orificio
La placa de orificio es uno de los dispositivos de medición más
antiguos, fue diseñado para usarse en gases, no obstante se ha aplicado
ampliamente y con gran éxito para medir el gasto de agua en tuberías.
En 1991, se reunieron ingenieros de muchos países para establecer las
características geométricas, reglas para la instalación y operación de
este dispositivo. Como resultado se obtuvo una norma internacional
válida en todo el mundo, esta es la Norma ISO 5167-1, la cual se aplica
en México.
CAUDAL
El caudal es una indicación de que tanto fluido en peso o volumen
se está moviendo, o sea es que tanta cantidad de fluido está pasando
por un determinado punto dentro de un período específico de tiempo.
Para realizar esta medición se utilizan los flujómetros.
Factores Que Afectan El Flujo De Un Fluido.
Los factores que mayormente afectan el flujo de un fluido a través
de una tubería son:
La velocidad.
La fricción del fluido en contacto con la tubería.
La viscosidad.
La densidad (gravedad específica).
La temperatura.
La presión.
Velocidad Del Fluido (V)
Un fluido en una tubería se puede mover de acuerdo a un patrón de
flujo determinado, dependiendo en alto grado, de su velocidad. Estos
patrones de flujo se conocen como “laminar” y “turbulento”. El flujo
laminar es referido, algunas veces, como un flujo viscoso que se
distingue por que las moléculas del fluido siguen trayectorias paralelas
cuando el fluido se mueve a través de la tubería, tal como se muestra en
la figura 8.1. El flujo turbulento, por otra parte, se caracteriza por
patrones erráticos debido a que la turbulencia crea remolinos que
mueven las moléculas del fluido a lo largo de trayectorias irregulares, tal
como se muestra en la figura 8.1. El término de velocidad, cuando se
aplica al flujo de fluido en tuberías se refiere a la velocidad promedio del
mismo fluido.
Se debe utilizar la velocidad promedio ya que la velocidad del fluido
varía a través de la sección transversal de la tubería.
Tipos De Flujo En Una Tubería
Fricción Del Fluido En Contacto Con La Tubería
La fricción de la tubería reduce la velocidad del fluido, por lo tanto,
se considera un factor negativo. Debido a esta fricción, la velocidad del
fluido es menor cerca de la pared que en el centro de la tubería,
mientras más lisa es la tubería, menor es el efecto de la fricción sobre la
velocidad del fluido.
La ecuación de Darcy permite calcular la pérdida por fricción en pie
de fluido.
h=( fLD )( V2
2g )Donde:
D: Diámetro de la tubería (pies).
L: Longitud de la tubería (pies).
V: Velocidad del fluido (pies/seg.).
ƒ: Factor de fricción de Fanny.
g: Constante de la gravedad (32,17 pies/seg2 ó 9,81 m./seg2).
El factor de fricción f es una función del número de Reynolds y de la
rugosidad de la tubería.
Viscosidad Del Fluido (Μ)
Otro factor que afecta la velocidad de un fluido es la viscosidad (μ).
La viscosidad es una medida cuantitativa de la tendencia del fluido a
resistir la deformación. Los fluidos que fluyen libremente tienen
viscosidades bajas; los fluidos que parecen resistir a fluir libremente
tienen viscosidades altas. La viscosidad se mide en unidades de
centipoise, (cp = grs. / cm. seg.) la cual es referida como una unidad de
viscosidad absoluta.
Otro tipo de viscosidad llamada viscosidad cinemática se expresa
en unidades de centistokes. Se obtiene dividiendo los centipoises por la
gravedad específica del fluido. Algunos medidores de flujo se calibran
para un valor de la viscosidad del fluido que pasa por el medidor. Si la
viscosidad cambia, también lo hace el factor de calibración, afectando la
exactitud de la medición.
Otros medidores de flujo, como los medidores que utilizan el
principio de diferencial, tienen limitaciones de viscosidad. Esto se debe a
que por encima de ciertos valores de viscosidad, los factores de flujo
que intervienen en la ecuación del medidor, ya no pueden ser
considerados constantes.
La viscosidad de un líquido depende principalmente de su
temperatura y en menor grado de su presión. La viscosidad de los
líquidos generalmente disminuye al aumentar la temperatura y la
viscosidad de los gases normalmente aumenta al aumentar la
temperatura. La presión tiene muy poco efecto sobre la viscosidad de
los líquidos. Su efecto sobre la viscosidad de gases solamente es
significativo a altas presiones.
