Instrumentacion Industrial Flujo 3

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MEDICIÓN DE FLUJO La medición de fluido o caudal es un factor de suma importancia en la industria, ya que. representa el balance de los procesos: se mide lo que entra al proceso, lo que sale del mismo y el desperdicio o merma, con la finalidad de obtener información exacta de los costos de producción, garantizando la eficiencia de la planta, la calidad de los productos y la cantidad vendida a los clientes. Es igualmente importante en trabajos de prueba de planta, para aumentar la producción y para los efectos de obtención de información para nuevos diseños o para eliminar dificultades en la operación del proceso. 1.1. Concepto de Flujo: Es la cantidad de fluido que pasa a través de la sección por unidad de tiempo. Por ejemplo, en cierta tubería puede haber régimen de flujo de 100 galones de agua por minuto; esto significa, que por cada minuto que transcurre pasan 100 galones de agua. Si se considera el número de galones que pasarán a partir de cierto momento, después de un minuto habrán pasado 100 galones; en dos minutos 200 galones, etc. Si el régimen de flujo se mantiene con el mismo valor, después de cierto tiempo habra pasado un número total de galones igual al régimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido; por ejemplo, después de 15 minutos habrán pasado 100 x 15 = 1.500 galones. Caso contrario, cuando se divide el número total de galones entre el tiempo para obtener el régimen de flujo. Según el ejemplo anterior 1500 ÷ 15 = 100 gal/rnin. Estos cálculos son ciertos sólo si el régimen de flujo se ha conservado en el valor, lo cual no tiene necesariamente que haber ocurrido. Por ejemplo, si durante los primeros 3 minutos el régimen es de 80 gal/min, durante los siguientes 6 minutos de 90 gal/min, y durante 6 minutos más de 120 gal/min. El número total de galones será (80 x 3) + (120 x 6) + (90 x 6) = 1.500 galones. Si se calcula el cociente entre el número total de galones y el tiempo total, se obtiene 1.500 ÷ 15 = 100 gal/min. Esta cifra no coincide con ninguno de los valores que el régimen de flujo tomó durante el transcurso de los 15 minutos. Sin embargo, dicho cociente representa el régimen medio de flujo durante el tiempo total transcurrido, aún cuando sea pequeña. Por ejemplo, si se encuentra que durante un cuarto de minuto han pasado 30 galones el régimen medio durante dicho tiempo será 30 ÷ 0.25 = 120 gal/min. VT = (80 gal/min x 3 min) + (90 gal/min x 6 min) + (120 gal/min x 6 min) = 1.500 gal VT = Volumen total = 1.500 Galones Cuando el tiempo total es muy pequeño, el régimen medio de flujo representa el valor instantáneo del régimen de flujo.

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Ejemplos: 1. ¿Cuál es el régimen de flujo en un sistema, cuando en el lapso de 2 horas circulan las siguientes cantidades: durante 45 minutos 400 barriles de crudo, en 30 minutos 800 barriles de crudo y en el resto del tiempo 1.200 barriles de crudo?

Solución: 400 Barriles en 45 min. 800 Barriles en 30 min. 1.200 Barriles en 45 min. Total:

2.400 Barriles en 120 min. 2.400 Barriles R flujo =

=20 Barriles/minutos 120 minutos

2. Si por una tubería en la cuál se está midiendo el flujo de vapor se han acumulado, en una hora 1.500 libras, en las siguientes 8 horas 10.000 libras y en las restantes, para completar 24 horas, 25.000 libras ¿Cuál es el régimen de fluido por día y por minuto? Solución: 1.500 Libras en 1 Hora 10.000 Libras en 8 Horas 25.000 Libras en 15 Horas Total

