Consiste en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL MEDIDAS DE CAUDAL PRESENTADO POR: PAULINA VÉLEZ VALENCIA SHARLIE FERNANDA ESCOBAR SERNA ANA ISABEL GIRALDO CONSTANZA ISAZA MAYA PRESENTADO A: EDWIN JHOVANY ALZATE RODRÍGUEZ ESCUELA DE QUÍMICA QUÍMICA INDUSTRIAL MAYO 2013 MEDIDAS DE CAUDAL En la industria química, gran cantidad de operaciones son llevadas a cabo con fluidos ya sean líquidos o gaseosos. Es importante el conocimiento de los caudales de dichos fluidos para el correcto funcionamiento de la planta. Existen diferentes métodos para medir el caudal dependiendo si es másico o volumétrico, entre los cuales se encuentran los siguientes: SISTEMA Medidores volumétricos Presión diferencial ELEMENTO Placa-orificio Tobera Tubo Venturi Tubo Pitot Tubo Annubar TRANSMISOR Equilibrio de fuerzas Silicio difundido Área variable Rotámetro Equilibrio de movimientos Potenciométrico Puente de impedancias Velocidad Vertedero con flotador en canales abiertos Turbina Sondas ultrasónicas Potenciométrico Piezoeléctrico Fuerza Placa de impacto Tensión inducida Medidor magnético Desplazamiento positivo Torbellino Oscilante Disco giratorio Pistón oscilante Piston alternativo Medidor rotativo: Cicloidal, birrotor, oval. Medidor paredes deformables Medidor de frecuencia de termistancia, o condensador o ultrasonidos Válvula oscilante Equilibrio de fuerzas Galgas extensométricas Convertidor potenciométrico Generador tactométrico o transductor de impulsos Transductor de resistencia Transductor de impulsos Medidores de caudal masa SISTEMA Compensación de presión y temperatura en medidores volumétricos Térmico Momento Fuerza de Coriolis Tabla 1. Transductores más importantes. [1] ELEMENTO Diferencia temperaturas en dos sondas de resistencia Medidor axial Medidor axial de doble turbina Tubo en vibración TRANSMISOR Puente de Wheatstone Convertidor de par 1. Medidores volumétricos Estos tipos de medidores determinan el caudal en volumen de fluido. En la industria, la medida de este caudal se efectúa principalmente con elementos que dan lugar a una presión diferencial al paso del fluido. 1.1. Instrumentos de presión diferencial Principio de funcionamiento El funcionamiento de los medidores de tipo diferencial se basa en la relación que existe entre la velocidad del fluido y la pérdida de presión al pasar este a través de una restricción en la tubería. La perdida de presión causada por la restricción es proporcional al cuadrado de la velocidad del fluido. La restricción, conocida como el elemento primario de medición, hace que el fluido se contraiga y como la cantidad permanece constante, la velocidad de este aumenta al pasar por la restricción. La presión estática disminuye al mismo tiempo, según la ley de la conservación de energía (Teorema de Bernoulli). Como la diferencia entre las presiones antes y después de la restricción, llamada “diferencial”, representa un índice de la velocidad del fluido, los medidores de flujo de tipo diferencial lo que hacen es medir la diferencia de presión y por medio de esta determinar la rata de flujo. Un medidor de tipo diferencial consta de dos elementos principales: el elemento primario (la restricción) y el elemento secundario (el medidor). [2] Elementos primarios Placa-orificio o diafragma [1] Como su nombre lo dice, este elemento consta de una placa con un orificio que se ubica en la tubería. La diferencia de presión es captada por dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior del caudal. Las tomas pueden ser ubicadas en diferentes posiciones a lo largo del tubo según convenga. El orificio de la placa puede ser concéntrico, excéntrico o segmetal. El primero consta de un orificio en el centro de la placa, mientras en el segundo el orificio se encuentra desplazado hacia un extremo de la placa; En el caso del segmental, el orificio no es circular sino de media circunferencia. El excéntrico y el segmental son utilizados cuando el fluido contiene pequeñas cantidades de sólidos y gases. Características principales: [2] Precisión: ± 1 a ± 2% Máxima perdida de presión (se obtiene la mayor diferencial) Más fácil de instalar Fácilmente se puede reproducir otra igual Requiere inspección periódica Es más bajo costo. Tubo Venturi [2] Consiste en un tubo construido de manera que su sección media tenga un diámetro más pequeño llamado “garganta”. La diferencia de presiones entre el cuerpo cilíndrico y la garganta produce la diferencial en la cual se