Densidad Del Fluido (Gravedad Específica)
La densidad de una sustancia se define como su peso por unidad de
volumen. La densidad de los líquidos cambia considerablemente con la
temperatura, mientras que los cambios por variaciones en la presión son
despreciables. La densidad de los gases y vapores es mayormente
afectada por los cambios en la presión y la temperatura. Muchas
mediciones de flujo se realizan sobre la base de mediciones de volumen,
de modo que la densidad del fluido debe ser conocida o medida para
determinar la verdadera masa de flujo.
La gravedad específica (Sg) de un fluido es la relación de su
densidad con respecto a una densidad patrón. El patrón para líquidos es
el agua (ρ = 1 gr./cm3 a 4 °C y 1 atm). El patrón para gases es el aire (ρ
= 1,29 gr./ lt a 0°C y 1 atm). Se ha determinado que los factores de flujo
más importantes pueden ser correlacionados juntos en un factor
adimensional llamado el Número de Reynolds, el cual describe el flujo
para todas las velocidades, viscosidades y diámetros de tubería. En
general, el Número de Reynolds define la relación de la velocidad del
fluido en función de su viscosidad. El número de Reynolds se expresa a
través de la siguiente ecuación:
Re=ρVDμ
Donde:
Re : Número de Reynolds
D : Diámetro interno de la tubería
ρ: Densidad del fluido
μ : Viscosidad del fluido
A bajas velocidades o altas viscosidades, Re es bajo y el fluido fluye
en forma de suaves capas o láminas, con la velocidad más alta en el
centro de la tubería y velocidades bajas cerca de la pared de la tubería
donde las fuerzas viscosas lo retienen. Este tipo de flujo es llamado
“flujo laminar” y está representado por Números de Reynolds (Re)
menores que 2.000. Una característica significativa del flujo laminar es
la forma parabólica de su perfil de velocidad como puede verse en la
figura.
Características De La Velocidad Del Fluido
A altas velocidades o bajas viscosidades el fluido se descompone en
turbulentos remolinos con la misma velocidad promedio en toda la
tubería. En este “fluido turbulento” el perfil de velocidad tiene una forma
mucho más uniforme. El flujo turbulento está representado por Números
de Reynolds mayores que 4.000. En la zona de transición con Número de
Reynolds entre 2.000 y 4.000 el flujo puede ser laminar o turbulento.
Efectos De La Presión Y De La Temperatura Del Fluido
Los efectos de la presión y la temperatura ya han sido descritos en
el análisis que se hizo sobre la densidad y la viscosidad. El método más
común de medición de flujo, es decir, el método de diferencial de
presión, supone que tanto la presión como la temperatura permanecen
constantes. En algunas aplicaciones esta suposición es válida. En otras
es necesario hacer compensación por cambios en la presión y/o
temperatura del fluido.
Medidores De Flujo De Área Variable
Esta clase de medidores presenta una reducción de la sección de
paso del fluido, dando lugar a que el fluido aumente su velocidad, lo que
origina un aumento de su energía cinética y, por consiguiente, su
presión tiende a disminuir en una proporción equivalente, de acuerdo
con el principio de la conservación de la energía, creando una diferencia
de presión estática entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del
medidor.
El tipo de medidor de flujo de área variable es llamado así porque
se mantiene una relación entre el flujo y el área por donde este pasa. El
área del tubo es pequeña en la parte inferior y va aumentando hasta
alcanzar la mayor sección en la parte superior. Los medidores de caudal
de área variable se deben instalar verticalmente. Su principio de
funcionamiento se basa en un flotador que cambia de posición dentro de
un tubo de área variable. Estos funcionan tratando de mantener la
presión diferencial constante. Permitiendo, de esta manera, el aumento
del área eficaz de flujo con el caudal. Existen varios tipos de medidores
de área variable, pero el más utilizado es el rotámetro.
ROTÁMETRO
Un rotámetro está constituido por un tubo vertical de área interna
variable, a través del cual se mueve el flujo en sentido ascendente.
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. 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.
Principio De Operación Del Rotámetro
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.
Tipos De Rotámetros
Rotámetros de purga: para caudales muy pequeños.
Rotámetros de vidrios: indicación directa.
Rotámetros armados: no permiten la lectura directa.
Rotámetros by-bass: se emplean conectados a las tomas de una
placa orificio o diafragma.
