Ic 13 clas 6 7

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• En los procesos industriales en general, se realiza la medición delos caudales de líquidos y/o de gases, y en menos casos, desólidos.

• Las mediciones de caudal y el control de tales caudales sonfundamentales para el correcto funcionamiento de los procesosde acuerdo a las especificaciones de los mismos

• En muchas transacciones comerciales la venta de una dadacantidad de producto se hace en función del caudal enviado

• Existen varios métodos para medir el caudal según sea su tipo:

– Volumétrico

– Másico

FLOWMETERS: MASS OR VOLUME?????

MEDICION DE CAUDAL

143Dr. Jaime Irahola Ferreira Instrumentación y Control de Procesos

MEDICIÓN DE CAUDAL

• El caudal es la variable de proceso básica más difícil de medir.

• Existen numerosos tipos de medidores y transmisores a saber:– Elementos deprimógenos

– Transmisores de presión

– Másicos (Coriolis)

– Desprendimiento de vórtices (Vortex)

– Ultrasónicos

– Electromagnéticos

– Otros


MEDICION DE CAUDAL

145Dr. Jaime Irahola Ferreira Instrumentación y Control de Procesos 146Dr. Jaime Irahola Ferreira Instrumentación y Control de Procesos

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Clasificación para selección de medidores de caudal

• Caudal, es una de las variables que mas frecuentemente se mide.

• Acapara el 75% de ventas anuales de los transmisores convencionales.

• La elección deberá satisfacer aplicación, performance y costo.

• Según la norma británica BS-7405 (Basada en más de 100 diseños y 200 proveedores) y segúnel principio de funcionamiento se tiene la siguiente clasificación:


• Existen sofisticadas metodologías para proceder a lacorrecta elección de caudalímetros, algunos inclusorecurren a Sistemas Expertos (Bailey 1980, Higham1985, Hall 1993)

Criterios de prestaciones.• criterios sobre el fluido de medida.• criterios de instalación y mantenimiento.• criterios ambientales.• criterios económicos.

SELECCION DE CAUDALIMETROS


Siete consideraciones para la correcta selección según Mein Hold (1984):1) Capacidad de los instrumentos para soportar las condiciones de

trabajo:– presión, temperatura, radiación solar, sólidos en suspensión, riesgo de

abrasión, aguas fecales y residuales, productos químicos disueltos,humedad externa, campos eléctricos y magnéticos, vibraciones ypulsaciones, transitorios de arranque y parada, riesgo de cavitación.

2) Capacidad del instrumento para medir con la exactitud (precisión)requerida en las especificaciones:– esto puede cubrir un punto nominal de funcionamiento o bien gama.

Conviene estar bien seguros de que los extremos considerados tambiéncumplen. Estos extremos no deben cubrir situaciones exóticas, o serfijados caprichosamente. Estar, también, seguros de que la precisión serefiere al caudal medido o bien al fondo de escala. Otrasespecificaciones sobre reproductibilidad, estabilidad y linealidad puedenser útiles.



3. Comparación de los costes del equipo y de su instalación con elpresupuesto disponible.

4. Incidencias del servicio, duración de vida, requisitos demantenimiento, intervalos y coste. El mejor mantenimiento empiezadurante la ejecución de la obra; prever la posibilidad de desmontarlos equipos sin interrumpir el servicio es la primera acción a realizar.La necesidad de técnicos del suministrador (muchas vecesextranjeros) para acudir al emplazamiento de medida puede costarmás de la mitad del precio del equipo. Se debe tener en cuenta lanecesidad de equipos de repuesto, completos o componentes.



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5 Estabilidad a largo plazo, y necesidad de recalibración periódica.Esta consideración está directamente conectada con la cuarta. El casoprecedente se enfocaba de modo general. Este se centra en laconservación de las prestaciones y exactitud en las mediciones. Eneste sentido conviene ser claro:

Todos los equipos tienen derivas a largo plazo y todos precisan recalibración.

La cuestión clave es fijar intervalos razonables y estar seguros de queestos se corresponden con las variaciones en la estabilidad (deriva)que se producen en la realidad. Una cadencia de intervalos como laque sigue es la que recomendamos a nuestros clientes:- Período de 1 año : 3 veces.- Período de 2 años : 2 veces.- Período de 3 años : resto.



