SENSORES DE CAUDAL

1. 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

2. Medidores de Caudal Medidores Volumétricos Medidores de Caudal de masa Compensación de presión y temperatura en medidores volumétricos Térmico Momento • Presión diferencial • Área variable • Velocidad • Fuerza • Desplazamiento positivo • Torbellino

3. Medidores Volumétricos • Instrumentos de presión diferencial • Teorema de Bernoulli

4. Medidores Volumétricos • Instrumentos de presión diferencial Caudal en volumen (Qv) Caudal en masa (Qm) • Qv y Qmestán 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

5. Medidores Volumétricos • Instrumentos de presión diferencial Caudal en volumen (Qv) Caudal en masa (Qm) • 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.

6. Medidores Volumétricos • Instrumentos de presión diferencial Caudal en volumen (Qv) Caudal en masa (Qm) • 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

7. 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

8. 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 • Relación de diámetros • Tramos rectos y accesorios agua arriba y aguas abajo del elemento Costo de funcionamiento

10. Instrumentos de presión diferencial • Placa Orificio • 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 % Fuente: wwww. spiraxsarco.com www.saba.kntu.ac.ir

11. 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

12. Instrumentos de presión diferencial • Placa Orificio • Disposición de las tomas de presión diferencial

13. Placa Orificio Ventajas Desventajas Baja relación entre el caudal máximo y mínimo (3:1) Susceptible a abrasión por parte del fluido Alta perdida de carga • Simple y robusta • Bajo costo • Versátil (liquido, gas y vapor) • No requiere calibración o recalibración • No poseen partes móviles

14. 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

15. 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 %

16. Tobera Ventajas Desventajas Susceptible a abrasión por parte del fluido Alta perdida de carga • Simple • Alta precisión • Versátil (liquido, gas y vapor) • Capacidad para manejar fluidos que transportan sólidos • No posee partes móviles

17. 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

18. 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

19. Tubo Venturi Ventajas Desventajas Alto costo Efectividad puede verse afectada por sólidos abrasivos • Baja perdida de carga • Alta precisión • Versátil (liquido, gas y vapor) • Capacidad para manejar fluidos que transportan sólidos • No posee partes móviles

20. Instrumentos de presión diferencial • Procedimiento (ISO 5167-1980) para cálculo de orificios, toberas y tubos Venturi • Determinación de flujo volumétrico Qv y másico Qm • Determinación del diámetro D de la tubería • Cálculo del número de Reynolds Re • Estimación del valor β (d/D) • Cálculo del factor de expansión ε • Cálculo del coeficiente de carga C • Nuevo cálculo del valor β (d/D) • Determinación del orificio d

21. 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 Fuente: wwww..engineeringtoolbox.com

22. 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%

23. Tubo Pitot Ventajas Desventajas Baja precisión Limitado a fluidos limpios en régimen laminar • Bajo costo • Simple • Baja perdida de carga • Versátil (liquido, gas y vapor)

24. 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-white.com

25. 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

26. Instrumentos de área variable • Materiales de los flotadores

27. 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

28. 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

29. Rotámetros Ventajas 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) • Bajo costo • Simple • Baja perdida de carga (generalmente constante) • Buen intervalo de medida (10:1)

30. 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

31. Medidor de Turbina

32. Medidor tipo Turbina Ventajas Desventajas Limitado por la viscosidad Limitado a fluidos limpios Partes móviles Problemas con la sobrevelocidad y vacío • Muy preciso • Lineal • Versátil (liquido, gas y vapor)

33. 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.

34. 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.

35. Por diferencia de tiempos. • En este caso se dispone de uno o mas pares de transmisores-receptores 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.

36. 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.

37. 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.

38. Medidor tipo Ultrasónico Ventajas Desventajas Baja precisión Sensibles a la densidad • Ideal para líquidos • Permite presencia de solidos en suspensión • Lineal

39. 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.

40. Medidor de placa Ventajas Desventajas Partes mecánicas Sensibles a la densidad • Buena Precisión • Permite presencia de solidos en suspensión • Alcance amplio

41. 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

42. Medidor magnético Ventajas Desventajas Sensibles a perturbaciones Limitado a líquidos conductores No se emplea en gases Material débil • Excelente Precisión • Permite presencia de solidos en suspensión • No existe perdida de carga • Intercambiable

43. 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.

44. 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.

45. 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)

46. 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

47. Desplazamiento positivo