36.500 Libras en 24 Horas R flujo = 36.500 Lbs/día

36.500 Libras R FLUJO =

= 25,3 Lbs/ min. 1.440 Minutos

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO 1.2. Tipos de Flujo Al movimiento de un fluido se le llama flujo, el cual puede clasificarse en Turbulento, Laminar, Ideal, Isentrópico, Permanente, Uniforme, no Uniforme. 1.2.1. TURBULENTO El Flujo turbulento es el más frecuente en las aplicaciones prácticas de la ingeniería. En esta clase de flujo las partículas del fluido (pequeñas masas moleculares) se mueven siguiendo trayectorias muy irregulares, originando un intercambio de cantidad de movimiento de una porción de fluido a otra, pero a una escala mucho mayor. Las partículas fluidas implicadas en el intercambio de cantidades de movimiento, pueden tener desde un tamaño muy pequeño (unos pocos de miles de moléculas), hasta muy grandes (miles de metros cúbicos en un gran remolino de un río o en una borrasca atmosférica). En los casos en que el flujo llega a ser turbulento origina una mayor tensión de cortadura en el fluido y produce más pérdidas. 1.2.2. LAMINAR En el flujo laminar, las partículas del fluido se mueven a lo largo de trayectorias lisas en capas o láminas, deslizándose una capa sobre adyacente. En él se cumple la ley de la viscosidad de Newton, que relaciona la tensión de cortadura con la velocidad angular de deformación, es decir, en este tipo de flujo, la acción de la viscosidad frena la tendencia a la turbulencia. El flujo laminar no es estable cuando la viscosidad es escasa o cuando el caudal o velocidad es grande, rompiéndose y transformándose en turbulento. 1.2.3. IDEAL Un fluido ideal carece de roce y es incomprensible. No debe confundirse éste con un gas perfecto, en los casos en que intervienen grandes extensiones de fluido, como el movimiento de un submarino bajo el océano o de un avión en la atmósfera. 1.2.4. ISOENTRÓPICO Cuando el flujo es tal, que no entra ni sale calor a través de los límites del fluido, se dice que es adiabático. El flujo adiabático reversible (adiabático sin rozamiento) se denomina flujo isoentrópico. 1.2.5. PERMANENTE Se dice que el flujo es permanente, cuando las propiedades del fluido y las condiciones del movimiento en cualquier punto no cambian con el tiempo. Por ejemplo, cuando la velocidad de un cierto punto es 3m/seg. en cierta dirección indefinidamente. En el flujo permanente no hay cambios ni en la densidad d, ni en la presión p, ni la temperatura T, con el tiempo en cualquier punto. Existe a su vez, un punto turbulento debido al movimiento al alzar, de las partículas fluidas, las cuales originan pequeñas fluctuaciones en un punto cualquiera. La definición de flujo permanente debe ser generalizada teniendo en cuenta estas fluctuaciones. 1.2.6. UNIFORME Se dice que el flujo es uniforme, cuando en cualquier punto del fluido el vector velocidad es idéntico, es decir, con igual módulo, dirección y sentido en un instante dado. En el flujo de un fluido permanente en un conducto abierto o cerrado, la definición anterior puede aplicarse con un pequeño margen de error en muchos casos, aún cuando el vector de velocidad en el contorno sea siempre cero. Cuando todas las secciones rectas paralelas del conducto son idénticas (por ejemplo, cuando el conducto es prismático y la velocidad media en cada sección recta es la misma en un instante dado), se dice que el flujo es uniforme. Pág. 3 0000001N

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO 1.2.7. NO UNIFORME El flujo es no uniforme, cuando el vector velocidad varía en un instante dado de un punto a otro. Un líquido que se bombea a través de una tubería recta de sección variable o de una tubería curvada es un ejemplo de flujo no uniforme. 1.3. Métodos de Medición de Flujo. La medición de flujo se ha generalizado tanto que es difícil, actualmente, encontrar un proceso, por muy sencillo que éste sea, en el cual no se tenga que hacer una medición de esta variable. Existen varios métodos para la medición de flujo, entre ellos se encuentran: Por presión diferencial, Área variable, Desplazamiento positivo, Por velocidad, Por tensión inducida, Por efecto coriolisís, Torbellino, Ultrasonido. 1.3.1. POR PRESION DIFERENCIAL: La presión y velocidad de un fluido que circula por una tubería es casi la misma en cualquier punto del tubo. Cuando en la tubería se coloca una restricción se observa claramente que hay una caída de presión a través de dicha restricción, y un aumento en la velocidad del fluido. Esto es conocido como el Teorema de Bernoully. (Véase Fig. 1.1).

Figura 1.1. Principio de Funcionamiento según el Teorema de Bernoully

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO Existe una relación entre la caída de la presión a través de la restricción y la velocidad del fluido en la misma. Esta relación nos permite obtener la fórmula fundamental para conocer el régimen del flujo (líquidos, gases o vapores) que pasa por la tubería, partiendo de la presión diferencial. Por ejemplo, para líquidos: Q =K x

p

donde: Q=

Cantidad de flujo.

P = Diferencial de presión. K=

Constante.

Generalmente, los instrumentos medidores de flujo indican la presión diferencial y los resultados son llevados hasta una gráfica o escala, en la cual se extrae directamente la raíz cuadrada a la diferencial de presión.

