MEDICIÓN DE FLUJO

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

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 lamedición 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

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

Propiedades de los fluidos

Medición de flujo

V1, V2: Velocidad del fluido

A1, A2: Área de la sección de la tubería

Q= V1A1=V2A2Caudal:

Presión + velocidad = constanteBernoulli:

Unidades de medida de flujo

SCFH: pie3/hora

SCFM: pie3/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 procesosBalances de materiaExcedentes de costos

Tipos de flujo

Número de Reynolds

MEDIDORES DE CAUDALMedidores de presión diferencialPlaca orificioTubo VenturiTubo PitotMedidores de impactoMedidores de velocidadMedidor de turbinaMedidor electromagnéticoMedidor VortexRotámetroMedidor de ultrasonidosMedidores másicosMedidor másico térmicoMedidor de CoriolisMedidores volumétricosMedidor de desplazamiento positivo

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

Placa orificio

Características:

Máxima pérdida de presión permanente. Fácil de instalar. Requiere inspección periódica. bajo costo

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.

Placa de orificio concéntricaAplicaciones:

- Fluidos limpios- Líquido con gases- Gas o vapor con líquido

Placa de orificio excéntrica

Placa de orificio segmentado

Medición de flujo con placa orificio

Placa Orificio

TUBO DE VENTURI

- Se utiliza cuando es importante limitar la caída de presión.- Consiste en un estrechamiento gradual cónico y una descarga con salida también suave.- Se usa para fluidos sucios y ligeramente contaminados.- El alto coste restringe su utilización.

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

TUBO DE PITOT- Sus ventajas son la escasa caída de presión y bajo precio, siendopor ello una buena elección para tuberías de gran diámetro ypara gases limpios.- El tubo Annubar es una variante del tubo de Pitot que disponede varias tomas, a lo largo de la sección transversal, con lo quese mide la presión total en varios puntos, obteniendo la mediade estos valores y evitando el error que produce el tubo dePitot.MEDIDORES DE IMPACTO- Miden la fuerza sobre una placa (generalmente un discocircular) que se coloca en contra del flujo.- Tienen baja precisión (0.5 - 5%), pero son adecuados parafluidos sucios, de alta viscosidad y contaminados.

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 electrónicosgenerados 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

MEDIDOR ELECTROMAGNÉTICO

- Se basan en la Ley de inducción electromagnética de Faraday:“el voltaje inducido en un conductor que se mueve en un campomagnético, 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).

MEDIDOR ELECTROMAGNÉTICO

MEDIDOR ELECTROMAGNÉTICO

- Es poco sensible a los perfiles de velocidad y exigenconductividad de 5uohm/cm.- No originan caída de presión .- Se usan para líquido sucios, viscosos. y contaminados.- Precisión: 0.25 - 1%

MEDIDOR VORTEX

- La introducción de un cuerpo romo en la corriente de un fluidoprovoca un fenómeno de la mecánica de fluidos conocido comovórtice 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 lavelocidad del fluido.- Los vórtices causan áreas de presión fluctuante que se detectan con sensores.- Para poder usar este medidor es necesario que el fluido tengaun valor mínimo del número de Reynolds (Re=ρ v D /u).- Indicado para gases y líquidos limpios.- Precisión: 1%

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.

ROTAMETROS

ROTAMETROS

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.

ROTAMETROSVentajas 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

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.

MEDIDORES DOPPLEREmite ondas de frecuencia fija que reflejan en el fluido.Como el fluido posee velocidad se produce una variación de la frecuencia de la onda reflejada-No se utilizan en fluidos limpios, ya que se requiere que unamínima cantidad de partículas o burbujas de gas estén presentes en la corriente del fluido.-Requiere un máximo de 25 ppm de sólidos suspendidos en la corriente del fluido, o burbujas de por lo menos 30 micrones.-La exactitud de estos medidores generalmente es de +2% a +5% del valor medido. -Debido a que las ondas ultrasónicas pierden energía cuando se transmiten a través de la pared de la tubería, estos medidores no deben ser utilizados con materiales tales como concretos

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

MEDIDOR DE CORIOLISLos 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.

MEDIDOR DE CORIOLISLos 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.

MEDIDOR DE CORIOLIS

Representación de la fuerza reactiva. Fuerza Coriolis y velocidad vertical del flujo en el extremo de salida del sensor.

MEDIDOR DE CORIOLIS

 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 CORIOLISVentajas

DesventajaConstituye el sistema de medición de flujo de mayor costo.

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 deenergía tiene?15.¿Qué propiedades de flujo deben ser consideradas? (viscosidad,densidad, compresibilidad, conductividad eléctrica, calidad delubricación, etc.)

Selección de un medidor de flujo

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. Existenaplicaciones 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