basa la medición del flujo. Características principales: Mínima perdida de presión. Requiere poca inspección periódica. Permite el paso de 1.6 veces más fluido que la placa-orificio. Es más fácil de instalar. Es más costoso. Es muy difícil reproducir otro igual. Tobera Esta es una combinación de placa-orificio y tubo Venturi. Se usa principalmente para medir el flujo de sustancias arenosas que podrían desgastar muy rápido la placa-orificio por erosión. Existen dos tipos de tobera: de brinda y de soldadura. [2] La tobera permite caudales 60% superiores a la placa-orificio en las mismas condiciones de uso, sin embargo es mucho más costosa que la placa-orificio. Su precisión es del orden de ± 0.95 a ±1.5%. [1] El tubo de Pitot Está compuesto por dos tubos que se introducen en la línea que tiene su abertura enfrentada a la dirección del flujo, de manera que la presión que por esta abertura se mide es la presión estática mas la presión causada por el impacto producido por la velocidad del flujo. Presión total = Presión estática + Presión dinámica El otro tubo del conjunto tiene su abertura orientada en ángulo recto con respecto a la dirección del flujo, de manera que la presión a medir por esta abertura corresponde solamente a la presión estática (presión del fluido). El tubo Pitot es sensible a las variaciones en la distribución de velocidades en la sección de tubería, por lo tanto su uso debe realizarse para flujos laminares en tramos rectos de la tubería. Para una máxima exactitud se deben realizar varias tomas en diferentes puntos de la tubería y tomar un promedio de las velocidades. Su precisión es baja (1.5-4 %) y se emplea normalmente para la medición de grandes caudales de fluidos limpios con una baja perdida de carga, [1] estos fluidos son por lo general aire y gases en tuberías mayores de 20”, donde una platina de orificio o un tubo de Venturi resultarían demasiado grandes. La principal característica de este tubo es que no ocasiona perdida de presión del fluido. [2] Tubo Annubar Es una innovación del tubo Pitot y consta de dos tubos, el de presión total y el de presión estática. El tubo que mide la presión total está situado a lo largo de un diámetro transversal de la tubería y consta de varios orificios de posición crítica determinada por computador, que cubren cada uno la presión total en un anillo de área transversal de la tubería. Estos anillos tienen áreas iguales. En tuberías mayores que 1” se disponen en el interior del tubo otro que promedia las presiones obtenidas en los orificios. El tubo que mide la presión estática se encuentra detrás del de presión total con su orificio en el centro de la tubería y aguas debajo de la misma. El tubo Annubar es de mayor precisión que el tubo Pitot, del orden del 1%, tiene una baja perdida de carga y se emplea para la medida de pequeños o grandes caudales de líquidos y gases. Elementos secundarios Entre sus partes componentes, utilizan el funcionamiento del tubo en U vertical, la campana de Ledoux, el diafragma y el fuelle. Estas partes reciben el nombre de cuerpos del medidor y son los que efectivamente miden la presión diferencial. El complemente de cualquiera de estos cuerpos puede ser indicador o registrador, convirtiendo la señal del cuerpo medidor en las unidades deseadas. Medidor de cuerpo en U con flotador Consiste en dos cámaras de diferente diámetro. La de mayor diámetro contiene un flotador metálico sobre mercurio y recibe la alta presión del elemento primario, y la cámara de menor diámetro recibe la baja presión, por lo que reciben el nombre de cámara alta (H) y cámara baja (L). [2] Figura 1. Medidor en U vertical con flotador Cuando la presión es aplicada al medidor, el mercurio se desplaza de la cámara alta a la cámara baja, lo cual ocasiona que el flotador se dirija al fondo de la cámara. Este movimiento es transmitido a la pluma por medio del sistema de palancas, el cual mueve un eje situado dentro de una chumacera hermética; al eje va fijada la pluma. Figura 2. Chumacera hermética (A) del medidor en U vertical El recorrido de la pluma sobre toda la escala corresponde al recorrido total del flotador y este recorrido corresponde al desplazamiento de toda la cantidad de Hg contenida en las cámaras. Las dos cámaras están conectadas entre sí por medio de una U removible, la cual tiene una válvula de restricción A para amortiguar el movimiento del flotador, cuando el flujo medido presenta muchas oscilaciones. Figura 