«Patrón nacional de Flujo volumétrico de Gas «

Transcripción

1 «Patrón nacional de Flujo volumétrico de Gas «Lima Perú, 20 de mayo de 2016 Carlos Ochoa INACAL/DM, Perú

2 Contenido: 1. Antecedentes 2. Objetivos. 4. Conclusiones y Recomendaciones.

3 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.

4 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.

5 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.

6 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.

7 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.

8 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

9 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.

10 Descripción del Sistema 1. Elemento Primario de Medición: Polea de eje giratorio Polea de eje fijo

11 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.

12 Descripción del Sistema 2. Sistema de medición de la posición: Polea de eje giratorio Polea de eje fijo

13 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.

14 Descripción del Sistema 3. Sistema de alimentación:

15 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.

16 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.

17 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.

18 Funcionamiento del sistema Diagrama de calibración ITEM CODIGO DESCRIPCION REGULADOR DE PRESION Y SEPARADOR DE AGUA 2 V1 ELECTROVALVULA 3 V2 VALVULA DE BOLA 4 V3 VALVULA TIPO AGUJA 5 P1 MEDIDOR DE PRESION ABSOLUTA MEDIDOR BAJO PRUEBA 7 V4 VALVULA DE BOLA 8 P2 MEDIDOR DE PRESION MANOMETRICA 9 V5 ELECTROVALVULA 10 M1 BOMBA DE VACIO 11 V6 ELECTROVALVULA 12 V7 VALVULA DE BOLA MEDIDOR PATRON

19 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]:

20 : Patrón nacional de Flujo Volumétrico de Gas 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:

21 : Patrón nacional de Flujo Volumétrico de Gas 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.

22 : Patrón nacional de Flujo Volumétrico de Gas 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.

23 : Cooperación Triangular Metrología en Gas Natural en América Latina Trazabilidad k, s, kg, kpa Sistema de Desplazamiento Positivo Tipo Pistón Toberas, medidores de área variable, medidores tipo térmico y otros

24 : Patrón nacional de Flujo Volumétrico de Gas Patrón nacional de Flujo volumétrico de Gas

25 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).

26 . Patrón nacional de Flujo Volumétrico de Gas 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.

27 . Patrón nacional de Flujo Volumétrico de Gas 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 E50S T-24 E40S N-24 K [dm³/pulso] 1,1335E-05 2,0243E-04 U [%] 0,2 0,2 Dc : Diámetro interno del Cilindro N.S.: Número de serie K: Constante de Calibración del tubo-pistón U: Incertidumbre expandida (relativa)

28 . Patrón nacional de Flujo Volumétrico de Gas 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.

29 . Patrón nacional de Flujo Volumétrico de Gas 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.

30 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.

31 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 %).

32 Patrón nacional de Flujo Volumétrico de Gas Gracias