Q1 = V1 * S1

Qm = Q * P

Q2 = V2 * S2

Flujo Entrante

Q1

Q= V *S

Q2 S2

Flujo Saliente

P = Densidad del Fluido Q = Caudal V = Velocidad S = Seccion

S1

Para obtener la lectura del régimen de flujo, sólo es necesario multiplicar la lectura observada en la escala o gráfica del instrumento por el factor K, el cual depende de la tubería, diámetro, tipo de restricción, tipo de fluido manejado, sistema de unidades utilizadas, etc. Los medidores de flujo están constituidos por el elemento primario de medición placa de orificio y el elemento secundario de medición (resto del instrumento). 1.3.1.1. ELEMENTOS PRIMARIOS: Proveen los medios por los cuales, parte de la presión estática del fluido, es convertida en un aumento de velocidad, con el propósito de crear un diferencial de presión ( p).

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO Los elementos primarios más utilizados son: 1. PLACA DE ORIFICIO. El dispositivo frecuentemente utilizado para este fin consiste en una placa con un orificio, que está intercalada en la tubería. En la fig. 1.2 se puede apreciar como cambia la sección transversal de la vena fluida en movimiento. Principalmente, el diámetro de la vena fluida se reduce hasta igualar el diámetro del orificio. Después que el fluido ha pasado a través de la placa, el diámetro sigue disminuyendo hasta alcanzar un valor mínimo para luego aumentar inmediatamente en forma gradual, hasta tomar de nuevo el valor que tenía originalmente. El punto, donde el diámetro sufre la máxima reducción. se conoce como vena contracta. Mientras mayor sea la reducción del diámetro, mayor será la velocidad del fluido y mayor la presión diferencial. Las columnas verticales colocadas arriba de la tubería representan el valor de dicha presión.

Figura 1.2. Sección Transversal de la Vena Fluida en Movimiento Inmediatamente después del orificio, la presión se reduce de manera apreciable y todavía hay una ligera reducción adicional al llegar a la vena contracta. A partir de allí, la presión aumenta gradualmente hasta estabilizarse en cierto valor indicado por las columnas de arriba y a la derecha (véase fig. 1.2) en donde, es inferior al valor que la presión tenía en las columnas a la izquierda del orificio, debido a la pérdida de energía ocasionada por las turbulencias. De no ser por dicha pérdida de presión estática debería tomar nuevamente el valor que tenía indicado por la columna de la izquierda del orificio. Los puntos a y b es la diferencial de la presión entre antes y después del orificio. De esta manera, podemos considerar dos clases de caídas o pérdidas sufridas por la presión estática: una caída temporal, que ocurre sólo mientras subsiste la reducción del diámetro de la vena fluida, y una caída permanente.

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO Generalmente los cambios que sufre la presión estática son pequeños, comparados con el valor que dicha presión tiene. Nos interesa puntualizar la relación entre el valor de la presión diferencial y el valor real del flujo. Para determinar la cantidad de flujo que circula por la tubería aplicamos la siguiente fórmula: Q =K x

p

en donde: ·

Q = Cantidad de flujo por unidad tiempo (M³/seg) o Ft³/min. K = Una constante P = Presión diferencial en “H20 (pulgadas de agua).

De esta fórmula se puede apreciar, que para conocer la cantidad de flujo que está circulando a través de la placa de orificio, es necesario extraer la raíz cuadrada a la diferencial medida. Generalmente, los instrumentos registradores o indicadores de presión diferencial incluyen una gráfica o escala, que en sus graduaciones da directamente la raíz cuadrada. La lectura obtenida se multiplica por un factor determinado y el resultado es el caudal que en ese preciso momento está fluyendo. En caso de que el espesor de la placa tenga que ser mayor, se puede biselar el borde del orificio que queda hacia la parte de baja presión, con el objeto de que el espesor a lo largo del orificio tenga el valor debido. El bisel debe formar un ángulo no mayor de 45º con la cara de la placa (véase fig. 1.3).

Figura 1.3. Biselado de la Placa Orificio

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO Generalmente las placas llevan unos orificios o perforaciones en la parte superior o inferior cuando el fluido es líquido dicha perforación debe quedar arriba con objeto de dejar pasar los gases o vapores que pudiera arrastrar el líquido y evitar que se acumulen a un lado de placa. Cuando el fluido es un gas la perforación debe quedar hacia abajo evitando la acumulación de condensados. (Véase fig. 1.4).

