Transcript sensores de caudal - instrumentacion y control

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
“FRANCISCO DE MIRANDA”
AREA DE TECNOLOGIA
COMPLEJO ACADEMICO EL SABINO
ASIGNATURA: INSTRUMENTACION Y CONTROL DE
PROCESOS INDUSTRIALES
SENSORES DE CAUDAL
PROFESOR: ING. EUMAR LEAL
Medidores de Caudal
Medidores Volumétricos
 Presión diferencial
 Área variable
 Velocidad
 Fuerza
 Desplazamiento positivo
 Torbellino
Medidores de Caudal de masa
 Compensación de presión
y temperatura en
medidores volumétricos
 Térmico
 Momento
Medidores Volumétricos

Instrumentos de presión diferencial

Teorema de Bernoulli
V
2
a
2

Pa
o

Vc
2
2

Pc
o
Medidores Volumétricos
• Instrumentos de presión diferencial
Caudal en volumen (Qv)
Qv  K
h
o
 K
H
Caudal en masa (Qm)
Qm  E
d
2
4
2  Pa  Pc    o

Qv y Qm están expresados en m3/s y kg/s, respectivamente

Pa, Pc: presiones absolutas en zona anterior a la reducción y
en la vena contraída, respectivamente

ρo: densidad del fluido (masa por unidad de volumen)

K: constante

d: diámetro del orificio (reducción)

h: presión diferencial (producida por la reducción)

H: diferencia de alturas de presión de fluido

E: coeficiente de velocidad de acercamiento
Medidores Volumétricos
• Instrumentos de presión diferencial
Caudal en volumen (Qv)
Qv  K


h
o
 K
H
Caudal en masa (Qm)
Qm  E
d
4
2
2  Pa  Pc    o
Expresiones para fluidos incompresibles
Formulas aproximadas. En la practica, se consideran factores
de corrección:





Coeficiente de descarga
Reparto desigual de V
Contracción de la vena del fluido
Rugosidad de la tubería
Estado del liquido, gas, vapor , etc.
Medidores Volumétricos
• Instrumentos de presión diferencial
Caudal en volumen (Qv)
Qv  C E 
d
4
2
2
Pa  Pc
o
Caudal en masa (Qm)
Qm  C E
d
2
4
2  Pa  Pc   o
Para el caso de fluidos compresibles
•
•
La densidad varía en la sección de la vena (presión, temperatura, y peso
especifico)
•
Se toma en cuenta la expansión ocurrida durante la aceleración del fluido (ε:
coeficiente experimental de expansión)
»
Relación de presiones, la relación de calores específicos y la relación de secciones del
elemento y la tubería
•
Cuando el gas transporta vapor de agua (gas húmedo), se debe tomar en cuenta la
desviación de la densidad del gas húmedo respecto al gas seco
Medidores Volumétricos
•
Instrumentos de presión diferencial
–
Para el caso de fluidos compresibles
•
Cuando la densidad se calcula a partir de condiciones normales, estas
expresiones son aplicables para fluidos que cumplan la ley de gases
perfectos. En la practica, la ley no es completamente verdadera cuando la
presión es mayor a 10 bar. De manera que se debe tomar en cuenta el
coeficiente de compresibilidad Z
–
Z se puede determinar a través de las tablas o la ecuación de estado
reducida de los gases
Instrumentos de presión diferencial
•
Presión diferencial producida por el elemento de medida:
–
Se debe considerar:
•
Presión de la línea
•
Perdida de carga máxima del elemento
•
Exactitud en el campo de medida de la presión diferencial
Costo de
funcionamiento
–
Relación de diámetros
–
Tramos rectos y accesorios agua arriba y aguas abajo del elemento
Instrumentos de presión diferencial

Placa Orificio



Fuente: wwww.
spiraxsarco.com
Placa perforada que se instala en la tubería
Posee dos tomas (antes y después de la placa) que
captan la presión diferencial; la cual es proporcional al
cuadrado del caudal
Precisión se encuentra entre ± 1 y ± 2 %
Instrumentos de presión diferencial

Placa Orificio

Tipos de placa orificio

Concéntrico


Líquidos limpios, gases y vapor
Excéntrico y segmental

Fluidos con una cantidad pequeña de sólidos
Fuente: wwww. medirvariables.blogspot.com
Instrumentos de presión diferencial

Placa Orificio

Disposición de las tomas de presión diferencial
Placa Orificio
Ventajas





Simple y robusta
Bajo costo
Versátil (liquido, gas y
vapor)
No requiere calibración o
recalibración
No poseen partes móviles
Desventajas



Baja relación entre el
caudal máximo y mínimo
(3:1)
Susceptible a abrasión
por parte del fluido
Alta perdida de carga
Instrumentos de presión diferencial

Tobera

Dispositivo ubicado en la tubería con dos tomas, una
anterior y otra en el centro de la sección mas pequeña

Puede emplearse para fluidos que arrastran sólidos en
pequeña proporción
Instrumentos de presión diferencial

