sensores de flujo

UNIDAD IV 1 Elementos Primario de Flujo


En la especialidad de instrumentación y control, existe cierta terminología que se usa para

designar a los objetos o efectos que intervienen en un sistema de control y que es necesario

conocer para poder entender mejor las funciones que desarrollan. A continuación se enunciarán

algunos de los términos más comúnmente empleados.

AMPLITUD (SPAN).- Es la diferencia algebraica entre los valores máximo y mínimo del rango de

medición o señal de control de un instrumento.

AMPLITUD DE CONTROL.- Todos los instrumentos transmisores y controladores, reciben y/o

envían sus señales dentro de ciertos límites (4-20 mA CD, 10-50 mA CD, 1-5VCD para señales

eléctricas, 3-15 PSIG, 3-27 PSIG, 6-30 PSIG, para señales neumáticas).

BANDA MUERTA (ZONA MUERTA).- Es el rango de valores a través del cual puede cambiar la

variable sin que se produzcan cambios en la señal de salida, es decir, no se obtiene respuesta.

Esto está dado en porciento de la amplitud. Por ejemplo, para una amplitud de 20 a 150 °C y una

banda muerta de +/- 0.1%, su valor será de +/- 0.1 X 130/100 = +/- 0.13 °C.

CAPACITANCIA.- Es la propiedad que tienen los condensadores de almacenar energía eléctrica.

Su unidad es el Farad y su símbolo C.

CONDICIONES AMBIENTALES.- Son las condiciones externas especificadas (choque,

vibración, temperatura, etc.) a las cuales puede estar expuesto un instrumento durante el

transporte, maniobra y operación.

CONFIABILIDAD.- La probabilidad de que un instrumento realice su objetivo en forma adecuada

dentro de límites específicos de error a lo largo de un tiempo determinado y bajo condiciones

específicas.

CONTROL DE UN PROCESO.- Es la regulación o manipulación de variables que modifican el

comportamiento de un proceso con el propósito de obtener un producto de calidad y en cantidad

deseadas en forma eficiente.

ELEMENTO PRIMARIO.- Es la parte de un sistema de control o instrumento que primeramente

detecta el valor de una variable de un proceso y que está previsto que asuma un estado

predeterminado, o genere una señal de salida que corresponda con la detección. El elemento

primario también se conoce como sensor, sonda (nivel), o detector.

ERROR.- Es la diferencia algebraica entre el valor indicado o transmitido por un instrumento y el

valor real de la variable medida.

HISTÉRESIS.- La histéresis es el resultado de la calidad inelástica de un elemento o dispositivo.

Es la diferencia máxima que se obtiene en los valores indicados por el índice o la pluma de un

instrumento para un mismo valor cualquiera del rango de medición cuando la variable recorre toda

la escala en direcciones ascendente y descendente. La diferencia se puede expresar en porciento

de la amplitud de medición ideal.


IDENTIFICACIÓN.- Es la secuencia de letras o dígitos, o ambos, usados para designar a un

instrumento individual o un lazo de control.

IMPULSO.- Una señal teórica, la cual es un pulso de una señal de magnitud infinita y de duración

infinitesimal. Para aplicaciones prácticas, un aumento o disminución en una variable, es seguido

inmediatamente por un retorno al valor original.

INDUCTANCIA.- Es la propiedad de los circuitos eléctricos de oponerse a cualquier cambio de la

corriente. Se presenta básicamente en las bobinas que componen el circuito. Su unidad es el

Henry y su símbolo L.

INSTRUMENTO.- Es un dispositivo capaz de detectar, indicar, registrar o controlar las

variables de un proceso. El término incluye a las válvulas de control, de alivio y dispositivos

eléctricos, tal como anunciadores y botones de actuación.

MEDICIÓN.- Es la determinación de la existencia o magnitud de una variable. Los instrumentos

de medición, incluyen a todos los dispositivos utilizados directa o indirectamente para este

propósito.

PERTURBACION.- Un cambio indeseable que se presenta en un proceso el cual afecta al valor de

una variable controlada en forma desfavorable.

PRECISIÓN (EXACTITUD).- La precisión, es la tolerancia de medición o de transmisión de un

elemento y define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se utiliza en

condiciones normales de operación.

Existen diferentes formas de expresar la precisión:

a) Directamente en unidades de la variable medida. Ejemplo: la precisión de +/- 1 °C

b) Precisión expresada en porciento de la amplitud (o intervalo). Ejemplo, para una amplitud

de 100 °C a 500 °C y una lectura de 200 °C con una precisión de +/- 0.5%, el valor real de

la temperatura, estará comprendido entre 200 +/- 0.5 X 400/100 = 200 +/- 2, es decir,

entre 202 °C y 198 °C.

c) Expresado en porciento del valor máximo del rango. Ejemplo: para un rango de 0-500 °C y

una precisión de +/- 0.5% = +/- 2.5, esto es, la lectura en el extremo superior de la escala

será de 502.5 °C y 497.5 °C.

d) En porciento de la longitud de la escala. Ejemplo: Si la longitud de la escala de un

instrumento es de 200 mm; una precisión de +/- 0.5%, representará +/- 0.5x 200/100 =

+/- 1 mm de la escala, o sea, 201 mm y 199 mm.

e) Expresado en porciento de la lectura actual del instrumento. Ejemplo: Precisión de +/- 1%

de 300°C, es decir, +/-1 x 300/100 = +/- 3 °C.

PROCESO.- Es cualquier operación o secuencia de operaciones que involucren un cambio de

energía, dimensiones, o de otra propiedad que pueda ser definida con respecto a un dato.


PULSO.- Un cambio súbito significativo de corta duración en el nivel de una variable eléctrica,

comúnmente voltaje. Este cambio se caracteriza por una elevación y un decaimiento.

RANGO DE UN INSTRUMENTO.- Son los valores entre un mínimo y máximo de la variable que

es capaz de detectar un instrumento.

RANGO DE OPERACIÓN.- Son los valores entre un mínimo y máximo en que se espera que

cambie la variable de proceso.

RANGO CON SUPRESIÓN DE CERO.- Para un rango de cero suprimido, es un rango en el que el

cero de la variable medida es menor al valor más bajo del rango. (El cero no aparece en la escala).

Por ejemplo, 20 a 100. Puede expresarse en unidades de la variable medida o en un porciento de la

amplitud.

RASTREO (SCANEO).- Se dice del muestreo intermitente de cierto número de entradas. Un

dispositivo explorador puede proporcionar funciones adicionales tal como registro o alarma.

REACTANCIA.- Cuando la corriente en un alambre o conductor es alterna, cambia de sentido en

forma constante y por tanto produce una f.e.m. inducida, que se opone a la f.e.m. de la fuente. A

esta propiedad, se le conoce como reactancia y actúa como una resistencia en el sentido que

reduce el valor de la corriente del circuito. Su unidad es el OHM y sus símbolos XL O XC, según

sea inductiva o capacitiva respectivamente.

RELUCTANCIA.- Es la resistencia opuesta al flujo magnético. Corresponde a la resistencia en un

circuito eléctrico. Su unidad es el Ampere vuelta/Wb, y su símbolo R.

REPETIBILIDAD.- Se dice que un instrumento tiene repetibilidad, cuando estando en un punto

determinado de la variable, se hace cambiar bruscamente a uno y otro lado de dicho punto y

siempre regresa al punto inicial.

RUIDO.- Es cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseadas que modifican la

transmisión, indicación o registro de la información requerida.

SENSIBILIDAD.- Se dice que un instrumento es muy sensible, cuando es capaz de detectar

rápidamente los cambios que sufre una variable por pequeños que estos sean, en consecuencia, la

sensibilidad se puede definir como el tiempo que tarda un instrumento para detectar un cambio de

la variable medida o controlada.

SEÑAL.- Variable física, uno o más parámetros que transportan información en torno de otra

variable (a la cual representa la señal).

SEÑAL ANALÓGICA.- Una señal representativa de una variable que puede ser observada y

representada en forma continua.

SEÑAL DE MEDICIÓN.- La señal eléctrica, mecánica, neumática o de otro tipo que está

relacionada con alguna variable de un proceso tal como flujo, temperatura o nivel.


SEÑAL DIGITAL.- Salida de un instrumento que representa la magnitud de la medición en la

forma de una serie de cantidades discretas codificadas en un sistema de numeración escrita.

SEÑAL DE ENTRADA.- Una señal aplicada a un dispositivo, elemento o sistema.

SEÑAL DE SALIDA.- Una señal entregada por un dispositivo, elemento o sistema.

TELEMETRÍA.- Es la práctica de transmitir y recibir la medición de una variable para la lectura

u otros usos. El término se aplica comúnmente a sistemas con señales eléctricas.

TABLERO.- Es una estructura en la que se montan un grupo de instrumentos. El tablero puede

consistir de uno o más componentes como páneles, cubículos, escritorios, gavetas o soportes.

TABLERO LOCAL.- Un tablero local, es aquél que no está centralizado o no es el tablero

principal. Los tableros locales, comúnmente se encuentran cerca de los subsistemas o subáreas de

una planta.

TEMPERATURA DE OPERACIÓN.- Gama de temperaturas en la cual se espera que trabaje un

instrumento dentro de límites de error especificados por el fabricante.

TIEMPO MUERTO.- Es el intervalo de tiempo transcurrido entre el principio del cambio de una

variable (o una señal de entrada) y el inicio de la respuesta a ese cambio por un instrumento.

VARIABLE DE UN PROCESO.- Se entiende por variable de un proceso, el efecto o fenómeno

que se presenta en un proceso, tal como presión, nivel, temperatura, flujo, etc.

VELOCIDAD DE RESPUESTA O RETARDO.- Es el tiempo que transcurre desde que un

instrumento detecta un cambio en la variable medida hasta que envía la señal para corregir dicho

cambio.


1.1 GENERALIDADES

Una de las operaciones unitarias que se presentan con mayor frecuencia en la industria, es el

flujo o transporte de fluidos, que consiste en el movimiento del fluido de un lugar a otro por

medio de tuberías o ductos de conducción.

La variable flujo es una de las variables más importantes en los procesos industriales, debido a

que es esencial para determinar los balances de materia y el control de procesos continuos.

Un fluido es aquella sustancia que bajo esfuerzo cortante sufre una deformación continúa.

Tomando en cuenta que los fluidos cuando son transportados a través de ductos requieren de

válvulas, accesorios, bombas, medidores, es necesario conocer las características principales de

estos para su selección y aplicación en las plantas de proceso.

Los fluidos a medirse pueden ser claros u opacos, limpios o sucios, húmedos o secos, erosivos o

corrosivos. El flujo puede ser laminar o turbulento. La presión puede variar desde vacío hasta muy

altas libras/in2 (PSIG) de presión; la temperatura puede variar desde servicios criogénicos hasta

varios cientos de grados. El rango de medición de flujo, es desde gastos muy pequeños hasta

gastos muy grandes.

Con toda esta serie de condiciones y requerimientos, es necesario tener al alcance un buen

método para la medición del flujo, así como conocer los diferentes dispositivos o elementos

primarios de medición y sus aplicaciones para un conjunto dado de condiciones de proceso.

El método más comúnmente usado en las plantas industriales para la medición del flujo es el de la

presión diferencial generada por el paso del flujo a través de una restricción (orificios, venturis,

etc.). En este método, el rango del flujo es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la

presión diferencial generada por el flujo a través de la restricción.

En este curso se estudiarán algunos de los diferentes elementos primarios de medición de flujo,

así como la operación y aplicación de los medidores de flujo en general.

1.2 NATURALEZA DE LOS FLUIDOS

Para seleccionar el método más adecuado de medición de flujo, es necesario conocer algunas de

las características básicas de los fluidos. Las características y propiedades físicas que se deben

considerar son:

a) Viscosidad

b) Densidad

c) Densidad relativa

d) Humedad

e) Compresibilidad

f) Temperatura

g) Presión


También es necesario determinar si el flujo es

a) Laminar o

b) Turbulento

VISCOSIDAD

La viscosidad es una importante propiedad física de los fluidos, se define como la tendencia de un

fluido a resistir las fuerzas de tensión o deformación; en otras palabras, la tendencia de un fluido

a fluir. Fluidos con baja viscosidad fluyen libremente; fluidos con alta viscosidad oponen

resistencia a fluir libremente.

El agua a 68 °F es un punto de referencia para la medición de la viscosidad, considerando que el

valor de su viscosidad de 1.0 centipoise (1/100 de poise) en el sistema métrico la unidad de

viscosidad es el poise. El poise es dinas-segundo/centímetro cuadrado. Esta unidad es

inconvenientemente grande para muchos fluidos; por lo tanto, las viscosidades se expresan más

comúnmente en centipoise que es la centésima parte del poise, siendo un centipoise igual a 0.01

poise. Las unidades en el sistema inglés son: libras-segundo/pulgada cuadrada. Las unidades de

poise y centipoise se refieren a viscosidad absoluta. Otras unidades de viscosidad usadas en la

industria del petróleo son:

Viscosidad Cinemática, que se define como viscosidad dividida por la densidad, o sea,

V = μ / Ρ

En donde

v = es la viscosidad cinemática

μ = la viscosidad

ρ = la densidad.

La unidad en el sistema métrico es el stoke es igual a un (cm)2/seg . En el sistema inglés es

(pies)2/seg; o también se puede medir en centistokes; Viscosidad Saybolt Universal o Viscosidad

Saybolt Furol expresadas en segundos.

El valor de viscosidad de un fluido depende de la temperatura y en menor grado de la presión. La

viscosidad de los líquidos generalmente disminuye al aumentar la temperatura. El efecto de la

presión en la viscosidad de líquidos es muy pequeña. En gases el efecto es significativo, solamente

a altas presiones, particularmente alrededor de la presión crítica.

DENSIDAD

La densidad de una sustancia se define como su masa por unidad de volumen. La densidad del agua

32 °F o 0 °C y a presión atmosférica es de 62.42 libras/ft3 o gr/cm3. Las densidades de líquidos

cambian considerablemente con la temperatura y ligeramente con la presión, excepto cuando se

aplican muy altas presiones.

Los líquidos generalmente se consideran incompresibles, pero cuando la presión excede ciertos

límites, se deberá considerar la compresibilidad de líquidos en la aplicación de medición de flujo.

Las densidades de gases y vapores están afectadas grandemente por cambios de presión y

temperatura.


La mayoría de las mediciones de flujo se basan en magnitudes de volumen, por lo tanto se deben

conocer o medir las densidades de los fluidos para determinar el flujo másico cuando este sea

requerido.

Para describir las características de un fluido se utiliza más el término peso específico que

densidad. Como el peso específico es a la aceleración local de la gravedad, así como la densidad es

a la aceleración estándar o normal de la gravedad.

Peso específico /g local = Densidad / g estándar

Con la relación anterior podemos convertir el peso específico a densidad y viceversa.

DENSIDAD RELATIVA

La densidad relativa (mal llamada gravedad especifica por su traducción del inglés specific gravity

Sp. Gr.) de un fluido es la relación de su masa o peso referidos a una masa o peso de referencia.

Para líquidos (o sólidos) la referencia es el agua (ρL’ = 1.0) a 15.5 °C (60 °F), mientras que para

gases y vapores la referencia es el aire (ρg’ = 1.0) a 15.5 °C (60 °F) y a 14.7 lb/in2 absoluta o 1.033

Kg/cm2. abs.

HUMEDAD

Cuando medimos gases o aire, se hace necesario expresar el por ciento de humedad para indicar la

presencia de vapor de agua asociado con el gas o el aire.

HUMEDAD ABSOLUTA

Es el peso de vapor de agua por metro cúbico de una mezcla de gas y vapor de agua a las

condiciones de presión y temperatura de operación.

HUMEDAD RELATIVA

Es la relación expresada como porcentaje de la cantidad actual de vapor de agua presente con

referencia a la máxima cantidad, que pudiera estar presente cuando estuviera 100% saturado a

las condiciones de temperatura dadas.

COMPRESIBILIDAD

En base a la experiencia y como ya se mencionó anteriormente, los líquidos son incompresibles,

excepto cuando se someten a altos rangos de presión. Sin embargo, en la medición de gases, la

compresibilidad es definitivamente un factor significativo y que debe ser considerado. Los

factores de compresibilidad son función del peso molecular, temperatura y presión.

TEMPERATURA

El efecto de los cambios de temperatura en la medición de flujo, ha sido mencionado en los

párrafos anteriores en los temas de viscosidad, densidad y compresibilidad. Algunas mediciones

de flujo se hacen sin estar afectadas por variaciones de temperatura. En el método más común de

medición de flujo, que es el de presión diferencial, se asume que tanto la presión como la

temperatura permanecen constantes. Algunas veces esto es cierto y en muchas aplicaciones es lo

suficientemente válido, ya que los errores involucrados son poco significativos para el proceso.


PRESION

En la medición de flujo de líquidos, el efecto de las variaciones de presión se considera

despreciable, excepto cuando se tienen grandes cambios de presión; sin embargo, este efecto se

debe de tomar en cuenta definitivamente para mediciones de gases y vapores.

1.3 VELOCIDAD DEL FLUIDO

El movimiento de los fluidos a través de tuberías puede ser de dos tipos, dependiendo del grado

de velocidad que tenga el flujo. Estos dos tipos de movimiento son: laminar y turbulento.

El término “velocidad”, cuando se aplica al flujo de fluidos en tuberías, se refiere a un rango de

flujo promedio.

El término “velocidad promedio”, se aplica cuando la velocidad real del fluido varía a lo largo de la

sección transversal de la tubería.

Se llama flujo laminar cuando algunas moléculas del fluido siguen trayectorias tangenciales y

paralelas a la tubería o conductos por donde circula.

Para flujo laminar, la velocidad es teóricamente cero cuando el fluido es adyacente a la tubería, y

alcanza el máximo valor en el centro de la tubería. La velocidad promedio es aproximadamente

50% de la velocidad en el centro de la tubería.

El flujo turbulento se caracteriza por la presencia de remolinos o contracorrientes que hacen que

las moléculas del fluido se muevan a lo largo de trayectorias irregulares.

Para Flujo turbulento, la velocidad de flujo adyacente a la tubería es también cero, aumentando

muy rápidamente a medida que se aleja de las paredes. De esta manera la velocidad promedio es

mucho mayor del 50% de la velocidad máxima.

FLUJO TURBULENTO

La mayor parte de las mediciones de flujo se hacen bajo condiciones de flujo turbulento, es decir,

cuando se tienen altas velocidades de flujo.

Se dice que existe flujo turbulento cuando el número de Reynolds es mayor de 5000. El número

de Reynolds es un factor importante para el cálculo del flujo de fluidos o para cualquier análisis

de fenómenos referentes al flujo. El número de Reynolds es un término adimensional, cuyo valor

se determina en base a varios factores:

a) Diámetro de tubería

b) Viscosidad

c) Densidad del fluido y

d) Velocidad promedio del flujo

Estos cuatro factores al combinarse y alcanzar cierta magnitud, cambian las características del

flujo.

FLUJO LAMINAR


En condiciones ordinarias, el flujo se considera laminar cuando tienen números de Reynolds hasta

2100. El flujo turbulento es para números de Reynolds superiores a 5000. En la zona de

transición de 1200 a 5000, el flujo puede ser tanto laminar como turbulento. La velocidad del

fluido en la que el flujo deja de ser laminar y empieza la zona de transición, se llama velocidad crítica.