3. Conexión entre las dos cámaras. La parte inferior interna de cada cámara cuenta con una válvula de retención C, que cierra al bajar el nivel del mercurio evitando que se escape a la línea, cuando la presión diferencial sobrepasa la capacidad del instrumento. [2] Medidor por medio de diafragma Este medidor se fundamenta en el principio de balance de fuerzas. La presión diferencial aplicada provoca el movimiento de una barra de fuerza y esta es transmitida a un tornillo. El movimiento del tornillo provoca el desplazamiento de una platina que causa un cambio en la salida de señal neumática del relevador la cual es aplicada a un fuelle de retroalimentación. Figura 5. Medidor por medio de diafragma Medidor por medio de fuelles Consiste en dos cámaras que contienen cada una un fuelle que están interconectados entre si y llenados con un aceite especial. Figura 6. Medidor de cuerpo con fuelles Cuando se aplica la presión diferencial, el fuelle (7) de la cámara alta (H) se comprime haciendo que el aceite fluya hacia el fuelle (2) de la cámara baja (L). El fuelle (2) tiende a expandirse ejerciendo una fuerza sobre el resorte de capacidad (3); esta fuerza es proporcional a la presión diferencial aplicada a las cámaras y se balancea con la fuerza del resorte de capacidad (3). Mediante un pequeño diafragma (5) que sirve de sello y pivote, el movimiento del diafragma (2) se transmite a la barra (4) cuyo movimiento también es proporcional a la presión diferencial medida y se transmite a un puntero o pluma mediante palancas o articulaciones. Este medidor contiene un elemento bimetálico (6), que sirve para compensar cambios en la temperatura ambiente, ya que estos cambios sin compensar introducirían errores en la medición, por cambios en la densidad del aceite de los fuelles. Una pequeña válvula de restricción (1) sirve para amortiguar el paso del aceite entre los dos fuelles, para evitar oscilaciones del puntero o pluma cuando el flujo a medir presenta grandes fluctuaciones. [2] Integradores En ocasiones, desde el punto de vista de contabilización de caudales para propósitos de facturación o de balance energético de la planta, interesa integrar el caudal de un grafico, lo cual es posible con integradores mecánicos, neumáticos o electrónicos. [1] Integradores mecánicos: Cuentan automáticamente el producto (caudal instantáneo x tiempo) mediante una leva que gira a velocidad constante sobre la que se apoya una palanca cuya posición depende del caudal instantáneo. El tiempo de contacto entre la palanca y la leva hace actuar un contador mecánico o eléctrico. Integradores neumáticos: Consisten en una turbina alimentada por un chorro de aire que depende del valor de la señal neumática del transmisor de presión diferencial. El giro de la turbina hace avanzar un contador que integra el caudal. Integradores electrónicos: Disponen de una leva situada entre las bobinas de un oscilador y excita un relé electrónico detector cuando entra dentro del campo del oscilador. El relé electrónico excita a su vez el contador del instrumento. 1.2. Área variable (Rótatometro) Es un medidor de caudal de área variable en donde un flotador cambia de posición dentro de un tubo, el cual es proporcional al flujo del fluido. La escala de los rotatometros están grabadas en una escala de latón o de aluminio montada a lo largo del tubo o bien directamente en el tubo de vidrio, las cuales pueden ir en unidades directas de caudal o en porcentaje del 10 al 100% y en unidades de mm acompañadas de una cuerva de calibración caudal-lectura. [2] Según la aplicación los rotatometros se pueden dividir en: Purga: para caudales pequeños Indicación Directa Armados: tienen incorporados un tubo metálico debido a que hay una lectura directa del caudal, por ello requieren de indicación o transmisión, por ello hay: Indicación Magnética, Transmisión Neumática, Transductor Eléctrico 1.3. Velocidad Vertederos y Venturi Utilizados en la medición del caudal en canales abiertos, son de forma variada que provocan una diferencia de alturas del liquido en el canal entre la zona anterior del vertedero y su punto más bajo, el caudal es proporcional a la diferencia de alturas. Los vertederos son del tipo: Rectangular: de contracción lateral, mide caudales de 0-60 m3/h a 0-2000 m3/h Triangular o en V: tiene una placa con corte en V dirigido hacia abajo, mide caudales de 0-30 m3/h a 0-2300 m3/h Cipolleti o Trapezoidal: posee una ranura en forma de