UNIVERSIDAD TECNOLGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERA

INGENIERA DE PETRLEOS

INSTRUMENTACIN

Captulo 6 y 7 HAROLD SOISSON:Medicin de Nivel y Caudal de Fluidos.

Andrs Landeta4TDDocente. Ing. Ral Balden

13/01/2016

1. INSTRUMENTACIN DE NIVELES LQUIDOS Y SECOSLos niveles se pueden medir con dispositivos mecnicos, elctricos y electrnicos. Hay que considerar que una de las mayores dificultades est en la precisin.

1.1. INSTRUMENTOS MECNICOS PARA MEDIR NIVELESEstos son dispositivos visuales e indicadores, en los dispositivos tenemos una varilla que se la puede insertar en el recipiente y con la ayuda de una varilla especial incluso podemos ver el asentado, esta varilla no es til para materiales txicos o corrosivos.

Tenemos la mirilla de vidrio til para lquidos no corrosivos ni que manchen, estas tienen fluctuaciones menores a 3 pies y utilizan alumbrados especiales para poder ver los colores de distintos lquidos, para un control automtico utilizan los sensores fotoelctricos y su precisin es de 1/64 plg, en este instrumento siempre debemos cuidarnos de la accin capilar y hay que considerar que un depsito alto y angosto debe ser ms exacto.Sistemas de flotadores para medicin de nivelesSe tiene un flotador con una cinta o cadena, es til para depsitos abiertos o cerrados, entre los tipos tenemos flotador con brazo de torsin, flotador de jaula y flotador magnticamente acoplado. Es necesario considerar la forma, el tamao y el material del flotador. Para hacer un control remoto en necesario usa relevadores piloto o un transductor, con este sistema es difcil tener una operacin limpia y eficiente.

Mecanismo de flotador de bolaEs til para depsitos abiertos y cerrados, dependen de la longitud del brazo que sostiene al flotador, se puede usar una vlvula de control para poder mantener el nivel, no es aconsejable para usarlo con lquidos en ebullicin y para un uso de control remoto se usa relevadores piloto.Es preferible utilizar un flotador plano ya que tiene una mejor sensibilidad y precisin sin embargo no es aconsejable para grandes variaciones. El flotador de desplazamiento es largo y de dimetro pequeo, hay que sumergirlo y me da una lectura del 100%, es til para lquidos inflamables o txicos y altas presiones. A los medidores magnticos de flotador de bola es necesario aislarlos del material, trabaja con unos imanes y una escala para medir el nivel, su precisin es menor a 3 mm y para un control automtico utiliza un conmutador.El flotador de jaula es una variacin del flotador de bola pero conserva el mismo principio de la mirilla de vidrio, estos flotadores se los puede usar para hacer funcionar pilotos o relevadores.

1.2. SISTEMAS DE CADA DE PRESINDependen de la presin y la densidad, para realizar la medicin se puede utilizar un sistema de burbujas, aqu la presin aumenta por cada pulgada de nivel. Los indicadores de manmetro para niveles de lquidoSon tiles para recipientes cerrados o abiertos, tenemos el manmetro tipo cubeta que con la medida de presin diferencial me da la medida de nivel. Tambin tenemos el manmetro medidor de flujo que puede ser de registro o indicador, este soporta altas presiones, es necesario indicar que cuando se tiene una presin de vapor alta es necesario realizar compensacin. Los indicadores o registradores de diafragma son tiles para lquidos corrosivos y slidos, aqu el diafragma debe estar en el nivel cero.

1.3. INSTRUMENTOS ELCTRICOS PARA MEDIR NIVELESSe instalan electrodos en alto y bajo nivel, son tiles para activar vlvulas, luces, etc. no se los recomienda para vapores explosivos. Se los puede usar sin utilizar sellos de empaque o ejes.Tiene desventajas en trabajar en vapores saturados y adems promueve la corrosin, sin embargo son fciles de calibrar y registra el cambio de nivel con una variacin de resistencia. Al trabajar con materiales secos las aletas giran hasta llegar a la estabilidad, son unidades sensibles compactas y resistentes.

1.4. INSTRUMENTOS ELETRO ELECTRNICOS PARA MEDIR NIVELESSon los de conductancia, capacitancia, corriente parsita, ultrasnicos y radiofrecuencia, todos estos emplean un mecanismo elctrico de control, indicacin y registro.Tipo conductancia.- Son una variacin del sistema de resistencia de varilla, son tiles para vapores explosivos, son baratos, seguros y de sensibilidad adecuada, se pueden emplear automticamente y no son aplicables en todas las soluciones acuosas.Para su eleccin se debe considerar los requisitos de energa, tolerancias de capacitancia en paralelo, modo de operacin, ubicacin de los controles y la temperatura. Aqu se emplean electrodos de varilla para longitudes < 1.80m y electrodos suspendidos en alambre > 1.8m Tipo capacitancia.- tiles para indicacin continua, valores altos y bajos de nivel, lquidos conductores y no conductores, adems soportan la vibracin y estn cubiertos, funcionan con las variaciones de las caractersticas dielctricas del material, el cambio de capacitancia.Tipo ultrasnico.- usa varillas para dar una seal ultrasnica, un generador y un receptor ultrasnico, es til para lquidos y slidos granulados pequeos.

1.5. INSTRUMENTOS NUCLEARES PARA LA MEDICIN DE NIVELESSe basa en la radiacin de la radiacin gamma por un material, es decir calcula la variacin de radiacin. Anotemos que la radiacin emitida por la fuente disminuye con la edad, la fuente debe estar siempre protegida y este sistema es til para materiales a alta temperatura, corrosivos, pegajosos o abrasivos. 1.6. MEDICIN DE NIVEL POR PESADOSe los pesa a los materiales y es til para un flujo continuo portado en un transportador o cuando se transporta en una cubeta.

2. INSTRUMENTACIN Y MEDICIN DE FLUJOSEl flujo de material en un proceso o sistema se puede medir mediante una variedad de mtodos que dependen del material, el volumen, la n necesaria y el control requerido. Los principales mtodos que se utilizan en la industria incluyen medidores de carga, de reas, electromagnticos, de masas, de desplazamiento positivo y de canal abierto.

