instrumentación para la medición del caudal

INSTRUMENTACIÓN PARA LA MEDICIÓN DEL CAUDAL
Instrumentación para la medición de caudal
ETSEIB 17/12/10 - Instrumentació i mesura de fluids
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
INSTRUMENTACIÓN PARA LA MEDICIÓN DEL CAUDAL
Objetivo:
- Obtener una visión general de las diferentes tecnologías para
medir el caudal (actuales, innovadoras)
- Conocer ventajas y desventajas de cada una de estas
tecnologías
- Ver algunas aplicaciones
Presenta: Carlos Lana Linati
Ingeniero Industrial
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
INSTRUMENTACIÓN PARA LA MEDICIÓN DEL CAUDAL
• Caudalímetros para tuberías llenas
• Caudalímetros electromagnéticos: en línea / inserción
• Caudalímetros ultrasónicos: no invasivos / invasivos
• Caudalímetros mecánicos: desplazamiento positivo, turbinas
• Caudalímetros másicos por coriolis
• Otras tecnologías: vórtex, dispersión térmica, placa orifcio, etc.
• Caudalímetros para tuberías semillenas y canales abiertos
• Ultrasonidos-Doppler (CW)
• Ultrasonidos por Correlación (Escáner)
• Tiempo de tránsito
• Otras tecnologías: canales parshall, vertederos normalizados, etc.
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Caudalímetros - Introducción
La medición directa de caudal volumétrico se
realiza calculando el tiempo que tardamos en llenar
un volumen conocido.
100
50
0
El caudal también es el volumen que fluye a través
de un área conocida por unidad de tiempo.
Ej. caudalímetros de ruedas ovaladas
Q=
Q = vmedia * A [m3 /s]
volumen v
=
tiempo t
Medición de caudal indirecto
Otras tecnologías permiten calcular el caudal Q
midiendo la velocidad media y la sección mojada A.
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Caudalímetros - Introducción
• Métodos indirectos usando la velocidad media
La velocidad en un canal abierto no está
uniformemente distribuida. Para calcular el
caudal Q utilizamos la velocidad media
multiplicándola por el área mojada.
v
vn
v2
Para calcular el área mojada debemos de
conocer exactamente la geometría del canal y
la altura de la lámina.
vL
También deberemos saber si existen depósitos
asentados en el canal.
v1
v
Suelo del canal
Q= v A
v = velocidad media
A = area mojada
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Caudalímetros - Introducción
Velocidades de caudal bajas dan lugar a flujos laminares. Esto se
representa mediante un caudal estratificado donde las “capas” de
agua no se mezclan unas con otras. Debido a la rugosidad, la
velocidad del caudal en las paredes es 0. En tuberías llenas la
velocidad máxima se encuentra en el medio de la tubería.
?
El flujo transitorio es la mezcla entre flujos laminares y turbulentos.
Este estado se caracteriza por tener un perfil de velocidades
inestable y cambiante.
El aumento de la velocidad del caudal conduce a flujos turbulentos.
Cuando el flujo es turbulento las diferentes capas de agua se
mezclan. La rugosidad de las paredes tienen poca influencia y el
perfil de velocidades es uniforme.
El número de Reynolds nos ayudará a saber en que condiciones nos
encontramos (Re = v • d / cinematic viscosity). El número de
Reynolsd crítico para líquidos está alrededor de 2300. Por encima de
este valor las condicones son turbulentas.
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Caudalímetros - Introducción
1. Perfil de velocidades (sección) de una tubería ideal sin rugosidad:
2. Perfil de velocidades (sección) de una tubería con la rugosidad usual del hormigón :
V
middle
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V
middle
V
middle
Caudalímetros - Introducción
Forma del perfil de velocidad (sección transversal)
de una tuberías con rugosidad „normal“ variando la
altura y aumentando la velocidad
Nivel hpart<< 1/3 DN
DN
vorticity only,
no flow profile
shaping
NIvel hpart< 1/3 DN
whirl band going
down, increasing
flow profile shaping
Nivel hpart> 1/3
minimum
whirl band,
good flow profile
shaping
Forma del perfil de velocidad (sección transversal)
Con el mismo nivel de agua variando la rugosida
Nivel hpart < 1/3 DN
poca rugosidad
strong
flow profile shaping,
small whirl band
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rugosidad media
low
flow profile shaping,
medium whirl band
rugosidad alta
almost no
flow profile shaping,
broad whirl band
Caudalímetros - Introducción
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Caudalímetros - Introducción
Perfiles de Caudal
Caudal después de un codo de 90º
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Caudalímetros - Introducción
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Caudalímetros - Introducción
•
Al final este caudal en la mente de nuestros clientes es:
•
•
•
•
Dinero / unidad tiempo
Energía / unidad tiempo
Recursos / unidad tiempo
Eficiencia
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Caudalímetros - Introducción
Preguntas fundamentales para definir un caudalímetro:
- rango de caudal
- fluido a medir
- geometría aplicación (diámetro de la tubería, forma y
tamaño del colector o canal
- tramos rectos
- exactitud requerida
- presión
- temperatura
- zona segura / zona peligrosa
- comunicación: 4-20 mA, buses de comunicación, etc.