6 Pérdida de carga generada y modificaciones en elflujo aguas abajo.

La pérdida de carga generada en exceso implica un mayor gastode energía eléctrica en el caso de bombeos. Esto esparticularmente cierto en las modernas instalaciones convariadores de frecuencia para los motores de las bombas. Larepercusión es menos crítica en el caso de transporte de aguapor gravedad.En este aspecto de la pérdida de carga, debe considerarse la producidapor la utilización de rectificadores o enderezadores de flujo querecomendamos utilizar sistemáticamente.De todas formas, con la pérdida de carga hay que aplicar los mismoscriterios en el caudalímetro, en la tubería y en el resto delequipamiento.



7 Adaptación a necesidades futuras, fácil conexión con equiposexistentes, posibilidades de telemetría y telecontrol. Es claro que hayque ʺpensar en grandeʺ y prever a priori futuras ampliaciones de talforma que el servicio quede asegurado en toda circunstancia.

Casi todos tienen uno o varios tipos de salida (4-20 mA, pulsos 0-10V). Para estos casos es preferible utilizar los 4-20 mA por su mejorinmunidad al ruido. Las salidas en voltios tienen limitaciones en lalongitud de los cables y las salidas en pulsos son siempreproblemáticas en zonas con contactores y relés como es el caso deválvulas



1. Caudal objeto de medición: másico o volumétrico.

2. Fluido (Por ejemplo: agua); Condiciones de proceso: presión y temperatura.

3. Tipo de agua: potable, bruta, residual.

4. Propiedades físico-químicas: contenido en materias sólidas, dureza, iones,compuestos disueltos y no disueltos.

5. El fluido es corrosivo o no.

6. Existe riesgo de burbujas o aire en suspensión (presencia de vórtices o,inyección de aire aguas arriba).

7. Medición en tubería en carga, parcialmente llena, intermitente o en canalabierto.

8. Disponibilidad de espacio para su instalación.

9. Rango de caudales: máximo, mínimo y nominal. Tener en cuenta la posiblevariación de condiciones de servicio.

Cuestionario básico a llenar


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10. Pérdida de carga admisible.

11. Contrapresión disponible aguas abajo.

12. Arranques/paradas frecuentes. Cuantificación de transitorios.

13. Exactitud (precisión) requerida.

14. Medición de caudal instantáneo y/o totalización.

15. Señal de salida.

16. Necesidades de visualización y transmisión de datos.

17. Costo del caudalímetro.

18. Costo de su instalación.

19. Costo de la calibración.

20. Costo y factibilidad del mantenimiento y recalibración.

Cuestionario básico a llenar


Describe el comportamiento de un fluído bajo condiciones variantes y tiene la forma siguiente:•

• Condición: No hay fricción y el fluido es incompresibleParámetros• P: Es la presión estática a la que está sometido el fluído, debido a las moléculas que lo rodean• r: Densidad del fluído.• v: Velocidad de flujo del fluído.• g: Valor de la aceleración de la gravedad (en la superficie de la Tierra).• h: Altura sobre un nivel de referencia.

Ecuación de Bernoulli


• Los medidores volumétricos determinan el caudal envolumen del fluido, bien sea– directamente (desplazamiento)

– indirectamente por deducción (presión diferencial, áreavariable, velocidad, fuerza, tensión inducida, torbellino, etc.)

(Observaciones:– NRe<= 4000 flujo laminar

– NRe >= 10000 flujo turbulento

– Todos los instrumentos usados dependen del tipo de flujo circulante

– Hay que señalar que la medida del caudal volumétrico en la industria seefectúa principalmente con elementos que dan lugar a una presióndiferencial al paso del fluido. (Elementos Deprimógenos) )

Medidores volumétricos


ELEMENTOS DEPRIMÓGENOS

Deprimógeno: Se denomina así, al elemento primario cuya instalaciónproduce una diferencia de presión (pérdida de carga), que se vincula conel caudal que circula.

