Sensores de Caudal

SENSORES DE CAUDAL

I.

INTRODUCCIÓN En la actualidad la medición del flujo es la variable más importante en la operación de una planta, sin esta medida el balance de materia, el control de calidad y la operación misma de un proceso continuo serían casi imposibles de realizar. Puede definirse un medidor de flujo como un dispositivo que, instalado en una tubería, permite conocer el flujo volumétrico o caudal que está circulando por la misma, parámetro éste de muchísima importancia en aquellos procesos que involucran el transporte de un fluido. La mayoría de los medidores de caudal se basan en un cambio del área de flujo, lo que provoca un cambio de presión que puede relacionarse con el caudal a través de la ecuación de Bernoulli.

II.

FUNDAMENTO TEÓRICO

II.1. DEFINICIÓN DE CAUDAL

Una de las variables operacionales más comunes en los procesos industriales para ser medido y controlado es el caudal. Es el caudal la variable que relaciona el volumen en relación al tiempo y puede expresarse en diferentes unidades tal como se muestra a continuación.

Caudal = Volumen / Tiempo

Ci = Litros / minuto C2 = Litros / segundo C3 = galones / minuto C4 = Barriles / Hora

II.2 SENSORES DE CAUDAL

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Los sensores de caudal recogen las velocidades del flujo de aire o líquidos. Los sensores de caudal usan diferentes principios de medición. Los sensores de caudal para líquidos funcionan por ejemplo sobre la base de ultrasonidos. Esta medición sin contacto tiene la ventaja que los sensores no están expuestos a golpes de ariete y medios sólidos. Por otro lado, los sensores de caudal son utilizados en el sector de calefacción, ventilación y climatización para el análisis de la velocidad del aire. Mediciones que usan el principio manométrico de una película térmica permiten trabajar en un amplio rango de temperatura y caudal. Los sensores de caudal de la serie EE 75 permiten determinar la velocidad del aire hasta 40 m/s con temperaturas hasta 120 °.Estos sensores de medición se pueden montar en conductos de ventilación. Otra manera de medir los canales de velocidad del aire es a través de sensores en cruz. Estos tienen como señal de salida una presión diferencial, que es proporcional a la velocidad del flujo de aire. Con la ayuda de las unidades de análisis conectadas (sensores de presión diferencial) permite calcular la velocidad del flujo de aire y el volumen de flujo.

II.3. TIPOS DE ELEMENTOS DE SENSORES DE CAUDAL A. Presión Diferencial.

Placa Orificio, Tobera, Venturi, Cuña, Codo, Pitot, Pitot Promediante. Este grupo de caudalímetros está basado en la ecuación de Bernoulli que establece que la suma de energía cinética más la energía potencial de altura más la energía potencial debido a la presión que tiene un fluido permanece constante. De ahí se puede deducir que frente a un aumento de velocidad, por ejemplo al pasar por una restricción en la cañería, se producirá una disminución en la presión, Se puede establecer una relación entre la velocidad circulante y la diferencia de presión que se produce. Esta diferencia INSTRUMENTACIÒN INDUSTRIAL

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de presión se puede medir y de ahí determinar la velocidad. Multiplicando esa velocidad por el área de la cañería obtendremos el caudal volumétrico.

El uso de la presión diferencial tiene como principio el de instalar un cuerpo (Placa Orificio, Tobera, Tubo Venturi) en la tubería por donde pasa el caudal. Este cuerpo propicia una caída de presión del fluido, que resulta proporcionar al caudal, es decir, si no hay caudal la presión que existe antes y después del cuerpo es la misma y por ello AP = P\ - P2 = O, sin embargo al incrementarse el caudal por la tubería se incrementa el diferencial de presión en el cuerpo.

a) Placa Orificio

La Placa de Orificio consiste en una placa metálica perforada, instalada en la tubería en forma bridada o a través de cajas de orificio. Para la medición de la presión diferencial presenta dos tomas conectadas antes de la placa y posterior a la placa, lo que permite tomar las presiones antes y después (PA) y (PB).

