AUTOMATIZACIN Y CONTROL INDUSTRIALUNIVERSIDADALASPERUANAS

UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS

FACULTAD DE INGENIERAS Y AQUITECTURA

TRABAJO ACADEMICO AUTOMATIZACIN Y CONTROL INDUSTRIAL

UNIVERSIDADALASPERUANAS

AUTOMATIZACIN Y CONTROL INDUSTRIALUNIVERSIDADALASPERUANAS

Ttulo:

MEDICIN DE CAUDALES Y VOLMENES DE AGUA E INTRUMENTOS NECESARIOS DISPONIBLES EN EL MERCADO

RESUMEN

La seleccin eficaz de un medidor de caudal hoy en da nos exige un conocimiento prctico de la tecnologa del medidor, y un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medir.

En este estudio se plasmaremos los conceptos bsicos de la medida de caudal y las caractersticas de los instrumentos de medida. Entre los principales medidores que se estudian en este trabajo acadmico se citan, los medidores de presin diferencial, medidores con accionamiento mecnico, Medidores de Cabeza variables, Medidores de rea variables y para finalizar estudiaremos los tipos de sensores de caudal.Al final del estudio, se incluye una lista de referencias bibliogrficas sobre los temas tratados.Se hace referencia a diferentes tipos de medidores de caudal, pero debido a la amplitud de tipos de medidores que hay en el mercado muchos que no estn contemplados en este estudio.

OBJETO

Elaborar un documento que recopile informacin de los diferentes medidores de caudal que sirva como gua a estudiantes de Ingeniera Industrial y personas interesadas en adquirir conocimientos de estos instrumentos de medicin.

: MARCO TEORICO

1. Caudal.Es la cantidad de fluido que avanza en una unidad de tiempo. Se denomina tambin caudal volumtrico o ndice de flujo fluido, y que puede ser expresado en masa o en volumenLos equipos para la medida de caudal constituyen la parte ms importante de la instrumentacin. El valor de un caudal se determina generalmente midiendo la velocidad del fluido que por una conduccin de una seccin determinada. Mediante ste procedimiento indirecto.Lo que se mide es el caudal volumtrico Qv, que en su forma ms simple, sera:Qv = A x V

Dnde: A es la seccin transversal del tubo y V la velocidad lineal del fluido.Una medicin fiable del caudal depender pues de la medicin correcta de los valores A y V. Si, por ejemplo, aparecen burbujas en el fluido, el trmino A de la ecuacin seria artificialmente alto. De igual forma, si se mide la velocidad como el desplazamiento de un punto situado en el centro del tubo y se introduce en la ecuacin anterior, el caudal Qv calculado seria mayor que el real, debido a que V debe reflejar la velocidad media de todo el frente del fluido al paso de una seccin transversal del tubo.

2. Medicin de flujos La medicin de flujo es uno de los aspectos ms importantes en el control de procesos; de hecho, bien puede ser la variable ms comnmente medida. Existen muchos mtodos confiables y precisos para medir flujo.Algunos son aplicables solamente a lquidos, otros solamente a gases y vapores; y otros a ambos. El fluido puede ser limpio o sucio, seco o hmedo, erosivo o corrosivo. Las condiciones del proceso tales como presin, temperatura, densidad, viscosidad, etc., pueden variar. Todos estos factores afectan la medicin y deben ser tomados en cuenta en el momento de seleccionar un medidor de flujo. Es necesario por lo tanto, conocer el principio de operacin y caractersticas de funcionamiento de los diferentes medidores de flujo disponibles. Sin tal conocimiento, es difcil seleccionar el medidor ms apropiado para una determinada aplicacin.