trapecio invertido, el caudal es proporcional a la altura de la cresta. Parshall: Forma al tubo de Venturi, consiste en paredes verticales y con el suelo inclinado en la estrangulación. [2] Turbinas Consiste en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. Existen dos tipos de convertidores para captar la velocidad del fluido, que corresponden a la Reluctancia donde se genera una señal proporcional al giro de la turbina dada por el campo magnético generado por un imán permanente presente y tipo inductivo que tiene un funcionamiento parecido al anterior pero se genera una corriente alterna en una bomba captadora exterior. Los caudales obtenidos son del orden de 250 a 1200 ciclos por segundo. [2] Transductores ultrasónicos Miden el caudal por diferencia de velocidades del sonido al propagarse este en el sentido del flujo del fluido y en el sentido contrario. Se ubican los sensores en la tubería donde se conoce el área y el perfil de velocidades. También se puede medir la diferencia de frecuencias entre las ondas del sonido que recorren el fluido en ambos sentidos. Los métodos utilizados para esta medición son: Desviación de haz de sonido emitido por un transmisor perpendicularmente a la tubería Metodo Doppler donde se proyectan ondas sónicas a lo largo del flujo del fluido y se mide el corrimiento de frecuencias que experimenta la señal de retorno al reflejarse el sonido en partículas contenidas en e fluido. Se utilizan transductores pizoelectricos para la emisión y recepción de las ondas ultrasónicas.[2] 1.4. Fuerza Medidor de Placa Es una placa instalada directamente en el centro de la tubería y sometida al empuje del fluido, esta 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 trasmisor neumático de equilibrio de fuerzas o bien a un transductor eléctrico de galgas extensometricas, las cuales hacen parte de un puente de Wheatstone de tal modo que la variación de la resistencia es una función del caudal. [2] 1.5. Tensión inducida Medidor Magnético de Caudal El medidor magnético de caudal funciona según la ley de Faraday que establece que la tensión inducida a través de cualquier conductor, al moverse este perpendicularmente a través de un campo magnético, es proporcional a la velocidad del conductor. En el medidor magnético de caudal, el conductor es el líquido que genera una señal la cual es captada por dos electrodos rasantes con la superficie interior del tubo y diametralmente opuestos, la única zona del liquido en movimiento que contribuye a la f.e.m es la que se une en línea recta a los dos electrodos. Cuando el liquido conductor atraviesa un tubo de diámetro (D) con una densidad del campo magnético (B) generada por las turbinas, la cantidad de voltaje (E) desarrollada a través de los electrodos será proporcional a la velocidad del liquido. [2] 1.6. Desplazamiento positivo Los medidores de desplazamiento positivo miden el caudal en volumen contando o integrando volúmenes separados del líquido, las partes mecánicas del instrumento se mueven aprovechando la energía del fluido y dan lugar a una pérdida de carga. Existen 5 tipos básicos de medidores:[2] Disco oscilante. Pistón oscilante. Pistón alternativo. Rotativos. Diafragma. Medidor de disco oscilante El instrumento dispone de una cámara circular con un disco plano móvil dotado de una ranura en la que esta intercalada una placa fija, esta placa separa la entrada de la salida e impide el giro del disco durante el paso del fluido. La cara baja del disco está siempre en contacto con la parte inferior de la cámara en el lado opuesto. De este modo la cámara está dividida en compartimientos separados de volumen conocido. Cuando pasa el fluido, el disco toma un movimiento de modo que cada punto de su circunferencia exterior sube y baja alternativamente, estableciendo contacto con las paredes de la cámara desde su parte inferior a la superior. El movimiento de balanceo se transmite mediante el eje del disco a un tren de engranajes. La precisión es de más o menos 1-2% el caudal máximo es de 600 litros por minuto y se fabrica para pequeños tamaños de tubería.