TEMA 3 REGULACIÓN SENSORES DE CAUDAL

TEMA 3 REGULACIÓN: SENSORES DE CAUDAL
El Caudal se define como el volumen o la masa que circula por un tiempo determinado:
Unidades del SI:
-Másico: kg/s
-Volumétrico: m³/s
•Clasificación de sensores de caudal:
Instrumento que sirve para determinar el caudal de un fluido (l, g) que circula a través de una tubería.
Es importante porque permite controlar los flujos de carga:
● De las unidades de producción.
● Depósito de almacenaje.
Los fabricantes ofrecen multitud de instrumentos la elección más adecuada debe garantizar:
● Condiciones de seguridad.
● Eficiencia de la instalación.
● Calidad de la medida.
ÍNDICE:
Medida del caudal volumétrico:
(Deprimógenos)
● Placa orificio
● Venturímetro
● Tobera
● Tubo Pitot
● Tubo Annubar
(De área variable)
● Rotámetro
(Proporcionar a la velocidad)
● Ultrasonidos
● Electromagnético
● Vórtex
● Turbina
(Desplazamiento positivo)
● De engranajes
● De disco plano
Medida de caudal másico:
● Térmico
● Coriolis
CAUDALÍMETROS VOLUMÉTRICOS:
•Deprimógenos:
El flujo de un fluido aumenta su velocidad y disminuye su presión circulando a través de una
estrangulación.
La diferencia de la presión antes y después del estrechamiento es proporcional al caudal de fluido que
circula.
Se basan en el principio de Bernoulli.
Un fluido ideal (densidad constante y viscosidad = 0) en movimiento en el interior de un sistema
cerrado (tubería), tiene una energía constante en todo su recorrido.
La energía en todo momento es la suma de 3 componentes:
● Cinética:
Debido a la velocidad.
● Potencial:
Debido a la altitud.
● De flujo:
Debido a la presión.
La ecuación que lo une todo:
Donde:
v: velocidad del fluido;
p: densidad del fluido;
g: aceleración de gravitación;
z: altura con respecto a un punto de referencia;
P: presión del fluido.
Después del estrangulamiento (manteniendo la altura constante) la presión aumentará debido a la
disminución de la velocidad, al aumentar el diámetro de la conducción.
La presión no llegará a ser igual a la que tenía antes de la restricción debido a las pérdidas de cargas
(por rozamiento).
(Placa orificio):
También llamado diafragma.
Placa metálica (generalmente acero) a la que se le practica un orificio. La arista debe ser aguda para
conseguir precisión en la medida de caudal.
La toma de presión se hace en la pared de la tubería, a los dos lados de la placa y el montaje se realiza
entre las bridas de un tramo recto.
En función de las características del fluido, el orificio está situado:
·Concéntrico: (g, l) limpios y de baja velocidad.
El gas arrastra pequeñas gotas de líquido y el líquido arrastra pequeñas burbujas del gas.
Orificio de drenaje o venteo para los modelos concéntricos, excéntricos (no está en el centro) y
segmentados.
·Excéntrico: Líquido con cantidad considerable de gas y el gas con cantidades de condensados. Orificio
arriba o abajo.
·Segmentados:
Líquido o gas que contienen muchos sólidos, evitan la sedimentación de sólidos en la entrada.
Es uno de los más usados debido a su bajo coste, facilidad de instalación y mantenimiento.
Tienen una precisión de ±1 al ±2%
·Inconvenientes:
● Grandes pérdidas de presión que se producen porque la obstrucción se realiza de
forma brusca.
(Tobera):
Evolución de la placa orificio que permite una reducción de las pérdidas de carga y una disminución de
la sedimentación de suciedad.
El instrumento es un tubo corto cuyo diámetro disminuye de forma gradual.
Se sitúa en el interior de la tubería.
Las tomas de presión se realizan en la pared de la tubería, una antes y otra después del centro de la
sección más pequeña.