3. FluidosSe denomina fluido a un tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre cuyas molculas hay una fuerza de atraccin dbil. Los fluidos se caracterizan por cambiar de forma sin que existan fuerzas restitutivas tendentes a recuperar la forma "original" (lo cual constituye la principal diferencia con un slido deformable). Un fluido es un conjunto de partculas que se mantienen unidas entre si por fuerzas cohesivas dbiles y/o las paredes de un recipiente; el trmino engloba a los lquidos y los gases. En el cambio de forma de un fluido la posicin que toman sus molculas vara, ante una fuerza aplicada sobre ellos, pues justamente fluyen. Los lquidos toman la forma del recipiente que los aloja, manteniendo su propio volumen, mientras que los gases carecen tanto de volumen como de forma propios. Las molculas no cohesionadas se deslizan en los lquidos, y se mueven con libertad en los gases. Los fluidos estn conformados por los lquidos y los gases, siendo los segundos mucho menos viscosos (casi fluidos ideales).

4. PresinLa presin (smbolo p)1 2 es una magnitud fsica que mide como la proyeccin de la fuerza en direccin perpendicular por unidad de superficie (esa magnitud es escalar), y sirve para caracterizar cmo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una lnea. En el Sistema Internacional la presin se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado. En el Sistema Ingls la presin se mide en libra por pulgada cuadrada (inch o psi) que es equivalente a una fuerza total de una libra actuando en una pulgada cuadrada.

P = F/A

: DESARROLLO DEL CONTENIDO

1. Medidores de Caudal

Estos dispositivos son instalados en Tuberas, nos permite medir el flujo volumtrico o el caudal que fluye por estas, siendo estos parmetros de mucha importancia para los procesos de transporte de fluidos.

La mayor parte de medidores de caudal se basa en el cambio del rea de flujo, provocando un cambio de presin que se relaciona con el caudal basndose en la ecuacin de Bernoulli.

2. Tipos de medidores de caudal

2.1. ToberasLa abertura de la tobera es una restriccin elptica, es un dispositivo con una entrada perfilada por una garganta cilndrica. La toma de alta presin se realiza en la pared de la tubera y suele estas a la mitad del dimetro de la placa. Con este dispositivo se pueden medir caudales superiores a 60% a lo que mide una placa de orificio o diafragma.Su instalacin es simple, se monta sobre las bridas de la Tubera

Ventajas: Gran exactitud, del orden 0.9 a 1.5 %. El mantenimiento que se requiere es mnimo. Para un mismo diferencial de presin, el flujo que pasa es 1.3 veces mayor que el pasara por una placa de orificio.

Desventajas: Alto costo De 8 a 16 veces mayor que el medidor tipo placa de orificio. Su instalacin es ms complicada que la de una placa de orificio.

2.2. Tubos Pitot.Es utilizado para la medicin del caudal, est constituido por dos tubos que detectan la presin en dos puntos distintos de la tubera. Pueden montarse por separado o agrupados dentro de un alojamiento, formando un dispositivo nico. Uno de los tubos mide la presin de impacto en un punto de la vena. El otro mide nicamente la presin esttica, generalmente mediante un orificio practicado en la pared de la conduccin. Un tubo de pitot mide dos presiones simultneamente, la presin de impacto (pt) y presin esttica (ps). La unidad para medir la presin de impacto es un tubo con el extremo doblado en ngulo recto hacia la direccin del flujo. El extremo del tubo que mide presin esttica es cerrado pero tiene una pequea ranura de un lado. Los tubos se pueden montar separados o en una sola unidad.La presin diferencial medida a travs del tubo Pitot puede calcularse utilizando la ecuacin de Bernoulli, y resulta ser proporcional al cuadrado de la velocidad del fluidoCambios en los perfiles de velocidad del flujo pueden causar errores significativos. Por esta razn los tubos Pitot se utilizan se utilizan principalmente para medir presiones de gases, ya que en este caso, los cambios en la velocidad del flujo no representan un inconveniente serio. Los tubos de Pitot tienen limitada aplicacin industrial debido a que pueden obstruirse fcilmente con las partculas que pueda tener el flujo.

2.3. Tubos Annubar,Un Annubar consiste de varios tubos Pitot ubicados a travs de la caera para proveer una aproximacin al perfil de velocidad. El caudal total puede determinarse a partir de esas mltiples mediciones.El Annubar aporta cadas de presin muy bajas, fsicamente resistente y solamente pueden ser usados con lquidos claros.