[2] Medidor de pistón oscilante Figura 7. Pistones Oscilantes Se compone de una cámara de medida cilíndrica con una placa divisora que separa los orificios de entrada y de salida. La única parte móvil es un pistón cilíndrico que oscila suavemente en un movimiento circular entre las dos caras planas de la cámara, y está provisto de una ranura que desliza la placa divisora fija que hace de guía del movimiento oscilante; el eje del pistón al girar, transmite su movimiento a un tren de engranajes y a un contador. El par disponible es elevado de modo que el instrumento puede accionar los accesorios mecánicos que sean necesarios. Se aplican en la medición de caudales de agua y de líquidos viscosos y corrosivos. [2] Medidor de pistón alternativo El medidor de pistón convencional es el más antiguo de los medidores de desplazamiento positivo. El instrumento se fabrica en muchas formas: de varios pistones, pistones de doble acción, válvulas rotativas, válvulas deslizantes horizontales. Este instrumento se ha empleado mucho en industria petroquímica y puede alcanzar una precisión del orden de más o menos 0.2%. Su capacidad es pequeña comparada con los tamaños de otros medidores. Su costo inicial es alto, dan una carga de perdida alta y son difíciles de reparar.[2] Medidor rotativo Este tipo de instrumento tiene válvulas rotativas que giran excéntricamente rosando con la pared de una cámara circular y transportan el líquido en forma incremental de la entrada a la salida. Se emplean mucho en industria petroquímica para la medida de crudos y de gasolina con intervalos de medida que van de unos pocos L/min de crudos viscosos. [2] Tipos de medidores rotativos: Figura 8. Diagrama de un medidor rotativo Los cicloidales: Contiene dos lóbulos de tipo Root engranados entre si que giran en direcciones opuestas manteniendo una posición relativa fija y desplazando un volumen fijo de fluido liquido o gas en cada revolución, su precisión es de más o menos 1%. Se fabrican en tamaños que van de 2 a 24 in, y con caudales líquidos de 30 a 66.500 L/min y un gas hasta 3 N m³/h.[2] El sistema birrotor: Consiste en dos rotores sin contacto mecánico entre si que giran como únicos elementos móviles en la cámara de medida. La relación de giro mutuo se mantiene gracias a un conjunto mutuo de engranajes helicoidales totalmente cerrado y sin contacto con el líquido. Los rotores están equilibrados estática y dinámicamente y se apoyan en rodamientos de bolas de acero inoxidable. Son reversibles, admiten sobre velocidades esporádicas sin recibir daño alguno, no requiere filtros, admite el paso de partículas extrañas y permite desmontar fácilmente la unidad de medida sin necesidad de desmontar el conjunto completo. De ajuste sencillo y se aplica para la medición de caudales crudos y productos petrolíferos.[2] Medidores ovales: Dispone de dos ruedas ovales que engranan entre si y tienen un movimiento de giro debido a la presión diferencial creada por el liquido. La acción del líquido va actuando alternativamente sobre cada una de las ruedas dando lugar a un giro suave de un par casi constante. La cámara de medida y las ruedas están mecanizadas con gran precisión para conseguir un desplazamiento mínimo entre las mismas, sin formación n de bolsas o espacios muertos, en la cámara de medida y barriendo completamente la misma en cada rotación, de este modo la medida es prácticamente independiente de variaciones en la densidad y viscosidad del líquido.[2] Medidor de paredes deformables El contador de paredes deformables o de membrana o de fuelle, está formado por una envoltura a presión con orificios de entrada y salida que contiene el grupo medidor formado por cuatro cámaras de medición. El funcionamiento es la siguiente figura Figura 9. Diagrama de un medidor de paredes deformables En la posición 1, el gas entra a través de orificio E pasa por A empujando la membrana hacia la derecha y extrayendo el gas que pasa por B hacia S. A continuación, la membrana derecha se desplaza hacia la izquierda, entrando gas por D y saliendo por C (posición 2).En la posición 3, el gas entra por el compartimiento de la izquierda por B desplazando la membrana a la izquierda y sale por A. En la posición 4, el gas entra en el compartimiento de la derecha por C y sale por D. Su precisión es del mas o menos 0.3%.