ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL CHIMBORAZO

FACULTAD DE MECANICAESCUELA DE INGENIERIA DE MANTENIMIENTO TESIS DE GRADO

Previo a la obtencin del ttulo de:

INGENIERO DE MANTENIMIENTO

TEMA: IMPLEMENTACION DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA MEDICION DE FLUJO, Y CONTROL DE LAS VARIABLES DEL PROCESO MEDIANTE EL SISTEMA SCADA

Edison Ernesto Mancero Orozco Milton Eliecer Villacs Bonilla

RIOBAMBA-ECUADOR 2006

CERTIFICACION

Certificamos que presente trabajo ha sido revisado, por lo que se autoriza su presentacin:

Ing. Fernando Viteri Director de Tesis

Ing. Pablo Montalvo Miembro del Tribunal

Ing. Angel Orozco Miembro del Tribunal

AGRADECIMIENTO

A la Escuela Superior Politcnica del Chimborazo, a la Facultad de Mecnica y por su intermedio a la escuela de Ingeniera de Mantenimiento, al personal Docente y administrativo de la misma, y de manera especial a nuestro director y asesores de tesis.

Ernesto Mancero

Milton Villacs

DEDICATORIA

A todos mis seres queridos, en especial al Dios Todopoderoso por permitir que: el esfuerzo, gua y apoyo incondicional de Carmen Delia Orozco Prez (+) y Gustavo Mancero Arellano se vea reflejado en estos momentos al dar una paso mas en la vida.

Ernesto Mancero

A mi hija Sara, mis hijos Joel y Kevin, mi esposa, mi madre y mis hermanos que con su apoyo incondicional me ayudaron a lograr un sueo ms en mi vida.

Milton Villacs

RESUMEN

Se ha implementado un banco de prueba didctico para medicin de caudal, con la finalidad de reforzar conocimientos adquiridos en las aulas de la facultad en las ctedras relacionadas al control e instrumentacin y comportamiento de los fluidos al ser cuantificados en el proceso.

Para el efecto se utilizaron recipientes de metal (tanques), tuberas y accesorios de conduccin, dos tipos de medidores; uno de desplazamiento positivo que mide el caudal directamente y otro medidor tipo turbina que infiere o deduce el caudal volumtrico.

El fluido es forzado a desplazarse mediante la accin de una bomba centrfuga, cuya capacidad es de cien galones por minuto, el cual ser controlado mediante una vlvula reguladora de flujo.

Se monitorea el comportamiento de las variables del proceso en un computador mediante la interfase que consta de una tarjeta de adquisicin de datos cuyo soporte es el lenguaje de programacin grfica LabView.

De las pruebas realizadas los resultados obtenidos satisfacen los requerimientos esperados tanto en lo terico como prctico. Se recomienda utilizar el equipo para otros fines como pruebas y obtencin de curvas de rendimiento de bombas, y referente para calibracin de otros tipos de medidores de caudal.

SUMMARY

A didactic proving stand for measurement of volume has been implemented, with the purpose of reinforcing knowledge acquired in the classrooms of the faculty in the chairs related to the control and instrumentation and behavior of the quantified fluids to the being in the process.

For the effect metal containers were used (tanks), pipes and accessories of conduction, two types of measurers; one of positive displacement that measures the volume directly and another measuring type turbine that infers or deduces the volumetric volume.

The fluid is forced to move by means of the action of a centrifugal pump, whose capacity is of one hundred gallons per minute, which will be controlled by means of a regulating valve of flow.

It visualizes the behavior of the variables of the process in a computer by means of the interface that consists of a card of data acquisition whose support is the graphical programming language LabView.

With the made tests the obtained results as much satisfy the awaited requirements in the theoretician as practitioner. It is recommended to use the equipment for other aims like tests and obtaining of efficiency curves of pumps, and referring for calibration of other types of volume measurers.

PROLOGO

El presente trabajo se realiz pensando en la necesidad de los estudiantes de la facultad en acercarse un poco ms al mbito industrial de los procesos de control e instrumentacin, de esta manera aportando a la misma con un equipo que refuerce los conocimientos adquiridos en las aulas y consta de ocho captulos estructurados de la siguiente manera:

Captulo uno: se define el tema, los objetivos, antecedentes y justificativo, tambin se detallan los costos generados en el desarrollo de la parte fsica del equipo. Captulo dos: hablamos de la Tecnologa de medicin y sus mtodos, detallamos las tcnicas de cmo medir el flujo, sus aplicaciones, tipos de medidores y sus principios fsicos, sus caractersticas principales. Nos centramos con ms nfasis los medidores utilizados en el presente trabajo, como son el medidor de desplazamiento positivo y el de inferencia tipo turbina. Captulo tres: explica sobre la teora de control que detalla los instrumentos utilizados, tales como indicadores, transmisores y convertidores, compatibles con los medidores de flujo. Tambin consta una breve introduccin al Lab View que es el programa utilizado para monitoreo y control de las variables del proceso en el computador. Captulo cuatro: indicamos el procedimiento de seleccin, montaje, materiales y equipos con sus accesorios; funciones y distribucin dentro del proceso. Captulo cinco: seleccin, montaje y la calibracin de los instrumentos utilizados con sus procedimientos y normas aplicadas en la industria. El captulo seis resume el procedimiento de arranque y pruebas iniciales. El captulo siete muestra las conclusiones y recomendaciones.

CONTENIDO

CAPITULO I

1. IDENTIFICACIN DEL TEMA 1.1 Denominacin 1.2 Clasificacin 1.3 Antecedentes 1.4 Justificacin 1.5 Objetivos 1.6 Ejecucin 1.7 Costo y Financiamiento

Pag. 4 4 4 5 6 7 8

CAPITULO II

2. ESTUDIO DEL MARCO TEORICO 2.1 Introduccin a la tecnologa del Caudal y sus Mtodos 2.2 Medidores de desplazamiento positivo 2.3 Medidores de turbina 9 20 42

CAPITULO III 3. TEORIA DE CONTROL 3.1 Instrumentacin en Sistemas de Control 3.2 Instrumentos 3.3 Transmisores 73 80 85

3.4 Elementos Finales de Control 3.5 Sistema de Adquisicin de Datos y Visualizacin de variables

88 94

CAPITULO IV

4. DISEO E INSTALACIN DEL BANCO DE PRUEBAS 4.1. Descripcin del Proceso. 4.2. Seleccin y Montaje 4.3. Instalacin de lneas 4.4. Sistema de Alimentacin de Flujo 100 105 113 114

CAPITULO V

5. MONTAJE DEL CONTROL 5.1 Normas para Instrumentos 5.2 Normas para Sistemas de Control 5.3 Variables del proceso 5.4 Parmetros de Instalacin 5.5 Seleccin y Montaje 5.6 Calibracin de Instrumentos 5.7 Conexin a la tarjeta de Adquisicin de Datos 115 118 119 120 121 127 132

CAPITULO VI

6. PRUEBAS EXPERIMENTALES 6.1. Verificacin de Conexionado 6.2 Verificacin del Sistema de bombeo 6.3 Comparacin de parmetros 6.4 Pruebas al 25,50 75 y 100 % del rango max. de las variables 6.5 Pruebas de Lectura de Datos al Computador 6.6 Pruebas del sistema Completo. 138 139 139 139 140 140

CAPITULO VII

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 7.1 Conclusiones 7.2 Recomendaciones 143 144

BIBLIOGRAFIA ANEXOS

CAPITULO I

1. IDENTIFICACIN DEL TEMA 1.1 DENOMINACIN

TEMA: IMPLEMENTACION DE UN BANCO DE PRUEBA PARA LA MEDICION DE FLUJO, Y CONTROL DE LAS VARIABLES DEL PROCESO MEDIANTE EL SISTEMA SCADA

TESIS

(

X )

PROYECTO

(

)

1.2 CLASIFICACIN

AREA SUBAREA SECTOR

: : :

Fluidos Laboratorio de fluidos Educativo

1.3 ANTECEDENTES

Los presupuestos para la Educacin Superior en los ltimos tiempos se han venido mermando y hasta limitando, con lo que la implementacin adecuada de laboratorios de las diferentes ctedras no van acorde a los avances tecnolgicos que hoy por hoy la industria y las polticas de calidad exigen. Estas polticas requieren que el nivel

acadmico de los futuros profesionales cubran estas expectativas y necesidades, por tanto las Universidades y Escuelas Politcnicas tienen el compromiso de incrementar esta Oferta Acadmica.

Es aqu donde juega un papel importante

la participacin y aporte nuestro a la

educacin como conocedores y colaboradores de las actividades que da a da se desarrollan en la industria en general. La experiencia adquirida es la brjula que nos gua y orienta hacia los objetivos trazados.

1.4 JUSTIFICACION

Para cubrir las expectativas tecnolgicas nos permitimos presentar un proyecto que en algo cubrir el dficit de equipos de laboratorio, siendo ste, la IMPLEMENTACION de un Banco de Pruebas para la medir o cuantificar flujo de lquidos.

Considerando: que los sistemas de medicin son la fase final de todo un proceso y que ellos evalan o cuantifican el desarrollo de la produccin o el consumo por ejemplo de combustibles es decir se convierten en una gua de los ndices de produccin y

consumo, se justifica entonces tomar como tema de estudio y anlisis a fin de que la implementacin de ste BANCO DE PRUEBAS DIDCTICO, permita a los estudiantes entender y tener una visin mucho ms clara de los principios de ciertos fenmenos fsicos y de el funcionamiento y comportamiento de los instrumentos de medida.

Dentro de las ventajas que se pueden aprovechar con la implementacin de este banco de pruebas es la forma y adecuacin de un sistema de control para la adquisicin de datos de instrumentos de medida de variables que intervienen estn relacionadas con la medicin de flujo como son la presin y temperatura.

La implementacin del Banco de Prueba involucra y cubre tres reas tales como: Automatizacin y Control, Instrumentacin y la Mecnica de Fluidos.

Econmicamente, se aprovechar de la disponibilidad de ciertos equipos que aportara la Escuela de Ingeniera de mantenimiento y la asesora de catedrticos dispuestos a colaborar con la ejecucin del proyecto, sumado a esto el aporte personal en cuanto a los equipos necesarios para completar la implementacin de ste banco de prueba, que en trminos generales no se requiere mayor inversin.

1.5 OBJETIVOS

1.5.1 OBJETIVO GENERAL

Implementar un Banco de pruebas para medicin de flujo, con adquisicin y monitoreo de las variables de proceso

1.5.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

Desarrollar el Marco Terico correspondiente

Desarrollar y adecuar el Banco de pruebas para medicin de flujo, aplicando y NORMAS API Implementar un sistema de control asistido por computador Realizar pruebas correspondientes al funcionamiento y comparacin del sistema de medicin. Elaborar una gua de prcticas de laboratorio. Evaluar resultados obtenidos en funcin a la precisin que presente el sistema y sus medidas.