2.4. CodosCuando un fluido circula por el codo de una tubera, est sujeto a una aceleracin angular.La fuerza centrfuga resultante crea una presin diferencial entre el radio interior y el radio exterior. La raz cuadrada de esta presin diferencial es proporcional al caudal, siendo la base fundamental de estos medidores de caudal.

2.5. Medidores tipo Vertederos.Se utilizan para medir caudales en canales abiertos y se encuentran en formas variadas. Estos provocan una diferencia de alturas del lquido en el canal entre la zona anterior del vertedero y su punto ms bajo. El vertedero debe formar un ngulo recto con la direccin del caudal y el canal aguas arriba debe ser recto como mnimo en una distancia de 10 veces la anchura. La diferencia de alturas debe medirse en un punto aguas arriba lo suficientemente alejado como para no ser influido por la curva de bajada de la superficie del agua y es conveniente incluso utilizar un pozo de proteccin (tubera de dimetro ligeramente mayor que el flotador) para el flotador del instrumento de medida, caso de utilizar este sistema.Los vertederos ms utilizados son los siguientes tipos:

Rectangular con contraccin lateral, simple y fcil de construir y el ms econmico. Es apto para la medida de caudales de 0 - 60 m3/h a 0 2000 m3/h.

Triangular o en V, que consiste en una placa con corte en V de vrtice dirigido hacia abajo y con cada lado igualmente inclinado respecto a la vertical. A igualdad de tamao, su campo de medida es ms amplio que el de los otros vertederos. Es capaz de medir caudales dentro del intervalo 0 30 m3/h a 0 2300 m3/h.

Cipolleti o trapezoidal con la ranura en forma de trapecio invertido. La pendiente de los lados del trapecio corrige las contracciones laterales del manto de agua y el caudal es por lo tanto proporcional a la altura de la cresta. Su campo de medida equivale al del vertedero rectangular.

El vertedero Parshall o Venturi se emplea normalmente en aquellas aplicaciones en las que un vertedero normal no es siempre adecuado tal como ocurre cuando el lquido transporta slidos o sedimentos en cantidad excesiva, o bien cuando no existe altura de presin suficiente, o bien cuando no es posible construir un tramo recto de longitud suficiente (un mnimo de 10 veces la anchura del canal). Puede utilizarse para caudales superiores a 0 30 m3/h.

2.6. Medidores Caudal Tipo Turbina.Consiste en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre en el rotor; la diferencia de presiones debida al cambio de rea entre el rotor y el cono posterior ejerce una fuerza igual y opuesta. De este modo el rotor est equilibrado hidrodinmicamente y gira entre los conos anterior y posterior sin necesidad de utilizar rodamientos axiales evitando as un rozamiento que necesariamente se producira.Existen dos tipos de convertidores para captar la velocidad de la turbina. En el de reluctancia la velocidad viene determinada por el paso de las palas individuales de la turbina a travs del campo magntico creado por un imn permanente montado en una bobina captadora exterior. El paso de cada pala vara varia la reluctancia del circuito magntico. Esta variacin cambia el flujo induciendo en la bobina captadora una corriente alterna que, por lo tanto es proporcional al giro de la turbina.En el tubo inductivo el rotor lleva incorporado un imn permanente y el campo magntico giratorio que se origina induce una corriente alterna en una bobina captadora exterior. En ambos casos, la frecuencia que genera el rotor de turbina es proporcional al caudal siendo del orden de 250 a 1200 ciclos por segundo para el caudal mximo. La precisin es muy elevada, del orden del 0,3%. La mxima precisin se consigue con un rgimen laminar instalando el instrumento en una tubera recta de longitudes mnimas 15 dimetros aguas arriba y 6 dimetros aguas abajo. El instrumento es adecuado para medida de caudales de lquidos limpios o filtrados. Debe instalarse de tal modo que no se vace cuando cesa el caudal ya que el choque del agua a alta velocidad contra el medidor vaco lo daara seriamente. La sobre velocidad por exceso de caudal puede ser tambin perjudicial para el instrumento. La frecuencia generada por el medidor de turbina se transmite a un convertidor indicador o totalizador.

