Medición n de Caudal

Transcripción

1 Medición n de Caudal 1

2 Introducción En las funciones y/o operaciones realizadas en procesos industriales de control es de gran importancia la medición n de caudales de líquidos l y gases. La medición n de caudal o flujo es la variable que más m s frecuentemente es medida. Esta variable es indicada, procesada, almacenada para ser controlada en los procesos industriales. 2

3 Definición Los medidores de flujo se dividen en: Medidores Volumétricos - Determinan el caudal en volumen del fluido. Para mediciones de generales de caudal. Qv= Area x Velocidad (v/t) Medidores de Caudal Masa - Determinan el caudal masa. Su aplicación n es en donde sea de gran importancia la exactitud en la medición. Qm= Qv x ρ (Densidad) (m/t) 3

4 Clasificación Los principios de medida de los medidores de caudal son: 4

5 Clasificación n (continuación) n) 5

6 Medidores Volumétricos 6

7 Medidores de Presión n Diferencial Los elementos de presión n diferencial son los siguientes: Placa-orificio o diafragma Tobera Tubo Venturi Tubo Pitot Tubo Annubar Estos elementos se basan en la diferencia de presiones provocadas por un estrechamiento en la tubería a por donde circula el fluido (líquido, gas o vapor). 7

8 Medidores de Diferencial de Presión Estos medidores determinan el diferencial de presión n a través s de un elemento de flujo. El flujo en un conducto cerrado se calcula midiendo la caída de presión n provocada por una obstrucción n que se inserta a través s del flujo. El medidor de diferencial de presión n de flujo se basa en la ecuación n de Bernoulli para la energía a en el flujo 8

9 Medidores de Diferencial de Presión (continuación) n) La ecuación n de Bernoulli para la energía a en el flujo establece que: Energia Total = m g z + P V m V 2 En donde la caída de presión n a través s de una obstrucción n esta relacionada al cuadrado de la velocidad media, V Q = K A 2 g Δ h Q = K orifice orifice A orifice orifice 2 Δ p ρ El coeficiente de flujo, K orifice, es una función n de la relación n entre el diámetro del orificio y el diámetro del tubo y casi no depende del numero de Reynolds. 9

10 Medidor de Placa con Orificio Este tipo de medidor consiste de una placa delgada con un orificio circular perforado en su centro. Es un medidor muy simple barato y fácil de instalar y puede provocar caídas significantes de presión. 10

11 Medidor de Placa con Orificio (continuación) n) Dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la placa, a, captan esta presión n diferencial la cual es proporcional al cuadrado del caudal. P 1 P 2 Vista frontal de la placa con orificio 1 2 V 1 V 2 = 2( ρ [1 - P1 (A P2 ) / A C υ ) ] En donde Cυ C = f (Re, D2/D1), es un coeficiente de descarga y su valor se encuentra en tablas 11

12 Medidor de Placa con Orificio (continuación) n) Hay diversidad en placas con orificio empleadas para diferentes propósitos, siendo las siguientes las más m comunes. Concéntrico ntrico Excéntrico Segmental 12

13 Medidor de Placa con Tobera Las toberas se usan frecuentemente como elementos de medición n para flujo de aire y gas en aplicaciones industriales y se basan en fundamentos similares a los de la placa con orificio. La tobera permite caudales 60% superiores a los de la placa- orificio en las mismas condiciones de servicio. El coste de la tobera es de 8 a 16 veces el una placa y su exactitud es del orden de ±0.95% a ±1.5%. 13

14 Medidor de Placa con Tobera (continuación) n) P 1 P 2 2 ( P1 P2 ) V 2 = C υ 2 ρ [1 - (A / A ) 2 1 ] C υ = f (Re, D 2 /D 1 ) es el coeficiente de descarga de la tobera y se puede encontrar tabulado. Este coeficiente es mayor que el coeficiente de descarga de la placa con orificio. 14

