estado del arte en sistemas de automatizaciu00f3n 2

ESTADO DEL ARTE DE LOS

SISTEMAS DE

AUTOMATIZACIÓN

Medición de variables

Roberto Bacacorzo Cuba

VARIABLES A MEDIR Y

CONTROLAR

DE PROCESOS CONTINUOS

- Presión

- Temperatura

- Nivel

- Flujo (volumétrico y másico)

- Peso

- Variables analíticas (pH, conductividad, ORP, turbidez, etc.)

- Otras (Humedad, Espesor, etc.)

DE PLANTA

• Velocidad

• Longitud

• Presencia / Ausencia

• Cuenta

• Tiempo

DE SEGURIDAD

• Gases

• Vibración

• Humo

• Fuego

• Presencia de intrusos

• Fallas eléctricas

• Variables analíticas

OTROS

• Transferencia de Custodia (custody

transfer): Volumen

• Gestión de Activos fijos /

Mantenimiento: temperatura,

vibración, posición, etc.

• Medio Ambiente: Variables analíticas,

flujo, presión, Humedad relativa, etc.

SENSORES

Y TRANSMISORES

(Automatización de

Procesos)

Transmisores

• Son dispositivos que convierten una señal

medida en una señal estandarizada.

• Las señales de salida estandarizadas más

comunes son:

- Corriente: 4 – 20 mA (ISA) / 0 – 20 mA

(Europa)

- Neumática: 3 – 15 psi / 0.2 – 1 kg/cm2

PRESIÓN: la presión es la fuerza

ejercida sobre un área (P = F / A). Es

una variablemque se usa en casi

todas las actividades productivas.

Se mide con elementos mecánicos

(manómetros) o electrónico-mecánicos

(transmisores electrónicos analógicos

o inteligentes).

La presión se mide en Bar, psi, kPa,

etc.

ALGUNOS EJEMPLOS DE

CONSIDERACIONES A TENER EN

CUENTA EN INSTRUMENTACIÓN

DE CAMPO

Manómetros

Z O N A D E T R A B A J O (ANSI/ASME B40.1)

0 100 bar

1/3

2/3

3/3

Problemas de medición

• Corrosión

• Abrasión

• Pulsación

• Vibración

• Temperatura

• Sobrepresión

• Seguridad

Sellos de diafragma

• Proveen excelente

protección contra

la corrosión y

abrasión.

• Protección contra

la pulsación

(dampening).

Sifón (cola de chancho)

• Usado para servicio

de vapor

• Reduce la

temperatura y

condensa el vapor.

• Los instrumentos de

presión no miden el

vapor, sino líquidos y

gases

FRENTE SÓLIDO (Seguridad)

Tornillo de restricción

• Solución de bajo costo para problemas de pulsación.

• Restringe el ingreso del fluido, reduciendo el daño por pulsaciones.

Llenado de líquido (caja)

• Reduce el efecto

de la vibración

sobre la indicación

de los indicadores

con aguja.

Snubber

• Provee una solución

de bajo costo para

amortiguar el efecto

de las pulsaciones

(manómetros y

transmisores).

• Usado en servicio con

fluidos limpios.

Válvula de aguja

• Usada para válvula

de bloqueo y sobre

todo, como válvula

de purga.

• En el bloqueo, provee

protección contra las

pulsaciones.

Sobrepresión

• Válvulas de protección de instrumentos por sobrepresión.

• Al alcanzar la presión prefijada (presión de seguridad), se cierra impidiendo el paso del fluido hacia el instrumento. A

• Al bajar la presión, vuelve a abrirse.

• Rango de presión hasta 60,000 psi.

Block Valve

Handle

Lockout

Bleed Valve

Secondary

Port

Bleed Port

TEMPERATURA: Es la variable

industrial más importante. A nivel

productivo, se mide en °C o °F.

Los sensores de temperatura son muy

diversos, desde los elementos

mecánicos (termómetros bimetálicos),

de dilatación (termómetro de vidrio y

otros), hasta los eléctricos (RTDs,

termocuplas, termistores, IC) o de no

contacto (infrarrojos).

