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«Patrón nacional de Flujo
volumétrico de Gas «
Lima – Perú, 20 de mayo de 2016
Carlos Ochoa – INACAL/DM, Perú
Perú, calidad que deja huella
“Patrón nacional de Flujo Volumétrico de Gas”
Contenido:
1.
Antecedentes
2.
Objetivos
3.
Desarrollo.
4.
Conclusiones y Recomendaciones.
Perú, calidad que deja huella
“Patrón nacional de Flujo Volumétrico de Gas”
1. Antecedentes
En el Perú se comercializan grandes y pequeñas cantidades de gas, los consumos de
gas son diversos y la necesidad de medición va desde consumos domésticos,
residenciales, vehiculares, industriales y los mayores corresponden a las actividades
de transferencia de custodia.
En el Perú se cuenta con más de 275 mil medidores de gas natural instalados a
nivel nacional.
Ante la necesidad de asegurar las transacciones comerciales de este producto se
han establecidos mecanismos que contribuyan a este fin, por ello se han emitido
Resoluciones dictadas por el INDECOPI y ahora el INACAL . Por ejemplo se ha
establecido con carácter de obligatoriedad los Controles Metrológicos de los
medidores de gas.
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“Patrón nacional de Flujo Volumétrico de Gas”
1. Antecedentes
Para los ensayos que corresponden a los controles metrológicos (AM y VI) de
«medidores residenciales», La DM del INACAL utiliza como patrones un juego de
toberas de flujo crítico. Actualmente estos patrones son calibrados por el PTB de
Alemania.
Uno de los sistemas para la medición de flujo de gases que proporciona una
buena exactitud, más usados en el mundo es el patrón de Sistema de
Desplazamiento Positivo de Tipo Pistón (piston prover).
Institutos como el PTB (ALEMANIA), NIST (Estados Unidos), CENAM (México) entre
otros, cuenta con este patrón.
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1. Antecedentes
Por lo expuesto, es indispensable que la DM del INACAL cuente con un sistema
apropiado que permita otorgar la trazabilidad al SI en la magnitud de flujo de
gases a las mediciones de cantidad de gas en el país, asegurando así que las
calibraciones de nuestros patrones de trabajo puedan realizarse por nuestro
propio laboratorio de manera oportuna y estableciendo la trazabilidad de las
mediciones a Patrones Nacionales.
El Laboratorio de Flujo de Gases de la Dirección de Metrología ha desarrollado
como patrón un Sistema de Desplazamiento Positivo de Tipo Pistón el cual opera
en el intervalo de medición de 0,05 dm³/min a 15 dm³/min.
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2. Objetivos
Sustentar la declaración como Patrón Nacional de Flujo Volumétrico de Gas al
Sistema de Desplazamiento Positivo de Tipo Pistón, el cual opera en el intervalo
de medición comprendido entre 0,05 dm³/min a 15 dm³/min, este patrón
permitirá dar trazabilidad a las mediciones de cantidad de gas dentro de este
intervalo de medición.
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3. Desarrollo
Definición
La magnitud de flujo puede derivarse de las unidades básicas del Sistema
Internacional de unidades (SI) de esta manera se obtiene la trazabilidad a esta
magnitud de acuerdo a la definición que se use.
En nuestro caso, el Sistema de Desplazamiento Positivo de Tipo Pistón se basa en
mediciones de volumen, tiempo, presión y temperatura.
La medición de volumen es indirecta a través de la colección de pulsos y el uso de
una constante propia del sistema, denominada K.
La constante K es determinada durante la calibración del sistema. El método
empleado es el gravimétrico.
Empleando este método aseguramos la trazabilidad al Patrón de Masa.
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3. Desarrollo
Caudal
Cociente de la cantidad de fluido que pasa a través de la sección transversal de un
conducto y el tiempo necesario para que esta cantidad pase a través de esta
sección.
fluido
Sección
Transversal
t0
tf
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3. Desarrollo
Descripción del Sistema
Consta de cuatro partes:
1. Elemento Primario de Medición:
Este se encuentra conformado por:
a) Dos tubos de vidrio de borosilicato,
b) Pistones de teflón (uno por cada tubo).
c) Contrapeso del pistón.
d) Cuerda de nylon,
e) Dos poleas, una fija y una móvil.
f) Sello de mercurio.
(*) El diámetro de los pistones es ligeramente menor al diámetro interno del tubo, de
tal manera que el pistón se pueda desplazar libremente por el interior del tubo.
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3. Desarrollo
Descripción del Sistema
1. Elemento Primario de Medición:
Polea de eje
giratorio
Polea de eje
fijo
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3. Desarrollo
Descripción del Sistema
2. Sistema de medición de la posición:
La medición del desplazamiento del pistón se realiza a través de un encoder
incremental y un contador de pulsos.