15 Medidor de Tubo Venturi Los medidores de tubo Venturi consiste de una contracción cónica, una pequeña a garganta cilíndrica y una expansión n cónica. c Con esta configuración, n, el fluido se acelera al pasar a través s del cono convergente. La velocidad del fluido en la garganta se asume constante y se emplea una velocidad promedio. El tubo Venturi es un instrumento de medición n de flujo muy confiable que provoca pequeñas caídas de presión. Se emplea ampliamente, en particular para grandes flujos de líquidos l y gases. Su precisión n esta en el orden de 0.75%. 15

16 Medidor de Tubo Venturi (continuación) n) P 1 P2 2 ( P1 P2 ) V 2 = C υ 2 ρ [1 - (A / A ) 2 1 ] C υ = f (Re) es el coeficiente de descarga del tubo Venturi y se puede encontrar tabulado. 16

17 17

18 Medidor de Tubo de Pitot El tubo de Pitot mide la diferencia entre la presión n total y la presión n estática, tica, o sea, la presión n dinámica, la cual es proporcional al cuadrado de la velocidad. Pitot Tube P = + ρ ρ 2 2 P1 V1 2 Flow P 2 P 1 P2 = Presión n de impacto, en el punto donde el líquido l anula su velocidad. P1 = Presión n estática tica absoluta en el fluido presión estática tica P 2 P 1 Presión n total V1 = Velocidad del fluido en el eje de impacto. ρ = Densidad 18

19 Medidor de Tubo de Pitot El uso del tubo de Pitot estático tico se limita a la medición n puntual y se debe tener cuidado con la orientación n del instrumento de prueba. Se han desarrollado elementos de prueba de Pitot con muchos orificios para así medir la velocidad en múltiples m direcciones ya que esto se requiere cuando se tiene flujos altamente turbulentos. a) b) Fig. Tubos de Pitot.. a) Simple, b) de múltiples m direcciones 19

20 Medidor de Tubo de Pitot El tubo Pitot tiene la ventaja de que prácticamente no hay caída de presión. Sus limitaciones están n en la incapacidad o inhabilidad de manejar corrientes con sólidos s en el flujo del material, además s de encontrarse limitado en exactitud. 20

21 Medidor de Tubo de Pitot (continuación) n) Como el tubo Pitot sensa la presión n impactada en un punto, los sólidos s tienden a insertarse en las aberturas del tubo y así se deriva el decremento en exactitud. 21

22 Medidor de Tubo de Pitot (continuación) n) A fin de obtener un promedio de mediciones puntuales y así lograr lecturas mas representativas del flujo a través s de un tubo, se desarrollo un tubo de Pitot Promediador (Annubar)) el cual esta formado de varios puntos. La medición n del flujo con este instrumento se basa en la determinación n de la velocidad de presión n la cual es la diferencia entre la Presión n Total (medida de frente al flujo) y la Presión n Estática tica (medida por detrás s del flujo) Tubo de Pitot Promediador llamado Tubo Annubar 22

23 Medidor de Tubo Annubar El tubo Annubar es una innovación n del tubo de Pitot en donde se existe un tubo exterior, situado a lo largo de un diámetro transversal de la tubería, y dos tubos interiores. El tubo exterior presenta cuatro orificios en la cara de frente al flujo de la corriente, que se utilizan para interpolar los perfiles de velocidad y realizar un promedio, y otro orificio en el centro del d tubo pero en la cara trasera al flujo de la corriente. 23

24 Medidor de Tubo Annubar (Continuación) n) De los dos tubos que están n en su interior, uno sirve para promediar las presiones obtenidas en los cuatro orificios, midiendo la presión n total, mientras que el otro tubo, que se encuentra en la parte posterior, mide la presión n estática tica en el orificio central aguas abajo de la corriente. El tubo Annubar tiene mayor precisión n que el tubo de Pitot,, así como una baja pérdida p de carga, utilizándose para la medida de pequeños y grandes caudales de fluidos. 24

25 Transmisores Los instrumentos transmisores o registradores de caudal miden realmente una presión n diferencial y como el caudal varía a según n la raíz z cuadrada de la presión diferencial, el grafico deberá ser de raíz z cuadrada a no ser que se utilice un extractor de raíz z cuadrada intermedio, y estará graduado normalmente de 0 a 10 con un factor de conversión n para poder leer directamente en unidades de caudal Transmisor de Presión n diferencial en función n de raíz cuadrática 25

