INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

2.3. MEDICIÓN DE FLUJO

Caudal o flujo• El termino fluido se usa para describir sustancias que

fluyen cuando se someten a un esfuerzo dedeslizamiento, por ejemplo, los líquidos y gases.

• El flujo se define como la cantidad de volumen /masa que pasa a través de un área de seccióntransversal por unidad de tiempo.

• Las unidades de caudal, gasto o flujo son unidades devolumen por unidad de tiempo: m3/min, gal/s, l/min,las mas comunes.

Caudal o flujo

– Para transmitir un fluido se usan tuberías cerradasde acero, acero inoxidable, cobre y PVCprincipalmente.

– Para impulsar estos flujos se utilizan, en líquidos,bombas centrifugas, de engranes y de lóbulos porlo general, y en gases, abanicos sopladores,extractores, o compresores. O diferencia depresiones o energía potencial

– Para controlar los caudales de fluidos se utilizanválvulas.

Caudal o flujo

• La medición de flujo se utiliza en la industria y en elcomercio con dos propósitos fundamentales:

– La contabilidad

– El control de los procesos y operaciones

• Una definición en términos matemáticos es:� = ��

Q = caudalv= velocidad del fluidoA = área del ducto cerrado

Clasificación

• Tipo restricción– Placa de orificio

– Venturi

– Tobera

– Codo

– Tubo Pitot

• Tipo fuerza en obstáculo– Target

– Rotámetro

• Tipo velocidad

– Turbina

– Vortex o torbellino

– Magnético

– Ultrasónico

• Tipo másico– Coriolis

– Térmico

• Desplazamiento positivo

• Peso

• Todos los medidores de este grupo basan sufuncionamiento en el teorema de Bernoulli.

�� ����

2���

�= �� �

���

2���

�

�� y �� = posiciones de cada punto referido a la horizontal.�� y ��= presiones estáticas en cada punto.�� y �� = velocidades en cada punto� = densidad del fluido

g = gravedad

• Los medidores tipo restricción siempre tienendos componentes: el elemento primario, elcual provoca la restricción de flujo o caída depresión, y el secundario, que mide ladiferencia de presiones.

• Puesto que la densidad no cambia, el caudalque pasa a través del tubo en dos puntosdistintos es:

� = ���� = ����

�� =sección transversal del tubo

�� =sección transversal de la restricción.

• Al relacionar la ecuación de Bernoulli y la relaciónde caudal Q, tenemos:

• La constante Kr depende de las dimensiones de larestricción, por ello el caudal lo podemosconocer, si conocemos la diferencias de laspresiones antes y después de la restricción.

• Debemos sacar la raíz cuadrada de la diferenciade presiones. Dicha operación viene programadaen los microcontroladores de los transmisores.

� = � �� − ��

Placa de orificio

• Este elemento primario provoca la diferenciade presiones interponiéndole al flujo unaplaca con un orificio de diámetro maspequeño que el del ducto conductor de fluido.

• Son delgadas en el orden de 1/8” hasta 1 ½”.

• Acero, acero inoxidable, PVC, otros plásticos.

Placa de orificio

• Los orificios puede tener diferentes formas. Elexcéntrico y el sector favorecen el manejo defluidos con bajo contenido de solidos.

• Este sistema trabaja mejor con flujos turbulentosy altos porque así se obtiene mayor diferencia depresiones.

• Flujo turbulento. Hay un movimientodesordenado de las particular.

• Flujo laminar. Es en el que las partículas de fluidose desplazan paralelamente entre ellas y el ductodel conductor.

Placa de orificio

Placa de orificio

• La placa de orificio es económica, y es su principal ventaja, por loque se ve difícil sean desplazadas del mercado. Tienen unaexactitud del orden del ±1.5%. Su principal desventaja sonmucha caída de presión (60 a 75%)

Tubo Venturi

• El tubo Venturi tiene una reducción gradual en sudiámetro hasta la constricción.

• El tamaño de la constricción no debe ser menorde 0.742D.

• La pérdida de presión por la presencia del tuboVenturi oscila entre 10 y 15%.

• Exactitud del orden ±0.5%.• No tiene obstáculos para que los solidos en

suspensión circulen.• Es caro.

Tubo Venturi

Boquilla o tobera

• Tiene características similares a los anteriores,pero no iguala en precisión al Venturi, su únicaventaja sobre éste es el tamaño y sobre laplaca de orificio es el manejo de solucionesacuosas con solidos en suspensión.

• La caída de presión esta entre el 40 y 60%.

• Son mas económicas que el tubo Venturi .

Boquilla o tobera

Codo

• En la instalaciones industriales, hay trayectoriasde las tuberías o ductos e implica el uso de codos.

• Estas piezas aunque no implican una restricciónque provoque el diferencial de presión, si hay uncambio de velocidad provocado por el cambio dedirección, entonces, al haber cambio de velocidadhay un cambio de presión, de acuerdo a laecuación de Bernoulli.

