INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE FLUJO

Objetivos:

Al finalizar la sesión el participante estará en condiciones de identificar y describir correctamente el funcionamiento de los Instrumentos de medición de Flujo Volumétrico de un Sistema de Control Industrial

Objetivos:

Al finalizar la sesión el participante estará en condiciones de identificar y describir correctamente el funcionamiento de los Instrumentos de medición de Flujo Volumétrico de un Sistema de Control Industrial

GENERALIDADES

Siempre que se trabaja con un fluido, existe la necesidad de realizar un conteo de la cantidad que se transporta, para lo cual utilizamos medidores de flujo.

Algunos de ellos miden la velocidad de flujo de manera directa, otros miden la velocidad promedio, y aplicando luego la Ecuación de Continuidad y la Ecuación de la Energía de Bernouilli se calculan la velocidad y el caudal.

DEFINICIONES BÁSICAS

Fluido: Sustancia que se deforma continuamente al ser sometida a una fuerza tangencial, de tal manera que adopta espontáneamente la forma del recipiente que lo contiene.

Flujo: Fluido en movimiento, debido a una diferencia de presiones.

Tipos De Flujo• Flujos Abiertos: canales abiertos, ríos

• Flujos Cerrados: tuberías

Flujos LaminaresFlujos Turbulentos

Flujos Cavitantes

FACTORES PARA LA ELECCIÓN DEL TIPO DE MEDIDOR DE FLUIDO

• Intervalo de medición • Exactitud y precisión requerida• Pérdida de presión • Tipo de fluido • Tipo de medición• Calibración y configuración• Medio ambiente• Lugar de ubicación

VARIABLES FISICAS APLICABLESEn función del fluido y el tipo de caudal (volumétrico o másico)

que se desea medir, se pueden agrupar los sensores por la variable física a transformar para la medición:

Mediciones volumétricas:

a) Presión diferencial

b) Área Variable (Rotámetro)

c) Velocidad (Turbinas)

d) Tensión Inducida (Medidor Magnético)

e) Ultrasonido

f) Vórtex

Mediciones másicas:

a) Compensación de presión y temperatura.

b) Fuerza de Coriolis

PRESIÓN DIFERENCIAL

Si imaginamos una corriente de agua por una tubería cerrada (ver gráfico), el caudal en la tubería se define como:

Q= V/t

Donde V es el volumen que se ha trasladado en el tiempo t

Si expresamos la velocidad como:

v= l/ t

Donde l es la longitud recorrida por el fluido en el tiempo t

Entonces:Q= V/ t = A. l/ t = A.v

Ley de ContinuidadSi la tubería tiene un estrechamiento de sección, el caudal permanece invariable en función a la Ley de Conservación de la Energía.

Pues en el proceso no se agrega ni se extrae volumen del sistema.

Entonces la siguiente ecuación tiene validez y se la denomina la Ecuación de Continuidad para flujos incompresibles.

A1.v1 = A2.v2

En consecuencia “la velocidad del flujo en la zona estrecha de la tubería será mayor que en la zona de mayor sección”.

Entonces se obtiene la Ecuación de Bernouilli de la conservación de energía en un flujo ideal (libre de rozamiento):

......(*)

Teorema de Bernouilli

En condiciones perfectamente horizontales, el flujo dentro de una tubería sólo puede deberse al trabajo realizado por la presión

Principio

Si se dispone entonces de una restricción en una tubería, por ejemplo una placa con un orificio de paso podríamos decir:

Aplicando (**) en (*):

......(**)

1. Por una tubería de 180 m. de longitud y 0,75” de diámetro, circula un fluido a una velocidad de 0,8 m/s. Calcular el caudal en litros/s

2. Por una tubería de 25 cm2 de sección, circula agua a la velocidad de 5 m/seg. Determinar el caudal en litros/seg y el tiempo para llenar un tanque de 8 m3.

3. Un líquido pasa por una tubería de 10 cm2 de sección a la velocidad de 5 m/seg.; si se desea aumentar la velocidad del fluido a 20 m/seg ¿Cuál será el diámetro en cm. del tubo de salida que se acoplaría?

