Medición de Flujo

Ing. Luis Campusano

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Objetivos

• Reconocer la importancia de realizar mediciones de flujo en la industria.

• Explicar el principio de funcionamiento de diversos sensores directos de flujo.

• Explicar el principio de funcionamiento de los sensores indirectos de flujo basados en presión diferencial.

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La materia se presenta en tres estados: sólido, líquido o gaseoso y

en forma básica se tiene que: un sólido tiene un volumen y

forma definidos; un líquido tiene un volumen definido, mas no

una forma definida; y un gas no tiene ni volumen ni forma

definidos.

Estados de la materia

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Un fluido es parte de un estado de la materia y se define como un

conjunto de moléculas distribuidas al azar que se mantienen unidas por

fuerzas cohesivas débiles y por fuerzas ejercidas por las paredes de un

recipiente, es decir sin volumen definido. Los fluidos tienen la capacidad de

fluir, de ahí su nombre y se puede decir que tanto líquidos como gases son

fluidos. La diferencia básica entre un gas y un líquido es la compresibilidad,

así los gases pueden ser comprimidos reduciendo su volumen y los líquidos

son prácticamente incompresibles.

La medición de flujo es la medición de materia en movimiento, es decir es la

medición de fluidos.

El flujo de materia se puede presentar en más de una fase: sólidos en líquido,

gases en líquido, sólidos en gas, líquido en gas, sólidos y gases en líquido,

sólidos y líquidos en gas, etc., y todos ellos se consideran fluidos.

Fluido

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1) Flujo volumétrico.– El volumen de un flujo que pasa por un punto en la

tubería por unidad de tiempo

Q = A x V

Donde: Q = Velocidad de flujo volumétrico

A = Área interna de la tubería

V = Velocidad promedio de flujo

2) Flujo másico.- Peso de un volumen de fluido que fluye por unidad de tiempo.

3) Flujo totalizado.- Flujo acumulado o flujo integrado

Tipos de Flujo

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Propiedades de los fluidos

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V= volumen, m =masa

w= peso , v= volumen

Medición de flujo

V1, V2: Velocidad del fluido

A1, A2: Área de la sección de la tubería

Q= V1A1=V2A2 Caudal:

Presión + velocidad = constante Bernoulli:

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Unidades de medida de flujo

SCFH: pie3/hora

SCFM: pie3/minuto

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SCFM =estandar pies cúbicos por minuto

Importancia de la medición de flujo

• Consumo de agua potable para uso doméstico e industrial

• Demanda de Hidrocarburos, como gas natural, GLP, gasolina

• La eficiencia de los procesos

• Balances de materia

• Excedentes de costos

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Tipos de flujo

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Flujo laminar: suave, ordenado, velocidad baja.

Flujo turbulento: agua en un canal de gran pendiente, pequeños remolinos,

velocidad alta

Flujo de transición: flujo intermedio

Número de Reynolds

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Número de Reynolds

Si el número de Reynolds es menor de 2100 el flujo será laminar y si es

mayor de 3000 el flujo será turbulento.

MEDIDORES DE CAUDAL

Medidores de presión diferencial

Placa orificio

Tubo Venturi

Tubo Pitot

Medidores de impacto

Medidores de velocidad

Medidor de turbina

Medidor electromagnético

Medidor Vortex

Rotámetro

Medidor de ultrasonidos

Medidores másicos

Medidor másico térmico

Medidor de Coriolis

Medidores volumétricos

Medidor de desplazamiento positivo 13

MEDIDORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL

La relación entre el caudal y la

caída de presión es no lineal

El caudal es directamente

proporcional a la raíz cuadrada de

la diferencia de presión

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Placa orificio

- Posee dos tomas de presión, una en la parte anterior y otra en la parte posterior de la placa, a las cuales se conecta un manómetro de presión diferencial.