Tipos de rotámetros y flotadores
Materiales Comunes De Los Flotadores
INSTALACIÓN DE ROTÁMETROS:
En la figura muestra el montaje básico de un rotámetro. El
rotámetro es poco sensible a inclinaciones con respecto a su eje vertical
(± 5°), así como a las configuraciones de las líneas, corriente arriba y
corriente abajo, los cuales tienen efectos pequeños en el rendimiento
del medidor. Sin embargo, se sugiere que el instrumento a calibrar se
encuentre perfectamente vertical, libre de cualquier vibración así como
también que cuente con un cilindro o tanque que contenga el fluido de
trabajo o bien que se utilice un compresor de tipo diafragma.
Las conexiones del rotámetro con la línea se sugiere que sean; lo
más cortas posible pero mayores que el diámetro de la tubería, para
evitar cualquier caída de presión apreciable. Cuando se encuentran
codos, válvulas ó otros elementos que produzcan alguna restricción del
fluido se sugiere que se encuentren a una distancia mínima de 5
diámetros del rotámetro corriente arriba y abajo. Para finalizar se coloca
una válvula de control (tipo compuerta ó aguja), para establecer los
flujos requeridos durante la calibración.
Ventajas y Desventajas
Los rotámetros presentan algunas desventajas; deben ser
montados en posición vertical, el flotador puede quedar no visible si el
líquido empleado es opaco, no debe ser utilizado para líquidos que
contengan grandes porcentajes de sólidos en suspensión y son costosos
para líquidos con altas presiones y/o altas temperaturas. Las ventajas
que presentan son; tienen una escala uniforme en todo el rango del
instrumento, la pérdida de presión es fija para todo el rango de medida,
la capacidad se puede cambiar con cierta facilidad si se reemplaza el
flotador o el tubo, pueden manejar líquidos corrosivos sin inconvenientes
y son de fácil lectura.
Rangos De Trabajo Y Precisión
Los rotámetros, son instrumentos diseñados para la medición y
control de caudales, gases y líquidos. Fabricamos caudalímetros desde 1
ml/h hasta 1000000 lts/min. La unidad de lectura vendrá especificada en
la unidad de preferencia del usuario (lts/h, g/min, mtr^3/h, scfh,
lbm/min, scfm, entre otras), es decir, lectura directa de caudal
MEDIDORES DE CAUDAL POR EL PRINCIPIO DE VELOCIDAD
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:
Q=v∗A
Donde:
Q :Tasade Flujo.
v :Velocidad del Fluido .
A : AreaTransversal de latuberia .
MEDIDOR DE TURBINA
Un medidor tipo turbina está 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. 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.
Elementos de un medidor 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 la 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.
Existen dos tipos de convertidores para captar la velocidad
la turbina:
a) Tipo reluctancia: La velocidad está determinada por el paso de las
palas individuales de la turbina a través del campo magnético, creado
por un imán permanente, esta variación cambia el flujo induciendo
una corriente alterna en la bomba captadora.
b) Tipo inductivo: El rotor lleva incorporados un imán permanente y el
campo magnético giratorio que se origina produce una corriente
alterna en una bobina captadora exterior.
TURBINA: Por reluctancia
1.- Conexión tipo brida.
2.- Cuerpo del instrumento.
3.- Sensor de rotación por reluctancia.
4.- Imán permanente.
5.- Bobina de inducción.
6.- Pala del rotor.
7.- Núcleo del rotor.
8.- Rodamiento del eje del rotor.
9.- Eje del rotor.
10.- Soporte del difusor.
11.- Difusor.
12.- Acondicionador de flujo.
Para estos dos convertidores el rotor de turbina genera la
frecuencia la cual es proporcional al caudal, siendo del orden a 250 a
1200 ciclos por segundos para caudal máximo.
PRINCIPIO DEL FUNCIONAMIENTO
Las palas de la turbina se encuentran generalmente inclinadas a
un ángulo fijo con respecto al flujo incidente y por esto experimenta
un torque que produce el giro del rotor.
El vector velocidad (v) se divide en las componentes axial y
transversal.
La velocidad tangencial del rotor será:
Donde:
r=Radio medio de las palas
ω=Velocidad angular del rotor
El caudal sería:
Q=v∗A
Donde A sería el área de descarga del rotor.
Relacionando ambas ecuaciones tendremos:
Y finalmente se obtiene la relación entre velocidad angular y el
caudal:
El segundo término son valores característicos de la geometría del
rotor y son datos proveídos por el fabricante.
El factor K del caudalímetro ya puede darse expresado en
Pulsos/volumen, donde entra en juego el número de palas que forman el
rotor:
w=2∗π∗f=n∗f
Donde n es el número de palas del rotor y coincide con el número
de pulsos que emitirá el sistema por vuelta. Entonces la velocidad
angular queda expresada en pulsos/tiempo.
Constructivamente se encuentran rotores hechos de material
ferromagnético, material inoxidable y plástico.