Pocas mediciones de flujo se hacen bajo condiciones de flujo laminar. Sin embargo, los elementos

para medir flujo laminar se diseñan para bajas diferenciales de presión, y ofrecen mayores

ventajas que los dispositivos para medición de flujo turbulento. Su rangeabilidad excede por un

factor de 25 sobre los dispositivos para medición de flujo turbulento (Rangeabilidad es la relación

entre los valores de más alto rango y más bajo rango).

Cuando se usan elementos para medición de flujo laminar, la rangeabilidad es de 100:1, ya que la

relación rango de flujo-presión diferencial es líneal y además se tienen una mayor precisión en el

rango diferencial, comparado con la precisión que pueden tener los elementos para medición de

flujo turbulento.

1.4 FACTORES QUE AFECTAN LAS CONDICIONES DE OPERACIÓN

El flujo o gasto es una variable importante en los procesos industriales sus unidades son: volumen

/ tiempo o masa / tiempo.

Esta variable requiere medirse por lo que se hace uso de medidores de flujo.

La medición tiene lugar a medida que el fluido circula a través de un ducto, los medidores de flujo

contribuyen más que cualquier otro tipo de instrumento de medición a la economía y eficiencia de

una planta.

De acuerdo con los principios de operación los medidores de flujo se clasifican en seis grupos:

1.- Volumétricos.

2.- Caída de presión en tuberías.

3.- Caída de presión en canales.

4.- Área variable.

5.- Velocidad y corriente.

6.- Masa.

Uno de los factores que hay que considerar es el rango de flujo requerido de operación: se debe

saber cuál es el rango de flujo normal esperado, así como tener una idea de los rangos de flujo

máximo y mínimo que se pueden tener. El método más común para la medición de flujo, es de

presión diferencial, es aplicable solamente para relaciones de flujo o rangeabilidad de 3:1 a 5:1.

Para registro e indicación, solamente se acepta una relación de 5:1. Para circuitos cerrados o de

control, la relación no debe ser mayor de 4:1, prefiriéndose una relación de 3:1.

Cuando se requiere una mayor rangeabilidad, es necesario conectar en paralelo dos o más

dispositivos de presión diferencial, o usar otro método en el que se pueda aplicar una mayor

rangeabilidad. Algunos dispositivos tienen rangeabilidades tan grandes como los dispositivos para

medición de flujo laminar (100:1).

Se deben conocer también las mediciones de presión y temperatura, para que sus efectos puedan

compensarse cuando lo requiera la medición.


Los efectos de corrosión también deben ser considerados, así como los fluidos sucios que

contienen sólidos en suspensión, polímeros, etc.

La viscosidad deberá ser tomada muy en cuenta. Algunos fluidos tienen o pueden tener

viscosidades suficientemente altas como para que su flujo sea siempre laminar; en este caso, no

es aconsejable un medidor de presión diferencial, a menos que se tenga un elemento para medición

de flujo laminar disponible.

1.5 MEDIDORES DE PRESION DIFERENCIAL

El método para medir rangos de flujo, utilizando medidores de presión diferencial es uno de los

más antiguos que se conocen. Usado extensivamente en la industria, destaca sobre los demás

métodos por su sencillez, precisión confiabilidad y relativa economía. Mide rangos de flujo

volumétrico; los rangos de flujo másico pueden calcularse si se conoce la densidad.

El principio de operación en que se basa este método, es que al tener una restricción en una

tubería por donde circula un fluido, se produce una presión diferencial a través del elemento

(restricción), la cual es directamente proporcional al flujo (Fig. 1). Esta proporcionalidad no es

lineal, sino que es una relación cuadrática, en donde el rango de flujo es proporcional a la raíz

cuadrada de la diferencial de presión. Las restricciones o elementos de flujo se diseñan de una

manera predeterminada, habiendo varios tipos, los cuales se analizan más adelante.

Las ecuaciones básicas en las que se basan las mediciones de flujo, parten del Teorema de Bernoulli, establecido en el siglo XVIII, y son las siguientes:

V = KF hm (1)

Q = KF A hm (2)

W = KF A hm/ρ (3)

FIGURA No. 1 (RESTRICCIÓN PARA MEDIDORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL)

Flujo turbulento

Flujo laminar


Donde:

V = Velocidad

Q = Rango de flujo volumétrico

W = Rango de flujo másico

A = Área transversal de la tubería

hm = Diferencial de presión medida a través del orificio

ρ = Densidad del fluido

KF = Constante que involucra la relación del área transversal de la tubería con el área

transversal del elemento, unidades de medición y factor de corrección.

La constante KF contiene varios factores determinados que afectan la medición de la presión

diferencial, tales como el tipo de dispositivo que se use, la temperatura y la presión de flujo, la

expansión o contracción del elemento a la temperatura de operación, el factor de compresibilidad,

velocidad de aproximación, etc..

La relación cuadrática que existe entre el rango de flujo y la presión diferencial para control o

lectura tiene tanto ventajas como desventajas. La segunda mitad de la escala proporciona buenas

lecturas, ya que es más amplia, mientras que la primera mitad proporciona una lectura mala, ya que

es más estrecha, se observa que un 50% de flujo produce solamente el 25% de la presión

diferencial total (es decir, 25% de la escala) y si se tiene un 10% de flujo, solamente se alcanza

un 1% de la escala. En otras palabras, la precisión y la lectura en la primera mitad de la escala son

malas.

Estas dificultades que se presentan en la primera mitad de la escala, no son a causa de la

diferencial de presión no corresponden al rango de flujo, sino porque las diferenciales de presión

bajas son difíciles de medir con exactitud cuando se emplean rangos diferenciales amplios. La

solución a este problema es, en algunos casos, usar más de un rango diferencial para cuando se

requieran mediciones con alto grado de exactitud.

Los medidores de flujo de presión diferencial se dividen en dos categorías:

a) Elementos primarios

b) Elementos secundarios

Los elementos primarios (orificios, venturis, toberas de flujo, etc.) son instalados para producir

una diferencial de presión, la cual es medida por elementos secundarios (manómetros, fuelles,

celdas de presión diferencial, etc.). En este curso, se estudiarán únicamente los elementos

primarios de medición de flujo.

1.6 CRITERIOS DE SELECCIÓN

En la selección del elemento primario más conveniente para cada caso particular, es necesario

tener presente siempre las siguientes consideraciones:

Las características físicas del fluido: El fluido a medir puede ser o no viscoso, llevar o no sólidos

en suspensión, ser líquido, vapor o gas, etc.


Los gastos mínimos, normales y máximos: Proporcionan los límites entre los cuales se puede

hacer la selección, ya que se tienen condiciones en que los mínimos o los máximos gastos a medir

limitan y obligan a usar determinado elemento primario.

La presión estática: La selección del rango diferencial está basada principalmente en la presión

estática del sistema. Elementos primarios que trabajen convenientemente con diferenciales de

presión pequeñas son, en muchos casos, factores determinados para una selección.

Las dimensiones de la tubería: Existen límites en los diámetros de las tuberías que impiden el

uso de ciertos elementos primarios.

Las pérdidas de presión permisible en el sistema: Generalmente se deben ajustar las pérdidas

de presión producidas por el elemento primario a un valor especificado que no se debe exceder.

Esto conduce en algunos casos a la selección de elementos primarios que provoquen caídas de

presión mínimas.

Como ayuda en la selección del elemento primario más conveniente para una aplicación particular,

la descripción de cada tipo, dada a continuación, es precedida por una recomendación general

concerniente a su uso.


La placa de orificio es el dispositivo medidor de flujo más usado entre los que provocan una caída

de presión. Consiste básicamente en una placa circular perforada, la cual se inserta entre bridas y

se acopla a la tubería y presenta una restricción (orificio), la cual genera una presión diferencial

que es proporcional al flujo. El flujo cuando interacciona con la restricción cambia su energía

potencial (presión) en energía cinética (velocidad) al pasar por la restricción. La trayectoria que

describe el flujo al pasar por el orificio, se conoce como vena contracta (Ver fig. 2).

El teorema que describe el funcionamiento de la placa de orificio es como ya dijimos el de

Bernoulli, donde se relaciona la energía potencial, la energía cinética y las pérdidas por fricción

del fluido con la tubería.

Existen tres tipos de placas de orificio:

a) Concéntricas

b) Excéntricas

c) Segmentadas

1.6.1 PLACA DE ORIFICIO CONCÉNTRICA

La placa con orificio concéntrico es la más común y sus materiales de fabricación son

generalmente:

a) Acero inoxidable clase 300 y 400

b) Monel

c) Inconel, etc.

El espesor de la placa de orificio es de 1/8 @ ½ pulgada o 0.3175 @ 1.27 cm. Para diámetros de

tubería de 1 ½ @ 12 pulgadas, normalmente el espesor de la placa es de 1/8” o 0.3175 cm; para

diámetros de tubería de 12 @ 14 pulgadas, el espesor de la placa será de ¼” o 0.6350 cm, y para

diámetros de tuberías superiores a 14” la placa deberá tener el espesor de ½” o 1.27 cm. En

términos generales, el espesor de la placa nunca deberá exceder los siguientes límites:

Vena contracta

FIGURA No. 2 (VENA CONTRACTA)


Di (4)

50

d (5)

8

(Di – d) (6)

8

Donde:

Di = Diámetro interno de la tubería

d = Diámetro del orificio

En caso de requerirse una placa con mayor espesor, por las condiciones de operación, se deberá de

biselar el orificio en el lado en que se encuentre la cara localizada corriente abajo. Esto se deberá

hacer de tal manera que entre el bisel y el eje de la tubería se forme un ángulo no menor de 45°.

El espesor “T” del bisel será de:

1/32 pulg. o 0.079375 cm, para líneas de 1 ½” a 3” de diámetro

1/16 pulg. o 0.15875 cm, para líneas de 3 ½” a 6” de diámetro

8 pulg. o 20.32 cm o mayores no es necesario biselar

La placa de orificio se monta en la tubería con el otro borde del orificio no biselado de frente al

flujo, para minimizar la fricción que provoca el paso del fluido a través de la restricción. El lado no

biselado de la placa, que se encuentra corriente arriba, deberá tener un perfil tan cuadrado y tan

afilado como sea posible.

Cualquier curvatura o redondeo que se le haga, no deberá exceder de un 0.025% del diámetro del

orificio, para asegurar una buena medición con un 0.1% de desviación. El perímetro de la placa que

se encuentra dentro de la tubería deberá ser liso, con 0.01 pulgadas por pulgada de radio o

0.0254 cm por cada 2.54 de radio.

La placa de orificio deberá centrarse con respecto a la tubería de manera que la excentricidad

sea menor que el 3% del diámetro de la tubería. El diámetro de tubería mínimo requerido para

poder instalar una placa de orificio es de ½” o 1.27 cm.

La relación que guardan el diámetro del orificio y el diámetro interno de la tubería, o sea “β”, no

deberá ser menor de 0.25 ni mayor de 0.7; para fines de mayor exactitud en la medición, los

límites deberán ser 0.5 y 0.65.

El limite máximo de uso de orificio es de 70 Kg/cm2 y/o 426°C . Para aceite y fluidos viscosos, se

usan únicamente orificios con β hasta de 0.50.

La placa de orificio tiene una saliente semirectangular en un lado. La cual en un lado, se usa como

placa de datos y además para sostener a la placa de orificio en su instalación entre bridas (Ver

Fig. 3).


En las siguientes figuras 4 y 5 se muestra un corte transversal para ver como se instala la placa

de orificio y un tramo de tubería en donde ya está instalada la placa.

FIGURA No. 3 (TIPOS DE PLACAS CONCÉNTRICAS)

FIGURA No. 4 (CORTE TRANSVERSAL)


Cuando la placa de orificio está localizada en una tubería en posición horizontal y el fluido a medir

es un líquido con vapor, se perfora un pequeño orificio de drenado en la parte superior de la placa,

y cuando el fluido es un vapor o gas con líquido, el orificio se perfora en la parte inferior de la

placa. El diámetro del agujero del dren depende del diámetro del orificio. Ver fig. 6

VENTAJAS

a) Bajo Costo

b) Fácil removimiento e instalación

c) Alta precisión

d) Se puede usar en un amplio rango de tamaños de tubería de proceso (de ½” a 72”)

e) Características de funcionamiento bien conocidas y predecibles

f) Uso probado por varios años de experiencia

g) Se puede construir en una gran variedad de materiales

h) No requieren calibración

DESVENTAJAS

a) Pérdida permanente de presión relativamente alta

b) Es inadecuada en la medición de fluidos con sólidos en suspensión

c) No conviene su uso en la medición de vapores que arrastran condensados (en tales casos

es necesario perforar un pequeño orificio de drenado en la parte inferior de la placa).

FIGURA No. 5 (TUBO DE MEDICIÓN)

flujo

FIGURA No. 6 (PLACA DE ORIFICIO CON DREN)


d) El comportamiento en su uso con fluidos viscosos es errático, pues la placa se calcula para

una temperatura y una viscosidad dadas, lo que significa que si hay cambios en la

temperatura, la medición resulta incorrecta.

e) Rangeabilidad de 3:1

f) Sus características pueden cambiar debido a la corrosión, erosión, etc.

g) La precisión en la medición depende del cuidado que se tenga durante la instalación.

1.6.2 PLACAS DE ORIFICIO SEGMENTAL

En este caso el área del orificio segmental (medio círculo) es equivalente al área del orificio

concéntrico (Fig. 7). El diámetro de la abertura mide generalmente el 98% del diámetro de la

tubería, La sección circular de la abertura debe ser concéntrica con la tubería. Este tipo de placa

de orificio debe estar perfectamente centrada respecto a la tubería, de tal manera que el orificio

de la placa no quede cubierto por las irregularidades que pueda tener la tubería. La placa de

orificio segmental tendrá las mismas especificaciones que la placa concéntrica de orificio en lo

que se refiere a espesor, biselado, cuadratura y partes planas.

VENTAJAS

a) Se usa cuando se requiere eliminar el estancamiento de materiales extraños, instalándose

con la secante en posición horizontal y la sección curva coincidiendo con la superficie

inferior de la tubería.

b) Se recomienda en tuberías horizontales que conducen vapor húmedo, líquidos conteniendo

sólidos en suspensión o aceites conteniendo agua. Si el orificio se localiza en una tubería

vertical, con el flujo en dirección hacia abajo, es preferible cambiar a orificio concéntrico,

debido a que en estas condiciones tiene mayor exactitud que el orificio segmental.

c) Cuando se requiera medir líquidos conteniendo gases o vapores en una tubería horizontal,

se puede usar el orificio segmental con la sección curva coincidiendo con la superficie

superior de la tubería. Si el orificio se localiza en una tubería vertical, con el flujo en

dirección hacia arriba, es mejor usar orificio concéntrico si se requiere de mayor

exactitud.

FIGURA No. 7 (PLACA DE ORIFICIO SEGMENTAL)


DESVENTAJAS

a) La placa con orificio segmental no debe usarse para medir líquidos conteniendo sólidos

muy viscosos o sólidos con densidades cercanas a la del fluido que se está manejando. Al

igual que el orificio concéntrico, el comportamiento en su uso con fluidos viscosos es

errático, pues como ya lo mencionamos las placas se calculan para una temperatura y

densidad dadas.

b) El error en la medición puede ser de 3 a 5 veces mayor que en la placa de orificio

concéntrico, ya que es difícil producir unidades de repuesto completamente idénticas,

para después reemplazar a otras.

1.6.3 PLACA DE ORIFICIO EXCÉNTRICA

Esta placa tiene un orificio perforado excéntricamente, el cual es tangente a la superficie

superior de la tubería cuando el fluido es un gas, y tangente a la superficie interior cuando es un

líquido (Fig. 8).

Cuando se tienen vapores o gases con pequeñas cantidades de líquidos, el orificio se perfora en la

parte inferior de la placa, y cuando se tienen líquidos con pequeñas cantidades de gases, el orificio

se perfora en la parte superior de la placa para drenar. El diámetro del orificio es igual al 98% del

diámetro de la tubería. Las especificaciones del espesor, biselado, cuadratura y partes lisas,

serán las mismas que aplican a orificios concéntricos.

Este tipo de placa tiene las mismas ventajas y desventajas que la placa con orificio segmental;

pero excepto que no permite drenar libremente. El orificio excéntrico se emplea en donde el

espesor de las bridas no permite la instalación de las tomas de presión tan cerca del orificio de la

placa, como en el concéntrico. En casos especiales para prevenir sedimentaciones enfrente de

este elemento primario, se recomienda el uso de este orificio.

FUGURA No. 8 (PLACA DE ORIFICIO EXCÉNTRICO)


TOMAS DE PRESION

La posición y distancia de las tomas de presión, dependen del fluido a medir y de la forma de la

vena contracta que se forma cuando el fluido pasa a través del orificio. El punto de alta presión se

puede localizar desde varios diámetros de tubería hasta pocos milímetros antes de llegar a la

placa de orificio. El punto de baja presión tiene una localización que varía en función de = d/Di, y

para la mayoría de las aplicaciones se encuentra entre 0.35 y 0.85 diámetros de la tubería.

Existen 5 localizaciones axiales para la toma, que son:

a) Tomas en brida

b) Tomas en esquina

c) Tomas en vena contracta

d) Tomas de radio

e) Tomas en tubería

TOMAS EN BRIDA

Estas tomas son las más utilizadas para tuberías de 2” o 5.08 cm y mayores. Estas tomas las

proporciona el fabricante de las bridas a una pulgada o 2.54 cm antes y después de la placa. No

son adecuadas para tuberías menores de 2” o 5.08 cm, ya que la vena contracta se puede formar a

menos de 1” o 2.54 cm corriente abajo.

TOMAS EN ESQUINA

Estas tomas son muy similares a las tomas en brida, excepto que la presión se mide en la esquina,

entre la placa de orificio y la pared de la tubería. Este tipo de tomas se puede hacer en todos los

tamaños de tubería. Su principal inconveniente son los espacios tan pequeños de medición, los

cuales se pueden tapar fácilmente.

TOMAS EN VENA CONTRACTA

Cuando las tomas de presión son del tipo venas contracta, las tomas de alta presión se localizan

aproximadamente a un diámetro de la tubería alejada de la placa y de medio a un diámetro nominal

de la tubería en el lado de baja presión.

TOMAS DE RADIO

Son una aproximación de las tomas de Vena Contracta. La toma de alta presión se localiza a un

diámetro corriente arriba y la toma de baja presión se localiza a un radio (medio diámetro)

corriente abajo de la placa.

TOMAS EN TUBERÍA

Para tomas en tubería, las tomas de presión se localizan a dos y media veces el diámetro nominal

de la tubería para alta presión y 8 veces el diámetro nominal de la tubería para baja presión.

Estas tomas normalmente no se usan, con excepción en donde sea necesario instalar una placa de

orificio en una tubería ya existente o no se puedan utilizar la toma de radio o de vena contracta.

Generalmente el tamaño de las tomas es de ⅛”, ¾” y ½” o 0.3175, 1.905 y 1.27 centímetros.

En tuberías horizontales, para medir líquidos, las tomas de presión deberán localizarse

perpendicularmente a la superficie del suelo, y para medir flujo de gases la toma deberán

localizarse paralelamente a la superficie del suelo. En la (Fig. 9) se muestran algunos ejemplos de

las diferentes tomas como las de bridas, en vena contracta, en tuberías, etc. Para placas de

orificio es excelente una localización de tomas a medio diámetro de la tubería del lado de baja

presión. Para tomas en orificios excéntricos y segmentales, únicamente se usan las conexiones

tipo vena contracta y tomas en las bridas, de las cuales la primera es la más ampliamente usada.