26 Transmisores Con extractor de raíz z cuadrática, donde la conversión n de salida esta dada en unidades de caudal. 26

27 Transmisores La presión n diferencial creada por la placa, la tobera o el tubo Venturi, pueden medirse con el tubo U de mercurio o bien, transmitirse con los instrumentos llamados convertidores diferenciales. 27

28 Transmisor de Presión n Diferencial de fuelle Contiene dos cámaras c para alta y baja presión. La alta presión comprime el fuelle correspondiente arrastrando la palanca de unión, n, el cable y un eje exterior cuyo movimiento actúa a sobre el transductor neumático o electrónico. Toma de alta presión Ajuste de Amortiguación Toma de baja presión Tornillo de cero Sello de sobrecarga Resorte de campo Eje Transmisor 28

29 Transmisor de Presión n Diferencial Balance de Fuerzas Proveída de una barra de fuerza, que mantiene la acción n de las fuerzas de un diafragma en equilibrio. 29

30 Área Variable 30

31 Medidor de Área Variable Los elementos de área variable se caracterizan por el cambio de área que se produce entre el elemento primario en movimiento y el cuerpo del medidor. 31

32 Rotámetro Los rotámetros son medidores de caudal de área variable que consisten en un tubo orientado verticalmente, con una diferencia de diámetro un poco mayor en la región n superior con respecto a la inferior, y un flotador autoguiado que se mueve girando libremente dentro de la tubería a vertical. Rotameter 32

33 Área Variable Rotámetro (continuación) n) El flotador cambia de posición n dentro de un tubo, proporcionalmente al flujo del fluido. El flotador esta en equilibrio entre su peso, la fuerza de arrastre del fluido y la fuerza de arranque del fluido sobre el flotador. El flujo depende del peso especifico de liquido, de su viscosidad y de los valores de la sección interior del tubo, ya que la misma cambia según n sea el punto de equilibrio del flotador. 33

34 Medidores de Velocidad 34

35 Vertederos En la medición n del caudal en canales abiertos, se utilizan vertederos de formas variadas que provocan una diferencia de alturas del líquido l en el canal entre la zona anterior del vertedero y su punto más m s bajo. 35

36 Vertederos El caudal es proporcional a la diferencia de alturas según n la formula general empírica: Q = KlH n 3 Q = caudal en m /s. K = constante que depende del tipo de vertedero. l = anchura de la garganta del vertedero, en m. H = diferencia máxima m de alturas, en m. n = exponente que depende del tipo de vertedero o canal. 36

37 Vertederos Los vertederos más m s empleados son los siguientes: -Rectangular -Triangular -Cipolleti o trapezoidal -Parshall o venturi 37

38 Rectangular: Vertedero Rectangular Tienen una contracción n lateral simple y fácil f de construir y el más m s económico. Es apto para la medida de caudales de m /h a 0-2,0000 m /h. Q = 1.84( l 0.2H ) H m 3 /s

39 Triangular: Vertederos Triangular o en V Consiste en una placa con un corte en V de vértice v dirigido hacia abajo y con cada lado igualmente inclinado respecto a la vertical. Es capaz de medir caudales dentro del intervalo m /h a 0 2,300 m /h. Q = 1.33H 2,475 m 3 /s. 39

40 Vertedero Cipolleti o Trapezoidal Cipolleti o Trapezoidal: Consiste en una placa con una ranura en forma de trapecio invertido. La pendiente de los lados del trapecio corrige las contracciones laterales del manto de agua y el caudal es por lo tanto proporcional a la altura de la cresta. Su campo de medida equivale al del vertedero rectangular. 3 Q = 1.86lH 2 m 3 /s. 40

41 Parshall: Vertedero Parshall o Venturi Se emplea cuando el líquido l transporta sólidos s o sedimentos en cantidad excesiva, o cuando no hay suficiente altura de presión, o cuando no es posible construir un tramo recto de longitud suficiente. Puede utilizarse para caudales 3 superiores a m /h. Q = KlH n 41

