SENSORES:

FLUJO (Volumétricos y de masa)

CONTROL DE PROCESOSUniversidad de Guadalajara

Departamento de Ingeniería Química

SENSORES: CAUDAL.

Volumétrica Presión diferencial (presión proporcional al cuadrado del flujo volumétrico)

Placa orificio ToberaTubo Venturi Tubo Pitot y Annubar

Área variable (Rotámetros) Velocidad (canales abiertos) Fuerza (medidor de placa) Tensión inducida (medidor magnético) Desplazamiento positivo Disco oscilante Pistón oscilante Cicloidal Birrotor Ovales

Torbellino Sónicos o ultrasónicos

Masa Compensación de variaciones de densidad Térmicos Momento angular (turbina y doble turbina) Giroscopio Coriolis

vQ k P

2 f f l

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A

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MEDIDORES DE FLUJO DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO.

Los medidores de desplazamiento positivo miden el caudal en volumen contando o integrando volúmenes separados de líquido.

Las partes mecánicas del instrumento se mueven aprovechando la energía del fluido y dan lugar a una pérdida de carga.

La precisión depende de los huegos entre las partes móviles y las fijas y aumenta con la calidad de la mecanización y con el tamaño del instrumento.

Existen cuatro tipos básicos de medidores:

• Disco oscilante

• Pistón oscilante

• Pistón alternativo

• Rotativos

• Diafragma

Disco oscilante.

Empleado originalmente en aplicaciones domésticas para agua, se utiliza industrialmente en la medición de caudales de agua fría, agua caliente, aceites y líquidos alimenticios.

La precisión es de ±1-2%. El caudal máximo es de 600 lts/min y se fabrica para pequeños tamaños de tubería.

Disco oscilante.

Líquidos de baja viscosidad.

Para casos donde una exactitud moderada es suficiente, éstos medidores son una alternativa más económica.

El uso de éstos medidores estaba limitado, en un principio, a productos refinados del petróleo; sin embargo, los modelos ofrecidos hoy en día cubren muchas otras aplicaciones en todo tipo de industrias.

Principalmente se utiliza para:

Pistón oscilante.

Se compone de una cámara cilíndrica con una placa divisoria que separa los orificios de entrada y salida. La única parte móvil es un pistón cilíndrico que oscila en un movimiento circular entre las dos caras planas de la cámara y que está provisto de una ranura que desliza en la placa divisoria fija que hace de guía al movimiento oscilante. El eje del pistón al girar trasmite su movimiento a un tren de engranajes y a un contador. El par disponible es elevado de modo que el instrumento puede accionar los accesorios mecánicos que sean necesarios.

La precisión normal del pistón es de ±1%, pudiendo llegar a ±0.2% con pistón metálico y es de ±0.5% con pistón sintético dentro de un margen de caudal de 5:1.

Se utilizan en la medición de caudales de agua y de líquidos viscosos.

Pistón oscilante.

La presición normal es de ±1% pudiéndose llegar a ±0.2% con pistón metálico y ±0.5 con pistón sintético dentro de un margen de caudal 5:1.

Se fabrican para tamaños de tuberías de hasta 2 ´´ con caudales máximos de 600 lts/min.Se aplican en la medición de caudales de agua y líquidos corrosivos.

Pistón alternativo

Éstos instrumentos se han utilizado mucho en la industria petroquímica y pueden alcanzar una precisión del orden de ±0.2%.

Su capacidad es pequeña comparada con los tamaños de otros medidores. Su costo inicial es alto, dan una pérdida de carga alta y son difíciles de reparar.

Rotativos.

Éste tipo de instrumento, tiene válvulas rotativas que giran excéntricamente rozando con las paredes de una cámara circular y transportan el líquido en forma incremental de la entrada a la salida.

Se emplean mucho en la industria petroquímica para la medida de crudos y de gasolina con intervalos de medida de unos pocos lts/min de líquidos limpios de baja viscosidad hasta 64000 lts/min de crudos viscosos.