MATERIALES:
Para la selección del medidor se deben tomar en cuenta la siguiente
nomenclatura:
Donde V-100 representa el tipo de receptor contador
Diámetro nominal de la Tubería:
xx = 01, 02, 03,... , 36 (Pulg)
- Material de la conexión al proceso:
01 - Acero inoxidable AISI 304
02 - Acero inoxidable AISI 316
03 - Otro a especificar.
- Conexión al proceso:
A - Brida ASA 150 y niple ø 1”, SCH 10
B - Brida ASA 300 y niple de ø 1”, SCH10
C - Unión Doble serie 3000 y niple ø 1”, SCH 10
D - Unión Doble serie 3000 y niple ø 1¼”, SCH 40
E - Otra conexión (a especificar por el comprador)
- Material del eje:
A - Acero inoxidable AISI 304
B - Acero inoxidable AISI 316
C - Carburo de tungsteno
D - Otro a especificar
- Material de las palas:
01- Acero inoxidable AISI 430
02- Acero inoxidable 17- 4PH
- Material de los bujes:
A – Delrin
B – PET
C – PTFE
D - Carburo de tungsteno
- Opcionales:
01- Alimentación de 220 volts, 50Hz.
02- Tubo de medición con curva de calibración.
03- Válvula esférica de corte para inspección.
04- Salida de 4 a 20 mA.
05- Medición adicional de temperatura (–50 +150 ºC)
06- Display LCD local
Ejemplo:
Medidor Modelo V-100
Diámetro de Tuberia 6” SCH 40
Conexión con Unión Doble serie 3000 y niple ø 1”, SCH 10 AISI 304
Material del eje: AISI 304
Material de las palas: AISI 430
Material de los bujes: PTFE
Salida 4-20 mA
Display LCD local
V-100-06-C-01-A-01-C-04/06
Longitud Mínima De Tubería Rectas Aguas Arriba Del
Medidor
Ventajas:
Es el instrumento más preciso disponible para medir caudal.
Es lineal sobre un muy amplio rango de caudales.
Rápida respuesta y excelente repetitividad.
Fácil interface a sistemas de computación.
Operación sobre un muy amplio rango de temperaturas y
presiones
Desventajas:
Cualquier exceso de velocidad puede dañar sus rodamientos.
Es un instrumento delicado en comparación con otros
caudalímetros.
Es caro y su costo aumenta desmedidamente con el tamaño
de la turbina.
Requiere que el flujo a medir sea limpio y tenga propiedades
lubricantes.
Alto costo de mantenimiento.
No es utilizable en fluidos de alta viscosidad.
Requerimiento de tramos rectos aguas arriba y abajo del
medidor.
RANGOS DE TRABAJO Y PRECISIÓN:
El uso de la turbina está limitado por la viscosidad del fluido,
cuando aumenta la viscosidad, cambia la velocidad del perfil del
líquido a través de la tubería. En las paredes del tubo el fluido se
mueve más lentamente que en el centro, de modo que, las puntas de
las aspas no pueden girar a mayor velocidad. Para viscosidades
superiores a 3 o 5 centistokes se reduce el intervalo de medida del
instrumento. (1 stokes = 1 cm2/s,). Es adecuado para la medida de
caudales de gases y líquidos limpios y filtrados.
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 y Su
precisión es muy elevada, está en el orden de ±0,3%. El factor K se
representa por la ecuación:
K=60∗fQ
Donde:
f : Número de pulsos por segundo.
Q: Tasa de flujo en galones por minuto.
K: Pulsos por galón.
Típicos usos: gasoductos, oleoductos, agua potable, espirómetros,
gases condensados en sistemas criogénicos, entre otros.
MEDIDORES ULTRASÓNICOS
Hoy en día la medición de caudal en la mayoría de aplicaciones
donde las tuberías van llenas se ha convertido en una aplicación
bastante sencilla de resolver. Las dificultades empiezan cuando las
tuberías son de grandes dimensiones, tienen formas irregulares y
están parcialmente llenas. Con el desarrollo de la correlación
ultrasónica para la medición de caudal en canales abiertos o tuberías
semillenas consigue una solución exacta y económica para resolver
este tipo de aplicaciones.
Principales características de los Medidores Ultrasónicos
Ambos medidores utilizan ondas de ultrasonido.
Tiempo de Tránsito se lo utiliza para fluidos limpios, gases y
algunos pueden medir hasta vapores.
El Efecto Doppler se utiliza para fluidos que tengan impurezas
para que la señal pueda rebotar contra ellas; y para líquidos sucios o
suspensiones.