2.7. Sonda Ultrasnica.Miden el caudal por diferencia de velocidades del sonido al propagarse ste en el sentido del flujo y en el sentido contrario. Los sensores estn situados en una tubera de la que se conocen el rea y el perfil de velocidades. Los principios de funcionamiento de estos instrumentos son variados, como:

Desviacin de haz de sonido emitido por un transmisor perpendicular a la tubera, el cual se utiliza para lquidos limpios.

Mtodo Doppler. Se proyectan ondas snicas a lo largo del flujo del fluido y se mide el corrimiento de frecuencia que experimenta la seal de retorno al reflejarse el sonido en partculas contenidas en el fluido. El mtodo viene limitado por la necesidad de la presencia de partculas, pero permite medir algunos caudales de fluidos difciles tales como mezclas gas-lquido, fangos, etc.

2.8. Medidores de placa.Una placa circular se mantiene en el centro de la tubera por medio de una barra normal al flujo. Teniendo en cuenta que la aceleracin del fluido en el espacio anular entre la placa y la tubera crea una presin reducida sobre la cara aguas abajo de la placa, la fuerza ejercida por el fluido sobre la placa ser la diferencia entre las presiones sobre las superficies aguas arriba y aguas abajo de la placa, la cual tiende a mover la placa en la direccin del flujo. A esta fuerza se opone un par antagonista producido por la articulacin, y el movimiento es detectado por un elemento secundario, es decir, un transmisor neumtico de equilibrio de fuerzas o un transductor elctrico de galgas extensomtricas, situado al final de la barra soporte. La seal del dispositivo de equilibrio de fuerzas es proporcional a la fuerza sobre la placa, y por tanto proporcional al cuadrado del caudal.Presenta la ventaja de no precisar conexiones para la medida de la presin diferencial, pero debido a la fuerza que tiene que soportar el sistema de equilibrio de fuerzas, est limitada a tamaos de tubera hasta 100 mm.

2.9. Medidores Magnticos.El principio de funcionamiento se basa en la Ley de induccin electromagntica de Faraday. Un campo magntico perpendicular al caudal de medicin crea una excitacin en dos bobinas ubicadas paralelamente por fuera de la caera. Al pasar el flujo por el campo magntico creado por las bobinas, se induce una f.e.m. la cual es proporcional a la velocidad del flujo y por consiguiente al caudal.La conductividad del fluido es la nica caracterstica propia del lquido que puede limitar el empleoEl sistema electrnico utilizado en el elemento y en el receptor permite medir caudales de lquidos que tengan una conductividad superior a 3 micromhos/cm. No obstante, en casos especiales puede trabajarse con valores menores, aadiendo al circuito de medida un preamplificador adicional (acondicionador de seal), alcanzndose una conductividad mnima de 3 micromhos/cm. Con electrodos planos, sin contacto con el lquido, aislados dentro de las capas del material del revestimiento y acoplados capacitivamente con el proceso, es posible medir caudales de lquidos con conductividades tan bajas como 0,05 micromhos/cm.

3. Factores para eleccin de tipo de Medidores de FluidosPara la seleccin del tipo de medidor; se debe tener presente factores como los comerciales, econmicos, para el tipo de necesidad que se tiene etc.

El tipo de medidor de flujo usado frecuentemente, depende de la naturaleza del fluido y de las condiciones del proceso bajo las cuales el fluido es medido. Cada tipo de medidor de flujo tiene beneficios y limitaciones que dependen particularmente de dicho medidor y de la aplicacin.