42 Medidor de Turbina En los medidores de turbina podremos encontrar un sin numero de diseños diferentes, pero todos están basados bajo el mismo principio; un fluido pasa através de unas aspas (vanes) de la turbina haciendola rotar.. El rango de giro es medido para calcular el flujo. Variando el tamaño y el material de la turbina influye para el rango de flujo. 42

43 Medidor de Turbina Un medidor de turbina usa un rotor multi-aspas que son soportadas por rodamientos dentro sección n perpendicular de la tubería. El flujo conlleva al rotor a girar a una velocidad que es proporcional a la velocidad del flujo y consecuentemente, al rango completo del flujo volumétrico. Una bobina magnética en el exterior produce un voltaje alterno en cada corte de la aspa con las líneas l de flujo magnético. 43

44 Medidor de Turbina Cada pulso, de esta manera, representa un volumen discreto del líquido. Ya que el rotor es usualmente hecho de acero inoxidable, es compatible con muchos fluidos. Sin embargo, el rodamiento, en donde son necesarias para soportar el rotor en donde debe permitir ir el giro libremente a velocidades altas, requiere de un proceso modestamente limpio. Los medidores de turbina están n típicamente t disponibles en diferentes tamaños de tubería a desde ½ pulgada hasta 12 pulgadas. Tienen rápida r respuesta a la frecuencia y buena exactitud. 44

45 Transductor Ultrasónico 45

46 Transductor Ultrasónico Los medidores de flujo ultrasónico usan ondas de sonido para determinar el rango del flujo. Los pulsos producidos en un transductor piezoeléctrico viajan a través s del fluido en movimiento a la velocidad del sonido y obteniendo un indicador de velocidad de d flujo basado en dicha onda sonora. En la actualidad se emplean dos d métodos diferentes para determinar la medición n de la velocidad de flujo, estos son el método m de tiempo transitorio y método m Doppler. 46

47 Método tiempo transitorio.- Transductor Ultrasónico Los sensores están n situados en la tubería a de la que se conoce el área y el perfil de velocidades. La velocidad del fluido está determinada por la siguiente formula: V = velocidad del fluido; C = velocidad del sonido en el fluido; α = ángulo de haz del sonido con relación al eje longitudinal de la tubería; D = diámetro interior de la tubería Δ = diferencia entre los tiempos de tránsito del sonido aguas arriba y aguas abajo. V = C 2 tgα Δt 2D 47

48 Método Doppler.- Transductor Ultrasónico Se proyectan ondas sónicas s a lo largo del flujo del fluido y se mide el corrimiento de frecuencia que experimenta la señal de retorno al reflejarse el sonido en partículas contenidas en el fluido. El método m viene limitado por la necesidad de la presencia de partículas, pero permite medir algunos caudales de fluidos difíciles tales como mezclas gas-líquido, fangos, etc. 48

49 Transductor Ultrasónico Estos transductores sónicos s tienen una precisión n de ± 2 % y un intervalo de medida de caudales de 20 a 1 con una escala lineal. Son sensibles a los cambios en la densidad del líquido,, y por lo tanto a la temperatura, ya que estas variables influyen con la velocidad del fluido. 49

50 Medidores de Fuerza 50

51 Fuerza (Medidor de Placa) El medidor de placa consiste en una placa instalada directamente en el centro de la tubería a y sometida al empuje o fuerza de impacto del fluido. 51

52 Fuerza (Medidor de Placa) La fuerza originada es proporcional a la energía a cinética del fluido y depende del área anular entre las paredes de la tubería a y la placa. Donde la fuerza esta dada por: Fd = Fuerza total de la placa Cd = Constante experimental, de la placa, S = Área de la sección n transversal, V = velocidad del fluido, ρ = densidad del fluido. 52

