Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y

Eléctrica

UNIDAD AZCAPOTZALCO

Alumnos:

Tenorio Álvarez Antonio --------------------------

Casarez Duran Adolfo Ángel --------------------------

Bazán Pérez Aron --------------------------

Asignatura: Mecánica de Fluidos II

Maestro:

Juárez Gómez Felipe de Jesús

Grupo: 6MM2

Fecha de entrega: 17/04/15

Tema 1.4.1

“Instrumento de medición de gasto volumétrico”

INDICE

ContenidoDefinición...........................................................................................................................................3

Tipos...................................................................................................................................................3

TIPOS DE MEDIDORES DE FLUJO VOLUMETRICO...........................................................................3

PLACAS DE ORIFICIO.......................................................................................................................4

BOQUILLA O TOBERA DE FLUJO.....................................................................................................5

TUBO DE VENTURI..........................................................................................................................6

TUBO PITOT....................................................................................................................................7

EL TUBO ANNUBAR........................................................................................................................8

ROTÁMETRO..................................................................................................................................8

Medidor de turbina........................................................................................................................9

SENSOR DE FLUJO POR ULTRASONIDO.........................................................................................11

Medidor de flujo electromagnético..............................................................................................12

MEDIDOR DE FLUJO POR VORTICE...............................................................................................14

MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO..............................................................................15

Medidor de Birrotor.....................................................................................................................16

MEDIDOR OSCILANTE...................................................................................................................16

Definición. Los medidores de flujo se utilizan para medir el flujo de un líquido a través de un área designada. Medir la velocidad de un líquido o los cambios en la energía cinética ayuda a determinar precisamente las tasas de flujo. Existen básicamente cinco tipos de medidores, cada uno con sus propias aplicaciones prácticas. Los medidores deben estar propiamente instalados y mantenidos para mantener la precisión; una lectura incorrecta puede llevar a serios daños.

TiposLos tipos más comunes son los medidores de flujo de presión diferencial, de desplazamiento positivo, de velocidad, de masa y de canal abierto. Cada uno tiene diferentes versiones que operan bajo el mismo concepto. Placas de orificio, tubos de venturi y de flujo son todos ejemplos de medidores de flujo de presión diferencial. Pistones alternativos y paletas rotativas son ejemplos de medidores de desplazamiento positivo. Las turbinas y medidores doppler son tipos de medidores de velocidad. Los medidores tipo coriolis y termales son medidores de masa.

TIPOS DE MEDIDORES DE FLUJO VOLUMETRICO

MEDIDORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL

*Placa de Orificio, Tobera o Boquilla de Flujo, Tubo de Venturi, Tubo de Pitot, Tubo Anubbar 

MEDIDOR DE ÁREA VARIABLE

*Rotámetro

MEDIDORES DE VELOCIDAD

*Turbina, Transductores ultrasónicos

MEDIDOR DE FUERZA

* Medidor de Placa

MEDIDOR DE TENSIÓN INDUCIDA

*Medidor magnético de caudal

MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

*Disco y Pistón oscilante, Pistón alternativo, rotativos.

MEDIDORES DE TORBELLINO Y VÓRTEX

MEDIDOR OSCILANTE

PLACAS DE ORIFICIO

Consiste en una placa perforada, instalada en una tubería. Cuando una placa de orificio se coloca en forma concéntrica dentro de una tubería, ésta provoca que el flujo se contraiga de repente conforme se aproxima al orificio y después se expande de repente al diámetro total de la tubería. La corriente que fluye a través del orificio forma una venacontracta y la rápida velocidad del flujo resulta en unadisminución de presión hacia abajo desde el orificio.

ECUACIÓN DE UNA PLACA DE ORIFICIO

TIPOS DE PLACAS DE ORIFICIO

Ventajas

El 50% de los medidores de caudal utilizados en la industria son P.O.

. La concéntrica: sirve para líquidos2. La excéntrica: para los gases3. La segmentada cuando los fluidos contienen un pequeñoporcentaje de sólidos y gases disueltos.

Desventajas

El coeficiente de descarga puede cambiar con el tiempo debido al desgaste y la acumulación de suciedad. Se puede obstruir y reducir el diámetro del orificio. Para evitar esto se utilizan orificios excéntricos y segmentales

Las desventajas del sistema de orificio:

* Pérdida de carga (caída de presión) apreciable debido al efecto de turbulencia que se puede generar antes de la placa* Los valores de Cd llegan a máximo

0

,6* Para mejorar esta situación se desarrollan perfiles más lineales, que minimicen estos efectos.* Así se formaron las toberas y los venturímetros, permitiendo valores de Cd hasta 0,97.