En las siguientes gráficas se muestran las Cajas de Orificio, los cuales son equipos que permitirá reemplazar los orificios de la tubería sin necesidad de despresurizar la línea, es decir, la Cajas de Orifico permite retirar los orificios para ser reemplazados por otros de diferentes diámetros y así cambiar el rango de medida de flujo con los equipos que descargan en la línea operativos.


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b) Tobera

Al igual que la placa de orificio, la Tobera es un elemento primario que se conecta a la tubería con dos tomas para sensar la presión diferencial &P = PA-PB proporcional al paso del fluido. Permiten sensar caudales 60% superiores a la placa de orificio bajo las mismas condiciones de servicio, y además pueden emplearse para fluidos que arrastren sólidos en pequeñas cantidades. Son 8 a 16 veces más costosas que la placa de orificio.

c) Tubo Venturi

Es un transductor que permite la medición de caudales 60% superior a la placa de orificio en las mismas condiciones de servicio y con una perdida de carga de solo 10 a 20% de la presión diferencial. Posee una gran precisión y permite el paso de fluido con un porcentaje relativamente grande de sólidos. Son 20 veces más caros que las placas de orificio. En la siguiente figura se muestra un esquemático de las características y dimensiones del Tubo Venturi.


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B.- MEDIDORES DE TURBINA

Los medidores de tipo turbina se basan en el uso de piezas rotantes que son impulsadas por el flujo del fluido, (tales como hélices empujadas por el fluido) y giran a una velocidad proporcional al caudal del fluido circulante. Los caudalímetros a turbina no son aptos para medir productos viscosos ni con arrastre de sólidos. El Medidor de turbinas utiliza un transductor que detecta la velocidad de un flujo, utilizando para ello un tubo de flujo con una turbina de paletas suspendidas axialmente en dirección al flujo. Cuando el liquido choca aguas arriba en alta presión con la cara superior del alabe de la turbina mientras existe un área de baja presión en la cara inferior del mismo alabe de la turbina, se crea un diferencial de presión entre las caras opuestas del mismo alabe. El diferencial de presión que se produce generara un movimiento circular de los alabes de la turbina hacia el área de baja presión. La tasa de rotación del rotor de la turbina es directamente proporcional a la tasa de flujo que circula por la tubería donde está instalada la turbina. En la siguiente figura se muestra el despiece de un transmisor de turbina donde pueden observarse entre otros, los alabes de las turbinas quienes en su cara superior reciben el choque del fluido que circula por la tubería en alta presión y quienes al tener una diferencia de presión con la cara inferior de los mismos alabes convierten el diferencial de presión en movimiento circular.


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Esta rotación de la turbina es luego convertida en una señal de salida, que utilizara el circuito electrónico del transmisor para enviar una señal eléctrica directamente proporcional al flujo que circula por la tubería.

El movimiento de los alabes de la turbina actúan conjuntamente con un sensor magnético que genera un impulso eléctrico cada vez que pasa un alabe, lo que permite al sensor magnético generar una frecuencia de impulsos eléctricos directamente proporcional a la tasa de rotación de la turbina la cual es directamente proporcional al flujo que mueve la turbina. El circuito electrónico del transmisor utiliza como transductor al sensor magnético que lo alimenta con la frecuencia de pulsos eléctricos convirtiendo esto en una señal eléctrica directamente proporcional al flujo y que va desde el transmisor hasta el controlador. En las siguientes figuras se muestran un esquemático que representa al sensor magnético que es activado por los alabes de la turbina y posteriormente un corte interior del transmisor de turbina.

Los medidores de caudal de turbina podrá usarse para medir gas y líquido, sin embargo, en medidores de gas la evaporación, cavitación y el vapor pueden causar sobre velocidad en la turbina y con ello causar fallas en sus rolineras.

