Medicion de Caudal

1

MEDICION DE CAUDAL

INGENIERIA DE MANTENIMIENTO - DSU

ABRIL 2012

2


¿Por qué necesitamos medir caudal?• Para poder controlar un proceso

• Para poder realizar un control automático.

• Para medir dosificaciones de productos necesarias en procesos.

• Para poder contabilizar y facturar el producto final de nuestro proceso.

3


¿Cómo se clasifican los medidores de caudal?Los medidores de caudal o de flujo mas utilizados en la industria del petróleo y gas se pueden clasificar de la siguiente manera:

Medidores Volumétricos

Presión Diferencial

Placa Orificio

Tubo Venturi

Tubo Pitot

Velocidad

Vertedero en canales abiertos (canaleta Parshall)

Turbinas

Ultrasónicos

Tensión Inducida Magnético

Medidores Másicos Fuerza de Coriolis Tubo en vibración

4


Conceptos Básicos

Volumen = velocidad *Área del conducto * tiempo

Con medidores volumétricos el caudal se determina fácilmente:

Caudal = Volumen / Tiempo.

5


MEDIDOR POR PLACA ORIFICO

Es el sistema mas barato y utilizado.

Estos elementos deprimógenos están basados en crear una restricción en la tubería al paso de un fluido, lo que hace aumentar la velocidad disminuyendo al mismo tiempo la presión, permaneciendo la energía total (cinética, potencial e interna) constante.

Consiste de una placa lisa y delgada con una abertura calibrada o restricción cuyo diámetro es menor al diámetro interior del conducto de flujo. La abertura de la placa puede ser concéntrica o excéntrica con respecto al eje del conducto.(Ver Figura).

Un manómetro de presión diferencial se utiliza con el medidor de placa orificio para detectar la diferencia de presión mencionada.

6


7


El principio de funcionamiento de la placa orificio esta basada en el teorema de Bernoulli, que dice como resumen, que el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la presión diferencial.

Como se puede entender perfectamente, estos elementos requieren de un transmisor de presión diferencial para medir la presión antes y después del elemento, y así poder sacar el caudal, ya que una presión diferencial es función del caudal.

Ventajas:

• Sencillez de construcción, no hay partes móviles.• Tecnología sencilla.• Baratos para grandes dimensiones de tuberías.• Válidos para casi todas las aplicaciones.

8


Desventajas:

• Menos precisión que otras tecnologías.• No válidos para condiciones de proceso (presión, temperatura, densidad, etc.)

cambiantes. • Producen caídas de presión no recuperables.• Señal de salida no es lineal (hay que extraer su raíz cuadrada Se necesita un flujo

laminar, es decir, tramos rectos de tuberías antes y después del elemento.

Cuando éstas condiciones de distancia son críticas, se utilizan dispositivos llamados enderezadores de flujo que dan regímenes laminar del fluido y permiten reducir el espacio recto necesario.

9


MEDIDORES DE TURBINA

Aunque el medidor a turbina es en esencia un medidor de velocidad , es utilizado casi exclusivamente para medir volumen.

Un medidor a turbina utiliza el movimiento del fluido para hacer girar el rotor de la misma.

El fluido choca contra un impulsor coaxial literalmente sin fricción provocando al citado impulsor un giro proporcional a la velocidad de la corriente.

La velocidad de giro del rotor varía con el caudal .

Un sensor magnético detecta el pasaje de cada álabe del rotor y transmite una señal de pulsos a un procesador .Así, cada pulso individual representa un volumen específico de líquido.

10


MEDIDOR A TURBINA

11


La señal de salida tiene una respuesta lineal por encima de caudales de 3.5 m3/h a 3634 m3/h.

En función del libre giro axial de los álabes del rotor, los cuales se están moviendo continuamente bajo la presión del fluido ,la caída de presión no es muy alta típicamente 0,27 Kg/cm2 a 0.48 Kg/cm2.