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Caudalímetros tuberías llenas
•
•
•
•
•
Caudalímetros electromagnéticos: en línea / inserción
Caudalímetros ultrasónicos: no invasivos / invasivos
Caudalímetros másicos por Coriolis
Caudalímetros vórtex
Caudalímetros mecánicos: desplazamiento positivo, turbinas
– Principio de funcionamiento
– Ventajas / Desventajas
– Aplicaciones
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Caudalímetros electromagnéticos
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Caudalímetros electromagnéticos - Principio de medición
•
La ley de Faraday de inducción es la base de la medición de los caudalímetros
electromagnéticos
• ”Cuando un conductor se mueve dentro de un campo magnético se
genera un voltaje en este conductor “
• e=KxBxLxV
•
•
•
•
B es la fuerza del campo magnético (inducción), mantenida constante por la
construcción,
L es la longitud del conductor (distancia entre electrodos),
K es una constante de escala (depende de la sección del sensor).
El voltaje inducido “e” en este punto, es proporcional la la velocidad V y por lo
tanto al caudal Q.
•
Q = cost. x e
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Caudalímetros electromagnéticos - Principio de medición
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Caudalímetros electromagnéticos
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Caudalímetros electromagnéticos - general
• Diámetro:
DN3 … DN2000 / DN8000 (inserción)
• Exactitud:
+/- 0,2 % v.m. o +/- 4% v.m. (típicos)
• Material cuerpo:
Acero al carbono (pintado RAL6028); AISI304
o AISI316 opcional
• Recubrimiento interno:
Polipropileno; PTFE; Ebonita
• Electrodos:
AISI316L; Hastelloy; Tántalo; Platino; (2 o 3)
• Conexión :
Brida (UNI, DIN, ANSI, etc.)
• Presión:
PN10, PN16, PN40, etc.
• Versión:
• Protección:
compacta; separada
IP67 / IP68
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Caudalímetros electromagnéticos - innovaciones
• Caudalímetros electromagnéticos a baterías + GPRS
• no requieren alimentación externa (ej. no requieren
placas solares)
• vida baterías entre 3-10 años
• comunicación vía GPRS: la información se envía vía email a una cuenta de correo electrónico (.csv)
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Caudalímetros electromagnéticos - Ventajas
•
•
•
•
No partes móviles = muy bajo mantenimiento
No se necesita filtro a la entrada (líquidos sucios)
No hay pérdida de carga
Medición bidireccional
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Caudalímetros electromagnéticos - Ventajas
• Gran exactitud: típicamente 0,2% o 0,4% del valor
medido
• Gran variedad de tamaños: típicamente DN3 hasta
DN2000 en línea y hasta DN8000 en inserción
• En los caudalímetros en línea necesidad de pocos
tramos rectos (típicamente 3D aguas arriba y 2D aguas
abajo)
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Caudalímetros electromagnéticos - Desventajas
• Se necesita cortar la tubería para su instalación
• En tamaños grandes >DN400 empiezan a ser difíciles de
manejar a nivel de instalación.
• Se requiere de muchos tamaños diferentes para las
diferentes aplicaciones en f(caudal), stocks caro:
DN3,DN20,DN150,DN500, etc…..
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Caudalímetros magnéticos - aplicaciones
Detección de fugas de agua
Es uno de los problemas más debatidos en la actualidad, representa sin duda
alguna, una de las aplicaciones más adecuada para los caudalímetros
electromagnéticos alimentados con baterías.
