Curso de Instrumentación

7/18/2019 Curso de Instrumentación

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INSTRUMENTACIÓNMEDICIÓN DE FLUJO DE GAS

Universidad SurColombiana

Neiva

Ing. M.Sc. PhD. JOSE ALDEMAR MUÑOZ HERNANDEZ.

Septiembre, 2008



CARACTERISTICAS DE LOS

INSTRUMENTOS

Ing. M.Sc. PhD. JOSE ALDEMAR MUÑOZ HERNANDEZ.

Septiembre, 2008



CLASES DE INSTRUMENTOS

Elemento final de control : recibe la señal del controlador ymodifica el control del fluído o agente de control.

En función del instrumento

Instrumentos de controlInstrumentos de nivelInstrumentos presiónInstrumentos de temperatura

Instrumentos de flujoInstrumentos de humedadInstrumentos de pHInstrumentos de medición de oxigeno disuelto



Los instrumentos de medida, como todos los sistemas,

tienen un comportamiento dinámico, que puede evaluarseen términos de tiempo de respuesta, tiempo de subida (risetime), constante de tiempo, factor de amortiguamiento(dumped factor), frecuencia natural, respuesta en

frecuencia, etc.

CARACTERISTICAS DINÁMICAS


















Transductores

Un transductor convierte la información suministrada por un sensor (piezo, resistencia,…) en una señal estandarizadala cual puede ser procesada digitalmente.

Algunos transductores tienen directamente una salidadigital (Fieldbus) y están integrados en el sensor.

Otros están ubicados a algunos metros del sensor



Loop estándar 4-20mATransducer instrument

1

instrument

2

instrument

3

0, 4..20 mA

R1 R2 R3

Object

i = f(v)

10..24V

voltagesource

measurand

– El transductor actúa como una fuente de corriente la cual entrega unacorriente entre 4 y 20 mA, proporcional a la medida.

– La información es transportada por una corriente, la caída de voltaje a lolargo del cable no induce error.

– Un error de señal de 0 mA (desconexión del cable)

– El numero de cargas conectadas en serie esta limitado por el voltaje deoperación (10..24V).e.g. if (R1 + R2+ R3) = 1.5 k , i = 24 / 1.5 = 16 mA, which is < 20

mA: NOT o.k.)



Transmisores de Caudal

Presión diferencial Electromagnéticos

Turbina

Vortex

Efecto Doppler

Másicos (Coriolis) …..



Transmisores

Sensor: Elemento primario sensible a una propiedad física relacionada con la variableque se quiere medir.

Transmisor: Sistema unido al sensor queconvierte, acondiciona y normaliza su señal para transmitirla a distancia.

Indicador: Combina un sensor y un sistemade medida analógica o digital.



Transmisores

Señal neumática: 0.2 - 1 Kg/cm2

3 - 15 psi

Señal electrica: 4 - 20 mA

1 - 5 V cc, ....

Frecuencia: pulsos/tiempo

Otras: RTD, Contactos,... Señal digital: HART, Fieldbus,

RS-232...



4-20 mA

Transmisor mA

FC

•La señal de corriente es la misma encualquier punto de la línea

•Puede diferenciarse una avería o ruptura delínea del rango inferior de medida

•Pueden conectarse un número máximo de

cargas o instrumentos



Pulsos/Frecuencia

Transmisor Contador

de pulsos

El número de pulsos de tensiónrecibidos por unidad de tiempo es

proporcional al valor de la magnitudmedida



Parámetros de medición Las mediciones de flujo son un aspecto

importante del control de procesos Rata de flujo másico

– Qm [kg/h, ton/h, kg/s, …]

Rata de flujo volumétrico – Qv [m3/h, l/s, …]

Rata de flujo másico: es un valor demedición ideal (independinte de P y T)

Rata de flujo volumétrico : técnicamentemás fácil de medir (más barato!)



Propiedades de los fluidos En fluidos normales (incompresibles), el

efecto de la presión es despresiable

Los efectos de la temperatura pueden ser significativos:

– [K -1

] Coeficiente de expansión volumétricatermal

– T [K] Temperatura

T V V 112



Propiedades de los fluidos En mediciones de gas, los efectos de P y T

son importantes. Las mediciones son basadas en condiciones

normales:

– V [m3] volumen a condiciones de operación

– T [K] Temperatura de operación – P [bar] Presión de operación

El flujo volumétrico es entonces dado en: Nm3/h

013,1013,1273 P

T V V n

C t d i d



Conceptos de mecánica de

f lu idos

Viscosidad

– Viscosidad o “stickiness” caracteriza la abilidad para resistir cambios de forma.