Instrumentos de Temperatura

• Termómetros de vidrio

• Termómetros de lectura remota

• Termómetros bimetálicos

• Circuitos Integrados

• Termistores (NTC, PTC)

• RTDs (Pt100)

• Termocuplas (J, K, R, S, B, W)

• Radiación (Ópticos e Infrarrojos)

Termómetros bimetálicos

• Precisión 1%

• Temperaturas continuas hasta 425 °C

• Longitudes de vástago hasta 24” (comúnmente, hasta 15”)

RTD’s

TERMOPOZOS C O N I C O CON / SIN EXTENSION

MAXIMA TEMPERATURA-PRESION CON ¼”

TERMOPOZOS C O N I C O BRIDADO

MAXIMA TEMPERATURA-PRESION CON ¼” &

3/8”

1. CONCEPTOS TEÓRICOS

TERMOMETRÍA INFRARROJA

• Los rayos infrarrojos fueron descubiertos en 1800 por Frederick William Herschel, astrónomo y músico alemán nacido en 1738.

• El observó que más allá del rojo, la radiación producía temperaturas más elevadas que las de la luz solar.

• La Termometría y la Termografía Infrarroja se basan en las leyes y principios de la Transferencia de Calor.

• La Transferencia de Calor es la Ciencia que busca predecir la transferencia de energía entre cuerpos, como resultado de una diferencia de temperatura.

Modos de transferencia de calor

• Conducción

• Convección

• Radiación

• Los mecanismos de conducción y convección involucran la transferencia de energía a través de un medio material.

• El calor también se puede transferir a regiones en donde existe el vacío perfecto. En este caso el mecanismo es la radiación electromagnética.

• Todo cuerpo que tenga una temperatura mayor del cero absoluto (0 ºK) emite energía, debido al choque entre sus moléculas.

• Un cuerpo negro emite sólo su energía propia (Emisividad = 1), que es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo:

• Ley de Stefan-Boltzmann para cuerpos negros:

E = K T4

• En la práctica, existen cuerpos grises a brillantes, con emisividades menor que uno ( < 1).

• La ley general de Stefan-Boltzmann es la siguiente:

E = K T4

K : Constante de Boltzmann :

5.669 x 10-8 W/m2.K4

: Emisividad del cuerpo T : Temperatura del cuerpo que emite energía

• Eso significa que todo cuerpo emite una energía que está relacionada con su temperatura elevada a la cuarta potencia.

• En cuanto más temperatura tiene el cuerpo, más fácil es medir su energía.

• Los termómetros y las cámaras Infrarrojas captan energía.

Emisividad y Cuerpos Negros

Cuerpo Negro Ideal “Cuerpo Real”

Absorción y emisión perfectas

Algo de energía es reflejada y transmitida

Emisividad ( ) =1 Emisividad ( ) < 1

I

I

I

I

R

T

I

Fuentes de Energía Infrarroja

Objeto

Sensor R

T

E

R + T + E = Energía Total I = Energía Incidente R = Energía Reflejada T = Energía Transmitida E = Energía Emitida

Reflectividad, Transmisividad, Emisividad

Ambiente

I

Transmisión en el Espectro IR de Plásticos

Longitudes de onda en las que la transmisión es aproximadamen zero (3.43 para poly-ethylene; 7.9 para polyester)

Longitud de onda en Micrones

Tra

nsm

isió

n %

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Polyethylene 0.03 mm (1 mil)

0.13 mm (5 mils)

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

0 Tran

smis

ión

%

Longitud de onda en Micrones

Polyester 0.03 mm (1 mil)

0.13 mm (5 mils)

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Emisividad vs. Long. de onda

varía con long. de onda (cuerpos no grises)

= 0.9 (cuerpo gris)

Ener

gía

Rel

ativ

a

Long. de onda (micrones)

= 1.0 (cuerpo negro)

Distribución espectral para Diferentes Emisividades

• La mayor concentración de energía se da en la región de menor longitud de onda, para las más altas temperaturas.

Espectro Electromagnético

Visible

Ultraviolet Infrared X-rays Gamma

Rays Radio

EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF

0.1A 1A 1UA 100A 0.1µ 1µ 10µ 100µ 1cm 0.1cm 10cm 1m 100m 1km 10km 100km

Longitud de onda

10m

30 20 15 10 8 6 4 3 2 1.5 1 0.8 0.6 0.4

Longitud de onda (µm)

Región de Medición Infrarroja

Sub-espectros infrarrojos utilizados para termografía

• NIR – Infrarrojo cercano (Near Infrared): 0.8 a 2.5 m

• MWIR – Infrarrojo de Onda Media (Mid Wave Infrared): 2.5 a 5.5 m

• LWIR – Infrarrojo de Onda Larga (Long Wave Infrared): 7.5 a 14 m

2. TERMÓMETROS INFRARROJOS

• Se desarrollaron hace más de 50 años, para aplicaciones en la industria siderúrgica (altas temperaturas).