Tobera

Maneja caudales 60% superiores a los de la placa orificio
bajo las mismas condiciones

La perdida de carga es de 30 – 80% de la presión
diferencial

Costo es de 8 – 16 veces el costo de una placa orificio

Precisión varía entre ± .95 ± 1.5 %
Tobera
Ventajas





Simple
Alta precisión
Versátil (liquido, gas y
vapor)
Capacidad para manejar
fluidos que transportan
sólidos
No posee partes móviles


Desventajas
Susceptible a abrasión
por parte del fluido
Alta perdida de carga
Instrumentos de presión diferencial

Tubo Venturi
 Dispositivo que consiste de tres secciones:
Entrada: diámetro inicial igual al diámetro de la tubería que
luego toma forma de cono convergente
 Garganta
 Salida: sección cónica divergente que concluye con el diámetro
de la tubería

17
Instrumentos de presión diferencial
•
Tubo Venturi
–
Maneja caudales 60% superiores a los de la placa orificio bajo
las mismas condiciones
–
Permite el paso de fluidos con un porcentaje relativamente
grande de sólidos.
–
La perdida de carga es de 10 – 20% de la presión diferencial
–
Costo es de 20 veces el costo de una placa orificio
–
Precisión varía entre ± .75
Tubo Venturi





Ventajas
Baja perdida de carga
Alta precisión
Versátil (liquido, gas y
vapor)
Capacidad para manejar
fluidos que transportan
sólidos
No posee partes móviles


Desventajas
Alto costo
Efectividad puede verse
afectada por sólidos
abrasivos
19
Instrumentos de presión diferencial
•
Procedimiento (ISO 5167-1980) para cálculo de orificios, toberas y
tubos Venturi
1.
Determinación de flujo volumétrico Qv y másico Qm
2.
Determinación del diámetro D de la tubería
3.
Cálculo del número de Reynolds Re
4.
Estimación del valor β (d/D)
5.
Cálculo del factor de expansión ε
6.
Cálculo del coeficiente de carga C
7.
Nuevo cálculo del valor β (d/D)
8.
Determinación del orificio d
Instrumentos de presión diferencial

Tubo Pitot

Dispositivo que mide la presión dinámica (diferencia entre la
presión total y la presión estática); la cual es proporcional al
cuadrado de la velocidad
V1  C
Fuente: wwww..engineeringtoolbox.com
 P2  P1   2

Instrumentos de presión diferencial
•
Tubo Pitot
–
Es sensible a las variaciones en la distribución de velocidades en la
sección de tubería. Por lo tanto, su empleo se limita a flujo laminar
–
Máxima exactitud es alcanzada tomando varias medidas en puntos
determinados y promediando las raíces cuadradas de las velocidades
medidas
–
Uso típico en mediciones de grandes caudales de fluidos limpios con
una baja perdida de carga
–
Precisión alrededor de 1.5 – 4%
Tubo Pitot




Ventajas
Bajo costo
Simple
Baja perdida de carga
Versátil (liquido, gas y
vapor)
Desventajas


Baja precisión
Limitado a fluidos limpios
en régimen laminar
Instrumentos de área variable

Rotámetros
 Miden caudal a través de un flotador que cambia de
posición dentro de un tubo, proporcionalmente al flujo del
fluido
Fuente: wwww.. blue-
Instrumentos de área variable
•
Perfiles de construcción de los flotadores
–
–
–
–
Esféricos
•
Bajos caudales y poca precisión.
•
Gran influencia de la viscosidad del fluido
Cilíndricos con borde plano
•
Caudales medios y elevados
•
Influencia media de la viscosidad del fluido
Cilíndricos con borde saliente y de cara inclinada a contraflujo
•
Poca influencia de la viscosidad del fluido
•
Puede compararse con una tobera
Cilíndricos con bordes salientes a contraflujo
•
Mínima influencia de la viscosidad del fluido
•
Puede compararse con una placa orificio
Instrumentos de área variable

Materiales de los flotadores
26
Instrumentos de área variable

Escala en los rotámetros
 Son grabadas en una escala de latón o
aluminio a lo largo del tubo y situadas de
manera que coinciden con la línea de
cero del tubo

La escala puede ser:

Graduada en unidades directas de caudal

Porcentaje de la escala total


Factor de conversión
En mm acompañada de una curva de
calibración para determinar el caudal
Instrumentos de área variable
•
Rotámetros
–
El intervalo de medida (relación entre el caudal
máximo y mínimo) es alrededor de 1 – 10
–
Precisión es de 2% sin calibrar y de 1 % con
calibración
–
Adecuados para medidas de caudales pequeños
•
•
Límites mininos
–
0.1 cm3/min para agua
–
1 m3/min para aire
Límites máximos
–
3.5cm3/min para agua
–
30 m3/min para aire
Rotámetros
Ventajas




Bajo costo
Simple
Baja perdida de carga
(generalmente constante)
Buen intervalo de medida
(10:1)



Desventajas
Debe ser instalado
verticalmente
Dado que las lecturas en la
mayoría de los casos son
tomadas visualmente, la
precisión es moderada
Limitado a ciertas
presiones y temperaturas
(tubos transparentes)
Medidor de Turbina

Los medidores de turbina tienen un rotor de aspa
que puede girar libremente cuando el fluido lo
empuja, entonces la velocidad de rotación de la
turbina es proporcional a la velocidad del fluido.