Ejercicios

4. Las siguientes preguntas están relacionadas con la figura mostrada:

En la fig., el manómetro indica la presión diferencial de 0,5 m. de Hga) Hallar la relación VB/VA considerando el diámetro en el punto

A, 45 cm. y en el punto B, 15 cm.b) Determinar la velocidad en punto B. Asumir : d= 1 g/cm3 , g =

10 m/s2

c) Determinar el caudal en m3/s, considerando el diámetro en el punto A, 45 cm. y en el punto B, 15 cm. Asumir: d= 1g/cm3,, g = 10 m/s2

TIPOS DE MEDIDORES DE FLUJO VOLUMETRICO

• MEDIDORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL*Placa de Orificio, Tobera o Boquilla de Flujo, Tubo de Venturi, Tubo de Pitot, Tubo Anubbar

• MEDIDOR DE ÁREA VARIABLE*Rotámetro

• MEDIDORES DE VELOCIDAD*Turbina, Transductores ultrasónicos

• MEDIDOR DE FUERZA* Medidor de Placa

• MEDIDOR DE TENSIÓN INDUCIDA*Medidor magnético de caudal

• MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO*Disco y Pistón oscilante, Pistón alternativo, rotativos, etc.

• MEDIDORES DE TORBELLINO Y VÓRTEX• MEDIDOR OSCILANTE

PLACAS DE ORIFICIO

Consiste en una placa perforada, instalada en una tubería.

Cuando una placa de orificio se coloca en forma concéntrica dentro de una tubería, ésta provoca que el flujo se contraiga de repente conforme se aproxima al orificio y después se expande de repente al diámetro total de la tubería.

La corriente que fluye a través del orificio forma una vena contracta y la rápida velocidad del flujo resulta en una disminución de presión hacia abajo desde el orificio.

ECUACIÓN DE UNA PLACA DE ORIFICIO

TIPOS DE PLACAS DE ORIFICIO

Desventajas:El coeficiente de descarga puede cambiar con el tiempo debido al desgaste y la acumulación de suciedad.Se puede obstruir y reducir el diámetro del orificio. Para evitar esto se utilizan orificios excéntricos y segmentalesVentajas:Es económica.El 50% de los medidores de caudal utilizados en la industria son P.O.

1. La concéntrica: sirve para líquidos2. La excéntrica: para los gases3. La segmentada cuando los fluidos contienen un pequeño

porcentaje de sólidos y gases disueltos.

Las desventajas del sistema de orificio:

* Pérdida de carga (caída de presión) apreciable debido al efecto de turbulencia que se puede generar antes de la placa

* Los valores de Cd llegan a máximo 0,6

* Para mejorar esta situación se desarrollan perfiles más lineales, que minimicen estos efectos.

* Así se formaron las toberas y los venturímetros, permitiendo valores de Cd hasta 0,97.

BOQUILLA O TOBERA DE FLUJO Es una contracción gradual de la corriente de flujo seguida de una sección cilíndrica recta y corta.

La tobera permite caudales 60% superiores a los de placa-orificio en las mismas condiciones de servicio.Su pérdida de carga es de 30 a 80% de la presión diferencial.Puede emplearse para fluidos que arrastren sólidos en pequeña cantidad.La precisión es del orden de +/-0.95 a +/-1.5%.

Es una tubería corta recta, o garganta, entre dos tramos cónicos. La presión varía en la proximidad de la sección estrecha; así, al colocar un manómetro o instrumento registrador en la garganta se puede medir la caída de presión y calcular el caudal instantáneo.Permite la medición de caudales 60% superiores a los de la placa orificio en las mismas condiciones de servicio y con una pérdida de carga de solo 10 a 20% de la presión diferencial.

TUBO DE VENTURI

Posee una gran precisión y permite el paso de fluidos con un porcentaje relativamente grande de sólidos, si bien los sólidos abrasivos influyen en su forma afectando la exactitud de la medida.El coste del tubo de Venturi es elevado, su precisión es del orden de +/-0.75%.

ECUACIONES DE UN TUBO DE VENTURI

TUBO PITOT.Tubo hueco colocado de tal forma que los extremos abiertos apuntan directamente a la corriente del fluido. La presión en la punta provoca que se soporte una columna del fluido. El fluido dentro de la punta es estacionario o estancado llamado punto de estancamiento.

/)1(2

/)(2

2

11

yysgv

ppgv s

EL TUBO ANNUBAR

Es una variante del tubo de Pitot que dispone de varias tomas, a lo largo de la sección transversal, con lo que se mide la presión total en varios puntos, obteniendo la media de estos valores y evitando el error que produce el tubo de Pitot.