Figura 1.4. Orificio de Venteo

El diámetro del orificio no guarda una relación fija con el diámetro de la tubería. Sin embargo, la relación entre ellos ( ß ) debe conservarse dentro de ciertos límites, que dependen del diámetro de la tubería y de los puntos en que se hagan las tomas de presión. En ningún caso el valor de ß (Beta) debe ser menor que 0.1 ni mayor que 0.8 y de ser posible, conviene que se mantenga entre 0.300 y 0.650. En la placa ordinaria el orificio es concéntrico, y una vez instalada, e4 orificio queda también concéntrico con la tubería. Hay algunos tipos de placas que tienen el orificio excéntrico, o en forma de segmento de un círculo (véase fig. 1.5) y se utilizan cuando el fluido contiene una pequeña cantidad de sólidos en suspensión los cuales podrían acumularse con más facilidad junto a la placa, si ésta fuera del tipo ordinaria.

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Figura 1.5. Tipos de Placas de Orificio

BRIDAS PARA INSTALACION DE PLACAS DE ORIFICIOS: Ordinariamente la placa queda sostenida por dos bridas, cada una de las cuales está unida a la parte de la tubería. (Véase fig. 1.6 y 1.7). Entre las placas y las bridas se usan empacaduras, sellando escapes. En muchos casos las tomas de presión se hacen a través de perforaciones o conductos que las bridas tienen con ese objeto. Los distintos tipos de bridas difieren en la forma en que la placa queda sostenida.

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Figura 1.6 Bridas para Instalación de las Placas de Orificio

Figura 1.7 Placa de Orificio Instalada en Brida Pág. 10 0000001N

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO VENTAJAS 1. Bajo costo 2. Se fabrica con facilidad 3. Es fácil de instalar 4. No requiere un mantenimiento excesivo DESVENTAJAS 1. Causa permanentemente notable pérdida de presión. 2. No es muy exacta. Hay otros elementos primarios que miden mejor el diferencial. 2. TOBERA DE FLUJO Consiste en una entrada de forma cónica y restringida, pero no existe salida cónica. La conexión de alta presión es hecha sobre la pared de las tuberías aproximadamente un diámetro de la tubería a partir de la entrada. La toma de baja presión está situada en el punto donde el flujo tiene menor área. Este tipo de elemento primario de medición de flujo se utiliza en aplicaciones donde los fluidos traen consigo sólidos en suspensión. La tobera de flujo esta representada en la fig. (1.8 a y 1.8 b). Por su forma especial no hay concentración de la vena y por esta razón se obtienen medidas exactas.

Figura 1.8. a Tobera de Flujo

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Figura 1.8.b Tobera de Flujo 1.

Gran Exactitud

2.

El Mantenimiento que se Requiere es Mínimo

3.

Perdida de Presión Permanente menor que con una Placa de Orificio

4.

Para un mismo diferencial, el flujo que pasa es 1,3 veces mayor que el que pasaría por una placa de orificio del mismo diámetro.

DESVENTAJAS

1.

Alto costo. De 8 a 16 veces más que una placa de orificio.

2.

La instalación de una tobera es más fácil que la de un Tubo Venturi, pero más complicada que la de una Placa de Orificio.

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TUBO VENTURI:

Consiste en un conjunto de bridas y tuberías; el cual tiene un cono de entrada convergente, que guía el fluido hacia el estrechamiento central y un cono divergente de salida que guía el fluido hacia la continuación de la tubería. La unión de los conos se denomina garganta, o sea, la parte más contraída del tubo. A la primera sección, o cono de entrada, se conecta la toma de alta presión. Esta toma es promedial, ya que se sitúan varias perforaciones alrededor del tubo y luego todas constituyen la toma de alta presión, el conjunto de conexiones y lo que las contiene se llama Añillo piezométrico. La toma de baja presión se coloca en la garganta del tubo. El cono de salida es llamado, de recuperación, ya que recupera hasta cierto punto un gran porcentaje de la pérdida de presión provocada por esta restricción. (Véase fig. 1.9 a y 1.9 b).

Figura 1.9.a Tubo Venturi

Figura 1.9.b Construcción Típica de Venturi

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO El tubo Venturi. La principal aplicación es para fluidos de gas y en donde se requiera desplazar grandes volúmenes. El tubo Venturi al guiar el fluido evita turbulencias, es por esta razón que el Venturi da lecturas más precisas que la placa de orificio. VENTAJAS 1. Alta exactitud. 2. El mantenimiento que requiere es mínimo. 3. La pérdida de presión es pequeña. DESVENTAJAS 1. Alto costo. 2. Difícil de instalar. 5. EL TUBO DE PITOT: El tubo de Pitot se utiliza principalmente cuando la medición de caudal se efectúa en tuberías o ductos de gran tamaño en los cuales la instalación de una placa de orificio es poco práctica y demasiado costosa. En el tubo de Pitot utiliza un principio diferente, puesto que no existe en este caso, reducción del diámetro de la tubería. Este dispositivo se introduce en la tubería a través de un orificio practicado en la pared. En las figuras (1.11a y 1.11 b) observamos que la punta del tubo Pitot, esta orientada de tal manera que el fluido choca contra el orificio que origina la alta presión y la toma de baja penetra en el espacio anular del tubo, situada a 5 diámetros del tubo Pitot, medidos desde la punta del tubo. Este punto se conoce como velocidad cero del fluido. En el exterior de la tubería en los puntos A y B se toma la presión diferencial A = LP y B = HP. Producto del cambio de velocidad que sufre el fluido al chocar contra el tubo Pitot.