– Resulta de la fricción interna en el fluidocausada por las fuerzas entre las moléculas

– La viscosidad es función de la temperatura



Viscosidad Suponga:

– Dos platos – Distancia „l‟ : separación

– Liquido entre ellos

– Un plato es jalado con velocidad „v‟

La fuerza requerida para mover elotro plato es :

El factor proporcional es llamadocoeficiente de fricción interna.

l

v A F



Viscosidad Viscosidad absoluta o dinámica

Viscosidad cinemática

s Pam

s N

smm

m N

22

s

m

kg

m s Ps 23



Número de Reynolds Número adimensional

Usado para comparar fluidos Proyecta valores medidos con un fluido en

movimiento a otro fluido

– D [m] = diámetro del tubo

– [kg/m3] = densidad – [Pa .s] = viscosidad dinámica – v [m/s] = velocidad de flujo promedio – [m2/s] = viscosidad cinemática

Dv Dv Re



Regimenes de flujo

Flujo laminar : el fluido fluye en capas, las cuales

no se mezclan una a otra. – Velocidad de fluido baja

– Viscosidad del fluido alta

Flujo turbulento: el fluido fluye al azar en todas lasdirecciones – Velocidad de fluido alta

– Viscosidad del fluido baja



Regimenes de flujo Criterio para el regimen de flujo: valor del número de

Reynolds

Casi todos los medidores de flujo operan en elrango turbulento!!

Característica de flujo Re < 2300 Re > 2300

Regimen de flujo laminar turbulentoPérdida de presión pequeño Alto

Perfil de velocidad parabólico aprox. rectangular

Promedio a velocidadmáxima

0,5 0,8 .. 0,9

2300Re cr



Ecuaciones de energía y rata

de flujo – Ley de Bernouilli

En un fluido fluyendo (liquido o gas) están

presentes los siguientes tipos de energía: – Energy potential : energy de posición

energy de presión

– energy cinética



Ley de Bernouilli Estos tipos de energía estan dados por:

– energy de posición :

m = masag = gravedad

h = altura – Energía cinética:

v = velocidad de flujo

– Energía de presión:

P = presión estática

= densidad

h g m

2

2

1vm

pm



Ley de Bernouilli La suma es:

La ley de conservación de energía deBernouilli‟s establece que la energía total enun fluido permanece constante, cuando ni seagrega ni se retira energía desde el exterior.

2

2

1vm

pmh g m E

const v ph g 2

2

1



Ley de Bernouilli

Si el tubo es horizontal, la energía de posición se

puede despreciar:

O cuando se mira en un tubo en dos locaciones, se

tiene:

const v p

2

2

1

22

222

211 v pv p



Ley de Bernouilli

Al rearreglar la última formula, la ecuación básica para la caída de presión llega a ser:

2

1

2

2212vv p p p



Ley de Bernouilli Si se tiene una retricción en el tubo, se tiene:

El flujo volumétrico a través del tubo esta dado por

Para fluidos incompresibles, la rata de flujo permanece igual

Av D

vqv

4

2

2

2

1

2

2

2

1

2211

44

D

d

v

v

d v

Dvq

Av Avq

v

v



Ley de Bernouilli Introduciendo una nueva variable, la

relación de area m resulta:

Introduciendo esto en el deltaP se logra:

21

2

1

2

vmv

vvm

D

d m

22

2

2

2

22

2 1

22mvvmv p



Ley de Bernouilli Reemplazando v2 por

Se consigue para la rata de flujo

La restricción resulta en – Un incremento en la velocidad del fluido

– Una reducción en la presión estática debido auna conservación de la energía cinética

2

2

2

2

2

2

12m

A

q p

A

qv

v

v

221

2

m

p Aqv

pq

pq

v

v

~

~2



Presión Total Si la velocidad se reduce a cero por una

restricción, la presión se incrementa mediante elcambio de la energía cinética a presión:

En el centro de la obstrucción, en el punto deestancamiento, se tiene:

2

112

2

2

2

11

2

2

2

0

2

0

v p p

pv p

v



Presión Total La „presión total‟ p2 en el punto de

estancamiento es la suma de la presiónestática p1 y la presión dinámica convertida

Asi, si se conocen ambas, la presión estáticay la dinámica, la velocidad de flujo se puede

calcular de:

2

1

2

v pdyn

statictotal p pv

2



Contracción y expansión

Las formulas anteriores solo son validas para

fluidos ideales. Los fluidos reales tienen pérdidas de presión sobre

una restricción, debido a la fricción interna.



Med ido res t ipo cabeza

Es el tipo mas común de medidor usado para

medir ratas de flujo. Mide el flujo de fluido indirectamente creando una

presión diferencial por medio de una obstrucción. – Son generalmente simples, confiable, y ofrece mas

flexibilidad que otros métodos de medición de flujo.

– El medidor de flujo tipo cabeza casi siempre consiste dedos componentes: el mecanismo primario y elmecanismo secundario.

– El mecanismo primario es colocado en el tubo pararestringir el flujo y desarrollar un diferencial de presión.

– El mecanismo secundario provee una lectura o señal para transmisión a un sistema de control.



Medidores t ipo cabeza

– Con estos medidores, no se requiere en campo lacalibración de un mecanismo de medición. El mecanismo

primario se puede seleccionar por

compatibilidad con el fluido especifico o

aplicación y el mecanismo secundario se

puede seleccionar por el tipo o lectura de

transmisión de señal deseada.



Placas de orificio

Una placa de orificio concéntrica es

el mas simple y barato de losmedidores de cabeza.

La placa de orificio restringe el flujode un fluido para producir un

diferencial de presión a través del plato.

El medidor de orificio consiste de un plato de orifico plano con un agujero

circular perforado en este. Hay unflanche( pressure tap) corriente arribadesde la placa de orificio y otrocorriente abajo.