La aplicación del teorema de Bernoulli y del principio de conservación del caudal, puede hacerse igualmente de manera recíproca a la vista anteriormente.

Es decir, se puede hacer variable la sección del paso del fluido y mantener constante la diferencia de presión entre ambos lados de una obturación.

ROTÁMETRO (AREA VARIABLE)

El tubo utilizado tiene una conicidad uniforme y un obturador ranurado, dispuesto en el interior, que es arrastrado por el fluido al que se opone con su peso. El fluido circula de abajo para arriba.

Por la ley de conservación de la energía se determina que la fuerza que recibe un cuerpo de sección A sumergido en un fluido en movimiento con velocidad v es:

Donde: Cw es el coeficiente de resistencia al flujo ofrecido por el cuerpo sumergido y que es función de las características de su superficie (aspereza), del número de Reynolds (por su geometría y características del fluido), y del nivel de turbulencia del flujo.

En el paso de un flujo laminar a uno turbulento, la resistencia que ofrece el cuerpo crece abruptamente, pasando su proporcionalidad de v a v2.

Esta condición establece el límite de linealidad del rotámetro, por lo que en su selección debe quedar claramente definido el rango de trabajo posible.

El cuerpo flotante generalmente tiene perforaciones para generar la rotación del cuerpo, para que le otorgue mayor estabilidad (efecto giroscópico) y no se desestabilice variando el área de paso hacia un lado del flujo.

ECUACIONES DEL ROTÁMETRO

wd cC 1

cf

fccd A

gVACvAQ

)(2

APLICACIONES

Medición de caudal de gases principalmente (también hay para fluidos simples como agua y alcohol), con indicación local

Configuración como FLOWSWITCH o FLUJOSTATO, por medio de detectores ya sea inductivos o capacitivos, sensando una posición determinada del flotador.

Por medio de una prolongación del flotador se puede conectar a un transductor potenciométrico o a un LVDT para sensar la posición y el movimiento del flotador, de modo que se tiene una salida eléctrica en función del caudal.

MEDIDOR DE FLUJO TIPO TURBINA

TURBINA

El fluido provoca que el rotor de la turbina gire a una velocidad que depende de la velocidad del flujo. Conforme cada una de las aspas del rotor pasa a través de una bobina magnética, se genera un pulso de voltaje que puede alimentarse de un medidor de frecuencia, un contador electrónico u otro dispositivo similar cuyas lecturas puedan convertirse en velocidad de flujo. Velocidades de flujo desde 0.02 L/min hasta algunos miles de L/min se pueden medir con fluxómetros de turbina de varios tamaños.

SENSOR DE FLUJO POR ULTRASONIDO

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 - Efecto Doppler.

1.- En fluidos limpios (Tiempo de tránsito): Se emiten pulsos ultrasónicos alternativamente en el sentido de flujo y en contra del sentido de flujo. Los pulsos se reciben en un receptor y se mide la diferencia del tiempo de tránsito de la onda en uno y otro sentido.

A) Posición del transmisor-receptor.B) Formas de onda en el circuito.

El tiempo de tránsito del sonido entre dos transductores A y B pueden ser relacionados con la velocidad promedio del fluido Vc.

Donde C es la velocidad del sonido en el fluido, los signos +/- se refieren a las direcciones aguas abajo o hacia arriba respectivamente, la variación del tiempo transcurrido se relaciona con la velocidad promedio como sigue:

2.- En fluidos con sólidos (Efecto Doppler) 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 caudalinstantáneo.

SENSOR DE FLUJO ELECTROMAGNETICO

MEDIDOR DE FLUJO ELECTROMAGNÉTICO

• Basado en la Ley de Faraday. Formado por un tubo, revestido interiormente con material aislante. Sobre dos puntos diametralmente opuestos de la superficie interna se colocan dos electrodos metálicos, entre los cuales se genera la señal eléctrica de medida. En la parte externa se colocan los dispositivos para generar el campo magnético, y todo se recubre de una protección externa, con diversos grados de seguridad.

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 un 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.