Figura 1.11.a Funcionamiento del Tubo Pitot Pág. 14 0000001N

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Figura 1.11.b Instalación Física del Tubo Pitot La velocidad máxima del fluido medida con un tubo de Pitot también es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la presión diferencial. Es decir: Pe =

yx

g

2 En donde:

Pg

V =

2g

Y

P = Y

Pe

=

p

= pe

Presión diferencial en "H20 Densidad del Fluido

= Peso específico del liquido

g = Aceleración de la gravedad m/seg² V =

Velocidad del fluido m/seg.

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO La diferencia entre las dos presiones mencionadas determina la velocidad del fluido. Al medir este diferencial y tomar en cuenta la densidad del fluido en circulación se obtiene el valor de dicha velocidad. En algunos casos es necesario aplicar algún factor de corrección determinado experimentalmente. Como se mencionó anteriormente, la velocidad de un fluido cambia al pasar de un punto a otro de determinada sección de la tubería. Así el tubo de Pitot da una indicación de la velocidad en determinado punto de la sección y no de la velocidad media que es la que generalmente interesa conocer. Para tener idea del valor de dicha velocidad media, es necesario tomar lecturas sucesivas en diferentes puntos de la sección, dando al tubo de Pitot posiciones diferentes. En consecuencia, el tubo de Pitot no es adecuado para aplicaciones en las que interesa conocer en cualquier momento cuál es el valor del flujo. Además, tiene el inconveniente de que sus conductos pueden ser obstruidos con facilidad. VENTAJAS 1 - Bajo costo (especialmente para tuberías grandes). 2. El mantenimiento que requiere es mínimo. 3. Poca pérdida de presión. DESVENTAJAS 1. Poca exactitud. 1.3.1.2. TIPOS DE TOMAS PARA MEDIR PRESIÓN DIFERENCIAL: Las tomas de alta y baja presión pueden hacerse en puntos diferentes. La selección depende de la magnitud con que se detecte el diferencial. A continuación se describen las más comunes: tomas de brida, tomas de vena contracta y tomas de tuberías. a.

Tomas de Bridas: Se instala la Toma de Alta Presión (H) a una distancia de 1” antes de la Placa de Orificio y la Toma de Baja Presión (L) 1" después de la Placa de Orificio. (Véase fig. 1. 12).

Figura 1.12 Instalación de Tomas en Placa de Orificio

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO b. Tomas de Vena Contracta: Se instala la Toma de Alta Presión a una distancia de 1 Diámetro Nominal de la tubería antes de la Placa de Orificio y la Toma de Baja Presión a una distancia de 0,3 a 0,8 Diámetros de tubería, después de la Placa de dependiendo de la relación entre los Diámetros del Orificio y de la tubería. Siendo conocida esta relación se puede decir a que distancia después de la placa esta situada la parte mas contraída de la vena fluida. (Véase Fig. 1. 13).

Figura 1.13 Instalación de Tomas de Vena Contracta c.

Tomas de Tuberías: Se instala la Toma de Alta Presión a una distancia de 2-1/2 Diámetro nominales de la tubería antes de la Placa de Orificio y la Toma de Baja Presión a una distancia de 8 Diámetros Nominales de tubería después de dicha Placa. (Véase fig. 1.14).

Figura 1.14 Tomas de Tuberías DISTANCIA MÍNIMA DE INSTALACIÓN AL ELEMENTO PRIMARIO

En relación con la distancia mínimas sin obstáculos que deben existir antes o después de las Placas de Orificio, según los diferentes tipos de tomas utilizados (bridas, tubo, etc.) existen gráficas que facilitan la obtención de las mismas. (Véase Fig. 1.15).