La medición de líquidos con turbina ha sido mayormente usada y presentan una repetibilidad de 0,05% y una exactitud del 1%. El medidor de turbina ha resultado ser muy útil para altas tasas de flujo con un rango de hasta 100:1 y tendrá una respuesta lineal para la tasa de flujo. INSTRUMENTACIÒN INDUSTRIAL

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Las características generales de los medidores de flujo por turbinas están: - Se tienen transmisores con rangos desde 100 hasta 82.000 bph. - La presión de trabajo estará comprendida entre 275 hasta 1.400 PSI. - Temperatura de trabajo desde -30°F hasta 185°F. - Presentan una linealidad de +/- 0,15% y repetibilidad de +/- 0,02%. - Aplicaciones Típicas: - Carga de tanqueros. - Servicios de refinería. - Distribución de camiones. - Combustible de aviación. - Medición de Mezcla

C.- MEDIDOR ULTRASÓNICO Los caudalímetros por ultrasonido están basados en la propagación de ondas de sonido en un fluido. Existen dos principios básicos para esta medición: Tiempo de Tránsito y Efecto Doppler. En los caudalímetros por tiempo de tránsito, la velocidad de flujo se determina por la diferencia entre la velocidad de propagación de una onda de sonido a favor y otra en contra del flujo. Los elementos emisores y receptores pueden instalarse por fuera de la tubería sostenidos por abrazaderas. El instrumento de efecto doppler tiene un generador de ultrasonido que emite ondas. Si en el seno del líquido existen partículas o burbujas de gas, estas ondas chocan con ellas provocándose una reflexión de las ondas, un eco. Cuando esto ocurre el eco devuelto tiene una frecuencia igual si el líquido está quieto o distinta que la enviada si está en movimiento. Esta nueva frecuencia depende de la velocidad de la partícula productora del eco, por lo que midiendo el corrimiento de frecuencia se puede determinar la velocidad del fluido y por lo tanto el caudal instantáneo. Los métodos para la medición del caudal en líquidos utilizando ondas de ultrasonido son varios, los más difundidos son: El método del camino sónico, y el método del efecto Doppler.

a) Método Efecto Doppler


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En este método se utiliza la medición de los blancos móviles en el fluido, partículas sólidas y/o burbujas. La ráfaga de ultrasonido es dirigido en contra del caudal y se mide el incremento de la frecuencia del eco producido por el rebote sobre los blancos móviles, a mayor caudal mayor será el incremento de la frecuencia del eco, esto permitirá medir la velocidad y con ello el caudal.

b) Método del Camino Sónico

Consiste en la medición del cambio en la velocidad de la onda de ultrasonido entre dos puntos de referencia, funciona midiendo la diferencia de tiempo del mismo Trayecto, a favor y en contra del caudal entre los dos puntos de referencia. Este método requiere de los datos completos y precisos del tipo de tubería, espesor de las paredes de la tubería, tipo de fluido, temperatura del fluido, velocidad sónica del fluido, diámetro interno de la tubería, frecuencia exacta de la onda ultrasónica, posición de la tubería. Es muy bueno para líquidos limpios y tuberías que mantengan constante su espesor. En los casos donde la tubería cambia el espesor INSTRUMENTACIÒN INDUSTRIAL

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por la adherencia de sedimentos u óxidos en su interior el instrumento no podrá establecer el camino sónico y por lo tanto la lectura será falsa o imposible. En estos equipos se instalan dos arreglos emisor-receptor en la tubería los cuales estarán conectados con el modulo electrónico que sincroniza ambos módulos de emisión-recepción y calcula la diferencia del tiempo entre ambas medidas obteniendo con ello la velocidad del fluido.

Dado que Flujo viene dado por Volumen/Tiempo = Área. Distancia/Tiempo = Área. Velocidad, al calcularla velocidad del fluido y conociendo el diámetro interno de la tubería como para calcular el área de la misma, le permite obtener el caudal.

D.- CAUDALÍMETROS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO En este tipo de instrumento se llenan cámaras de tamaño conocido y son volcadas aguas abajo. Contando el número de cámaras llenadas en un determinado tiempo se obtiene el caudal. Como ejemplos de este tipo de medidores encontramos a los de engranajes, lóbulos y paletas deslizantes. a) Medidor Birrotor

El Medidor Birrotor es un equipo tipo de desplazamiento positivo diseñado para medir el flujo total de productos líquidos que pasan a través del medidor. Esta unidad de medición de líquidos separa el flujo y lo aloja en volúmenes conocidos que están Conformados por paletas rotativas y la carcasa del medidor, es decir, los volúmenes conocidos se toman a la entrada del medidor desplazándose por las paredes y las paletas y se descarga a la salida del medidor. En cada vuelta de este INSTRUMENTACIÒN INDUSTRIAL

