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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL CARMEN DES –DACQYP Flujo de fluidos *INSTRUMENTOS DE MEDICION DE CAUDALES* Profesor: Ing. María del Carmen Milán Cárdenas. Presenta: Vanessa Paulette Bárcenas Bernal. Viridiana Villalobos Trujillo. Irene del Carmen Castillo Sánchez. Jonathan de Carmen contreras Valdez. Edy Alberto Antonio Díaz. 31 de Marzo del 2011, Cd. del Carmen, Campeche.

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Flujo de fluidos

 *INSTRUMENTOS DE MEDICION DE CAUDALES*  

Profesor: Ing. María del Carmen Milán Cárdenas.

 Presenta:Vanessa Paulette Bárcenas Bernal.

Viridiana Villalobos Trujillo. Irene del Carmen Castillo Sánchez.

Jonathan de Carmen contreras Valdez.Edy Alberto Antonio Díaz.

31 de Marzo del 2011, Cd. del Carmen, Campeche.

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Los instrumentos para medir caudales se llaman caudalimetros.

Un  caudalímetro  es  un  instrumento  de  medida  para  la  medición  de  caudal  o  gasto volumétrico de un fluido o para la medición del gasto másico.Estos aparatos suelen colocarse en línea con la tubería que transporta el fluido. 

También suelen llamarse medidores de caudal, medidores de flujo o flujómetros.

Los caudales se pueden medir  en flujo cerrado  o tuberías  o en flujos abiertos o canales.

INTRODUCCION

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Caudalimetros de área de paso constantesAdaptando un integrador se obtiene el flujo total o volumen total que ha circulado por la tubería

integrador de flujo de 6 dígitos modelo 14

 Caudalimetros de área de paso variables

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Caudalimetros de área de paso constantesCaudalimetros de área de paso constantes

*Constan esencialmente de dos elemento: 

Elemento deprimógeno

Manómetro diferencial

Elemento que provoca una caída de presión. 

Mide la presión 

 Una característica esencial de  estos instrumentos es que el caudal  es proporcional a la raíz cuadrada  de la caída de presión . un fluido que circula por un conducto  cerrado experimenta un  una caida de presion  ( perdida de carga).Accesorios mas utilizados para medir caudales : codos y válvulas.

Caudalimetros  de constricción:  cualquier estrechamiento de flujo , provocado por una restricción o               estrechamiento  del área de paso , puede servir de elemento deprimógeno

Caudalimetros  de constricción         •Tubo de venturi•Toberas•diafragma

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Tubo de venturi

Provoca una diferencia de presiones . Siendo el caudal Q una función de dicha diferencia , midiendo esta se puede calcular el valor de Q.

Consta de 3 partes:

*una convergente 

*seccion minima o garganta

* Otra divergente

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Despreciando en primera aproximación las perdidas  la ecuación de bernoulli  escrita entre las secciones 1 y 2 .

P1/g + z1  + V1/2g= p2/g+z2+v2/2g

ECUACION de continuidad

Y por tanto  despejando v1

Sustituyendo en la ecuación de bernoulli

Para el caudal     

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Es decir

  

H1 y h2 son las alturas pieziometricas en los puntos 1 y 2Obteniendo un coeficiente de caudal  Cq 

Se obtiene      

Para Cv en las ecuaciones del caudal no es una constante por que depende del numero de Reynolds Re.Para aminorar    las perdidas el  de  la parte convergente    suele hacerse de 20° y el Angulo  de  la parte divergente suele estar entre los 5 y 7°.Este medidor es ideal como elemento deprimogeno en tuberías donde el flujo es continuo Por que  produce depresión  h grande con perdidas hr mínimas.

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Tubo de venturi : V , con transmisor eléctrico ; T , indicador de flujo  I; registrador de flujo  R  e integrador R 

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Toberas de medidaLas toberas en general son conductores convergentes en la dirección del flujo que producen un aumento de velocidad y una disminución de la presión. Las toberas se utilizan en la técnica para múltiples fines. Se utilizan también para medir caudales. 

Los venturis, lo mismo que las toberas pueden diseñarse de diversas formas. Después de investigaciones se han establecido los denominados Venturis, Toberas y Diafragmas standard.