El encoder es instalado en el eje de una polea solidaria a la rueda del encoder.
La cuerda de nylon trae unida en uno de sus extremos al pistón y por el otro
extremo se encuentra unida al contrapeso que balancea el pistón.
La cuerda descansa sobre la polea de eje giratorio por el lado del pistón y sobre la
polea de eje fijo por el lado del contrapeso.
El encoder detecta el ascenso del pistón a través del giro de la polea fija y envía los
pulsos al contador universal.
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3. Desarrollo
Descripción del Sistema
2. Sistema de medición de la posición:
Polea de eje
giratorio
Polea de eje
fijo
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3. Desarrollo
Descripción del Sistema
3. Sistema de alimentación:
El sistema de alimentación de gas al tubo-pistón es realizado a través de una línea
de aire comprimido almacenado en un tanque a 6 bar .
Este cilindro el aire es almacenado y atemperado a las condiciones del laboratorio,
el aire es liberado del cilindro y es acondicionado antes de ingresar al tubo de
vidrio a través de una unidad FR que realiza el filtro del agua y la regulación de la
presión, para operar a presiones cercanas a la atmosférica, esto es posible gracias
al contrapeso del pistón.
El aire contenido en el cilindro es proporcionado por un compresor. El sistema
también permite cambiar el sentido del flujo a través de un sistema de vacío
conformado por una línea compuesta por una bomba de vacío y válvulas que
permitan la regulación del caudal y la evacuación del gas.
El caudal es regulado a través de una válvula tipo aguja.
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3. Desarrollo
Descripción del Sistema
3. Sistema de alimentación:
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3. Desarrollo
Descripción del Sistema
4. Instrumentos secundarios:
Los sistemas de medición que operan con gases requieren de instrumentación
que permita medir las variables de estado para realizar la conversión de los
estados termodinámicos de las condiciones de calibración a condiciones base o
a otras condiciones de referencia que permitan comparar los caudales o
volúmenes medidos por el Patrón y el medidor bajo prueba.
Los instrumentos utilizados son sensores y transductores de temperatura y
presión.
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3. Desarrollo
Funcionamiento del sistema
El gas, después de haber pasado por la etapa de acondicionamiento,
filtro/regulador se encuentra preparado para ser utilizado en las calibraciones.
El caudal es regulado utilizando la válvula de aguja, durante la regulación del
caudal el gas circula por un bypass, el cual queda disponible por un arreglo de
válvulas existente en el sistema, culminada la regulación del caudal,
inmediatamente el gas ingresa al tubo de vidrio que contiene al pistón.
Durante la calibración se registran las presiones y temperaturas en el sistema, para
realizar las conversiones de caudal y/o volumen necesarias.
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3. Desarrollo
Funcionamiento del sistema
Con el ingreso del gas al tubo de vidrio el pistón asciende, esto es detectado por el
encoder quien envía una cantidad de pulsos proporcional al volumen de gas
desplazado por el pistón. El contrapeso del pistón permite que la presión de
operación sea cercana a la presión atmosférica.
Los pulsos son contabilizados por un contador universal quien a la vez es el
encargado de medir el tiempo de ensayo.
El conjunto encoder-Contador Universal-PC conforma un sistema de adquisición
que permite adquirir el número de pulsos enviados por el encoder, estos valores
son adquiridos registrados a través de un programa elaborado en LabView, la
información es colocada en una hoja de Excel, la cual contiene la ecuación del
modelo matemático del fenómeno a medir, flujo y demás ecuaciones utilizadas en
la calibración.
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“Patrón nacional de Flujo Volumétrico de Gas”
3. Desarrollo
Funcionamiento del sistema
Diagrama de calibración
ITEM
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
CODIGO
--V1
V2
V3
P1
--V4
P2
V5
M1
V6
V7
---
DESCRIPCION
REGULADOR DE PRESION Y SEPARADOR DE AGUA
ELECTROVALVULA
VALVULA DE BOLA
VALVULA TIPO AGUJA
MEDIDOR DE PRESION ABSOLUTA
MEDIDOR BAJO PRUEBA
VALVULA DE BOLA
MEDIDOR DE PRESION MANOMETRICA
ELECTROVALVULA
BOMBA DE VACIO
ELECTROVALVULA
VALVULA DE BOLA
MEDIDOR PATRON
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3. Desarrollo
Modelo Matemático
El modelo matemático utilizado para la determinación del mensurando,
caudal volumétrico de gas, expresado a condiciones de estándar, es
definido de la siguiente manera, deducido de [3]:
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:
3. Desarrollo
Cálculo de incertidumbre del Caudal de referencia expresado a
condiciones estándar
El modelo matemático utilizado para la determinación del mensurando,
caudal volumétrico de gas, expresado a condiciones de estándar, es
definido de la siguiente manera:
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:
3. Desarrollo
Trazabilidad
De acuerdo al Sistema Internacional de Unidades (SI) adoptado por la
Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM, por sus siglas en inglés)
las unidades del SI son: Unidades base y unidades derivadas.