Diafragma.

También es llamado contador de paredes deformables, de membrana ó de fuelles.

Está formado por una envoltura a presión con orificios de entrada y salida que contiene el grupo medidor formado por cuatro cámaras de medición.

Su precisión es del orden de ± 0.3%.

Rotámetro.

Es un medidor de área variable en el que un flotador cambia su posición de forma proporcional al caudal. El área seccional aumenta en dirección del flujo.

Medidor cicloidal.

Miden el caudal en volumen contando

ó integrando volúmenes separados de líquido.

Contiene dos lóbulos de tipo Root

engranados entre sí que giran en direcciones

opuestas manteniendo una posición relativa

fija y desplazando un volumen fijo de fluido

líquido ó gaseoso en cada revolución.

Se fabrican en tamaños que van desde 2´ a 24´´ y maneja caudales de líqudos de 30 a 66500 lts/min y de gases de hasta 3Nm3/hr.

Sensores ovales.

El medidor oval es un medidor de desplazamiento positivo. El elemento de medición comprende dos ruedas dentadas ovales de precisión, que son movidas por el líquido. Una cantidad fija de líquido es transportada a través de compartimientos para cada vuelta del par de la rueda oval. Imanes permanentes o contactos de acero inoxidable son incrustados en las ruedas dentadas ovales. El movimiento rotatorio es convertido a una señal de pulso por los sensores eléctricos externamente acondicionados a la cubierta hidráulica. La cuenta de los pulsos, es una medida del caudal.

Se utilizan para medir y monitorear líquidos viscosos. La función de los medidores de caudal, es independiente de la viscosidad y varía entre 10 y 800mm2/s. Se tiene una máxima pérdida de presión de 1 bar. Se tienen diversos rangos de medición para diversas viscosidades.

Las ruedas dentadas ovales son fabricadas de plástico de alta calidad.

Sensores Coriolis.

El principio de medición de éstos sensores es bastante sencillo: cuando una masa móvil se encuentra sometida a una oscilación perpendicular a la dirección del flujo, se genera una fuerza Coriolis que depende del caudal másico. Se miden los efectos resultantes sobre los tubos de medición, de ésta manera, el caudal másico. Los tubos oscilan en resonancia, lo cual es una medida directa de la densidad del flujo.

Se usan normalmente para medir caudal másico, densidad y temperatura.

Tubo de Pitot y Annubar.

El tubo de Pitot mide la presión estática y dinámica del fluido en el punto de cañería. El caudal puede determinarse a partir de la diferencia entre ambas presiones.

El Annubar consiste en varios tubos Pitot ubicados a través de la cañería para proveer una aproximación al perfil de velocidad. El caudal total puede determinarse a partir de esas múltiples mediciones.

El tubo Pitot y el Annubar aportan caídas de presión muy bajas, pero no son físicamente resistentes y solamente pueden ser usados con líquidos claros.

Birrotor.

El sistema birrotor consta de dos rotores sin contacto mecánico entre sí que giran sincronizados gracias a un acoplamiento sin engranes externo a la cámara por la que está el fluido (donde están los dos rotores).

El desgaste mecánico es mínimo por no existir contacto mecánico entre los dos rotores y porque éstos están equilibrados estática y dinámicamente. Además, se apoyan en rodamientos de bola de acero inoxidable.

Su principal aplicación se da en la medición de caudales de productos petrolíferos.

Tarjet.

Éste dispositivo está diseñado para forzar la transición de flujo sub-crítico a super-crítico.

TURBINAS.

Consisten en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre en el rotor; la diferencia de presiones debida al cambio de área entre y el cono posterior, ejerce una fuerza igual y opuesta. De esta forma, el rotor está equilibrado hidrodinámicamente y gira entre los conos anterior y posterior sin necesidad de utilizar rodamientos axiales, evitando así el rozamiento que se produciría.

Turbinas Hidráulicas.