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Caudalímetros magnéticos - aplicaciones
Fugas de agua
Estos 4 componentes ayudan a la gestión real de las fugas
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Caudalímetros magnéticos - aplicaciones
Fugas de agua
Índice de crecimiento natural de las fugas ocultas
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Caudalímetros magnéticos - aplicaciones
Sectorización: detección de fugas
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Caudalímetros magnéticos - aplicaciones
Estaciones de bombeo
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Caudalímetros magnéticos - aplicaciones
Regadío: caudalímetros de inserción
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Caudalímetros ultrasónicos no invasivos
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
Caudalímetros us – Principio de medición
• Tiempo de vuelo o tiempo de tránsito
d
1 señal en la dirección del caudal
2 señal en contra del caudal
3 diferencia de tiempos
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Caudalímetros us – Características generales
Tipo M2N
Tipo Q3N
Tipo de transductorr
100
6500 max
M
50
25
400
Q
10
1000
10 100
= rango diámetro recomendado
= posible rango de diámetros
S
5
0
200
400
600
800
Tamaño
tubería mm
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura
de fluids
1000
1200
1400
1600
Caudalímetros us – Características generales
• Diámetro:
DN6 … DN6500
• Exactitud:
+/- 1,2 % v.m. (0,5% v.m en condiciones calibración)
• Rango velocidades:
1 cm/s hasta 35 m/s
•
•
•
•
Acero inox
clamp-on (abrazaderas)
portátil / fija
IP65 / IP68
Material sensores:
Conexión :
Versión:
Protección:
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
Caudalímetros us – Características generales
•
•
•
•
•
•
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
Fluxus F/G601:
Caudalímetro portátil
2 canales (estándar)
Tuberías 10-6.500 mm
Datalogger
Programación muy fácil
y rápida
Caudalímetros us – Características generales
•
•
•
•
•
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
Fluxus F/G7407:
Caudalímetros fijos
Montaje pared o rack
1 o 2 canales
Zona segura
Caudalímetros us – Características generales
• Fluxus F/G800:
• Caudalímetros fijos
para zonas peligrosas
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Caudalímetros us no invasivos - ventajas
·
·
·
·
Independència del medio y la presión
Muy fácil instalación
Cambios en la instalación muy sencillos
No altera el flujo y no hay riesgos de fugas
· Rango dinámico > 1 : 2000 (1 cm/s > 20 m/s)
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Caudalímetros us no invasivos - ventajas
· No interrumpimos el proceso para realizar la
instalación y/o mantenimiento
· Con sólo 2 modelos de sensores cubrimos toda la
gama de tuberías (stock/repuestos)
· Gran ahorro en tuberías de gran diámetro
· Medición en 2 tuberías al mismo tiempo
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Caudalímetros us no invasivos - deventajas
· Tramos rectos requeridos: típicamente 10D aguas
arriba y 5 aguas abajo, dependiendo de la alteración
del flujo
· Precio para diámetros pequeños (>DN300)
· No es posible medir en tuberías de hormigón (única
excepción)
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Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones
Verificación de caudal:
- bombas
- válvulas
- caudalímetros
- dimensionados
Canal Isabel II
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• Foto:
• DN1400
• Tubería ac. Carbono
• Agua residual
Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones
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Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones
Medición de caudal:
- Desaladoras
- Irrigación
- Aguas residuales
- Aguas potables
•DN400
• Tubería fibra de vidrio
• Agua salada
Desaladora Tordera
UTE FCC Pridesa Cadagua
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Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones
Entrada Depuradora de Olot: DN800
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Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones
Entrada depuradora Tarragona - Aqualia
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Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones
• DN1400 a DN2600
• Tuberías de fibra vidrio y acero carbono
• Agua de regadío
Aguas del Duero
Corsan Corviám
Obra de regadío en Payuelos
Se instalan 25 caudalímetros
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Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones
Distillation/Fraction
Cracking/Conversion
Refinery Diagram
Aplicaciones que buscamos
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones
Coker feed: traceado térmico
intacto
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
Medición en Termosolares
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Medición en termosolares
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones
Estaciones bombeo
Sorea – DN800
Hidroeléctrica – Iberdrola - Endesa
DN1000-DN6000
Enagas – agua de mar