1.6 EJECUCIN

FACULTAD ESCUELA AREA ACADEMICA

: : :

Mecnica Ingeniera de Mantenimiento Instrumentacin y Control, Fluidos

AUTOR

Edison Ernesto Mancero Orozco Milton Elicer Villacs Bonilla

DIRECTOR ASESOR 1 ASESOR 2

: : :

Ing. Fernando Viteri Ing. Pablo Montalvo Ing. Angel Orozco

TIEMPO ESTIMADO DE EJECUCIN FECHA ESTIMADA DE INICIACIN

6 meses Segn fecha de aprobacin

LUGAR DE EJECUCIN

Facultad de Mecnica Ingeniera de Mantenimiento e Ingeniera Industrial

1.7 COSTO Y FINANCIAMIENTO

Costo Total Estimado Aporte Institucional Aporte Extrainstitucional Aporte Personal

$ 3.000 Direccin y Asesora

$ 3000

CAPITULO IITECNOLOGA DE MEDICIN DE CAUDAL Y SUS MTODOS

2.1

INTRODUCCIN

La implementacin de un banco de prueba para la medicin de caudal, en el que se emplearn instrumentos diseados para manipular petrleo crudo y sus derivados, tales como gasolina, aceite, diesel; aplicados adems en los diferentes procesos de la

industria petrolera. En l se emplearn dos mtodos de medicin, siendo estos: Esttica (Tanques) y Medicin Dinmica (Medidores de Desplazamiento Positivo y Turbinas), nuestro enfoque se centra en el estudio del segundo tipo de medicin (Dinmica) con un producto derivado del petrleo como el Diesel

2.1.1 CONSIDERACIONES BSICAS PARA TODOS LOS MEDIDORES DE FLUJO En cualquier medidor hay tres reas concernientes al problema de medicin y al medidor en s: FLUIDO: significa las caractersticas de la materia a ser medida (un ejemplo es un fluido de dos fases, lquido y gas podrn ser medidos siempre y cuando stas fases sean separadas). FLUJO: significa que el movimiento del fluido en la tubera esta preparado para medirlo (un ejemplo de esto es el flujo luego de una restriccin: vlvulas, reguladores etc.), no est preparado o en condiciones favorables para ser medido. MEDICION: significa alguna clase de medidor puesto en una lnea donde que se pueda obtener una lectura de flujo la cual pueda ser directa o indirecta.

2.1.2

El fluido

El fluido en s puede distinguirse varias categoras, la primera de la cual es comprensible e incomprensible. En trminos generales los fluidos comprensibles

pueden ser los gases, y los incomprensibles los lquidos. Los lquidos y los gases se diferencian por su coeficiente de comprensibilidad. En algunos casos especiales ciertos fluidos son manipulados en condiciones en las cuales son llamados gases pero actan como lquidos y gases pero no son mezclas de los dos estados, por ejemplo el dixido de carbono y el etileno.

2.1.3 Fase simple El fluido debe estar en fase simple esto quiere decir que el fluido debe ser un lquido o un gas en el punto donde se va a medir ya sea en la placa de un orificio o en el rea de un rotor de una turbina. La razn para indicar esto es que muy a menudo el fluido en estos puntos est a la presin ms baja que pueda verse en ese punto del proceso. Tratndose de un lquido cuya presin de flujo es muy cercana a su presin de vapor, puede producirse vaporizacin parcial del lquido en el elemento de medida. Si esto sucede (auque hay una fase simple corriente arriba), hay un flujo de dos fases en el medidor y por consiguiente estamos ante un problema. Bajo especiales consideraciones, las mediciones de lquidos con vapores podran ser llevadas a cabo si la cantidad de vapores es menor del 5% en volumen en el lquido. Deber ser medido como un lquido con tolerancias adicionales y con los factores de correccin apropiados.

Por otro lado un gas, no debe contener ms del 2% en peso de slidos o lquidos (por ejemplo, agua en vapor).

2.1.4 Fluidos no estndares Un fluido que no guarde las caractersticas de tal, no tiene sentido la clase de medidor que se escoja, no ser exacto. Esta exactitud no proviene del medidor sino que ser debido a que el fluido no esta en condiciones de ser medido. A ms que un fluido de estar en fase simple, debe ser homogneo.

Deber presentar una estructura consistente a travs de la tubera, esto tambin se aplica a la temperatura que deber ser constante a travs de la tubera. No debe estar en capas, (Rgimen de flujo Laminar) lo que puede suceder a regmenes de flujo muy bajos. Entonces se requiere que el fluido sea homogneo tanto en composicin como en la temperatura. Si esto no se cumple, se incurrir en error en la operacin misma de medicin o en los factores de correccin aplicados.

2.1.5 Fluidos pulsantes El transporte de fluidos por tuberas se hace por medio de compresores para mover gases y bombas para lquidos, stos son fuentes de fluctuaciones en el flujo y tambin en la presin. Los reguladores son otro ejemplo de aparatos que pueden causar pulsaciones, esto origina errores en la medida y afecta adversamente en algn grado el medidor. Por lo tanto, el fluido no debe ser pulsante cuando esta siendo medido. Para evitar esto se pueden utilizar accesorios que amortigen las pulsaciones. De esto se puede dar cuenta que no es posible adelantar un criterio sobre la exactitud con la que se puede medir un fluido sin antes conocer la aplicacin para un sistema particular. Pulsaciones pueden producir errores de hasta un 30% en la medida sin ser causa del medidor, sino de su aplicacin.

Los medidores de desplazamiento positivo, medidores de turbina y todos los medidores reaccionan en algn grado a la pulsacin de flujo, unos ms que otros. De tal manera, que para una medicin correcta, no debera INTENTARSE MEDIR UN FLUJO PULSANTE.

2.1.6 Limitaciones fsicas Hay otras limitaciones como la presin, temperatura, el espacio fsico y los materiales de los cuales pueden ser fabricados los medidores para los fluidos que van a ser medidos. Estos son parmetros para escoger un medidor, algunos medidores no pueden ser fabricados en ciertos materiales requeridos para resistir la corrosin o la erosin . Hay presiones y temperaturas de trabajo que estn fuera de los lmites de la capacidad de algunos de los medidores como por ejemplo: Un medidor de turbina no puede ser utilizado en altas temperaturas.

Los medidores de orificios tienen lmites de temperatura para cada sello de placas. Las limitaciones de presin son generalmente problemas de tensiones mecnicas.

2.1.7 Lquidos crticos Cualquier lquido cerca de su punto crtico presenta el mismo tipo de problema y origina las mismas dificultades para medirlo. Aqu sucede lo inverso en el cual ocurren grandes cambios en la densidad, al tiempo que el gas se forma con un incremento muy pequeo en temperatura.

Es posible tener esta emisin de vapor en un medidor, aunque tcnicamente la temperatura este por debajo del vapor, debido a que hay una gran turbulencia en el

medidor que hace que inicie la vaporizacin. En vista de que existe baja presin localizada en un punto del medidor en el cual no es posible medirla, la presin

observada es mayor que la presin actual. 2.1.8 MEDIDORES DINMICOS Medicin: Accin y efecto de medir. Medir: Determinar una cantidad comparndola con otra de referencia o patrn.

La medicin se clasifica en: Medicin Dinmica y Medicin Esttica.

Fig. 2.1 Mtodos de Medicin

MEDICIN ESTTICA: Se aplica para aquellos fluidos que estn en reposo MEDICIN DINMICA: Se aplica para los fluidos que estn en movimiento RAZONES PARA LA MEDICIN DINMICA y Determinacin de la cantidad medida y Volumtrica y Msica y Control de calidad y Control de inventarios y Balance de materias y Primas y Terminadas y Transferencia de Productos en Custodia

La medicin dinmica determina la cantidad de flujo que circula a travs de un elemento primario de medicin. Existen varios mtodos para medir el caudal segn sea el tipo de caudal: Medidores volumtricos y medidores de caudal de masa.

Los medidores volumtricos determinan el caudal en volumen del fluido, bien s ea directamente (desplazamiento), bien indirectamente por deduccin (presin diferencial, rea variable, velocidad, fuerza, tensin inducida, torbellino). La medida de caudal volumtrico con elementos que dan lugar a una presin diferencial al paso del fluido. Entre estos elementos se encuentran la placa de orificio, tobera, tubo venturi, tubo Pitot y tubo annubar.

Los medidores de caudal masa pueden efectuarse a partir de una medicin volumtrica compensndola por las variaciones de densidad del fluido, o bien determinar directamente el caudal masa aprovechando caractersticas medibles de la masa del fluido.

FLUJO O CAUDAL: El flujo se define como el volumen por unidad de tiempo, o como el rea por velocidad. Flujo = Volumen / Tiempo = rea * Velocidad Unidades de Flujo: m3 / Hora (M3H) Litros / minuto (LPM) Barriles / hora (BPH) Galones / minuto (GPM)

2.1.9 TERMINOLOGA RELATIVA A LA EXACTITUD DE MEDICIN

Los trminos exactitud de medicin de volumen y exactitud de medidor no son iguales. La exactitud volumtrica es la exactitud absoluta del volumen que se ha medido; en cambio, la exactitud del medidor es simplemente la exactitud de un medidor relativo a su probador, generalmente por un conjunto constante de condiciones de operacin.

y

Incertidumbre. Es la duda sobre el verdadero valor de la medida, debido a los errores asociados a una medicin. Se determina por mtodos estadsticos y es una medida de la dispersin de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida.

y

Exactitud. Es la habilidad del instrumento para determinar el valor verdadero de la variable que se est midiendo. Normalmente es una funcin del proceso de calibracin del instrumento de medicin.

A.

Factores que afectan la Exactitud Con respecto a la Medicin Condiciones de Proceso Instrumentacin Asociada Forma de Liquidar

Con respecto al medidor Caractersticas Mecnicas Tipo de Tecnologa Proceso de calibracin

y

Repetibilidad. Es la habilidad para determinar o producir un mismo valor en varias lecturas sucesivas y con los parmetros operacionales constantes y aproximndose en la misma direccin.

y

Calibracin. Calibrar significa ajustar mecnica, electrnica o matemticamente un instrumento o equipo para ajustar su medida con otra llamada patrn de referencia con el fin de que sus magnitudes sean iguales.

B.

Factores Que Afectan Una Medicin

y

De orden fsico: porque la cantidad medida puede variar de acuerdo con sus propiedades fsicas, como son la temperatura y la presin. La temperatura causa que la sustancia a medir se expanda, mientras que la presin causa que se contraiga.

y

De orden mecnico: Dependiendo del estado mecnico del instrumento de medida. Ej. Medidores de Flujo, probadores, termmetros, manmetros, etc.

y

Del uso del equipo de medicin: Ej. Rango del instrumento muy amplio con respecto a la medida. Medicin en la parte muy alta o baja de la escala. Posicin del instrumento en el momento de realizar la medida.

y

Del estado, manejo y anlisis de la sustancia a medir

C.

Consideraciones para la Seleccin de un Medidor De Flujo

El Tipo De Fluidoy y y y y y

Condiciones De Instalacin Tubera Vibracin Ruido Flujo Estable Flujo Pulsante

Limpio Sucio Viscoso Corrosivo Unifase Multifase

Condiciones Del Procesoy y y

Desempeo Deseado Exactitud Repetibilidad Rango de Flujo Prdidas de Presin Facilidades de mantenimiento

Temperatura Presin Nmero de Reynolds

D.