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medidor de desplazamiento positivo los volúmenes conocidos son contados y los resultados son transferidos al contador o cualquier otro sistema totalizador a través del tren de engranajes. Usualmente son fabricados con cuerpos de acero en cascos que permiten remover la unidad de medición como una unidad separa del cuerpo, además son diseñados para que los efectos adversos de las líneas no puedan ser transmitidas a la unidad de medición. Otra característica importante del Medidor Birrotor es tener un ajustador de precisión de calibración que permite al operador ajustar la salida de la unidad de medición para que lea en números exactos por unidad de volumen. Este ajustador actúa como un engranaje variable que permite modificar el eje de salida del engranaje del contador. Para la visualización general del Medidor Birrotor se muestra a continuación, así como el diagrama del principio de operación.

CARACTERÍSTICAS DEL MEDIDOR BIRROTOR - Está conformado por dos rotores sencillos sin contactos metal-metal que son las únicas partes móviles de la unidad de medición - Desplazamiento Positivo. - Mide una gran variedad de productos de líquidos industriales. - Se puede montar vertical y horizontalmente. - Sin partes oscilantes, ni reciprocantes o deslizantes que estorben la acción rotatoria balanceada. - Ideal para la medición de fluidos impulsados por la gravedad o bombeo.

INFORMACIÓN

REQUERIDA

PARA

SOLICITAR

UN

MEDIDOR

BIRROTOR INSTRUMENTACIÒN INDUSTRIAL

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- Liquido a ser medido, gravedad específica y viscosidad. - Temperatura de operación del líquido. - Tasa de flujo máxima y mínima. - Presión de operación de la línea. - Funciones de lectura. - Opciones y accesorios.

b) Medidor Oval.

El Medidor Oval es un equipo tipo de desplazamiento positivo que mide en forma precisa el flujo de liquido que circula por la tubería donde esta instalado utilizando para ello la presión diferencial entre la entrada y la salida del medidor para hacer girar un par de engranajes ovales. Los dos engranajes ovales son las únicas piezas móviles y proveen repetibilidad con muy poca pérdida de presión en la línea del proceso. Son medidores volumétricos que atrapan y desplazan un volumen conocido con cada rotación de los óvalos. El Medidor Oval está conformado por dos engranajes que sellan el flujo de entrada en relación al flujo de salida, creándose un diferencial de presión que origina el movimiento. Inicialmente un engranaje esta balanceado hidráulicamente y el otro engranaje esta desbalanceado por lo que este engranaje impulsa el movimiento de rotación para ambos engranajes. Esta rotación permite que se intercalen los movimientos cíclicamente. Esta acción de impulsos alternos provee una rotación suave a un troqué casi constante sin puntos muertos. Al rotar los engranajes atrapan cantidades precisas de líquido entre los espacios vacíos que existe entre la cámara de medición y el engranaje que esta siendo impulsado. En estos medidores la cantidad total de flujo para una rotación del par de medidores ovales es cuatro veces el volumen de la cámara de medición y no es afectado por cambios de viscosidad. La tasa de flujo es proporcional a la velocidad rotacional de los engranajes y un eje de salida rota en proporción directa a la velocidad rotacional de los engranajes ovales por medio de un acople magnético, que impulsa un tren de engranajes que proveen el registro del medidor en: galones, litros. En la siguiente figura se muestran las partes que conforman los medidores ovales, y en la figura que posteriormente sigue se muestra al medidor oval. INSTRUMENTACIÒN INDUSTRIAL

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CARACTERÍSTICAS: - Medición de líquidos, desde ácido sulfúrico saturado, azufre derretido. - Alta precisión hasta +/- 0,25%. - Construcción sencilla. - Registros en galones y en litros. - Disponible para temperaturas de hasta 600°F. - Virtualmente inmune a los cambios de viscosidad. - Pueden ser transmisores eléctricos y/o mecánicos.