Codo• La ventaja es no gastar

en un elemento que ya existe.

• Su desventaja principal es no tener mucha precisión porque el diferencial de presión es bajo, sobre todo no funciona bien con flujos bajos.

• No se recomienda para operar con lodos de alto contenido de sólidos.

Tubo Pitot

p+p-

∆∆∆∆p = p+ - p-

• Consiste en un pequeño tubo conla entrada orientada en contra delsentido de la corriente del fluido.La velocidad del fluido en laentrada del tubo se hace nula, alser un punto de estancamiento,convirtiendo su energía cinética enenergía de presión, lo que da lugara un aumento de presión dentrodel tubo de Pitot.

• La presión diferencial resultante esuna presión dinámica que dependede la velocidad y que es analizada eindicada.

Características de Tubo Pitot

�Se introduce dentro del conducto de flujo.

� Son usados en conductos de gran tamaño para reducir las perdidas de presión.

� En conductos grandes, reducen el costo en comparación con la placa de orificio.

�Exactitud: 1 – 3%

�Presión máxima de trabajo: 400 bar

�Temperatura máxima de trabajo: 500 ºC.

Resumen

• Hay algunos instrumentos que aprovechan lafuerza de empuje del fluido para mover unobstáculo; tal fuerza la relacionamos con elvalor del flujo que circula.

• Este mecanismo se usa para sensado discreto.

• La fuerza que ejerce un fluido en un obstáculoes proporcional al cuadrado de la velocidaddel fluido.

Target

• Se trata de un disco (o placa) de áreadeterminada al cual impactará el flujo defluido. Dicho disco esta unido a una varillasoporte que transmite la fuerza a untransmisor de equilibrio de fuerzas.

• Otro esquema es que la varilla transmita lafuerza a una celda de carga.

• Su uso mas difundido es como sensor discretode flujo.

Target

Rotámetro

• También se le llama de área variable, porque el fluido pasa a través de una restricción cuya área se incrementa con el incremento del flujo.

• Su operación se basa en la fuerza de empuje del flujo sobre un obstáculo.

• El obstáculo es un flotador de un peso determinado.

• El flujo lo indica la posición del mismo flotador, que se estaciona en el punto donde se equilibra la fuerza de empuje y el peso del flotador.

Rotámetro

• La conexión de este dispositivo es en posiciónvertical.

• Es ampliamente utilizado como indicador, eseconómico, confiable, tiene exactitudes del±1%.

• La principales desventajas son el no obtenerseñales continuas y no poder usarlos conlíquidos turbios ni en línea de alta presión.

• Estos instrumentos basan su operación en la velocidad del fluido en medición.

– Turbina

– Vortex o torbellino

– Magnético

– Ultrasónico

– Térmico

Turbina

• Una aplicación muy conocida de esteinstrumento es el medidor de consumo deagua potable de nuestras viviendas.

• La formula es Q = Kn

• Q es el flujo

• K es la constante del instrumento, quedepende de las características del rodete de laturbina (#aspas, diámetro y avance)

• n es la velocidad angular.

Turbina

• El fluido arrastra las aspas de la turbina alpasar.

• El esquema consiste cuando con una bobinasensora se detecta el paso del imán o imanesadheridos al o las aspas de la turbina.

• De esta manera se obtienen pulsos eléctricosproporcionales a la velocidad de la turbina ypor lo tanto el caudal.

Turbina

Turbina

Turbina

• Tiene una exactitud del 0.25% y trabaja hasta una presión de 220 bar. Puede usarse con líquidos y gases.

• Como el rotor es normalmente plástico se emplea para líquidos corrosivos.

• Un inconveniente es que si junto con un fluido liquido viene gas o aire, también lo mide. Además del desgaste mecánico.

Vortex

Como se muestra en la imagen, el dispositivo provocaturbulencia con un elemento delgado que atraviesadiametralmente en el tubo.

Se observa como se desprende remolinos. Estos se conocencomo Calle de Vértices de von Karman, el cual es un terminoutilizado en la dinámica de fluidos.

Vortex

Vortex

• El vortex tiene buena precisión (1%), baja caída de presión, bajo mantenimiento por no tener partes móviles. Pero, es caro.

• Se fabrica desde ¼” hasta 8” de diámetro.

• Se puede usar con líquidos corrosivos y ambientes con condiciones extremas.

• El instrumento incluye compensación por la vibración de la tubería.

Magnético • Este instrumento basa su funcionamiento en

la Ley de Faraday.

Magnético

• En una tubería que conduce un liquido conductivo se puede consideran una línea de conductor.

• El campo lo podemos crear con electroimanes alimentados con corriente alterna.

• Podemos recoger el voltaje inducido con dos electrodos situados diametralmente opuestos en el tubo.

Magnético

Magnético

• Este instrumento no tiene ningún componente que estorbe el flujo del fluido medido, no tiene, prácticamente, caída de presión, tiene buena precisión y su costo es relativamente alto.