12


Cada medidor a turbina debe ser cuidadosamente especificado para su aplicación futura .Los bujes especificados para el rotor, dependerán de la lubricidad y limpieza de las líneas de proceso.

Cuando la viscosidad del fluido se incrementa disminuye la linealidad de un medidor a turbina ,pero con un computador de flujo se puede corregir la respuesta no lineal por viscosidad, calibrando el medidor para varias viscosidades .

El rotor está sujeto a desgastes , de modo que el medidor debe ser periódicamente calibrado para mantener su exactitud . La Tabla siguiente resume las principales características del medidor a turbina conjuntamente con sus ventajas y limitaciones.

13


Servicio: Líquidos limpios y Gases incluyendo Vapor.

Presión de Diseño: Hasta 207 Kg/cm2 (3000 psig).

Temperatura de Diseño: -267 ºC (-450ºF) a 260 ºC (500 ºF) (metal).

Rango de Caudal: Líquidos 0.001 cm3/min a 9085 m3/h( 40.000gpm);gases hasta 283.205 m3 cúbicos standard.

Señal: Frecuencia.

Escala: Lineal cuando el número de Reynolds es 10.000 o más alto.

Exactitud: +/- 0.25% del caudal a +/-1% de la velocidad del gas.

Configuración de Rango 10 :1 a 50:1

Tipo de Conexiones: Bridado o roscado .

Dimensiones: Hasta 24”.

Ventajas:Uno de los medidores más exactos ;buen rango de operación ;fácil para

instalar y mantener ;diseños disponibles para muy bajos caudales ;pequeño en dimensiones ;liviano en peso.

Limitaciones:Sensible a los incrementos de velocidad ;evitar el uso en líquidos que puedan cambiar de estado ;las versiones para gas requieren cuidado

cuando se utilizan en aplicaciones de caudal variable.

Tabla 1- Medidores a Turbina Características, Ventajas ,y Limitaciones

14


Los medidores ultrasónicos usados hoy pueden ser divididos en dos grupos ,basados en su principio de operación:

Tiempo Tránsito y Efecto Doppler (frecuencia desplazada).

Tiempo Tránsito: operan sobre la base de la propagación del sonido en un líquido, por el método diferencial.

La medición diferencial de tiempo de tránsito se basa sobre un simple hecho físico.

MEDIDORES ULTRASONICOS

MEDIDORES ULTRASONICOS POR TIEMPO DE TRANSITO

15


Imaginemos dos canoas cruzando un río sobre la misma línea diagonal ,una con el flujo y otra contra el flujo. La canoa que se mueve con el flujo necesita mucho menos tiempo para alcanzar la orilla opuesta.

Transductores sónicos montados en lugares opuestos de un conducto miden el tiempo transcurrido de los pulsos sónicos entre transmisor y receptor.

Cuando el pulso ultrasónico es dirigido diagonalmente aguas abajo su velocidad se suma a la velocidad de la corriente y cuando el pulso es dirigido diagonalmente aguas arriba , la velocidad en el líquido es disminuida por la velocidad de la corriente.

16


17


La diferencia de tiempos entre la propagación de pulsos aguas arriba y aguas abajo es proporcional a la velocidad promedio del fluido a lo largo de la trayectoria medida.

La Figura muestra un medidor ultrasónico típico de tiempo de tránsito del tipo intrusivo.

Dos transmisores ultrasónicos opuestos (transmisor receptor) los pares son insertados radialmente dentro del conducto en un ángulo de 45º .Este ángulo es conveniente para obtener la velocidad promedio del flujo a lo largo de la trayectoria que está siendo medida.

18


La técnica ultrasónica de tiempo de tránsito puede ser utilizada también para medir caudales en canales abiertos (Canal Parshall)

Al restringir un canal abierto con vertedero o garganta, la altura de la superficie del líquido que fluye está directamente relacionada con el caudal.

La altura de la superficie es medida al posicionar un transmisor-receptor ultrasónico por encima de la superficie.