En la mayoría de las relaciones de diámetros, cualquier punto entre esta localización y la cara

inmediata del elemento primario, proporciona buena medición sobre relación de diámetros. Ya que

en ocasiones no se dispone de un suficiente tramo de tubería recta antes de las placa por

limitaciones del espacio donde se instalará la misma, es conveniente utilizar linearizadores de

flujo (venas rectificadoras, venas correctoras) (Fig. 11), los cuales nos permiten reducir el número

de diámetros de tubería recta antes de la placa.

FIGURA No. 9 (DIFERENTES TIPOS DE TOMAS)

Tomas en tubería


LOCALIZACIÓN DEL TRAMO DE TUBERÍA RECTA NECESARIA EN LA

INSTALACIÓN DE ELEMENTOS PRIMARIOS DE FLUJO

Con la finalidad de evitar errores que resultan de la perturbación de la trayectoria del flujo

debido a válvulas, conexiones, etc., se recomienda un tramo de tubería recta sin obstáculos antes

y después del elemento primario de flujo. La longitud requerida depende de la relación β y de la

intensidad de la perturbación del flujo.

Por ejemplo, la distancia mínima recomendada para una válvula de estrangulamiento y una relación

β de 0.75 es de 45 diámetros de tubo desde la placa de orificio aguas arriba. Para un solo codo y

la misma la distancia mínima sería solamente de 17 diámetros de tubo. La figura 10, da los

valores mínimos requeridos para diferentes perturbaciones antes del elemento primario.

A título orientativo se puede decir que si no hay válvulas, termopozos u otros dispositivos

insertados en la tubería próximos a la placa de orificio bastará una longitud recta equivalente a 5

diámetros después de la placa y de 25 diámetros antes.

Procedimiento para la determinación de la tubería recta necesaria:

1. Encontrar el dibujo que represente físicamente la instalación.

2. Observar que las longitudes están representadas por letras.

3. Localizar la relación del orificio estimada (relación de diámetros β)


FIGURA No. 10 (CRITERIOS PARA INSTALACIÓN DE PLACAS DE ORIFICIO)


La placa de orificio debe diseñarse para producir una diferencial de presión del orden de 100

pulgadas de agua o 254 cm de agua. Sin embargo, generalmente se tienen valores de 20, 50, 100,

200 y 250 pulgadas de agua o 50.08, 127, 254, 508 y 635 cm de agua.

TIPICOS DE INSTALACIÓN

Son diagramas (dibujos) (Fig. 12) que consisten en mostrar la forma física de instalar los

instrumentos y la manera de cómo se conectan al proceso, indicando en cada caso, los materiales

que son necesarios adquirir para su instalación. En los típicos de instalación también se deberá de

mostrar el suministro de aire y conexión de señales.

Figura No. 11 (Linearizadores de flujo)

FIGURA No. 12 (TIPICO DE INSTALACIÓN DE UNA PLACA DE ORIFICIO)


INTERCAMBIO DE LAS PLACAS DE ORIFICIO

En muchos servicios industriales, las variaciones de flujo son tan grandes que las placas de orificio

necesitan cambiarse con frecuencia para mantener la presión diferencial dentro de los límites

razonables del medidor. No obstante que la placa de orificio es la más fácil de cambiar de todos

los elementos primarios, es sin embargo, imposible hacer este cambio sin tener que interrumpir el

flujo en la línea.

Cualquier mecanismo de montaje que haga posible este cambio, sin suspender el paso del flujo en

la línea es de un valor incalculable, se muestran en Fig. 13 con detalle tres tipos más usados.

En bridas Bridado y soldado Soldados los dos extremos

FIGURA No. 13 (DIFERENTES MECANISMOS PARA CAMBIO RÁPIDO DE PLACAS DE ORIFICIO)


PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR EL DIÁMETRO INTERNO DE LA PLACA DE

ORIFICIO

A continuación se describirá el procedimiento para dimensionar placas de orificio para la medición

de:

Líquidos

Vapor de agua

Gases

1.- Método para obtener el diámetro de la placa de orificio para medición de líquidos

Para flujo en masa:

W

Kβ2 = Sistema Inglés ( 1 )

2837 Fa Di2 √hm Gf

W

Kβ2 = Sistema Internacional ( 2 )

125.4 Fa Di2 hm Gf

Para flujo Volumétrico:

q

Kβ2 = Gf/hm Sistema Inglés ( 3 )

5.674 Fa Di2

7.976 q

Kβ2 = Gf/hm Sistema Internacional ( 4 )

Fa Di2

1. Con el diámetro nominal y la cédula en la tabla 3, obtengo el diámetro interior de mi

tubería (Di2).

2. Con el material de la placa y la temperatura de operación en la tabla 1, obtengo Fa.

Se calcula el número de Reynolds (RD)

3160 q Gf

RD = Sistema Inglés ( 5 )

Di µ


35343 q Gf

RD = Sistema Internacional ( 6 )

Di µ

3. Con los valores de Kβ2 y RD se determina el factor β en las gráficas de la 1 a la 8.

4. Con el valor de β se obtiene el diámetro de la placa de la siguiente relación:

β = d / Di ( 7 )

d = β Di Sist. Ingles ( 8 )

d =(βDi)10 Sist. Internacional ( 9 )

PROBLEMAS

1.- Calcular el diámetro de una placa de orificio para medir el flujo de un líquido con las siguientes

condiciones de operación:

Datos Sist. Internacional Sist. Ingles

Flujo máximo (q) 63.602 m3/hr 280 GPM

Presión de operación (P1) 17.577 Kg/cm2 250 lb/plg2

Temp. de operación (T) 54°C 129.2°F

Densidad relativa (Gf) 0.92 0.92

Viscosidad ( µ) 0.7 cps. 0.7 cps.

Dif. De presión (hm) 203.2 cm H2O 80 pg H2O

Diámetro nominal (D) 15.24 cm cedula 80 6” cedula 80

Material de la placa Acero inox. 316 Acero inox. 316

Con la temperatura de operación y el material de la placa en la tabla 1 obtengo Fa.

Fa = 1.001

Con el diámetro nominal y la cédula en la tabla 3 obtengo el Diámetro interno

Di = 5.761 Sist. Inglés Di2 = 33.19 pulg.2

a) Utilizando el Sistema Ingles se determina el factor Kβ2. para gasto volumétrico.


280

Kβ2 = 0.92 Sistema Inglés

5.674(1.001)(33.19) 80

Kβ2 = 0.15928

b) Se determina el número de Reynolds RD

3160 (280) (0.92)

RD = Sistema Inglés

(5.761)(0.7)

RD = 201853.84

c) Se determina β = d / Di

Con los valores de Kβ2 y RD en las gráficas de la 1 a la 8, se obtiene β.

Β = 0.512

Ya con este valor calculo el diámetro de la plac

β = d / Di

d = β Di = 0.512 (5.761) = 2.949 plg.

2. Calcular el diámetro de una placa de orificio para medir el flujo de agua de enfriamiento bajo

las siguientes condiciones de operación:

Datos Sist. Internacional

Flujo máximo (q) 20000 m3/hr

Presión de operación (P1) 4.2 Kg/cm2 manométricas

Temp. de operación (T) 32°C

Densidad relativa (Gf) 0.996

Viscosidad ( µ) 0.81 cps.

Dif. De presión (hm)

Factor de comprensibilidad 1.0

Material de la placa Acero inox. 316

Diámetro nominal de la tubería

Diámetro interior de la línea (Di) 1206.5 mm


Fa = 1.000

Di = 1206.5 mm = 120.65 cm Sist. Internacional Di2 = 14556.4225 cm2


a) Utilizando el Sistema Int. se determina el factor Kβ2. para gasto volumétrico.

7.976(20000)

Kβ2 = 0.996 Sistema Internacional

(1.000)(14556.4225) 750

Kβ2 = 0.3993


35343(20000) (0.996)

RD = Sistema Inter..

(120.65)(0.81)

RD = 7204111.065



Β = 0.748

Ya con este valor calculo el diámetro de la placa

β = d / Di

d = β Di = 0.748 (120.65) = 90.24 cm.


2.- Método para obtener el diámetro de la placa de orificio para medición de vapor de agua:

Para flujo en masa:

W

Kβ2 = Ve / 0.016 Sistema Inglés ( 10 )

2837 Fa Di2 hm

W

Kβ2 = Ve / 0.016 Sistema Internacional ( 11 )

990 Fa Di2 hm

Para flujo volumétrico:

q

Kβ2 = 0.016 / Ve Sistema Inglés ( 12 )

5.674 Fa Di2 hm

62.98 q

Kβ2 = 0.016 / Ve Sistema Internacional ( 13 )

Fa Di2 hm

Se calcula el número de Reynolds (RD)

6.316 W


Di µ

35.3 W


Di µ

1. Si no me dan de dato la viscosidad absoluta, con la presión y la temperatura, en la gráfica

27 obtengo la viscosidad absoluta para vapor de agua. El número de Reynolds está en

función de la viscosidad absoluta y no de la viscosidad cinemática.

µ abs. = ( µ cinemática ) ρ


ρ = densidad del vapor en ( lb / pie3 ) ; ( g / cm3 )

2. Si la densidad no la tengo, con la presión absoluta y la temperatura en °F, en la tabla 10 la

obtengo:

3. Se determina β = d / Di en gráficas 2 a la 8 conociendo Kβ2 y RD ; despejo y obtengo el

diámetro de la placa.

PROBLEMAS

Calcular el diámetro de una placa de orificio para medir el flujo de vapor de agua con las

siguientes condiciones de operación:


Flujo máximo (w) 14545.45 Kg/hr 32000 lb/hr

Presión de operación (Pf) 41.42 Kg/cm2 abs. 589.2lb/plg2 abs.

Temp. de operación (T) 311.5°C 589.5°F

Densidad 0.017015 g/cm3 1.062 lb/pie3

Viscosidad absoluta ( µ) 0.025 cps. 0.025 cps.

Dif. De presión (hm) 228.6 cm H2O 90 pg H2O

Diámetro nominal (D) 15.24 cm cedula 40 6” cedula 40

Material de la placa Acero inox. 316 Acero inox. 316

Peso molecular (M) 18 18

Volumen específico (Ve) 58.77 cm3/gr 0.941 pie3/lb


Fa = 1.011

Di = 15.405 cm Di2 = 237.317 cm2 Sist. Internacional

a) Utilizando el Sistema Int. se determina el factor Kβ2. para gasto másico.

14545.45

Kβ2 = 58.77 / 0.016

990(1.011)(237.317) 15.117

Kβ2 = 0.245



(35.3)(14545.45)

RD =

(15.405)(0.025)

RD = 1333214.891



Β = 0.66


β = d / Di

d = β Di = 0.66 (15.405) = 10.167 cm.

Calcular el diámetro de una placa de orificio para medir el flujo de vapor de agua con las


Datos Sist. Inglés

Flujo máximo (w) 11113 lb/hr

Presión de operación (Pf) 250 lb/pulg2 man.

Temp. de operación (T) 590°F

Densidad a cond. Op. Gf 0.62

Viscosidad absoluta ( µ) 0.0223 cps.

Dif. De presión (hm)

Diámetro nominal (D) 4 pulg. cedula 40

Material de la placa Acero inox. 316

Peso molecular (M) 18

Volumen específico (Ve) 0.941 pie3/lb


Fa = 1.010

Di = 4.026 plg Di2 = 16.21 pulg2 Sist. Inglés

a) Utilizando el Sistema Int. se determina el factor Kβ2. para gasto másico.


11113

Kβ2 = 0.941 / 0.016

2837(1.010)(16.21) 100

Kβ2 = 0.183


(6.316)(11113)

RD =

(4.026)(0.0223)

RD = 781798.4446



Β = 0.535


β = d / Di

d = β Di = 0.535 (4.026) = 2.153 pulg.


3.- Método para obtener el diámetro de la placa de orificio para medición de gases:

1. Para gases perfectos (peso molecular conocido)

q

Kβ2 = MTF / hmPf Sistema Inglés ( 16 )

707 Y Fa Di2

q

Kβ2 = MTF / hmPf Sistema Internacional ( 17 )

5.476 Y Fa Di2

Para gases perfectos (densidad estándar conocida )

q

Kβ2 = ρEST TF / hmPf Sistema Inglés ( 18 )

35.95 Y Fa Di2

q

Kβ2 = ρEST TF / hmPf Sistema Internacional ( 19 )

5.476 Y Fa Di2

El factor de expansión del gas (Y), está en función de la relación de calores específicos (K = Cp/Cv), y de la caída de presión en la placa hm. Para obtener (Y) se evalúa la relación de calores específicos K en la gráfica 11.

Se calcula la relación hm /KR. R es la presión corriente arriba de la placa, en las mismas unidades que hm.

En la gráfica 12 se localiza hm/R, se busca la intersección con alguna recta que tenga una β entre 0.5 y 0.65, tratando de encontrar a la vez un valor de Y muy cercano a la unidad en el eje de las ordenadas.

Si el valor de Y no se acerca a 1.0, se escoge un valor de hm más bajo tomando en cuenta la siguiente ecuación:

hm < 2 % P1 ( 20 )

M 14.7 lb / plg2 Abs.

ρEST = Sistema Inglés ( 21 )

(10.72) (520) °R


M 1.033 Kg / cm2 Abs.

ρEST = Sistema Internacional ( 22 )

(84.8) (288.5) °K

Si el gas no es perfecto a las condiciones estándar, la ρEST será afectada por el factor de

compresibilidad Z.

M 14.7 lb / plg2 Abs.

ρEST = en (lb/pie3) Sistema Inglés ( 23 )

(10.72) (520°R) (Z)

M 1.033 Kg / cm2 Abs.

ρEST = en (g/cm3) Sistema Internacional ( 24 )

(84.8) (288.5°K) (Z)

El factor de compresibilidad Z está en función de la presión reducida Pr y de la temperatura

reducida Tr del gas.

Pf

Pr = ( 25 )

Pc

Tf

Tr = ( 26 )

Tc

Calculados los valores de Pr y Tr con las gráficas 16 y 17, se obtiene el factor de compresibilidad

Z para gases no perfectos.

2. Se calcula RD.

6.316 W


Di µ

35.3 W


Di µ

µ = Viscosidad absoluta en centipoises (cps), si no se da de dato se obtiene de la siguiente manera:


La viscosidad para gases a bajas presiones se obtiene a partir de la tabla 9 y de la gráfica 25.

Se busca en la tabla 9 el fluido gaseoso del que se trate y se toma nota de las coordenadas X y Y,

se transfieren los valores de las coordenadas ( X,Y) a la gráfica 25, para obtener un punto. Se

traza una línea recta que una al punto localizado con la temperatura de operación (escala extrema

izquierda), prolongando dicha recta hacia la derecha hasta cruzar la escala de viscosidad, el punto

que se obtenga será la viscosidad del gas en centipoise.

Si el gas se encuentra a una presión elevada, se hará una corrección por viscosidad con respecto a

la presión atmosférica en la gráfica 26. Los valores de Pr y Tr se obtienen a partir de los valores

críticos Pc y Tc de la tabla 7.

La viscosidad corregida para el gasa será:

µ = (µ de la gráfica 25 ) ( Factor de corrección de la gráfica 26 ) ( 29 )

3. Con los valores de Kβ2 y RD se determina el factor β en las gráficas de la 1 a la 8.

d = β Di Sistema Inglés ( 30 )

d =(β Di) 10 Sistema Internacional ( 31 )

PROBLEMAS

Calcular el diámetro de una placa de orificio para medir el flujo de gas hidrocarburo con las



Fluido Metano Metano

Flujo máximo ( q ) 400 m3EST/min 14125.790 pie3

EST/min

Flujo normal 380 m3EST/min 13419.5 pie3

EST/min

Presión de operación P1 20 Kg/cm2 284.46 lb/pg2

Temperatura de operación 7.22°C 45°F

Peso molecular M 16.04 16.04

Viscosidad absoluta 0.011 cps. 0.011cps.

Presión diferencial hm 228.6 cm H2O 90 pg H2O

Diámetro nominal 15.24 cm CED. 40 6 pg CED 40

Material para la placa Acero inox. 304 Acero inox.304

Con el diámetro nominal y la cédula en la tabla 3 obtengo el Diámetro interno y con la temperatura

de operación y el material de la placa en la tabla 1 obtengo Fa.


Calcular el diámetro de una placa de orificio para trabajar bajo las siguientes condiciones de

operación:

Datos Sist. Internacional

Fluido Gas

Flujo máximo ( q ) 350000 m3/hr

Flujo normal 244463 m3/hr

Presión de operación P1 21.4 Kg/cm2 manométricas

Temperatura de operación 58°C

Peso molecular M 31.42

Viscosidad absoluta 0.021 cps.

Presión diferencial hm

Diámetro interior de la línea ( Di ) 593.725 mm

Material para la placa Acero inox.



La tobera de flujo consiste en una restricción compuesta por un cono elíptico que termina en

forma tangencial con un cilindro o garganta. Las tomas de presión están localizadas un diámetro

corriente arriba y medio corriente debajo de la cara de la tobera. (Fig. 14)

La tobera de flujo deberá emplearse cuando se cumpla la siguiente desigualdad:

Wg

>

140

Di2

hm

Para el sistema Métrico:

Wg

>

48.85

Di2

hm

Donde:

Wg = Flujo másico, en lb/hr. o en Kg/hr.

Dí . = Diámetro interno de la tubería, en pulg. o en cm = Densidad del fluido, en lb/pie3 o en g/cm3

hm = Diferencial de presión, en pulg. o en cm de agua

FIGURA No. 14 (TOBERA DE FLUJO)


La relación que guardan el diámetro de la tobera y el diámetro interno de la tubería, o sea , no

deberá ser menor a 0.4 ni mayor a 0.65, si se requiere buena precisión en la medición. Para fines

de mayor exactitud en la medición, los límites deberán ser 0.5 y 0.65.

La diferencial máxima del dispositivo medidor “hm”, se determina de tal manera que se obtenga un

valor para el coeficiente de dimensionamiento, “S”, comprendido entre 0.09 y 0.55 (generalmente

hm tiene valores de 20, 50, 100, 200 y 250 pulgadas de agua o 50.08, 127, 254, 508 y 635 cm de

agua). La pérdida de presión provocada por la tobera es del 35 al 90%, y la exactitud es del orden

de +/- ¼ % a +/- 3%.

La salida o lado de descarga de la tobera, normalmente se bisela y es uno de los puntos más

críticos para los fabricantes. En donde se junta el ángulo posterior de 10° con el diámetro de la

garganta, el borde debe ser afilado. En forma particular, se debe tener cuidado de evitar la

conicidad y dejar fuera de redondez la garganta (para dar mayor precisión).

Las toberas se usan en donde la instalación de una placa de orificio pudiera estar limitada. Las

toberas se usan también para condiciones de flujo de vapor o líquido por encima de 70 Kg/cm2 y/o

426 °C. La tobera de flujo por si sola se presta muy bien para la medición de gases húmedos, tal

como vapor casi saturado con condensado en suspensión.

Si el vapor es seco o tiene sobrecalentamiento, entonces el uso de la tobera no será necesario a

menos que haya otra condición que la requiera. La tobera de flujo se hace de distintas formas, la

más común es la del tipo bridada pero otras son: con soporte de anillo del tipo soldable y del tipo

de tomas de presión en la garganta; sin embargo las tomas de medición de la presión diferencial se

localizan comúnmente sobre la tubería, un diámetro corriente arriba y 0.5 diámetros corriente

abajo como se muestra en la figura No. 15a, 15b y 15c


En la figura 15a, se muestra la tobera con bridas. Para líneas de 16” de diámetro, se dispone de

bridas y la instalación se simplifica.