Los elementos deprimógenos más usados son:

Placa orificioTubo VenturiBoquilla / CodoTubo Pitot / AnnubarCuña


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Presión según la sección del conducto


Instrumentos de presión diferencial

Fórmula general

• Aplicación del teorema de Bernoulli a una tubería horizontal entérminos de altura

• Altura cinética + altura de presión + altura potencial = cte

• Pa, Pc y Va, Vc, son las presiones absolutas y velocidades en lazona anterior a la placa donde el fluido llena todo el conducto yen la vena contraída respectivamente, y Sa, Sc son las seccionescorrespondientes

Medidores volumétricos


Ecuación de Bernoulli. Relación caudal caída de presiónen PLACAS ORIFICIO


h1=h2;rono varía en toda la longitud estudiada de la vena ===>


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en la que H es la diferencia de alturas de presión del fluido. Estas expresiones estánlimitadas a fluidos ideales incompresibles.


• Las fórmulas anteriores son aproximadas.

• Para mejorar la representatividad, la fórmulaanterior se afecta de un coeficiente adicional Cllamado «coeficiente de descarga» con lo cual


PLACA ORIFICIO


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Disposición de tomas cuando se usa Placa orificio


Disposición de tomas cuando se usa Placa orificio


+ 1 a + 2%


Placa orificio. Características.

Exactitud 2-3%Vm

Requerimientos:Espesor aprox. 1/8”. Se utiliza en régimen turbulento Re>20000La relación Qmax/Qmin < 3No se deben utilizar con fluidos abrasivos o que arrastren partículas sólidas.

Calibración:El parámetro se establece entre 0.2-0.7 para tuberías entre 2” y 3”.La pérdida permanente de presión es aproximadamente por Pperm=(1-2)P, yse encuentra entre (0.51-0.96)% de la P causada por el orificio. (Estas pérdidasdisminuyen a medida que aumenta)


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Consideraciones de Medidores de flujo

•Los medidores de caudal por diferencia de presión ocasionan una pérdidapermanente de presión, inferior a la ocasionada por la restricción, la cual, encaso de ser necesario, debe ser compensada para retornar a las condicionesoriginales del sistema.

•Si el parámetro es pequeño , la relación entre el diámetro del orificio ogarganta es pequeño en comparación con el diámetro de la tubería. Estogenera mayor precisión de la lectura manométrica, pero, representa unamayor pérdida de presión por fricción y puede producir una presión baja nodeseada en la contracción, suficiente en algunos casos para que se liberengases disueltos o se evapore líquido en este punto (cavitación).

•Los accesorios como codos y válvulas producen perturbaciones en el flujoque afectan la medición, por ello se debe mantener una sección recta dealrededor de 5 a 30 D.


• ISO 5167-1980 Medida del flujo de fluidos por medio de placas-orificio, toberas o tubos Venturi, insertados en conductos desección circular.

International Organization for Standarization, Ginebra, Suiza.• Norma ASME 19.5 — Flowmeter Computation Handbook.• American Society for Mechanical Engineers, New York, 1971• Norma A.P.I. 2530 — Septiembre 1985 para gas natural.Principie and Practice of Flow Meter Engineering L. K. Spink

(1978)• Normas AGA-3 y AGA-7 — Gas Measurement Committe Report

— American Gas Association, Cleveland, Ohio

Normas para Cálculo de los Diafragmas, Toberas yTubos Venturi


a) FLUIDOS INCOMPRESIBLES• La fórmula del caudal que pasa a través de la placa-

orificio, tobera o tubo Venturi es:

Resumen de las normas ISO 5167-1980


Esquemas de difragma, tobera y venturi


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Cálculo de las dimensiones del elemento


Cálculo Rápido del elemento Deprimógeno


Típica medición de caudal de vaporusando una placa orificio


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Medidor de caudal de vapor Gilflo y visualizador sincompensación de densidad

Parte Componente

1 Medidor de Caudalde Área Variable

2 Válvula deAislamiento

3 Válvula deAislamiento

4 Transmisor dePresión Diferencial

5 Procesador


• Usan el mismo tipo de instrumento de caída de presión

• Requieren cuidados de las longitudes rectas aguas arriba y abajo para asegurar que el perfilde flujo no esté deformado

• Se deben instalar tomas para medir la caída de presión

• Producen caída de presión permanente

• Norma para el cálculo ISO-5167

Diferencias

• La recuperación de presión del Venturi es mayor que la tobera y esta mayor que la de laplaca orificio.