Costo Real De Un Medidor De Flujo Costo De Mantenimiento Frecuencia Facilidad Repuestos Complejidad Soporte

Costo De Compray y y y

Elemento Primario Accesorios Transmisores Consolas

Costo De Instalaciny

Costo De Operacin Costo de Energa Inexactitudes Estabilidad Grado de Automatizacin Facilidad de Uso

Mano de Obra Propia Contratistas

y y y y y

Obras Civiles Materiales Tubera Energa Transporte

2.1.10 TIPO DE MEDIDORES DE FLUJO

A.

Desplazamiento Positivo P.D. el caudal en segmentos de volumen

Miden el flujo directamente seleccionando

conocidos. Es equivalente a medir Por Baldes.

y

Medidores De Desplazamiento Positivo Tipo labes Deslizantes

y y y y

Medidores De Desplazamiento Positivo Tipo Bimotor Medidores De Desplazamiento Positivo Tipo Paletas Rotativas Medidores De Desplazamiento Positivo Tipo Pistn Oscilante Medidores De Desplazamiento Positivo Tipo Oval

Fig. 2.2 tipos de Medidores D.P

B.

Medidores tipo inferencia

Miden el flujo de manera indirecta midiendo alguna propiedad fsica y luego correlacionndola matemticamente.

Presin Diferencial Platina de Orificioy y y y

rea Variable (Rotmetro) Turbina Magntico Vortex Msico o Coriolis Ultrasnico

Tobera Vnturi Pitot Anubar

2.2

MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO P.D.

2.2.1 Introduccin El propsito de esta informacin es analizar la aplicacin de medidores de desplazamiento positivo en la medicin de productos derivados del petrleo. La

aplicacin principal de los medidores de desplazamiento positivo ( P.D.), est en la INDUSTRIA PETROLERA pero puede utilizarse en la industria Qumica y Comercial, para este objetivo se discutir el diseo bsico de operacin, y al mismo tiempo los factores que puedan alterar su funcionamiento.

2.2.1.1 Historia. Los medidores de desplazamiento positivo (MDP) pueden tener ms de un siglo de existencia. En sus comienzos se usaron principalmente en manejo de agua. Muchas de las caractersticas bsicas fueron desarrolladas para bombas y compresores de desplazamiento positivo, aplicndose posteriormente en medidores. Desde los aos treinta (30), se han usado en forma intensiva para la medicin precisa de lquidos de

petrleo (LPG, gasolina, crudos, asfaltos, etc.,) en terminales de carga de combustibles derivados, y oleoductos.

En la dcada de los cincuenta (50), con la construccin de grandes oleoductos

y

terminales para grandes tanqueros, se desarrollaron medidores hasta de 16 de dimetro. En general, es una aseveracin aceptada por todos que los MDP han llegado a ser los estndares de medicin en la industria del petrleo.

Existen medidores comerciales de desplazamiento positivo, tales como el Birrotor de marca Brooks y el de aspas deslizantes de Smith Meter, que cumplen funciones similares, pero debido a que ste ltimo es el ms utilizado en la industria petrolera, para custodia del petrleo lquido, ser el que describamos a continuacin.

2.2.2 Medidor De Aspas Deslizantes

Fig. 2.3 Medidores de Desplazamiento Positivo de Aspas Deslizantes

El principio de funcionamiento es el mismo cualquiera que sea el tipo de construccin. El Medidor Smith es el Tipo Rotativo de Desplazamiento Positivo. El alojamiento, el cual ha sido terminado y maquinado con precisin, contiene un rotor que gira sobre rodamientos y mueve consigo unos alabes igualmente espaciados.

A medida que el lquido fluye a travs del medidor, rotor y alabes giran alrededor de una leva fija, haciendo que los alabes se muevan hacia fuera. Los movimientos sucesivos de los alabes forman una cmara medidora de un volumen preciso entre los alabes, el rotor, el alojamiento y las cubiertas superior e inferior. Una serie continua de estas cmaras cerradas se forma por cada revolucin del rotor. Ni los alabes, ni el rotor hace contacto con las paredes estacionarias de la cmara medidora.

Uno de los distintivos ms sobresalientes del principio del medidor Smith consiste en que el flujo del lquido no es alterado en ninguna forma mientras es medido; en consecuencia, alta precisin y eficiencia son caractersticas de estos medidores.

Los medidores D. P. son de tipo directo porque miden directamente el flujo volumtrico separando (aislando) continuamente la corriente de flujo en segmentos volumtricos discretos para contarlos.

2.2.3 Principio De Funcionamiento Del Medidor D.P. Con Aspas Deslizantes

Fig. 2.4 Secuencia de funcionamiento de un medidor DP

En la Figura 2.4 (1) El lquido sin medir (rea sombreada) se muestra cuando entra al medidor. El rotor y los alabes giran en el sentido de las agujas del reloj.

En la Figura 2.4 (2), el rotor y los alabes han girado un octavo de revolucin. El alabe A se mueve hacia adentro, el alabe C ha retrocedido completamente y el alabe B empieza a salir.

En la Figura 2.4 (3) los alabes B y A han salido en forma completa formando la cmara medidora, los alabes C y D estn adentro.

En la Figura 2.4 (4), un volumen exacto de revolucin ms tarde, la cantidad del lquido medido fluye hacia fuera. Una segunda cmara medidora ha comenzado a formarse entre los alabes C y B. El alabe A se mueve hacia adentro.

2.2.4 Componentes de un Medidor de D.P. de Aspas Deslizantes

Fig. 2.5 Corte de un medidor DP

Los conjuntos que conforman un medidor de desplazamiento positivo D.P. son:

La carcasa exterior Unidad interna de medicin Sistema Impulsor de los accesorios.

2.2.4.1

Funciones de la Carcasa Exterior

La carcasa exterior es bsicamente un recipiente de presin con conexiones de entrada y salida. Usualmente los medidores D.P. Se fabrican con conexiones de entrada y salida de a 16 de dimetro, para presiones hasta 1440 psi (600 lb ANSI) y tasas de flujo de hasta 12500 BPH. Los materiales de la carcasa exterior tpicamente son de acero al carbono, hierro fundido, hierro dctil, aluminio, bronce, o acero inoxidable.

Las funciones del alojamiento externo (carcasa) son:

y y

Retencin del lquido presurizado Alojamiento de medicin y accesorios

Los medidores pueden ser de carcasa simple o doble.

CARCASA SIMPLE

CARCASA DOBLE

2.6 Medidores DP de Carcasa simple y doble carcasa

Los medidores de carcasa simple, la carcasa exterior sirve tanto como recipiente de presin como alojamiento para el elemento de medicin (rotor)

Los medidores de carcasa doble, la carcasa exterior es nicamente un recipiente de presin. Los medidores pequeos que se fabrican en materiales que no sean acero al carbono normalmente son de carcasa simple. Los medidores mayores a 6 de dimetro casi siempre son de doble carcasa de acero al carbn

A.

Las ventajas de la doble carcasa son

y y

No se transmite la tensin de la tubera al elemento de medicin El elemento de medicin puede ser sacado fcilmente para mantenimiento o para limpiar la lnea durante la puesta en marcha

y

La presin diferencial a travs de las paredes de la cmara de medicin es mnima, eliminando as la posibilidad de que se presenten cambios en las dimensiones de la cmara de medicin debido a las variaciones de presin del sistema.

2.2.4.2

Funciones de la Unidad Interna de Medicin

Fig. 2.7 Partes internas de un medidor DP

Los medidores D.P. miden el flujo volumtrico, separando continuamente el flujo en segmentos volumtricos discretos, para contarlos. El elemento de medicin tambin funciona como un motor hidrulico absorbiendo energa de la corriente de flujo para producir la torsin necesaria para vencer la friccin interna e impulsar el contador y otros accesorios adicionales.

2.2.4.3

Sistema Impulsor de los Accesorios

El sistema impulsor de los accesorios, consiste en tres elementos bsicos:

y y y

Tren de engranajes Sello del eje giratorio (packing gland), (Empaquetadura) Calibrador (Regulador)

2.2.4.3.1

Tren De Engranajes

La relacin de engranajes del tren se selecciona para convertir un volumen fijo por revolucin del elemento de medicin a un volumen convencional nominal (barriles, galones, m3) por revolucin del eje de entrada al medidor. Por ejemplo, un elemento de medicin de un medidor D.P. de Smith de 4 es de 2.0 galones / revolucin nominales. Una velocidad tpica del eje de entrada que se utiliza es de 5 gal / rev. Por eso, se utiliza una relacin nominal de reduccin de engranajes de 5:2 para el tren de engranajes del medidor.

Fig. 2.8 Tren de engranajes de un medidor DP

2.2.4.3.2

Sello del Eje Giratorio

Se requiere un sello en el eje giratorio donde el sistema impulsor del contador penetra al recipiente de presin del medidor. Normalmente se disea como mdulo o empaquetadura para permitir el acceso fcil, porque es un elemento que se desgasta y debe recibir mantenimiento cuando ocurran fugas.

Los medidores para alta presin (275 psi en adelante), utilizan una empaquetadura con lubricacin externa para aislar el sello de eje dinmico del producto, y con esto prolongar la vida de la misma. El lubricante externo (glicerina o grasa de silicn) tiene que ser compatible qumicamente e insoluble en el producto que se est midiendo.

Algunos medidores P.D. tiene un acople

de impulso magntico en ves de la

empaquetadura para eliminar la necesidad del mantenimiento frecuente del sello del eje dinmico.

2.2.4.3.3

Calibrador (Regulador)

Fig. 2.9 Calibrador

El calibrador del medidor es un dispositivo para regular por pequeos incrementos el tren impulsor del contador para que registre el volumen verdadero que pasa a travs del medidor.

Sin calibrador, solamente se puede armar el medidor para registrar el flujo verdadero con una precisin aproximada del 0.5% - 1.0%. Esto se debe a las variaciones en la fabricacin del elemento de medicin y los incrementos en la relacin de los engranajes relativamente gruesos que estn disponibles en un tren de engranajes de un medidor normal. Por eso, hace falta un calibrador cuando el contador mecnico del medidor tiene que registrar el flujo volumtrico real.

Si se va a aplicar un factor de medidor (relacin de volumen real / volumen registrado), una costumbre comn para los medidores de oleoducto, es utilizar un tren de engranajes nominal del 100 % sin el calibrador, o se usa un calibrador falso (Dummy Calibrator).

Las caractersticas de un buen calibrador de medidor son:

y y y y y y

Capacidad para impulsar una carga de alta torsin Vida de servicio larga Rango de ajuste fino Rango de ajuste adecuado Bajo costo de reparacin o reposicin La variacin cclica de velocidad del eje de salida debe ser mnima

En general todos los calibradores y medidores presentan salida cclica debido a excentricidades de fabricacin, sin embargo el calibrador tipo embrague incorpora un mecanismo de doble giro el cual ajusta la velocidad de entrada, cada media revolucin del eje; esto reduce en forma significativa la salida cclica, cuya amplitud es proporcional al porcentaje de correccin que est siendo aplicada al calibrador.