Rango de caudales a cubrir Precisin requerida (debe especificarse para todo el rango) Repetitividad requerida Ambiente en que se realizar la medicin Tipo de salida elctrica requerida Ambiente en que se realizar la medicin Prdida de carga aceptable Presupuesto (debe considerarse no solo el costo del instrumento) Costo de la energa necesaria para operarlo Costo de la instalacin (adaptacin de sistemas de control, paneles, etc.) Costo de mantenimiento Costo de la instrumentacin asociada Costo de mano de obra calificada Tipo de fluido a medir Velocidad de respuesta

4. Medidores de cabeza Variable

4.1. Tubos VenturiEl tubo Venturi es similar a la placa orificio, pero est diseado para eliminar la separacin de capas prximas a los bordes y por lo tanto producir arrastre. El cambio en la seccin transversal produce un cambio de presin entre la seccin convergente y la garganta, permitiendo conocer el caudal a partir de esta cada de presin. Aunque es ms caro que una placa orificio, el tubo Venturi tiene una cada de presin no recuperable mucho menor.

Cuando se utiliza un tubo de Venturi hay que tener en cuenta un fenmeno que se denomina cavitacin. Este fenmeno ocurre si la presin en alguna seccin del tubo es menor que la presin de vapor del fluido. Para este tipo particular de tubo, el riesgo de cavitacin se encuentra en la garganta del mismo, ya que aqu, al ser mnima el rea y mxima la velocidad, la presin es la menor que se puede encontrar en el tubo. Cuando ocurre la cavitacin, se generan burbujas localmente, que se trasladan a lo largo del tubo. Si estas burbujas llegan a zonas de presin ms elevada, pueden colapsar produciendo as picos de presin local con el riesgo potencial de daar la pared del tubo.

4.2. Placa de orificio.Una placa orificio es una restriccin con una abertura ms pequea que el dimetro de la caera en la que est inserta. La placa orificio tpica presenta un orificio concntrico, de bordes agudos. Debido a la menor seccin, la velocidad del fluido aumenta, causando la correspondiente disminucin de la presin. El caudal puede calcularse a partir de la medicin de la cada de presin en la placa orificio, P1-P3. La placa orificio es el sensor de caudal ms comnmente utilizado, pero presenta una presin no recuperable muy grande, debido a la turbulencia alrededor de la placa, ocasionando un alto consumo de energa.

5. Medidores de rea Variable

Los medidores de rea variable funcionan sobre la base de mantener una presin diferencial constante, permitiendo aumentar el rea eficaz de flujo con el caudal.Esta clase de medidores presenta una reduccin de la seccin de paso del fluido, dando lugar a que el fluido aumente su velocidad, lo que origina un aumento de su energa cintica y, por consiguiente, su presin tiende a disminuir en una proporcin equivalente, de acuerdo con el principio de la conservacin de la energa, creando una diferencia de presin esttica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor.

Existen varios tipos de medidores de orificio variable, pero el ms utilizado es el Rotmetro.

5.1. El Rotmetro.Tiene un flotador (indicador) que se mueve libremente dentro de un tubo vertical ligeramente cnico, con el extremo angosto hacia abajo. El fluido entra por la parte inferior del tubo y hace que el flotador suba hasta que el rea anular entre l y la pared del tubo sea tal, que la cada de presin de este estrechamiento sea lo suficientemente para equilibrar el peso del flotador. El tubo es de vidrio y lleva grabado una escala lineal, sobre la cual la posicin del flotador indica el gasto o caudal.

Tipos de flotadores: Cilndrico con borde plano: caudales mayores y mayor gama de fluidos.

Cilndrico con borde saliente de cara inclinada a favor del flujo, disminuyendo su afectacin por la viscosidad del medio.

Cilndrico con borde saliente en contra del flujo: comparable a una placa de orificio y con el menor efecto de la viscosidad

6. Tipos de Sensores de Caudal

Tipos de usos de los sensores

: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El tubo de Venturi es particularmente recomendable para lquidos con slidos en suspensin, ya que no difieren en la lectura, pero su costo es elevado en comparacin a los otros medidores de flujo.

Los medidores de flujo nos ayudan a controlar y mantener especificaciones de operacin en un proceso

Los instrumentos de medicin nos proporcionan informacin, que sirve para el control de facturacin, y para la planificacin del servicio en cuanto a volmenes de agua que deben estar disponibles para cubrir la demanda.