- Este dispositivo mide flujos de líquidos, gases y vapores bajo un amplio rango de condiciones, y consiste básicamente de una placa circular perforada, la cual se inserta en la tubería y presenta una restricción al paso del flujo, lo que genera una presión diferencial en el sistema, la que se mide, y resulta ser proporcional a la magnitud del flujo.

Características:

• Máxima pérdida de presión permanente. • Fácil de instalar. • Requiere inspección periódica. • bajo costo • Inconveniente es la falta de precisión

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Placa de orificio concéntrica Aplicaciones:

- Fluidos limpios

- Líquido con gases

- Gas o vapor con líquido

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Placa de orificio excéntrica

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Placa de orificio segmentado

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Medición de flujo con placa orificio

Placa Orificio

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Medición de flujo con placa orificio

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TUBO DE VENTURI

- El tubo Venturi es similar a la placa orificio

- El cambio en la sección transversal produce un cambio de presión

entre la sección convergente y la garganta, permitiendo conocer el

caudal a partir de esta caída de presión.

- Consiste en un estrechamiento gradual cónico y una descarga con

salida también suave.

- Se usa para fluidos sucios y ligeramente contaminados.

- Es mucho es más caro que una placa orificio

- El tubo venturi posee una elevada precisión del orden de ± 0,75%

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TUBO DE VENTURI

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TUBO DE PITOT - Mide la velocidad en un punto.

- Consiste en un tubo de pequeño diámetro que se opone al flujo,

con lo que la velocidad en su extremo mojado es nula. Midiendo la

altura de la columna de líquido tenemos la presión total del punto. Si

medimos la presión estática con otro tubo, podemos calcular la

velocidad como función de la diferencia de presiones

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TUBO DE PITOT

- Sus ventajas son la escasa caída de presión y bajo precio, siendo por

ello una buena elección para tuberías de gran diámetro y para gases

limpios.

- 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.

MEDIDORES DE IMPACTO

- Miden la fuerza sobre una placa (generalmente un disco circular) que se

coloca en contra del flujo.

- Tienen baja precisión (0.5 - 5%), pero son adecuados para fluidos sucios,

de alta viscosidad y contaminados.

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TUBO DE PITOT

TURBINA

El fluido entra en el medidor y hace girar un

rotor a una velocidad que es proporcional a la

del fluido, y por tanto al caudal instantáneo.

La velocidad de giro del rotor se mide por

conexión mecánica (un sensor registra el

número de vueltas) o por pulsos electrónicos

generados por cada giro.

Son los más precisos (Precisión 0.15 - 1 %).

Son aplicables a gases y líquidos limpios de

baja viscosidad.

Problemas: Pérdida de carga y partes móviles 26

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MEDIDOR ELECTROMAGNÉTICO

- Se basan en la Ley de inducción electromagnética de Faraday:

“el voltaje inducido en un conductor que se mueve en un campo

magnético, es proporcional a la velocidad del conductor,

dimensión del conductor, y fuerza del campo magnético” (E=KV D B).

- El medidor consta de:

• Tubo de caudal:

el propio tubo (de material no magnético) recubierto de material no

conductor (para no cortocircuitar el voltaje inducido),

bobinas generadoras del campo magnético, electrodos detectores del

voltaje inducido en el fluido.

• Transmisor:

Alimenta eléctricamente (C.A. o C.C.) a las bobinas.

Elimina el ruido del voltaje inducido.

Convierte la señal (mV) a la adecuada a los equipos de indicación y control

(mA, frecuencia, digitales).

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MEDIDOR ELECTROMAGNÉTICO

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MEDIDOR ELECTROMAGNÉTICO

- Es poco sensible a los perfiles de velocidad y exigen

conductividad de 5uohm/cm.

- No originan caída de presión .

- Se usan para líquido sucios, viscosos. y contaminados.