2.2.5 Dispositivos De Proteccin y Accesorios Para Medidores D.P. Los dispositivos de proteccin y accesorios D.P. utilizados en estos medidores son:

y y y y y y

Filtros Eliminadores de aire Vlvulas de control Transmisores de pulsos Compensador de temperatura Contadores mecnicos, impresoras de tiquetes

2.2.5.1

Filtros

Para proteger el medidor y dems equipos instalados se debe proveer filtros de tipo recto y provistos con una malla (escoger la malla Mesh adecuado) para prevenir la penetracin de la suciedad y materias extraas.

Fig. 2. 10 Filtros (Strainers) para sistemas de medicin

Por ejemplo, si escogemos una malla para la canasta del filtro a instalar de 20 Mesh significa que debe instalar una malla que tiene 20 orificios por pulgada cuadrada. Debe ser instalada en la tubera antes de la entrada del medidor. Se obtiene mxima proteccin del medidor y dems equipos.

2.2.5.2

Eliminadores De Aire:

La presencia de aire o vapor en la corriente de un lquido que est siendo medido por un medidor de desplazamiento positivo, causar medidas inexactas y dentro de ciertas condiciones, daos al medidor. Si existe la posibilidad de penetracin de aire en la corriente, se debe instalar un eliminador de aire de tamao adecuado en la tubera, antes de la entrada del medidor. En algunos casos puede ser necesaria la instalacin de una vlvula de contra presin entre el medidor y el eliminador de aire que se cierre automticamente para permitir que aire o gas se evacue de manera efectiva.

Fig. 2.11 Sistema Eliminadores de Aire

El eliminador de aire horizontal y/o vertical separa y libera aire y vapor contenido en el petrleo y otros lquidos antes de que estos sean medidos. Son esenciales para asegurar la precisin de los medidores.

Fig. 2.12 Aplicacin de Eliminadores de Aire

2.2.5.3

Vlvulas De Control

En un sistema cualquiera en el cual exista la posibilidad de que el flujo exceda la capacidad mxima establecida del medidor, instale una vlvula o dispositivo limitador del flujo en la tubera, a la salida del medidor. Las vlvulas, pueden obtenerse para muchas funciones de control; seleccionando el piloto adecuado pueden utilizarse para las siguientes funciones de control:

Abierto-cerrado (on-off), ratas de flujo, reduccin de presin, reguladores de presin, abierto-cerrado por velocidad, nivel de lquido, alivio de temperatura, exceso de flujos y cavitacin.

Fig. 2.13 Vlvula Reguladora / controladora

2.2.5.4

Transmisores De Pulsos

Fig. 2.14 Transmisor de Pulsos

Funcionan como interruptor accionado para actuar un indicador o un registrador remoto. Un dispositivo que genera pulsos proporcionales a la rata de flujo y la seal de salida puede ser una onda sinusoidal o un tren de pulsos. Los transmisores de pulsos estn diseados a prueba de explosin. La seal de salida puede ser una onda sinusoidal donde la frecuencia es proporcional a la rata de flujo.

El transmisor de pulsos tipo contacto consiste en una sonda magntica, un engranaje excitador y un conjunto de engranajes que son operados por el eje del medidor. El nmero de dientes del engranaje excitador y la relacin de engranaje del transmi or s provee un nmero definidos de pulsos por volumen del lquido medido.

2.2.5.5

Compensador Automtico De Temperatura ATC.

Fig. 2.15 Compensador Automtico De Temperatura ATC.

y

Corrige automticamente el registrador para compensar cambios de volumen segn la gravedad seleccionada debido a variaciones de temperatura

y y

Debe instalarse entre el medidor y el registrador. Est acoplado mecnicamente al eje de salida del medidor

Solo se recomienda su instalacin en medidores donde no hay energa elctrica disponible, hoy en da lo normal es hacer las compensaciones con instrumentacin electrnica y computadores de flujo.

Fig. 2.16 Partes de un ATC

2.2.5.6

Compensador De Temperatura De Gravedad ATG.

Fig. 2.17 Partes de un ATG

La escala de gravedad est graduada en grados API y existen diferentes modelos y marcas segn los rasgos de gravedad API.

2.2.5.7

Contadores, Registradores e Impresoras.

En el mercado pueden encontrarse contadores totalizadores directos, contadores de reposicin (reajustables), contadores de parada automtica o contadores con nmeros grandes con o sin impresoras.

Fig. 2.18 Contadores e Impresoras

2.2.6 Aplicacin de los Medidores P. D como fiscalizacin y transferencia de Custodio de Petrleo.

Fig. 2.19 Aplicacin en Estaciones Operadoras (City Oriente)

2.2.7 Factores que afectan el rendimiento y precisin del Medidor P.D. Los factores que afectan al rendimiento de los medidores de desplazamiento positivo (P.D.) se pueden describir en trminos de su efecto:

y y

Por el volumen del lquido que se desplaza por revolucin del rotor. Por las fugas en los espacios libres del medidor.

A.

Por el volumen que se desplaza por revolucin del Rotor

El volumen de lquido desplazado por cada revolucin del rotor puede ser afectado por:

y y y y y

Temperatura Presin Viscosidad Desgaste del medidor Depsitos en la cmara de medicin.

Al aumentar la temperatura se expande el volumen de la cmara de medicin segn el coeficiente de expansin trmica de sus elementos metlicos al cubo (Xc3 ). Al utilizar metales diferentes (por ejemplo, alabes de aluminio en un elemento de medicin de hierro fundido), las tolerancias entre las partes que son de metales diferentes (por ejemplo, la tolerancia de la punta del alabe), cambian segn la temperatura, afectando el volumen de desplazamiento. El efecto de la temperatura sobre el volumen del lquido desplazado es usualmente alrededor del 0.02% para un cambio de 10 F en la temperatura del lquido, o alrededor del 0.10% para un cambio de 50 F.

Un cambio importante en la presin de operacin afectar al volumen de desplazamiento de un medidor de simple carcasa, pero no a uno de doble carcasa (donde la presin diferencial a travs de las paredes de las cmaras de medicin es insignificante). Este efecto vara segn el diseo del medidor. Sin embargo, como una gua, si se esperan cambios de presin de operacin mayores de 20 psi, se debe tomar en cuenta el uso de un medidor de doble carcasa o de un factor de medicin ajustado segn la presin.

Para los lquidos de baja viscosidad, a medida que aumenta la velocidad relativa entre las superficies adyacentes, la capa lmite del lquido sobre la superficie en movimiento

(por ejemplo, la punta del alabe) se adelgaza, reduciendo el volumen efectivo de desplazamiento. A viscosidades ms altas y velocidades ms bajas, el espesor de sta capa lmite permanece constante.

El desgaste de las superficies de rodamiento puede hacer variar los lmites de la cmara de medicin, que generalmente causa un aumento en el volumen de desplazamiento, as como una reduccin en la repetibilidad en el factor del medidor.

Los depsitos como parafina en la superficie de la cmara de medicin reducirn el volumen de desplazamiento hasta el punto en que las tolerancias lleguen a cero. Entonces el rendimiento del medidor permanecer muy constante siempre que el depsito permanezca en su sitio.

B.

Por Fugas Prdidas de lquido en los espacios libres del Medidor

Las perdidas de lquido a travs de los espacios libres entre las partes estacionarias y movibles del elemento de medicin, evitando a la cmara de medicin, se pueden definir con la siguiente ecuacin.

Fig. 2.20 Tolerancias en un Medidor PD

1 Xc q! x x(P 12 QLcDonde: q Xc Lc P = = = = = Tasa de flujo de las prdidas Ancho del espacio libre. Longitud del espacio libre Diferencial de presin a travs del espacio libre. Viscosidad absoluta, en centipoises (cp)

3

Las prdidas a travs de los espacios libres de un medidor P.D. de alto rendimiento varan desde casi cero para las viscosidades mayores de aproximadamente 20 cp hasta el 0,5% o 1% para la gasolina (de 0.6 cp de viscosidad).

Los factores mencionados en la seccin anterior que afectan a los espacios libres de los medidores a saber la temperatura (al utilizar metales diferentes en el elemento de medicin), presin (en los medidores de simple carcasa), desgaste y depsitos, tambin las prdidas son proporcionales a la tercera potencia (cubo) del cambio consiguiente de espacio libre. Por ejemplo, al duplicar el ancho del espacio libre (Xc), las prdidas aumentaran por un factor de 8 (es decir, dos al cubo es igual a 8).

c3 = 23 = 8

2.2.8 EXACTITUD DE LOS MEDIDORES P.D.

La exactitud del volumen medido depender de tres factores principales:

1. Que el volumen de cada cmara medidora permanezca constante. Este volumen puede afectarse por aumento de tolerancia entre paredes y las partes internas debido a desgaste, por los cambios de temperatura que tienden a dilatar o contraer los metales y por erosin o formacin de depsitos contenidos en el lquido que se est midiendo.

2. Que todo el lquido que entre al medidor vaya a las cmaras de medicin. Es decir, que ninguna parte del lquido se pase de una cmara a otra. Esto puede ocurrir si se aumenta la distancia que debe existir entre la pared de la carcasa y la parte interna por cambios de temperatura o por erosin.

3. Que todo el flujo pase por el medidor una sola vez, es decir que el flujo no re circule.

2.2.8.1

Fortalezas y debilidades de los medidores Desplazamiento Positivo

A.y y y y

Fortalezas Precisos Capacidad para medir lquidos viscosos Facilidad para operar sin fuentes externas de potencia Capacidad para registrar una rata de flujo cerca de cero

y

Conceptos sencillos de diseo y operacin

B.y y y y

Debilidades Susceptibles a daos por flujos pulsantes y GAS SLUGGING Susceptibles a daos por erosin y corrosin Severas reducciones en flujo si el medidor es atascado u obstruido Altos requerimientos de mantenimientos (stock de repuestos)

2.3

MEDIDORES DE TURBINA PARA LA MEDICIN DE LQUIDOS

2.3.1 ANTECEDENTES. El medidor de turbina no es un dispositivo nuevo para la medicin de flujo. Los archivos indican que se emiti la primera patente para un Medidor de Turbina en 1886. En 1914, se concedi una patente para un Medidor de Turbina que relacionaba la tasa de flujo con la frecuencia. Sin embargo, no fue sino durante los aos 50 que el Medidor de Turbina fue convertido en un transductor de medicin exacta de flujo. Luego del desarrollo de los motores a chorro y cohetes propulsante de lquidos, se present la necesidad de un medidor preciso y de respuesta rpida que se poda usar para los combustibles y oxidantes exticos a temperaturas extremas. El Medidor de Turbina cumpli con esa necesidad.

2.3.2 Principio de Funcionamiento.

Deducen la rata de flujo volumtrico midiendo la velocidad angular del rotor, la cual es proporcional a la velocidad media del fluido.