[2] Accesorios: Los medidores de desplazamiento positivo que se han descrito pueden tener acoplados varios tipos de transductores: Transductor de impulsos por microrruptor eléctrico o neumático en el que el eje del medidor acciona un interruptor por medio de una leva. Este está conectado a un contador electromagnético de baja velocidad. Transductor de impulsos por censor magnéticos: Se utiliza un rotor con unos pequeños imanes embebidos en él y un captador magnético situado en el exterior de la caja del rotor. Al girar el rotor los pequeños imanes que contienen cortan el flujo del captador generando un tren de ondas sinodales de impulsos que es amplificado y acondicionado obteniéndose así impulsos de ondas cuadradas aptos para circuitos convertidores o integradores. Transductor de impulsos por disco ranurado: El bobinado primario L₁ genera continuamente una onda de alta frecuencia de 1 MHz. Al girar el disco ranurado por la acción del medidor del caudal, interrumpe el flujo magnético de la bobina L₁ y como resultado se forma otra onda en el arroyamiento secundario L₂. Esta onda es rectificada en el detector y enviada al acondicionador donde se obtiene una onda de salida cuadrada proporcional al régimen del caudal. Generador tacomentrico: Que genera una señal en c.c. de 0-100Mv proporcional al caudal. En su forma más sencilla consiste en un generador de c.c. con estator de imán permanente y rotor bobinado, la precisión es de 0.01% para velocidades medias. Transductor de impulsos fotoeléctricos: Consiste en una lámpara de filamento, un disco con sectores alternativamente opacos y translucidos y una fotocélula. La variación en la intensidad de la luz que se produce en la fotocélula cambia la resistencia en la tención de salida produciendo impulsos a cada paso de zona de opaca a translucida del disco. Esos impulsos son amplificados e integrados. Combinados con estos transductores se encuentran otro tipo de accesorios: 1. Convertidor de frecuencia- tensión. 2. Convertidor de frecuencia- corriente. 3. Totalizador electromecánico con reset manual. 4. Totalizador electromecánico con predeterminador para procesos discontinuos. 5. Totalizador neumático con programador para procesos discontinuos. 6. Modulo de comunicaciones. 1.7. Torbellino y vortex El medidor de caudal por torbellino se basa en la determinación de la frecuencia del torbellino producido por una hélice estática situada dentro de la tubería a cuyo través 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 terminstancia de muy baja inercia térmica que sigue los efectos de refrigeración del torbellino generando en el gas, o bien mediante un condensador de capacidad variable, función de la formación de un diafragma (placa) ante las ondas de precisión del torbellino o bien mediante la aplicación de un haz de ultrasonidos perpendicularmente al torbellino, midiendo el tiempo de transito del haz desde el transmisor al receptor. Los instrumentos vortex son parecidos al torbellino, excepto que están basados en el efecto Von Karman, donde un cuerpo en forma de cono genera alternativamente vórtices (aéreas de baja presión e inestabilidad desfasadas en 180º cuya frecuencia es directamente proporcional a la velocidad y por lo tanto al caudal.[2] 1.8. Oscilante Consiste en un pequeño orificio situado en el cuerpo medidor, que genera una presión diferencial y provoca el paso del fluido pro el área de medida. Esta contiene una válvula oscilante que perturba la circulación del fluido a medida que este flujo turbulento pasa a través de la abertura se crea una zona de baja presión detrás de la válvula, por lo que esta oscila con una frecuencia directamente proporcional al caudal. Un transductor de impulsos capta las oscilaciones de la válvula e indica el caudal. [2] 2. Medidores de caudal de masa La determinación del caudal de masa puede efectuarse a partir de una medida volumétrica compensándola para las variaciones de densidad del fluido, o bien determinar directamente el caudal masa aprovechando características medibles de la masa del fluido.[2] 2.1. Compensación de variaciones de densidad del fluido en medidores volumétricos Los liquido son incompresibles, la densidad varia por los cambios en la temperatura del fluido, si se instala un transmisor de densidad que mide estas en condiciones de servicio, bastara aplicar su salida directamente a la salida del transmisor del caudal para tener así un caudal corregido. Varios métodos pueden emplearse para compensar las variaciones de densidad según sean las condiciones de servicio y la presión que se desea en la medida: 1. Registrar la temperatura o presión, o ambas, y calcular las correcciones. 2. Compensar automáticamente el caudal solo para la variable que cambie (por ejemplo solo la temperatura). 