Placas de orificio El resultado es una presión alta corriente arriba y una presión

baja corriente abajo que es proporcional al cuadrado de lavelocidad de flujo.

Este usualmente produce una caída de presión total masgrande que otros mecanismos primarios.

Una ventaja practica de este mecanismo es que el costo no seincrementa significativamente con el tamaño del tubo.



Placas de orificio

Excéntrico

– Fluidos con cantidades pequeñas de sólidos no-abrasivos

– Gases con pequeñas cantidades de liquido Una abertura en el fondo del tubo retirara los sólidos/líquidos

Segmentado – Líquidos o gases con impurezas no-abrasivas

Lechadas ligeras

Gases sucios

– Exactitud mas baja que en placas concéntricas



Placas de orificio

El orificio debe ser dimensionado de tal manera que

se consiga una lectura DP de alrededor de 250mbar – Limita la perdida de presión estática

Uso de placa de orificio removible – Ajuste del orificio (Daniel Senior)



Calculo de la platina de orificio

De la anterior parte teórica discutida se conoce

(Ley de Bernoulli), que la velocidad del liquidoesta dada por

donde β = D b/Da = (A b/Aa)0.5



Calculo de la platina de orificio En el medidor de orificio aparece una aplicación

importante que no se encuentra en el venturi. Elárea de flujo decrece desde Aa en la sección 'a' auna sección transversal de abertura de orificio (Ao)en el orificio y luego a A b en la vena contracta.

El área de la vena contracta puede ser convenientemente relacionada al área del orificio

por el coeficiente de contracción Cc definido por la

relación: Cc = A b / Ao

Asi, v bA b = voAo , esto es, vo = v bCc



Calculo de la platina de orificio Insertando el valor de A b = CcAo en la ecuación

Usando el coeficiente de descarga Co (coeficientede orificio) para tener en cuenta las perdidas por fricción en el medidor y el parámetro Cc, la rata deflujo (Q) se obtiene la rata de flujo,



Calculo de la platina de orificio

Co varia considerablemente con cambios enla razón Ao/Aa y el numero de Reynolds.

Un coeficiente de orificio (Co) de 0.61 se

puede tomar para le medidor standard paranúmeros de Reynolds por encima de 104, pero el valor cambia notablemente a valores bajos del numero de Reynolds.

Rec peracion de presion de



Recuperacion de presion de

orificio:

La perdida de presión permanente dependedel valor de β. (β = Do/Da).

Para un valor de β = 0.5, la cabeza perdidaes de alrededor del 73% de la diferencial delorificio.

F l St d d



Formula Standard En estándares internacionales, las

ecuaciones de rata de flujo másico yvolumétrico están dadas por:

La velocidad del factor de aproximación Ese define como

pd E C q

pd E C q

m

v

24

2

4

2

2

44

2

41

1

d D

D E

ECUACIÓN DE UNA PLACA DE ORIFICIO



ECUACIÓN DE UNA PLACA DE ORIFICIO

Orificio de orilla recta:

F l St d d



Formula Standard El coeficiente de descarga C es una función

de la razón de diámetros β , el numero deReynolds Re, el diseño de la restricción, lalocalización de las tomas (taps) de presión y

la fricción debida a la rugosidad de latubería

El factor de expansión de gas determinado

empíricamente esta dado en curvas y tablas.Este considera los cambios en densidad delos gases y el vapor debido a la reducciónde presión en la restricción.

C l l l id l



Calculo en la vida real AGA-3

Spreadsheet demo

M t j t b í



Montaje en tubería

El ensamblaje de placa de orificio se debe instalar

entre el tubo acoplado a los flanches como semuestra en la figura

Es importante asegurar que el chaflán de 45°debe estar downstream,

esto se logra encarando

en la dirección upstream

la cara plana del disco.

R i i t d i t l ió



Requerimientos de instalación

R i i t d i t l ió



Requerimientos de instalación

I t l ió t b í d



Instalación en tubería de gas

La posición de las tomas de presión debe ser – vertical o – Dentro de 45° de la horizontal.

G L t d d



Gas - Layout recomendado El transmisor se debe instalar en una posición mas

alta que la placa de orificio. La línea impulse debe tener una subida mínima de

1:20, y no debe contener

algún codo donde puedaacumularse liquido

cuasando serios errores en

las lecturas del transmisor

DP.

G L t d d



Gas - Layout recomendado Los dos tubos impulse deben seguir la misma ruta,

preferiblemente anclados juntos. El tubo impulse debe tener

un O/D mínimo de ½”

(12.7mm) y tener gradoconveniente de presión

y temperatura para la

aplicación.

Instalación en tuberías no



Instalación en tuberías nohorizontales

La tubería impulse debe colocarse como en la figura.

La diferencia en cabeza de presión estática causada por el diferente layout del tubo impulso usado, se puede compensar usando ajuste a cero del

transmisor.

Desempeño de las placas de



ese pe o de as p acas deorificio

El desempeño de un sistema de medición de placa de orificio puede ser influenciadograndemente por las variables deinstalación, las cifras abajo se dan solo

como guía: Exactitud:

– típicamente +/- 3% del flujo actual. (equivalente a +/- 1.5% deflexión de escala

completa a 50% del flujo máximo ajustado).