Q = V *A V = Velocidad media del fluido A = rea de medidor = 2 r2 r = Radio interno = Dimetro / 2

2.3.3 Turbina Convencional

Fig. 2.21 Turbina Convencional

La turbina convencional presenta buen desempeo en productos con:y y y y

Baja viscosidad Altas ratas de flujo Lquidos con baja lubricidad Servicio continuo

Pobre desempeo en Productos con:y y y y

Parafina Grasa o suciedad Partculas en suspensin Propiedades del fluido variable

2.3.4 Turbina Helicoidal

Fig. 2.22 Turbina Helicoidal

Es una combinacin entre la Turbina Convencional y un medidor de Desplazamiento Positivo tipo Tornillo, que mejora el desempeo en aplicaciones difciles para Turbinas Convencionales.

Ventajasy y y y

Lquidos con alta viscosidad Lquidos con viscosidad variable Lquidos con alto contenido de parafinas Lquidos grasosos que se pueden adherir a las paredes

2.3.5 Hiptesis bsica de los Medidores De Turbina Los Medidores de Turbina deducen la rata de flujo, midiendo el movimiento rotativo (velocidad angular) de un rotor de alabes, o impulsor que est suspendido en la corriente de flujo. Por eso, son necesarios dos niveles de inferencia (hiptesis bsica para obtener la rata de flujo volumtrica de un medidor de turbina.

A.

Primera Hiptesis = Hiptesis del rea de flujo constante Rata de flujo volumtrico (proporcional) Velocidad Media de la Corriente

B.

Segunda Hiptesis = Hiptesis de la relacin constante de la velocidad del

rotor y del lquido. Velocidad Media de la Corriente (Proporcional) Velocidad Angular del Rotor

El grado hasta el cual estas dos hiptesis bsicas sean correctas determina la precisin del Medidor de Turbina. Esta explicacin sobre la precisin de medidores se centra en estas dos hiptesis y en la influencia que las diferentes variables de diseo, instalacin, y aplicacin tienen sobre su validez.

2.3.6 Componentes de un Medidor de Turbina Existen tres conjuntos bsicos de partes en un Medidor de Turbina convencionaly y y

Carcasa o alojamiento del medidor Mecanismo interno Conjunto de deteccin

Fig. 2.23 Partes Constitutivas de una Turbina

2.3.6.1

Carcasa o alojamiento del medidor

Las partes de la carcasa normalmente se construyen de un carrete de tubera embridada de de pulgada hasta 24 pulgadas, con capacidades nominales de presin de 150 a 2500 lb. ANSI (275 A 6000 psi W.P.) para las tasas de flujo de hasta 60000 BPH. Se escogen los materiales para que sean compatibles con el producto que se est manejando y las condiciones ambientales.

Como usualmente solo el tubo hace contacto con el lquido, las bridas (que no estn en contacto con el lquido) generalmente no necesitan ser compatibles con l. Por eso normalmente se usan bridas de acero al carbono con la alternativa, de acero inoxidable, que se utiliza solamente para los ambientes corrosivos o temperaturas muy bajas.

Un anillo de deflexin del mismo material que la carcasa, se usa con un rotor anillado para impedir que la corriente de flujo choque contra el aro del rotor y para brindar una transicin suave de flujo hacia el rea del rotor. En el costado de la carcasa se sueldan los botones para las bobinas de deteccin de reluctancia, que son de acero inoxidable serie 300 (no paramagntico) con un tapn pequeo de material paramagntico (HYMU-1980) en el centro.

Para asegurar la generacin confiable de seales, es esencial que el material de la carcasa alrededor de la bobina de deteccin no sea paramagntico, con la excepcin del pequeo tapn paramagntico que est directamente debajo de la punta de la bobina de deteccin que se requiere para ayudar a enfocar el campo de flujo magntico generado por la bobina de deteccin.

2.3.6.2

Mecanismo Interno

Fig. 2.24 Mecanismo Interno de un Medidor de Turbina

El corazn del mecanismo interno es el Rotor De Alabes (Rotor Assembly) que est suspendido en la corriente de flujo sobre el rodamiento de plataforma y el eje del rotor

Normalmente, se utiliza una bobina de deteccin de tipo reluctancia variable para detectar el movimiento giratorio (velocidad angular) del rotor de alabes. Para que funcione este tipo de detector, el rotor necesita tener material paramagntico distribuido en forma regular por su periferia. Se satisface este requerimiento utilizando alabes del rotor de acero inoxidable serie 400 en los Medidores de Turbina ms pequeos (es decir, de menos de 4 de dimetro), y Botones paramagnticos de un material de alto contenido de nquel (HYMU-1980) empotrado en un aro de acero inoxidable serie 300 que se sujeta a la periferia de los rotores ms grandes.

Para los medidores ms grandes, las ventajas del diseo con el aro comparado con l que no lo tiene son dos:

y y

Se mejora la rigidez del alabe Se obtiene una mejor resolucin de los pulsos (hay ms puntos paramagnticos de deteccin por revolucin del rotor).

Los Estatores Aguas Arriba Y Aguas Abajo (From y Rear Rotor Suport ). Apoyan y centralizan el eje, y sujetan axialmente el rodamiento estacionario (de plataforma) del eje del rotor. Los rotores tambin contienen las arandelas de empuje (Retainer Ring) y los conductos para balancear (Bleed Hole) el rotor con el empuje hidrulico.

Se emplea una gran variedad de materiales y arreglo de los Rodamientos Del Rotor Y Eje en los medidores de turbina, pero la chumacera de carburo de tungsteno han demostrado que son las ms apropiadas para servicio petrolero. Estas chumaceras de carburo de tungsteno son muy pulidas (dentro de 2-3 micrones) y son lubricadas por el producto que se est midiendo. Es preferible tener un radio pequeo de superficie de friccin del rodamiento para reducir la resistencia.

Las arandelas de empuje de carburo de tungsteno del rotor estn sujetas a los estatores. Pero, debido a la flotacin del rotor, su rodamiento solamente hace contacto con la(s) arandela(s) de empuje durante el flujo de transicin o las condiciones de flujo que estn fuera del rango normal del medidor.

2.3.6.3

Conjunto de Deteccin de Pulsos.

Fig. 2.25 Bobina de deteccin de Resistencia Magntica

Las partes del detector consisten normalmente en una bobina de deteccin tipo resistencia magntica, una caja de empalmes a prueba de explosin y un pre amplificador opcional. La bobina de deteccin se enrosca en una copa que est soldada a la carcasa en un sitio que esta directamente alineado con el rotor. Se conecta

los cables de transmisin de la seal a la bobina de deteccin dentro de la caja de empalmes a prueba de explosin, que normalmente se enrosca en parte exterior copa. Generalmente, se suministra la caja de empalmes para montar un pre amplificador opcional.

Una bobina de deteccin tpica de tipo de resistencia magntica tiene una caja exterior de acero inoxidable, roscada en la parte inferior para montarla en el medidor. En la parte roscada inferior, sobresale una pieza (punta) del polo paramagntico para ayudar a enfocar el campo magntico sobre la trayectoria del material paramagntico (alabes o botones del aro) en la periferia del rotor.

La punta no penetra la pared de la carcasa.

El espacio libre de aire, o distancia del

extremo de la bobina y el aro del rotor o los alabes varia entre aproximadamente de 1/16 y 5/16 dependiendo del tamao del medidor. Hay un conector de dos clavijas en la parte superior para conectar la seal a la lnea de transmisin.

Las partes internas principales de la bobina de deteccin de resistencia magntica son el carrete y el imn permanente. El carrete de la bobina consiste en muchos miles de vueltas de alambre fino alrededor de un ncleo paramagntico. Este ncleo es simplemente una extensin de la pieza del polo (punta) que se mencion anteriormente, encima del carrete de la bobina hay un imn permanente.

Est magnetizado norte y sur longitudinalmente por el eje principal de la bobina. El alambre de la bobina se eleva hasta el conector, dentro de manguitos protectores. Todo el conjunto est protegido trmica y mecnicamente.

Al utilizar una segunda bobina de deteccin, normalmente la copa de la otra bobina se sita perifricamente de modo que la seal (tren de pulsos) este aproximadamente 90 fuera de fase con la seal de la primera.

Esto permite hacer lo siguiente: 1. Duplicar las frecuencias para una mejor resolucin de calibracin 2. Detectar automticamente el sentido de flujo para los medidores de Turbina Bi direccional 3. Comparar las seales para asegurar la integridad de la transmisin de las mismas, para ser agregado al (los) instrumento(s) electrnico(s) remoto(s).

2.3.7

Generacin de la Seal

Los diferentes tipos de sistemas de produccin de seales elctricas (detectores) que se utilizan y han sido utilizados en el Medidor de Turbina incluyen a: El sistema de resistencia magntica variable

2.3.7.1

Sistema de Resistencia Magntica Variable

Fig. 2.26 Principio de generacin de la seal de resistencia magntica

Las seales se generan por la tasa de cambio del flujo magntico que pasa por la bobina, el voltaje de salida es proporcional al nmero de vueltas de alambre de la bobina y a la tasa de cambio de flujo magntico en la bobina. Por eso, el voltaje de pico a pico es proporcional a la velocidad del rotor.

y

En la figura 2.26 A, la aproximacin del alabe o botn paramagntico produce un aumento en el flujo magntico en la bobina. Mientras el flujo cambia de un nivel bajo a otro que es ms alto, el cambio de flujo genera una parte positiva en la seal de salida. La amplitud es proporcional al nmero de vueltas de alambre y la rapidez del cambio del nivel del flujo.

y

El la figura 2.26 B, el material paramagntico de la periferia del rotor est directamente frente a la bobina. La velocidad de cambio de flujo es cero por que la densidad de flujo en la bobina ha llegado a su nivel ms alto. El voltaje baja a cero.

y

En la figura 2.26 C, el material paramagntico est saliendo del campo de la bobina, reduciendo la densidad de flujo del nivel mximo al mnimo. Esto produce una tasa de cambio de flujo en el sentido opuesto, generando la parte negativa de la seal de salida.

y

Finalmente, en la figura 2.26 D, el material paramagntico ha salido del campo de influencia de la bobina de deteccin. Tanto la tasa de cambio de flujo como la seal de salida se reducen a cero.

2.3.7.2 Integridad de Transmisin

El sistema de generacin de seal tipo de inductancia o el de resistencia magntica variable son realmente generadores tanto de frecuencia como de voltaje de salida. Tienen niveles bajos de energa, y generan solamente unos pocos milivoltios de energa elctrica. El nivel mnimo aceptable de seal de salida es del orden de 25 milivoltios. Las salidas mximas son de aproximadamente 6 a 8 voltios.

Al usar pre-amplificador con un sistema tipo resistencia magntica, se aumentan las amplitudes de la seal y se reduce la impedancia de la fuente.

Si existe ruido irradiado en el trayecto del cable de transmisin, la relacin ms alta de seal al ruido que se obtiene con preamplificacin permite disminuir el nivel de sensibilidad del receptor.

2.3.7.3

Funciones de la Segunda Bobina

y

Comparar las seales de pulsos para asegurar la integridad de transmisin de las mismas.

y

Detectar automticamente el sentido de flujo para los medidores de turbina bidireccionales

y

Duplicar la frecuencia para una mejor resolucin de calibracin.