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Figura 1.15 Distancias para la Instalación de Elementos Primarios

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO 1.3.1.3. REGISTRADOR DE FLUJO POR PRESIÓN DIFERENCIAL (FOXBORO Y BARTON): El medidor de tipo diferencial esta constituido por dos cámaras una de Alta y otra de Baja Presión, comunicadas internamente, las cuales están llenas de líquido; un conjunto de resorte de rango y un sistema de palanca impulsora para transmitir el movimiento de los diafragmas a la pluma o aguja indicadora. (Véase Fig. 1.16).

Figura 1.16 Partes de una Cámara Diferencial

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Figura 1.17 Principio de Funcionamiento de una Cámara Diferencial

1. FOXBORO. (Véase fig. 1.16 y 1.17) Existen dos fuelles uno en cada cámara del medidor. El de la cámara de alta presión (7) es el compensador y el de la cámara de baja presión (2) es el de rango. Estos se comunican internamente (5) a través de un conducto, el cual esta lleno de líquido. Cuando se produce un diferencial de presión a través del dispositivo primario, la presión alta comprime el fuelle de compensación (7) de tal manera que parte del líquido de llenado fluye hacia el fuelle de rango (2). El fuelle de baja se expande, ejerciendo una fuerza contra los resortes opuestos de rango (3). Las características particulares de los resortes determinan el rango del Instrumento, ya que el fuelle de baja (2) está directamente conectado por tiras flexibles de Elgiloy al conjunto de la palanca impulsora (4). El movimiento lineal del fuelle de baja mueve el extremo interno de la palanca impulsara, proporcionalmente a los cambios de presión diferencial, que es transmitido a la pluma o aguja indicadora. Dentro del diafragma de compensación (7) está instalado un bimetálico (6), el cual ajusta automáticamente la capacidad del diafragma al volumen cambiante de líquido de llenado, resultante de cualquier cambio de la temperatura ambiente. Mediante esta compensación el punto cero del medidor no se afectará por los cambios de Temperatura. Cuando exista inestabilidad en la indicación, ésta puede ser corregida mediante un ajuste del tornillo de amortiguación (1). El tornillo de ajuste (1) no debe cerrarse totalmente ya que esta acción insensibiliza el instrumento.

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A. Cambios de Rangos: Los siguientes rangos estándar que se encuentran disponibles son: 20, 50, 100, 200 y 400 pulgadas de agua de presión diferencial, con una presión de clasificación estática máxima de 3000 libras por pulgadas cuadrada. Otros rangos de escala completa pueden ser producidos por ajustes de los resortes de rango estándar y la palanca de multiplicación. Por ejemplo, un instrumento con rango de 100 pulgadas de agua puede convertirse en un instrumento con rango de 50 pulgadas de agua. Los rangos combinados también son fácilmente obtenidos por ajustes de los resortes de rango estándar y apropiada colocación a cero. Rangos combinados hasta de un 50% se encuentran disponibles. También a este medidor se le puede asignar diferentes gamas, dadas en unidades milimétricas de columnas de agua. 2. BARTON Otro instrumento para medir la diferencia de presión creada por un elemento primario es el medidor de flujo tipo "Barton". Este está fabricado con dos cámaras separadas por una base central, las cuales se llaman cámaras de alta y baja presión. En cada una de ellas hay un fuelle lleno con líquido y sellado contra la base central. En la cual se une un conducto que permite la circulación de líquido de un fuelle a otro. Al aplicar un diferencial de presión se produce una expansión en el fuelle de baja, el cual produce un movimiento horizontal que es transferido fuera del medidor por un "tubo de torsión" (véase fig. 1.18)

Figura 1.18 Componentes de una Cámara Diferencial Barton

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Figura 1.22 Múltiple o Manifold de Válvulas Seguidamente se explica el procedimiento a seguir para manipular este accesorio. A.

Procedimientos para sacar de servicio el Instrumento Registrador Indicador de Presión Diferencial:

Nota: En condiciones normales de operación las válvulas 3, 4 y 5 tienen que estar abiertas y las válvulas 1 y 2 cerradas. 1.

Cerrar válvula 3

2.

Abrir válvula 1 y 2

3.

Cerrar válvula 4 y 5

4.

Abrir lentamente la válvula 3

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO B.

Procedimiento para poner en Servicio el Instrumento Registrador Indicador de Presión Diferencial:

Nota: Verificar que la válvula 1,2 y 3 estén abiertas y 4 y 5 cerradas. 1.

Cerrar válvula 3

2.

Abrir lentamente válvula 4 y 5

3.

Cerrar válvula 1 y 2

4.