Repetibilidad:

– tipicamente +/- 0.3%.

D ñ d l l d



Desempeño de las placas de

orificio

El borde del orificio debe permanecer siempre agudo!!

La placa de orificio debe ser perfectamente plana

El hueco no debe estar dañado

El agujero debe ser circular El orificio puede ser sensible a

contaminación y abrasión si no se tiene encuenta lo anterior

Transmisor multivariable



Transmisor multivariable

Rosemount 3095MV – Presión – Presión diferencial

– Temperatura

Calcula flujo masico – Usando propiedades del fluido (e.g. tablas de vapor)

Placas de orificio



Placas de orificio

Medidores de veloc idad



Medidores de veloc idad

Cuando se usa velocidad para medir la rata deflujo de un fluido, el mecanismo primario generauna señal proporcional a la velocidad del fluido.

La ecuación QV = AxV ilustra que la señalgenerada es lineal con respecto a la rata de flujovolumétrico.

Ventajas sobre los medidores de cabeza( headmeters): – Menos sensibles que los medidores de cabeza al perfil

de velocidad

– Algunos están sin obstrucciones(obstructionless) Proveen salida lineal con respecto al flujo(no hay relación deraíz cuadrada con respecto al flujo), como en los medidores de

presión diferencial

– Tienen una rangeabilidad mayor en comparación con lamayoría de los medidores de cabeza.

Medidores de Turbina



Medidores de Turbina Un medidor de turbina usa un rotor multi-bladed soportado

por cojinetes dentro de una sección de tubería perpendicularal flujo.

El fluido conduce el rotor a una velocidad que es proporcional a la velocidad del fluido y, consecuentemente,a la rata de flujo volumétrico total.

Una bobina fuera del medidor

produce un voltaje alterno a

medida que cada blade corta

las líneas de flujo magnético dela bobinas.

Cada pulso, axial, representa un

volumen discreto de liquido.





Un portador modulado (RF) o un pick-off Magnetico sensa

la rotacion del rotor y proveee una salida de frecuenciaelectrica proporcional a la rata de flujo de proceso.

El uso del pick-off RF optimiza la habilidad del medidor para medir flujos puesto que este no produce algunafriccion magnetica en el movimiento del rotor como si lohacen los pick-off Magneticos.

Esta salida de frecuencia se puede procesar por electronicacomplementaria, partiendo desde amplificadores basicos,indicadores y totalizadores, hasta linealizadores y

computadores de flujo mas complejos los cualescompensan para todos los parametros de proceso medibles para exactitud en las mediciones de flujo volumetrico ymasico.

Desempeño



Desempeño Tamaño compacto, 3” conexión cara a cara con NPT.

Opera en rangos de flujo bajos cuando no lo pueden hacer las turbinas Standard.

Exactitud ±0.2% en líquidos, ±0.3% engas cuando se usan con electrónica de linealizacion.

Mide ratas de flujo tan bajas como 0.001gpm en líquidos, y 0.0015 scfm en gas.

Tiempo de repuesta rápido hasta 3 - 4 ms en líquidos.

Temperatura: desde – 270 ºC a +150 ºCdesde – 50 ºC a +650 ºC

Presiones: hasta 400 bar standardhasta 4000 bar posible





Como el rotor es hecho de acero inoxidable, estees compatible con muchos fluidos.

Sin embargo, los rodamientos, que son necesarios para soportar el rotor y deben permitirle girar

libremente a altas velocidades, requiere un proceso bastante limpio.

Los medidores de turbina son disponiblestípicamente en tamaños desde ½” hasta 12”.

Tienen rápida respuesta y buena exactitud (usadoscomo medidores fiscal).





Para altas viscosidades, se debe preparar una curva

de calibración, la cual es no-lineal. Tener cuidado con sobre velocidad y choque

hidráulico (ej. apertura/cierre rápido de lasvalvulas)

Medidores tipo Vortex



Medidores tipo Vortex El principio de medición de un medidor de flujo tipo vortex se basa en

el fenómeno de vertimiento de vortice( vortex shedding) conocido

como el efecto von Karman. A medida que el fluido pasa

un cuerpo escarpado amplio(bluff body), separa y genera pequeños remolinos(eddies) o vortices

que son vertidos alternadamente alo largo y detrás de cada lado delcuerpo.

Estos vortices causan áreas de presión fluctuante que son

detectadas por el sensor. Lafrecuencia de generación devortex es directamente

proporcional a la velocidad del fluido.

Medidores Vortex



Medidores Vortex

La frecuencia vortex esta dada por

siendo St el numero de Strouhal

v, la velocidad del fluidod, el ancho del cuerpo bluff

d

vSt f

Medidores Vortex



Medidores Vortex Combinando el numero de Strouhal y el ancho en un

factor, K, se encuentra que el factor K varia con el numero

de Reynolds, pero este es virtualmente constante sobre unamplio rango de flujo

Los medidores de flujo Vortex proveen ratas de flujoaltamente lineales y exactas cuando se operan dentro de suregión plana.

