SENSORES DE CAUDAL

INTRODUCCIONLa medición de flujo en los procesos industriales se hace necesaria por dos razones principales:

Para determinar las proporciones en masa o en volumen de los fluidos introducidas en un proceso.

Para determinar la cantidad de fluido consumido por el proceso con el fin de computar costos.

El flujo de fluidos en tuberías cerradas se define como la cantidad de fluido que pasa por una sección transversal de la tubería por unidad de tiempo. Esta cantidad de fluido se puede medir en volumen o en masa. De acuerdo a esto se tiene flujo volumétrico o flujo másico

Los medidores volumétricos determinan el caudal en volumen de fluido, bien sea directamente (desplazamiento) o indirectamente (presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza, tensión inducida, torbellino).

MEDIDORES DE FLUJO Existen cuatro parámetros de aplicación en los medidores de turbina:

Exactitud: Esa una medida de que tan cerca del valor real, puede estar una indicación del flujo en un instrumento; se expresa en % (desviación) de volumen para un rango específico de flujo. ( ± 0.25 )

Resolución: Es una medida del más pequeño incremento de flujo que puede ser detectado en el instrumento. Las turbinas tienen alta capacidad de resolución que depende del número de aspas y puede incrementarse con la adición de botones magnéticos en la rueda.

Repetitividad: Es la habilidad del medidor, de indicar la misma lectura, siempre que permanezcan las mismas condiciones de flujo; este parámetro se considera de mayor importancia que la exactitud y resolución ( 0.02 ).

Rango: Es la relación entre el flujo máximo y el flujo mínimo. Se considera mejor el instrumento de medición que requiera menos maniobras de cambio de elementos, o acciones de calibración y que mantenga su exactitud y resolución sobre el rango más amplio ya que garantiza una mayor libertad para programar diferentes gastos.

PRINCIPIOS

PRINCIPIO TIPO DE SENSOR

Presión Diferencial

Placa de OrifioTobera de FlujoTobera VenturiTubo de VenturiTubo de DallCuña de Flujo Tubo de Pitot

Tubo de Annubar

Área Variable RotámetroCilindro y Pistón

Velocidad TurbinaUltrasonico

Fuerza Placa de Impacto

Tensión Inducida Medidor Magnético

PRINCIPIOS

PRINCIPIO TIPO DE SENSOR

Desplazamiento PositivoDisco GiratorioPistón Oscilante

Pistón AlternativoMedidor Rotativo: ciloidal, birrotor,

oval, paleta

TorbellinoFrecuenciaUltrasonico

Capacitancia

Medidores de Turbina

Consiste de un juego de paletas o aspas acopladas a un eje, las cuales girancuando pasa un fluido a través de ellas. La velocidad a la cual giran estas aspas es proporcional a la velocidad del flujo, y si tenemos la velocidad y el área del conducto se puede determinar el caudal. Las turbinas deben instalarse de tal modo que no se vacíe cuando cesa el caudal ya que el choque del agua a alta velocidad contra el medidor vacío lo dañaría seriamente.

Principio Hidráulico

Los medidores de velocidad utilizan un elemento primario consistente en álabes, copas o aspas que giran dentro de las tuberías a presión o en los canales a superficie libre debido a la acción del flujo que pasa por estos conductos en dirección axial Este tipo de medidores puesto que no miden el caudal directamente son considerados medidores de métodos indirectos ya que miden el caudal a partir de la velocidad del flujo por el conducto.

La medición del caudal en este tipo de aparatos se logra con base en la proporcionalidad que existe entre el numero de revoluciones o vueltas que dan las aspas del dispositivo, y la velocidad del agua que es transportada a través del conducto.

La velocidad que adquieren las aspas al contacto con el agua se transmite a un sistema de pulsos eléctricos que la transforman directamente en información equivalente a volúmenes o registros del caudal

En estos instrumentos se relaciona el numero de vueltas del dispositivo con la velocidad del flujo y al contar con el diámetro de la tubería donde esta el medidor se aplica la ecuación de continuidad para conocer el caudal Este proceso para determinar el caudal por medio de la ecuación de continuidad es hecho internamente por el propio medidor.