• Los primeros modelos tenían mucho error y no representaban un gran avance respecto a los pirómetros ópticos (por radiación parcial).

Características actuales

• Miden temperaturas (según la lente) desde -50 ºC hasta 3000 ºC

• Rapidez de respuesta desde 700 ms hasta 1 ms

• Precisión hasta 0.75 %

• Resoluciones ópticas hasta 300:1

• Incorporan avances de la electrónica digital y transmisión de datos

¿Cuándo Usar termómetros Infrarrojos?

Para medir la temperatura de

objetos (sólidos o líquidos) que tengan las siguientes

características:

• Objetos en movimiento

• Objetos ubicados en lugares de difícil acceso.

• Objetos cuya manipulación es peligrosa.

• Tener una rápida lectura (tiempo de respuesta menor de 1 seg.)

• Medida de la temperatura de una superficie (promedio).

• Altas temperaturas.

• Mantenimiento predictivo.

¿Por qué se usan en

Mantenimiento predictivo? • Porque la detección de puntos calientes

es reconocida como una de las mejores técnicas de predecir una falla antes de que esta ocurra.

• El calentamiento de conexiones, seccionadores, etc. se produce mucho antes de que se tenga una falla.

Sistema de medición Infrarrojo

Ventanas y óptica

Objeto Medio ambiente Detector Display, electrónica

y salidas

453¡C

SP1 470¡C

EMS ¯.85

Termómetro Infrarrojo

CUERPO RADIANTE

LENTE TERMOPILA

Resolución Optica

Distancia del sensor al objeto

Diámetro del haz

2.5 0.1

7.5 0.3

14 0.6

21 0.8

33 1.3

mm inch

0 0

25 1

50 2

76 3

130 5

mm inch

Diámetro del haz

Diámetro del haz

= D:S

¿Cómo realizar una buena medición?

1 Colocarse perpendicularmente al objeto del cual se desea medir su temperatura. Si no es posible, hacer un ángulo no mayor de 45º con respecto a la vertical.

2 Verificar que el ambiente entre el

objeto a medir y el termómetro esté

limpio (libre de polvo, humo, vapor,

partículas suspendidas, etc.).

3 La distancia del termómetro al objeto no debe ser mayor que la permitida por la resolución óptica (D:S)

4 Ajustar la emisividad para el cuerpo a medir.

5 Si el objeto está dentro de un ambiente cuyas paredes tienen mayor temperatura (p.e. un horno), ajustar la compensación de temperatura ambiente.

6 Usar el termómetro que tenga lente para la menor longitud de onda posible.

7 La temperatura ambiente no debe ser mayor de 50 ºC (portátiles) o 315 ºC (fijos, con refrigeración por agua).

8 No someter el termómetro a cambios bruscos de temperatura ambiente.

Enfoque del Objetivo

El Objeto debe ser cubierto en su totalidad por el haz

Optima Buena Incorrecta

Sensor

El objetivo es más grande que

el haz El objetivo es del tamaño del

haz

El objetivo es más pequeño

que el haz

Errores de Temperatura debidos a

Emisividad Incierta* 10

8

6

4

2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

8-14 µm

1.0 µm

Solución: Use la menor

longitud de

onda

% E

rro

r en

Tem

per

atu

ra

Temperatura del Cuerpo (°C)

*Error de Emisividad asumido de 10%

5.0 µm

3.9 µm

2.2 µm

Temperatura Ambiente

Corrección de compensación de Temperatura ambiente para temperaturas más altas que la del objetivo

Desventajas de los Termómetros IR

• No pueden medir temperaturas interiores (sólo miden temperaturas superficiales).

• No pueden realizar mediciones puntuales (miden áreas).

• Tienen dificultad para medir temperatura de metales brillantes (oro, plata, zinc, cromo, acero inoxidable, etc.).

Selección de un termómetro Infrarrojo para Mantenimiento

• Determinar el rango de medición (si es posible, seleccionar el termómetro de menor longitud de onda).

• Seleccionar la resolución óptica.

• Determinar el tiempo de respuesta más apropiado.

• Determinar el o los tipos de señal de salida necesarios (mV, mA, TC, RS232, RS485, etc.)