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Ecuación:La ecuación de las toberas de medida son las mismas que las del tubo de venturi.Definiendo un coeficiente de caudal Cq que calculara también experimentalmente (tarado del venturi), y que engloba el coeficiente Cv:

Se obtiene:

Cq = Coeficiente de caudal (Adimensional)Cv = Coeficiente de velocidad (Adimensional)A = Area (m2)Q = Caudal real (kg/m3)h = altura (m)

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DiafragmaUn  diafragma  es  una  placa  de  metal,  bronce,  acero  inoxidable,  etc.  Por  su  sencillez  de construcción  son muy usados para medir  caudales  tanto en  líquidos  como gases. Resultan aun más económicos de instalación que las toberas; pero tienen aun mas perdidas. 

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EcuaciónLa  formula para  calcular  el  caudal  es  la misma que para el  venturi  donde Cq  se ha de obtener también experimentalmente (tarado del diafragma). Deduzcamos  esta  formula  por  otro  procedimiento,  como  aplicación  practica  de  la  ecuación  de bernoulli con perdidas y la ecuación de la continuidad, aplicada entre las secciones 0 y 2:

De donde:

         Y:

Que  coincide  con  la  ecuación  de  las  toberas  de  medida:

Cq = Coeficiente de caudal (Adimensional)ζ = Coeficiente de perdidas (Adimensional)α = Alfa (m)β = Beta (m)A = Area (m2)Q = Caudal (kg/m3)h = altura (m)d /D = diámetro (m)

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Toberas de medida:

Diafragma:

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ELEMENTOS DEPRIMÓGENOS

Además  de  venturis,  toberas  y  diafragmas,  en  la  practica  se  emplean  otros muchos elementos deprimógenos. 

En estos instrumentos el coeficiente de caudal Cq se ha de determinar en cada caso experimentalmente mediante un tarado del instrumento.

Los tres más importantes son: codos, camaras espirales y válvulas. 

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Los elementos deprimógenos son muy importantes tanto en la industria como en 

nuestra propias casas.Son usados tanto en la vida cotidiana como en 

las grandes industrias (termoeléctricas, hidroeléctricas, industria petrolera, etc.)

Su función va desde cambiar la dirección del fluido, hasta impedir o dejar pasar el fluido.

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MANÓMETROS DIFERENCIALES DE RAÍZ CUADRADA     El manómetro es un instrumento que se emplea para medir la presión del sistema de filtración

     Los manómetros se utilizan en muchas partes desde una piscina hasta grandes industrias.

     Es usado en la termoeléctricas, hidroeléctricas, etc.

El Δh se mide con un manómetro diferencial de tipo de flotador, de tipo anular tórico, de tipo de Bourdon, etc. El manómetro puede dar directamente la lectura en caudales si se le incorpora un convertidor de raíz cuadrada. Todos los caudalimetros registradores así como los totalizadores de flujo dan la lectura directamente en unidades de caudal.    

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Calcular  Q  para  un  fluido  en  un  manómetro diferencial  de  raíz  cuadrada,  cuya  lectura  del manómetro (h) dieron como resultado 8m y 2m. El área es de 2m2  .El valor de Cd es igual a 4.  Solución:

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Los  medidores=  Utilizados  para  estimar  el  gasto  en  determinada  sección  de  la tubería.Clasificación= Medidores volumétricos y másicos.  (ambos pueden servir para  la misma aplicación, ya que volumen y masa son proporcional entre sí.)

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

Es  el  fenómeno  físico  en  que  se  basa  el  medidor,  y  es  una  característica  de diseño. 

Para los medidores de caudal volumétricos:  los  principales  sistemas  son  presión diferencial,  área  variable,  velocidad,  tensión  inducida  ,  desplazamiento positivo y vórtice.

Para los medidores de caudal másicos: se deben destacar el sistema térmico y el sistema basado en la fuerza de Coriolis. 

.

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Medidores de Caudal de Área variable

oSe deben instalar verticalmente. 

oEl área del tubo es pequeña en  la parte  inferior y va aumentando hasta alcanzar  la mayor sección en la parte superior.

oEl flotador, sólido, tiende a bajar debido a  la fuerza de gravedad (su peso) y el fluido, que circula de abajo hacia arriba, tiende a levantarlo debido a la fuerza de arrastre de este. 

oAdemás de la fuerza de arrastre, existe una fuerza que ejerce el fluido sobre el flotador, que es igual al peso del volumen del fluido que desaloja. oEl tubo debe estar graduado, además de permitir la visualización del flotador.

oEl  tubo  se  puede  graduar  teniendo  en  cuenta  que  la  fuerza  de  arrastre  depende  de  la velocidad del fluido, y una vez se conoce esta, se puede obtener el caudal. 

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oEl medidor mas representativo de esta clase es el rotámetro.

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Medidores de Caudal de velocidad

Existen tres elementos para caudalímetros que basan su principio de funcionamiento en la velocidad del fluido: Los vertederos (para canales abiertos), las turbinas y las sondas ultrasónicas. 