Flujo es una magnitud derivada, el flujo volumétrico se encuentra
constituido por las magnitudes de volumen y tiempo.
La determinación del volumen puede ser realizada a través del método
dimensional o por el método gravimétrico, dependiendo del método
que se elija la trazabilidad puede estar referida a patrones de longitud o
masa.
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:
3. Desarrollo
Trazabilidad
El Patrón Nacional de Flujo Volumétrico de Gas tiene la trazabilidad al
Patrón de Masa y al Patrón de Tiempo. Es importante destacar que para
la medición de flujo, es requerido también las mediciones de
temperatura y presión.
Así también, el Patrón Nacional de Flujo Volumétrico de Gas tiene
también la trazabilidad al Patrón de Presión y Temperatura.
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“Cooperación Triangular Metrología en Gas Natural en América Latina”
:
3. Desarrollo
Trazabilidad
k, s, kg, kPa
Sistema de
Desplazamiento Positivo
Tipo Pistón
Toberas, medidores de área variable,
medidores tipo térmico y otros
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:
3. Desarrollo
Patrón nacional de Flujo volumétrico de Gas
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3. Desarrollo
Trazabilidad
Las unidades utilizadas para expresar comúnmente el flujo volumétrico
son:
En el SI, el flujo volumétrico es expresado de la siguiente manera: m³/s
También por razones prácticas, el flujo volumétrico puede expresarse:
dm³/min
L/min
L/h
m³/h
cm³/min
Estas unidades son reconocidas por el Comité Internacional de Pesas y
Medidas (CIPM, por sus siglas en inglés).
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.
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3. Desarrollo
Calibración del Patrón Nacional
El método utilizado es el método gravimétrico, este método asegura la
trazabilidad del Patrón Nacional de Flujo Volumétrico de Gas hacia el
Patrón de Masa, el procedimiento es conocido como desplazamiento de
agua (“water draw”), a través de este método se determina la relación
de pulsos generados por el encoder en relación a un volumen de agua
desplazado por el pistón.
De esta manera se obtiene la constante de calibración del tubo-pistón
conocida como K.
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3. Desarrollo
Resultados obtenidos
Los resultados obtenidos de la calibración de los dos conjuntos tubopistón que componen el Patrón Nacional de Flujo Volumétrico de Gas,
son:
Dc [mm]
N.S. Encoder
K [dm³/pulso]
U [%]
35
E50S8-5000-3-T-24
1,1335E-05
0,2
140
E40S6-5000-3-N-24
2,0243E-04
0,2
Dc : Diámetro interno del Cilindro
N.S.: Número de serie
K: Constante de Calibración del tubo-pistón
U: Incertidumbre expandida (relativa)
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3. Desarrollo
Validación de resultados
Para la validación del método y los resultados de nuestro sistema de
medición implementado en el laboratorio se ha elegido como artefacto
de comparación, una tobera de flujo crítico (CFV´s).
Este artefacto es reconocido como un buen patrón de transferencia, al
igual que los elementos de flujo laminar (LFE´s) son utilizados
frecuentemente en comparaciones clave de bajas presiones y bajos
caudales de gas.
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3. Desarrollo
Validación de resultados
La validación consistió en la comparación de resultados de calibración de
una tobera de flujo crítico obtenidos con el Patrón Nacional y los
obtenidos en la calibración por parte del PTB de Alemania.
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4. Conclusiones
La DM del INACAL cuenta con un sistema de medición de
caudal de alta exactitud, capaz de proporcionar la
trazabilidad de las mediciones de cantidad de gas realizadas
en el intervalo de 0,05 dm³/min a 15 dm³/min .
La calibración por el método gravimétrico otorga la
trazabilidad del Patrón Nacional de Flujo Volumétrico de
Gas hacia el Patrón de Masa.
Es una gran ventaja contar con sistema de medición propio
que pueda dar la trazabilidad a las mediciones de cantidad
de gas realizadas por otros patrones de trabajo.
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4. Conclusiones
Los resultados obtenidos en la calibración de las toberas de flujo
crítico son satisfactorios pues el valor absoluto del error
normalizado (│En│) son menores a 1.
El valor de incertidumbre obtenido en la calibración del Sistema
de Desplazamiento Positivo de Tipo Pistón, 0,2 % es aceptable,
este se encuentra dentro del intervalo de incertidumbres
obtenidas por otros Patrones Primarios de institutos metrológicos
nacionales (0,1 % a 0,5 %).
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Patrón nacional de Flujo Volumétrico de Gas
Gracias
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