Los pulsos emitidos son reflejados de regreso al receptor por la superficie del líquido que fluye.

Así el lapso de tiempo para el retorno por reflexión es una función de la altura de la superficie ,la cual es también una función del caudal.

19


Canal Parshall (Combinación de medidor Ultrasónico + vertedero de garganta)

20


Medidor Ultrasónico por efecto DOPPLER

Puesto que se asume que la velocidad de las partículas en el fluido es igual a la velocidad del fluido, entonces se puede deducir la velocidad de este último.

El medidor Doppler más común combina el transmisor y receptor en un solo transductor (Ver figura), mientras que otras configuraciones los separan. Se proyectan ondas sónicas a lo largo del flujo y se mide el corrimiento de frecuencia que experimenta la señal de retorno al reflejarse el sonido en partículas contenidas en el fluido.

Las ventajas y desventajas de un medidor ultrasónico se describen en la Tabla siguiente.

21


22


Tiempo de Tránsito Efecto Doppler (Frecuencia desplazada)

Servicio: Líquidos relativamente limpios. Líquidos con sólidos entrantes o suspendidos.

Presión de Diseño:Determinado por los límites del

conducto.Los que poseen abrazaderas no tienen ningún límite.

Ningún límite

Temperatura de Diseño: -184.4ºC(-300ºF) a 260ºC ( 500ºF). -184.4º C(-300ºF) a 121.1ºC (250ºF) .

Velocidad del Flujo: Típicamente hasta 12.2 m/seg. (40 pies/seg.) Hasta 15.24 m/seg (50 pies/seg).

Señal: Analógica o digital. Analógica o digital.

Escala: Lineal. Lineal.

Exactitud: +/-1% de la velocidad. Típicamente +/- 3 % del total de la escala.

Configuración de Rango - 12.2m/seg(40 pies/seg) a 12.2 m/seg.(40 pies/seg.).

- 12.2m/seg(40 pies/seg) a 12.2 m/seg.(40 pies/seg.).

Tipo de Conexiones: Bridado .(diseño disponible tipo abrazadera). Tipo abrazadera.

Dimensiones: ½” y mayor. 1/2” y mayor.

Ventajas:Ninguna obstrucción del flujo ;puede ser

bidireccional ;útil con prácticamente cualquier líquido relativamente limpio.

Puede manejar barros inorgánicos y líquidos aireados ;puede ser instalado sin proceso de cierre.

Limitaciones: Debe tener perfil de flujo uniforme ;los líquidos deben ser relativamente limpios.

No es adecuado para líquidos limpios ;requiere mínima longitud de caño recto.

Medidores Ultrasónicos Características, Ventajas ,y Limitaciones

23


MEDIDOR ELECTROMAGNETICO

El principio de operación de los medidores magnéticos se basa en las leyes de Faraday de Inducción Electromagnética.

Las leyes establecen que el movimiento de un conductor en un campo magnético induce una tensión en el conductor .Esta tensión es proporcional a la velocidad relativa entre el conductor y el campo magnético .

En el medidor magnético ,el líquido actúa como un conductor induciendo una tensión a través de la corriente de fluido .

Esta tensión es proporcional al caudal por lo que podemos decir que la densidad del flujo del campo magnético cambia en proporción al caudal que pasa a través del campo.

24


25


En los medidores de este tipo no se producen obstrucciones. Está construido con un tubo de material no magnético ,que conduce

una corriente líquida conductiva

Circundando el tubo se encuentran los arrollamientos que suministran un campo magnético a través del ancho total del mismo.

Los medidores electromagnéticos no censan directamente el caudal

pero infieren el mismo al censar la velocidad lineal y al asumir una conocida y constante área de la sección transversal del tubo.

El área total de la sección transversal debe estar siempre llena y en la misma no debe ingresar gas.

26


Cualquier burbuja de gas conducida por el líquido será medida como líquido provocando un error en la medición.