• Perdida permanente de presión:

– Venturi: 0.1 DP medido

– Tobera: 0.25 DP medido

– Placa orificio: 0.5 DP medido

• Costo:

1. El venturi más caro,

2. La tobera

3. La placa ( mas económico)

Comparación entre Placas orificio, tobera y Venturi


• Coeficiente de descarga– En el Venturi y la tobera es constante con la viscosidad

– En la placa no lo es

• Para Sólidos en suspensión– Tienen mejor respuesta la tobera y el venturi

Comparación entre Placas orificio, tobera y Venturi


• Una placa orificio puede sustituirse fácilmente para ajustarsea diferentes velocidades de flujo, el diámetro del Venturi es fijoentonces el rango de medición está limitado por la caída depresión causada por el Venturi.

• Una placa orificio se puede reemplazar fácilmente mientrasque un Venturi está diseñado para instalaciones permanentes.

• La placa orificio genera una gran pérdida permanente depresión debido a la presencia de remolinos aguas abajo delorificio, la forma del Venturi previene la formación deremolinos lo cual reduce enormemente la pérdida permanentede presión.

• El orificio es económico y fácil de instalar, el Venturi escostoso y debe ser cuidadosamente diseñado.

Placa orificio vs Venturi


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Tubo de Pitot


Tubo pitot


Tubo pitot


Tubo pitot


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CUÑA y ANNUBAR



Tubo Annubar


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• Es un medidor de caudal en tuberías, de áreavariable, de caída de presión constante.

• Los rotámetros, flowmeters, del tipo área variable, soninstrumentos diseñados para la medición y control decaudales, gases y líquidos.

• Se fabrican caudalímetros desde 1 ml/h hasta1.000.000 lts/min.

• La longitud de la escala medidora se ofrece envariados tamaños: 230 mm, 330 mm, 100 mm, etc.La precisión es del 2% (full escala)

Rotámetros


Rotámetros


Rotámetros. Equilibrio de fuerzas


Rotámetros


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Rotámetros


Rotámetros


Miden e Indican Caudal Instantáneo.• Se utilizan para

– Controlar el rendimiento de Bombas– Procesos de Mezcla o de Dosificación Volumétrica continua (en

línea), cuando los flujos deben mantenerse constantemente dentrode límites precisos.

• Son muy solicitados por su razonable costo, sencillez operativa,bajo mantenimiento, larga duración y enorme robustez.

• Flotámetros, patentados por el Ing. Bruno Schillig, son losúnicos en el mundo cuyo vidrio es cilíndrico y su eje cónico.

• No necesita guías para el flotante -- Si bien su fabricación esmás costosa los cambios de viscosidad alteran menos la lectura.

CAUDALIMETROS de area variable (Rotámetros/Flotámetros)para LIQUIDOS y GASES


Mide e Indica Caudal Instantáneo. Construido con Tubo de Medición

Metálico en lugar de Vidrio puede manejar un muy amplio rango de

caudales con gran exactitud (2%) a pesar de Elevadas Temperaturas yPresiones en Zonas Explosivas. Mínima caída de presión interna, no

requiere contra presión, y dispone amortiguación para eliminarrebotes no deseados del flotante. Indicador acoplado magnéticamente.

Mismo largo en todos los tamaños facilita la sustitución. Múltiples

opciones de comunicación permiten integrarlo en sistemas de control

existentes.

Rango: 25 a 10.000 l/h agua; 0.84 a 1510 m3/h aire.

Exactitud ±1% y ±2% fondo de escala.

Construcción Cuerpo y Flotante: Inox, Hastelloy, Titanio; Sellos: Vitón.

Apto de -40 a +215 ºC y 100 bar.

Opciones: 1-Provisto de válvula reguladora y Alarma; 2-Salida proporcional

4-20 mA; 3-Apto Zona Ex; 4-Transmisores con Protocolo Hart programables

mediante control remoto, con o sin Alarmas y Salida de pulsos para

Totalizar; 5-Para fluidos corrosivos o criogénicos apto -20 a 315ºC y 400 bar

con Alarma y Transmisor opcional.