53 Fuerza (Medidor de Placa) El caudal volumétrico es: Q = S La placa esta conectada a un transmisor neumático de equilibrio de fuerzas o bien a un transductor electrónico, electrónico o digital de galgas extensiométricas. Las galgas forman parte de un puente Wheatstone de tal modo que la variación de resistencia es una función de caudal. El caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la fuerza de impacto del fluido sobre la placa, por lo tanto, a la raíz cuadrada de la fuerza de impacto. La exactitud en la medida es de ± 1%. El instrumento permite el paso de fluidos con pequeñas cantidades de sólidos en suspensión. v 53

54 Medidores de Tensión n Inducida 54

55 Medidor Magnético de caudal 55

56 Medidor Magnético de caudal La ley de Faraday establece que la tensión n inducida a través s de cualquier conductor, al moverse éste perpendicularmente a través s de un campo magnético, es proporcional a la velocidad del conductor. La regla de mano derecha nos indica que colocando la mano derecha abierta, con la palma perpendicular a las líneas l de fuerza al campo magnético, y los dedos en el sentido de la corriente del fluido, el pulgar señala el sentido de la corriente inducida. 56

57 Medidor Magnético de caudal La formula del caudal o flujo que da la ley de Faraday es la siguiente: E = KBl s v Es = voltaje generado en el conductor; K = constante; B = densidad del campo magnético; l = longitud del conductor; v = velocidad del movimiento. 57

58 Medidor Magnético de caudal En el medidor magnético de caudal el conductor es el líquido l y la señal generada es captada por dos electrodos rasantes con la superficie interior del tubo y diametralmente opuestos. 58

59 Medidor Magnético de caudal La señal generada depende, no sólo s de la velocidad del fluido sino también n de la densidad del campo magnético B, la cual a su vez está influida por la tensión n de la línea l y por la temperatura del fluido. Desde la ecuación n del flujo volumétrico: Q = v πd

60 Medidor Magnético de caudal Ahora aplicada para el medidor magnético de flujo: Q = K E B s D La señal EsE depende, no solo de la velocidad del fluido, sino también n de la densidad del campo magnético B, la cual a su vez está influida por la tensión n de la línea l y por la temperatura del fluido. 60

61 Medidor Magnético de caudal 61

62 Torbellino Los elementos utilizados para la medición n de flujo bajo el principio de torbellino están n clasificados en dos tipos: Medidor de caudal de remolino Medidor Vortex Medidor de caudal de remolino Medidor Vortex 62

63 Medidor de Caudal de Remolino Este medidor se basa en la determinación de la frecuencia del remolino producida por una hélice estática situada dentro de la tubería por el cual pasa el fluido (líquido o gas). La frecuencia del remolino es proporcional a la velocidad del fluido. 63

64 Medidor de Caudal de Remolino Por lo tanto el caudal volumétrico del fluido es proporcional a la frecuencia del remolino. La detección de la frecuencia se logra con sensores de presión de cristales piezoelectricos, o con una termistancia de muy baja inercia térmica, o con un diafragma, o un condensador de capacidad variable, etc. 64

65 Medidor de Vortex Estos instrumentos Vortex son parecidos al de remolino, excepto que están n basados en el efecto Von Karman donde un cuerpo en forma de cono genera alternativas vortices (áreas de baja presión n e inestabilidad) desfasados en 180, cuya frecuencia es directamente proporcional a la velocidad, y por consecuencia al caudal. 65

66 Medidor de vortex La salida del medidor vortex depende del factor K. El factor K relaciona la frecuencia generada por los vortices con la velocidad del fluido. Velocidad _ del _ fluido = Frecuencia Factor Vortex K 66

67 Medidor Vortex El factor K varia con el número de Reynols. Los medidores Vortex proveen una alta exactitud lineal de rango de flujo cuando opera en la región plana. 67

68 Medidor LáserL El medidor láser de caudal se basa en la emisión de rayos láser, focalizados en el seno del fluido en el punto donde se quiere medir la velocidad. Los rayos son dispersados por las pequeñas particulas que el fluido contiene, con lo que se induce una señal de efecto Doppler correspondiente a la frecuencia de la luz desviada, señal que es captada por unos foto-detectores y que esta relacionada directamente con la velocidad y por lo tanto para el caudal. 68