Medi dici ción ón de Va Vari ria abl ble es Flujo - Tempe mpera ratura tura
Medición de flujo Definición
Es la cantidad de fluido que pasa por una sección transversal de la tubería por unidad de tiempo. Tipo de medid medida a
Volumétrica Másica Unidades
Volumétricos = Volumen Tiempo Litros Ejemplo: Seg.
Másicos = Ejemplo:
Masa Tiempo Kg. Ton Hora Día
Gr. Seg
Medición de flujo Métodos medic medición ión de flujo flu jo Volumétricos:
Placa orificio Tubo venturi Tobera Instalación de instrumentación Medidor de turbina Medidor ultrasónico Medidor de disco oscilante Medidor de lóbulos Medidor vortex Másicos:
Coriolis Térmico
Medición de flujo Placas de orificio
Inferencia del caudal en una tuberia proporcional a la raiz cuadrada de la presion diferencial generada por una restriccion en la tuberia (teorema de Bernoulli) • Rangoabilidad 1 a 3 • Requerimientos de tramos rectos antes y despues del elemento. • Disponibilidad de elementos prefrabicados de alta precision • Limitaciones de la relacion d / D (0.2 a 0.7) • Matarial base de la placa: acero inoxidable • Diferentes tipos de placas en funcion de la viscosidad del fluido y del numero de reynolds.
Factores que afectan el flujo de un fluido a través de una tubería:
1.- La velocidad. 2.- La fricción del fluido con la tubería 3.-`La viscosidad 4.- La densidad 5.- La temperatura 6.- La presión Se ha determinado que los factores de flujo mas importantes pueden ser correlacionados y agrupados en un factor adimensional llamado Numero de Reynolds, el cual describe el flujo para todas las velocidades y diámetros de tubería.
R
= e
ρ VD μ
El flujo turbulento esta representado por Numero de Reynolds mayores a 4000. En la zona de transición con Numero de Reynolds entre 2000 y 4000. Flujo laminar se espera Numero de Reynolds menores a 2000.
Medidor de Flujo Diferenciales: (Bernoulli)
Pl
Ph
Δ
P
2
h
γ
+ V h = 2g
2
V Q
2
− V h
l
,...Q = V . A,... Q = Q h
2
l
2g
Q
Δ
2 g
=
2
− V h
⎛ A ⎞⎟ V − V ⎜ l ⎝ A h ⎠ = l
Ρ
l
2g
2g
2
Presión recuperada
2
2g
γ
= V l
γ
Δ
l
2
Ph − Pl V l = ΔΡ
P + V
Ρ
= l
= l
1 −
(d
×
V
A A
l
l
l
Q
=
A
Κ ×
l
4
l
×
2
Q
D
)
2 g
l
=
Ρ
×
1 −
(d
2 g
Δ
1 −
Δ
Ρ
β
Δ
Ρ
)
4
D Ρ 4
Criterios de ingeniería:
C =
β =
− real
Flujo Flujo
− teorico
d D
1.2 C A G R A C S E D E D E T N E I C I F E O C
TOBERA / VENTURI
1.0 PLACA ORIFICIO CON TOMAS EN LA TUBERIA 0.8 PLACA ORIFICIO (TOMAS BRIDA) 0.5 0.2
0.4
0.6
0.8
Placa de orificio instalada en la brida
Medición de flujo
Las tomas de presión se hacen antes y después de la placa. A través de estas tomas de presión se puede medir la presión diferencial que permite calcular el flujo. • Sentido de la direccion del fluido • Orientacion de las tomas en funcion del tipo de fluido. • Consideraciones en cuanto a la orientacion de los orificios de venteo y drenaje • Requerimientos de empacaduras de espesores y materiales apropiados • Orientacion preferida en lineas verticales
H
L
Medición de flujo Toma de vena contracta
La toma de alta presión se localiza a 1 diámetro nominal antes de la placa, y la toma de baja se localiza a una distancia d, que depende de la relación entre los diámetros de la tubería y del 2 orificio. d1 = D
• Mayores exigencias en cuanto a tramos rectos antes y despues del elemento • Inexactitudes en la medicion por encima de las tomas en bridas
d2
Elevación de diámetros d/D 0,8 0,6
d
D 0,4 0,2 0,2
0,4
0,6 0,8
Elevación de distancias
Medición de flujo Toma de tubería
Se emplea en la medición de flujo de gases y es la que permite mayor estabilidad en la presión diferencial. 2½D
• Mayores exigencias en cuanto a tramos rectos antes y despues del elemento • Inexactitudes en la medicion por encima de las tomas en bridas
8D
D
Estructura
Codo Doble codo Reducción Válvula
1 “ H
Antes
Después
15D 20D 15D 8D
Medición de flujo
5D 5D 5D 5D
D
1“
0.3 a 0.8D
L
D
1 “
H
Toma de vena cotracta
1“
L
2½ D
8D
D
Toma de bridas
Medición de flujo Tubo venturi:
Esta caracterizado por su entrada convergente y salida divergente. Los hay en secciones rectangulares y cuirculares. La relacion de diametro recomendable es de: 0.4 ≤ β ≤ 0.75
Se utiliza en la medición de grandes flujos. Exactitud. ± 1 a 3 %. Alto costo
Toma de presión de Sección de aguas arriba entrada
Toma de presión de aguas abajo Cámaras piezométricas
• Ideales para la medicion de caudales en ductos y en las lineas de succion de compresores.