• Determinar si necesita memoria interna (según modelo)

• Determinar si se requiere medir sólo la máxima temperatura o también son necesarias la Min, Avg y Dif.

• Seleccionar el tipo de apuntador (láser, mira telescópica, etc.)

• Servicio técnico, asesoría, etc.

• Precio (después de haber seleccionado las características que más se ajustan a la necesidad)

Consideraciones finales

• Los termómetros infrarrojos se usan para proceso, mantenimiento e investigación. Su uso es excluyente.

• Un sólo termómetro infrarrojo no puede usarse para todas las aplicaciones posibles en una misma planta industrial compleja.

• Se calibran con cuerpos negros.

Ventanas

• Para aplicaciones especiales, se pueden usar ventanas (paredes de hornos) para medir a través de ellas.

• Las más usadas son de AMTIR y CUARZO.

• La pérdida de radiación es proporcionada por el fabricante para su compensación.

Transmisión de IR Materiales de Ventanas

Longitud de Onda (micrones)

Porc

enta

je d

e Tr

ansm

isió

n

0

20

40

60

80

100

5 10 15

Barium Fluoride Calcium Fluoride AMTIR-1 Fused Silica Germanium Zinc Selenide Zinc Sulfide

Aplicación

NIVEL: Es una variable que se usa

mucho en procesos en donde intervienen

tanques, reactores, pozos, etc.

Se mide en Metros o pulgadas.

Hay diversos tipos de tecnologías (más

de 20), divididas en aplicaciones para:

- Medición Discontinua

- Medición Continua

- Transferencia de Custodia y/o Control

de Inventarios

Instrumentos de Nivel

DISCONTINUO

• Flotador o boya

• Magnético

• Vibración

• Hidrostático

• Electrodos

• Paleta

Acción discontinua

MEDICIÓN CONTINUA

• Vaso visor (level glass)

• Presión (manométrica y diferencial)

• Capacitivo

• Magnético (magnetostrictivo)

• Contrapresión hidrostática (burbujeo)

• Peso

• Ultrasónico

• Radar (onda guiada y onda de

propagación libre)

Sensor de Nivel Magnético con

flotador

Aplicaciones

• Storage tanks • Process tanks

– Low velocity agitation will not effect performance

Tanque

Líquido

Diferencia

de Tiempo

=

Nivel

Pulso

Emitido

Pulso

Emitido

Monitor de Nivel Ultrasónico

– Un pulso de sonido de alta frecuencia (ultrasónico) es dirigido hacia el fluido

– El sonido se refleja desde la superficie del fluido y regresa a la electtrónica

– El tiempo que tarda el sonido desde que fue emitido hasta ser recibido es medido para determinar el nivel del fluido

Tanque de almacenamiento

Gauging Well

Datum point

Probador para Tanque .

Mechanical

Float and Tape

Servo systems

Sonar

Ultrasonic

Radar

Smart Cable

Magnetostrictive

Resistance Tape

RF/ Capacitance

Hybrids

Conventional

Hydrostatics

Servo or Float Radar

Gauging Well

Datum point

ITT Barton

Tank Probe assy.

Magnetostrcitive

FLUJO: Es la cantidad de fluido que

atraviesa una determinada sección

(área) transversal.

El flujo puede ser instantáneo (lpm) o

totalizado (m3). También puede ser

volumétrico (gpm) o másico (T/h).

Aprox. 40% del total de ventas en

sensores en el mundo son de

medidores de flujo, porque miden

directamente los costos.

El Flujo puede ser laminar o turbulento, dependiendo de la

distribución que adopte dentro de una tubería.

• Existe un número adimensional,

llamado Número de Reynolds, que

relaciona:

Re = (v x d) /

donde: v : m / seg

d : m

: m2 / seg

• El número de Reynolds determina si

el flujo es laminar o turbulento.

También indica los efectos de la

viscosidad y velocidad en el

desarrollo de un flujómetro.

• Recr = 2300

• Por debajo de 2100, el flujo es

laminar y la relación aprox. de

Vmax / Vmin = 2

• Para los flujos turbulentos, aprox.

Vmax / Vmin = 0.8 a 0.9

• Re > 3000 : Flujo turbulento

• La mayoría de flujómetros requieren un

régimen laminar para realizar una

correcta medición, lo que implica

asegurar las condiciones requeridas

mediante la adecuada instalación de los

flujómetros, de fuentes que producen

turbulencia (codos, Tees, válvulas,

reducciones, etc.)