Ambas tecnologías se las utiliza para medir líquidos.
Requieren tramos rectos aguas arriba y aguas abajo.
No tienen partes móviles.
No ofrecen restricciones al pasaje de flujo, por lo tanta la
pérdida de carga es despreciable.
Tienen una precisión de 2 % aproximadamente.
Ventajas
No ocasiona pérdida de carga.
No tiene partes móviles.
No influye el diámetro de la tubería, ni en su costo, ni en su
rendimiento.
Ideal para la medición de materiales tóxicos o peligrosos.
Salida lineal con el caudal.
Su rango de medición es muy amplio.
En tuberías de gran diámetro es el más económico, y en ciertos
casos, el único.
Su instalación es muy simple y económica..
Desventajas
Su precisión no es muy alta.
Su costo es relativamente alto para tuberías de bajo diámetro.
No se pueden usar en sitios donde el aire circule con violencia o
en medios con elevada contaminación acústica.
Principales medidores:
Tubo venturi
Placa orificio
Tubo de pitot de caudales sólidos
MEDIDOR MAGNÉTICO
Se basa en la ley de inducción electromagnética de Faraday.
E=K∗B∗D∗V
Con este principio, se hace pasar un fluido conductor a través de
campo magnético producido por un conjunto de bobinas sujetas al
exterior de la tubería, generando un voltaje perpendicular al flujo y al
campo magnético.
Este voltaje es proporcional a la longitud del conductor, a la
densidad del campo magnético y la velocidad con que atraviesa el
AVQ
DBk
AEQ
KEQ
conductor este campo magnético, y como se sabe el área de la
tubería se determina el caudal en ese instante.
La tensión E, que aparece en los electrodos:Pero como Q = V x A (velocidad por área del conducto = al caudal),luego:
Para quedar finalmente como:
Características generales
Se utilizan para cualquier fluido que sea conductor
Se utiliza para fluidos espesos y contaminados
No tiene partes móviles
No provocan obstrucciones.
Amplios rangos de medida.
Miden flujos en cualquier dirección.
Respuesta rápida.
La lectura del caudal no es afectado por los cambios en la
densidad y la viscosidad del fluido
Precisión de 0.25 – 1 %
Es poco sensible a los perfiles de velocidad y exigen conductividad
de
No originan caída de presión
El medidor consta de:
Trasmisor:
Alimenta eléctricamente
(C.A. o C.C.) a las bobinas
Elimina el ruido del voltaje Inducido.
Convierte la señal a la
Adecuada a los equipos de
Indicación y control
Tubo de caudal:
El propio tubo (de material no magnético) recubierto de material
no conductor (para no cortocircuitar el voltaje inducido).
Bobinas generadoras del campo magnético
Electrodos detectores del voltaje inducido en el fluido.
Instalación típica
Asegurar que la conductividad del fluido a medir esté por encima
del nivel mínimo
Asegurar que la cañería esté llena en forma permanente, o las
lecturas serán erráticas e inexactas. Las condiciones para
asegurar el llenado de la sección incluyen las siguientes:
Presión positiva
Pendientes ascendentes
Instalación vertical
Mantener la cañería recta antes y después del medidor
Asegurar que las conexiones eléctricas y la puesta a tierra son
correctas
Entender la aplicación del medidor para elegir el conversor
apropiado
Si se requiere una configuración remota, especificar la longitud del
cable
Evitar la presencia de vibraciones importantes, porque los
componentes electrónicos del convertidor de señal pueden sufrir
daño.
Evitar grandes variaciones de temperatura.
Evitar realizar soldaduras u otras fuentes de calor extremo en las
cercanías del medidor
Es posible utilizar convertidores de señal operados por corriente
continua cuando no se dispone de corriente alterna.
Ventajas:
• Confiabilidad
• Bajo mantenimiento (Debido a la ausencia de partes móviles)
• Alto grado de exactitud, es decir, provee de un amplio rango de
medición
• No dan lugar a pérdidas de carga
• Se fabrican en una gama de tamaños superior a la de cualquier
otro tipo de medidor.
• No son seriamente afectados por perturbaciones del flujo aguas
arriba del medidor.
• La señal de salida es, habitualmente, lineal.
• Pueden utilizarse para la medida del caudal en cualquiera de las
dos direcciones.
• Dado que el parámetro censado a través de la tubería es velocidad
promedio, se aplica tanto a flujo laminar como turbulento y no
depende de la viscosidad.