Sección de garganta
Sección de salida
Toma de presión de aguas abajo
Medición de flujo
Tobera de flujo:
La tobera puede considerarse como una variacion del tubo venturi. Las tomas de presion se localizan aproximadamente 1/2 D aguas abajo y 1D aguas arriba; donde D es el diametrro de la tuberia. La tobera se utiliza principalmente cuando la turbulencia es alta (Re > 50000), tal como vapor a altas temperaturas. Se utiliza en aplicaciones donde el fluido trae consigo sólidos en suspensión. Exactitud TV < TF < PO
Medidor de turbina (medición por velocidad)
Medición de flujo
Consta de un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al flujo. Cada medidor se calibra para determinar el coeficiente de flujo o factor K, que representa el No. De pulsos generados por unidad de volumen del fluido.Su exactitud depende del tren de pulsos y oscila entre 0.15 y 1.0 % de la lectura. F = No. De Pulsos por segundo 60 f K = Q = Tasa de flujo en gpm. Q K = Pulsos por galón. • Alta precision + / - 1/4 a 1/2% • Requiere de certificacion (factor de calibracion k) • Aplicación en servicios limpios • En caso de fluidos sucios requiere de filtros y desareadores en la tuberia • Aplicaciones de transferencia de custodia • Alto mantenimiento, por desgastes en los rodamientos
Principio del medidor ultrasónico
Medición de flujo
Las mediciones de flujo ultrasónico miden el flujo por la diferencia de velocidad del sonido al propagarse esta en el sentido del flujo y en sentido contrario.
t
1
t
2
= =
L c +
V
V
V
+ V V V = 1
2
2
V 2
L
t
− c
V
1
1
L c −
1
=
2
= c −
L
t
2
Q=V ×A
• Alta rangoabilidad • Medicion en lineas de agua salada, alivios a mechurrios. • Alto costo de instalacion y de mantenimiento.
Transductor
Medición de flujo Medidor de lóbul os
Consta de dos lóbulos engranados entre si que giran en direcciones opuestas manteniendo una posición relativa fija y desplazando un volumen fijo de fluido. Entrada
• Alta precision + / - 0.2% • Requiere de certificacion (factor de calibracion k) • Aplicación en servicios limpios • En caso de fluidos sucios requiere de filtros y desareadores en la tuberia • Aplicaciones de transferencia de custodia • Alto mantenimiento, por desgastes en los rodamientos • Altos costos de instalacion y de mantenimiento.
Lóbulos
Salida
Medición de flujo
Medidor de vortex
Se basa en la determinación de la frecuencia de los remolinos o vórtices que se producen en el fluido de aguas debajo de una barra que se coloca en la tubería para obstruir el fluido. La frecuencia de estos remolinos (vortices), es directamente proporcional a la velocidad del fluido. St =
f × h V
St: Numero de Strouhal = K f: Frecuencia de vórtices V: Velocidad del fluido h: Característica del cuerpo o barra que obstruye
Electrónica
Barra
• Altos requerimientos de tramos rectos antes y despues del elemento • Corrimiento de lecturas por efectos de vibraciones en la tuberia • Alta rangoabilidad
Formación de remolinos o vórtices
Medición de flujo Medidor de flujo por efecto coriolis
Las medidas de flujo másico por efecto coriolis operan por aplicación de la segunda ley de Newton. Fuerza = masa x aceleración. • Altos costos de mantenimiento • Elevada precision • Altos costos de instalacion El medidor coriolis consta de: Una carcaza de acero inoxidable donde se encuentra el lazo U. Una unidad electrónica.
Principio de medición por efecto coriolis
Medición de flujo
Durante el medio ciclo de vibraciones cuando el lazo se mueve hacia arriba, el fluido que entra al lazo opone resistencia empujando el tubo hacia abajo. Recíprocamente, el fluido que sale de lazo se resiste disminuyendo su momento vertical y empuja el tubo hacia arriba. Esta combinación de fuerzas resistivas produce un torque en el lazo. Este efecto se conoce como efecto coriolis. Flujo
Fuerza del fluido
F
Flujo
A
Fuerza del fluido
B
Vibraciones
C
Definición
Medición de temperatura
Es el fenómeno que tiene lugar en los cuerpos cuando estos absorven o liberan energía calórica. Cuando no existe transferencia de calor ente dos cuerpos, estos se encuentran en equilibrio termico. Por lo tanto sus temperaturas son iguales. Unidades
Grados celsius (°C) Grados Fahrenheit ( °F) Grados Kelvín (°K) Grados Rankine (°R)
°C = ( 5/9 ) x ( °F - 32)
Medición de temperatura Métodos y elementos usados en la medicion de temperatura
Termómetros de bulbo Termómetros bimetalicos Termopares Termo resistencias La medicion de temperatura no es factible si no existe un intercambio de energia. Si este intercambio es minimo se deficulta la medicion.