• Ejemplos de

aparición de

vórtices debido a

irregularidades o

presencia de

objetos en las

tuberías.

• Vórtices: zonas de

muy baja o nula

presión que

generan

turbulencia.

Instrumentos de Flujo

Volumétrico • Presión diferencial (placa orificio, Tubo Venturi,

tobera, tubo Pitot, V-Cone, Annubar, Wedge,etc.)

• Área Variable: rotámetros

• Turbina

• Paleta

• Vortex (líquidos y gases)

• Desplazamiento positivo

• Electromagnético

• Ultrasónico (tiempo de tránsito y Doppler)

RANGEABILIDAD (TURNDOWN o

RANGEABILITY)

Es el cociente del valor máximo

entre el valor mínimo de un

instrumento. Sirve para determinar

si el instrumento va a poder ser

usado para amplias variaciones de

la variable medida. Ej: 80/20 = 4

PRESIÓN DIFERENCIAL VENTAJAS

• Usado en Líquido, Gas o vapor

• Apropiado para Temperaturas y

Presiones extremas

• No tiene partes móviles

• Bajo costo

DESVENTAJAS

• Rangeabilidad limitada (3:1 hasta

20:1)

• Afectado por cambios en

Densidad, Temperatura, Presión y

Viscosidad

• Requiere transmisores o

elementos secundarios

• Baja precisión

Presión Diferencial

Wedge™ Flow Meter para Líquidos, Slurries, Gases and Vapor

• Los elementos Wedge ofrecen una restricción al flujo tipo ”V”

Higher Pressure, Lower

Velocity

Lower Pressure, Higher

Velocity

Cut-Away View Bore View

• La restricción Wedge tiene una relación H/D

• El valor equivalente al puede ser calculado como H/D o

usar un equivalente en tablas (Flow Measurement

Engineering Handbook)

D H

H/D Ratio usar Beta Ratio

0.2 0.38

0.3 0.50

0.4 0.61

0.5 0.71

0.6 0.79

0.7 0.86

• Wedge flow equations: Flow rate = C x [ Px ]1/2

Q(GPM) = 5.668 x Fa x Kd2 x [h/g]1/2

Q(SCFH) = 7727 x Fa x Fpv x Y x Kd2 x [(h x P)/(G x T)]1/2

Kd2 derived from lab data

Fa effect of expansion/contraction on and d

Fpv velocity approach factor (function of )

Y accounts for density change in compressible

fluid as it passes through restriction

h differential pressure across restriction

g liquid specific gravity

G gas specific gravity

P process pressure in psia

T process temperature in degrees Rankine

•1/2 in a 24 in.

•Transmisores DP transmitter con

sellos remotos (capilares llenados)

•Soporta altas presiones (1,500

psi)

•Temperatura hasta 300 °C

•0.75% (1/2 in.) o 0.50%(>1/2 in.)

del flujo calibrado

• Medición Bidireccional

• Aplicaciones: fluidos tipo barro,

con gran cantidad de sólidos en

suspensión, multifase, etc.

AREA VARIABLE (rotámetro)

VENTAJAS

• Bajo costo

• Usado para Líquidos, Gases y Vapores

• Buena precisión

• Rangeabilidad: 10:1

DESVENTAJAS

• Afectado por cambios en temperatura y

densidad

• Sólo para fluidos limpios

• Para bajas presiones

V

TURBINA VENTAJAS

• Alta precisión (lineal)

• Usado para altas presiones

(hasta 7,500 psi)

• Líquidos, gases o vapores

• Rangeabilidad: 10:1 hasta

20:1

• Medición bidireccional

DESVENTAJAS

• Sólo para bajas

viscosidades

• Partes móviles

• Fluidos sin partículas en

suspensión

Rotor

Straightener/Diffuser

Assemblies

Bearing

VORTEX VENTAJAS


• Para Líquidos, Gas o Vapor

• No se vé afectado por cambios en

la Presión, Temperatura o

Densidad

• Alta Rangeabilidad (40:1 hasta

70:1)

DESVENTAJAS

• Sensible a la vibración (aún con

sensores de compensación)

• Sentitividad al régimen del flujo

(Vortex)

Medidor de Swirl Medidor de Vortex

EFECTO VON KARMAN

donde:

V = Velocidad del Fluido

b = Ancho del cuerpo

b 0.25D

St = Número de Strouhal

f = Frequencia

D = Diámetro interno

Desplazamiento Positivo

VENTAJAS

• Capacidad de soportar fluidos

con gran cantidad de partículas

• Usualmente tiene asociado un

contrómetro mecánico

• Líquidos

• Rangeabilidad: 10:1

• Soporta altas temperaturas

• No requiere flujo laminar

DESVENTAJAS

• Sólo para bajas viscosidades

• Muchas partes móviles

• Baja precisión (2 %)

ULTRASÓNICO

VENTAJAS


• No intrusivo

• Alta Rangeabilidad

DESVENTAJAS

• Muy influenciado por el

régimen del fluído

• Errors debido a partículas y

características de tubería

V

MAGNÉTICO

VENTAJAS


• Alta Rangeabilidad (100:1)

• Ideal para fluidos tipo barro

(slurries)

• No obstruye las tuberías (caída de

presión despreciable)

• Medición bidireccional

DESVENTAJAS

• Los Líquidos deben ser

conductivos (parecidos al agua,

conductividad mínima 0.5 s)

• Limitado por presiones y

temperaturas

Flujómetros Electromagnéticos

¿Hasta qué diámetro podemos llegar?

Ejemplos de longitud mínima requerida de tubería

recta aguas arriba

15 D

codo

18 D

Te

Válvula

compuerta abierta

10D 5D

Válvula control

30-50D

Reduc.

20D

Expansión

20D

• La instalación de los flujómetros es muy importante para una correcta medición.

• En la mayoría de las tecnologías, se requiere tener un régimen laminar.

• Si la instalación se hace en una tubería existente en donde no hay el espacio suficiente para tener los diámetros aguas arriba y aguas abajo requeridos, se deben usar venas de enderezamiento.

Venas de enderezamiento (acondicionadores de

flujo)


Másico

• Térmico (gases)

• Coriolis (líquidos y gases)

MÁSICO CORIOLIS

VENTAJAS

• Medición directa de la masa

• Alta precisión

• Medición directa de la densidad

• No es afectado por el régimen del

fluido

DESVENTAJAS

• Alto costo

• Alto costo de instalación

• Limitación en diámetro (hasta 6”)

• Sensible a la vibración

Medidores de Coriolis

Sistemas de Medición directa de Flujo Másico

Medidores Másicos son los más precisos y de mejor repetibilidad

(típicamente 0.15% de flujo másico).

50:1 Rangeabilidad.

Excelente confiabilidad y larga estabilidad debido a “no hay

partes en movimiento”.

Medición directa de masa y densidad

Elimina incerteza volumetrica debido a variaciones en

temperatura, aire atrapado , viscosidad, densidad y cambios de presión.

¿Por qué Medición de Flujo Másico ?

55 gallons a 20°C 55 gallons a 50°

• Flujo Volumétrico está sujeto a errores

substanciales debido a variaciones en

temperatura, presión y viscosidad.

Phase

Frequency

Temperature

Coriolis Reaction

(mass flow)

Density (fluid)

Liquid (± 1° C)

Características del Sensor Primario

Dieño balanceado

Construcción Robusta

Multiples conecciones

Caja Herméticamente sellada

-140 to +400 Deg F

hasta 2,200 PSIG

0.03 to 15,000 Lb/Min

FM, CSA, CENELEC, and

CE approvals

Coriolis Operating Principle

Coriolis force is

proportional to the:

change in angle

change in time

Angle Y >> Angle X

Change in time:

120 Hz >> 80 Hz

Fluid in tube has a small rotation for a large tube vibration.

Fluid in tube has a large rotation for a small tube vibration.

Angle X Flow

Angle Y Flow

Coriolis Operating Principle

The mass flow rate is derived

from the inlet to outlet phase

shift.

The density is derived by

vibration frequency.

The temperature is measured

and used to correct for changes

in the stiffness of the vibrating

tubes.

Note: The density and mass flow

are only valid when the meter is

full and vibrating.

mass flow rate / K

K / fluid density

Coriolis Operating Principle More Signal from the Tubes

Small amplitude gives lower stress

and greater safety

Large rotation angles give large

Coriolis force.