2.1. MEDIDORES DE FLUJO DE CARGALos medidores de flujo de carga constituyen el tipo de dispositivo ms comn que sirve para medir el flujo de gases lquidos y lechadas. Estos medidores determinan la presin diferencial en una restriccin al flujo. La presin se puede relacionar con la fuerza por unidad de rea y la carga convierte en una funcin de la velocidad del flujo y la densidad del medio fluyente. Todas las ecuaciones aplicables se pueden derivar del teorema de Bernoulli, que establece que:

En donde:p = densidad del liquidov = velocidad de1 lquido en movimientop = presing = constante gravitacional

Cuando se-coloca una restriccin en una tubera, se crea una diferencial de presin, de manera que, en el caso de fluidos no compresibles, la carga h se define como

En dondep1 = presin en el lado corriente arriba de la restriccinp2 = presin en el lado corriente abajoy = peso especfico del fluidov1 = velocidad promedio en el lado corriente arribav2 = velocidad en el lado corriente abajo

Para crear la presin diferencial, esta restriccin al flujo se genera mediante un tubo Venturi, una boquilla, una placa de orificio o un tubo Pitot. El tubo Pitot se incluye en este estudio, pero slo tiene aplicaciones industriales limitadas.Los medidores de flujo de carga operan de acuerdo con el principio de la conversin de energa. El tubo de Venturi, la boquilla y la placa de orificio convierten la energa cintica de la velocidad en una presin esttica. Los tubos Pitot dependen de la conversin de energa cintica a presin en el tubo de impacto.Tubo Venturi. Se muestra un tubo Venturi. Este tipo de restriccin se usa para lechadas, que aqu se consideran como fluidos que contienen slidos en suspensin. Tambin se puede usar para lquidos cuando se necesita una restriccin mnima y en los casos en que se requiere la mayor exactitud posible para la medicin de flujo por carga.El tubo Venturi es caro en comparacin con la boquilla y las placas de orificio, que se vern ms tarde.El tubo Venturi es un dispositivo para medir flujos que, por lo general, se inserta dentro de una tubera ms o menos de la misma manera que cualquier otra seccin de tubo. El tubo Venturi se compone de una seccin de entrada cuyo dimetro es idntico o muy parecido al dimetro interno de la tubera a la que se conecta, y que comunica con un cono de convergencia angular fija. A su vez, el cono se conecta a una seccin de garganta maquinada con precisin y que tiene dimensiones de diseo precisas. La garganta tiene el dimetro interno ms reducido y se ensancha en el cono de salida. El cono de salida tiene una divergencia angular especfica, que se iguala con la porcin de salida del dimetro interno de la tubera usada en el sistema. Los clculos de diseo para determinar los ngulos de convergencia y divergencia no se estudiarn en, este libro, porque son muy difciles, pero contribuyen notablemente al costo de un tubo Venturi.

La seccin de entrada del tubo Venturi est equipada con conexiones de piezmetro en un anillo de presin anular para promediar la presin corriente arriba, y en este punto es donde se hace la conexin del medidor de alta presin. En el punto en que se hace la conexin de baja presin se localiza un anillo, similar para la garganta.. La carga de presin diferencial se manifiesta en la diferencia de presin entre la entrada y la garganta.

Tubo Venturi de Insercin. El tubo Venturi de insercin es una variante del tubo Venturi comn y corriente, que se puede colocar dentro de una tubera para medir, altas presiones, a un costo mucho menor que el que representara el diseo de un tubo Venturi normal para estas aplicaciones. El tubo Venturi insertado se muestra en la figura 7.2. Cuenta con todas las caractersticas deseables del tubo Venturi estndar para mediciones de flujo. El tubo Venturi se introduce en la tubera y se sujeta con un anillo robusto que es parte integral del tubo. La conexin de baja presin se hace con esta porcin, que tambin contiene las aberturas del piezmetro y el anillo de presin de la garganta. La conexin de alta presin se hace a travs de la pared de la tubera de alta presin, aproximadamente a una distancia igual a un dimetro de tubera corriente arriba a partir del cono de entrada. Como se muestra, la seccin insertada contiene el cono de entrada corriente arriba, la garganta y un cono de recuperacin o salida. Esas partes requieren un maquinado de alta precisin y sumamente cuidadoso, y estn diseadas para proporcionar una prdida mnima de carga de presin.

Figura 7.2 Corte transversal de un tubo Venturi de insercin.

Boquilla de flujo. La boquilla es similar al tubo Venturi de insercin, con la excepcin de que no tiene un cono de recuperacin. Este dispositivo es menos costoso que el tubo Venturi y tambin cuenta con una recuperacin de carga inferior. No obstante, posee una recuperacin de carga ms elevada que la placa de orificio.

Placas de orificio. Este tipo de placas es el dispositivo primario de medicin de flujo que se usa a menudo, debido a su simplicidad, bajo costo de fabricacin y facilidad de instalacin. Tambin produce la prdida de carga ms elevada, pero en la mayora de las mediciones de flujo, esta prdida tiene menos importancia que 1. La medicin de flujo propiamente dicha. Las placas de orificio bien hechas y correctamente instaladas permiten lecturas consistentes y, si se emplean de la manera adecuada y, con coeficientes apropiados, pueden ser tan precisas como cualquier otra clase de medidores de flujo.Las placas con orificio convencionales son similares a la que se muestra en la figura 7.4. Se trata de una pieza de metal delgado con la suficiente resistencia para no pandearse bajo las presiones diferenciales que tiene que soportar estando en servicio. En aplicaciones convencionales se utilizan espesores de material de 1/16 de pulgada para tamaos de tubera hasta de 4 pulgadas, 1/8 de pulgada de espesor para tuberas hasta de 16 pulgadas y 1/4 de pulgada de espesor, para dimetro de tubos superiores a 16 pulgadas.Para asegurar resultados consistentes de medicin, la cara de corriente arriba de la placa con orificio debe ser plana y perpendicular al eje del tubo una vez que queda instalada. El borde corriente arriba del orificio debe ser a escuadra, en un corte limpio. El espesor del borde del orificio no debe ser mayor que 1/8 de pulgada para aberturas mayores de 1/2 pulgada de dimetro y no mayor que 1/16 de pulgada para aberturas ms pequeas que 1/2 de pulgada de dimetro. Cuando se necesitan espesores mayores para soportar las presiones de la aplicacin dada, los espesores de la pared en la abertura del orificio se pueden reducir biselando la cara de corriente abajo, a un ngulo de 4511 o mayor, para obtener el espesor apropiado.