Para llevar a cabo mediciones adecuadas es necesario conocer las propiedades fsicas del fluido y el entendimiento de los factores que influyen en ellas.

Es posible efectuar estimaciones del caudal a partir de mediciones de la trayectoria desde tuberas horizontales o en pendiente y desde tuberas parcialmente llenas, pero los resultados en estos casos son menos confiables.

El estudiante o Ingeniero debe conocer los fundamentos bsicos y aplicaciones que se presentan, debe estar en capacidad para escoger el tipo de medidor que se adapte a las necesidades que el usuario requiere.

ANEXOS

Medidor de CoriolisLa medicin de caudal por el efecto Coriolis, tambin conocido como medicin directa o dinmica, da una seal directamente proporcional al caudal msico y casi independiente de las propiedades del producto como conductividad, presin, viscosidad o temperatura. La fuerza Coriolis aparece siempre y cuando se trata de una superposicin de movimientos rectos con movimientos giratorios. Para el uso industrial de su principio se sustituye el movimiento giratorio por una oscilacin mecnica. Dos tubos de medicin por donde pasa el producto, oscilan en su frecuencia de resonancia.El caudal msico provoca un cambio en la fase de la oscilacin entre la entrada y la salida del equipo. Este desfase es proporcional al caudal msico y crea despus de una amplificacin correspondiente la seal de salida. Las frecuencias de resonancia de los tubos de medicin dependen de la masa oscilante en los tubos y por lo tanto de la densidad del producto.

Vista Interior de Medidor de Coriolis

Medidores de flujo de masaLos medidores de flujo de masa difieren de los dems en que miden directamente el peso del flujo y no su volumen. El medidor de masa de flujo mide flujos gaseosos o lquidos, por ejemplo, expresndolos directamente en libras y, por lo tanto, no le afectan las variaciones de presin, temperatura ni densidad del fluido. La unidad completa incluye cuatro componentes bsicos: el elemento sensible a la velocidad del flujo, el mecanismo del giroscopio integrador, el registrador ciclomtrico y el accionador de contactos.

Diferencial de temperaturaLos medidores de diferencial de temperatura, tambin llamados medidores de caudal Thomas, se basan comnmente en dos principios fsicos: La elevacin de temperatura del fluido en su paso por un cuerpo caliente. La prdida de calor experimentada por un cuerpo caliente inmerso en el fluido.El funcionamiento de estos equipos consta de una fuente elctrica de alimentacin de precisin que proporciona un calor constante al punto medio del tubo por el cual circula el caudal. En puntos equidistantes de la fuente de calor se encuentran sondas de resistencia para medir la temperatura.

BIBLIOGRAFIA

http://maxventuri0.tripod.com/teoria.html

http://aguas.igme.es/igme/publica/libros2_TH/art2/pdf/teoria.pdf

http://www.docstoc.com/docs/21205401/5-Medidores-de-Flujo

https://sites.google.com/site/automatizacionycontrol4/medidas-de-caudal/medidores-de-area-variable

http://www.monografias.com/trabajos31/medidores-flujo/medidores-flujo.shtml

APENDICE

Ttulo:1RESUMEN2OBJETO3Captulo 1 : MARCO TEORICO41.Caudal.42.Medicin de flujos43.Fluidos54.Presin5Captulo 2 : DESARROLLO DEL CONTENIDO71.Medidores de Caudal72.Tipos de medidores de caudal72.1.Toberas72.2.Tubos Pitot.82.3.Tubos Annubar,92.4.Codos92.5.Medidores tipo Vertederos.102.6.Medidores Caudal Tipo Turbina.122.7.Sonda Ultrasnica.132.8.Medidores de placa.142.9.Medidores Magnticos.153.Factores para eleccin de tipo de Medidores de Fluidos164.Medidores de cabeza Variable174.1.Tubos Venturi174.2.Placa de orificio.185.Medidores de rea Variable195.1.El Rotmetro.196.Tipos de Sensores de Caudal21Captulo 3 : CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES23ANEXOS24BIBLIOGRAFIA26

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