La reduccin de sensibilidad del dispositivo de captacin electrnica rechaza los pulsos indeseados de ruido y permite la transmisin de la seal amplificada de la bobina de deteccin.

Para eliminar la necesidad y costo adicional de los preamplificadotes de seal de muchas aplicaciones algunos totalizadores de circuito integrado tienen una caracterstica llamada (rechazo del nodo comn).

La etapa de entrada de la unidad electrnica contiene un amplificador operacional que detecta solamente las diferencias de voltaje entre los dos cables de seal de entrada.y

Las seales A y B estn 90 elctricos fuera de fase

2.3.8

Factores que Afectan la Precisin del Medidor de Turbina

Los diferentes factores que pueden reducir la precisin del medidor lo hacen en realidad, afectando la validez de una o varias hiptesis bsicas que se requieren para obtener la tasa de flujo volumtrica de un medidor de turbina.

A.

Primera Hiptesis = Hiptesis del rea de flujo constante Rata de flujo volumtrico (proporcional) Velocidad Media de la Corriente

B.

Segunda Hiptesis = Hiptesis de la relacin constante de la velocidad del

rotor y del lquido. Velocidad Media de la Corriente (Proporcional) Velocidad Angular del Rotor

Los factores que afectan el rendimiento de los Medidores de Turbina pueden ser analizados en trminos de su efecto sobre:y y

El rea de flujo (a travs del rotor). Primera Hiptesis. La velocidad del rotor. Segunda Hiptesis.

La primera hiptesis que se requiere aplicar a los medidores de turbina as como todos los medidores de flujo tipo inferencia, para la medicin de flujo volumtrico es que ste es proporcional a la velocidad axial media del lquido. Esto se basa en la relacin fundamental del flujo de lquidos descrita en la ecuacin clsica de continuidad. Por eso, la primera hiptesis bsica es correcta solamente si el rea transversal efectiva de flujo (a travs del rotor de alabes) permanece constante entre las calibraciones del medidor.

Fig.2.27 Precisin del Medidor de Turbina

2.3.8.1

Factores que Afectan el rea de Flujo a Travs del Rotor.

Primera

Hiptesis.

El medidor de turbina, que mide el flujo volumtrico por

deduccin, en realidad detecta la velocidad del flujo sobre la base de la velocidad de rotacin (desplazamiento) de un rotor de alabes. Se asume que la tasa de flujo

volumtrico (Q) es proporcional a esta velocidad de flujo (V) que se mide, suponiendo un rea de flujo constante (A). Esto se describe matemticamente con la ecuacin clsica de continuidad.

Q = (V) x (A) (pies3/seg) = (pies/seg)(pies2)

El rea efectiva de flujo del rotor, y por eso, el factor K del medidor puede cambiar debido a cualquiera de las siguientes razones, o una combinacin de las mismas:

y y y y

Erosin: por los contaminantes abrasivos (arena, etc.) Corrosin: por los contaminantes corrosivos Depsitos: por la precipitacin de los slidos (por ejemplo, cera, parafina) Espesor de la capa lmite debido al nmero de Reynolds (Re) ms bajo (viscosidad ms alta o flujo ms bajo) o aspereza de la superficie.

y y y

Cavitacin: por falta de contrapresin Obstrucciones: acumulacin aguas arriba de basura Variaciones significativas en la presin de temperatura en las condiciones de operacin.

2.3.8.2

Erosin, Corrosin y Depsitos.

Aun una acumulacin o erosin aparentemente insignificante del rotor de alabes entre las calibraciones del medidor puede tener un efecto muy importante sobre el rendimiento del mismo.

Una capa muy delgada en todas las superficies interiores del medidor de turbina puede cambiar muy significativamente el rea de flujo a travs del medidor. Por ejemplo, una pelcula de una milsima de pulgada (0.001) de espesor en todas las superficies interiores de un medidor de turbina de 4 reducir su rea de flujo, y por consiguiente su factor de medidor, por aproximadamente el 0.5%. Este efecto es proporcional al cuadrado (segunda potencia) del tamao del medidor. Por eso, para un medidor de 2 pulgadas, una capa de una milsima de pulgada afectar al rendimiento del medidor ms o menos en 2%.

2.3.8.3

Espesor de la Capa Lmite

Una de las razones por que no se recomienda el uso de medidores de turbina para lquidos de alta viscosidad es el aumento sustancial del espesor de la capa lmite, y como resultado, la reduccin en el rea de flujo, que ocurre al acercarse al flujo laminar.

Cuando la relacin no dimensional, llamada el Numero de Reynolds, es menor de 6000, el espesor de la capa lmite comienza a aumentar rpidamente. El espesor de la capa lmite es relativamente constante e insignificante al operar dentro del rango turbulento del flujo (Nmero de Reynolds Re 10000). Sin embargo, este espesor aumenta significativamente cuando disminuye el Re, y se acerca al flujo completamente laminar (Re menor de 2000)

Fig.2.28 Curva Universal de Rendimiento del Medidor de Turbina

El nmero no dimensional de Reynolds (Re) es la relacin entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas y se expresa matemticamente de las siguientes maneras:

Re =

3160 * QGPM * SGU Q (cps ) * J INT

Re =

2214 * Q BPH * SGU Q (cps ) * J INT

Donde: QGPM = Flujo en galones por minuto QBPH = Flujo en barriles por hora GPM = Galones por minuto BPH = Barriles por hora

SGU = Gravedad especfica = Viscosidad absoluta (centipoises) = Dimetro interno (pulgadas)

A mayor viscosidad menor es el nmero de Reynolds A mayor velocidad mayor es el nmero de Reynolds

y

Flujo Laminar:

El fluido se desplaza en capas o lminas rectas y concntricas de una manera ordenada donde la velocidad del fluido es mxima en el centro del caudal y disminuye hacia los costados hasta llegar a cero. La condicin de flujo laminar se cumple cuando el Re < 2000

y

Flujo Turbulento.

En el flujo hay un movimiento irregular e indeterminado de las partculas en direcciones transversales a la direccin del flujo principal donde la velocidad del flujo es ms uniforme. La condicin de flujo turbulento se cumple cuando Re > 4000

Por eso, el problema de flujo laminar (espesor de la capa lmite) ocurre con viscosidades bajas y con los medidores ms pequeos. El rango de viscosidad que se recomienda para los medidores de turbina; refleja este hecho.

La curva universal de rendimiento de medidores que se indica en la figura 2.28 (Factor Kvs Re) muestra el efecto de espesamiento de la capa lmite sobre el rendimiento del medidor. A medida que se disminuye el Re, se acerca al flujo laminar, se reduce el rea efectiva del flujo, haciendo que la velocidad del lquido, y por consiguiente, el factor K del medidor (Pulso / unidad de volumen) se aumente. Se puede estimar el efecto de la viscosidad del lquido sobre el rango de exactitud de la linealidad del medidor por las curvas universales del rendimiento de este tipo.

2.3.8.4

Cavitacin

Cuando un lquido pasa por el anillo estrecho del rotor, su velocidad aumenta. Este aumento de velocidad produce una reduccin correspondiente de presin en ese punto. Si esta presin llega a estar ms baja que la del vapor del lquido, entonces se forman bolsas o cavidades de vapor.

Estas cavidades ocuparn el rea de flujo y aumentarn la velocidad del lquido. El resultado es una velocidad ms alta del rotor y el sobre registros. Para prevenir la cavitacin es necesario proporcionar contrapresin sobre el medidor.

Un lquido que est sujeto a presiones inferiores a su presin de vapor, se vaporiza. Si las velocidades a travs del rotor del medidor de turbina son altas, la presin esttica localizada a la altura del rotor puede bajar hasta un nivel inferior a la presin de vapor del lquido, produciendo un fenmeno llamado Cavitacin (la formacin de burbujas de vapor), aunque la presin esttica en el oleoducto est mayor que la presin de vapor.

Estas burbujas de vapor ocupan mucho ms rea de flujo que el producto equivalente en forma lquida, y esto produce un aumento significativo en la velocidad del rotor, y por consiguiente un error significativo en la medicin. La cavitacin (vaporizacin localizada del producto), que usualmente comienza en el borde posterior de los alabes del rotor reduce sustancialmente el rea del flujo a travs del mismo, lo que aumenta drsticamente la velocidad de flujo por el rotor, y por eso el factor K del medidor.

Al perfilar radialmente los alabes del rotor para que compagine con el perfil de velocidad axial del lquido se reduce la susceptibilidad a cavitacin. Para un perfil plano de velocidad del lquido, una configuracin radial helicoidal verdadera del alabe es ideal.

Mientras ms se logre acercarse al perfil ideal del alabe mayor ser la velocidad del lquido (y por eso el nmero de Reynolds y el rango de la exactitud de la linealidad) que se puede tener sin cavitacin. Se elimina la cavitacin aumentando la contrapresin del sistema del medidor.

En algunas aplicaciones al usar un medidor con alabes mal configurados, se puede forzar a un aumento sustancial de la contrapresin de operacin y/o una reduccin del rango de exactitud de la linealidad.

Para eliminar la cavitacin, la contrapresin sobre el medidor tiene que ser incrementada. La norma API en el captulo 5 seccin 3, numeral 5.3.7.3.8, recomienda que la contrapresin mnima sobre un medidor de turbina sea 1.25 veces mayor que la presin absoluta de vapor, ms dos veces la cada de presin a travs del medidor. Por

ejemplo, un medidor de turbina para gasolina con una presin de vapor de 10 psia, que fluye a una velocidad tal que produce una cada de presin de 3 psi a travs del medidor debe ser operado con una presin mnima aguas abajo de 18.5 psig ( es decir, 1.25 * 10 psi + 2 * 3 = 12.5 + 6 = 18.5 psi) Para lquidos con baja presin de vapor

Pb = (1.25) (Pv) + 2p

Donde: Pb Pv = Mnima contrapresin en Psig = Presin de vapor de equilibrio del lquido a la temperatura de operacin en

Libras pulgada cuadrada absoluta (psia). Presin manomtrica + presin atmosfrica = psia. p = Cada de presin a travs del medidor a la mxima rata de flujo para el lquido

que est siendo medido en (psi).

Para lquidos con alta presin de vapor, puede ser posible reducir el coeficiente de 1.25 con algunas otras prcticas y mrgenes de operacin. considerar las recomendaciones del fabricante En ambos casos, deber

2.3.8.5

Efecto Basura

Obviamente, cualquier basura que obstruya parte del rea de flujo a travs del rotor afectar drsticamente al rendimiento del medidor.

2.3.8.6

Variacin de Presin y Temperatura

Los medidores de turbina experimentan cambios en el rea de flujo a raz de las variaciones significativos en la presin y temperatura de operacin. El rea de flujo a travs de un medidor de turbina tpico aumentar solamente el 0.002%, algo insignificante, luego de un aumento de 100 Psi en la presin de operacin, pero aumentar el 0.02%, valor que si es importante, luego de un aumento de 10 F en la temperatura. Para mayor precisin, el medidor deber ser calibrado en el rango normal de operacin de presin, temperatura y flujo.

2.3.8.7

Factores que afectan la relacin constante entre la velocidad del

rotor y del lquido.