(Tubo Venturi):
Se inserta en la tubería como si fuera parte de ella. La conexión se hace mediante bridas.
Formado por 3 partes:
·Tubo corto y recto, de D menor que la tubería (garganta)
·Tramo cónico convergente de 21º (ángulo) (para evitar cavitación)
·Tramo cónico divergente (descarga). Con un rango de 7-15º (ángulo) (para minimizar las pérdidas
por fricción)
El fluido entra por el cono convergente con una presión1 (se mide antes del estrechamiento),
experimenta un aumento de velocidad y una disminución de presión2 (se mide en la garganta)
Precisión de +-0.75% del alcance.
·Ventajas:
● Permite medir caudales de un 60% mayor que los de la placa orificio y con pérdidas
de carga menores.
● Apto para medir líquido con alto % de sólidos en suspensión.
·Inconvenientes:
● Coste 20 veces superior al del diafragma.
● Peso y dimensiones mayor que placas orificios y toberas.
(Tubo Pitot):
Se usa para determinar la velocidad del fluido en un punto de la conducción.
Multiplicando ese valor por la sección de la tubería calculamos el caudal.
Formado por dos tubos. Uno de ellos con un orificio de entrada enfrentado al movimiento del fluido,
captando la presión total.
Presión total = suma de la presión estática (del fluido en reposo) + presión debida a la energía cinética
(fluido en movimiento).
El otro tubo capta únicamente de la presión estática, mediante un orificio en la pared.
·Ventajas y características:
● Pérdidas de carga pequeñas
● Empleado para medir grandes caudales
● Son usados fluidos limpios
● De bajo coste.
● Con una precisión del 1.5-4%.
·Desventajas:
Facilidad para obstruirse, se mide la velocidad a varias distancias desde el centro de la tubería (máxima
velocidad en el centro de la tubería y mínima en la proximidad de las paredes).
(Tubo Annubar):
Variante del tubo Pitot, mide la velocidad media a lo largo de la tubería. Formado por dos tubos situados
a lo largo de la sección transversal del tubo.
El primer tubo mide la presión total mediante una serie de tomas que se unen en el interior del tubo. El
segundo tubo mide la presión estática con una abertura situada en dirección contraria al flujo.
·Características y ventajas:
● Tienen una precisión mejor que la del tubo Pitot +-1-3%.
● Tienen pérdidas de cargas pequeñas.
● Determinan caudales pequeños y grandes y pasan a través de ellos fluidos limpios.
DE ÁREA VARIABLE
(Rotámetro):
Mide líquido y gases, se basa en la medida del desplazamiento vertical de un flotador en el interior de un
tubo troncocónico vertical con una boca de menor diámetro en la parte inferior.
Se basa en el principio de área variable, el fluido desplaza verticalmente el flotador por el interior del
tubo incrementando el área de paso del fluido.
La posición del flotador viene determinada por un equilibrio entre 3 fuerzas:
•Fuerza ejercida por el fluido. Ascendente.
•Empuje debido al principio de Arquímedes. Ascendente.
•Fuerza de la gravedad. Descendente.
Escala graduada en el exterior del tubo que nos indica el caudal.
Formas de los flotadores:
•Esféricos:
Para caudales pequeños con poca precisión.
•Cilíndricos con borde plano:
Para caudales medios y elevados.
•Cilíndrico con borde saliente:
Para fluidos viscosos, permite reducir la influencia de la viscosidad.
•Cilíndrico borde saliente contraflujo:
Presenta menor influencia de la viscosidad del fluido.
Los dos primeros son los más usados, la lectura se realiza sobre el diámetro de mayor tamaño del
flotador.
·Ventajas:
● Escala casi lineal.
● Resistente a fluidos corrosivos.
● No necesita tramos grandes de tubería recta para su instalación.
·Desventajas:
● Depende de la T°.
● Depende de la viscosidad del fluido.
● No apto para fluidos con sólidos en suspensión (debido a que puede atascar el trayecto y
recorrido del flotador).