Medición de temperatura Termómetro de bulbo
A variaciones de temperatura el bulbo tiende a expandirse o contraerse. En la mayoria de los casos estos instrumentos utilizan el tubo bourdon como elemento sensor. La longitud del capilar puede alcanzar los 80 mts. Los liquidos mayormente utilizados como relleno son: el etanol, agua o mercurio.
Medición de temperatura Termómetro bimetálico
Utiliza el principio de dos metales con coeficientes de dilatación térmica distinta, unidos mediante soldadura.
METAL BAJA EXPANSIÓN
Eje de rotación Bulbo
Extremo libre unido al eje de rotación Extremo fijo
METAL DE ALTA EXPANSIÓN TÉRMICA
Medición de temperatura
Termopares
Dos metales distintos en contacto el uno con el otro forman una junta la cual genera una pequeña fuerza electromotriz (emf). Al calentarse la junta de medicion se produce un incremento en la emf producto del calor aplicado. Un convertidor compara la señal generada contra una de referencia y genera una señal proporcional a la temperatura medida. Junta de medicion
Cable de extension Junta de referencia Cable de extension
Medición de temperatura Termopar
Un termopar consta de dos conductores homogéneos y diferentes unidos en sus extremos y aislados lateralmente. A Junta de medición
Junta de Referencia
T1
T B
2
Medición de temperatura Termopares
Cables de termopar
Cabeza Brida ajustable
Termopozo Junta caliente soldada
Junta de medición
Termopar
+ -
Instrumento
Medición de temperatura Relación voltaje Vs. temperatura en termopares
Materiales de los elementos sensores: J: Hierro - constantano K: Cromo - alumino T: Cobre - constantano S: 90% Platino - 90% Rodio
J: 0 a 750 grados K : -190 a 1370 grados T: -190 a 750 grados S: 0 a 1700 grados 2
E= KTc (Tm – Tr) – K (Tm2– Tr ) 2
Medición de temperatura Termopares
Consideraciones en cuanto a la presicion de medida: - Daños al elemento sensor - Precision de la medida - Tiempo de respuesta - Interferencias electromagneticas sobre la medida
Medición de temperatura Leyes termoeléctricas:
Circuitos homogéneos Metales intermedios Temperaturas intermedias T2 = T 0
T1+ T1
T0
v -
E 1+ E
E2
E1
+
T2
Cu
Fe
T C
Cu
T
1
+
2
Fe T
-
C
Efecto de cable de conexión
Medición de temperatura
Por combinación de la ley de los circuitos homogéneos con la ley de los metales intermedios se hace posible la inserción de un aparato medidor de F.E.M. y de sus respectivos cables de conexión dentro del circuito termo eléctrico, sin alterar la F.E.M. térmica; previendo que las juntas térmicas estén a la misma temperatura.
Medición de temperatura Conexión en paralelo
La F.E.M. total generada equivale al promedio de las F.E.M. parciales de cada termopar, si la resistencia de cada uno de éstos es igual. T3 +
T2
E _
T
1
i
Medición de temperatura Conexión en serie
La F.E.M. equivale a la suma algebraica de las F.E.M. parciales de cada termopar. T3
D
C + T
E
2
B T1
A
T
4
Medición de temperatura Termoresistencia (RTD)
Lo constituye un elemento sensor, el cual recibe en forma permanente una señal de corriente. Este elemento sensor varia su resistencia ante cambios en la temperatura. La magnitud de este cambio frente a 1oC de cambio en la temperatura se conoce como “ Coeficiente de resistencia de temperatura” α
Rt: Resistencia en ohms a la T
R
t
= R o (1 + α × T )
Ro: Resistencia en ohms de referencia 0 oC
α : Coeficiente de resistencia de T.
Su aplicación considera procesos donde: Se requiere de alta precision de medida Estabilidad en la medicion Presencia de gases corrosivos que afectan la operación del sensor. Rango de medicion igual al de las termocuplas.
Medición de temperatura Bulbo de resistencia de platino
Los bulbos de resistencia de platino industrial vienen disponibles en una amplia variedad de resistencia que van desde 100 a 500 ohms
Medición de temperatura Combinaciones de la RTD
La razón de utilizar más lazos con el uso de la RTD es que permite compensar el efecto de la resistencia del cable, disminuir la resistencia del cable y mayor confiablidad en la medición.