En la figura 15b, se muestra la tobera con anillos de soporte. Donde no se cuenta, o no se pueden

instalar bridas, se recomiendan las toberas con anillo de soporte.

Las toberas soldables, son un caso similar al anterior, pero la soldadura sustituye al anillo de

soporte.

Las toberas con tomas en la garganta se usan con tomas en la pared el tubo y en la garganta como

se ilustra en la figura 15c.

Las pequeñas gotas transportadas en suspensión en una corriente de gas, pueden ejercer un

considerable efecto erosivo, y la superficie curvada en el frente de la tobera protege a este

dispositivo contra esa acción.

TOMAS DE PRESION DIFERENCIAL

FIGURA No. 15c

FIGURA No. 15b

FIGURA No. 15a


La tobera de flujo se puede utilizar para medir fluidos con altas velocidades; esta condición se

encuentra a menudo, cuando la capacidad de la planta aumenta sin hacer los cambios adecuados en

la tubería.

También en aquellos casos donde se produce vapor a altas temperaturas, hay una tendencia a

limitar el diámetro de la tubería al mínimo a causa del alto aumento del costo del tubo para altas

temperaturas. De lo anterior se ve que la tobera tiene sus ventajas para la medición de flujo de

vapor para velocidades y temperaturas elevadas.

Las toberas se pueden fabricar de cualquier material que pueda ser maquinado; típicamente se

fabrican de acero inoxidable o de acero al cromo molibdeno.

Las toberas de flujo se hacen de distintas formas; la más común es la del tipo bridada, pero otras

son con soporte de anillo, del tipo soldable y del tipo de tomas de presión en la garganta.

VENTAJAS

a) Pérdida de presión permanente menor que la placa de orificio, debido a su entrada

hidrodinámica.

b) Puede ser construida con gran variedad de materiales

c) Se puede usar con dispositivos secundarios de presión diferencial

d) Las toberas normalmente se usan para medir flujos de vapor y otros fluidos de alta

velocidad donde la erosión puede ser un problema

e) Para fluidos no-homogéneos, la tobera de flujo es preferible a la placa de orificio, pero no

debe usarse si existen grandes cantidades de sólidos

f) La Tobera maneja del 60 al 65% de flujo más que la placa de orificio, con el mismo

diámetro y generando la misma diferencial de presión

DESVENTAJAS

a) La tobera de flujo no es aconsejable para fluidos con grandes cantidades de sólidos

b) Uso limitado en tuberías mayores de 48” o 121.92 cm

c) Es más costosa que la placa de orificio


El tubo vénturi consiste de una sección de entrada cónica convergente a través de la cual el flujo

va aumentando su velocidad y disminuyendo su presión; una garganta cilíndrica, en donde se

efectúa la medición de la presión mínima y un cono divergente en el cual disminuye la velocidad del

fluido y aumenta la presión (Fig. 16).

El tubo de venturi consiste de:

1. Una sección de entrada recta del mismo diámetro que el tubo en la cual se localiza la

toma de alta presión

2. Una sección de entrada cónica convergente.

3. Una garganta cilíndrica donde se localiza la toma de baja presión.

4. Un cono divergente de recuperación en el que la velocidad disminuye.

En el tubo vénturi, la localización de la toma de alta presión está un diámetro de tubería arriba

del cono de entrada, y la toma de baja presión se localiza en el centro de la garganta como se

muestra en la (Fig. 17a y b).

FIGURA No. 16 (TUBO VENTURI)

FIGURA No. 17 (TOMAS DE PRESIÓN DEL VENTURI)


Estos tubos se caracterizan porque presentan un contacto continuo entre el flujo y su superficie,

en contraste con la línea de contacto entre el flujo y la placa de orificio. Es importante mencionar

que el acabado de la superficie puede presentar efectos significativos en la medición. El tubo de

venturi se recomienda principalmente donde se requiere el máximo de exactitud en la medición de

fluidos altamente viscosos y cuando las circunstancias obligan a mantener una mínima caída de

presión. Debido a que el vénturi no presenta esquinas agudas, no existen cambios abruptos, por lo

que es aconsejable usarlo para fluidos sucios, líquidos con vapores o gases, o gases o vapores con

líquidos. La pérdida de presión diferencial es una de las más bajas, siendo del orden de 10 a 25%,

con lo que ahorra una gran cantidad de energía.

En el vénturi, el ángulo de convergencia del cono de entrada es de 19° a 23°, la garganta cilíndrica

Tiene una longitud igual al diámetro de la tubería y el ángulo del cono de salida varia de 7.5° a 15°

o más, dependiendo de la recuperación de presión que se requiera. El vénturi con ángulo de salida

de 7.5 se conoce como vénturi de cono largo, y el de 15° como vénturi de cono corto. No se

recomiendan ángulos de salida mayores de 15°, ya que es menor la recuperación de presión.

Cuando se dispone de poco espacio, es conveniente usar un vénturi de cono de salida truncado a

75%. La exactitud del vénturi es del orden de +/- ¼% a +/-3% y depende en gran parte de la

viscosidad del fluido, debido a la gran área de contacto, siendo inexactas las mediciones para

fluidos muy viscosos.

Los materiales de construcción son:

a) Ac. al carbón

b) Ac. inoxidable

c) Fibra de vidrio

Los tamaños comerciales son de 1 a 48 pulgadas de diámetro. La relación que guardan el diámetro

de la garganta del vénturi y el diámetro interno de la tubería, o sea” ”, no deberá ser menor a 0.4

no mayor a 0.65, si se quiere buena precisión en la medición. Para fines de exactitud en la

medición, los límites deberán ser 0.5 y 0.65.

VENTAJAS

a) Pérdida permanente de presión muy pequeña

b) Maneja fluidos con sólidos en suspensión, y en general, fluidos sucios

c) Materiales de fabricación muy diversos

d) Características bien establecidas

e) El coeficiente de flujo del vénturi está menos afectado por una disminución del número de

Reynolds, en comparación con la tobera y la placa de orificio. De esta manera, existe

mayor exactitud en la medición de rangos de flujo amplios.

DESVENTAJAS

a) Costo muy alto

b) No se recomienda en diámetros de tubería inferiores a 6” o 15.24 cm

c) Es más voluminoso.

d) Difícil de construir (particularmente para fabricación en serie)

Un tubo de Venturi se puede instalar en cualquier posición para adecuarse a los requerimientos de

la aplicación y tubería. La única limitación es que con líquidos, el tubo de Venturi siempre debe

estar lleno.


El tubo Pitot mide la velocidad del fluido en un punto de la tubería. Esta medición se logra

chocando el orificio de presión de impacto directamente en la línea de flujo y el orificio de

presión estática a 90° con respecto al orificio de impacto (Fig. 18). La presión diferencial que se

obtiene entre estos dos orificios es proporcional a la velocidad.

La cantidad total de flujo que pasa por el Tubo Pitot se obtiene en forma calculada, a partir de la

relación velocidad promedio de flujo (V) a velocidad en el punto en que se desea la medición (Vc).

Cuando se ha instalado un tramo de tubería recto y suficientemente largo corriente arriba del

tubo (50 o más diámetros de tubería). La velocidad promedio se obtiene aproximadamente a un

30% del radio de la tubería a partir de la pared de la tubería. Sin embargo, la distribución de la

velocidad cambia con el número de Reynolds, que es función de la velocidad.

La excesiva aspereza de la tubería puede provocar un incremento en la velocidad al centro cuando

se tienen números de Reynolds altos.

Los dispositivos tal como el tubo Pitot y el tipo Annubar, desarrollan señales de presión de

magnitudes relativamente pequeñas comúnmente como máximo de unas cuantas pulgadas de agua.

Por esto, la presición de las mediciones de régimen de flujo pueden ser muy pobres a menos que se

usen los componentes apropiados para el acondicionamiento de la señal y de lectura, como se

muestra en la (fig. 19).

FIGURA No. 18 (TUBO PITOT)


Con fluidos no corrosivos, se pueden usar los strain gauges o los transductores de presión

diferencial. Los transductores se pueden obtener con una variedad de rango de operación,

típicamente con +- 1 psi ( 6.9 KPa ) para un nivel de 5000 psi.

Las salidas son de alrededor de 5 mV/volt de excitación la cual puede ser CA o CD. Cuando se

excita con 10 V CD y se envía a un amplificador de alta impedancia con alta ganancia con un

oscilógrafo de lectura, la salida del transductor se puede solucionar con alrededor de 2

microvolts. Puede ser necesario un filtro para suprimir las variaciones de alta frecuencia en la

entrada del amplificador causadas por la turbulencia del flujo en el detector.

Las aplicaciones especiales del tubo Pitot incluye el Pitot-Venturi, el propósito de estos diseños es

el de aportar una presión diferencial mayor a la producida por la presión de impacto solamente. La

necesidad de estos dispositivos especiales ocurren en flujos de baja velocidad en donde la presión

diferencial sería pequeña.

El coeficiente de dimensionamiento “S” del Tubo Pitot se obtiene con la siguiente ecuación:

S = Kp V

VC

FIGURA No 19 (INTRUMENTACION NECESARIA PARA LA MEDICION

PRECISA DE PRESION Y PRESION DIFERENCIAL)


Donde V es la velocidad promedio del flujo, y VC es la velocidad al centro y kp es el coeficiente del

Tubo Pitot. Este coeficiente depende completamente de la diferencial de presión de diseño para

el Tubo Pitot. El valor de kp generalmente es suministrado por el fabricante, siendo el valor más

comercialmente usado el de 0.825.

VENTAJAS

a) Fácil de instalar

b) Es conveniente cuando se quieren mediciones comparativas

c) Se usa en conductos no circulares, aire acondicionado, etc.

DESVENTAJAS

a) No es un elemento de buena exactitud (+/- ½% @ +/- 5%), debido a que sólo mide la

presión de velocidad en un punto, y el perfil de velocidad de un fluido en una tubería no es

constante.

b) Se recomienda siempre y cuando el fluido esté limpio, la línea sea grande y la velocidad

sea alta.

c) Para obtener resultados consistentes, el Tubo Pitot, debe estar precedido por 20 o más

diámetros de tubería recta y uniforme.

d) Esta propenso a la contaminación y obstrucción.


El Annubar es un elemento primario de flujo diseñado para producir una presión diferencial que es

proporcional al flujo. El Annubar se utiliza para medir líquidos, gases y vapor en tubos, chimeneas

o ductos rectangulares. Los tamaños de línea están disponibles desde 25 mm a 9 metros.

El Annubar (Fig. 20), es un elemento sencillo, de diseño único, se basa en la ecuación de flujo

fundamental de Bernoulli. Las partes que comprenden el Annubar son:

a) Sensor de alta presión, compuesto por cuatro puertos de impacto localizados

directamente en la línea de flujo, los cuales sensan la presión de impacto, causada por la

velocidad del fluido, en las 4 secciones transversales por donde pasa el flujo.

b) Un tubo interpolador, insertado dentro del sensor de alta presión, el cual transmite

continuamente el promedio de la presión de impacto, detectada por los cuatro puertos

sensores, del lado de alta presión del dispositivo de presión diferencial. La presión de

impacto es la suma de la presión, debida a la velocidad del fluido, más la presión estática

de la línea.

c) Un puerto posterior en dirección corriente abajo, que sensa la baja presión. La diferencia

entre la alta presión que viene del tubo interpolador, y la baja presión, que viene del punto

posterior, es proporcional al rango de flujo.

FIGURA No. 20 (MEDIDOR DE FLUJO TIPO ANNUBAR)


El sensor aguas arriba se puede voltear estando en servicio, permitiendo la remoción de los

sólidos acumulados en las perforaciones sensibles, eliminando con esto la necesidad de purga en

algunas aplicaciones. Tienen una señal de salida que es de raíz cuadrada la cual es compatible con

la instrumentación estándar de flujo. Se usa para indicación registro o control; se aplica a

diferenciales de presión, totalizadores, manómetros y computadores de flujo.

VENTAJAS

a) Casi no presenta pérdidas de presión (del 2% al 3% de la diferencial de presión).

b) Fácil instalación

c) Bajo costo, comparado con una placa de orificio

d) Se puede usar para tuberías desde 1” o 2.54 cm hasta 150” o 381 cm.

e) Pocos diámetros de tubería corriente arriba y corriente abajo del medidor

f) Los materiales de construcción son acero inoxidable 304 y serie 400

g) La exactitud es de ± 0.5% a ± 2% del flujo real en tamaños desde 2” hasta 24” para la

mayoría de líquidos y gases

DESVENTAJAS

a) En algunos casos presenta muy baja diferencial de presión (0.01” de agua o 0.0254 cm de

agua).

b) No es recomendable para fluidos sucios


2.12 ORIFICIOS INTEGRALES

El orificio integral (fig. 21) surgió de la necesidad de medir pequeños rangos de flujo. Se llama así

porque está montada directamente a su elemento secundario. Estos orificios que tienen diámetros

desde 0.020” o 0.508 cm, hasta 0.25” o 0.635 cm y borde de entrada redondeado similar al borde

en cuadratura del orificio concéntrico, permiten la medición de flujo sobre un amplio rango de

números de Reynolds, sin cambio en su coeficiente de flujo.

VENTAJAS

a) Es muy útil para laboratorios y plantas piloto

b) Puede ser calibrado individualmente son a las condiciones del fluido de proceso

c) La relación flujo-presión diferencial hace que el dispositivo sea particularmente útil en

aplicaciones de control de bajo flujo

DESVENTAJAS

a) Debido al tamaño tan pequeño del orificio, es difícil producir unidades de repuesto

completamente idénticas, para después reemplazar a otras

b) Es fluido deberá estar completamente limpio y exento de basura o pequeños sólidos.

Cámara de baja presión

Cámara de alta presión Orificio integral

A cámara de

baja presión

A cámara de

alta presión

FIGURA No. 21 (ORIFICIO INTEGRAL)


Se considera que el empleo de los vertedores es uno de los mejores procedimientos para efectuar

la medición de flujos en canales abiertos, pero esto sólo dentro de ciertos límites y con una

instalación adecuada y una buena conservación del medidor con el objeto de que no se modifiquen

con el tiempo las características de contracción del chorro ni la velocidad de llegada.

El Canal Parshall (FIG.22) se emplea normalmente en aquellos casos en donde no se puede disponer

de una presa o de un vaso de almacenamiento, o cuando el fluido contiene excesivas cantidades de

sólidos o sedimentos, o no puede haber suficiente caída de presión para el flujo libre. Con el Canal

Parshall normalmente se manejan flujos de 0 GPM o 0.2271 m3/hr hasta 150 GPM o 34.065 m3/hr.

El Canal Parshall consiste de una sección convergente, corriente arriba, una garganta y una

sección divergente corriente abajo. La estructura completa tiene paredes laterales verticales, y

el suelo de la garganta está inclinando hacia la sección divergente.

Sección convergente.- Está formada por dos paredes verticales simétricas y convergentes y de

un fondo o piso que es horizontal.

Sección de la garganta. Consta de dos paredes paralelas y el fondo tiene una inclinación hacia

abajo con una pendiente en la dirección del flujo.

Sección divergente.- Consta de dos paredes divergentes y el fondo es ligeramente inclinado

hacia arriba.

Es conveniente decir que tanto las paredes como el fondo son planos y la arista que se forma por

la unión del fondo de la entrada y el de la garganta se le conoce como cresta del medidor y a su

longitud (distancia entre las paredes de la garganta) tamaño del medidor.

Cuando la elevación del agua, corriente abajo de la garganta, es lo suficientemente baja como para

que la corriente de flujo no sufra retardos por el agua de regreso a la descarga de flujo a través

del canal se llama “Flujo Libre” Cuando la elevación del agua, corriente abajo de la garganta, es lo suficientemente alta como para

afectar el rango de flujo, de manera que se alcance el punto de sumergencia (inundación) crítico,

se dice que existe “Flujo sumergido”.

Si la relación hb/ha es de 0.6 o menos, para canales de hasta 12” y 0.7 para canales de longitud de

cresta de más de 12” a 96” entonces se tiene “Flujo libre”. Si la relación excede estos límites,

entonces se tendrá “Flujo sumergido”.


Funcionamiento.- Al entrar el agua al canal parshall, debido a que la sección se va reduciendo, su

velocidad va aumentando en forma gradual, pues al llegar a la cresta del canal se precipita

siguiendo el contorno descendente de la garganta hasta que al salir de ella comience a perder

velocidad y como ésta es menor en el canal aguas abajo, resulta que debe producir un salto

hidráulico cerca del extremo inferior de la garganta.

La localización de este salto es variable con el régimen de flujo que pasa por el medidor ya que

para un gasto muy grande o muy pequeño, el salto se localizará más lejos o más cerca de la

garganta.

La localización del salto es afectada igualmente por la elevación de la cresta sobre el piso del

canal, así como también, por la diferencia de elevación en el piso del canal de medición en las

secciones corriente abajo.

Dos factores esenciales deberán ser conocidos dentro de los límites razonables:

a. La cantidad de líquido que será medida

b. La elevación de la superficie del líquido en el canal, a un flujo dado antes de

construir el canal

El canal Parshall se puede construir de madera, concreto y metal, dependiendo del fluido que se

maneje.

Sección

Convergente Sección de

garganta

Sección

Divergente

PLANTA

Agua

Superficie

FLUJO

NIVEL DE PISO

SECCION O - O

OPERACIÓN NORMAL PISO

OPERACIÓN DE

SUMERGENCIA

FIGURA No. 22 (CANAL PARSHALL)

ha

Hb


VENTAJAS

a) Se puede tener un flujo libre a altas velocidades, conteniendo grandes cantidades de

sólidos y sedimentos.

b) No se requiere limpieza periódica

c) Todas las secciones son superficies planas, facilitando su construcción

d) Las dimensiones del canal no son fácilmente alteradas por la corriente del flujo,

evitándose así errores en la medición

e) Relativa ausencia de cambios físicos corriente abajo.

DESVENTAJAS

a) Mayor costo que una presa

b) Exactitud no mayor de 2% a 3%


Los medidores de flujo tipo magnético son medidores de velocidad, por lo tanto su desempeño no

se ve alterado por variaciones de las condiciones de operación como son: presión, temperatura,

densidad, viscosidad etc.

Ninguna variación en el perfil del flujo (turbulencias) afecta seriamente al medidor, y debido a su

diseño sin restricciones la caída de presión a través de él, se considera como la que originaría un

tramo de tubería con idénticas dimensiones que las del medidor.

Las partes básicas de un medidor de flujo tipo magnético son:

1. Cuerpo del medidor (no magnético)

2. Recubrimiento

3. Electroimán (magnetos)

4. Electrodos (metálicos)

5. Conexiones a proceso


EL cuerpo del medidor es una sección de tubería no conductiva tal como vidrio reforzado,

poliéster o una sección de tubería no magnética.

El recubrimiento es un material conductor eléctricamente apropiado para proteger al cuerpo de

daños causados por el fluido de proceso y puede ser fabricado de Teflón, Kynar, Neopreno,

poliuretano, u otros materiales.

Los electroimanes (magnetos), localizados en los lados alternos del cuerpo del medidor y son los

encargados de producir el campo magnético perpendicular al flujo del líquido a través de la

tubería.

Los electrodos se encuentran montados en la tubería pero aislados de esta y en contacto con el

líquido, es un par de electrodos localizados en ángulo recto al campo magnético y al eje axial de la

tubería.

Las conexiones a proceso están ubicadas en los extremos del cuerpo del medidor y nos permitirán

conectarnos a la tubería de proceso. Para ello los medidores magnéticos se fabrican en muy

variados tipos de conexiones como son: extremos bridados, roscados, etc.