- Precisión: 0.25 - 1%

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MEDIDOR VORTEX

- La introducción de un cuerpo romo en la corriente de un fluido

provoca un fenómeno de la mecánica de fluidos conocido como

vórtice o torbellino (efecto de Van Karman).

- Los vórtices son áreas de movimiento circular con alta

velocidad local.

- La frecuencia de aparición de los vórtices es proporcional a la

velocidad del fluido.

- Los vórtices causan áreas de presión fluctuante que se

detectan con sensores.

- Para poder usar este medidor es necesario que el fluido tenga

un valor mínimo del número de Reynolds (Re=ρ v D /u).

- Indicado para gases y líquidos limpios.

- Precisión: 1%

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MEDIDOR VORTEX

ROTAMETROS - Medidores de área variable en los

que un flotador cambia su posición de

forma proporcional al caudal

- Como indicador visual. Se le puede

hacer acoplamiento magnético

-Instalación vertical

-La exactitud de un rotámetro puede

variar entre 0,5 y 5% del flujo.

-El rango puede variar desde una

fracción de cm./min. hasta 3000 gpm

-Puede medir flujo de líquidos,

gases y vapores, y es insensible a las

configuraciones de tubería aguas

arriba.

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ROTAMETROS

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ROTAMETROS

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ROTAMETROS

• El tubo de vidrio es utilizado para temperaturas de 33 a 250°F, no se utiliza en servicios de vapor, con tamaños de hasta 2”. Su mayor desventaja es que el tubo puede romperse.

• El tubo metálico se utiliza en mas aplicaciones, de muy altas presiones (hasta 6000psig), muy altas y muy bajas temperaturas (de criogénicas hasta 1000°F) y puede ser

fabricado de aleaciones especiales.

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psig = pound square inch gauge (libra/pulgada cuadrada manometrica) , presión relativa

psi o psia = presión absoluto

ROTAMETROS Ventajas Desventajas

Bajo costo No es apropiado para altas presiones

Simple Capacidad máxima de flujo limitada

Relativamente inmune a los arreglos de tubería cercanos

Las unidades en algunos casos son voluminosas

Baja caída de presión constante El costo se incrementa considerablemente con operaciones extras (corazas de protecciones o montaje en tablero)

Rango de flujo 10:1 Transmisión no disponible como estándar

Ningún tipo de suministro requerido Las incrustaciones de suciedad pueden volver difícil la lectura

Solo manejan fluidos limpios

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MEDIDORES DE ULTRASONIDO

• Emplean ondas ultrasónicas para determinar

el caudal.

• Son buenos para medir líquidos altamente

contaminados o corrosivos, porque se instalan

exteriormente a la tubería.

• Precisión: 2 - 5%

Medidor a pulsos

• Se introducen dos pulsos inclinados y

simultáneamente, mediante dos transmisores

emisor- receptor, que reflejan en la tubería. La

diferencia de tiempo para el mismo camino

• recorrido depende de la velocidad del flujo.

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MEDIDOR DE CORIOLIS

Cubierta

Detector de

posición

derecho Detector de

posición

izquierdo

Barra

expansora

RTD

Tubos de flujo Placa

base

Espaciador

Tubos de unión

múltiple Brida

Bobina

impulsora y

magneto

Brazos de

soporte

Snubber

El fluido a la entrada del

medidor se divide entre dos

tubos en forma de U, los

cuales tienen un diámetro

menor que el de la tubería del

proceso. El flujo sigue la

trayectoria curva de los tubos,

y converge a la salida del

medidor

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MEDIDOR DE CORIOLIS Los tubos de flujo se hacen vibrar a su frecuencia natural por medio de un

mecanismo magnético. Los tubos vibran, la magnitud y dirección de la

velocidad angular es alternada. Esto crea una fuerza Coriolis alterna. Si

los tubos en forma de U son suficientemente elásticos, las fuerzas de

Coriolis inducidas por la masa del fluido producen una pequeña

deformación elástica. A partir de ella se mide y calcula el flujo de masa.