Medidores Vortex



Medidores Vortex

Piezo elementos

dentro del sensor convierten la fuerza de presion resultante enuna señal de pulso

electrica que puede ser amplificada.

Requerimientos de instalacion




Los medidores de flujo Vortex requieren secciones

largas de entrada y salida





Cuidado especial que debe



p qtenerse

Vortices solo ocurren desde una ciertavelocidad de fluido hacia adelante,consecuentemente ellos tienen un ceroelevado referido como el punto „cut-off‟. El

flujo mínimo medible esta limitado por alguno de los siguientes factores: – Bajo numero de Reynolds , causando que cese

el fenómeno de vertimiento ( shedding );

– Velocidad de fluido mínima; – Razón señal/ruido muy baja (los sensores no

pueden distinguir entre frecuencia de la señal yruido).

Cuidado especial que debe



p qtenerse

Los medidores de flujo Vortex solo funcionaranadecuadamente bajo condiciones de fluidomonofásico. – En aplicaciones de liquido, el perfil de presión a través

del medidor de vortex no resultara en cavitacion bajoalguna condición de operación.

– La cavitacion causara perdida de la señal de salida y podría dañar el medidor y el tubo downstream.

Los medidores de flujo Vortex son susceptibles aflujos oscilantes y vibración mecánica. – Si las frecuencias entran al rango de frecuencia del

vortex, se introducen mayores errores sistemáticos y al

azar.

Seleccion de medidores vortex



Seleccion de medidores vortex

El numero de Reynolds debe ser al menos de 20,000, pero preferiblemente estar sobre 40,000 bajo algunacondición normal o anormal de proceso.

Los medidores vortex en servicio de liquido se debenseleccionar tal que no ocurra cavitacion durantealguna condicon de proceso normal o anormal.

Los medidores vortex no deben ser usados enaplicaciones de gas o vapor húmedos o en alguna otraaplicación bifásica (ej. líquidos con burbujas de gas o

espuma, líquidos inflamables, línea a medio llenar). Los medidores vortex no se deben considerar para

servicios en fluidos muy viscosos, con ceras oerosivos.

Desempeño



Desempeño

Se pueden usar para líquidos, gases y

vapores Exactitud

– 0,75% de la rata para líquidos

– 1% para gases y vapor Limites de temperatura

– – 40 ºC a 440 ºC

Conveniente para líquidos con viscosidadeshasta de 7.5 mPas

Tamaños desde DN 15 a DN 300

Medidores Vortex



Medidores Vortex

Medidores de flujo



ultrasónicos Ultrasonido es sonido con frecuencias sobre el limite

audible para el hombre (típicamente 18 kHz).

Las ondas sonoras se propagan a la velocidad del sonido „c‟.

Para que las ondas acústicas se propaguen, si es posible enel estado no amortiguado, – Los medidores de flujo ultrasónico para líquidos operan con

frecuencias sonoras en el rango de "Megahertz", – Los medidores de flujo ultrasónico para gases operan con

frecuencias acústicas en el rango "100 Kilohertz".

Medidores de flujo



jultrasónicos

Medidores de flujo



ultrasónicos Doppler Principio

– Los medidores de flujo Doppler operan similarmente a lastrampas de velocidad de radar usadas en la carretera.

– Un emisor envía ondas ultrasónicas a la frecuencia f1(aprox. 1 - 5 MHz) a un ángulo α dentro del productofluyendo. Las ondas ultrasónicas impactan las partículasque se mueven a través del campo de sonido a la velocidadvP.

Medidores de flujo



ultrasónicos Doppler – La longitud de onda de la onda emitida a la frecuencia f1 es:

– Debido a su rata de movimiento vP, la partícula que se muevelejos del emisor “ve” la longitud de onda:

11 f c

1cos f vc p p

Medidores de flujo ultrasónicosD l



Doppler – Alternadamente, el receptor ahora „ve‟ la

frecuencia reflejada fuera de la línea porque la partícula reflectora se está moviendo más lejostodo el tiempo y la longitud de onda cambia asi:

– De aqui para vP « c we obtain:

– Esta diferencia en frecuencia es asi una medida

lineal de la rata de movimiento de las particulas.

12 cos2 f vc p

cos2

1

2

pvc

c f f

c

f v f f f p

cos21

12

Medidores de flujolt ó i D l



ultrasónicos Doppler Ventajas

– Fácil de instalar en tuberías existentes , versiones deabrazadera (clamp-on)

– no-invasivo, sin partes en movimiento, sin desgaste

Desventajas y limitaciones

– El método de medición necesita un numero suficientede particulas reflectoras en el medio sobre una basecontinua.

– Las partículas deben ser lo suficientemente grandes

como para poder proveer reflexiones suficientemente buenas (> λ/4).

– La velocidad del sonido del material particulado debeser diferente a la del liquido.

Desventajas



Desventajas – La velocidad del sonido del medio es incluida

directamente en el resultado de medición.

– La velocidad de la partícula a menudo difierenotablemente de la del liquido.

– Usualmente, el campo ultrasónico se extiende solo en elflujo periférico. Esto es el porque la indicación esaltamente dependiente del perfil de flujo.

– La velocidad necesita estar lejos de la velocidad criticaa la cual las partículas s asientan.