Ecuación de la Continuidad:

Principio de Operación

Para captar la velocidad de la turbina existen dos tipos de convertidores:

Reluctancia: La velocidad esta determinada por el paso de las palas

individuales de la turbina a través del campo magnético, esta variación

cambia el flujo induciendo una corriente alterna en la bomba captadora.

Inductivo: El rotor lleva incorporados un imán permanente y el campo

magnético giratorio que se origina produce una corriente alterna en una

bobina captadora exterior.

Para estos dos convertidores el rotor de turbina genera la frecuencia la cual es

proporcional al caudal, siendo del orden a 250 a 1200 ciclos por segundos para

caudal máximo.

Numero Reynolds

Cuando un líquido fluye en un tubo y su velocidad es baja, fluye en líneas paralelas a lo largo del eje del tubo; a este régimen se le conoce como "flujo laminar". Conforme aumenta la velocidad y se alcanza la llamada " velocidad Crítica", el flujo se dispersa hasta que adquiere un movimiento de torbellino en el que se forman corrientes cruzadas y remolinos; a este régimen se le conoce como "flujo turbulento ". El paso de régimen laminar a turbulento no es inmediato, sino que existe un comportamiento intermedio no indefinido que se conoce como "régimen de transición".

Para el flujo laminar, la curva de velocidad en relación con la distancia de las paredes es una parábola y la velocidad promedio es exactamente la mitad de la velocidad máxima. Para el flujo turbulento la curva de distribución de velocidades es más plana (tipo pistón) y el mayor cambio de velocidades ocurre en la zona más cercana a la pared.

Reynolds observo que el tipo de flujo adquirido por un líquido que fluye dentro de una tubería depende de la velocidad del líquido, el diámetro de la tubería y de algunas propiedades físicas del fluido.

Así, el número de Reynolds es un número adimensional que relaciona las propiedades físicas del fluido, su velocidad y la geometría del ducto por el que fluye y está dado por:

Cuando el ducto es una tubería, D es el diámetro interno de la tubería.

Cuando no se trata de un ducto circular, se emplea el diámetro equivalente (De) definido como:

Generalmente cuando el número de Reynolds se encuentra por debajo de 2100 se sabe que el flujo es laminar, el intervalo entre 2100 y 4000 se considera como flujo de transición y para valores mayores de 4000 se considera como flujo turbulento.

Factores en la Calibración

También conocido como Factores K ; la mayoría de fabricantes calibran sus medidores o rotores en un bucle de flujo. En estos ambientes controlados se corren caudales establecidos por un período de tiempo y se cuentan los "pulsos" que se generan en estos períodos de ajuste con el fin de determinar una curva de flujo que es individual para cada rotor o medidor. Esta curva de flujo es debido a que existen ligeras diferencias físicas inherentes en los rotores o medidores.

Piping La colocación del caudalimetro es el paso crítico final en asegurar que las velocidades de flujo que se grabarán son confiables y de alta precisión.

«Por ejemplo, si usted pone su medidor de turbina justo aguas abajo de una curva de 90 grados en la tubería, que va a producir un perfil de flujo transitorio en el punto de medición, o si usted colocara su dispositivo de medición

aguas abajo del flujo que va en dirección hacia abajo en un tubo vertical entonces se debe producir la cavitación y

otra vez no tendría un perfil de flujo aceptable o número de Reynolds.»

¿Que es la cavitación ?

La cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a estado líquido.

¿Cómo aparece la cavitación?

Un liquido se evapora cuando la energía no es suficiente para mantener las moléculas unidas, entonces estas se separan unas de otras y aparecen burbujas de vapor.

La cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas hidráulicos donde se dan cambios bruscos de la velocidad del líquido.

¿Cuales son los efectos de la cavitación ?

Efectos:

Ruidos y golpeteos. Vibraciones. Erosiones del material (daños debidos a la

cavitacion).

Daños típicos de la cavitación

Como Puede Evitarse la Cavitación

Piping

Una regla generalmente aceptada a seguir es que usted debe asegurarse de que hay al menos 10 diámetros de tubería ininterrumpidas de tramo recto corriente arriba del punto de medición y 5 diámetros de tubería sin interrupciones aguas abajo de su punto de medición seleccionado cuando no hay dispositivo de acondicionamiento de flujo instalado.