PROPORCIONAL A LA VELOCIDAD
Permite a partir de la determinación de la velocidad del fluido calcular el caudal que circula por la
conducción.
(Ultrasonido):
Formado por dos transductores de ultrasonidos, que actúan simultáneamente de emisor y receptor y
están situados unas aguas arribas de otras posiciones.
El transductor 1 envía una señal de ultrasonido al transductor 2, que recibe al cabo de un tiempo siendo
el tiempo (t1).
El transductor 2 envía una señal idéntica al transductor 1 al cabo de un tiempo 2 (t2).
t1 y t2: tiempos de tránsito. La diferencia entre ambos depende de la velocidad del fluido.
Cuando la diferencia es 0, no circula el fluido.
No es lo mismo moverse a favor que en contra de la corriente, por lo que un transductor se orienta a
favor y otro en contra de la corriente.
Es necesario conocer la velocidad de propagación de la onda ultrasónica en el fluido.
Con fluidos homogéneos la medida es independiente de la Tº, viscosidad, conductividad y P. Se puede
usar en un amplio rango de diámetros de tuberías.
Los transductores pueden estar en el interior o en el exterior de la tubería.
El exterior ideal para líquidos corrosivos o muy altas P. La tubería debe ser de un material conductor
para los ultrasonidos.
Los sensores junto al transductor interior tienen mayor precisión (se necesita que la tubería esté
totalmente llena). El líquido no debe contener más de un 1% de gas.
(Vórtex):
La intrusión de un cuerpo de cara plana en la corriente de un fluido provoca un fenómeno conocido
como vortex (remolinos).
El fluido a baja velocidad sigue el contorno del cuerpo plano. El fluido a alta velocidad el líquido se
separa y genera remolino o vórtices.
Aparecen a un lado y a otro del cuerpo alternativamente. Circulando en sentido a favor y en contra de
las agujas del reloj.
Frecuencia de los remolinos proporcional a la velocidad del fluido y por lo tanto al caudal. Las pérdidas
de carga son despreciables.
·Características:
● Se usa con sólidos, líquidos y gases.
● Medida independiente de la temperatura, presión y viscosidad.
● No tiene partes móviles, facilita su instalación y mantenimiento.
● Las vibraciones de equipos cercanos pueden afectar la medida.
(Electromagnético):
La ley de inducción de Faraday afirma que al moverse un conductor a través de un campo magnético se
genera una tensión eléctrica, perpendicular a un vector normal del campo electromagnético,
proporcional a la velocidad del conductor.
La ley de Faraday viene de:
E: Tensión generada en el conductor; B: Bobina que genera el campo magnético; K: cte de
proporcionalidad; l: longitud; v: velocidad del conductor
En este medidor, el conductor que se desplaza es el fluido y la energía es la señal generada.
La tensión se capta entre dos electrodos situados en la superficie interna de la tubería, enfrentados. El
campo se crea mediante una bobina.
Necesario compensar el efecto de la Tº y conductividad sobre el voltaje. Sólo se puede usar con fluidos
con una conductividad mínima.
·Características y ventajas:
● La medida es independiente de la viscosidad y densidad.
● Apto para medir fluidos corrosivos y fangosos.
● La tubería tiene que estar llena para que la medida sea correcta.
● Ausente de partes móviles (facilita mantenimiento).
● No hay pérdidas de carga.
● No son adecuados para tuberías grandes por su coste.
● Tienen una precisión del 0.1%.
(Turbina):
El fluido entra en el sensor y hace girar un rotor de múltiples aspas, montado perpendicularmente al
movimiento del fluido, a una velocidad proporcional al fluido y por lo tanto el caudal.
La velocidad de rotación mediante un detector magnético formado por un imán permanente y una
bobina.
El paso de los álabes del rotor por el detector interrumpe el campo magnético (imán), produciendo
tensión en la bobina. Frecuencia (hercios) con la que se genera la tensión proporcional a la velocidad del
fluido.