RECUBRIMIEN

TO

ELECTRODOS

CUERPO CONEXIONES

ELECTROIMANES

FIGURA No. 23 (MEDIDOR DE FLUJO MAGNETICO)


1.7 PRINCIPIO DE OPERACIÓN

Está basada en la Ley de Faraday sobre la inducción electromagnética que establece “Cuando un campo magnético es cortado por un conductor, se produce un voltaje cuya dirección es perpendicular a la dirección del conductor y a la dirección del campo magnético”.

Aplicando esta Ley a la medición del flujo tenemos:

Cuando un líquido que fluye a través de un tubo no magnético y que está sujeto al campo

magnético, induce un voltaje que es proporcional a la velocidad relativa del flujo y a la intensidad

del campo, dicho de otra forma el voltaje inducido en un conductor de longitud (D) moviéndose a

través de un campo (B) es proporcional a la velocidad (V) del conductor. El voltaje es generado en

un plano que es mutuamente perpendicular tanto a la velocidad del conductor como al campo

magnético.

Teoría

La figura 24 muestra como la Ley de Faraday es aplicada en el medidor de flujo electromagnético.

El líquido es el conductor que tiene una longitud equivalente al diámetro interior del medidor, “D”.

El líquido conductor se mueve con una velocidad promedio “V” a través del campo magnético de

intensidad “B”. El voltaje inducido es “E”.

VELOCIDAD DE FLUJO VARIABLE (ft/seg)

BOBINAS

DEL CAMPO

RECUBRIMIENTO

MEDIO CONDUCTIVO

DE PROCESO

TUBO DE

AC. INOXIDABLE

BRIDA

CAMPO MAGNETICO “B”

(INTENSIDAD CONSTANTE)

ELECTRODOS

SENSORES

FIGURA No. 24 (LEY DE FARADAY)


La relación matemática que aplica sería:

E = KBDV

En donde

E = Voltaje inducido

K = Constante dimensional

B = Intensidad (fuerza) del campo magnético

D = Longitud del fluido (igual al diámetro interno del medidor)

V = Velocidad promedio a través del campo magnético

Cuando el par de bobinas magnéticas es energizado, un campo magnético es generado en un plano

que es perpendicular al líquido conductor y al plano de los electrodos. La velocidad del líquido es a

lo largo de la axial longitudinal del cuerpo del medidor, por lo tanto el voltaje inducido dentro del

líquido es mutuamente perpendicular a ambos, la velocidad del líquido y el campo magnético.

El líquido deberá ser considerado como un número infinito de conductores moviéndose a través del

campo magnético con cada uno de sus elementos contribuyendo al voltaje que es generado. Un

incremento en la velocidad del líquido conductor moviéndose a través del campo, resultará en un

incremento en el valor instantáneo del voltaje generado.

Asimismo, cada uno de los conductores individuales “generadores” contribuye al voltaje

instantáneo generado. La suma de los voltajes instantáneos generados es por lo tanto

representativa del promedio de la velocidad del líquido porque cada incremento de la velocidad el

líquido dentro del plano de los electrodos desarrolla un voltaje proporcional a su velocidad local.

La señal de voltaje generada es igual al promedio de velocidades casi sin importar el perfil del

flujo. Como con la mayoría de los medidores de flujo, nosotros obtenemos velocidad de flujo

volumétrico. El medidor de flujo magnético sensa la velocidad lineal del líquido.

La ecuación de continuidad (Q = VA) es la relación que nos permite convertir una velocidad medida

a velocidad de flujo volumétrico considerando que el área es constante. Por lo tanto, como con en

la mayoría de los otros tipos de medidores de flujo, la tubería deberá estar completamente llena

con el fluido, de tal forma que el área (sección transversal) se considere constante y conocida a

fin de obtener una correcta medición.

Excitación de las bobinas para pulsos de CA (corriente alterna) y CD (directa)

En los medidores magnéticos de flujo tipo CA, se aplica un voltaje a las bobinas magnéticas. La

señal generada es un rango de bajo nivel de CA desde altos microvolts hasta bajos mili-volts. Un

desarrollo más reciente es el medidor de flujo magnético tipo pulsos de CD. En este diseño, las

bobinas magnéticas son periódicamente energizadas.

Hay muchas formas de excitación que se usan, pero generalmente pueden ser categorizadas en

dos familias: aquellas cuya excitación es on-off y las que usan excitación más-menos, en cualquier

caso el principio es que toman una medición del voltaje inducido cuando las bobinas no están

energizadas y toman una segunda medición cuando las bobinas están desenergizadas y el campo

magnético está estabilizado. La figura 25 muestra algunos de los tipos de excitación ofrecidos

por varios fabricantes.


En todos los pulsos de CD, el concepto es tomar la medición cuando las bobinas están excitadas

(energizadas) y almacenar la información, entonces toman la segunda medición del voltaje inducido

cuando las bobinas no están excitadas.

El voltaje inducido cuando las bobinas están energizadas es una combinación de señal y ruido. El

voltaje inducido cuando las bobinas no están energizadas es solamente ruido. Sustrayendo el ruido

medido de la señal más el ruido tendremos solamente la señal (ver figura 26).

t1 Magneto “ON” tiempo de muestreo de la señal

Durante el intervalo t1:

La señal de voltaje = S1 + S2

t2 Magneto “OFF” tiempo de muestreo de la señal Durante el intervalo t2:

La señal de voltaje = S2

S1 Señal de flujo Sustrayendo t1 – t2

(S1 – S2) – S2 = S1

S2 Voltaje debido al ruido S1 = Señal de flujo solamente

MEDIA ONDA

CORRIENTE

ONDA COMPLETA TRIPLE ESTADO ONDA COMPLETA

1.1.1.1 T

R

I

P

L

E

E

S

T

A

D

O

VOLTAJE

FIGURA No. 25 (TIPOS DE EXITACIONES)

SEÑAL DE FLUJO

RUIDO

MAG

NET

O

MAG

NET

O FIGURA No 26 (SEÑAL)


1.8 Capacidades y rangos

La figura 1.d es un nomograma para las capacidades de los medidores de flujo magnéticos. Los

medidores de flujo magnético tienen un rango de operación al menos de 100:1. Para los tipos CA, la

exactitud típica es del +/- 1% de la escala completa. Los tipos CD tienen una exactitud típica del

+/- 1% de la velocidad aplicable a un rango de 10:1.

1.8.1 Aplicación

La mayoría de los líquidos o lechadas (slurries) son conductores eléctricamente adecuados y

pueden ser medidos por medidores electromagnéticos. Si la conductividad del líquido es igual a 20

microSiemens/cm o mayor, la mayoría de los sistemas convencionales de medición magnética de

flujo pueden ser usados. Sistemas especiales pueden ser utilizados para la medición del flujo de

líquidos con mínimas conductividades tan bajas como 0.1 microSiemens/cm.

Algunas conductividades eléctricas típicas se indican en la Tabla No. 1. Pueden ser ampliamente

aplicables a la industria de la pulpa y papel y otros fluidos no Newtonianos

TABLA No. 1

Los efectos de la temperatura de operación del líquido deberán ser considerados. La mayoría de

los líquidos tienen un coeficiente de conductividad positivo de temperatura; ciertos líquidos

pudieron ser marginados a una temperatura que pudiera ser suficientemente no conductiva a

bajas temperaturas y dañara la exactitud del medidor.

A altas temperaturas, los mismos líquidos pueden ser medidos con buenos resultados. Hay pocos

líquidos que tienen temperaturas negativas sobre las características de conductividad; estos

deberán ser cuidadosamente estudiados antes de aplicar los medidores de flujo magnéticos.

LIQUIDO (a 25 °C excepto donde se anote)

CONDUCTIVIDAD MicroSiemens/Centímetro

Ácido acético (hasta 70% en peso) 250 o mayor

Nitrato de amonio (hasta 50% en peso) 360,000 o mayor

Melaza (a 50 °C) 5,000

Alcohol etílico 0.0013

Ácido fórmico (todas las concentraciones) 280 o mayor

Glycol 0.3

Äcido hidroclorhídrico (hasta 40% en peso) 400,000 o mayor

Kerosena 0.017

Sulfato de magnesio (hasta 25% en peso) 26,000 o mayor

Fenol 0.017

Ácido fosfórico (hasta 88% en peso) 50,000 o mayor

Hidróxido de sodio (hasta 50% en peso) 40,000 o mayor

Ácido sulfúrico (hasta 99.4% en peso) 8,500 o mayor

Vodka 4

Agua (potable) 70


Los medidores de flujo magnéticos no son afectados por la viscosidad o consistencia

(Refiriéndose a fluidos Newtonianos o No Newtonianos respectivamente).

Los cambios en el perfil del flujo debido a los cambios en el número de Reynolds o debido al

arreglo de tuberías, no afectan el desempeño del medidor. Sin embargo en la instalación de los

medidores se deberán conservar 5 diámetros de tubería recta corriente arriba y 3 corriente

abajo del medidor.

Los medidores de flujo magnético son bi-direccionales, aunque la mayoría de los usuarios los

emplean para medición de flujo unidireccional.

Aunque los medidores de flujo no son afectados por los cambios de temperatura y presión, hay

especiales limitaciones para el diseño en particular.

Las limitaciones de temperatura para la selección del material del recubrimiento en particular

requieren especial consideración.

1.9 TIPICO DE INSTALACIÓN

Una apropiada instalación eléctrica y de tierra es mandatoria. Las recomendaciones individuales

de cada fabricante para la instalación son el resultado de arduos experimentos por lo que deberán

ser escrupulosamente seguidos (ver figura 27).

1.1.1.1.1.1 tub

o

BU

EN

A

TI

ER

RA (EJEMPLO: TUBERÍA DE AGUA

FRIA)

1.1.1.1.1.2 S

U

M

I

N

I

S

T

R

E

E

S

T

A CINTA SI LA

TUBERÍA

NO ESTA

ATERRIZADA

TUBERÍA

ELÉCTRICAMENTE

CONDUCTIVA EN

CONTACTO CON EL

FLUIDO

BRIDAS DE LA

TUBERIA

1.1.1.1.1.2.1 TO

M

A

¼-

20

PR

OF

UN

DI

DA

D

3/8

ARANDELA DE

SEGURIDAD 1/4

1.1.1.1.1.2.2 D

I

E

N

T

E

S

E

X

T

E

R

N

O

S

1.1.1.1.1.2.3

TORNILLO CABEZA HEX.

1.1.1.1.1.2.4 ¼

-

2

0

X

7

/

1

6

D

E

BRIDA DEL

1.1.1.1.1.2.5 M

E

D

I

D

O

R

CINTA DE

1.1.1.1.1.2.6 C

O

N

T

I

N

U

I

D

A

D

CINTA DE

1.1.1.1.1.2.7 C

O

N

T

I

N

U

I

D

A

D

FIGURA No. 27 (MEDIDOR DE FLUJO MAGNETICO)

Tubería eléctricamente

conductiva en contacto con

el fluido

Bridas de la tubería

Barreno #8 (0.199)

Profundidad ½

Cinta de continuidad

de tierra

Brida del medidor

Cinta de

continuidad

de tierra

Tubo para

aterrizar


VENTAJAS

Totalmente sin obstrucciones del flujo

Sin partes en movimiento que se desgasten

Baja pérdida de presión

Requerimientos eléctricos extremadamente bajos

Materiales disponibles para la mayoría de los fluidos

Recubrimiento no sólo para aislamiento eléctrico sino como resistencia a la corrosión,

abrasión y erosión

Ampliamente usados para lechadas (slurries)

Capaz de medir flujos tan pequeños con medidores menores que 1/8” de diámetro

interno

Pueden medir el flujo en ambas direcciones

DESVENTAJAS

Solamente trabajan con fluidos que son adecuados conductores eléctricos

Sustancias puras como es el caso de los hidrocarburos y todos los gases no pueden ser

medidos

Relativamente pesados sobre todo en tamaños grandes

Se debe tener especial cuidado en la instalación eléctrica

El costo de los medidores varia desde moderado hasta caros

Los medidores de flujo magnético son tradicionalmente los primeros medidores de flujo que se

consideraron para aplicaciones severas de corrosión y para aplicaciones que involucran mediciones

abrasivas y/o lechadas (slurries) abrasivos.


Un medidor de turbina, es un dispositivo para la medición del flujo volumétrico.

Los medidores pueden ser diseñados para paso completo o tipo inserción. Los más ampliamente

usados son los de paso completo para líquidos limpios.

Las partes básicas de un medidor de turbina son:

1. Estator corriente arriba (linearizador de flujo)

2. Soporte del estator corriente arriba

3. Rodamientos

4. Flecha

5. Eje del rotor

6. Aspas del rotor

7. Detector o bobina recolectora (pickup)

8. Estator corriente abajo

9. Soporte del estator corriente abajo

10. Cuerpo

11. Conexiones a proceso

FIGURA No. 28 (PARTES DE UNA TURBINAS)


1.10 PRINCIPIO DE OPERACIÓN:

El líquido que fluye a través del medidor, pasa primero por la zona de rectificación del flujo para

reducir la turbulencia, posteriormente entra a la zona de medición donde impulsa las aspas del

rotor, causando que éste se mueva con una velocidad tangencial (rotación) que es directamente

proporcional a la velocidad del flujo volumétrico.

El rotor se encuentra suspendido en la trayectoria del flujo con su eje de rotación paralelo a la

dirección del flujo.

El movimiento del rotor puede ser detectado mecánica, óptica o eléctricamente.

El detector se ubicará sobre el cuerpo del medidor y será el encargado de generar un campo

magnético a través de un magneto permanente.

Las aspas del rotor están fabricadas de un material ferroso, y a medida que pasan frente al

detector impulsadas por el fluido, cortan el campo magnético, induciendo un voltaje dentro del

devanado de la bobina del detector, lo cual se traduce en una señal de salida en forma de pulsos.

Estos pulsos son generados en forma senoidal, y cada uno representa el paso de un volumen

pequeño de líquido.

Finalmente el fluido sigue su camino pasando a la parte posterior del medidor, esto es a la salida

para seguir su recorrido a través de las tuberías de proceso.

De acuerdo con el principio de operación descrito anteriormente, parecería que este tipo de

medidores es muy simple, sin embargo su diseño es complejo, ya que su exactitud, repetibilidad,

etc. pueden verse afectadas si no se toma en cuenta durante su diseño y fabricación los

siguientes factores:

a) Ángulo de las aspas

b) Tipo de rodamientos

c) Número de aspas

d) Calidad de fabricación de sus partes

Por mencionar sólo un ejemplo diremos que el ángulo de inclinación de las aspas deberá

mantenerse entre 20° y 40°.

Cuando el movimiento del rotor es detectado eléctricamente, se hace a través de una bobina

recolectora. Los tipos de bobinas a usar pueden ser de dos tipos:

Reluctancia e Inductancia. Ambas operan bajo el principio de movimiento de un campo magnético

a través de una bobina.


En el sistema con bobina recolectora tipo reluctancia el magneto permanente está en la bobina. El

campo producido se concentra hacia un pequeño punto del cono (ver figura 28a). Cuando una de las

aspas se aproxima al cono, sus propiedades magnéticas desvían el campo magnético. Esta

deflexión causa que se genere un voltaje en la bobina.

Cuando el aspa pasa exactamente bajo el cono, el voltaje decae, generando una forma de voltaje

con polaridad opuesta como la que se origino cuando el aspa desvío el campo magnético. Por lo

tanto cada aspa produce un separado y distinto voltaje en forma de pulsos cuando este pasa por el

cono. Así como cada aspa arrastra un volumen discreto de fluido, cada pulso representa el mismo

volumen discreto de fluido.

En el sistema de bobina recolectora tipo inductancia (ver figura 28b) el magneto permanente es

embebido en el rotor. Como el magneto rota delante de la bobina, este genera un voltaje en forma

de pulsos, un pulso por cada revolución (vuelta) del rotor.

Los típicos rangos de temperatura de operación para bobinas recolectoras estándar son –58 @

300 °F (-50 @ 150 °C). Si se requiere que las bobinas soporten otras temperaturas diferentes,

pude disponerse de bobinas especialmente modificadas, de esta forma pueden cubrirse

temperaturas de operación desde –238 hasta 840 °F (-200 @ 450 °C).

Si el medidor es localizado en un área peligrosa (clasificada) la bobina deberá ser montada en una

caja a prueba de explosión, o alternativamente como seguridad intrínseca en conjunto con

barreras zener (o aisladores galvánicos) para proveer un sistema inherentemente seguro.

MAGNETO

PERMANENTE

CONO

BOBINA

CUERPO

M

ED

ID

O

RR

ASPA

1.1.1.2 BOBI

NA

RECOLEC

TORA

RELUCTA

NTE

UN PULSO

POR ASPA

UNA

UNIDAD

DE

VOLUMEN

BOBINA

CUERPO

M

ED

ID

OR

R

POR REVO- LUCION

ASPA

DEL

ROTOR MAGNETO

PERMANENTE

1.1.1.3 BOBIN

A

RECOLECT

ORA

INDUCTAN

TE

FIGURA No. 28a FIGURA No. 28b


1.11 EFECTOS DE LA VISCOSIDAD Y LA DENSIDAD

El parámetro principal de un fluido que afecta a los medidores de turbina es la viscosidad.

Altos valores de viscosidades, cambian el factor “K” causando deterioro en la linearidad de

tolerancia sobre el rango de flujo completo (ver figuras 29a Y 29b).

Los efectos de la viscosidad no pueden ser fácilmente cuantificados y dependen del tamaño y tipo

de medidor de turbina. En general, los medidores grandes son menos afectados por la viscosidad

que los pequeños. Esto no implica que los medidores deberán sobredimensionarse para una

aplicación viscosa.

La densidad tiene un pequeño efecto sobre el desempeño de los medidores de turbina. En líquidos

con bajas densidades, la mínima velocidad de flujo del medidor se incremente, debido al bajo

torque, pero los cambios de densidad tienen un mínimo efecto en la calibración del medidor.

1.12 DIMENSIONAMIENTO DEL MEDIDOR

Los medidores de turbina son dimensionados por velocidad del flujo volumétrico. Cada tamaño de

medidor tiene un específico valor lineal de flujo mínimo y máximo y el medidor no deberá ser

usado normalmente fuera de estos valores. Las capacidades típicas de flujo para medidores desde

¾” (20 mm) hasta 20” (508 mm) son mostradas en la Tabla No. 1.

Cuando se dimensiona un medidor, se recomienda que el flujo máximo calculado de acuerdo con las

condiciones de operación, esté aproximadamente entre el 70 y 80% del máximo valor de velocidad

de flujo indicado en la Tabla No. 1, y con esto se tendrá un porcentaje de capacidad que permita

futuras expansiones o incrementos en los requerimientos de medición.