Segunda Hiptesis.

(Segundo nivel de inferencia) que se requiere aplicar a los

medidores de turbina para la medicin volumtrica de flujo es que la velocidad axial media del lquido es directamente proporcional a la velocidad angular del rotor. Esta relacin constante que se supone entre la velocidad del rotor y del lquido puede ser afectada significativamente por los cambios que ocurren en cualquiera de las variables independientes de las calibraciones del medidor.

Si las condiciones fueran ideales y no hubiera fuerzas de retardo del rotor tales como la resistencia y la inercia, ni el remolino del lquido, la velocidad angular del rotor VR sera directamente proporcional a la velocidad del lquido, VF, durante la operacin tanto en estado estable como transitorio. Por eso, la constante de proporcionalidad sera definida solamente por el ngulo del alabe; mientras mayor es el ngulo del alabe, mayor sera la velocidad angular del rotor.

Sin embargo, en realidad siempre existen fuerzas de retardo que causan la desproporcionalidad entre VR y VF. sta desproporcionalidad llega a ser muy

importante a las tasas de flujo bajas y/o viscosidades altas.

Las variables independientes que posiblemente cambien durante la operacin del medidor y causen el desplazamiento de la relacin entre la velocidad del lquido son:

y y y y y y y y y

ngulo del alabe del rotor (AB) Estabilidad del rotor (Equilibrio del Rotor, ajuste del rodamiento) (SR). Velocidad del lquido (VF) (Perfil de Velocidad). Perfil de flujo Remolinos en el caudal Factor de friccin entre el rotor y el rodamiento del eje (fB). Densidad del lquido ( (rho) ). Acabado de la superficie del rotor ( Viscosidad del lquido ( (mu) )R

(epsilon) )

2.3.8.8

ngulo del alabe del Rotor

El ngulo del alabe del rotor (AB) puede cambiar si este es golpeado por un objeto extrao. Tambin, un alabe que ha sido diseado con caractersticas inadecuadas de rigidez puede flexionar hasta otro ngulo segn las diferentes condiciones de carga.

2.3.8.9

Estabilidad del Rotor

Los factores principales que afectan a la estabilidad del rotor (SR) son el balance del rotor y el ajuste entre el rotor y rodamiento del eje. El buen balance del rotor es esencial para el buen rendimiento del medidor. Los rotores pueden desbalancearse por los depsitos o erosin desiguales. El ajuste del rodamiento tambin es afectado por los depsitos y el desgaste. El efecto de la mayor inestabilidad del rotor es principalmente una mayor resistencia del mismo (friccin mecnica en el rodamiento).

2.3.8.10

Perfil de la Velocidad del lquido

La variacin en el perfil de la velocidad axial del lquido (FV) para una VF media dada es una de las principales razones por los cambios en la proporcionalidad entre la velocidad del rotor y la velocidad del lquido. Un cambio en el perfil de la velocidad del lquido afecta tanto a la torsin de impulso del rotor (TRD) como la torsin de la resistencia viscosa (TVD).

La geometra de los limites de flujo (paredes) aguas arriba e inmediatamente aguas abajo del rotor define el perfil de la velocidad del flujo a la altura del rotor para un conjunto dado de caractersticas del liquido (principalmente la viscosidad y velocidad). Idealmente cualquier alteracin en los lmites de flujo debera estar a una distancia suficiente del rotor para que no afecte el perfil de la velocidad del lquido

Cualquier cambio en la geometra de los lmites (es decir codos, reductores, aperturas de vlvulas, depsitos, compaginacin irregular de bridas, etc.) que estuvieran

suficientemente cerca al rotor para afectar el perfil de la velocidad del lquido a la altura del rotor, afectar el rendimiento del medidor (el factor K).

Fig. 2.29 Distorsin del perfil de velocidad

Un perfil de velocidad distorsionado es inestable. Cualquier cambio en la velocidad y/o viscosidad del lquido cambiar su forma y afectar el rendimiento del medidor de turbina. Un perfil de velocidad simtrico es necesario para obtener un buen rendimiento del medidor de turbina para toda gama de condiciones de operacin.

2.3.8.11

Acondicionamiento del Flujo.

Al igual que otros tipos deductivos (de deteccin de velocidad) de medidores de flujo, los medidores de turbina requieren acondicionamiento de la corriente de flujo inmediatamente aguas arriba y abajo del medidor. Las recomendaciones detalladas del API para el acondicionamiento del flujo para los medidores de turbina se detallan en la siguiente figura

Fig. 2.30 Distancias mnimas

Un mtodo emprico puede ser usado para calcular la longitud del tramo recto de tubera aguas arriba requerido para varias configuraciones de instalacin y condiciones de operacin.

La experiencia ha demostrado que una longitud nominal de 20 dimetros de tubera del mismo dimetro del medidor aguas arriba y 5 dimetros de tubera del mismo dimetro del medidor aguas abajo provee un efectivo acondicionamiento de flujo en muchas instalaciones.

Sin embargo, la longitud de tubera requerida aguas arriba debe ser verificada para cada instalacin. Basados en datos empricos se recomienda que la longitud del tramo recto de tubera requerida aguas arriba del medidor puede ser calculada as:

L = (0.35 D) (KS/f)

Donde: L = Longitud de tubera aguas arriba del medidor, en pies. D = Dimetro nominal del medidor, en pies Ks= Relacin velocidad de turbulencia, adimensional f = Factor de friccin Darcy-Weisbach, adimensional.

2.3.8.12

Remolino de Caudal

Fig. 2.31 Efecto del Remolino del Lquido

El remolino del lquido (velocidad angular) tambin puede ser causado por las alteraciones en los lmites de flujo aguas arriba del rotor. Por eso, la seccin de enderezamiento que se recomienda en la figura 2.30, tiene un haz de tubos, con una relacin mnima de L/D de 10 y las venas de enderezamiento instalarlas a una longitud mxima aguas arriba, mayor o igual ( a 5 dimetros del medidor), para eliminar o reducir cualquier remolino que puede existir debido a la geometra de la tubera aguas arriba.

El propsito del haz de tubos o venas de enderezamiento es eliminar cualquier remolino en la corriente de flujo antes de que llegue el medidor. El remolino aumentar o disminuir la velocidad angular normal del rotor. Una seccin muy larga de tubera

recta tambin ayudar amortiguar cualquier componente angular de velocidad en la corriente de flujo.

Al omitir el haz de tubos la experiencia ha demostrado que en muchas instalaciones la longitud de enderezamiento aguas arriba del medidor debe ser aumentado a 20 o 30 dimetros de tubo y 5 dimetros aguas bajo del medidor, para cumplir con un efectivo acondicionamiento de tubo.

2.3.8.13

Friccin en los Rodamientos del Rotor.

Una de las caractersticas distintivas de un medidor de turbina de alto rendimiento de un Oleoducto es la muy baja friccin de los rodamientos. Tambin, debido al servicio continuo de alta velocidad, los rodamientos del medidor de turbina tienen que ser muy resistentes al desgaste. Por eso normalmente se utilizan cojinetes de carburo de

tungsteno que son muy precisos y altamente pulidos.

La holgura entre el rodamiento movible del rotor y el cojinete de la plataforma estacionaria tiene que ser muy exacta para asegurar que la rotacin ocurra sobre una pelcula delgada del lquido (es decir, como un hidroplano) para minimizar an ms la friccin.

En algunos medidores de turbina, se elimina la friccin del rodamiento de empuje, balanceando el rotor hidrulicamente para todo su rango normal de flujo, usando u na tcnica similar a la que se indica en la figura.

Fig. 2.32 Rotor Flotante

2.3.8.14

Friccin por Viscosidad

La tasa de flujo en la que la velocidad del rotor comienza a estar desproporcionada a la del lquido, aumenta a medida que se aumenta la viscosidad.

La resistencia viscosa del rotor es afectada por la velocidad del lquido (), el acabado de la superficie del rotor ( R) y su velocidad (VR); tambin por el rea entre las superficies del rotor y las superficies estacionarias adyacentes, y la distancia entre las mismas, como por ejemplo la superficie del aro del rotor en relacin con la carcasa.

La erosin, corrosin y depsitos pueden afectar el acabado de las superficies estacionarias y la del rotor as como el espacio libre entre las mismas.

2.3.8.15

Densidad del Lquido.

La torsin de impulso del rotor (TRD) que est disponible para vencer las fuerzas de resistencia del rotor es directamente proporcional a la densidad del lquido ( ) y al cuadrado de la velocidad del lquido (VF2 ).

Para mantener constante la curva de TRD

(y la cada de presin del medidor),

independiente de la densidad del lquido, se multiplica el flujo mximo nominal normal del medidor, as como el mnimo, por la raz cuadrada de la relacin de densidad, ( / x)1/2).

Por ejemplo, un medidor de 4 con un flujo nominal normal de 140-1000 US GPM para querosn ( = 0.80) tendra una capacidad nominal normal de 175-1250 US GPM para propano ( x = 0.51)

2.3.9 Fortalezas y Debilidades de las turbinas de Flujo.

A.y y y y y

Fortalezas Precisas. Amplio rango de flujo. Pequeos tamaos y pesos. Larga vida de los rodamientos. Amplios rangos de temperatura y presin.

B.y y

Debilidades Es necesario instalar acondicionadores de flujo. Posiblemente necesitan vlvulas de control de presin atrs (back pressure control) para prevenir cavitacin y error.y y y

Dificultad para medir lquidos con alta viscosidad. Necesidad de accesorios electrnicos. Susceptibles a flujos sucios y depsitos.

y y

Sensibles a cambios de viscosidad. Susceptibles a daos por gas slugging.

CAPITULO III TEORIA DE CONTROL

3.1. INSTRUMENTACION EN SISTEMAS DE CONTROL Actualmente la Instrumentacin se define como: La Tcnica que automticamente se ocupa de las medir, transmitir, registrar, y regular

magnitudes fsicas y qumicas,

cuyo conocimiento,

estabilizacin o variacin deseada es importante para un proceso de produccin atendiendo a normas de calidad, seguridad y medio ambiente.

Los instrumentos son herramientas indispensables que sirven para conseguir y conservar la calidad con que se identifica el producto que se est manufacturando. Se utilizan para controlar las variables de un proceso o sistema en forma tan exacta como se necesite para satisfacer las especificaciones del producto en lo que respecta a composicin, forma color o acabado.

El instrumento o el sistema de instrumentos puede ser mecnico, neumtico, hidrulico, elctrico, electrnico o una combinacin de dos o ms de estas formas bsicas, por ejemplo, electromecnicos.

Fig. 3.1 Lazo Genrico de control de proceso

Hoy en da es inimaginable la existencia de una industria moderna sin instrumentos y sistemas de control.

3.1.1. Sistemas de Control de Procesos.- Es un sistema de regulacin automtica que determina la respuesta de la variable en funcin de virtudes programadas para el sistema. En los procesos industriales es absolutamente necesario controlar algunas magnitudes, tales como la presin, caudal, nivel, temperatura etc.

El sistema de control compara el valor de la variable o condicin a controlar con un valor deseado y efecta una accin de correccin con la desviacin existente sin que el operario intervenga en absoluto.