c) Flujómetro electromagnético Los caudalímetros electromagnéticos están basados en la Ley de Faraday, de la cual se deduce que en un conductor en movimiento en un campo magnético constante se inducirá un voltaje. Este voltaje será proporcional a la velocidad de movimiento del conductor y a su longitud. Este fenómeno se reproduce en una caudalímetro electromagnético, que consta de

bobinas que crean el campo magnético, un

conductor que lo atraviesa (el fluido en movimiento) sobre el cual se induce la diferencia de potencial, y los electrodos que miden esta diferencia de potencial. Esta será proporcional a la velocidad del fluido, con lo que el caudal se determina sencillamente multiplicando esta velocidad por la sección de la cañería. Estos caudalímetros requieren que el líquido a medir tenga un mínimo de conductividad. d) Vortex De acuerdo al principio de Von Karman, si en una cañería ponemos una obstrucción y medimos la frecuencia a la que se desprenden los remolinos o vórtices podemos INSTRUMENTACIÒN INDUSTRIAL

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determinar la velocidad y en consecuencia el caudal. Los caudalímetros vortex constan básicamente de un obstáculo que se opone al avance de un fluido, un sensor que determina la frecuencia de desprendimiento de los vórtices, y una electrónica que da una señal en pulsos o convierte esta frecuencia en una señal normalizada.

e) Rotámetros El rotámetros es un instrumento generalmente de indicación local que consiste en un elemento llamado flotante que se encuentra en un tubo cónico (en la entrada inferior el área es menor que en la salida). El flotador es arrastrado al ir aumentando el caudal y se equilibra en un punto. A cada caudal corresponde un punto de equilibrio, por lo que se puede graduar el rotámetro directamente en caudal.

f) Medición en Canal Abierto La medición de caudal en canal abierto es ampliamente utilizada en muchas industrias, en particular en la medición de efluentes industriales y domiciliarios. Son típicamente utilizados para flujo por gravedad, con el líquido expuesto a la atmósfera, llenando parcialmente el canal. Para medir el caudal, se estrecha la sección transversal del canal, acelerando la circulación y variando la altura del líquido. Los componentes típicos de un sistema incluyen: elemento primario


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(vertedero, canaleta o canal venturi) que por medio de un estrechamiento acelera el flujo, sensor de nivel, por ejemplo por ultrasonido y transmisor. g)

Flujómetros Másicos Los caudalímetros másicos miden la masa que circula por unidad de tiempo. Los tipos más usados de caudalímetros másicos son por principio Coriolis y Másicos Térmicos. El efecto Coriolis es un fenómeno que se produce cuando un objeto se mueve en forma radial sobre un disco en rotación. A medida que un cuerpo de masa “m” se mueve sobre un disco que gira desde el centro hacia el borde en forma radial, va incrementando su velocidad tangencial. Eso implica que existe una aceleración que produce sobre la masa una fuerza conocida como Fuerza de Coriolis. El caudalímetro Coriolis consta de uno o dos tubos que vibran en el que se producen fuerzas de distinto sentido que producen una deformación que es proporcional al flujo másico. Los caudalímetros por efecto Coriolis dan una medición directa de masa y densidad, no requieren tramos rectos en su instalación, no tienen requerimientos especiales de conductividad ni viscosidad de líquidos y aceptan cantidades importantes de sólidos en suspensión. Los caudalímetros Másicos Térmicos se basan en la dispersión del calor generado por el flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia. La cantidad de calor absorbida por un fluido depende de su flujo másico. Para medir se coloca una resistencia inmersa en el seno del fluido y se le hace circular una corriente eléctrica, esto produce calor. Si no hay circulación de fluido hay una determinada dispersión, que hace que la resistencia alcance una determinada temperatura. Si el fluido empieza a circular el calor es más dispersado por el flujo del medio en cuestión, enfriando la resistencia. Una segunda RTD da la temperatura de referencia del fluido. La diferencia de temperatura es un indicador de cuánto flujo másico está circulando.

III.

BIBLIOGRAFÍA

1. http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf 2. http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Caudal/Principios/Caudal_Sensores.pdf


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3. Enriquez Harper “El ABC de la Instrumentacion en el control de procesos industriales” pag. 175-186 4. “Instrumentacion industrial en instalaciones petroleras” pag. 208-214


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