Para alcanzar un óptimo desempeño y rango de flujo del medidor, éstos son diseñados a una

velocidad nominal máxima de 30 ft/seg (9.14 m/seg). Esta velocidad es más alta que la velocidad

de diseño de las tuberías convencionales, las cuales son típicamente entre 7 a 10 ft/seg (2.13 a

3.05 m/seg). Consecuentemente, si el medidor de turbina es seleccionado al mismo tamaño que la

tubería, el rango del medidor de flujo se verá severamente limitado. De aquí la importancia de

MINIMO

FLUJO

LINEAL DEL

MEDIDOR

FACTOR “K” NOMINAL

CURVA DE CALIBRACION

MINIMA VELOCIDAD

DE FLUJO PARA DE

LINEARIDA

D

1.1.1.4 VEL

OCIDAD

DE

FLUJO –

GAL/MI

N

1.1

.1.5

COEFIC

IENTE

“K”

DEL

MEDIDOR

–

PULSOS/G

A

L

1.1

.1.6

M

ÁXIM

A

VELOCIDAD

DE

FLUJO

LINEAL

1.1

.1.7

FACTO

R

“K”

PULSOS/m

3

ERROR

1.1.1.8 VEL

OCIDAD

DE

FLUJO –

m3/Hr

VISCOSIDAD DE

1 CENTISTOKE

LIQUIDO

60 CENTISTOKE

FIGURA No. 29a FIGURA No. 29b


seleccionar el medidor en base a la velocidad del flujo volumétrico y no con el diámetro de la

tubería. Si el medidor de flujo tipo turbina se dimensiona por régimen de flujo volumétrico,

resultará más pequeño que la tubería.

Es una práctica perfectamente aceptable y normal instalar el medidor con las apropiadas

longitudes de tubería recta corriente arriba y abajo del medidor así como sus conos reductores

(ver figura 30).

1.13 INSTALACIÓN MECÁNICA

La alta precisión de un medidor de flujo de turbina puede ser fácilmente negada por una

instalación inadecuada. Las perturbaciones aguas arriba debidas a codos, válvulas, o filtros pueden

causar remolinos y/o un perfil de velocidad no uniforme, lo cual a su vez, afectará la linearidad del

medidor y al factor "K" (el número de pulsos por unidad de volumen).

La longitud de tubería recta requerida, depende de las perturbaciones aguas arriba y, en algunos

casos puede ser tan larga como 50 veces el diámetro nominal del medidor. Para evitar longitudes

excesivas de tubería recta, generalmente se instala un rectificador de flujo en donde se requiera

una buena precisión. La posición recomendada es como se muestra en la figura 30.

Cuando se usa un rectificador de flujo, los requerimientos de tubería recta se reducen a 10 veces

el diámetro nominal del medidor. Si el medidor es de diámetro más pequeño que el diámetro de la

tubería del proceso, deben conectarse conos de 15 grados en los dos extremos del medidor con la

tubería tal como se muestra en la figura 30. Para evitar daños mecánicos al medidor de turbina y

asegurar una vida 6ptima, se debe instalar un filtro de malla aguas arriba del medidor.

La frecuencia de salida de la bobina detectora de un medidor de turbina típica, varía en

frecuencia y amplitud con el rango del flujo. A bajos flujos, la señal puede ser tan baja como 20

mV pico a pico. En consecuencia, si el medidor y el equipo de lectura electrónico no proceden del

mismo fabricante, se deberá tener cuidado con respecto a la forma del pulso (onda senoidal),

frecuencia de la señal y amplitud y ancho del pulso. Cuando se tengan grandes distancias de

transmisión o el área sea eléctricamente ruidosa, se deberá acoplar un preamplificador al

medidor.

Otro aspecto que deberá ser considerado cuando se dimensione el medidor es la presión de la

tubería. Los medidores de turbina tienen una típica caída de presión entre 3 y 5 PSIG a máxima

velocidad de flujo en el medidor. Una típica distribución de la presión a través de la turbina se

muestra en la figura 31.

1.1.2 TRA

MO

REC

TIF

ICA

DO

R DE FLUJO

1.1.3 C

O

N

O CONCENTRICO

1.1.4 T

A

M

A

Ñ

O

N

O

M

I

N

A

L “D” PULG.

1.1.5 CA

JA

DE

PR

OT

EC

CI

ÓN DE LA BOBINA

1.1.6 C

O

N

O CONCENTRICO

FLUJO

CONEXIONES DEL MEDIDOR

1.1.7 LIN

EAR

IZA

DO

RES

DE FLUJO (ALTERNATIVA)

1.1.8 D

I

Á

M

E

T

R

O

D

E

L ORIFICIO “D”

FIGURA No. 30 (REQUERIMIENTOS DE TUBERÍA RECTA)


También se deberá notar que la máxima caída de presión ocurre en la región del rotor, con una

substancial recuperación de la presión en la salida del medidor. Es muy importante que la presión

del fluido que se esté manejando sea suficientemente alta para prevenir la cavitación o formación

de gases en la región del rotor.

Para asegurar que la cavitación no ocurra, la presión en la tubería corriente abajo deberá ser al

menos dos veces la pérdida de presión del medidor más 1.25 veces la presión de vapor del fluido.

Cuando la presión de la tubería corriente abajo no es suficiente para cumplir con estos

requerimientos, se deberá considerar un medidor más grande aunque opere en una región más baja

de su rango de flujo (con un resultado más bajo de caída de presión).

Si la cavitación ocurre, causará un error en la señal de salida del medidor. Si existe cavitación

varias veces, serios problemas de sobre velocidad del rotor resultarán, provocando posibles daños

tanto al rotor como a los rodamientos.

La amplitud de la señal de salida del preamplificador es independiente del régimen de flujo y

t1picamente es una señal de onda cuadrada de 12 volts. Esta señal de alto nivel se puede

transmitir a grandes distancias. un valor normal es de 4600 metros y es mucho más inmune a las

interferencias eléctricas que la señal de una bobina sin preamplificador.

DEFLECTOR

(CORRIENTE ARRIBA) ROTOR CUERPO ENSAMBLE DE

LOS RODAMIENTOS

DEFLECTOR

(CORRIENTE ABAJO)

IMPACTADOR

ANULAR

SOPORTE

EJE DEL

ROTOR

CLARO PARA FLOTACION DEL

ROTOR EN

CUALQUIER EXTREMO

PERDIDA DE

PRESION NETA

ENTRE LA ENTRADA

Y LA SALIDA PUNTO DE MAS

BAJA PRESION

PASAR POR EL

ROTOR

1.1.8.1 DISTRIBUCIÓN DE LA PRESION A TRAVES DEL MEDIDOR

1.1.

8.2

PRESION

(PSIG)

PUNTO DE MAS

BAJA PRESION

PASAR POR EL

ROTOR

PUNTO DE MAS

BAJA PRESION

PASAR POR EL

ROTOR

PUNTO DE MAS

BAJA PRESION

PASAR POR EL

ROTOR

FIGURA No. 31 (DISTRIBUCIÓN DE PRESIÓN EN LA TURBINA)


1.14 CARACTERÍSTICAS DEL MEDIDOR

Las partes en contacto con el fluido de proceso (partes húmedas) de un medidor de turbina, son

generalmente fabricadas en ac. Inoxidable todas, excepto los rodamientos. En la actualidad, el

material más usado para los rodamientos es el carburo de tugsteno, el cual ofrece excepcional

confiabilidad al desgaste.

Estos materiales proveen buena resistencia a la corrosión para un amplio rango de líquidos de

proceso. Donde estos materiales no puedan ser utilizados debido a la agresividad de los fluidos,

existen otros materiales como son Hastelloy C, P.T.F.E., etc., con la desventaja de que son más

caros.

El cuerpo de la turbina es un dispositivo muy presurizado ya que básicamente no existen tomas en

el curpo del mismo. En consecuencia, la mayoría de los medidores pequeños, son adecuados para

operar a presiones hasta de 5000 PSIG, sujetos a las limitaciones de presión de sus bridas u otro

tipo de conexiones.

1.15 APLICACIONES

El medidor de turbina a sido diseñado para la medición de fluidos límpios, por lo tanto es

necesario instalar filtros corriente arriba del medidor, de tal forma que todas las posibles

basuras o suciedades queden atrapadas en él.

Debido a sus excelentes características de desempeño, el medidor de turbina es ampliamente

usado para mediciones que requieren alta exactitud como son la transferencia de custodia del

crudo (PEMEX) y otros líquidos de mucho valor.

Los medidores de turbina son utilizados en casi toda la insdustria petroquímica para muchas otras

aplicaciones tales como: servicios sanitarios ( elaboración de alimentos) mediciones para el control de procesos, detección de fugas en tubería y drenados.La mayoría de aplicaciones especiales

incluyen la medición de líquidos criogénicos (oxígeno y nitrógeno líquidos), inyección de agua a los

pozos de aceite donde se manejan altas presiones.


El principio de operación es básicamente el mismo que se describió para líquidos. La mayor

diferencia es debida a las muy bajas densidades de los gases, por lo que el torque sobre el rotor

se reduce grandemente.

Consecuentemente cambia un poco el diseño de los medidores de turbina para gases, de tal forma

que puedan operar a grandes velocidades del fluido y compensar así el bajo torque generado en el

rotor.

Los principales cambios son, el uso de mayor diámetro en el eje del rotor y dar una relación más

pequeña del área anular del rotor al área de la tubería (ver figura 32), rotores más ligeros,

incrementar el número de aspas, modificar el ángulo de las aspas y alternativamente los

rodamientos.

Debido al bajo torque del gas, es esencial mantener la resistencia a la fricción de los rodamientos

al mínimo. Cualquier cambio en la resistencia a la fricción de los rodamientos, resultará en un

cambio en la calibración del medidor.

Debido a diferentes variaciones en el diseño de los rodamientos, la calibración deberá verificarse

a intervalos regulares si se quiere alcanzar un óptimo desempeño del medidor.

Los requerimientos típicos de tubería corriente arriba son 20 veces el diámetro nominal del

medidor.

Es esencial calibrar la turbina inicialmente, preferentemente bajo condiciones de operación

simuladas para establecer su propio factor “K”. Una curva de calibración típica es la que se

muestra en la figura 1.h.

ELEMENTO DE MEDICION

INTERCAMBIABLE AREA DE FLUJO

REDUCIDA

FLUJO

ROTOR

DIFUSOR DE

GRAN

DIAMETRO

FIGURA No. 32 (MEDIDOR DE TURBINA PARA GASES)


1.16 DIMENSIONAMIENTO

Las turbinas para medición de gas tienen valores de velocidad de flujo mínimos y máximos y son

esenciales para dimensionar el medidor a estas velocidades de flujo y no con el tamaño de la

tubería. Es importante mencionar que el medidor deberá dimensionarse en referencia al flujo

actual y no a condiciones estándar.

CAPACIDADES TIPICAS DE FLUJO PARA UN RANGO DE

MEDIDORES DE TURBINA

Diámetro Nominal

Flujo Lineal Mínimo

Flujo Lineal Máximo

PULGADAS

mm

G.P.M.

m3/Hr

G.P.M.

m3/Hr

¾ 20 2.5 0.68 25 6.8

1 25 3.3 0.90 50 13.6

1 ½ 40 7.2 1.96 108 29.5

2 50 19 5.17 187 51

3 75 54 14.7 540 147

4 100 104 28.4 1040 284

6 150 240 65.7 2410 657

8 200 415 113 4150 1130

10 250 715 195 6400 1750

12 300 1025 280 9160 2500

14 350 1210 330 10800 2950

16 400 1830 500 14650 4000

18 450 2310 630 18500 5050

20 500 2930 800 24000 6540

TABLA No. 1

VELOCIDAD DE FLUJO

VELOCIDAD DE FLUJO

Q

IND

ICA

DO

– Q

A

CT

UA

L

Q

AC

TU

AL

FIGURA No. 33 (CURVA DE CALIBRACIÓN)


VENTAJAS

Alta exactitud de medición

Muy buena repetibilidad

Versátil para operación en condiciones severas

Disponible para amplios rangos de temperatura y presión

Amplio rango de tamaños

Salida digital lineal

Respuesta rápida

Fácil instalación

DESVENTAJAS

No recomendable para fluidos muy viscosos

Requiere calibración

Puede dañarse por sobrevelocidad

Relativamente cara

Partes móviles sujetas a desgaste

No entrega valores de flujo en forma directa


Presión de diseño: 350 PSIG como promedio máximo para tubos de

medición de vidrio dependiendo del tamaño

Para tubos de metal hasta 720 PSIG

Diseños especiales hasta 6000 PSIG

Temperatura de diseño: Hasta 400 °F para tubos de vidrio

Hasta 1000 °F para algunos modelos de tubo de

metal

Conexiones a proceso: Roscadas hembra o bridadas

Fluidos que maneja: Líquidos, gases y vapores

Rangos de flujo: 0.01 cc/min hasta 4000 GPM de líquido

0.3 cc/min hasta 1300 SCFM para gas

SCFM (pies cúbicos estándar por minuto)

Exactitud: +/- 0.5% hasta +/- 10% de la escala completa

dependiendo del tamaño, tipo y calibración

Materiales de construcción: Tubo: Vidrio de borosilicato, ac. Inoxidable,

Hastelloy, Monel, Alloy 20

Flotador convencional: Bronce, ac. Inoxidable,

Hastelloy, Monel, Alloy 20, Niquel, Titanio, y plástico

para flotadores especiales

Flotador tipo bola: Vidrio, Ac. Inoxidable, tugsteno,

Zafiro o Tántalo.

Empaques: Generalmente son fabricados de

elastómeros, Teflón

A este grupo pertenece el rotámetro que es un instrumento formado por un tubo cónico y un flotador,

el cual es libre de moverse de arriba hacia abajo dentro del tubo.

Las partes principales que constituyen un rotámetro son:

a) El tubo

b) El flotador

c) La escala

d) Conexiones al proceso

e) Regulador de flujo

f) Accesorios.


Tubos.- El tubo del rotámetro es cónico, con su parte más angosta hacia abajo, por donde entra el

flujo. Puede ser construido de varios materiales.

Tubo de vidrio.- Se usa vidrio de borosilicato templado los cuales son de sección triangular y

conocidos como tri-flat. O bien de sección circular pero con tres guías colocadas a 120o, dichas guías

sirven para mantener el flotador en el centro del tubo. Ha sido diseñado para operar a una presión de

diseño de trabajo máximo hasta de 31 Kg/cm2.

Los tubos de vidrio no son recomendados para trabajar con fluidos concentrados de álcalis o

calientes, flúor, ácido fluorhídrico, vapor o agua arriba de los 950C. También debe evitarse la

vibración excesiva en este tubo de vidrio.

Tubo de metal.- Para manejar fluidos con condiciones adversas de presión y temperatura se utilizan

tubos de medición metálicos, generalmente son construidos de acero al carbón o de acero inoxidable.

Para poder detectar la posición del flotador se utiliza un sistema de enlace magnético el cual se logra

agregando un vástago al flotador, el extremo superior del vástago se monta un imán que se desplaza

dentro de una funda de metal no magnético generalmente acero inoxidable.

Flotadores.-Son cuerpos de material sólido que se encuentran suspendidos en el fluido dentro del

tubo del rota metro. En el sentido estricto de la palabra, no se trata de un flotador, sino de una

obstrucción al flujo, la cual es desplazada según este flujo aumenta. La forma del flotador determina

los efectos que un cambio de viscosidad tiene en la exactitud de la medición. Se pueden construir de

varias formas pero, tres son los más comunes.

a) Esféricos

b) Cilíndricas con cabeza cónica y guía

c) Cilíndricas con cabeza cónica y sin guía

Los flotadores esféricos se utilizan en los rotámetros de vidrio con tubo triangular, los cuales se

utilizan para flujos bajos en donde exista poca variación en la viscosidad. Normalmente son fabricados

de acero inoxidable, vidrio negro, zafiro rojo, tantalio, carburo de tungsteno o bronce, siendo la

selección del material lo que determinará el rango para un determinado tubo. Las otras dos formas se

utilizan en los rotámetros de vidrio cónico y rotametro con cuerpo de metal.

Es importante recalcar que para calcular el gasto del rotametro deben conocerse la densidad del

material de que esta hecho el flotador.

Los fabricantes del rota metro acostumbran dar tablas con el valor máximo de flujo para aire cuando

es gas y para agua cuando es líquido.

Escalas.- Una forma de graduar los rotámetros utilizados para propósitos generales es mediante la

graduación de la escala en incremento de un milímetro. El rota metro es acompañado por una carta de

calibración para convertir la lectura de la escala a unidades de flujo del fluido medido.

La ventaja de este tipo de graduación es de que un cambio en el fluido medido o un cambio de

aplicación del rota metro nos permite utilizar el mismo tubo con solo cambiar a la carta de calibración

correspondiente.


Otro forma de calibración es en graduaciones en por ciento del máximo flujo con un factor que

acompaña a cada tubo; multiplicando por éste factor se convierten las lecturas a unidades de flujo

para el fluido que se este midiendo.

En general las escalas para los rotámetros se pueden proporcionar como escalas intercambiables o

bien como escalas grabadas en el tubo. El tubo del medidor es montado en forma vertical con la parte

más pequeña del tubo (diámetro menor) en la parte inferior. El fluido a ser medido entra en la parte

inferior del tubo y pasa hacia arriba alrededor del flotador, saliendo por la parte superior.

Cuando no hay flujo, el flotador descansa en la parte inferior del tubo de medición, donde el máximo

diámetro del flotador es aproximadamente igual al orificio del tubo (diámetro inferior).

Cuando el fluido entra en el tubo de medición, el efecto bouyanci del fluido levanta el flotador, pero

éste tiene una densidad mayor que la del fluido y el efecto bouyanci, no es suficiente para levantarlo

más.

La caída de presión a través del flotador aumenta y levanta al flotador originando que se incremente

el área del orificio anular entre el flotador y el tubo hasta que las fuerzas hidráulicas que actúan en él

están balanceadas por su peso menos las fuerzas bouyanci. En este momento, el flotador está flotando

en la corriente del fluido.

Como ya se mencionó, el flotador se mueve hacia arriba y hacia abajo dentro del tubo, en proporción a

la velocidad del flujo del fluido y al área anular entre el flotador y el tubo. El flotador alcanza una

posición estable dentro del tubo, en el momento en que las fuerzas están en equilibrio.

Conforme el flotador se dirige a la parte superior del tubo de medición, la abertura anular entre el

flotador y el tubo se incrementa, provocando que la caída de presión a través del orificio anular

disminuya. El flotador asumirá una posición en equilibrio dinámico, esto es que la presión diferencial

más el efecto bouyanci balancean el peso del flotador.

Cualquier incremento en el flujo, provoca que el flotador alcance una altura mayor dentro del tubo y

por lo tanto cualquier disminución en el flujo, causa una posición más baja del flotador dentro del

tubo.

Se resume que cada diferente posición del flotador dentro del tubo, representa una velocidad de

flujo particular y es diferente para cada fluido que se esté midiendo dependiendo de su densidad y

viscosidad. Generalmente se usan tubos fabricados de vidrio borosilicato, sin embargo, donde el uso

de este tipo de material no es satisfactorio, deberán emplearse tubos metálicos; en este caso la

posición del flotador deberá ser indirectamente determinada por cualquier técnica eléctrica o

magnética.

Existen rotámetros que pueden transmitir señales neumáticas, electrónicas o señal de pulsos para

poder tener en forma remota: registro, totalización, o funciones de control.


Coraza de protección

Tubo de medición

flotador

Cuerpo del medidor

Válvula de aguja entrada

salida Válvula check

Conector de extremo

salida

entrada

flotador

Tubo de medición

ROTÁMETRO CON CONEXIONES ROSCADAS

ROTÁMETRO CON VÁLVULA DE

AGUJA INTEGRAL


Tubo de extensión

Armadura de extensión del flotador

Tope superior del flotador

Salida del fluido

Extensión superior del flotador

Tubo de medición

Flotador de medición

Extensión inferior del flotador

Guía y tope inferior del flotador

Entrada del fluido

ROTÁMETRO CON CONEXIONES BRIDADAS


ROTÁMETRO CON MECANISMO MAGNETICO E INDICADOR LOCAL


El medidor de flujo tipo Target o de impacto (ver figura 1.a) combina en una simple unidad un orificio

anular y un transductor de balance de fuerzas. La señal de salida puede ser del tipo eléctrica o

neumática proporcional al cuadrado del flujo. Los medidores de flujo target, son disponibles en

tamaños desde ½” hasta 8” (12.5 a 203 mm) de diámetro del tubo.