para refrigeración
Navantia – verificación circuitos
en submarinos y barcos
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
Caudalímetros ultrasónicos invasivos
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
Caudalímetros ultrasónicos invasivos
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
Caudalímetros ultrasónicos invasivos
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screw-in sensor
plug-in sensor
for pipe installation
from outside
for pipe installation
from inside
Caudalímetros us invasivos – características generales
• Diámetro:
DN200 … DN12000
• Exactitud:
+/- 0,5 % v.m. (en función del número de haces y de
las condiciones hidráulicas)
• Rango de velocidades:
0,1 a 20 m/s
• Material sensores:
Acero inox
• Conexión :
roscada
• Protección:
IP68
• Hasta 8 pares de sensores (8 haces) en una tubería
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Caudalímetros us invasivos – Ventajas
· Podemos colocar haces ultrasónicos que no pasen por el
centro de la tubería. Interesante cuando no tenemos tramos
rectos suficientes
· Con sólo 2 modelos de sensores cubrimos toda la gama de
tuberías (stock/repuestos)
· Gran ahorro en tuberías de gran diámetro
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Caudalímetros us invasivos – Desventajas
· Es necesario mecanizar la tubería
· Les afecta la presión y la abrasión
· Tramos rectos requeridos: típicamente 10D aguas arriba y 5
aguas abajo, dependiendo de la alteración del flujo
· La alineación de los sensores es crítica
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Caudalímetros másicos coriolis
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Caudalímetros másicos coriolis – Principio de
funcionamiento
· Los tubos del sensor se ponen a oscilar a su frecuencia de
resonancia mediante un electroimán
· En los dos lados de los tubos opuestos al electroimán, se
encuentran dos sensores emplazados simétricamente.
· Cuando fluye líquido o gas por el tubo de medida, la fuerza de
Coriolis actúa sobre el mismo y genera una deflexión cuyo
desplazamiento de fase es medido por los dos sensores. Este
desplazamiento de fase es proporcional al caudal másico.
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Caudalímetros másicos coriolis – Principio de
funcionamiento
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Caudalímetros másicos coriolis – Principio de
funcionamiento
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
Caudalímetros másicos coriolis – Características
generales
• Diámetro:
DN1,5 … DN200
• Exactitud:
+/- 0,1 % del valor medido de la masa
• Material cuerpo:
Acero inoxidable, Hstelloy
• Conexión :
Brida (UNI, DIN, ANSI, etc.), rosca, etc.
• Presión:
PN100 – PN400
• Versión:
compacta; separada
• Protección:
IP66 / IP67
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Caudalímetros másicos coriolis - Aplicaciones
• Custody Transfer – facturación
• Líquidos no conductivos
• Sectores:
• Alimentación y bebidas
• Químico y farmacéutico
• Petróleo y gas
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Caudalímetros vórtex
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Caudalímetros vórtex – Principio de funcionamiento
· Cuando un fluido (líquido, gas o vapor), con una cierta
velocidad, encuentra un cuerpo dentro de la tubería, se
producen unos remolinos que viajan por una corriente .
denominada “Pista de remolinos Karman”. La frecuencia de los
remolinos es proporcional a la velocidad del flujo..
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Caudalímetros vórtex – Características generales
• Diámetro:
DN15 … DN300
• Exactitud:
vapor y gases +/- 1% ; líquidos +/-0,75%
• Material cuerpo:
Acero inoxidable, Hstelloy
• Conexión :
Brida
• Presión:
PN10 – PN100
• Versión:
compacta; separada
• Protección:
IP66 / IP67
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
Caudalímetros Vórtex - Aplicaciones
• Medición de vapor
• Medición del consumo en quemadores
• Monitorización de calderas
• Control del caudal en compresores
• Medición en sistemas de aire comprimido
• Medición de gases industriales
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Caudalímetros mecánicos
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
Caudalímetros mecánicos – Principio de medición
· Turbinas
· Ruedas ovales
· Desplazamiento positivo
ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids
Caudalímetros mecánicos – Ventajas
· Económicos
· No necesitan alimentación
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Caudalímetros mecánicos – Desventajas
· Generan pérdidas de carga
· Sensibles a la suciedad y sobrecaudales
· Para velocidades muy bajas pueden marcar cero o
tener un gran error
· Limitación en cuanto a tamaño (DN200-DN300)
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Otros Caudalímetros
·
·
·
·
·
Presión diferencial
Área variable
V-cone
Dispersión térmica
Etc.
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Fin primera parte – Caudalímetros tuberías llenas
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