BOQUILLA O TOBERA DE FLUJO

Es una contracción gradual de la corriente de flujo seguida de una sección cilíndrica recta y corta.

La tobera permite caudales 60% superiores a los de placa-orificio en las mismas condiciones de servicio. Su pérdida de carga es de 30 a 80% de la presión diferencial. Puede emplearse para fluidos que arrastren sólidos en pequeña cantidad. La precisión es del orden de +/-0.95 a +/-1.5%.

TUBO DE VENTURI

Es una tubería corta recta, o garganta, entre dos tramos cónicos. La presión varía en laproximidaddelasecciónestrecha; así, al colocar un manómetro o instrumentoregistrador en la garganta se puede medir la caída depresión y calcular el caudal instantáneo. Permite la medición de caudales 60%superiores a los de la placa orificio en las mismas condiciones de servicio y con una pérdida de carga de solo 10a 20%de la presión diferencial.

Posee una gran precisión y permite el paso de fluidos con un porcentaje relativamente grande de sólidos, si bien los sólidos abrasivos influyen en su forma afectando la exactitud de la medida. El coste del tubo de Venturi es elevado, su precisión es del orden de +/-0.75%.

TUBO PITOT

.Tubo hueco colocado de tal forma que los extremos abiertos apuntan directamente a la corriente del fluido. La presión en la punta provoca que se soporte una columna del fluido. El fluido dentro de la punta es estacionario o estancado llamado punto de estancamiento.

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.

ROTÁMETRO

La aplicación del teorema de Bernoulli y del principio de conservación del caudal, puede hacerse igualmente de manera recíproca a la vista anteriormente. Es decir, se puede hacer variable la sección del paso del fluido y mantener constante la diferencia de presión entre ambos lados de una obturación.

El tubo utilizado tiene una conicidad uniforme y unobturador ranurado, dispuesto en el interior, que esarrastrado por el fluido al que se opone con su peso. El fluido circula de abajo para arriba.

Por la ley de conservación de la energía se determina que lafuerza que recibe un cuerpo de sección A sumergido en un fluido en movimiento con velocidad v es:

Dónde: Cw es el coeficiente de resistencia al flujo ofrecidopor el cuerpo sumergido y que es función de lascaracterísticas de su superficie (aspereza), del número de Reynolds (por su geometría y características del fluido), y del nivel de turbulencia del flujo.

Medidor de turbina.

Este medidor consiste de un rotor con alabes, semejante a una turbina, que se instala en el centro de la tubería y gira con una velocidad angular que es directamente proporcional al flujo.

Para medir la velocidad de la turbina, sin generar ninguna fuerza resistente sobre el aspa que produzca error se utilizan principalmente convertidores electromagnéticos, existen dos tipos a saber:

1 - El de Reluctancia.

La velocidad de la turbina viene determinada por el paso de los alabes individuales a través del campo magnético creado por un imán permanente montado en la bobina captadora exterior. El paso de cada alabe varía la reluctancia del circuito magnético, esta variación cambia el flujo inducido en la bobina captadora produciéndose una corriente alterna proporcional a la velocidad de la turbina.

2 - El de tipo inductivo.

El rotor lleva incorporado un imán permanente y el campo magnético giratorio que se origina induce una corriente alterna en la bobina captadora exterior.

Con el uso de ambos convertidores la velocidad del flujo será proporcional a la frecuencia generada que es del orden de los 250 a 1200 ciclos por segundo para velocidades máximas.

Características del medidor de turbina.

La turbina esta limitada por la viscosidad del fluido, debido al cambio que se produce en el perfil de velocidad del líquido a través de la tubería cuando aumenta la viscosidad. En las paredes el fluido se mueve mas lentamente que en el centro, de modo que, las puntas de los alabes no pueden girar a mayor velocidad. En general, para viscosidades mayores de 3 a 5 cS se reduce considerablemente el intervalo de medición del instrumento.

La exactitud es elevada, del orden de ± 0.3 %. El valor óptimo se consigue cuando la dirección del flujo sigue la dirección de la tubería, para ello se debe instalar el instrumento en una tubería recta 15 diámetros aguas arriba y 6 diámetros aguas abajo.

Un medidor de turbina se puede utilizar para medir flujo de gases y líquidos limpios o filtrados.

El instrumento debe instalarse de tal modo que no se vacíe cuando cesa el flujo ya que el choque de líquido a alta velocidad contra el medidor vacío lo puede dañar seriamente.

Representación de un medidor de turbina

SENSOR DE FLUJO POR ULTRASONIDO

Los caudalímetros por ultrasonido están basados en la propagación de ondas de sonido en un fluido. Existen dos principios básicos para esta medición:

-Tiempo de Tránsito- Efecto Doppler.