ROTAMETRO METALICO PARA GRANDES CAUDALES paraLIQUIDOS, GASES y VAPOR.


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Medidor de desplazamiento positivo

Exactitud 1.5%Vm• No se utiliza para gases• El fluido debe ser líquido limpio y debe poseer cierta viscosidad.• Se utiliza como totalizador. en el 10% de las aplicaciones industriales• Tiene baja fricción y es de bajo mantenimiento.• Ocasiona una pérdida permanente de presión .


CAUDALÍMETRO A TURBINA

Se usa para medir caudal de líquidos limpios mediante la detección de larotación de los álabes de una turbina colocada en la corriente de flujo. Laspartes básicas del medidor son el rotor de turbina y el detector magnético. Elfluido que circula sobre los álabes del rotor lo hace girar y la velocidadrotacional es proporcional al caudal volumétrico.El detector magnético consiste de un imánpermanente con devanados de bobina quecapta el pasaje de los álabes de turbina.El paso de los álabes delante del detectorhace interrumpir el campo magnético yproduce una tensión en la bobina.La frecuencia con que se genera estaTensión es proporcional al caudal y se laAcondiciona en una salida de pulsos y/o analógica.


Medidores por ultrasonido-Principio de Funcionamiento-Estos medidores utilizan emisores y receptores de ultrasonidosituados ya sea dentro o fuera de la tubería, son buenos para medirlíquidos altamente contaminados o corrosivos, porque se instalanexteriormente a la tubería.Exactitud de ±0,5% a ± 5% y una variabilidad del rango entre 20:1 a75:1 con escala lineal.Aprox 20 KHz.


Video 1

I.- Medidor de ultrasonido por diferencia de tiempos.En este caso se dispone de uno o más pares de transmisores-receptores de ultrasonido,colocados diametralmente opuestos, formando un ángulo (α) con el eje de la tubería. Elprincipio de medición se basa en medir la diferencia en el tiempo que tarda en viajar unaonda de ultrasonido aguas abajo, con respecto al tiempo que le toma en viajar aguas arriba.En los medidores de haz múltiple, se mide la velocidad del fluido en diversos planos y seobtiene un promedio.Este medidor opera con gases y líquidos, pero presenta mejor desempeño en gases.

Medidores por ultrasonido


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I.- Medidor de ultrasonido por diferencia de tiemposEn un caso la velocidad aparente del sonido se ve aumentada por lavelocidad del fluido, mientras que en el otro se ve disminuida. Estadiferencia en tiempos es proporcional a la velocidad del fluido, y estádeterminada por la siguiente fórmula:

V = - [(D/sen α . cos α)(tab-tba)] / (2tab.tba)

Donde:

V = Velocidad del fluido.α = Angulo de inclinación del haz de ultrasonido con

respecto al eje longitudinal de la tubería.D = Diámetro interno de la tubería.tab = Tiempo de viaje de la onda del punto a al b.tba = Tiempo de viaje de la onda del punto b al punto a.

Medidores por ultrasonido (continua)


II.- Medidor de ultrasonido por efecto Doppler.•En este caso, se proyectan ondas de ultrasonido a lo largo del fluido y se mide elcorrimiento de frecuencia que experimenta la señal de retorno al reflejarse el sonido enpartículas contenidas en el fluido.•El método está limitado por la necesidad de partículas en suspensión como burbujas opartículas sólidas en la corriente líquida, pero permite medir algunos caudales de fluidosdifíciles, tales como mezclas gas-líquido, fangos, entre otros.•Tienen las ventajas de que no poseen partes móviles, no añaden caída de presión nidistorsionan el modelo del fluido. Opera con gases y líquidos.

Medidores por ultrasonido


TRANSMISOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL


TRANSMISOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL

• Presenta dos elementos básicos por ej.: una placa orificio y untransmisor de presión diferencial.

• La placa orificio es una placa delgada con un orificio que actúacomo restricción en la corriente de flujo. Como el área de lacorriente de flujo disminuye a medida que el fluido pasa a través delorificio, su velocidad aumenta.