Los medidores de caudal tipo turbina: 

Se basan en un rotor que gira a una velocidad proporcional al caudal del fluido que pasa. Para obtener la velocidad de giro del rotor se pueden utilizar dos técnicas.

Dentro del grupo de los medidores rotativos, destacan el cicloidal, el birrotor y eloval.

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LOS MEDIDORES DE CAUDAL TIPO TURBINA:

Se basan en un rotor que gira a una velocidad proporcional al caudal del fluido que pasa. 

Dentro del grupo de los medidores rotativos, destacan el cicloidal, el birrotor y eloval.

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Los cicloidales consisten en dos lóbulos engranados entre sí que giran en direcciones opuestas y desplazando un volumen fijo de fluido en cada revolución.

El sistema birrotor consta de dos rotores sin contacto mecánico entre sí que giran sincronizados gracias a un acoplamiento con engranajes externo a la cámara por donde pasa el fluido (donde están los dos rotores). El desgaste mecánico es mínimo por no existir contacto entre los dos rotores y porque estos están equilibrados estática y dinámicamente.

Su aplicación principal es la medición de caudales de productos petrolíferos.

Los medidores ovales están formados por dos ruedas ovales que engranan entre sí. Su movimiento de giro es debido a la presión diferencial creada por el fluido.

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Térmico:

Los medidores térmicos de caudal usan dos técnicas para la determinación del caudal másico:

La primera es  la  elevación de  temperatura que experimenta el fluido en  su paso por un cuerpo caliente.

La  segunda es  la  pérdida de  calor  experimentada por un  cuerpo  caliente  inmerso en un fluido. 

Sea  cual  sea  la  técnica  que  utilicen  los  caudalímetros  térmicos,  se  basan  en  la  general insensibilidad de los fluidos a la variación de su calor específico en función de la presión y de la temperatura, es decir, el calor específico de los fluidos se puede considerar prácticamente independiente de la presión y de la temperatura.  

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Sensor de caudal con ruedas de paleta:

Se utiliza cuando los datos sobre el caudal deben trasmitirse como salida de impulsos. Este sensor contiene un transductor que trasmite una señal de          0-100Hz. La señal de la salida es linealmente proporcional al caudal. 

Este medidor funciona en medios como: el agua y líquidos de baja viscosidad

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Sensor de caudal de turbina:

 La alta precisión es la característica principal de este sensor. Mide con precisión el caudal de los líquidos transparentes sobre una amplia gama de caudales. 

Este  medidor  puede  instalarse  en  cualquier  orientación  deseada  siempre  y cuando se tenga cuidado de mantener el medidor lleno de líquido.

 El movimiento del líquido a través del medidor provoca la rotación de la turbina. Un sensor de proximidad externo detecta la rotación de la turbina sondeando el movimiento de las partículas. 

La rotación de la turbina es lineal con respecto al caudal.

 

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Medidor de caudal con fuelles de paleta: 

Este  tipo  de  disposición  es  ideal  para  utilizarse  en  aplicaciones  donde  la  suciedad  y  los contaminantes de granos sólidos son una gran preocupación. Este dispositivo opera de la siguiente forma:

El caudal provoca que la paleta (1) sea desviada en la dirección del caudal contra la fuerza de un resorte (2). 

Un fuelle (3) fabricado de bronce (o de preferencia acero inoxidable), aísla en forma hermética el medio de la sección de medición. 

El  movimiento  de  la  paleta  (1)  se  transmite  directamente  a  un  indicador  (4)  ,  este  indica  el caudal o la trasmite a un condicionador de señales. 

Un microinterruptor (6) y una lámpara indicadora (7) se activan cuando se alcanza el punto de referencia. La lámpara se acciona cuando el caudal está por debajo del punto de referencia. 

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Medidor de caudal magnético:

 Es utilizado en el análisis de líquidos difíciles y fangos, este medidor es un tubo hueco forrado con varios eléctrodos periféricos metálicos, puesto que  los eléctrodos sobresalen de manera insignificante en las paredes de la tubería del medidor, el medidor está casi totalmente libre en  su  interior,  esto ayuda a hacer que este medidor  sea adecuado para  líquidos que varían desde lodos de alcantarilla hasta una gran variedad de aplicaciones químicas.

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Sensor de caudal térmico compacto: 

Utiliza el principio calorimétrico para monitorear en forma continua el caudal tanto de medios viscosos como de no viscosos. 

La velocidad del caudal se transmite por medio de una salida.