Figura 7.3 Corte transversal de una boquilla e flujo.

Figura 7.4 Placa de orificio convencional.

Para la placa de orificio concntrico puede predecirse bien su exactitud debido, primordialmente, a que la American Society of Mechanical Engineering (ASME) ha acumulado numerosos datos de su funcionamiento que cubren un amplio rango de velocidades de flujo, tamaos de tubera, presiones diferenciales y otros factores relacionados con su uso.En-la figura 7.5 se muestra una instalacin tpica de la placa de orificio concntrico que muestra el contorno del flujo. Cualquier fluido que pasa a travs de una abertura a escuadra con filo tiene el contorno de flujo indicado. El dimetro ms pequeo de la corriente se conoce con el nombre de la vena contrasta, que equivale a la garganta del subo Venturi 0 la boquilla de flujo.Las placas de orificio excntrico y segmentado, que se muestran en la figura 7.6, son otros dos tipos de placas con orificio que se emplean cuando el fluido medido contiene materiales suspendidos que pueden acumularse en la parte posterior de una placa concntrico. La tendencia que tiene esta clase de materia suspendida a acumularse en el lado corriente arriba de las placas de orificio concntrico origina lecturas errticas. Las placas con orificio casi siempre se instalan de manera, que el orificio est

Figura 7.5 Corte transversal de una instalacin tpica de placa de orificio concntrico y el diagrama de flujo resultante.

Figura 7.6 Placas de orificio tpicas. a) Excntrico. b) Segmentado

Dentro de un margen de 0.025 plg. de la base de la tubera. Esto reduce a un mnimo el peligro de atascamientos. Los clculos y los factores de flujo de los orificios concntricos no se aplican a las placas excntricas ni a las segmentadas.Las placas con orificio casi siempre se montan en acoples de brida que se atornillan juntos, como se puede ver en la figura 7.5. Las bridas van atornilladas al tubo o soldadas en l, segn el tamao de ste y la presin de lnea del sistema. Las tomas de presin corriente arriba y corriente abajo casi siempre se montan en las bridas. La toma de alta presin se encuentra en el lado corriente arriba y la de baja presin va en el lado de corriente abajo. Cuando se van a emplear presiones de lnea muy altas, se usa un anillo para sujetar el orificio con el objeto de soportar la placa de orificio. El anillo de soporte se monta entre las bridas y le proporciona una resistencia adicional a la placa de orificio y al sello.Cuando se desea obtener el mximo de presin diferencial, se utilizan tomas de vena contrasta. La ubicacin de ellos depende del tamao de la tubera y de la relacin entre el orificio y el tamao de sta. La distancia es variable para distintas aplicaciones, de manera que la brida corriente abajo tiene que taladrarse en la vena contrasta y la de corriente arriba se hace en un punto que da la presin esttica real en la lnea de flujo. En la figura 7.7 se muestra una ubicacin tpica. Existen tablas elaboradas por los fabricantes de placas de orificio que proporcionan la mejor ubicacin, basada en la relacin entre el orificio y el tamao de la tubera. En la tabla 7.1 se presentan algunos ejemplos.Los injertos tambin se usan en instalaciones de placa de orificio, sobre todo cuando se desea utilizar manmetros para diferenciales bajas. Una de las aplicaciones posibles es en las grandes tuberas de gas natural, en donde dichos injertos son ms econmicos. Los injertos de tubera corriente arriba se instalan por lo comn a 2 1/2 Dimetros del tubo, antes de la placa de orificio, y la de corriente abajo se sita a 8 dimetros de tubera despus de- esta. En estas condiciones, lo nico que se mide es la prdida por friccin. Esto permite la medicin de un flujo alto con un medidor de presin para presin diferencial baja. No obstante, en la mayora-de las instalaciones modernas se utilizan injertos de brida, ya que

Figura 7.7 Corte transversal de una vena contrasta y otras clases de injertos.Se adaptan a la mayora de las aplicaciones sin requerir tomas o perforaciones adicionales. Cuando se emplean bridas roscadas, se debe tener cuidado de que las roscas o cuerdas no se extiendan ms all de las aberturas de los injertos. En los casos en que esto ocurre, se hace necesario perforar el hueco a travs de la porcin del tubo roscado.Es necesario instalar con mucho cuidado las placas con orificio para asegurarse de que queden centradas en la tubera. Durante la instalacin, casi siempre se deja que la placa: con orificio descanse sobre los pernos, ya que sta es una forma de sujecin conveniente. Sin embargo, los huecos para los pernos pueden tener una holgura de 1/8 de pulgada para satisfacer las especificaciones estndar, de manera que la placa con orificio puede quedar 1/8 de pulgada fuera del centro si no se tiene cuidado al instalarla. Esta excentricidad producir un error en las mediciones de flujo. Los empaques que se usan para hacer los sellos a ambos lados de la placa con orificio deben tener una perforacin de mayor tamao, de manera que no se puedan deslizar y obstruir la abertura del orificio.

Tubo Pitot. Como se indic antes, el tubo Pitot tiene muy poca importancia como sensor de flujo industrial. Sin embargo sigue considerndose como un instrumento de laboratorio muy eficaz que se puede emplea para verificaciones instantneas de flujos. El tipo bsico de este instrumento. El tubo Pitot tiene dos pasos de presin. Uno de ellos apunta hacia el flujo que corre y se encuentra en el extremo del tubo, al centro de la tubera. En este punto intercepta una pequea porcin del flujo y reacciona a la Presin total del lquido. El otro paso es perpendicular al eje de flujo y reacciona a la presin esttica del lquido. La medicin de la velocidad es la diferencia entre las dos presiones.

Figura 7.9 Elementos de tubo Pitot y Annubar para la deteccin de flujos.a) Corte transversal esquemtico de un detector de flujo de tubo Pitot.b) Diagrama que muestra el principio de operacin del Annubar.c) Fotografa que presenta la posicin tanto del orificio corriente abajo como del de corriente arriba.d) Fotografa que muestra el dimetro relativo de las barras sensores de orificio en comparacin con los dimetros nominales de la tubera.