La diferencia de potencial que se induce será proporcional a la velocidad del fluido, con lo que el caudal se determina sencillamente multiplicando esta velocidad por la sección de la tubería. Estos caudalímetros requieren que el líquido a medir tenga un mínimo de conductividad.

UM = B v d k⋅ ⋅ ⋅

La tensión se toma UM = Valor medido de la tensión inducida en el fluido en dirección vertical al campo magnético y al sentido del flujo. por dos electrodos de punta.B = Densidad del campo magnético que traspasa el fluido en dirección vertical al sentido del flujo.v = Velocidad de flujo del fluidod = Diámetro interior del tubo de medidak = Factor proporcional o constante del sensor

Un caudalímetro electromagnético consiste, en general, en un tubo de medida sin características magnéticas conductoras, con una superficie interior eléctricamente no conductora, bobinas de excitación conectadas en serie y fijadas diametralmente en el tubo y, como mínimo, dos electrodos, traspasados por la pared del tubo y en contacto con el fluido de medida. Las bobinas inductoras, traspasadas por la corriente, generan un campo electromagnético pulsante con una densidad de campo B vertical al eje del tubo.

Este campo magnético penetra el tubo de medida no conductor y el fluido que fluye a través del tubo de medida, el cual debe tener una conductividad eléctrica mínima.Según la ley de inducción de Faraday, en un fluido electroconductor se genera una tensión UM, la que es proporcional a la velocidad del flujo v del fluido, a la densidad del campo magnético B y a la distancia entre los electrodos d (diámetro interior del tubo).

La tensión de señal UM se toma por medio de los electrodos que están en contacto con el fluido y se conduce a través de la pared del tubo aislante.

CARACTERISTICAS GENERALES

1.- Las paredes del instrumento tienen un revestimiento especial que evita el cortocircuito de la tensión inducida.2.- El principal limitante es la conductividad del fluido y esta debe ser mayor a 5 µS/cm, lo cual limita su uso a líquidos con esta característica.3.- Los líquidos deben ser homogéneos sin marcadas diferencias entre líquidos o líquido-gas.4.- Para la validez de la ecuación, la tubería debe estar llena, cubriendo los electrodos.5.- Medición de flujo de productos alimenticios líquidos.6.- Medición de flujo de productos farmacéuticos líquidos.7.- Este sensor se utiliza para medir flujo exclusivo para líquidos.

SENSOR DE FLUJO TIPO VORTEX

• La frecuencia de los vórtices creados es directamente proporcional a la velocidad del flujo y, por lo tanto, a la frecuencia del flujo del volumen.

• Pueden utilizarse en una amplia variedad de fluidos incluyendo líquidos sucios y limpios, así como gases y vapor.

MEDIDOR DE FLUJO POR VORTICEUna obstrucción chata colocada en la corriente del flujo provoca la creación de vórtices a una frecuencia que es proporcional a la velocidad del flujo. Un sensor en el fluxómetro detecta los vórtices y genera una indicación en la lectura del dispositivo medidor.

De acuerdo al principio de Von Karman, si en una tubería ponemos una obstrucción y medimos la frecuencia a la que se desprenden los remolinos o vórtices podemos determinar la velocidad y en consecuencia el caudal. Los caudalímetros vórtex 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.

En un flujo continuo con una barrera (por ejemplo un cilindro) y con un número de Reynolds superior a 50, se forman torbellinos debido a efectos de rozamiento con la barrera. Al conjunto de torbellinos se le denomina calle de Karman.

Nota:

Número de Reynolds, número adimensional que se utiliza en la mecánica de fluidos para estudiar el movimiento de un fluido en el interior de una tubería, o alrededor de un obstáculo sólido. Se representa por R.El número de Reynolds puede ser calculado para cada conducción recorrida por un determinado fluido y es el producto de la velocidad, la densidad del fluido y el diámetro de la tubería dividido entre la viscosidad del fluido. Para un mismo valor de este número el flujo posee idénticas características cualquiera que sea la tubería o el fluido que circule por ella.

Este fenómeno de la calle de Karman es el fundamento del funcionamiento del caudalímetro a torbellino o vórtex.

Aquí obtenemos la expresión general para el caudal en función de la frecuencia de formación de torbellinos.

Para la detección de la frecuencia a la cual se forman estos torbellinos se emplean algunos métodos que utilizan sensores como los que se indica a continuación.

CARACTERISTICAS PRINCIPALES