• Como la tubería puede ser de cualquier material no conductor, con
lo que se le puede dar buena resistencia a la corrosión
• No son prácticamente afectados por variaciones en la densidad,
viscosidad, presión, temperatura y, dentro de ciertos límites,
conductividad eléctrica.
Desventajas:
En planta existen muchas fuentes de señales de ruido que
pueden perturbar el funcionamiento de los medidores
magnéticos de caudal.
Corrientes parásitas
Desfase debido a la señal producida por la tensión generada en
el medidor
El líquido cuyo caudal se mide tiene que tener una razonable
conductividad eléctrica
La energía disipada por las bobinas da lugar al calentamiento
local del tubo del medidor.
Si el fluido a medir produce depósitos sobre los electrodos, la
medición será errónea.
Su costo es relativamente alto.
No es utilizable en gases por la baja conductividad.
MEDIDORES DE CAUDAL POR EL PRINCIPIO DE FUERZA
MEDIDORES DE IMPACTO
Medidores de placa: reacciona frente al impacto del fluido en
una placa generalmente circular dentro de una tubería.
Medidores de caudal sólido: reacciona frente al impacto de un
material sólido pulverizado (debido a los bajos tamaños de diámetro
de partícula, el material tiende a comportase como un fluido), para
determinar el caudal que circula a través del sistema.
FUNCIONAMIENTO:
El principio de funcionamiento del medidor de placa de resistencia
al avance de la corriente consiste en que una placa generalmente
circular se mantiene en el centro de tubería por medio de una barra
normal al flujo.
Características generales:
La fuerza originada es proporcional a la energía cinética del fluido
y depende del área anular entre las paredes de la tubería y la
placa.
La placa está conectada a un transductor eléctrico de galgas
extensométricas.
Las galgas forman parte de un puente de Wheatstone de tal modo
que la variación de resistencia es una función del caudal.
El caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la fuerza de
impacto del fluido sobre la placa y por lo tanto, a la raíz cuadrada
de la señal transmitida.
La precisión en la medida es de 1%.
Permite el paso de fluidos con pequeñas cantidades de sólidos en
suspensión y puede medir caudales que van de un mínimo de 0,3
l/min hasta 40.000 l/min.
Miden la fuerza sobre una placa (generalmente un disco circular)
que se coloca en contra del flujo.
Tienen baja precisión (0.5 - 5%), pero son adecuados para fluidos
sucios, de alta viscosidad y contaminados.
Debido a la fuerza que tiene que soportar el sistema de equilibrio
de fuerzas, está limitada a tamaños de tubería hasta 100 mm.
La fuerza originada es proporcional a la energía cinética del fluido
y depende del área anular entre las paredes de la tubería y la placa.
F=CD∗ρV 2
2∗A
F = Fuerza total en la placa
ρ = Densidad del fluido
V = Velocidad del fluido
A = Área de la placa
Cd = Constante experimental
Ventajas:
Los medidores de caudal no se ven afectados por la corrosión, la
abrasión o las altas temperaturas
No precisa conexiones para la medida de la presión diferencial,
pero debido a la fuerza que tiene que soportar el sistema de
equilibrio de fuerzas, está limitada a tamaños de tubería hasta 100
mm.
Desventajas:
Tiene baja precisión (0.5 – 5%)
Perdida constante en la placa.
MEDIDOR DE PISTÓN OSCILANTE
Características Generales:
Empleado originalmente en aplicaciones domésticas para agua.
Se utiliza industrialmente en la medición de caudales de agua fría,
agua caliente, aceites y líquidos alimenticios, es decir, líquidos
viscosos o corrosivos.
Es adecuado en la medida de caudales de fluidos con partículas en
suspensión, y en las mezclas de líquidos y gases provocadas por
vaporizaciones imprevistas del líquido al bajar la presión.
La precisión es de 1 – 2 %.
El caudal máximo es de 600 l/min
Se fabrica para pequeños tamaños de tubería
La frecuencia está vinculada de modo lineal a la velocidad del
líquido y en consecuencia al caudal volumétrico (para las bajas
viscosidades).
Para Líquidos de Baja Viscosidad:
En casos que una exactitud moderada es suficiente, estos
medidores son la alternativa más económica. Aunque originalmente
limitados a su uso con productos refinados del petróleo, los modelos
ofrecidos hoy en día cubren muchas otras aplicaciones en todo tipo
de industrias
ALGUNOS TIPOS DISPONBLES:
SERIE TN700 y TN800:
Diseñados para un servicio industrial severo, están construidos en
aluminio anodinado con cámaras de medición de Ryton. Para
aplicaciones proceso con químicos agresivos se dispone de modelos
Con carcasa en Acero Inoxidable AISI316. Ideales para el control de
inventarios, estos medidores se pueden calibrar para fluidos de
cualquier viscosidad incluyendo agua, aceites lubricantes y químicos
no corrosivos. Disponibles con opción de registradores mecánicos,
electrónicos y salida de pulsos. La serie TN700 ha sido diseñada para
presiones de operación de hasta 28 bar.