Los tipos de turbinas hidráulicas son: Turbina de acción. La mas conocida es la turbina Pelton, que se emplea generalmente para saltos de agua de gran altura (más de 50 m), pero existen otras turbinas como la Turgo y la de flujo cruzado (también conocida como turbina Ossberger o Banki-Mitchell).

Turbina de reacción. Las principales son: turbina Francis, que es muy utilizada en saltos de altura media (5 a 100 m), turbina Kaplan, que se utiliza en saltos de altura baja (menos de 10 m), además están la turbina Deriaz, hélice, tubular y bulbo.

Turbina de Vapor

La turbina de vapor es una turbomáquina que transforma la energía de un flujo de vapor de agua en energía mecánica. Éste vapor se genera en una caldera de donde sale a condiciones de temperatura y presión altas. Aquí, se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que típicamente es aprovechada por un generador para producir electricidad.

Las turbinas de vapor pueden ser:

Turbinas de acción. Aquí, la expansión del vapor se realiza en el estator perdiendo presión y aumentado su velocidad hasta pasar al rotor donde la presión se mantendrá constante y se reducirá su velocidad al incidir sobre los alabes.

Turbinas de reacción. El vapor se expande en el rotor, manteniéndose la presión y velocidad constantes al pasar por el estator, que en este caso, solo sirve pata dirigir y orientar el flujo de vapor.

Giroscopio.

El giroscopio utiliza algún tipo de fluido de manera que se trabaja con la interacción de las propiedades térmicas e inerciales de éste.

Su funcionamiento consiste en que en el plano de rotación, la velocidad angular del dispositivo induce una aceleración de Coriolis normal a la dirección del flujo.

La figura muestra el recorrido del agua y una serie de sensores de temperatura

Placas de orificio

Las placas de orificio consisten en una placa perforada que se instala en la tubería. El orificio de la placa puede ser concéntrico, excéntrico y segmental.

Con el fin de evitar arrastres de sólidos o de gases que pueda llevar el fluido, la placa incorpora normalmente, un pequeño orificio de purga.

Entre los diversos perfiles de orificio que se utilizan, destacan los de cantos vivos, de cuarto de círculo y de entrada cónica.

Para captar la presión diferencial que origina la placa de orificio, es necesario conectar dos tomas, una en la parte anterior y otra en la parte posterior de la placa. La disposición de las tomas puede ser en las bridas, en la vena contraída y en la tubería.

Bomba dosificadora

Éste tipo de bombas se emplean para desplazar con precisión un volumen predeterminado de líquido en un tiempo específico. Pueden producir presiones de hasta 206MPa dentro del ±1% de su capacidad nominal.

El émbolo puede hacer contacto directo con el fluido; el diafragma puede ser plano o tubular y está en contacto directo con el fluido. Éste diafragma puede tener impulsión mecánica o hidráulica, en el caso de los primeros se suelen utilizar para presiones hasta de 1.7MPa y capacidades de 94lts/hr.

Ésta bomba se puede ajustar con exactitud entre el 10 y el 100% de su capacidad nominal. Se pueden ajustar manual, eléctrica, neumática, hidráulica o automáticamente.

Momento angular (turbina y doble turbina).

Sirve para medir el flujo o caudal de los líquidos transparentes sobre una amplia gama de caudales. Las mediciones tipo turbina se basan en un rotor que gira a una velocidad proporcional al caudal del fluido que pasa. El movimiento del líquido a través del medidor provoca la rotación de la turbina. Un sensor de proximidad detecta la rotación sondeando el movimiento de las partículas, la cual es lineal con respecto al caudal.

La pantalla y módulo de control convierten la señal del impulso en un número visualizado; este medidor presenta una tolerancia en cuanto a la viscosidad de fluidos similares al agua.

La alta precisión es la característica principal de éste sensor. Éste medidor puede instalarse en cualquier orientación deseada siempre y cuando se tenga cuidado de mantener el medidor lleno de líquido.

Sensor de caudal de turbina