La poca utilidad del tubo Pitot en aplicaciones comerciales se debe a su tendencia a taparse cuando el fluido contiene partculas slidas suspendidas, su rango de velocidad para usos en combinacin con medidores de flujo indicadores y de registro de tipo comercial estndar y su sensibilidad a los efectos de distribucin de velocidad en el patrn de flujo del fluido.Elemento de flujo Annubar. El elemento de flujo Annubar es una versin comercial del principio del tubo Pitot Aunque el diseo es nuevo, se basa en la ecuacin fundamental de flujo de Bernoulli para el equilibrio de energa. Este dispositivo, que es muy sencillo, se compone de un par de probadores pequeos, sensores de presin, montados perpendicularmente dentro de la corriente del flujo mediante un aditamento roscado convencional o un simple de tubera.La barra sensora de presin corriente abajo, tiene un orificio que se ubica en el centro de la corriente de flujo para medir la presin corriente abajo. La barra sensora de presin corriente arriba tiene. Varios orificios, en comparacin con uno de tubo Pitot. Estos orificios se ubican crticamente a lo largo de la barra, de manera que cada uno detecta la presin total en. un anillo cada uno de estos anillos tiene, un rea transversal exactamente- igual a las otras reas anulares detectadas por cada uno de los dems orificios. Estas funciones se indican bajo el canbezado de "Anillos iguales" El elemento Annubar se disea de tal manera que tenga la capacidad verificada y comprobada de detectar todas las velocidades normales de flujo para gases, vapores o lquidos, de acuerdo con el tamao de tubera en el que se instala debidamente. Un elemento puede medir con precisin una amplia variedad de velocidades de flujo sin desviarse de una ley de raz cuadrada, que es compatible con todas las marcas estndar de instrumentacin y controles de flujo. El elemento de flujo Annubar puede manejar presiones desde -30 pulgadas Hg hasta 2500 lb/plg. Otra ventaja que tiene es que se puede invertir la direccin de todo el elemento en tuberas con dimetros superiores a 2 pulgadas, con el fin de detectar flujos inversos o actuar como una posicin desactivada sin que sea necesario detener el sistema.Como se observa en la figura 7.9d, el elemento detector del flujo presenta una prdida de presin permanente mnima, ya que el dimetro de las barras sensoras es relativamente pequeo en comparacin con los dimetros nominales de tubera. Se puede hacer caso omiso del efecto restrictivo de estas barras sensoras, excepto para una instalacin hidrulica o neumtica ms compleja que requiera la ms alta precisin posible. Como resultado, el elemento Annubar ofrece ms libertad para disear las estaciones de medicin y verificacin o hacerlas ms abundantes sin aadir restricciones apreciables o costos al sistema.Si se emplea con lechadas o lquidos que contienen grandes cantidades de slidos suspendidos, este tipo de sistema sensor requiere una purga, como otras clases de detectores de flujo.El elemento Annubar es mi o menos barato como detector de flujo, relativamente sencillo para instalar, de peso ligero, preciso y seguro para efectuar mediciones de flujo a travs de tuberas o ductos circulares de 1/2 a 90 pulgadas de dimetro. Estas unidades existen como elementos o como sistemas completos que incluyen los elementos, indicadores, registradores y controladores que requiera el proceso.

Medidores de flujo de presin diferencial. El medidor de carga o presin diferencial es el dispositivo que se usa con mayor frecuencia para determinar la presin diferencial creada por un tubo Venturi, una boquilla de flujos o una placa con orificio. Estos medidores de carga pueden ser desde un simple medidor de tubo en U hasta los dispositivos ms complejos en que se utilizan convertidores diferenciales y mtodos de puente de inductancia, segn la aplicacin.

Medidores de flujo mecnicos. En este medidor se utiliza un cuerpo de medidor de tubo en U que se compone de una cmara grande y un tubo de rango conectado a la base y lleno de mercurio. La cmara grande, a alta presin, contiene un flotador que detecta los cambios en el nivel de mercurio. Con el aumento en la presin diferencial, se fuerza al mercurio a pasar de un tubo grande a otro ms pequeo, lo cual hace que el nivel de mercurio se eleve. Un cambio de escala completa en la presin diferencial har que el flotador se desplace de 'la parte superior a la base de la cmara grande para urr tubo de rango especfico. Debido a las limitaciones fsicas impuestas, no se pueden medir presiones diferenciales mayores cuando el flotador llega a la base.Una ventaja al utilizar tubos de rango es que, si se instala un nuevo tubo de rango de menor tamao y mayor altura y se emplea la misma cantidad de mercurio, se puede medir una presin diferencial mayor. El tubo de rango de dimetro menor requiere una mayor fuerza de

Figura 7. 11 Corte transversal del cuerpo de un medidor de campana Ledoux.

Desplazamiento ejercido por el flotador para que se produzca el mismo desplazamiento mecnico, ya que debe obligarse a la Columna de mercurio a que ascienda an ms en el tubo ms pequeo. Esto significa que, cambiando los tubos de rango se puede utilizar un cuerpo de medidor bsico para todos los rangos de flujo. Estos medidores se pueden utilizar para abarcar rangos de presin diferencial de 50 a 750 cm H20 (20 a 300 plg. H2O). Como se puede ver en la figura 7.10, existe una conexin mecnica de la campana a una aguja indicadora para sealar el flujo. El fabricante indica la escala como una graduacin de raz cuadrada. La escala debe cambiarse para que concuerde con- cada tubo de rango, ya que el indicador tiene el mismo movimiento limitado que el flotador al que est sujeto.

Figura 7.12 Esquema del principio de puente de inductancia utilizado en los medidores de flujo elctricos. Por cortesa de Honeywell Ine.

En el medidor de campana Ledoux, la presin baja se aplica al interior de la campana y la alta al exterior. Se utiliza mercurio en el sello entre las dos presiones, y la campana asciende y desciende de acuerdo con las variaciones de la presin diferencial. La forma interna de la campana determina la posicin de sta para un diferencial dado, y se requieren distintas formas de campana para obtener el mismo desplazamiento con diferentes rangos, al igual que se usaron tubos de rango para distintos diferenciales en el caso del medidor de flujo mecnico. En este caso, las formas de la campana varan de tal manera, que se pueden utilizar las mismas unidades de transmisin para enviar la seal al indicador o el registro, mientras que el tubo de rango se cambia para permanecer dentro de las mismas restricciones fsicas del indicador o el registrador.