– Se necesitan entradas muy largas y sin impedimentos(20 x D) para permitir sacar conclusiones de la rata deflujo.

Diferencial ultrasónico delt á it ti



tránsito-tiempo Convertidores electro-acústicos ("piezos", algo

como los altavoces y los micrófonos piezoeléctricos del alto-tono) emiten y reciben los pulsos ultrasónicos cortos a través del producto

que fluye en el tubo . Los convertidores están endirección longitudinal localizados diagonalmentecompensado de cualquier lado del tubo demedición.




tránsito-tiempo Un pulso que viaja con la corriente del piezo A a B

necesita un tiempo de tránsito de:

Un pulso que viaja en contra de la corrientedesde el piezo hasta el A necesita un tiempode transito de:

La diferencia de tiempo de los

dos pulsos es:

cos

1

sin vc

DT B A

cos

1

sin vc

DT A B

D

T T

vT T T B A A B B A A B

2sin




tránsito-tiempo Entonces se tiene

La rata de flujo esta dada por

La diferencia del tiempo de transito es asi

una medida lineal precisa de la velocidad deflujo promedio v a lo largo del camino demedición (ultrasonic beam). La diferencia

del tiempo de transito es muy pequeña

B A A B

B A A B

T T

T T Dv

2sin

Av Dvqv

4

2




tránsito-tiempo

El convertidor de señal, el cual conduce los piezos

con pulsos y evalúa las señales recibidas, debegarantizar esta resolución de alto tiempo.




tránsito-tiempo Determinación de la velocidad del sonido c

– Adicionalmente, la velocidad del sonido c puede ser determinada on-line de la suma totalde tiempos de transito :

– la velocidad del sonido c es dependiente deltipo de producto en el tubo de medición.

– Esta puede ser usada para medir el contenido deagua en el aire de procesos de secado, paramedir el contenido de agua en aceite, o laconcentración de un liquido.

sin21 Dc

T T T B A A B

Flujometros ultrasónicos enlí



línea Para líquidos y gases

– Medidor de flujo de rayo doble

– Para mediciones de flujo de proceso continuocon requerimientos de alta exactitud, sin

mantenimiento absolutamente, y laindependencia mas grande posible del numerode Reynolds y otras condiciones de proceso.

– Los mecanismos de medición son permanentemente instalados en el tubo

(in-line).




línea El arreglo de estos caminos a una distancia

definida de la línea central del tubo asegurala independencia prácticamente completadel número de Reynolds

La misma exactitud de la medición seobtiene en los perfiles de flujo laminar yturbulento.

Además, usando dos caminos de lamedición considerablemente reduce elefecto de perfiles de flujo distorsionadosasimétricamente sobre la exactitud de la

medición




línea Amplio rango de tamaños de medidor y

ratas de flujo – Disponible desde DN 25 a DN 3000. – Ellos se pueden usar para mediciones de flujo

exacta en el rango de aprox. 1 m3/h a 100.000m3/h.

Medición exacta sobre spans amplios

– Los medidores de flujo ultrasónicos de este

tipo, los cuales son calibrados con agua enequipos de calibración exacta, ofrecen unaexactitud suficientemente alta para aplicacionesde proceso, y sobre todo un span de medición

amplio

Flujometros ultrasónicos enlínea



línea Las versiones “normales" , dependen del

fabricante y del tipo, permiten temperatura de proceso hasta de 150°C o 200°C.

Alta Temperatura, Presiòn



p ,

Diferencial de tiempo de transito ultrasónico

Temperaturas hasta 500°C, presiones hasta1500 bar

– Estas versiones operan bajo el mismo principio comose describió antes.

– Para proteger los sensores piezoeléctricos de lastemperaturas altas, estos se posicionansuficientemente lejos al final de la varilla de acople.

Condiciones limite



Condiciones limite para medidores de

flujo de gas ultrasónicos. – El sonido no puede ser transmitido en el vació.

– Así que la transmisión de sonido entre los

sensores requiere que el gas tenga una densidadmínima definida.

– También es necesaria una presión mínima

Versiones especiales paraductos air/flue gas



ductos air/flue gas

Flujo ultrasónico- desempeño



j p Desempeño

– Rangeabilidad hasta 1500:1

– Exactitud

1% de la lectura – Temperaturas

-200ºC a 360 ºC clamp on

-200ºC a 500 ºC húmedo (wetted)

– Presiones 240 barg húmedo (wetted)

– Para líquidos, gas y vapor

Flujo ultrasónico- desempeño



j p

Flu jo másico Corio lis



j á

El medidor de coriolis usa un tubo en forma de U sin

obstrucción como sensor y aplica la segunda ley demovimiento de Newton para determinar la rata deflujo.