• La energía requerida para incrementar la velocidad del fluido seobtiene a través de una reducción en la presión estática.

• Midiendo el cambio que se produce en la presión estática con untransmisor de presión diferencial, se puede inferir el caudalvolumétrico.

• La raíz cuadrada de la salida del transmisor de presión diferencial esproporcional al caudal.


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Medidores de caudal y densidad tipo CoriolisMicro Motion® serie F


• Los medidores Coriolis proporcionan medición muy precisa de caudalmásico, caudal volumétrico y densidad, en un diseño compacto.

• La más amplia gama de aplicaciones• Disponible con transmisor FMT para aplicaciones batch y de dosificación

de llenado rápido• La nueva opción de alimentación por el lazo con 2 hilos simplifica la

instalación• Soporta los protocolos Wireless THUM™ , PROFIBUS-DP y

DeviceNet™ para máxima versatilidad operativa• Están construidos en acero inoxidable o en aleación de níquel y se tienen

disponibles con opciones de alta temperatura y alta presión para adaptarsea una amplia variedad de fluidos y condiciones de proceso

• La mejor fiabilidad y máxima seguridad: Permite realizar una verificacióninteligente del medidor para diagnóstico rápido y completo del mismo sininterrumpir el proceso

Medidores de caudal y densidad tipo Coriolis

Dr. Jaime Irahola Ferreira Instrumentación y Control de Procesos 214

• Los medidores Coriolis proporcionan grandes beneficios con respecto a lastecnologías de medición volumétrica tradicionales.

• Proporcionan datos de proceso precisos y repetibles en una amplia gama decaudales y condiciones de proceso. Son prácticamente inmunes a todo– presión (tanto nominal como posibles pulsaciones),– temperatura (excepto variaciones bruscas),– densidad, viscosidad, perfil del flujo, y flujos multifase (con sólidos en

suspensión).– Un posible problema es la vibración.

• Proporcionan medición directa en línea para caudal másico y densidad,– y también miden caudal volumétrico y temperatura – todo desde un solo

dispositivo.• No tienen partes móviles; por lo tanto, los costos de mantenimiento son mínimos.• No requieren acondicionamiento de caudal ni tramos rectos de tubería; por lo

tanto, la instalación se simplifica y es menos costosa.• Proporcionan herramientas de diagnóstico avanzadas tanto para el medidor como

para el proceso.• Tipo 1 : Tipo 2

Medidores de caudal tipo Coriolis

Dr. Jaime Irahola Ferreira Instrumentación y Control de Procesos 215

MEDIDOR TIPO VORTEX•Se usan para medir el caudal con la ayuda de un cuerpo que genera vórtices.

•El principio básico de un medidor de vórtices es que los remolinos se desprendendel cuerpo a una frecuencia proporcional al caudal volumétrico que estácirculando.

•Los vórtices son detectados por distintos medios. A medida que los vórtices sevan desplazando a través del medidor, crean áreas alternadas de baja y altapresión.

•Estas presiones alternadas hacen responder al elemento de detección produceuna señal eléctrica de la misma frecuencia con que se generan los vórtices. Estafrecuencia es acondicionada en una salida de pulsos y/o analógica. La señal desalida es proporcional a la velocidad del fluido.

•Al igual que en los másicos, las vibraciones pueden o no, interferir con lamedición.•Los diámetros libres de cañería son un factor crítico para su correctofuncionamiento.


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DESPRENDIMIENTO DE VÓRTICES (VORTEX)


MEDIDOR TIPO VORTEX

Es típicamente construido de acero inoxidable ode Hastelloy e incluye el cuerpo de choque, unsensor de vórtice y un transmisor electrónico.

Exactitud: Líquidos 0.75%Vm, gases 1%Vm

•Es intrusivo

•Se debe utilizar con fluidos limpios y pocoabrasivos, en tuberías de diámetro entre 1y 6”.

•Variabilidad del rango 15:1, 25:1.

•Susceptible a vibraciones. Operan con bajoconsumo de energía y requieren de pocomantenimiento.


Comparación de Rangeabilidad


Ej. Medidor de Flujo Tipo Vortex (Transmisor)


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Costo total de inversión(modelo Vortex EF73)


Características de medidores de caudal



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