1.- En fluidos limpios (Tiempo de tránsito): Se emiten pulsos ultrasónicos alternativamente en el sentido de flujo y en contra del sentido de flujo. Los pulsos se reciben en un receptor y se mide la diferencia del tiempo de tránsito de la onda en uno y otro sentido.

2.- En fluidos con sólidos (Efecto Doppler) El instrumento de efecto Doppler tiene un generador de ultrasonido que emite ondas. Si en el seno del líquido existen partículas o burbujas de gas, estas ondas chocan con ellas provocándose una reflexión de las ondas, un eco. Cuando esto ocurre el eco devuelto tiene una frecuencia igual si el líquido está quieto o distinta que la enviada si está en movimiento. Esta nueva frecuencia depende dela velocidad de la partícula productora del eco, por lo que midiendo el corrimiento de frecuencia se puede determinar la velocidad del fluido y por lo tanto el caudal instantáneo.

Medidor de flujo electromagnético

Basado en la Ley de Faraday. Formado por un tubo, revestido interiormente con material aislante. Sobre dos puntos diametralmente opuestos de la superficie internase colocan dos electrodos metálicos, entre los cuales se genera la señal eléctrica de medida. En la parte externase colocan los dispositivos para generar el campo magnético, y todo se recubre de una protección externa, con diversos grados de seguridad.

Los caudalímetros electromagnéticos están basados en la Ley de Faraday, de la cual se deduce que en un conductor en movimiento en un campo magnético constante se inducirá un voltaje. Este voltaje será proporcional a la velocidad de movimiento del conductor y a su longitud. Este fenómeno se reproduce en un caudalímetro electromagnético, que consta de bobinas que crean el campo magnético, un conductor que lo atraviesa (el fluido en movimiento) sobre el cual se induce la diferencia de potencial.

La diferencia de potencial que se induce será proporción a la velocidad del fluido, con lo que el caudal se determina sencillamente multiplicando esta velocidad por la sección de la tubería. Estos caudalímetros requieren que el líquido a medir tenga un mínimo de conductividad.

UM= B v d k

La tensión se toma UM = Valor medido de la tensión inducida en el fluido en dirección vertical al campo magnético y al sentido del flujo. Por dos electrodos de punta.

B= Densidad del campo magnético que traspasa el fluido en dirección vertical al sentido del flujo. v= Velocidad de flujo del fluido

d= Diámetro interior del tubo de medida

k= Factor proporcional o constante del sensor

Un caudal metro electromagnético consiste, en general, en un tubo de medida sin características magnéticas conductoras, con una superficie interior eléctricamente no conductora, bobinas de excitación conectadas en serie y fijadas diametralmente en el tubo y, como mínimo, dos electrodos, traspasados por la pared del tubo y en contacto con el fluido de medida. Las bobinas inductoras, traspasadas por la corriente, generan un campo electromagnético pulsante con una densidad de campo B vertical al eje del tubo.

Este campo magnético penetra el tubo de medida no conductor y el fluido que fluye a través del tubo de medida, el cual debe tener una conductividad eléctrica mínima. Según la ley de inducción de Faraday, en un fluido electro conductor se genera una tensión UM, la que es proporcional a la velocidad del flujo v del fluido, a la densidad del campo magnético B y a la distancia entre los electrodos d (diámetro interior del tubo).La tensión de señal UM se toma por medio de los electrodos que están en contacto con el fluido y se conduce a través de la pared del tubo aislante.

CARACTERISTICAS GENERALES

1.-Las paredes del instrumento tienen un revestimiento especial que evita el cortocircuito de la tensión inducida.

2.-El principal limitante es la conductividad del fluido y esta debe ser mayor a 5 µS/cm, lo cual limita su uso a líquidos con esta característica.

3.-Los líquidos deben ser homogéneos sin marcadas diferencias entre líquidos o líquido-gas.

4.-Para la validez de la ecuación, la tubería debe estar llena, cubriendo los electrodos.

5.-Medición de flujo de productos alimenticios líquidos.

6.-Medición de flujo de productos farmacéuticos líquidos.

7.-Este sensor se utiliza para medir flujo exclusivo para líquidos.

MEDIDOR DE FLUJO POR VORTICE

Una obstrucción chata colocada en la corriente del flujo provoca la creación de vórtices a una frecuencia que es proporcional a la velocidad del flujo. Un sensor en el fluxómetro detecta los vórtices y genera una indicación en la lectura del dispositivo medidor.

La frecuencia de los vórtices creados es directamente proporcional a la velocidad del flujo y, por lo tanto, a la frecuencia del flujo del volumen. Pueden utilizarse en una amplia variedad de fluidos incluyendo líquidos sucios y limpios, así como gases y vapor.