La señal de salida del medidor es en mili volts ,por lo que se necesita una instalación adecuada y una buena puesta a tierra.

La lectura es registrada generalmente en un display digital o en un registrador de carta.

Este tipo de medidor no es afectado por los cambios en la densidad y viscosidad o por cambios en la conductividad eléctrica ,cuando se opera por encima del umbral de una conductividad dada.

27


Medidores Electromagnéticos Características, Ventajas ,y Limitaciones

Servicio: Líquidos eléctricamente conductivos o lodos.

Presión de Diseño: Hasta 103 Kg/cm2 (1500 psig).

Temperatura de Diseño: Hasta 182 °C (360ºF).

Rango de Caudal: Líquidos 0.002 a 113.562 m3/h (500.000gpm.).

Señal: Electrónica, analógica ; digital.

Escala: Lineal.

Exactitud: +/- 0.5% del caudal a +/-2% del total de la escala.

Configuración de Rango 10 :1 para cualquier alcance.

Tipo de Conexiones: Bridado.

Dimensiones: 0.1” a 96”(disponible para muestreo).

Ventajas:No lo afectan los cambios en la densidad del

fluido ;viscosidad ;flujo bidireccional ;ninguna obstrucción al flujo; fácil de reestablecer el rango; pérdida de carga cero.

Limitaciones:Relativamente caro ;siempre requiere corriente alterna o continua

,solamente trabaja con líquidos cuyas conductividades típicamente son 5 microSiemens o más altas ;los equipos de

grandes dimensiones son relativamente pesados

28


MEDIDOR MASICO POR EFECTO CORIOLIS

Se basa en la aceleración absoluta de un móvil que es las resultante de la aceleración relativa, la de arrastre y la de Coriolis.

Tres bobinas electromagnéticas forman el sensor. Una bobina impulsora hace vibrar los 2 tubos sometiéndolos a un movimiento oscilatorio de rotación alrededor de un eje.

Los 2 detectores electromagnéticos inducen corrientes eléctricas de forma senoidal que están en fase si no circula fluido

El flujo atraviesa 2 tubos en forma de U con velocidad lineal «v» y velocidad angular «w» de rotación alrededor del eje OO´ por lo que sufre una aceleración de Coriolis a=2w.v

29


MEDIDOR ELECTROMAGNETICO

La fuerza ejercida sobre el fluido como consecuencia de la aceleración cambia de signo con «v» por lo que se genera un par de fuerzas que produce una torsión de los tubos alrededor del eje RR´

La torsión alrededor del eje RR´ produce un desfase de tiempo dT entre las corrientes inducidas por los detectores electromagnéticos que es proporcional al par de fuerzas ejercido sobre los tubos y por lo tanto a la masa que circula por ellos.

30


31


Ventajas

Alta precisión en la medición (0,2 a 0,5 %) La medida es independiente de la temperatura, presión, densidad,

viscosidad, y perfil de velocidades. Mantenimiento casi nulo. Se aplica a fluidos viscosos, sucios, corrosivos, con temperatura

extrema alta o baja y con altas presiones.

Desventajas:

Es muy Voluminoso No es apto para caudales elevados

32

Efecto Coriolis

Servicio: Líquidos y lodos.

Presión de Diseño: Hasta 5700 psig (391.5Kg/cm2).

Temperatura de Diseño: Hasta 426.7 ºC( 800ºF.)

Rango de Caudal: Hasta 11325 Kg/min.

Escala: Lineal.

Exactitud: +/- 0.5% del caudal a +/-2% del total de la escala.

Configuración de Rango 10 :1.

Tipo de Conexiones: Roscado o bridado.

Dimensiones: 1/8” a 6”.

Ventajas:Mediciones de masa

directamente. Puede manejar aplicaciones difíciles.

Limitaciones: Caro.


Medidores Másicos Características, Ventajas ,y Limitaciones

Medicion de Caudal

Documents

Transcript of Medicion de Caudal