3. Compensar automáticamente el caudal para los cambios de la densidad solo si se esperan variaciones considerables en todas las condiciones de servicio. En el caso de instrumentos electrónicos pueden utilizarse varios sistemas: 1. Una unidad compensora (multiplicador- divisor) que trabaja con un transmisor de presión diferencial, un transmisor de presión absoluta, PP/I de 4-20 miliamperios c.c. y un trasmisor de temperatura TC/I de 4 a 20 miliamperios c.c. en la puede verse las conexiones del sistema. 2. Una unidad calculadora que compensa el caudal de gas para las variaciones de temperatura y presión con correcciones manuales de peso específico y compresibilidad. Con una precisión de más o menos 0.2% 3. Una unidad calculadora que compensa el caudal de gas para las variaciones de densidades del gas con correcciones manuales del peso específico Con una precisión de más o menos 0.15% [2] 2.2. Medición directa del caudal-masa Existen 3 sistemas básicos, los instrumentos térmicos, los de momento angular y los de coriolis. En menor escala se utilizan los de presión diferencial. [2] Medidores térmicos de caudal: Se basan comúnmente en dos principios físicos: La elevación de temperatura del fluido en su paso por un cuerpo caliente y La perdida de calor experimentada por un cuerpo caliente inmerso en el fluido. El medidor de tomas consta de una fuente eléctrica de alimentación de precisión 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 zondas de resistencia para medir la temperatura cuando el fluido esta en reposo, la temperatura es idéntica en las dos zondas, cuando el fluido circula, transporta una cantidad de calor hacia el segundo elemento T2, y se presenta un diferencia de temperaturas que va aumentando progresivamente entre las dos zondas a medida que aumenta el caudal. El sistema está conectado a un sistema de Wheatstone que determina la diferencia de temperaturas y la amplifica con una señal de salida de 0-5V c.c. en 1.000 Ω de impedancia. Medidor axial de una turbina: Consiste en un rotor radial con canales de paso del fluido que gira a una velocidad constante por acoplamiento magnético con un motor sincrono comunicando al fluido un momento angular. Una turbina adyacente al rotor impulsor elimina el momento angular del fluido y recibe un par proporcional al mismo. La turbina esta frenada por un resorte y su posición angular es proporcional al par dado dando la medida del caudal masa. Este sistema de medida es sencillo comparado con otros métodos para obtener el caudal masa verdadero, pero es inexacto para caudales bajos solo puede medir caudales en un solo sentido y es incapaz de medir variaciones rápidas en el caudal. Medidor axial de doble turbina: basada en el mismo principio que de momento angular, contiene dos turbinas montadas en el mismo eje y enlazadas con un dispositivos de torsión calibrado, las palas de las turbinas son de ángulos distintos y tienden a girar a velocidades angulares distintas, pero al estar unidad a través del dispositivo de torsión, se presenta un desfase entre las mismas, un impulso por cada vuelta. El impulso de la turbina anterior abre un circuito puerta y el de la posterior se cierra. Durante el tiempo de apertura excita un oscilador y el numero de oscilaciones indica el desfase angular entre la dos turbinas. El ángulo da el valor del par, el cual a su vez es proporcional a la medida del caudal masa. Medidor de coriolis: Se basa en el teorema de coriolis matemático francés (1795-1843). La generación de la fuerza coriolis puede producirse básicamente de dos formas: a. Por inversión de las velocidades lineales del fluido mediante la desviación de un bucle en forma de omega (Ω) en estado de vibración controlada (a la frecuencia de resonancia para producir la energía requerida). La vibración del tubo, perpendicular al sentido del desplazamiento del fluido, crea una fuerza de aceleración en la tubería de entrada del fluido y una fuerza de desaceleración en la salida, con la que se genera un par cuyo sentido va variando de acuerdo con la vibración y con el ángulo de torsión del tubo, que es directamente proporcional a la masa instantánea de fluido circundante. b. Por inversión de velocidades angulares del fluido mediante un tubo recto. La medida es independiente de la temperatura, presión y densidad del fluido. Al estar el tubo libre de obstrucciones, admite la circulación de fluidos con sólidos en suspensión. La selección del material del tubo es importante, puesto que debe soportar la fatiga mecánica debida a la vibración a su frecuencia natural y la corrosión y erosión del fluido. Otros tipos de tubos empleados