De acuerdo al principio de Von Karman, si en una tubería ponemos una obstrucción y medimos la frecuencia a la que se desprenden los remolinos o vórtices podemos determinar la velocidad y en consecuencia el caudal. Los caudalímetros vórtex constan básicamente de un obstáculo que se opone al avance de un fluido, un sensor que determina la frecuencia de desprendimiento de los vórtices, y una electrónica que da una señal en pulsos o convierte esta frecuencia en una señal normalizada.

En un flujo continuo con una barrera (por ejemplo un cilindro) y con un número de Reynolds superior a 50, se forman torbellinos debido a efectos de rozamiento con la barrera. Al conjunto de torbellinos se le denomina calle de Karman.

Nota:

Número de Reynolds, número a dimensional que se utiliza en la mecánica de fluidos para estudiar el movimiento de un fluido en el interior de una tubería, o alrededor de un obstáculo sólido. Se representa por R.

El número de Reynolds puede ser calculado para cada conducción recorrida por un determinado fluido y es el producto de la velocidad, la densidad del fluido y el diámetro de la tubería dividido entre la viscosidad del fluido. Para un mismo valor de este número el flujo posee idénticas características cualquiera que sea la tubería o el fluido que circule por ella.

MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Pistón alternativo

El medidor consiste de un sistema de cilindro y pistón duales, donde los pistones están conectados por un eje central tal como se muestra en a figura. Una válvula deslizante montada sobre el eje, controla los puertos de entrada y salida de flujo y también puede operar un mecanismo contador.En la práctica los medidores de pistón reciprocarte pueden tener dos o cuatro pistones operando sobre un brazo central de manivela el cual abre y cierra las válvulas de entrada y escape en puntos apropiados de la carrera del pistón.Debido a la presión del fluido, el pistón se mueve en forma reciprocarte pasando el líquido alternativamente a través de cada extremo desde el puerto de entrada al puerto de salida.Características:

La presión diferencial requerida para operar el motor a bajas velocidades contra su propia fricción se mantiene pequeña por selección de pistones de gran diámetro y operando en carreras cortas.

La exactitud de un medidor de pistón puede ir de 0.2 a 0.3%. El efecto de la densidad y la viscosidad del fluido sobre la exactitud es

despreciable. El medidor es apropiado para líquidos ligeros, de baja viscosidad y no

corrosivos.

Medidor de Birrotor

Consiste de dos rotores (semejante a engranes helicoidales dentados) sin contacto mecánico entre si que giran como únicos elementos móviles dentro de una cámara de medición, tal como se muestra en la figura

La relación de giro mutuo se mantiene gracias a un par de engranajes helicoidales contenidos en un encierro que evita el contacto con el líquido.Características:

Al no existir contacto mecánico entre los rotores, la vida útil es larga y el mantenimiento se simplifica.

Pueden trabajar con bajas presiones diferenciales, de hasta 1 plg. de agua Son reversibles Su ajuste es sencillo y de fácil calibración La exactitud es alrededor de ± 0.2%

MEDIDOR OSCILANTE

Este instrumento dispone de una cámara circular con un disco plano móvil dotado de una ranura en la que esta intercalada una placa fija tal como se muestra en la figura. Esta placa separa la entrada de la salida de este modo la cámara estará siempre dividida en dos compartimientos que forman los volúmenes a medir. En un medidor de disco oscilante, el movimiento del disco A esta controlado por el eje B conforme se mueve alrededor de la leva C. Esta leva mantiene la cara inferior del disco en contacto con la base de la cámara de medición a un lado y mantiene la cara superior del mismo en contacto con la parte superior de la cámara de

medición en el lado opuesto. Cuando pasa el fluido el disco efectúa un movimiento parecido al de un trompo caído, de modo que cada punto exterior de la circunferencia del disco sube y baja alternativamente.

El líquido penetra a través del puerto de entrada y llena los espacios arriba y abajo del disco.

Al avanzar el volumen de líquido el disco se mueve en un movimiento oscilante hasta que el líquido descarga por el puerto de salida.

El movimiento del eje B produce un giro en el eje de la leva, luego un regulador de engranajes transmite el movimiento del eje conducido hacia un indicador.

Características:

Como los compartimientos independientes de la cámara de medición se llenan y vacían en forma sucesiva, el flujo de salida es suave y continuo, sin pulsaciones.

En las figuras se puede observar que la cámara de medición y el pistón están completamente rodeados por el líquido, de manera que las variaciones de presión en la línea no deben distorsionar la cámara ni afectar la exactitud.

La selección de un medidor de disco oscilante se basa en la velocidad del flujo, la presión en la línea y la caída de presión permisible