Instalación: rosca NPT o bridas ANSI 150 1" y 1 1/2"
Rangos: desde 15 hasta 230 litros/min.
Exactitud: ±0,5%
Aptos: Intemperie NEMA 4x, versiones para zona Ex
MEDIDOR VORTEX
Este medidor se basa en la determinación de la frecuencia del
torbellino producido por una hélice estática situada dentro de la
tubería por donde pasa el fluido (líquido o gas). La frecuencia del
torbellino es proporcional a la velocidad del fluido.
La detección de la frecuencia se logra con sensores de presión de
cristales piezoeléctricos que detectan los picos de presión en el lado
contrario del torbellino, o con una termistancia de muy baja inercia
térmica que sigue los efectos de refrigeración del torbellino generado
en el gas, o bien mediante un condensador de capacidad variable,
función de la deformación de un diafragma (placa) ante las ondas de
presión del torbellino o bien mediante la aplicación de un haz de
ultrasonidos perpendicularmente al torbellino, midiendo el tiempo de
tránsito del haz desde el transmisor al receptor.
Tipo de materiales:
Estos medidores tienen cuerpo de aluminio con eliminador de
vapor, Ningún contacto de metal a metal dentro de la cámara
minimiza el desgaste interno y asegura la exactitud sostenida.
Rangos de trabajo:
Rangos: desde 15 hasta 230 litros/min.
Precisión: ±1% a 2%
Instalación típica:
La concepción del equipo, con solo 2 piezas móviles, los engranes
ovales le permite ser instalado en la posición más conveniente, sin la
necesidad de tramos rectos ante y post medidor.
Ventajas:
Se usan en fluidos de alta viscosidad
Se en fluidos de menos de 5µS/cm.
Desventajas:
No suelen usarse con fluidos sucios, pues esto puede
entorpecer el giro de los elementos móviles.
CAUDALIMETRO VORTEX O SWIRLMETER
Vortex:
Este medidor se basa en la determinación de la frecuencia
del torbellino producido por una hélice estática situada dentro de la
tubería por donde pasa el fluido (líquido o gas). La frecuencia del
torbellino es proporcional a la velocidad del fluido.
La detección de la frecuencia se logra con censores de presión de
cristales piezoeléctricos que detectan los picos de presión en el lado
contrario del torbellino, o con una termistancia de muy baja inercia
térmica que sigue los efectos de refrigeración del torbellino generado
en el gas, o bien mediante un condensador de capacidad variable,
función de la deformación de un diafragma (placa) ante las ondas de
presión del torbellino o bien mediante la aplicación de un haz de
ultrasonidos perpendicularmente al torbellino, midiendo el tiempo de
tránsito del haz desde el transmisor al receptor.
(Figura del Medidor de Vortex)
Características generales:
La introducción de un cuerpo romo en la corriente de un fluido
provoca un fenómeno de la mecánica de fluidos conocido como
vértice o torbellino (efecto de Van Karman)
Los vértices son áreas de movimiento circular con alta
velocidad local.
La frecuencia de aparición de los vértices es proporcional a la
velocidad del fluido.
Los vértices causan áreas de presión fluctuante que se
detectan con censores
Para poder usar este medidor es necesario que el fluido tenga
un valor mínimo de numero de Reynolds:
Re=ρ∗V∗∅
μ
indicado para gases y liquidas limpios.
MEDIDORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
Se estima que actualmente, al menos un 75% de los medidores
industriales en uso son dispositivos de presión diferencial, siendo el más
popular la placa de orificio.
Se sabe que cualquier restricción de fluido produce una caída de
presión después de esta, lo cual crea una diferencia de presión antes y
después de la restricción. Esta diferencia de presión tiene relación con
la velocidad del fluido y se puede determinar aplicando el Teorema de
Bernoulli, y si se sabe la velocidad del fluido y el área por donde esta
pasando se puede determinar el caudal.
La ecuación de Bernoulli es una de la más útiles y famosas en la
mecánica de fluidos y su principio físico es utilizado para medir el
caudal.
El teorema de Bernoulli eestablece que la energía mecánica de un
fluido, medida por energía potencial gravitacional, la cinética y la de la
presión es constante.