tienen la forma de S, Z y de Hélice. Todos estos instrumentos de caudal pueden disponer de unidades de transmisión inteligente que le permiten su fácil calibración. [2] 3. Aplicaciones y caracteristicas 3.1. El tubo de Pitot El tubo de pitot sirve pues para conocer a qué velocidad el avión choca contra el aire. Su funcionamiento se basa también en la ecuación de Bernoulli y llevan incorporados sistemas de calefacción para evitar que se hielen y se obstruya la toma dinámica. El tubo de pitot mide la velocidad a partir de la diferencia de presión entre el punto 1 y el punto 2. Por un extremo entra el aire impulsado por la velocidad del avión en el punto 1 y la presión en 2 es la presión atmosférica exterior que se mide a través de la toma estática, situada en un lateral de la nave. Ambas presiones coinciden en una cámara donde se mide la diferencia de presión, se le denomina presión dinámica. 3.2. Ultrasonidos Para la Medida de Hidrocarburos gaseosos Transductores secos (no se encuentran en contacto directo con el producto) Transductores intercambiables sin necesidad de despresurizar la línea No Requiere acondicionador de flujo, solo 5D de tubería recta aguas arriba Incertidumbre ±0.10% relativa al Laboratorio de Calibración 3.3. 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 líquido transporta sólidos o sedimentos en cantidad excesiva, o bien cuando no existe altura de presión suficiente, o bien cuando no es posible construir un tramo recto de longitud suficiente (un mínimo de 10 veces la anchura del canal). Puede utilizarse para caudales superiores a 0 – 30 m3/h. 3.4. Caudalimetro magnético Un medidor de flujo magnético (caudalímetro MAG) es un medidor de flujo volumétrico que no tiene partes móviles y es ideal para aplicaciones de aguas residuales o cualquier otro líquido sucio que es conductor o con base de agua/acuosa. Caudalímetros magnéticos generalmente no funcionan con hidrocarburos, agua destilada y muchas soluciones no acuosas. Caudalímetros magnéticos también son ideales para aplicaciones donde se requiere baja caída de presión y bajo mantenimiento. 3.5. Caudalímetros de Turbina Caudalímetros de Turbina de Acero Inoxidable. Los caudalímetros de Turbina están pensados para medir líquidos limpios con una viscosidad máxima de 30 centiPoises, y que no ataquen al acero inoxidable. Caudalímetros Turbinas para Líquidos Corrosivos Los caudalímetros de Turbina, construidos en plástico, PVC o PVDF, están pensados para líquidos corrosivos como: Ácidos fuertes como Clorhídrico, Nítrico o Sulfúrico. Bases fuertes en disolución como Hidróxido sódico o potásico. Hipoclorito sódico Agua de mar y salmueras Fertilizantes líquidos Caudalímetros de turbina económicas Este tipo de caudalímetros se obtienen partiendo de un contador estándar de agua, al que se le ha cambiado la relojería por un generador de pulsos. El objetivo de este tipo de equipos es cubrir la demanda de caudalímetros, que siendo económicos, tengan la suficiente resolución para poder utilizarse en procesos como dosificación o regulaciones de caudal de líquidos como: Agua corriente Líquidos poco agresivos y poco viscosos como anticongelante, limpia parabrisas etc. Agua salada (solo modelo TP) Medidor magnético Aplicables en: Aguas residuales Líquidos sucios Ventajas: no posee partes móviles en contacto con el fluido. CAUDALIMETRO DE RUEDAS OVALADAS para líquidos limpios Emite pulsos configurables para medir caudal. gran exactitud. Ventaja: Muy buena precisión para pequeños caudales. Desventajas: Alto costo originado por las tolerancias mecánicas. Muy sensible a la presencia de sólidos en suspención. 3.6. Caudalimetro másico (por el principio de coriolis) Ventajas: Su salida es lineal con el flujo másico. No requiere compensación por variaciones de temperatura o presión Es adecuado para casos de viscosidad variable Permite la medición de caudales másicos de líquidos difíciles de medir: adhesivos, nitrógeno líquido, etc. Desventajas: Es muy voluminoso. No es apto para caudales elevados 3.7. Torbellino- vortex Adecuado para: Gases, vapores y líquidos Inadecuado para : Fluidos viscosos, sucios. Características: mantenimiento mínimo, tubería recta, medidor perfectamente alineado. BIBLIOGRAFIA [1] Creus, A. Instrumentación industrial. Sexta edición. 1997. Alfaomega grupo editor S.A. Bogotá, Colombia [2] Plazas, R. Instrumentación industrial. Sistemas de medición y control automático. Segunda edición. 1980. Colombia.