Dentro del alojamiento del sensor, el tubo del sensor

vibra a su frecuencia natural

Flu jo másico Cor io lis



j á




Caudalímetro de CoriolisCon la configuración del equipo indicado,

poniendo a los tubos en oscilación a una frecuenciafija uno contra otro; el movimiento entre los tubos

en U será estable. Con el ingreso del fluido alsistema, este circulará en el primer brazo de la Ualejándose del eje de rotación, mientras que en elsegundo brazo de la U estará acercándose al eje derotación. Esto generará una fuerza de Coriolis quedistorsionará la oscilación fija en vacío. Estadistorsión será entonces una función de la masa y dela velocidad de flujo. La velocidad angular estáfijada por la frecuencia de excitación.

j á

F lujo másico Coriolis






á

Vibración del tubo:

– El fluido de proceso entrando al sensor esdividido, la mitad pasando a través de cada tubode flujo. Durante la operación, una bobinaconductora es energizada. La bobina

conductora causa que los tubos oscilen arriba yabajo en oposición.




Generación de la señal:

– El magneto y el ensamble de bobina llamados pick-offs, se montan

sobre los tubos de flujo. Los alambres del bobinado están montadosen los brazos laterales de un tubo de flujo, y los imanes estánmontados en brazos laterales del tubo de flujo contrario.

– Cada bobina se mueve a través del campo magnético uniforme delimán adyacente.

El voltaje generado de cada bobinadel pickoff crea una onda seno.

Debido a que los imanes están montados en

un tubo, y las bobinas en el tubo contrario,

las ondas seno generadas representan el

movimiento de un tubo relativo al otro




Sin flujo – movimiento del tubo:

– Los tubos de flujo oscilan 180 grados en oposición unoa otro; mientras un tubo se mueve hacia abajo, el otro semueve hacia arriba y luego viceversa.

– Ambos pickoffs – uno al lado de la entrada y el otro a lasalida – generan ondas de corriente sinusoidalescontinuamente cuando los tubosestán oscilando.Cuando no hay flujo, las ondas

sinusoidales están en fase.




Sin flujo - No hay efecto de Coriolis:

– Durante una condición en que no hay flujo, no hayefecto coriolis y las ondas seno están en fase entres si.




Flujo – Efecto Coriolis:

– Cuando el fluido se esta moviendo a través de los tubosdel sensor, son inducidas fuerzas de Coriolis. Estasfuerzas causan que los tubos de flujo se doblen(twist)en oposición uno a otro. Cuando el tubo se esta

moviendo hacia arriba durante la mitad de su ciclo devibración, el fluido fluyendo dentro del sensor se resisteal movimiento hacia arriba, empujando hacia abajo enel tubo.

– Teniendo el momentum del tubo hacia arriba a medidaque el fluido viaja alrededor de la curvatura, el fluidofluyendo hacia afuera del sensor se resiste teniendo sumovimiento vertical disminuido empujando hacia arribaen el tubo. Esto causa que el tubo se tuerza (twist).




Flujo - Delta-T:

– Como resultado de este torcimiento en los tubos deflujo, las ondas seno generadas por los pickoffs estánahora desfasadas debido a que el lado de la entrada estaretrasado con respecto al de salida.

– La cantidad de diferencia de tiempo entre

las ondas seno se mide en microsegundos,

y es llamada Delta-T.

– Delta-T es directamente proporcional a la

rata. Mientras mas grande Delta-T, mayor la rata de flujo másico.




Factores de calibración de flujo Los factores de

calibración consisten de 10 caracteres, incluyendodos puntos decimales. Un factor de calibración deflujo típico para un sensor CMF podría ser:4.27454.75

El valor tiene dos componentes: – Los primeros 5 dígitos (4.2745) corresponden al factor

de calibración de flujo. Cada sensor tiene un únicofactor de calibración. Este factor de calibración

multiplicado por un Delta-T dado (medido en microsegundos), reporta la rata de flujo másico en gr/s.

Flu jo másico Cor io lis Ejemplo:



Ejemplo:

dado un Delta-T de 5 microsec

5 X 4.2745 = 21.3725 gr/s rata de flujo

– Los últimos tres dígitos (4.75) corresponden aun coeficiente de temperatura para el material

del tubo sensor. Este coeficientecompensa el efecto de la temperatura

sobre la rigidez del tubo. Este es

expresado en términos de un cambioen porcentaje en la rigidez por 100°C.

Medidores tipo Coriolis



Desempeño:

– Exactitud 0,1% del valor medido para flujo másico en líquidos

0,5% del valor medido para flujo másico en gases

0,5 g/l a 9g/l para densidad

– Presión hasta 350 bar

– Temperatura -50 a +250 º C

– Rangos desde 0,006 kg/min hasta 6000 kg/min, dependiendo

del tipo y tamaño

Medidores Coriolis – instalación



Instalación

– No se requiere tuberías rectas para su corrida No requiere condiciones especiales de montaje o

flujo

– Se puede montar horizontalmente, con pendiente hacia arriba y verticalmente

– Evite ambientes de mucha vibración

– Evite caídas verticales después del medidor

Medidores Coriolis – instalación



– Bombas pulsando

– Evite montarlo en el punto mas alto en el tubo

– Prefiera diámetros grandes(velocidad mas baja, presión mas

alta)

Medidores tipo Coriolis



p

Medición de flujo en una planta



Medido res de masa térm icos



Principio: medición de propiedades de

absorción de calor de un fluido. – Usado principlamente para mediciones de gas.

Metodo Hot wire

– Un termometro de resistencia es o calentado conuna corriente constante y la diferencia detemperatura entre éste y un termómetro sincalentar determinada o la

corriente de calentamiento es en si

misma regulada tal que exista una

diferencia de tempertaura constante.