Medidores de flujo elctricos. El aparato de puente de inductancia del que se presenta un esquema en la figura 7.12, tiene una armadura de hierro dulce, conectada al flotador del cuerpo del medidor mediante una varilla rgida que pasa por un tubo de aleacin de acero no-magntica. Hay muchos medidores de esta clase que se usan en la actualidad, pero son costosos y ya no se fabrican. Cuenta con un par de bobinas. Equilibradas que rodean la armadura y, conforme sta se mueve, desequilibra el circuito de puente al que las bobinas estn conectadas. El desequilibrio originado en el circuito de puente hace que la armadura receptora adopte una posicin comparable a la de la armadura de transmisin. Puesto que el brazo del registrador est conectado a la armadura 'receptora, el flujo se indica y registra en funcin de la posicin de la armadura. Esta ltima, las bobinas y otros componentes elctricos quedan aislados de cualquier presin, elevada o accin corrosiva del fluido cuyo flujo se est midiendo. Este movimiento de las dos armaduras es similar a la accin selsyn" (autosncrono) de los dispositivos giratorios para control de motores utilizado en procesos para enrollar papel o acero en husos o-carretes'. En la-figura 7.13 se muestra un medidor de flujo elctrico en que se incorpora un mecanismo electrnico integrador.

Figura 7.13 Medidor de flujo elctrico con integracin electrnica (se elimin la grfica de registro).

El integrador electrnico mostrado consta de tres ensamblajes especiales: (1) una unidad de exploracin que muestrea la velocidad de flujo indicada por el brazo de la pluma cada cinco segundos; (2) el revelador detector electrnico, que se activa mediante la unidad de exploracin y hace funcionar el. Mecanismo de conteo, y (3) un montaje de contador impulsado por un motor, que suma los pulsos de salida sucesivos generados por el relevador del detector.El principio de operacin del integrador'. es una variacin del usado en algunos controladores. Las bobinas del oscilador, montadas sobre un brazo impulsado por una leva de precisin, se elevan o descienden a intervalos de cinco segundos. Estas bobinas interceptan una aleta de peso ligero que se ubica mediante la pluma indicadora del flujo. Cuando. el borde anterior de la aleta queda interceptado por las bobinas, el relevador del detector electrnico se excita y fluye una corriente al motor del contador mientras las bobinas del oscilador sigan interceptando la aleta. Cuando la aleta y las bobinas se separan, el motor se detiene instantneamente.

Transductores de presin. Los transductores de presin que sirven para medir flujos en funcin de la carga, pertenecen a la clase de presin diferencial que se vio en el captulo 3. Fundamentalmente son del tipo de diafragma y utilizan extensimetros, potencimetros o inductancias variables, segn la aplicacin. La velocidad de respuesta, la temperatura, el rango de presin diferencial, los valores de presin esttica y el equipo accesorio de acondicionamiento de la seal determinan si los transductores se pueden emplear como sensores y, de ser as, cules son los tipos aplicables. Por ejemplo, un extensmetro soportado no es aplicable en los casos en que el rango de la temperatura es mayor que lo que puede tolerar el material de base del extensmetro, o cuando la presin esttica es superior a la presin de diseo de la caja que contiene al sensor y el diafragma.Una unidad de transductor bien fabricada es costosa, pero ofrece los tiempos de respuesta rpida que se requieren para controlar las variables, con el objeto de evitar daos a los especimenes de prueba o a los productos. Las unidades de transductor no cuentan con las masas inerciales grandes que se encuentran en sistemas mecnicos. Se pueden medir presiones diferenciales e iniciarse la accin de control para un cambio de flujo en menos de medio segundo. Aunque este tiempo es relativamente lento en comparacin con algunas mediciones y acciones de control que toman microsegundos, es relativamente rpida cuando se toma en cuenta el tiempo necesario para mover una masa de mercurio y desplazar un eje y el indicador con el fin de obtener un tipo similar de medicin de flujo.En comparacin con los instrumentos mecnicos y elctricos para medir flujos, debe proporcionarse a los transductores alguna seal de activacin. El tipo de potencimetro requiere una fuente de alimentacin para mantener la cada de voltaje en el potencimetro. El de extensmetro necesita un circuito puente y una fuente de alimentacin, y el de inductancia variable precisa de una seal osciladora, de tal manera que se pueda detectar un cambio de frecuencia cuando la inductancia vara por un cambio de flujo y produzca un cambio e-la frecuencia de oscilacin.

2.2. MEDIDORES DE FLUJO DE REAEl, medidor de flujo de rea variable es una de las formas ms Simples y elementales: se compone de dos partes, como se puede observar a continuacin. Las dos partes bsicas son; () un tubo ahusado de vidrio colocado verticalmente dentro de un sistema de tubera para fluidos o gases, insertando el extremo grande en la parte superior, y (2) un flotador medidor que puede moverse libremente en sentido vertical dentro del tubo de vidrio.

El fluido corre a travs del tubo de abajo hacia arriba y, cuando no hay ningn flujo de lquidos o gases, el flotador descansa en la base del tubo ahusado y su dimetro mximo se selecciona casi siempre de manera que bloquee casi por completo el extremo pequeo. Cuando se inicia un flujo dentro de la tubera y el fluido llega al flotador, el flotador asciende. Por lo comn, el flotador tiene una densidad mayor que la del fluido, de tal manera que el efecto boyante, por s solo, no basta para elevar el flotador. El pasaje del flotador permanece cerrado hasta que la presin, en combinacin con el efecto boyante del material, sobrepasa la presin descendente debida al peso del flotador. Entonces, el flotador se eleva y flota dentro del fluido en proporcin al flujo y a una presin dada.Conforme el flotador asciende hacia el extremo ms amplio del tubo ahusado, se abre un pasaje anular entre la pared interna del tubo de vidrio y la periferia del flotador. Esto forma una abertura concntrica a travs de la cual pasa el fluido. El flotador sigue ascendiendo hasta que el pasaje anular es lo bastante grande para dar paso a todo el material que recorre la tubera. La presin debida a la velocidad del fluido tambin desciende hasta que en combinacin con el efecto boyante del fluido, equivale justamente al peso del flotador. Esto permite que el flotador descanse en equilibrio dinmico.