La  capacidad  de  transmisión  se  hace  posible  gracias  al  alto  grado  de estabilidad de temperatura proporcionado por su diseño. 

  La  ausencia  de  salientes  evita  que  los  contaminantes  se  acumulen  en  la punta de la sonda.

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Medidor de caudal bridado: 

Este  dispositivo  funciona  con  el  principio  de  área  variable,  es  ideal  para aplicaciones difíciles en las que se requiera una operación a alta presión o una pérdida de baja presión. Su diseño está disponible en acero. En la configuración estándar es un medidor puramente mecánico

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Medidor de caudal de presión diferencial:

 Estos medidores están diseñados para aplicaciones en ambientes difíciles, la falta de sensibilidad ante campos magnéticos y la capacidad de resistir grandes presiones excesivas sin daños, se combinan para hacer de este un instrumento resistente. 

Es de fácil uso, fácil lectura y fácil mantenimiento, se puede utilizar en tuberías horizontales o verticales.

 Este dispositivo determina el caudal mediante la medición de la pérdida de presión a través de un orificio calibrado.

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Medidor de caudal de masa electrónico: 

Mide caudales de gas, en contraste con la mayoría de otros dispositivos de dosificación de caudal volumétrico, este medidor no necesita corrección de presión o temperatura.

Se encuentra disponible en aluminio o acero inoxidable, con o sin una pantalla digital.

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Caudalimetro electromagnéticoConstituyen un sistema sin partes móviles, no ocasionan ninguna restricción en la circulación y por lo tanto la perdida de carga es irrelevante.

  Debido  a  su  principio  de  funcionamiento,  basado  en  la  ley  de Faraday posibilita mediciones precisas y confiables.

Gracias  a  su  revestimiento  y  a  la  elección  del  material  de  los electrodos,  es  posible  su  empleo  con  fluidos  corrosivos  con sólidos en suspensión.

Su utilización esta muy difundida en  las industriasquímicas, papelera , alimenticias y de todo tipo.

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Ecuaciones fundamentalesLey da faraday:En un conductor eléctrico que se desplaza a través de un  campo  eléctrico,  se  induce  una  tensión  que  es directamente  proporcional  a  la  velocidad  del conductor, y a la magnitud de campo eléctrico.

Un campo magnético con bobinas de cable de cobre.Una corriente controlada por la bobina garantiza que la intensidad del campo magnético se mantenga constante durante la medición.La longitud del conductor(distancia entre ambos electrodos de medición y por lo tanto el diámetro) también es un valor constante.La única variable en la ecuación de faraday  es la velocidad de circulación del caudal

K=B=campo magnético N/C D= diámetro M V=velocidad del fluido M/S2

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Caudalimetro ultrasónicoEstán  basados  en  la  propagación  de  ondas  de sonido en un fluido.

El  principio  de  medición  en  los  caudalimetros  se basa  en  el  tiempo  de  transito  ultrasónico.  Tiene una  medición  de  alta  exactitud, independientemente  de  la  viscosidad,  la temperatura y la conductividad.

Sin perdida de carga a través del tubo de medición (liso) y sin obstrucción al  flujo-presion.

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Ecuaciones fundamentalesConsta de un trozo de tubería que se embrida en la tubería principal por la que circula el liquido. Esta dotado de dos centros de receptores:El centro emisor 1,(C1): irradia la dirección de la velocidad V del fluido.El centro 2, (C2): lo hace en sentido contrario.Uno y otro rayo forman un Angulo B con V.

De donde:

Y finalmente el caudal será:

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Conclusión La gran cantidad de teorías y modelos de caudalímetros que existen nos  confirman que no hay una  fórmula  ideal para medir  caudal.  La decisión  final  se  debe  tomar  en  base  al  caudal,  viscosidad, temperatura,  composición  química  y  presión  del  fluido  que deseamos  medir.  Cada  aplicación  tiene  un  caudalímetro  que  se adapta mejor a su necesidad.Los  costos  son  también  un  factor  a  considerar,  la  confiabilidad, precisión y durabilidad son factores muy asociados al costo. No es lo mismo buscar un caudalímetro para un producto de consumo masico como un calentador de agua, que buscar un caudalímetro para medir la  cantidad  de  sangre  que  está  circulando  por  un  bypass  o  un caudalímetro  para  medir  la  cantidad  de  vapor  a  presión  que  se desecha a una chimenea de una planta de energía de fusión nuclear.

GRACIAS POR SU ATENCION

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Bibliografía

Mataix, C. (1986) - Mecánica de fluidos y máquinas hidraulicas (2da edición)

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