P1+12ρV 2+Y=constante
ρ= densidad del flujo
Una aplicación directa del Teorema de Bernoulli se encuentra en el
tuboVenturi, el cual se detallará mas adelante.
Ventajas De Los Medidores Diferenciales
Su sencillez de construcción.
Su funcionamiento se comprende con facilidad.
No son caros, particularmente si se instalan en grandes tuberías y
se comparan con otros medidores.
Pueden utilizarse para la mayoría de los fluidos, y
Hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usos.
Desventajas
La amplitud del campo de medida es menor que para la mayoría
de los otros tipos de medidores.
Pueden producir pérdidas de carga significativas.
La señal de salida no es lineal con el caudal.
Deben respetarse unos tramos rectos de tubería aguas arriba y
aguas abajo del medidor que, según el trazado de la tubería y los
accesorios existentes, pueden ser grandes.
Pueden producirse efectos de envejecimiento, es decir,
acumulación de depósitos o la erosión de las aristas vivas.
La precisión suele ser menor que la de medidores más modernos,
especialmente si, como es habitual, el medidor se entrega sin calibrar.
PRINCIPALES TIPOS DE MEDIDORES DE PRESIÓN
DIFERENCIAL
TUBO VENTURI
Este consta en sus extremos de dos entradas en las cuales existe
una boquilla, el fluido pasa por la boquilla, generalmente se hace de una
sola pieza fundida y tiene específicamente los siguientes elementos:
Una sección aguas arriba, de igual diámetro que la tubería y
provista de un anillo de bronce con una serie de aberturas piezométricas
para medir la presión estática en esa sección.
Una sección cónica convergente; una garganta cilíndrica provista
también de un anillo piezométrico de bronce.
Una sección cónica con una divergencia gradual hasta alcanzar el
diámetro original de la tubería. Los anillos piezométricos se conectan a
uno y otro extremo, respectivamente, de un manómetro diferencial.
El tamaño del tubo de Venturi se especifica mediante el diámetro
de la tubería en la cual se va a utilizar y el diámetro de la garganta; por
ejemplo, un tubo de Venturi de 6" x 4" se ajusta a una tubería de 6" y
tiene una garganta de 4" de diámetro.
Para que se obtengan resultados precisos, el tubo de Venturi debe
estar precedido por una longitud de al menos 10 veces el diámetro de la
tubería.
Al escurrir el fluido de la tubería a la garganta, la velocidad
aumenta notablemente y, en consecuencia, la presión disminuye; el
gasto transportado por la tubería en el caso de un flujo incompresible,
está en función de la lectura en el manómetro.
Aplicación de Bernoulli a un Tubo Venturi
Con frecuencia en los tubos de Venturi como el que se muestra en
la figura Nº1, se emplea como se ha señalado para medir la velocidad o
el caudal en una tubería. Si se combinan las ecuaciones de continuidad
(V1A1 = V2A2) y la de Bernoulli para encontrar la velocidad en la
garganta, se tiene que:
V garganta=√ 2 (P1−P2)
ρ [1−( dD )4 ]
La medición de los diámetros y las dos presiones permite
determinar la velocidad y, con ésta y el diámetro de la garganta, el
caudal másico. La velocidad y el caudal másico medido son algo
imprecisos debido a pequeños efectos de fricción, los cuales se omiten
en la ecuación de Bernoulli. Para tomar en cuenta tales efectos, en la
práctica se introduce un coeficiente multiplicativo, Cu, que ajusta el valor
teórico. Esto es:
V garganta=Cu√ 2 (P1−P2 )
ρ[1−( dD )4]
Donde el valor de Cu se encuentra experimentalmente.
El tubo Venturi tiene distintas aplicaciones, se utiliza en los motores
como parte importante de los carburadores, se utiliza en sistemas de
propulsión.
Otras características:
Se utiliza cuando es importante limitar la caída de presión.
Consiste en un estrechamiento gradual cónico y una descarga
con salida también suave.
Se usa para fluidos sucios y ligeramente contaminados.
Algunos Modelos De Tubos Venturi:
TOBERAS
La tobera presenta una entrada curvada que se prolonga en un cuello cilíndrico, siendo el coeficiente de descarga similar al del tubo Venturi. Sin embargo, la caída de presión es del mismo orden que en la placa de orificio, para el mismo caudal y con el mismo tamaño de tubería. En este medidor se dispone de una toma de presión anterior y otra posterior, de manera que se puede medir la presión diferencial. La tobera permite caudales muy superiores a los que permite el diafragma (del orden de 60% superiores). Se utilizan en el caso de tuberías con diámetros mayores de 30cm.