Los medidores de flujo de rea variable son los que se han visto hasta ahora son dispositivos de indicacin visual de presiones, para los que son apropiados los tubos de vidrio rectos o con proteccin. No obstante, para presiones superiores se pueden utilizar tubos metlicos y dispositivos de lectura, ya sea indicadores, de integracin o registro.Se incluye una armadura de hierro dulce que se conecta al flotador del medidor de flujo de rea variable. Conforme el flotador cambia de posicin por la accin del flujo, la armadura tambin vara de posicin con respecto a las bobinas a y b. Estas dos bobinas forman dos brazos de un puente de impedancia. Al desplazarse la armadura de hierro con respecto a esas bobinas, se establece un desequilibrio en el puente y este voltaje no balanceado del puente se amplifica y utiliza para hacer funcionar un servomotor que, a su vez, activa un medidor en proporcin al flujo. Con respecto a un segundo conjunto de bobinas c y d, el servomotor puede impulsar una segunda armadura de hierro dulce en la direccin adecuada para equilibrar el puente. Si se emplean armaduras duales de hierro dulce, el medidor indicador o de registro corresponde a la posicin del detector primario que se puede calibrar directamente con el gasto.

2.3. MEDIDORES DE FLUJO ELECTROMAGNTICOSEn el medidor de flujo electromagntico se induce una fem en el fluido mediante su movimiento a travs de un campo magntico creado por un electroimn. El campo magntico en cd acta verticalmente a travs de la tubera que transporta el fluido. Como se puede ver, se proporcionan dos electrodos, uno en cada extremo del dimetro horizontal de la tubera De acuerda con la ley de Faraday, la fem inducida en el lquido se puede expresar mediante la ecuacin:

En donde:e= fem inducida por el lquidoB= induccin magntica en webers por metro cuadradoD= constante que depende de la geometra del medidorV= velocidad media del flujo en metros por segundo

2.4. MEDIDORES DE FLUJO DE MASAEn algunas aplicaciones industriales es deseable medir el gasto en masa total de un gas o un lquido. Para usarlos en diversos tipos de industrias de procesamiento de alimentos se deben satisfacer los reglamentos estrictos de sanidad establecidos por las leyes estatales y federales.En otras aplicaciones el gas o fluidos pueden ser corrosivos, o podra tambin tratarse de una lechada.

Figura 7.18 Diagrama de un medidor de flujo de masa electro trmico de capa limtrofe.

Los medidores de flujo de masa se pueden utilizar en diversas aplicaciones, pero estos tienen un pistn o instrumento insertados dentro de la corriente y estn expuestos a la corrosin. Puesto que estos medidores se analizan junto con los medidores de desplazamiento positivo, esta seccin se dedicar a un medidor de flujo electro-trmico del tipo de capa limtrofe. En este medidor, los elementos sensores y de medicin estn fuera de la tubera que lleva el fluido, como sucede en el caso del medidor de flujo electromagntico, y no obstruyen la corriente en ninguna forma, como tampoco lo hace una tubera del mismo dimetro y longitud.Se tiene un tubo metlico de superficie interior lisa que sella los elementos de medicin de la corriente y que se usa como se indica en la figura 7.18. Tambin hay un pequeo elemento calefactor que calienta el transductor y est ubicado en la posicin c, un sensor de temperatura corriente arriba que est en la posicin a y un sensor de temperatura corriente abajo que se localiza en b. Con frecuencia se coloca un elemento compensador de temperatura en la posicin b. Los dos elementos sensores de temperatura estn aislados del tubo metlico liso mediante los aisladores trmicos e y f.La pared externa y ms gruesa de la seccin de tubera acta como recubrimiento trmico y protege los elementos de medicin contra los daos fsicos. El tipo de sensor de temperatura depende de la aplicacin y se pueden usar termistores, termopares o termmetros de resistencia.El principio de operacin se basa en el calor inyectado al fluido a travs de las paredes del tubo y la capa limtrofe, por medio de la bobina de calefaccin colocada en e. El sensor de temperatura corriente-arriba de a mide la temperatura inicial de la corriente y el sensor de temperatura corriente abajo determina la temperatura resultante de la superficie exterior de la capa limtrofe. Las pequeas diferencias de temperatura registradas en la capa limtrofe bastan para proporcionar una operacin satisfactoria.

Medidores de flujo de masa de flujo axial. Este tipo, de medidores opera con base en el principio de la conservacin de la cantidad de movimiento angular.El fundamento consiste en guiar un impulsor a una velocidad angular constante para que ste cree una cantidad de movimiento o momento angular en el fluido que se mide. Conforme sale del impulsor, la velocidad de cambio en la cantidad de movimiento angular dentro del fluido es proporcional a la velocidad de ste y a la masa nominal del flujo. En el lado corriente abajo y, por lo general, en un punto adyacente al impulsor se localiza algn dispositivo detector del par, por ejemplo, una rueda, el cual elimina la cantidad de movimiento angular del fluido a la misma velocidad con que el impulsor la produce; Mientras la velocidad angular del impulsor se mantenga constante, el par del dispositivo sensor ser proporcional a la masa nominal del flujo.Si se emplea un solo impulsor en la corriente, slo se puede efectuar la medicin del flujo en una direccin. Para medir el flujo en ambos sentidos se requiere un segundo impulsor ubicado en el lado corriente abajo del sensor de par e impulsado en la direccin opuesta a la del impulsor de corriente arriba. El detector de par tambin debe ser capaz de detectar el par en cualquier direccin. El diagrama de bloques que se muestra en la figura 7.19 corresponde al sistema de un solo impulsor.En este sistema, la fuente regulada de alimentacin excita a un motor' que gua al impulsor a una frecuencia constante. La rueda sensora, que se encuentra en el lado corriente abajo del impulsor, se sujeta con un resorte y est acoplada magnticamente a un detector de posicin angular. Se emplea un disco estacionario para reducir el acoplamiento entre el impulsor y la rueda sensora para un flujo cero. El voltaje de salida del detector de posicin angular es proporcional al gasto de masa y alimenta un servo amplificador, un detector integrador y un contador integrador.