TIPO DE REGISTRADOR DE CAUDAL

Debido a que existen diferentes fabricantes de los medidores de velocidad, se pueden encontrar os elementos secundarios de registro de caudales en varias presentaciones. A continuación se señalaran algunos de los mas usuales:

MECANICO NUMERICO: Este registradores consta de una caratula que registra, tanto el total del volumen de agua que pasa por el conducto en determinado tiempo, como el gasto instantáneo que pasa en ese momento.

MECANICO GRÁFICO: El registrador mecánico gráfico es aquel que nos proporciona los datos en una carátula, con elementos secundarios como el graficador de tambor, parecido a los que se usan en registros de precipitaciones.

DlGlTAL NUMÉRICO: Algunos de los medidores de este tipo cuentan con este registrador de datos, es muy práctico ya que puede entregarnos datos almacenados por días, semanas y meses. Además de poder contar con los datos de gasto en diferentes unidades, tal como pueden ser lps. m3/s, etcétera.

Solución de ProblemasCuando se sospecha de problemas que hay, algunas cosas que se pueden hacer con el fin de identificar lo que está pasando con el medidor de turbina. Cada fabricante tiene su propio conjunto de pasos para solucionar problemas, y depende de cuáles son los síntomas que el medidor está mostrando. Si el problema se determina o se sospecha que no sea en la electrónica de procesamiento relacionado, entonces hay dos herramientas que son muy valiosos en la identificación de problemas con la funcionalidad mecánica del metro. El primero es un multímetro o Ohmímetro. Con esto, usted por lo general puede desconectar la parte electrónica y llegar a la bobina o "recoger" los cables del sensor y comprobar la resistencia verificando que es lo que el fabricante recomienda como un rango aceptable de resistencia.

Una vez que la resistencia se comprueba y se encontró que ser aceptable, la segunda herramienta es un osciloscopio portátil. El osciloscopio puede ser utilizado como una ventana para el rotor de la turbina.

MANTENIMIENTO BÁSICOEste tipo de equipos de medición se desgastan con el uso ocasionando deterioro en sus partes móviles, lo que origina irregularidades en el programa de trabajo establecido.

Los equipos de velocidad son sensibles a descuidos operacionales y transporte inadecuado, por lo que se presentan algunos cuidados a seguir en su traslado

Mantenimiento Preventivo:

Este mantenimiento se proporciona a los medidores de velocidad con el fin de evitar posibles fallas Para ello es importante tomar en cuenta las especificaciones de cada uno de los fabricantes Este tipo de mantenimiento es importante en los equipos de velocidad debido a que cuentan con partes móviles y estas expuestas directamente al flujo son susceptibles al deterioro

MANTENIMIENTO CORRECTIVO:

Este mantenimiento se realiza una vez que se han encontrado anomalías en el funcionamiento del medidor de velocidad fallas relacionadas con el deterioro de un elemento del instrumento.

El contacto directo del flujo con las partes móviles del medidor hace que estas tengan incrustaciones y desgaste

Indicaciones en cuanto al mantenimiento de los medidores de velocidad:

Es necesario hacer revisiones periódicas consistentes en escuchar o buscar signos de desgaste mecánico o de rajaduras.

Este tipo de medidores de velocidad son silenciosos, por lo que cualquier ruido "como de molino" debe considerarse un mantenimiento preventivo, puesto que este sonido puede ser indicador de falla.

Otras de las señales que es importante tomar en cuenta son las visuales. Una aguja indicadora de gasto con desempeño estable, si empieza a mostrar un comportamiento errático, es indicativo de que una falla puede ocurrir.

Si se empaña la carátula de lectura, puede ser síntoma de una fuga en el sistema de transmisión o en un sello.

Cuando el medidor tenga señales de mal funcionamiento realizar la siguiente prueba:

Establecer un caudal alto a través del medidor.

Tomar el tiempo que el totalizador registraun incremento en la carátula de la lectura. Comparar estos datos con los que resultan del calculo del gasto y el volumen correspondiente al medido; esto para verificar si la aguja indicadora coincide con las mediciones del totalizador.

Si se comprueba que existe un problema, se debe detener la operación del medidor para desinstalarlo y realizar una inspección

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 10 diámetros aguas arriba y 5 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

Guía para la selección técnica de medidores de flujo

Aplicación

Característica