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MEDIDOR DE CORIOLIS Los tubos de flujo se han diseñado para vibrar a su frecuencia natural con

respaldo de un sistema electromagnético. Esta vibración tiene una amplitud

que es aproximadamente menor a 1 mm, y frecuencia entre 40 y 120 Hz

dependiendo del tamaño del medidor.

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MEDIDOR DE CORIOLIS

Representación de la fuerza reactiva. Fuerza Coriolis y velocidad

vertical del flujo en el extremo de salida del sensor.

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MEDIDOR DE CORIOLIS

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1) Por utilizar como patrón de medida unidades de masa, ésta no

se ve afectada por cambios en los parámetros de Temperatura o

Presión.

2) Por no poseer partes móviles ni desarmables, requiere de

mínimo mantenimiento.

3) Permite la medición de flujo en forma bidireccional.

4) La señal eléctrica proporcional al flujo ya viene corregida, es

decir, que no amerita de cálculos complejos para la lectura.

5) Es de fácil calibración en el campo.

6) El error real es de menos del 0.2% del caudal (+/-) la estabilidad

cero.

MEDIDOR DE CORIOLIS

Ventajas

Desventaja

Constituye el sistema de medición de flujo de mayor costo.

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1. ¿Es la medición másica o volumétrica?

2. ¿Es requerida velocidad de flujo o totalización?

3. ¿Qué señal es requerida?

4. ¿Qué sistema de acople es necesario?

5. ¿Es el fluido corrosivo o pasivo?

6. ¿Cuales son las restricciones ambientales?

7. ¿Es el fluido limpio o sucio?

8. ¿Qué tipo de suministro eléctrico se requiere?

9. ¿Cuál es el rango requerido, relación de flujo máximo a flujo mínimo?

10.¿Qué funcionalidad (exactitud) es necesaria?

11.¿Cual es el costo? (costo del hardware y/o costo total de permiso de

licencia)

12.¿Qué mantenimiento es requerido y quien lo va a hacer?

13.¿Cuáles son la temperatura y presión de operación?

14.¿Cuál es la caída de presión permisible, es decir, que consumo de

energía tiene?

15.¿Qué propiedades de flujo deben ser consideradas? (viscosidad,

densidad, compresibilidad, conductividad eléctrica, calidad de

lubricación, etc.)

Selección de un medidor de flujo

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Selección de un medidor de flujo

AREA VARIABLE

PRESIÓN DIFERENCIAL VARIABLE

TURBINA

MAGNETICO

ULTRASONICO

TERMICO

OSCILATORIO

CORIOLIS

AREA VARIABLE

PRESIÓN DIFERENCIAL VARIABLE

DESPLAZAMIENTO POSITIVO

TURBINA

TERMICO

OSCILATORIO

CORIOLIS

AREA VARIABLE

PRESIÓN DIFERENCIAL VARIABLE

TURBINA

OSCILATORIO

MAGNETICO

CORIOLIS

ULTRASONICO (DOPPLER)

PRESIÓN DIFERENCIAL VARIABLE (EXCENTRICO, SEGMENTADO, VENTURI)

LIQUIDO GAS VAPOR LODOS

Otra clasificación puede ser dada por el tipo de fase que manejan. Existen

aplicaciones donde el gas esta entrampado en el líquido y donde la fase líquida

es llevada junto con la fase gaseosa. Los medidores volumétricos manejan

líquidos con gas entrampado y pueden generar un error en % volumen del gas

presente

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Bibliografía

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• Creus Sole, Antonio (2006). Instrumentación Industrial. México D.F.: Alfaomega. (621.381I/C85/2006)

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• Norton, Harry (1984). Sensores y analizadores. Barcelona: G.Gili S.A. (621.381I/N82)

• Spitzer, David W. (1990). Industrial Flow Measurement. North Carolina: ISA. (621.381I/S58)