3.1.1.1. Sistemas de Control de Bucle de Lazo Cerrado.- Es el sistema de control retroalimentado, donde la seal pasa por el controlador es comparada y reenviada para establecer el setpoint o parmetro esperado.

3.1.1.2. Sistemas de Control de Bucle o Lazo Abierto.- Es el sistema donde la salida no tiene efecto sobre la accin del control, no hay comparacin entre el valor medido en la salida respecto ala entrada, es el camino que sigue la seal sin retroalimentacin. Por ejemplo las instalaciones de bombillos de navidad que mientras se encienden unas las otras se apagan, todo esto es controlado en funcin del tiempo sin importar que tanto alumbren los bombillos. Entre lo concerniente al bucle cerrado es su virtud de usar una seal de retroalimentacin que lo dispone a estar en constante ajuste evitando relativamente la inestabilidad a perturbaciones externas ya que para este sistema es de gran importancia

el manejo de las desviaciones mientras que para el abierto no es de tanta incidencia, lo que recomienda que para todo sistema donde se conocen las entradas y no hay perturbaciones se debe usar el lazo abierto.

Partes. El Sistema de Control incluye la unidad de medida, el transmisor, una unidad de control o controlador, el indicador el registro o registrador (opcional) un elemento final de control y el proceso en s. Todos estos elementos forman el denominado bucle o lazo de control que puede ser abierto o cerrado.

RECEPTOR

CONTROLADOR

ELEMENTO FINAL DE CONTROL

Un ejemplo de bucle abierto es el calentamiento de agua en un tanque mediante una resistencia elctrica sumergida.

Fig 3.2 Sistema de control de Lazo Abierto

Un bucle cerrado lo constituye la regulacin de temperatura en un intercambiador de calor.

Fig. 3.3 Sistema de Control de Lazo Cerrado

3.1.2. Definiciones en Sistemas de Control.

Rango. Tambin llamado CAMPO DE MEDIDA. Es el conjunto de valores de la variable medida que estn comprendidos entre los limite inferior y superior de calibracin del instrumento. Span. Tambin llamado ALCANCE. Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida o rango.

100 C Lmite Inferior Range = 100 C a 300 C Span = 200 C

300 C Lmite Superior

Linealidad. Es la habilidad para generar una salida proporcionalmente lineal entre el mnimo y el mximo rango operacional.

Y

100% Lineal No lineal

Y=mx+b .m = Pendiente .b=Desplazamiento SALIDA MXIMO MNIMO X

0%

RANGO OPERACIONAL

Histresis. Es la habilidad para generar la misma calida cuando la variable de proceso aumenta, as como cuando disminuye. Ej: +/- 0.3% de 220 F ser 0.66 F.

100%

Histresis Positiva Histresis Negativa

SALIDA

Lineal

0% MINIMO RANGO OPERACIONAL MAXIMO

Zona muerta. Es la magnitud (en unidades de Ingeniera o en Porcentaje) en la cual tiene que cambiar la variable que esta siendo medida para que produzca un cambio en la salida del instrumento. Ej: +/- 0.1% es decir de 0.1 x 220/100 = 0.22 F

Y100% Lineal

Zona Muerta

SALIDA

X MINIMO RANGO OPERACIONAL MXIMO

0%

Incertidumbre = i = K K = Factor de nivel de confianza (K = 2 para 95%) = Desviacin tpica dada por el fabricante Sensibilidad. Es la relacin entre la magnitud del cambio en la seal medida y el incremento en la lectura o salida del instrumento. Ej: si es +/- 0.05% 0.05 x 220/100 = 0.11 F. Ruido. Es la perturbacin o seal accidental no deseada que modifica la indicacin transmisin o registro de la variable medida. Amortiguamiento. Tambin llamado DAMPING. Su funcin es de disminuir el ruido o pulsaciones presentes en la variable medida para obtener una lectura ms estable. Esto se logra limitando la respuesta en frecuencia (Frecuencia de corte) del instrumento. A mayor Amortiguamiento, la respuesta del instrumento se hace ms lenta. Precisin. Es la tolerancia del instrumento y define los lmites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio durante un perodo de tiempo determinado. Se expresa con respecto a:y y

Directamente en unidades de ingeniera % del Span

y y

% de la lectura efectuada % del rango mximo del instrumento

a) Porcentaje del alcance +/- 0.5% de 220 F = 1.1 F b) En unidades de medida +/- 1 F c) Porcentaje del valor mximo +/- 0.5% de 200 F =1F

Reproducibilidad. Es la capacidad de reproduccin de un instrumento en las medidas repetitivas y sucesivas para el mismo valor de la variable medida bajo las mismas condiciones operacionales y en un periodo largo de tiempo y en los sentidos ascendente y descendente de la lectura. Error. Es la diferencia algebraica entre el valor ledo o trasmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida. Error Esttico. Es el valor que permanece constante para un determinado punto de medida cuando la variable de medida esta en condiciones estables. Error Dinmico. Es la diferencia entre el valor instantneo de la variable y el indicado por el instrumento, a medida que la variable leda vara con el tiempo. Error Medio. Es el promedio de los errores asociados a una medicin en cada punto de la medida para todos los valores crecientes y decrecientes. Si en la medicin participan varios instrumentos, el error medio estar constituido por los errores inherentes a cada uno de los instrumentos.

Error Medio = a 2 b 2 c 2 d 2 .......

Repetibilidad. (repeteability) La repetibilidad es la capacidad de reproduccin de las posiciones de la pluma o del ndice del instrumento al medir repetidamente valores idnticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variacin recorriendo todo el campo. Su valor representativo es de +/- 0.1 %.

3.2. INSTRUMENTOS El Instrumento un dispositivo que se encarga de interpretar seales proporcionales a la magnitud de la variable.

3.2.1. Instrumentos Ciegos. No tienen indicacin visible, son todos aquellos que generalmente son de manipulacin como interruptores, termostatos, presostatos, vlvulas, transmisores etc. que solo cumplen con su trabajo sin la necesidad de expresar los cambios graduales de la seal.

3.2.2 Instrumentos Indicadores. Los instrumentos indicadores disponen de un ndice y una escala graduada, en la que se puede leer el valor de la variable. Segn la amplitud de la escala se dividen en Indicadores concntricos y excntricos. Existen tambin los indicadores digitales que muestran la lectura directa en nmeros dgitos a travs de un display. O pantalla LCD o similar.

1.

Indicadores de Presin

El ms utilizado es el manmetro de presin absoluta que utiliza un sensor tipo tubo bourdon el cual es un tubo enrollado cerrado por un extremo tiende a enderezarse

cuando por el otro extremo se aplica un gas o lquido bajo presin. El movimiento del extremo libre del tubo bourdon se convierte por medio de engranajes y eslabones en un movimiento proporcional de un a aguja o puntero del indicador. El material que se construye este tipo de tubos es de acero inoxidable 316 o 403 y de cobreberilio, K, Monel y bronce fosfatado.

Fig 3.4 Partes de un Indicador de Presin

Fig. 3.5 Tipos de Bourdon

Fig. 3.6 Indicador de Presin instalado

Para los indicadores de presin digitales usamos transductores que nos permiten convertir la seal de la variable a una seal de tipo elctrico, entre estos sensores tenemos: - Strain Gages - Trasnductores de Presin capacitivos - Transductores de Presin Inductivos - Transductores de presin magnticos - Transductores de presin piezoelctricos

Fig. 3.7 Tipos de Sensores

Luego de convertida la seal se acondiciona y se muestra en pantalla cuando el instrumento ya est debidamente calibrado.

3.2.2.2 Indicadores de Temperatura Llamados tambin termmetros, indican el valor de la temperatura medida en un determinado proceso. Existen de diversos tipos: por dilatacin de lquidos, por presin de gas, por presin de vapor, digitales y por dilatacin de slidos, siendo ste ltimo el ms utilizado.

Los termmetros digitales utilizan diferentes transductores que convierten la temperatura a una seal que puede ser leda en una pantalla digital.

Los transductores ms utilizados son las termopares y las RTDS

3.2.2.2.1 Termmetros de dilatacin de slidos (Termmetros bimetlicos) Su principio de funcionamiento, se basa en el fenmeno de dilatacin lineal de los metales con la temperatura. Lt = L0 (1 + a t) Donde: t = temperatura del metal en C L0 = Long. Del metal a la temperatura de referencia Lt = longitud del metal a la temperatura t a = coeficiente de dilatacin t=(t t0 )

El termmetro bimetlico esta compuesto de dos lminas metlicas, con coeficientes de dilatacin diferente, superpuestas formando una sola pieza. Al variar la temperatura del conjunto, se produce una deformacin proporcional a la temperatura.

Fig. 3.8 Termmetro Bimetlico Bsico

En la prctica, la lmina bimetlica esta enrollada en forma de espiral o hlice, con lo que aumenta bastante la sensibilidad. El termmetro mas utilizado es el de lmina helicoidal. El rango de trabajo de los termmetros bimetlicos es, aproximadamente entre 50 y 800 C y se pueden conseguir exactitudes del orden del 1%.

Fig. 3.9 Termmetro Instalado en Tanque de Almacenamiento de Crudo

Fig. 3.10 Partes de un termmetro Bimetlico

3.2.3 Intrumentos registradores.- Expresan la seal con trazos continuos a puntos.

3.3 TRANSMISORES

3.3.1 Generalidades. Los transmisores pueden trabajar con varios tipos de seales: neumticas, electrnicas, hidrulicas y telemtricas, siendo las ms empleadas las dos primeras. La seal estndar utilizada para los transmisores neumticos es de 3 a 15 Psi y en algunos casos 6 -30 Psi para un rango de la variable del 0 al 100%.

Los transmisores electrnicos generan varios tipos de seales 4- 20 mA de C.C, 1-5 Volts de C.C 0 a 5 V de C.C siendo las ms utilizadas 4- 20 mA C.C para Instrumentos de Campo y 1-5 VCD para instrumentos de panel.

3.3.2 Transmisores Neumticos Los transmisores neumticos se basan en el principio de tobera-obturador que convierte el movimiento del elemento de medicin en una seal neumtica. Consiste en un tubo neumtico alimentado a una presin constante (regulada) Ps con una reduccin en su salida en forma de tobera, la cual puede ser obstruida por una lmina llamada obturador cuya posicin depende del elemento de medida.

Fig. 3.11 Transmisor neumtico de presin Fox Boro

3.3.3 Transmisores Electrnicos Los transmisores electrnicos en forma anloga a los neumticos emplean generalmente un elemento de medida para captar mecnicamente la variable del proceso. El transmisor electrnico se comporta esencialmente como una resistencia variable intercalada en un circuito que contiene una fuente de tensin continua y un receptor con su carga correspondiente.

Fig. 3.12 Transmisor Inteligente Instalado en Campo

3.3.4 Transmisor Inteligente La transmisin de la seal del proceso, gracias a un microprocesador inteligente incorporado indica que el instrumento es capaz de realizar funciones adicionales a la de un transmisor normal.- El microprocesador compensa las no linealidades de