El orificio anular está formado por un disco circular soportado en el centro de una sección tubular

(tubería) teniendo el mismo diámetro que una tubería de cedula 80 del mismo tamaño nominal. El flujo

a través del anillo abierto entre el disco y el tubo (presión diferencial) desarrolla una fuerza en el

disco proporcional a la velocidad ( (el cuadrado del flujo). El disco es montado en una varilla que

1.17 FIGURA 1.a

SUMINISTRO

NEUMATICO

1.1.9 D

E

A

I

R

E

RELEVADOR

1.1.10 D

E

A

I

R

E

VOLANTE DE RANGO

1.1.11 BARRA DE RANGO

1.1.12 SEÑAL DE SALIDA

1.1.13 D

E

SA

LI

DA

FUELLES

TORNILLO DE

AJUSTE

DE

CERO

CONECTOR

1.1.14 F

LEXI

BLE

BARRA

1.1.15 D

E

F

U

E

R

Z

A

SELLO

1.1.16 D

E

D

I

A

F

R

A

G

M

A

TARGET

FLUJO

ENSAMBLE

BOQUILLA-

OBTURADOR


pasando afuera a través de un sello flexible. Esta fuerza es transmitida en forma mecánica al

exterior de la tubería (a través de un sistema de palanca sellada formada por la varilla), y medida al

mismo tiempo usando un transductor estándar de balance de fuerza integralmente montado en el

tubo.

Un principio de operación similar aplica al medidor de flujo tipo Drag (ver figura 1.b) el cual detecta

las fuerzas de impacto por medio de un circuito strain gauge.

1.18 FIGURA 1.b

FUERZA

BRAZO DE

PALANCA

1.1.17 D

I

S

C

O

D

R

A

G

1.1.18 F

L

U

J

O

1.1.19

TRANSDUCTOR

TUBERIA

DISCO

FUERZA

DEL

FLUJO


Características del medidor

Esta unidad es también disponible en un diseño de probeta retraible (retráctil) usada en tuberías de

diámetros grandes donde es deseable revisar el sensor periódicamente para limpieza sin detener el

flujo.

El medidor de target es adecuado para medición de líquidos, gases y vapores, esto permite que no

haya impedimento al flujo de condensados y material extraño en la parte inferior de la tubería y al

mismo tiempo permite que no haya impedimento al flujo de gas o vapor en la parte superior de la

tubería.

Este tipo de instrumento, es muy adecuado para aplicaciones que incluyen condensado, materiales

calientes, líquidos lodosos o flujos viscosos. No tiene conexiones de presión diferencial que pudiera

taparse o congelarse. Por lo tanto es usado para líquidos que congelan a temperatura ambiente en las

conexiones de presión.

Las unidades son disponibles para servicios hasta 700 °F (371 °C).

Existen target con diámetros de 0.6, 0.7 y 0.8 veces el diámetro del tubo.

Combinado con un transductor de amplio rango para medición de fuerzas, existe una amplia escala de

velocidades de flujo.

En adición a proveer un flujo abierto en la parte superior e inferior de la tubería, el orificio anular

tiene la ventaja de ser menos sensible a cambios en el número de Reynolds a varias configuraciones

corriente arriba de la tubería que una placa de orificio concéntrica.

Una importante ventaja es que en una unidad simple se combinan el elemento primario y el transductor

(secundario) . El mejor rango se tiene cuando el tamaño del disco es de 0.8 del diámetro del tubo de

flujo.

Calibración y exactitud

La repetibilidad de la salida ha probado ser excelente. La precisión de la calibración incluye no

solamente la incertidumbre del elemento primario, sino también las características del transductor y

la precisión del ajuste del transductor. Así como otros dispositivos patentados, los datos de prueba

para la determinación del coeficiente de flujo a partir de dimensiones físicas sobre un amplio rango

de fluidos y condiciones de operación, simplemente no existen.

Los medidores de flujo por impacto, se pueden obtener con calibración de flujo de aguas muy precisas

sobre casi cualquier rango requerido de número de Reynolds. Las características de transferencia a

otros fluidos basados en el número de Reynolds es altamente confiable. Como la calibración incluye las

características del transductor, así como también la del elemento primario, toda la calibración del

flujo calibrado de los medidores de impacto se comparan favorablemente con la de cualquier otro

sistema de medición por carga de presión.


El transductor se puede ajustar a cero solamente bajo condiciones de flujo cero. Si se desea este

ajuste durante las condiciones de flujo, se requiere un by-pass y válvulas adecuadas. Los

transductores modernos de balance de fuerzas son suficientemente estables de manera que la

verificación de cero durante la operación raramente es necesario.

Los datos de calibración son proporcionados por los fabricantes. Una muy amplia selección de escalas

para valores de flujo para cada diámetro de tubería es disponible para la selección del tamaño del

target, transductor y para ajustes del transductor.

La repetibilidad de salida resulta ser excelente. La exactitud de la calibración no incluye solamente la

incertidumbre del elemento primario, sino también las características del transductor y la presición

de ajuste del transductor.


MEDIDORES DE FLUJO TIPO DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Los medidores de presión diferencial han existido desde hace unos 100 años, inicialmente fueron

usados para servicio de agua. Muchos de los diseños de medidores de presión diferencial fueron

desarrollados primero para bombas de desplazamiento positivo o compresores y más tarde fue

aplicada a los medidores. Por los años 1930’s los medidores de desplazamiento positivo se usaron más

extensamente para la medición precisa de líquidos del petróleo (ejemplo L.P.G., gasolinas, aceite,

asfaltos, etc.) en carros-tanque, terminales de carga y pequeñas tuberías.

Con la construcción de grandes tuberías y grandes instalaciones de carga, en los años 1950’s y 1960’s

los grandes medidores (hasta 16”) fueron desarrollados.

Varios tipos de medidores de flujo de fluidos pueden ser clasificados en general como Desplazamiento

Positivo. Los medidores de desplazamiento positivo miden directamente flujo volumétrico por la

continua separación (aislamiento) de la corriente de flujo en discretos segmentos volumétricos para

después contarlos, esto es que en este tipo de medidores el fluido ocupa el espacio de algún número

de compartimientos vacíos en movimiento y después los desaloja. El volumen de los compartimientos y

la velocidad del movimiento del fluido determinan la capacidad de medición del dispositivo.

Los medidores de flujo de desplazamiento positivo son instrumentos que se diseñan para dividir en

cantidades especificas y conocidas la corriente de un flujo y contarlos para una indicación de flujo

totalizado. Se han ideado algunos métodos ingeniosos para llevar a cabo esta operación. La

totalización o integración de flujo tiene aplicaciones en operaciones de mezclado, sistemas de carga

automático, redes de distribución y en repartos.

De todos los medidores de flujo fabricados y en uso hoy en día. el instrumento del tipo de

desplazamiento positivo es por mucho el más común. Ejemplos típicos de este instrumento incluyen los

millones de medidores de agua gas y gasolina usados para distribuir gas y fluidos para consumo. Los

usos industriales para este medidor algunas veces se han restringido a aplicaciones de medición en

sistemas de distribución de productos.

Las operaciones de mezclado automático y sistemas de conteo continuo indican la importancia de

estos medidores de flujo totalizadores.

Los medidores de flujo de desplazamiento positivo realizan su función mediante émbolos. o paletas

que son desplazados por la corriente del fluido a medir y de un mecanismo contador que totaliza el

número de desplazamientos en unidades convenientes como litros, metros cúbicos, galones, pies

cúbicos, etc.

Los medidores de este tipo están disponibles en tamaños de 1.27 a 40.64 cm (1/2 a 16 pulgadas), son

fáciles de instalar y tienen precisiones tan altas como 0.1 %, la rangeabilidad es de 5 a 1 para líquidos

y de 100 a 1 para gases. La mayoría de estos instrumentos no necesitan de fuerza eléctrica,

neumática, o hidráulica para funcionar. La energía para su operación la toman de la corriente de flujo

y esto se manifiesta como una perdida de presión entre la entrada y la salida.


Existen varios tipos:

Medidor de disco

Paleta rotatoria

Pistón oscilante

Paletas deslizantes

Medidor bi-rotor (doble caja)

Medidor de lóbulos

Medidores de Flujo de Disco

El medidor de flujo de disco de la figura es un instrumento muy popular usado en la medición de agua

para el servicio domestico y comercial. Este medidor consiste de una cámara de medición en donde se

encuentra un disco ranurado radialmente con un balero de bolas integrado en el fondo y una espiga

axial. Esta parte ajustado adentro, divide la cámara en cuatro partes. Dos de ellas quedan sobre y

bajo el disco en el lado de entrada. con dos más localizados en posición opuesta en el lado de salida.

Al entrar el liquido a la cámara de medición produce en el disco un movimiento oscilatorio o de

bamboleo además del de rotación. Por cada bamboleo (nutación) del disco, pasa un volumen de líquido

conocido. El extremo libre del eje del disco nutante se mueve en una trayectoria circular cuando el

disco se bambolea (ver figura). El movimiento circular del eje, impulsa un tren de engranes y un

mecanismo contador localizado en el tope del instrumento. Este tipo de medidor tiene una precisión

de ± 1%. Este se usa comúnmente para aplicaciones de flujos pequeños con una capacidad máxima de

567.75 litros/minuto (150 GPM). Este medidor se encuentra en tamaños de 1/2, 3/4, 1, 1 1/2 y 2

pulgadas; con presión máxima de 10.5 kg/cm2 y temperatura de 82°C y mayores.

Medidores de Flujo de Paleta en Rotación

La figura, muestra una simplificación del medidor de flujo de paleta rotatoria cargado con resorte. La

construcción de este medidor tiene el rotor desviado hacia el fondo de la carcasa. Con este tipo de

construcción se tienen grandes áreas de volumen en el fondo. Como consecuencia se pueden hacer

pasar grandes volúmenes de flujo a través de la parte superior, con pequeños o sin ningún retorno de

flujo a través del fondo.


Los medidores de paleta en rotación se usan ampliamente en la industria del petróleo para medir

gasolina, aceite crudo y fluido de baja viscosidad. Los rangos de medición están disponibles desde

unos cuantos litros o galones a 25,000 barriles por hora de aceite crudo. Las precisiones de +- 1 %, son

típicas con valores tan altos como +- 0.05% que son posibles con instrumentos de gran tamaño.

Una mejoría en el medidor de desplazamiento positivo tipo impulsor de lóbulo es el medidor de paleta

rotatoria. Aquí cuatro compartimientos formados por la paleta giran en la misma dirección como una

compuerta rotatoria. Los volúmenes fijos de gas son arrastrados a través del medidor por medio de

las paletas las cuales pasan del lado de la entrada al lado de salida a través de la compuerta.

El movimiento de las paletas y la compuerta es sincronizado por los engranes. La exactitud típica del

medidor de paleta rotatoria es +/- 1% sobre un rango de 25 : 1, a una caída de presión de 0.05

pulgadas columna de agua (0.013 kPa).

Estos medidores de flujo se encuentran disponibles en una variedad de materiales diferentes y se

pueden usar para corrientes de flujo a alta temperatura (175 °C) y para presiones hasta de 70

kg/cm2. El movimiento rotatorio de la paleta impulsa la flecha que a su vez mueve un juego de

engranes acoplados a un totalizador del flujo. El movimiento también se puede usar para producir

señales eléctricas.


Medidores de Flujo de Embolo Oscilante

El principio del medidor de émbolo oscilante, es similar al medidor de disco con la única diferencia

importante de que el movimiento mecánico se efectúa en un s6lo plano (no de balancín). En el diseño

mostrado, la cámara de medición consta de cinco partes básicas:

1. tapa superior.

2. tapa inferior.

3. cilindro.

4. placa divisora.

5. émbolo.

La única parte en movimiento en la cámara de medición es el émbolo, el cual oscila suavemente con

movimiento circular entre las dos superficies planas de las tapas. La placa divisora separa los puertos

de entrada A y los puertos de salida B. El émbolo está ranurado para encajar en la placa divisora, la

cual guía el recorrido del émbolo en su movimiento oscilante. Un tren de engranes transmite el

movimiento del émbolo al totalizador. Ver figura. La precisión y repetibilidad de los medidores de

liquido de émbolo oscilante, depende de la aplicación y otros factores, pero generalmente la precisión

es de +-0.20% para toda la escala; repetibilidad de +

- 0.015 porciento. Dependiendo de la variedad de

materiales disponibles para la caja, cámara y émbolo el medidor puede manejar numerosas substancias

químicas y líquidos industriales.

Medidor de Flujo de Líquidos de Paletas Deslizantes

Un medidor de líquido del tipo de impulsor rotatorio se muestra en la figura. El líquido al fluir a través

del medidor, mueve el impulsor en forma rotatoria. Una leva mueve las paletas fuera y dentro del

líquido y después las retracta cuando el impulsor ha completado parte de una revolución.

El espacio entre dos paleta adyacentes actúa como una cámara de medición. Las revoluciones del

impulsor son totalizadas por un contador y registradas en una carátula graduada en unidades de

volumen.

MEDIDOR DE PISTON OSCILANTE


Medidor de Flujo de Gas con Sello de Líquido

En la figura, se muestra un medidor de flujo de gas. Este instrumento consta de una caja cilíndrica

con un nivel de agua por encima del centro de la flecha, tiene un tambor con cuatro aletas en espiral y

con entrada de gas en el centro. El gas entra al compartimiento superior forzándolo a girar tanto

como sea el volumen del gas admitido.

El rango de este medidor es moderada (bajo para medios viscosos) con precisión que va de moderada a

alta. Se usa en donde la alimentación continua no es necesaria, así como para suministrar pequeñas

cantidades de reactivos en flotación.

1.2 NIVEL

DE LIQUIDO

1.3 ROTACI

ON

ENTRADA

SALIDA

Rotación

Nivel del líquido

Entrada

Salida


Medidores de Lóbulo

En este tipo de medidores, dos impulsores de lóbulo girar juntos como engranes para mantener una

relativa posición fija, rotando en dirección opuesta dentro de la caja (ver figura). Un volumen fijo de

líquido es desplazado por cada revolución. Este tipo de medidores son construidos para servicio en

tuberías con tamaños desde 2” hasta 24” (50 a 610 mm) y sus máximos rangos de capacidades desde

8 hasta 17,500 GPM (30.4 a 66,500 l/m).

Es usado para medición de altos volúmenes, hasta 100,000 ft3/hr (hasta 3000 m3/hr). En este

medidor, la cercanía de sus partes en movimiento, requieren del uso de filtros corriente arriba, de tal

forma que se prevenga el deterioro de la exactitud. Típicamente la exactitud de este tipo de

medidores es de +/- 1% sobre un rango de flujo de 10 a 1 con caídas de presión de 0.1 PSI (0.7 kPa).

Una reciente adición a este tipo de medidor es usar un rotor de engrane oval en lugar del rotor de

lóbulo.

A bajas velocidades de flujo (0.2 a 40 GPH o 0.8 a 152 l/Hr) fueron inexactos debido a que el claro

El medidor de desplazamiento positivo para gas mide internamente el paso de volúmenes aislados de

gas que sucesivamente llenan los compartimientos vacíos con una cantidad fija de gas.

El proceso de llenado y vaciado, es controlado por una apropiada válvula y convertido en un movimiento

rotatorio para operar un registrador calibrado o indicador que muestre el volumen total de gas que

pasa a través del medidor.

MEDIDOR DE ENGRANE OVAL


Medidores bi-rotor

Diseño Tipo: A – Desplazamiento Positivo

B – Desviador de Flujo

Presión de Diseño: Bajas Presiones, 5 – 100 PSIG; Alta Presión, hasta 1400

PSIG

Temperatura de Diseño: - 30 a 140 °F (- 34 a 60 °C)

Materiales de Construcción: Aluminio, Acero, Plástico, Elastómeros sintéticos

Exactitud +/- ½ a 1 % del registro

CAJA DE MEDICION

(IGUALADORA DE PRESION)

CAJA EXTERIOR

(CONTENERDORA DE PRESION)

CAMARA DE MEDICION

ELEMENTOS BI-ROTORES

CAMARA DE MEDICION

SELLO METAL-METAL

Unidad IV 93 Elementos Primarios de Medición


MEDIDORES DE FLUJO ULTRASONICOS (Líquidos)

Los medidores de flujo ultrasónicos operan en el mismo principio de la propagación del sonido en un

líquido. Estos dispositivos miden el flujo de 1íquidos al medir el tiempo transcurrido para que la

energía ultrasónica atraviese la sección transversal de un tubo, con y contra el flujo del líquido

dentro del tubo.

En un medidor de flujo de este tipo, los pulsos sónicos se generan por un transductor piezoeléctrico.

Este dispositivo es el que se encarga de convertir energía eléctrica en una señal pulsante que se

transmite en un líquido como una onda oscilatoria. Cuando la onda de pulsos se dirige aguas abajo en

un líquido en movimiento, su velocidad o frecuencia se suma al de la corriente de flujo. Cuando la

misma señal se dirige aguas arriba, su frecuencia se reduce por la velocidad del flujo.

La figura, es un diagrama representativo de un medidor de flujo de tránsito de tiempo ultrasónico.

En este caso se tienen insertados en la tubería dos transductores uno frente al otro a un ángulo de

45°. Este ángulo es la forma más conveniente para obtener la velocidad promedio del flujo a lo largo

de la trayectoria en que se está midiendo.

Gland connector (moulded)

Cable gland

Twisted pair cable

(shielded, armored)

Transducer wires (moulded)Ultrasonic Transducer

CONAX high pressure cable gland

Transductor Ultrasónico Cables del Transductor

Cables de Par Torcido

(Apantallado y Armado)

Conector Glándula de alta

Presión para Cable Conector Glándula (moldeado)

Conector Glándula


En la práctica, los pulsos ultrasónicos de 1.25 MHz se radian alternativamente entre los dos

transductores. En el modo de operación en que no hay transmisión, cada transductor trabaja como

un receptor o detector. Como consecuencia, alternativamente se desarrolla una señal eléctrica por

los dos transductores.

La medición del régimen de flujo por un instrumento ultrasónico, está basada en la diferencia de

tiempo que ocurre para la propagación de la señal de pulsos entre aguas arriba y aguas abajo. Al

mezclar simultáneamente las señales de salida de cada transductor, se produce una señal de

frecuencia heterodina (frecuencia de pulsación) la cual es proporcional a la velocidad promedio del

fluido a lo largo de la trayectoria medida.

En efecto, la velocidad o frecuencia con la cual viaja cada pulso transmitido a través del líquido se

cancela, quedando solamente la diferencia de frecuencias. Veamos un ejemplo, “si un tubo se llena de

liquido, pero éste no fluye, la frecuencia aguas abajo podría ser de 1.25 MHz, siendo igual a la

frecuencia aguas arriba de 1.25 MHz”. La diferencia de frecuencias en este caso es 1.25 MHz -1.25

MHz, o sea cero, lo cual indica que no hay flujo.

Cuando se produce el flujo del fluido, la frecuencia de pulsos aguas abajo tal vez aumentaría a un

valor de 1'250,500 Hz. En forma semejante, la frecuencia aguas arriba quedará influenciada por el

flujo y podría causar una disminución correspondiente en el valor a 1'249,500 Hz. El resultado de la

diferencia en frecuencia en este caso, será igual a 11250,500 -11249,500 = 1,000 Hz.