Considere un alambre inmerso en un flujo de

fluído. Asuma que el alambre, que se calienta concon una entrada de corriente eléctrica, esta enequilibrio con su ambiente. La entrada de potenciaeléctrica es igual a la pérdida de potencia a la

transferencia de calor convectivo,

donde I es la corriente de entrada, Rw es laresistencia del alambre, T

w y T

f son las

temperaturas del alambre y el fluídorespectivamente, Aw es el area superficial delalmabre, y h es el coeficiente de transferencia de

calor del alambre

Med ido res de masa térm icos



é La resistencia del alambre Rw es también una

función de la temperatura de acuerdo a,

donde α es el coeficiente térmico de resistencia y R Ref es la resistencia a la tempertaura de referenciaT Ref .

El coeficiente de transferecnia de calor h es unafunción de la velocidad del fluído v f de acuerdo a

la ley de King,

donde a, b, y c son coeficientes obtenidos decalibración (c ~ 0.5).




Combinando las tres ecuaciones anteriores, se

puede eliminar h,

Continuando, se puede resolver para la velocidaddel fluído,

Medido res de masa térm icos D ti d ó t t i (h t i )



Dos tipos de anemómetros termicos (hot-wire) soncomúnmente usados: temperatura constante – y

corriente constante. – Los anemómetros de temperatura constante son más

ampliamente usados debido a su sensibilidad reducida avariaciones en el flujo.

– El alambre se debe calentar suficientemente (por encima de la temperatura del fluído) para que seaefectivo, si el flujo fuera repentinamente suspendido odisminuido, el alambre se podría quemar en un

anemómetro de corriente constante. – Opuestamente, si la rata de flujo se aumentara

repentinamente, el alambre podría enfriarsecompletamente resultando en una unidad de corriente

constante inacapaz de registrar datos de calidad

Anemómetro hot-wire detemperatura constante



temperatura constante Para un anemómetro alimentado por una corriente

ajustable para mantener una temperaturaconstante, T w y Rw son constantes. La velocidaddel fluído es una función de la corriente de entraday la temperatura de flujo,

Además, la temperatura del fluído T f puede ser medida. La velocidad del fluído es entoncesreducida a una función solo de la corriente de

entrada

Anemómetro hot-wire decorriente constante



corriente constante Para un anemómetro alimentado por una corriente

constante I , la velocidad de flujo es una función de lastemperaturas del alambre y el fluído,

Si la temperatura de flujo es medida independientemente, lavelocidad del fluído se puede reducir a una función de la

temperatura del alambre T w solamente. A vez, latemperatura del alambre esta relacionada a la resistencia delalambre medida Rw. Asi, la velocidad del fluído se puederelacionar a la resistencia del alambre.




Usados en

– Medidores de flujo de gas de exactitud baja – Switches de flujo de gas

– Gas limpio o gas mezclado

– Gas seco o saturado – Homogeneo y de composición casi constante

E.j. aire (ventilación, purga, combustión)

Med ido res de masa térm icos



316SS construction

Range of process connections

Field Validation/Configuration

2% reading accuracy Very large installed base

Removable probe for recal/service

In-line flow conditioning Meters all process gases

Thermal mass flowmeasurement



measurementpara gases

As shown in figure A a part of the gas flows through the sensor, and is warmed

up by heater R H. Consequently the measured temperatures T1 and T2 drift apart,as shown in figure B. The formulas for dT demonstrate that the temperaturedifference is directly proportional to mass flow. Electrically, temperatures T1

and T2 are in fact temperature dependent resistors R T1 and R T2.




Desempeño

– exactitud: 1,5% of full scale – rangeabilidad hasta1000:1

– Tiempo de respuesta 0,2 to 3 s

– temperatura -50 to 260 degC

– presión hasta70 barg – velocidad 1-3 s para temperatura cst

20-60 s para potencia cst

Medidores de masa



térm icos

Petroleum & Gas Industries:

Custody transfer - Landfill gas recovery - Flare gas

measurement - Gas mixing - Gas quality studies -Leak testing

Resumen



Tipo de

medidor

Rango de

flujo

Limites de

eror en %de la rata

Caida de presion a Qmax en bar

Turbine meter 1:5 a 1:20 0,1 a 1 0,5 a 1

Vortex meter 1:15 a 1:20 0,75a 1 0,7 (water); 0,07 (air)

DP meter 1:5 a 1:10 2 0.005 a 1 depending on diameter ratio

Ultrasonic 1:10 1 same as pipeline

Coriolis 1:20 0,25 1

Thermal 1:20 a 1:30 2 0,002

BIBLIOGRAFIA



Ernest O. Doebelin. Measurement Systems, Application andDesign. McGraw-Hill, 1990

Antonio Creus Sole. Instrumentación Industrial. Marcombo,

1992.James W. Dally, William S. Riley,Kenneth G. McConnel.Instrumentation for Engineering Measurements, 2nd Edition.

Mercado



Emerson (Fisher-Rosemount): 27 %

Invensys: 4-5%

ABB: 4-5%

Honeywell: 3-4%

Omega

Documents

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