-Características:
● Líquidos y gases de baja viscosidad y son conducidos a bajas velocidades.
● Precisión elevada +-3%
DESPLAZAMIENTO POSITIVO:
Cuenta el nº de volúmenes que llena una cámara de volumen constante.
Todos tienen 3 partes:
● Cámara:
Llena de un volumen constante del fluido.
● Desplazador o elemento móvil:
Mueve el fluido.
● Mecanismo indicador o registrador:
Cuenta el nº de revoluciones.
Se tiene en cuenta las siguientes características:
● El paso del fluido por el medidor hace girar los elementos móviles.
● Un detector de proximidad determina la frecuencia de rotación.
● Multiplicando por el volumen de la cámara se obtiene el caudal que circula por el medidor.
● Tiene grandes pérdidas de carga.
● No sirve para determinar pequeños caudales y tampoco para el uso de fluidos con sólidos en
suspensión.
● La precisión va a depender de los espacios entre las partes móviles y la cámara.
● Uso extendido a nivel doméstico.
(De engranajes):
Parte móvil formada por dos ruedas ovaladas o helicoidales, engranan entre sí girando excéntricamente
en el interior de la cámara.
(De disco plano):
Formado por un disco plano en el interior de la cámara. Cuando el líquido fluye el disco experimenta un
balance que se transmite a un contador mecánico. Los caudales de agua y aceite son de uso doméstico.
MEDIDA DE CAUDAL MÁSICO:
Una opción es usar sensor volumétrico ya explicado y multiplicado por la densidad (másico).
Se realiza la medida de forma directa con independencia de la Tº y la P.
Los más usados son:
(Térmicos):
Basado en el principio de transferencia de calor entre 2 cuerpos que están a diferente Tº.
Donde:
Q: Calor transferido.
m: Masa fluido.
Ce: Calor específico fluido.
Formado por 2 sensores de Tº y una fuente de caudal (exterior de la tubería, entre las sondas y aporta
un calor constante).
Fluido en reposo a Tº constante en las 2 sondas (temperatura inicial).
Cuando el fluido circula, transporta cantidad de calor hacia la segunda sonda que mide un aumento de la
Tº (temperatura final).
Esta diferencia de Tº se relaciona con un caudal.
La cantidad de calor transferido por la fuente de calor y el calor específico del fluido es constante:
● Aumento del caudal, disminución de la diferencia de la Tº.
● La disminución del caudal, aumenta la diferencia.
Para fluidos líquidos y gases (incluso a baja Presión).
● Precisión +-1%.
● Solución económica para tuberías con grandes diámetros.
● Se puede usar en tuberías rectangulares.
(Coriolis):
Basado en el efecto Coriolis. Un objeto de masa "m" que se desplaza sobre el radio de un disco que gira a
una velocidad angular constante tiende a acelerarse con respecto al disco según el sentido del
movimiento, si se aleja o acerca al eje de giro.
Formado por 1 o 2 tubos en U anclados en sus extremos y por donde circula el fluido. Dos sensores, uno
a la entrada y otro a la salida del tubo.
Miden el desplazamiento del fluido en los tubos.
El sentido del movimiento y la velocidad del fluido en el sensor de entrada será opuesto al de salida.
La rotación se reemplaza por la vibración de los tubos.
·Funcionamiento:
Cuando no circula fluido la fuerza de vibración aplicada al tubo curvado provoca un movimiento de
oscilación de la entrada y la salida que se puede representar con dos ondas de igual longitud de onda y
amplitud en fase.
Cuando circula fluido aparece un desfase de oscilación entre la entrada y la salida. El desfase es
proporcional al caudal que circula por la tubería.
Características:
● La medida es independiente de las características del fluido.
● Apto para todo tipo de fluidos en un gran rango de Tº.
● Más preciso.
Inconvenientes:
● Alto precio.
● Sensible a las vibraciones.