Abrir lentamente válvula 3

2. El Porta Orificio o Brida: La figura 1.23 muestra tres vistas del porta orificio común. Para bajas presiones esta brida es de hierro fundido, para presiones más altas se dispone de una brida de hierro forjado. La función principal de la brida es sostener la placa de orificio en el centro del conducto. Es también perforada y roscada en la parte superior e inferior. Cuando el medidor se conecta a ellas, el Manifold de conexión se enrosca a sus extremos superiores cuando el fluido es gas y en la parte inferior cuando el fluido es líquido. La práctica más común es usar bridas de acero soldadas a la tubería. Las tomas de presión son de 1/2 pulgadas y están conectadas a la parte superior e inferior de la brida. La placa de orificio se centra en la brida por medio de pernos. Estos deben apretarse en la forma pareja en todas las partes de la misma para mantenerla centrada.

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Figura 1.23 Bridas de Orificio

3.

CAJA DE ORIFICIO:

Se justifica la utilización de una caja porta-placa, cuando se preveé la necesidad de remover el disco de orificio con cierta periodicidad. Su mayor ventaja es que la placa de orificio se puede sacar, revisar y colocar nuevamente sin interrumpir el paso del flujo en la tubería. (Véase fig. 1.24).

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Figura 1.24 Porta Placas de Orificio Daniel A. Procedimiento para Operar la Caja de Orificio "Daniel". Procedimiento para Sacar la Placa de Orificio. Antes de iniciar el proceso, cerciorarse que la válvula de venteo Nº 5 este cerrada. (Véase fig. 1.25). 1ro. Abrir válvula Ecualizadora Nº 1. Esto se hace con el fin de igualar la presión de la línea con la parte superior de la cavidad de la caja y así facilitar la apertura de la compuerta. 2do. Abrir compuerta rotando la manivela Nº 2. 3ro. Subir el plato rotando la palanca Nº 3 y luego la palanca Nº 4. 4to. Cerrar la compuerta Nº 2. 5to. Cerrar la válvula Ecualizadora Nº 1. 6to. Ventear la presión atrapada en la cavidad superior, abriendo la válvula de venteo Nº 5. 7mo. Aflojar los tornillos de la tapa superior, luego deslizar la barra maciza, tapa superior para sacar el orificio utilizando la palanca Nº 4.

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Figura 1.25 Componentes de una Porta Placa de Orificio PROCEDIMIENTO PARA INTRODUCIR LA PLACA DE ORIFICIO: 1ro. Introducir la placa de orificio en la cavidad superior de la caja de abertura. 2do. Colocar la Empaquetadura, barra maciza y tapa superior para luego apretar los tornillos. 3ro. Verificar, que la válvula de venteo Nº 5 este cerrada. 4to. Abrir válvula Ecualizadora Nº 1 5to. Abrir compuerta Nº 2. 6to. Introducir la palanca de orificio por medio de las palancas Nº 3 y 4 hasta llegar al tope inferior dentro de la caja de orificio. 7mo. Cerrar la compuerta Nº 2. 8vo. Cerrar la válvula Ecualizadora Nº 1. 9no. Ventear la presión atrapada abriendo la válvula de venteo Nº 5.

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO 1.3.2. MÉTODO DE ÁREA VARIABLE En los rotámetros el área de flujo se varía de modo que ocasione una diferencia de presiones constante, por lo que a este instrumento se le llama "Medidor de área Variable". Esencialmente, un rotámetro consiste en un tubo cónico con su extremo de menor diámetro hacia abajo y dentro del tubo un flotador que se puede mover libremente. La posición del flotador en el tubo indica la cantidad de flujo que pasa a través del mismo. (Véase fig. 1.26 a y 1.26 b). Al variar el flujo, el flotador sube o baja, modificando el área del espacio anular entre el flotador y el tubo, de tal manera, que la pérdida o caída de presión a través de este anillo es igual al peso del flotador sumergido en el fluido.

Figura 1.26a.

Figura 1.26b.