Medidores de flujo de turbina Las caractersticas de construccin de un medidor de gasto volumtrico de turbina se muestran en la figura 7.20a. Como se puede ver, el rotor de la turbina est sujeto entre dos conjuntos de cilindros concntricos que sirven para guiar el flujo y para ubicar los rotores dentro del montaje de la tubera, como se seala en la figura 7.20b. En esta misma figura tambin se da una idea relativa en lo que respecta a las dimensiones de los medidores de flujo de turbina que utilizan el mismo tipo de caractersticas de construccin.Conforme gira el rotor de la turbina, cada aleta genera un pulso y representa una unidad de volumen para la totalizacin del flujo. Esos medidores generan una salida de seal elctrica digital que se detecta mediante una bobina de tacmetro diseada especialmente para los medidores de turbina Barton, serie 7000, que se muestran, El nmero total de revoluciones del rotor o pulsos de salida se relaciona con el gasto total o el volumen del flujo. La frecuencia de los pulsos generados es directamente proporcional a la velocidad del flujo del material que se controla o mide. Los pulsos generados en la bobina detectora tienen la forma de una onda senoidal y si es necesario, se pueden transmitir elctricamente a grandes distancias y a una gran variedad de dispositivos de lectura, para computacin, indicacin, registro, control o automatizacin.Los medidores de flujo de turbina se pueden usar para medir flujos que van de 0.003 a 15,000 gal/min como medidores estndar de flujo de lquidos, 1790 a 73,500 bbl/h como medidores de flujo de tuberas y de 20 a 9,000 ft3/min como medidores de flujo para gases. Los medidores estndar de flujo y de tubera dependen de la viscosidad del lquido que se mide, y los medidores de gas de la densidad del gas de que se trate.En operacin, los medidores estndar de turbina para lquidos tienen una linealidad de 0.25% de la lectura al flujo nominal mximo normal y de 0.4% de la lectura a valores superiores al mximo normal. Estos medidores tienen alrededor del doble de exactitud en cualquier rango de 6 a 1 abajo del flujo mximo nominal, y una reproducibilidad de 0.02% de la lectura en el rango de flujo lineal nominal. La consistencia en el rango no lineal de flujo bajo es 0.25% de la lectura

2.5. MEDIDORES DE FLUJO DE DESPLAZAMIENTO POSITIVOLos medidores de flujo de desplazamiento positivo bsicamente capturan y liberan un volumen fijo de fluido mediante alguna accin de bombeo, que se puede realizar mediante un pistn, una aleta giratoria, un diafragma o una bomba peristltica. Por lo general, estos medidores cuentan el nmero total de cielos que se producen e indican o registran un volumen de flujo integrado. Estos dispositivos de flujo tambin se pueden considerar como bombas volumtricas que emiten un volumen fijo por cada movimiento del pistn, aleta o diafragma. La velocidad de flujo se determina mediante la frecuencia del cielo.Los medidores de desplazamiento positivo existen en tamaos de 1/2 a 16 plg., son fciles de instalar, pueden tener una precisin hasta de 0.1%, por lo general poseen tolerancias mecnicas mnimas, son tiles en rangos de 5 a 1 para lquidos y 100 a 1 para gases pueden sufrir daos cuando se sobrepasa su capacidad y, en general, no requieren energa elctrica o abastecimiento de aire, Algunos utilizan motores elctricos para producir volmenes determinados y, para fines de control, pueden necesitar energa elctrica, neumtica o hidrulica, o bien, una combinacin de stas.

Bombas de pistn. Las bombas dosificadoras se emplean para inyectar a una cantidad exacta de fluido hacia una lnea o depsito colector. La bomba de pistn casi siempre es de tipo reciprocante, lo que significa que un pistn o mbolo suministra un volumen fijo en cada carrera. Esto se realiza conforme el fluido se mueve hacia adentro de la cavidad y se descarga hacia la lnea o el depsito de flujo al adelantarse el pistn y llenarse la cavidad. Conforme el pistn se mueve hacia adelante y hacia atrs, suministra un volumen fijo en forma de un flujo pulsante. Los medidores de pistn en general se utilizan para emitir volmenes controlados a presiones muy altas. Cuando no se puede tolerar un flujo pulsante, ste se puede uniformar mediante depsitos o alguna clase de arreglo especial de bombeo. Casi siempre se usa un motor elctrico, de aire, o de vapor para impulsar estas bombas. En las bombas de pistn, la cantidad de flujo o volumen emitido por carrera puede cambiarse haciendo variar la longitud de la carrera del pistn, y el volumen total, en funcin del tiempo, se puede controlar cambiando la velocidad de bombeo. Los ajustes de la carrera pueden variarse manual o automticamente, segn lo requiera la aplicacin.

Bombas de disco inclinado. La bomba de disco inclinado, es probablemente el tipo de bomba de pistn que se usa con mayor frecuencia en la actualidad, por lo menos en Estados Unidos.El disco es la nica parte mvil dentro de la cmara de medicin. La accin de este disco es semejante a la de un trompo cuando sobrepasa su velocidad mxima y comienza a oscilar o inclinarse poco antes de perder velocidad y perder el control.

En un medidor de disco inclinado, el movimiento del disco A est controlado por el eje B conforme se mueve alrededor de la leva ahusada C. Esta leva mantiene la cara inferior del disco en contacto con la base de la cmara de medicin que se encuentra a un lado de la bomba, y mantiene la cara superior del mismo en contacto con la parte superior de la cmara de medicin en el lado opuesto. Como se muestra, el disco est colocado de tal manera que su lado inferior est en contacto con la base de la cmara de medicin en el lado izquierdo, mientras que el lado superior est en contacto con la parte de arriba de la cmara de medicin, en el lado derecho. Este mtodo de bombeo produce un flujo suave y continuo, sin pulsaciones, conforme los compartimientos independientes de la cmara de medicin se llenan y vacan en forma sucesiva. La cmara de, medicin est sellada en compartimientos separados y cada uno de estos contiene un volumen especfico. El sello se mantiene mediante el fluido entre el disco y la pared de la cmara de-medicin como resultado de la accin capilar. Esta accin capilar minimiza fuga o los derrames y proporciona la! precisin necesaria a velocidades bajas en medidores de estos que estn bien hechos.Los medidores de disco inclinado estn diseados para la velocidad de flujo del lquido que se va a medir y para las presiones de lnea nominales. La seleccin de un medidor se debe basar en la velocidad de flujo, la de lnea y la cada de presin permisible para cada aplicacin en particular