Esta diferencia de frecuencia puede entonces ser igualada a un régimen de flujo de un valor

especifico. Cualquier aumento posterior en el régimen de flujo, dará una diferencia mayor y se

tendrá una indicación de flujo mayor. La diferencia de la señal de frecuencia de un medidor de flujo

ultrasónico está típicamente en el rango de 50 a 10 kHz. Normalmente esta señal es depurada y se


puede contabilizar por un instrumento de despliegue digital, o se puede convertir en valores

analógicos de corriente, o voltaje de acuerdo al diseño del fabricante.

Teoría

Tipo de Diferencia de Tiempo

El tiempo (tAB) para que la energía viaje del transductor A al transductor B, está dado por la

expresión:

L

TAB =

C + V cos Θ

El tiempo (tBA) para ir de B a A está dado por: L

TAB =

C - V cos Θ

Donde:

C = es la velocidad del sonido en el fluido

L = es la longitud de la trayectoria acústica

Θ = es el ángulo de la trayectoria con respecto al eje de la tubería.

Combinando términos y simplificando se puede mostrar:

2LV cos Θ

∆t = tBA - tAB =

C

Simplificando queda

L ∆t K ∆t

V = =

2 cos Θ t2A t2

A

donde tA es el tiempo de tránsito promedio entre los transductores.

Como el área de sección transversal del tubo o "carrete" se conoce, el producto del área por la

velocidad, dará el régimen de flujo volumétrico.

Tipo de Diferencia de Frecuencia

En este tipo de medidor de flujo ultrasónico, un oscilador se ajusta a una frecuencia fAB = 1/tAB y un

segundo oscilador se ajusta a una frecuencia fBA = 1/tBA


La diferencia de frecuencia se relaciona con la velocidad de la siguiente manera:

L ∆f

V =

2 cos Θ

Construcción del Medidor de Flujo

Regularmente el medidor de flujo consiste de un alojamiento electrónico, transductores, y una

sección tubular. Algunos diseños permiten la separación de los transductores sin interrumpir el flujo

del proceso. Uno de los tipos más comunes es un carrete integrado con los transductores, ver figura

. El fabricante monta los transductores en una sección de tubo bridado (carrete), comúnmente la

unidad se calibra por el fabricante a las especificaciones del comprador.

En esta presentación, el carrete es una parte integral del sistema hidráulico y no es fácil de

adaptarlo a un sistema ya existente. Algunos proveedores suministran un transductor ensamblado

capaz de ser montado en el exterior de un tubo ya existente, como se muestra en la figura . Este

tipo de sistema se calibrará por el fabricante solamente si se le proporciona la información detallada

cómo diámetro de la tubería, espesor de la pared del tubo, fluido del proceso, porciento de

concentración de sólidos, temperatura del proceso, variaciones de temperatura del proceso y

algunos otros datos pertinentes.

Este tipo de medidor de flujo puede ser fácilmente adaptado a un sistema existente ya que no se

necesita instalar ningún tramo de tubería adicional.

Algunos fabricantes proporcionan transductores y herrajes de montaje que el usuario puede instalar

en una tubería ya existente. El usuario taladra agujeros en la tubería de el proceso e instala los

herrajes de montaje de los transductores por soldadura u otros medios. Después monta los

transductores y los alinea.

Normalmente este tipo de unidad se puede calibrar por el usuario solamente después de medir el

ángulo y la separación de los transductores, y el diámetro del tubo.

Consideraciones de Aplicación

Así como en la mayoría de los medidores de flujo. el carrete o sección tubular siempre debe estar

lleno para asegurar la operación adecuada y la indicación correcta del flujo volumétrico.

Normalmente los fabricantes especifican la distancia mínima de válvulas, tees, codos, bombas y

otras obstrucciones que aseguren el buen desempeño de este medidor. típicamente se requieren de

10 a 20 diámetros de tubo aguas arriba y 5 diámetros aguas abajo del medidor.

Este instrumento funciona mediante una señal ultrasónica que viaja a través del diámetro del tubo;

en consecuencia. el líquido debe estar relativamente libre de sólidos y burbujas de aire. Las

burbujas de aire en la corriente supuestamente causa mayor atenuación de las señales acústicas de


la que lo hacen los sólidos. Este medidor de flujo puede tolerar un cierto porcentaje de sólidos. pero

solamente una fracción de un porcentaje de burbujas. Dependiendo del fluido del proceso. debe

seleccionarse el material adecuado del transductor y se debe seleccionar la protección para prevenir

daños debido a la acción química. También se debe considerar la limitación en la temperatura del

proceso para una adecuada aplicación de estos medidores de flujo.

Especificaciones de Comportamiento y Características

Usualmente la precisión se especifica como por ciento del régimen de flujo. Normalmente la

precisión es de 1% a 2.5% del régimen, dependiendo del fabricante, velocidad, tamaño del tubo y del

proceso que se trate. Algunos fabricantes calibran cada medidor para uno o más puntos para

condiciones actuales de flujo. La repetibilidad normalmente se especifica como un porciento del

flujo, por lo general, mayor del 0.5% dependiendo del rango de velocidad y fabricante.

Tienen rangos lineales de 100:1, no producen obstrucción en la trayectoria del flujo y se pueden

adaptar a tuberías de 6.35 mm a 9m. Sus mayores desventajas son su costo inicial y la sensibilidad a

la composición del fluido con un alto porcentaje de partículas. En forma opcional se dispone de

alarmas para alto y bajo flujo.


APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA

En forma general se utiliza como un transmisor de flujo estándar

No presenta resistencia al paso del fluido

Puede ser instalado sobre la tubería dependiendo del grado de agresividad del fluido a

medir, o puede ser instalado en línea

Se usa para líquidos, vapores y gases

Existen varios métodos incluidos para la medición de flujo por medio de ultrasonido, sin embargo nos

enfocaremos al método Doppler para fines ilustrativos:

Este consiste en hacer pasar una onda de sonido a través del líquido con un ángulo bien definido.

Cuando la tubería se encuentra sin fluido de proceso, el ángulo es fijo y cuando hay flujo, el ángulo

varia en forma proporcional.

Esto quiere decir que el tiempo que tarda en regresar la onda de sonido cuando no hay flujo, es

directamente proporcional a la velocidad del fluido

COMPONENTES:

Este puede ser tipo inserción con una longitud de 2 a 3 diámetros

Utiliza un transductor de frecuencia de 10 megaciclos

Requiere de un amplificador y de un convertidor de frecuencia a pulsos; o a 4-20 mA

CARACTERÍSTICAS:

Respuesta rápida cada 0.001 segundos

No provoca obstrucción al paso del fluido de proceso

Se tiene en tamaños de 1/8” de diámetro hasta 120” de diámetro

Puede ser utilizado para medición de flujo unidireccional o bidireccional

Exactitud del 1%

MEDIDORES DE FLUJO POR EFECTO DOPPLER (Líquidos)

Forma de Operación

Como se muestra en la figura se proyecta una onda ultrasónica dentro del líquido a cierto ángulo a

través de la pared del tubo por un transmisor de cristal en un transductor montado exteriormente

al tubo. Parte de la energía es reflejada por las burbujas o partículas en el líquido y regresan a

través de la pared del tubo a un cristal receptor.


Puesto que las partículas reflectoras viajan a la velocidad del fluido. la frecuencia de la onda

reflejada se desplaza de acuerdo al principio Doppler. (El corrimiento de la frecuencia de una onda,

debido al movimiento relativo entre la fuente y el receptor, se llama "Efecto Doppler").

Combinando la ley de Snell y la ecuación clásica de Doppler, la velocidad es como sigue:

V = ∆f C t/(2fo cos Θ) = ∆f K ( 1 )

en donde:

∆f = es la diferencia entre la frecuencia transmitida y la frecuencia recibida

fo = es la frecuencia de transmisión

Θ = es el ángulo del cristal receptor con respecto al eje del tubo

Ct = es la velocidad del sonido en el transductor.

Como se muestra en la ecuación, la velocidad es una función lineal de ∆f. Como el usuario puede

medir el diámetro interior del tubo, se puede medir el régimen de flujo volumétrico utilizando la

ecuación (2) o una forma similar

GPM = 2.54 V (DI)2 ( 2 )

El transductor de un solo cristal, es el diseño más popular; cristal transmisor y cristal receptor,

están contenidos en un s6lo ensamble transductor que se monta en el exterior del tubo. De esta

forma, el alineamiento de los cristales, queda controlado por el fabricante. Esta presentación se

muestra en la figura

En el diseño de los transductores el cristal receptor se monta separadamente en el exterior del

tubo. El alineamiento se mantiene mediante un ensamble de montaje entre los transductores como se

muestra en la figura

Consideraciones de Aplicación

Así como en los medidores de tiempo transcurrido y otros medidores de flujo, con la finalidad de

indicar en forma adecuada el flujo volumétrico, el tubo siempre debe estar lleno. No obstante, un

medidor de flujo por efecto Doppler indicará la velocidad en una tubería parcialmente llena si el

transductor se instala bajo del liquido en el tubo.

La mayoría de los fabricantes especifican la distancia mínima de válvulas, codos, tees, bombas y

otros con lo que se asegura el comportamiento correcto de los medidores de flujo. Normalmente se

requieren de 10 a 20 diámetros de tubo antes del medidor y 5 diámetros después, para fluidos

relativamente limpios, pero esto puede cambiar dependiendo de la concentración de s61idos en el

proceso o la composición de los s61idos


Un medidor por efecto Doppler, depende de las burbujas o partículas en la corriente del flujo para

reflejar la energía ultrasónica. Casi todos los fabricantes especifican un limite mínimo de la

concentración y tamaño de los sólidos o burbujas en el líquido para una operación confiable y precisa.

El flujo también debe ser bastante rápido para mantener a los s61idos o burbujas en suspensión,

típicamente de 1.8 m/seg como mínimo para los s61idos y 0.75 m/seg para burbujas pequeñas.

En tubos horizontales, el mejor lugar para colocar el transductor alrededor de la circunferencia del

tubo, no siempre se especifica para todas las aplicaciones. El usuario debe apoyarse en las pruebas

empíricas del fabricante, experiencias de aplicación y las instrucciones para las diferentes

aplicaciones.

Como no es necesario que la energía acústica atraviese todo el tubo, un solo transductor Doppler

puede trabajar con amplias variaciones y altos niveles de concentración de s61idos o aereación. En el

medidor Doppler de dos transductores, la energía ultrasónica debe atravesar el tubo y por esto

pueden ocurrir algunos efectos en el medidor debido a amplias variaciones y altos niveles de

concentración de s61idos o burbujas de aire.

El medidor Doppler opera independientemente de que el material del tubo sea sónicamente

conductivo. Los tubos como el de concreto, arcilla, hierro fundido que son muy porosos, absorben la

energía ultrasónica y pueden no trabajar con un medidor Doppler. De pendiendo del fabricante

algunos medidores de este tipo pueden trabajar con tubos forrados con la condición de que el

revestimiento está bien adherido a la pared interior de la tubería.

También se debe considerar los limites de temperatura del transductor para una adecuada operación

del medidor de flujo para todo el rango de temperatura del proceso.

La precisión normalmente es de 2% a 3%, dependiendo del fabricante, velocidad, tamaño del tubo y

fluido del proceso. Algunos fabricantes calibran el medidor de flujo para uno o más puntos a las

condiciones actuales de flujo. Como se muestra por la ecuación(2) para minimizar el error en la

indicación del flujo, se debe medir el diámetro interior con mucho cuidado debido a que el régimen

de flujo volumétrico varía en función del cuadrado del diámetro. La repetibilidad es de 0.5% para

flujo simulado; 1% para operación.


FORMA DE OPERACIÓN Cuando un fluido fluye y pasa por un obstáculo se forman capas de fluido en movimiento lento a lo

largo de las superficies exteriores. Si el obstáculo no es de forma hidrodinámica, o sea, es un cuerpo

irregular (bluff body), el flujo no puede seguir el contorno del obstáculo en el lado aguas abajo y las

capas se separan de la corriente principal del fluido y ruedan como torbellinos o vortices en el área

de baja presión detrás del cuerpo, ver figura 5-56.

Los vortices se generan alternativamente en los lados del cuerpo del difusor. La frecuencia con la

cual se forman los vortices, es directamente proporcional a la velocidad del fluido, y de esta forma

se tiene la base para un medidor de flujo. Cuando se desprende un vortice de un lado del difusor, la

velocidad del fluido en ese lado aumenta y la presión disminuye. En el lado opuesto, la velocidad

disminuye y la presión aumenta; esto produce un cambio de presión neto a través del cuerpo del

difusor de vortices. Posteriormente se invierte todo el efecto cuando se desprende el siguiente

vortice en el lado opuesto. Consecuentemente, la distribución de presión y velocidad adyacente al

difusor de vortices, cambia a la misma frecuencia de la frecuencia de la difusión de vortices.

Características

El difusor de vórtices proporciona una señal de salida digital (o analógica) lineal sin el uso de

transmisores o convertidores separados, simplificando la instalación del equipo. La precisión del

medidor es buena sobre un rango de flujo potencialmente amplio, aun cuando este rango depende de

las condiciones de operación.

La frecuencia de difusión de los vórtices es una función de las dimensiones del cuerpo difusor y es

un fenómeno natural, asegurando por largo tiempo la estabilidad de calibración y repetibilidad de

mejor que ± O.15% de punto. No existe desviación debido a que este es un sistema de frecuencia.

Los vórtices se forman alternativamente de un lado del cuerpo difusor y después del otro. La

frecuencia a la cual se forman los vórtices es proporcional a la velocidad del flujo. Esto permite la

medición del régimen de flujo al sensar la frecuencia de formación de vórtices. El elemento sensible

del medidor de flujo por vórtices, normalmente es un termistor. Las variaciones de temperatura

sensadas por el termistor son cambiadas en un voltaje de salida de onda cuadrada. La alta velocidad

en el centro de cada vórtice causa un cambio muy pronunciado en la temperatura comparado con

otras áreas.

El número de vórtices que pasan a través del termistor en una unidad de tiempo dada es

directamente proporcional al régimen de flujo volumétrico. La frecuencia de la señal de salida se

amplifica, filtra y finalmente se aplica a un registrador, indicador, o lector digital de flujo.

El medidor no tiene ninguna parte en movimiento o componentes de desgaste, proporcionando

mejoría en la confiabilidad y reduciendo el mantenimiento. Además el mantenimiento se reduce

debido a que no hay válvulas o cabezales que provoquen problemas de fugas. La ausencia de esos

aditamentos resulta en una instalación particularmente segura; una consideración importante cuando

el fluido del proceso es peligroso o tóxico.

Si el sistema detector es suficientemente sensible, el mismo medidor por difusión de vórtices se

puede utilizar para gases y líquidos. Cuando se cambia de liquido a gas, simplemente se instala una

nueva tarjeta que está asociada a la frecuencia mayor de un gas o vapor. Además la calibración del


medidor es virtualmente independiente de las condiciones de operación (viscosidad, densidad,

presión, temperatura, y otros) sin importar que el medidor se use en gas o liquido.

El medidor por difusión de vortices, también ofrece un bajo costo de instalación, particularmente en

tamaños de tubo menor de 152 mm (6") de diámetro, lo cual se compara competitivamente con el

costo de instalación de una placa de orificio y un transmisor de presión diferencial. Este medidor

está disponible en tamaños de 2, 3, 4 y 6 pulgadas.

Una limitación de este medidor de flujo,.es el rango de tamaños disponibles. Los medidores menores

de 25 mm (1") de diámetro no son prácticos y los medidores mayores de 203 mm (8") tienen

limitaciones de aplicación debido a su alto costo comparado con un sistema de orificio, y su limitada

resolución de los pulsos de salida.

El número de pulsos generado por unidad de volumen decrece sobre una ley cúbica con el aumento

del diámetro del tubo. Consecuentemente, un medidor por difusión de v6rtices de 610 mm (24") con

una relación típica de bloqueo de 0.3, únicamente tendría una escala de frecuencia de salida total de

aproximadamente 5 Hz a 3 m/seg en la velocidad del fluido.


Presiones de diseño: Hasta 1500 PSIG

En diseños especiales hasta 20,000 PSIG

Temperatura de diseño: Hasta 500 °F

Rangos de velocidad de flujo: Líquidos: 1 lb/hr hasta 500,000 lb/hr

Gases: 1 lb/hr hasta 50,000 lb/hr

Materiales de construcción: Ac. Inoxidable, Hastelloy, Titanio

Exactitud: ½ - 1% de la velocidad de flujo actual

Como un elemento de control de proceso, el medidor de flujo másico no es nuevo. Pero hasta hace

algunos años, la medición no se llevaba a cabo en forma directa; en el caso de procesos continuos se

realizaba por inferencia de la medición del flujo volumétrico. Para extraer el flujo másico del flujo

volumétrico, el procedimiento era complejo, necesitando de la aplicación de varias correcciones

basadas en parámetros relativos a la densidad tales como presión, temperatura y gravedad

específica. La mayoría de los ejemplos citados como procesos continuos que requieren medición de

flujo másico son los que involucran combinaciones de hidrocarburos con otros compuestos para

producir una reacción que resultara en la liberación de energía para calor o propulsión.

Existen muchos procesos que involucran combinación o separación de químicos, en los cuales la

medición de flujo másico juega una regla vital. Gracias a que han sido desarrolladas varias técnicas

para medición de flujo másico en forma directa, no es necesario partir de un flujo volumétrico para

su obtención.

Estas técnicas ofrecen mayor exactitud y confiabilidad debido a que son directas e independientes

de la presión, temperatura y gravedad específica, y eliminan muchos pasos de las mediciones y

cálculos requeridos por los métodos viejos indirectos para obtener la medición de flujo másico y se

reduce el margen de potencial de error.

Teoría

El principio se basa en el momento angular, el cual puede ser descrito refiriéndonos a la Segunda ley de Newton del movimiento angular. La definición de momento angular usa las siguientes notaciones:

H = Momento angular (lbf-pie-seg)

I = Momento de inercia (lbf-pie2

ω = Velocidad angular (rad/seg)

α = Aceleración angular (rad/seg2)

Y = Torque (pie-lbf)

r = Radio de gravitación (pie)

m = Masa (slugs)

t = Tiempo (seg)


La segunda ley de Newton del movimiento angular establece que:

Y = I α

Y define que

H = I ω

Pero por definición

I = m r2

Por lo tanto

Y = m r2 α

Y también

H = m r2 ω

También

α = ω/t

Sustituyendo

Y = (m/t) r2 ω

Resolviendo para flujo másico, m/t (lbm/seg) tenemos

m/t = Y/ r2ω

Dividiendo ambos lados de la ecuación entre “t” tenemos

H/t = (m/t) r2ω

Aunque el torque está en términos de fuerza, el lado derecho de la ecuación deberá ser multiplicado

por “g” (32.2 pie/seg2) para obtener una ecuación dimensionalmente correcta. Por lo tanto r2 es una

constante para cualquier sistema dado. El flujo másico del fluido puede ser determinado si un

momento angular es introducido en la corriente del fluido y las mediciones son hechas del torque

producido por el momento angular y la velocidad angular del fluido.

Existen como ya dijimos varios métodos para la medición del flujo volumétrico entre los cuales

tenemos:

1. Medidor de flujo másico tipo coriolis

2. Medidor de flujo másico tipo giroscópico


3. Medidor de flujo másico tipo Coriolis/giroscópico

4. Medidor de flujo másico tipo lineal, etc.

sensores de flujo

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