El fluido debe ser limpio y poco abrasivo.
Sirve para líquidos y gases.
Variabilidad del rango 30:1
Genera una caída de presión apreciable



Medidor de Turbina
Medidor tipo Turbina



Ventajas
Muy preciso
Lineal
Versátil (liquido, gas y
vapor)




Desventajas
Limitado por la viscosidad
Limitado a fluidos limpios
Partes móviles
Problemas con la
sobrevelocidad y vacío
Transductor Ultrasónico

Estos medidores utilizan emisores y receptores de
ultrasonido situados ya sea dentro o fuera de la
tubería, son buenos para medir líquidos altamente
contaminados o corrosivos, porque se instalan
exteriormente a la tubería. Los medidores tienen
una exactitud de ±0,5% a ± 5% y una variabilidad
del rango entre 20:1 a 75:1 con escala lineal.
Transductor Ultrasónico
•
I.- Medidor de ultrasonido por diferencia
de tiempos.
•
II.- Medidor de ultrasonido por desviación
del Haz de sonido.
•
III.- Medidor de ultrasonido por efecto
Doppler.
Por diferencia de tiempos.

En este caso se dispone de uno o mas pares de transmisoresreceptores de ultrasonido, colocados diametralmente opuestos,
formando un ángulo (α) con el eje de la tubería.

En los medidores de haz múltiple, se mide la velocidad del fluido en
diversos planos y se obtiene un promedio.

Este medidor opera con gases y líquidos, pero presenta mejor
desempeño en gases.
Por desviación del Haz de Sonido
• En este caso se mide la desviación del haz de sonido que es
trasmitido en dirección perpendicular a la tubería.
Por efecto Doppler.

En este caso, se proyectan ondas de ultrasonido a lo
largo del fluido y se mide el corrimiento de
frecuencia que experimenta la señal de retorno al
reflejarse el sonido en partículas contenidas en el
fluido.
Medidor tipo Ultrasónico



Ventajas
Ideal para líquidos
Permite presencia de
solidos en suspensión
Lineal


Desventajas
Baja precisión
Sensibles a la densidad
Medidor de Fuerza o de Impacto
• Utiliza el empuje del fluido sobre la placa para llevar a cabo la
medición del caudal, que generalmente es circular.
Medidor de placa



Ventajas
Buena Precisión
Permite presencia de
solidos en suspensión
Alcance amplio


Desventajas
Partes mecánicas
Sensibles a la densidad
Medidor de Tensión Inducida
Sensor magnético: Se basan en la creación de potencial eléctrico por
el movimiento de un fluido conductor a través de un campo
magnético generado exteriormente. Según la ley de Faraday de la
inducción electromagnética, el voltaje generado, es directamente
proporcional a la velocidad del flujo del fluido
Medidor magnético




Ventajas
Excelente Precisión
Permite presencia de
solidos en suspensión
No existe perdida de
carga
Intercambiable




Desventajas
Sensibles a
perturbaciones
Limitado a líquidos
conductores
No se emplea en gases
Material débil
42
Medidor Másico Térmico
Los medidores térmicos, se basan comúnmente en
dos principios físicos:
 La elevación de temperatura del fluido en su paso por un
cuerpo caliente.
 La pérdida de calor experimentada por un cuerpo caliente
inmerso en el fluido.
43
FUNCIONAMIENTO MEDIDOR
MASICO TERMICO

El funcionamiento de estos
aparatos consta de una
fuente
eléctrica
de
alimentación de precisión que
proporciona
un
calor
constante al punto medio del
tubo por el cual circula el
caudal.
En
puntos
equidistantes de la fuente de
calor se encuentran sondas
de resistencia para medir la
temperatura.
44
FUNCIONAMIENTO MEDIDOR
MASICO TERMICO


Cuando el fluido está en reposo, la temperatura es
idéntica en las dos sondas.
Cuando el fluido circula, transporta una cantidad de
calor hacia el segundo elemento de medición T2, y se
presenta una diferencia de temperaturas que va
aumentado progresivamente entre las dos sondas a
medida que aumenta el caudal. Esta diferencia es
proporcional a la masa que circula a través del tubo,
de acuerdo con la ecuación:
Q = m ce (t2 – t1)
Desplazamiento positivo
Miden el nivel en volumen contando o
integrando volúmenes separados de liquido.
Existen cuatro tipos básicos de medidores:





Disco oscilante
Pistón oscilante
Pistón alternativo
Rotativos
Diafragma
Desplazamiento positivo