Bombas rotatorias. Las bombas rotatorias son capaces de permitir flujos suaves, libres de pulsaciones, a presiones hasta el rango de 150 lb/pla2. Esta clase de bomba tambin es adecuada para fluidos de alta viscosidad. Se pueden sostener eficiencias volumtricas hasta del 90% manteniendo tolerancias mnimas entre las superficies de unin.El flujo suave se obtiene poniendo en accin ms de una aleta, de manera que se mantenga cierto flujo en una base continua. El flujo en esta clase de bomba se controla por vlvulas para desviar en el interior parte del fluido.Al accionar, se tienen cuatro aletas y cada una de stas porta un volumen fijo al girar en torno al eje central. Mientras una cavidad de aleta se llena bajo la presin de la lnea, la siguiente aleta sella cualquier flujo inverso. En condiciones normales de operacin, una aleta descarga su volumen en la lnea de descarga, al tiempo que la lnea de alimentacin llena la cavidad de la aleta receptora. En este medidor de flujo, la presin de lnea mantiene las aletas en movimiento y no se requiere ninguna fuente de energa externa, ya sea elctrica o neumtica. El sello entre las aletas y la cavidad de medicin se mantiene por accin capilar; el fluido que se mide acta como senador, como lo hace en el medidor de disco inclinado.

Bomba de diafragma. En las bombas de diafragma se emplea una membrana que se activa mediante algn medio externo (por ejemplo, una varilla) o mediante presin de aire o hidrulica. En la figura 7.24 se muestra un corte transversal.Para presiones hasta de 125 lb/plg2 se acostumbra usar diafragmas o membranas suaves de tefln u otros materiales semejantes. Para presiones mayores, hasta de 2500 Ib/plg2, se emplean diafragmas metlicos pequeos. El material utilizado depende del tipo del fluido, la temperatura y la presin. La membrana o el diafragma estn en contacto directo con el fluido y el mecanismo impulsor. Se trata de una divisin que sella el fluido hacia adentro y lo separa de la propulsin mecnica o hidrulica.Estas bombas se controlan haciendo variar la velocidad del motor propulsor o cambiando la carrera del diafragma.Bomba peristltica. Cuando es necesario bombear fluidos que no pueden estar en contacto con los componentes de la bomba o del medidor, la bomba peristltica tiene una utilidad enorme. El fluido se bombea casi siempre a travs de un tubo plstico y no entra en contacto fsico con el mecanismo que genera el flujo medido. El mecanismo de bombeo puede consistir de rodillos, dedos operados por leva o un rotor sobre- un eje excntrico. En cada caso, el fluido se impulsa a travs de una longitud determinada de tubo flexible, capaz de soportar la presin del sistema por medio de un movimiento de compresin. Estas bombas pueden manejar flujos medidos desde una fraccin de mililitro por minuto hasta 40 gal/min.

El tubo flexible se usa para soportar la corrosin y para lquidos voltiles o que requieren un alto grado de limpieza. Uno de los campos de aplicacin es en medicina, para bombear sangre durante pruebas analticas.El control de flujo de la bomba peristltica se realiza cambiando la velocidad del motor propulsor. Para aplicaciones industriales, el control de flujo alcanza precisiones mejores que la normal de + 1%

2.6. MEDIDORES DE FLUJO DE CANAL ABIERTOLos medidores de flujo de canal abierto pueden manejar de 4 a 1000 gal/min y son normalmente de tipo vertedor o canaln de Parshall. Este medidor de flujo es ms o menos barato y, por lo comn, su nico problema es que puede atrapar diversas materias. Uno de sus usos principales es en mediciones de flujo para riegos agrcolas y en desechos industriales.Vertedores. El vertedor se muestra en el corte transversal de la figura 7.26. En estos medidores de flujo se utilizan ranuras en V, rectangulares y trapezoidales. Se emplean ranuras en V tanto de 600 como de 900 y sus rangos van de 20 a 1 a 60 a 1.El vertedor es bsicamente una presa con una abertura en la parte superior, a travs de la cual puede fluir el lquido. Se trata de uno de los dispositivos ms simples y precisos para medir el flujo de agua en condiciones apropiadas. Su precisin es de aproximadamente 2%,

El gasto se determina midiendo sencillamente la carga de agua por encima del punto ms bajo de la abertura del vertedor a travs del cual fluye el agua. Esta altura se mide mediante un flotador instalado en una caja. Denominado pozo amortiguador, que forma parte de la estructura total. El flotador se coloca de manera que no le afecte el flujo o cualquier turbulencia de la corriente.El vertedor en V ofrece el rango ms amplio para un solo tamao, ya que la pequea abertura en la V puede alojar flujos pequeos y la porcin ms amplia de la parte superior permite el paso de flujos mayores. Tambin ofrece la mayor calda de carga debido a su forma.El vertedor rectangular es el tipo ms antiguo y, probablemente, el ms comn debido., su simplicidad, facilidad de construccin y precisin.El vertedor trapezoidal, conocido tambin como de Cipolletti, est diseado de modo que en las pendientes laterales del trapezoide, se produce una correccin d flujo, y as, ste es proporcional a la longitud de la cresta del vertedorSi el lquido que se mide contiene cualquier material atrapado el vertedor debe limpiarse peridicamente. Los materiales depositados originan errores en la medicin del gasto, al igual que los crean en la medicin con placas de orificio de tipo concntrico.

Canalones. Slo se mencionarn los canalones de Parshall, aunque tambin existen los de Palmer-Bowlus, de onda estacionaria y de Venturi. En la figura 7.28 se muestra una vista en plano de un canaln Parshall, incluyendo una tabla que seala las relaciones entre sus dimensiones.Los canalones Parshall se auto limpian y funcionan con una pequea prdida de carga o pendiente. La prdida es aproximadamente un cuarto de la que se produce en los vertedores. Estos canalones se recomiendan para utilizarse cuando hay arena, cascajo u otros slidos pesados presentes en la corriente cuyo flujo se desea medir. Los canalones Parshall estn diseados para usarse en condiciones de gasto moderado y deben colocarse de manera que no les afecten las estructuras de control, recodos en la alineacin de canales u otros dispositivos que produzcan turbulencias, ondas o flujos desiguales