Pure rotation at nodes - not

bending

Higher frequency gives greater

resistance to external vibration

z Flow

F Coriolis

F Coriolis

Fundamental Frequency

Harmonic Frequency

Flow

F Coriolis

z

F Coriolis

Comparación de tecnologías

Orifice Venturi Magnetic Coriolis Vortex Swirl VA Turbine

Clean Liquids

Dirty Liquids

Slurries

General Gases

Steam

Low Velocity

High Temp

Cryogenic Liquid

Density Swing

- Very Fle xible Offe ring - Applicable Under Ce rtain Conditions

- Some Limitations Apply - Strict Limitation Apply

Flowmeter Attributes

Orifice Venturi Magnetic Coriolis Vortex Swirl VA Turbine

Size Range

.04 to 144" 4 to 48" .04 to 144" .06 to 6" .5 to 12" .75 to 16" .06 to 3" .25 to 24"

None 4 to 48" .04 to 120" .125 to 3.0" .5 to 12" .75 to 16" .06 to 3" .25 to 12"

Accuracy 1.00% 1.00% 0.50% 0.25% 0.75% 0.50% 3.00% 0.25%

Turn Down

4 to 1 4 to 1 100 to 1 100 to 1 20 to 1 25 to 1 10 to 1 15 to 1

Pressure Loss

Medium Medium None High Low Low Medium Medium

Cost Low Low Medium High Low Low Low Medium

- Very Flexible Offering - Some Limitations Apply - Strict Limitation Apply


Computadores de flujo

• Flujo volumétrico compensado con

Presión y Temperatura.

• Medición o cálculo de Densidad

REGISTRADORES DE

CARTA GRÁFICA

• Compuestos por elementos mecánicos

• Tienen una unidad de presión

diferencial

• Utilizan un sensor de presión estática

• Opcionalmente, tienen sensor de temperatura

• El cálculo del flujo se realiza midiendo la Presión diferencial, compensándola

con la presión estática.

• Flujo = área circunscrita por la curva de la carta

Qv = K ( P)1/2

Q = CANTIDAD DE FLUJO

K = COEFICIENTE DE DESCARGA

P = CAÍDA DE PRESIÓN

VENTAJAS

• SON MUY ROBUSTOS

• SON MUY

CONFIABLES (OPERAN

DESDE HACE MÁS DE

4 DÉCADAS)

• NO NECESITAN DE

ENERGÍA ELÉCTRICA

DESVENTAJAS

• NO DAN

DIRECTAMENTE EL VALOR DE FLUJO

• POR SER MECÁNICOS, NECESITAN CONTINUO MANTENIMIENTO

• NO TIENEN POSIBILIDAD DE COMUNICACIÓN NI MEMORIA DE DATOS

COMPUTADORES

DE FLUJO

• Son equipos electrónicos con variadas

características y facilidades.

• Entregan el valor de flujo volumétrico

instantáneo y totalizado calculado y

compensado (por presión y temperatura).

• También pueden entregar los valores de

presión estática, presión diferencial,

temperatura, flujo masa, densidad, etc.

• Tienen capacidad de conectarse

directamente con densitómetros,

cromatógrafos de gases, etc.

SENSORES

• ACEPTAN UNA AMPLIA GAMA DE

SEÑALES PROVENIENTES DE

DIFERENTES SENSORES:

• FRECUENCIA: VORTEX, TURBINA O

DESPLAZAMIENTO POSITIVO

• LINEAL: SEÑALES DE 4 - 20 mA o 1

- 5 VOLTIOS

• SALIDAS ANALÓGICAS, DISCRETAS Y DE COMUNICACIÓN SERIAL

• INCORPORA VALORES DE TABLAS DE ESTÁNDARES INTERNACIONALES (AGA, API) PARA CORRECIÓN DE VALORES DE FLUJO.

• ALIMENTACIÓN CON ENERGÍA ELÉCTRICA DC o A TRAVÉS DE PANEL SOLAR (OPCIONAL)

• PARA APLICACIONES DE GAS, TIENE LA GRAN VENTAJA DE QUE (CONECTADO A UN CROMATÓGRAFO DE GASES) ACTUALIZA CONSTANTE-MENTE LA COMPOSICIÓN DEL GAS, COMPENSANDO EL FLUJO CALCULADO.

• SON EQUIPOS CON CERTIFICA-CIONES A PRUEBA DE EXPLOSIÓN Y SEGURIDAD INTRÍNSECA.