• Con este medidor es posible manejar lodos y líquidos corrosivos a alta temperatura; sus diámetros de diseño van desde 1” a 20” o mayores.

Ultrasónico

• Se tiene dos opciones:

– Utilizar el efecto Doppler

– Utilizar el tiempo de recorrido

• Doppler se refiere a que un sonido de alta frecuencia se envía y choca con alguna partícula o burbuja, rebota y regresa a un frecuencia diferente, debido a la partícula en movimiento.

Ultrasónico

• Este instrumento tiene su principal aplicación cuando tenemos lodos o soluciones acuosas con sólidos en suspensión.

• Se utiliza una fuente controlada de 10 MHz.

• Sus diámetros van desde menos de 1” hasta 12”.

Ultrasónico

• La segunda opción es por el tiempo de recorrido. Tiene dos conjuntos emisor-receptor en oposición.

• Cuando no hay flujo, los tiempos son iguales.

• Cuando hay flujo de fluido, el tiempo en la dirección del flujo se acorta y viceversa, debido a la velocidad del fluido.

Ultrasónico

• Esta diferencia en los tiempos va a variar de acuerdo a los cambios de caudal.

• Los transmisores y receptores de ultrasonido están hechos con base en cristales piezoeléctricos. Entre las ventajas de estos instrumentos son: no hay caída de presión, trabajan con líquidos gases, no tienen contacto con el fluido.

• Los medidores de flujo másicos nos dan en vezde un caudal, un flujo de masa a través de unasección de tubería, de otra maneratendríamos que medir simultáneamentecaudal y densidad y hacer el calculo de lamasa.

Coriolis

• Utiliza el principio de la efecto de Coriolis, la cual es una fuerza que se observa en un sistema en rotación.

Coriolis

• Básicamente consiste en un tubo en forma de “C” a través del cual fluye un fluido.

• El tubo se pone a vibrar a una frecuencia constante por medio de un electroimán.

• Los desplazamiento se monitorean por medio de un sensor óptico.

Coriolis

• La medición depende de la velocidad y de la masa del fluido.

• Una desventaja del medidor descrito es lo voluminoso, pero es muy recomendable para medir flujo de masa, inclusive gases.

• También puede usarse para medir densidad.

• Su exactitud es del 1%.

Térmico

• Se utiliza el principio de transferencia de calor.

• A mayor masa podemos transportar mayor cantidad de calor.

• Se mide la temperatura aguas arriba, en el intermedio se calienta con una fuente de calor constante y aguas abajo se vuelve a medir la temperatura.

• Si el flujo es alto, la diferencia de temperaturas será baja viceversa.

• Estos medidores miden el caudal en volumen. Hacen pasar el flujo dentro de una cámara de volumen conocido.

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

• Algunos de ellos son:

– Disco oscilante

– Rotativo

Disco oscilante• El instrumento dispone de una cámara circular

con un disco plano móvil.

• Cuando pasa el fluido, el disco toma un movimiento parecido al de un trompo, de modo que cada punto de su circunferencia exterior sube y baja alternativamente, estableciendo contacto con las paredes de la cámara desde su parte inferior a la superior.

Disco oscilante

• 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.

Disco oscilante

• La forma de operar es:

• 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.

Rotativo

• Estos medidores contienen cámaras que se desplazan transportando una cantidad fija de fluido a medida que unos elementos rotan por la acción del fluido.

• Los medidores rotativos más utilizados son los siguientes tipos: el birrotor, el de paletas, el de lóbulos y el oval.

Rotativo de lóbulos

• Consisten de dos lóbulos engranadosentre si que giran en direccionesopuestas manteniendo una posiciónrelativa fija y desplazando un volumenfijo de fluido líquido o gaseoso en cadarevolución, tal como se muestra en lafigura. Los lóbulos no hacen contactomecánico y la precisión de susmovimientos se mantiene debido a lapresencia de dos engranajes ubicadosfuera del medidor

Rotativo oval• Los elementos de medición de

este instrumento son ruedasovaladas dentadas cómo semuestra en la figura. En formasimilar al medidor de lóbuloslas ruegas giran por el pasodel fluido y la precisión de sumovimiento se mantiene porla acción de dos engranajesubicados en la parte traseradel instrumento.

Características

• Se fabrican en tamaños que van desde 2 o 24 GPM hasta 30 o 20000 GPM para flujo de líquidos y hasta unos 3 m3/hr para flujo de gases

• Su exactitud es de ± 1% para flujos de 10 a 100% del intervalo de medición. Esta se desmejora para bajos flujos debido a las holguras que existen entre los lóbulos.

• Cuando no es necesario conocer el caudal instantáneo podemos usar medición de caudal por peso.

• Es similar al de nivel por peso, pero en el caso de caudal hay que involucrar el parámetro tiempo.

• Si conocemos el peso de un fluido y su densidad, podemos conocer tanto el volumen total que fluyó en cierto tiempo como el flujo instantáneo.