Fórmula API/ASTM

215

215 ρ0.01

t0.0042092

ρ0.01

0.87096t0.000215921.6208

4

ap

e10F

donde

FP1VVVolumen en condiciones actuales

VP Volumen a condiciones actuales

Va Volumen a presión atmosférica

F Factor de compresibilidad

15 Densidad a 15 °C y presión atmosférica [Kg/m3]

t Temperatura [°C]

P Presión [bar]

FP PT TT

XFC

- DIV2 XSeries Flow Computer

- Integral Multivariable

- Battery, Charger

- 2AI, 2DI/PI, 2DO

- 3 Comm Ports

- Integral Comm Device

- Extendable IO / Software

- Gen Purpose Monitor/Control

microFLO - DIV2 uFLO Flow Computer


- Battery

- Charger

- 2 Comm Ports


XRC + Analog Transmitters

Same as any XRC

XRC + Modbus MV

- DIV2 XSeries Remote Controller

- External DIV1 Modbus Multivariable

- Battery, Charger

- 5AI, 4DI/2PI, 4DO

- 3 Comm Ports




XFC

- DIV1 XSeries Flow Computer


- External Battery, Charger

- 1AI, 1DI/PI, 1DO

- 3 Comm Ports



• Typical Applications:

– Custody Transfer Quality measurement

– Stream gas measurement & control

– Gas & Liquid measurement applications

• separate or combined

– Oil / Gas production Separator automation

– Production Optimization Applications

Control Features

• On - off

• Proportional & integral

• Nomination based

• Emergency shut down

Production Optimization

• Blow-down control

• Plunger lift control

• Patented water lift systems

• Pig launching

Calculations

– AGA 3 (1992)

– AGA 7 (2006)

– AGA 8 (1994) Detailed and Gross Methods

– AGA 9

– ISO

– AGA 3 1992

– AGA 7

– Various Super Comp.

– API MPMS Chap.11 (Liq. Pressure correction)

– API 2540 (Liq. Temp correction)

Gas Applications

• Custody Transfer Measurement

– 35-60 days of Hourly Historical Records

– Auditable Event & User Change Logs

• Line Balance / Leak Detection

• Well Head Production Monitoring

• Simple Control functionality built in

– flow run switching

– ESD capability

– Remote Monitoring and control

Liquid Applications • LACT Metering

– LACT - Lease Automatic Custody Transfer

– API 2540 Calculations

– Volume corrected for temperature and density

– Corrects for water content (BS&W) based on live input

• Wellhead Production Metering

• Transfer Terminals

• NGLs

• Miscellaneous liquids and gases

Gas Measurement and Artificial Lift Pump Control

XFC 6413 measuring Gas and Controlling Water-lift Beam Pump

ESP Pump Data Logging and Control

XRC 6490 and IMC 2250 Controlling an Oil Well ESP

Gas Measurement with USFM

XRC 6490 and an Instromet USFM

Gas Quality Analysis

NGC 8206 / XMV Energy Meter on Orifice Meter Station

Large Meter Station Monitoring

XRC 6490 and Btu 8000 on Large Meter Station Skid

Detectores

• Los detectores tienen el propósito de detectar lo más rápidamente posible la presencia de un gas explosivo. Su precisión es de 2%

• En los analizadores de gases, interesa la precisión, aunque no son tan rápidos en presentar resultados.

• Olfato – Poco confiable

• Pajarito – Poco confiable

Cómo se detectan gases?

• Catalítico - Gases Explosivos

• Electroquímica - Gases Tóxicos y

Oxígeno

• Conductividad Térmica- Volumen de

Gas

• Infrarojo - Explosivos (C1 a C8 y H2) y

Dióxido de carbono

• Ionización - Vapores inflamables (VOC)

Consideraciones Finales

• Tener en cuenta cableado y otros

medios de comunicación

• EMC

• Salidas: relays, SSR, SCR, analógicas

(voltaje o corriente), etc.

• Comunicación: Protocolos

• Software

CONCLUSIONES

• Al realizar un trabajo de ingeniería

y/o instalación de instrumentos,

equipos o sistemas de medición y

control, es recomendable tener en

cuenta lo especificado en:

• Normas y estándares

• Procedimientos

• Recomendaciones del fabricante

• Recomendaciones de entidades y

Asociaciones que realizan estudios

sobre temas específicos.

• Recomendaciones de empresas que

realizan ensayos independientes.

Las buenas prácticas en Ingeniería

de Medición y Control, usando

estándares, normas y criterios

aceptados, harán que:

- Las instalaciones sean más seguras

- Se ahorre dinero y tiempo

- Puedan documentarse fácilmente

los trabajos realizados

estado del arte en sistemas de automatizaciu00f3n 2

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