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO El tubo debe ser instalado verticalmente, ubicado a plomo dentro de 2 grados geométricos, ya que el flotador debe quedar muy bien centrado en el flujo, evitando un balanceo irregular del mismo. En los rotámetros, mientras más grande sea el tubo, mayor será el caudal que deje pasar y que pueda medir; dependiendo de esta cantidad se escoge un tubo entre los números 7 y 12. El número 12 es el de mayor capacidad. Todos los tubos tienen un corte circular y el espesor del tubo Nº 1 es menor. Casi todos los rotámetros de vidrios llevan por dentro unas guías para el flotador, con el objeto de que el mismo permanezca centrado en el flujo, ya que un balanceo irregular del flotador ocasiona lecturas erróneas. En la mayoría de los casos los tubos son lisos en su interior. Los rotámetros se dividen en dos grupos principales: a. Con tubos de vidrio, los cuales son indicadores visuales del caudal instantáneo que circula a través del medidor. Estos se subdividen según la conicidad y el largo del tubo de medición en: 1. Tamaño: 2", 5", 10" y 24". 2. Dt > Df. ("Dt" diámetro superior y " Df " diámetro inferior). Los tubos de los rotámetros son fabricados con un cristal llamado Pyrex. Este vidrio apropiado para medir líquidos sometidos a altas temperaturas. Los tubos de vidrio se utilizan (con o sin retenes) en tamaño desde 1/8 hasta 4", en tamaños superiores a esta medida, se seleccionan tubos metálicos. b. Con tubos metálicos, los cuales nos indican por sí mismo el caudal, puesto que transfieren el movimiento de su flotador al exterior por medio de varillas o extensiones apropiadas. Se usan cuando el flujo es de alta presión y temperatura. Estos también se subdividen según la conicidad y el largo del tubo de medición.

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO 1.3.2.1. TEORIA DE FUNCIONAMIENTO: En las siguientes ecuaciones se describe la forma como se logra la medición de flujo con rotámetro: Q = C .A

2g

P

Q = Caudal de flujo. C = El coeficiente que se obtiene de acuerdo con la temperatura, el peso específico del fluido, medición, etc. A = El área libre (ánulo) en el paso restringido en pulg.²

g = Efecto de gravedad. P =

El cambio en presión estática producida por la restricción.

En el rotámetro el flotador mantiene la diferencia de presión constante y la relación d/D (distancia/Diámetro) cambia, por que un rotámetro es cónico y cuando el flotador sube descubrirá cada vez más espacio dejando pasar más líquido. El peso del flotador determina la diferencia de presiones y esta se mantiene constante. De acuerdo a la expresión anterior, se puede decir que "Q" es directamente proporcional a la relación d/D. Por lo tanto la escala de un rotámetro siempre es lineal. Este instrumento tiene la dificultad que debe instalarse en forma intercalada en el proceso y no fuera de él, lo que ocasiona una acción de desvío. Así mismo, no puede medir grandes volúmenes de flujo. 1.3.2.2 EL FLOTADOR: La parte mas importante del rotámetro es el flotador. Para comprenderlo mejor es necesario recordar que la diferencia de presiones producida por una placa de orificio es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad del fluido. Casi todos los flotadores son fabricados con acero inoxidable tipo 316, hastelloy, monel y níquel. Es necesario fabricar el flotador de material sólido porque la menor diferencia en su circunferencia resultaría un error bastante considerable. Los flotadores de los rotámetros de vidrio con flotadores de acero deben tratarse con mucho cuidado, especialmente las varillas, deben mantenerse completamente rectas.

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO Los rotámetros también miden gases. En este caso se les adapta un flotador de construcción muy ligera para medir vapor, aún cuando no son muy apropiados, ya que una corriente de aire fresco alrededor del tubo podría ocasionar la rotura del mismo por el choque térmico; lo mismo sucede con un cambio brusco de temperatura caliente a frío y viceversa. En la instalación de los rotámetros se toman precauciones para que éstos no se rompan al apretar o aflojar alguna porción de tubería antes o después del rotámetro. Estas precauciones consisten en conexiones especiales que evitan lo anterior. En el caso de que las empacaduras de las bases superior e inferior del rotámetro tengan escapes, deben tener cuidado al apretar los anillos de presión. A continuación se muestran varios tipos de flotadores. (Véase fig.1.27).

Figura 1.27. Tipos de Flotadores

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO 1.3.2.3. VENTAJAS: Citaremos aquí algunas de las principales ventajas de este tipo de medidor: a.

Lecturas visuales directas.

b.

Escala lineal.

c.

Pérdida de presión permanente, constante pero pequeña.

d.

No requieren grandes tramos de tubería antes y después del medidor.

e.

Resistentes a fluidos corrosivos.

f.

No son afectados por cambios en la temperatura de fluido.

g.

No son afectados por variaciones de viscosidad, pues no experimentan alteraciones por cambios de temperatura del fluido.

1.3.2.4. DESVENTAJAS: a.

Muy sensible a los cambios de peso específico del fluido.

b.

El tubo de vidrio es poco resistente (límites de presión para un 'tubo de 4" es de 3Kg/cm2)

c.

El tubo de vidrio se emplea sólo para temperaturas bajas.

d.

Alto costo para rotámetro de mas de 4".

1.3.3. MÉTODOS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Los medidores de desplazamiento positivo miden el flujo, contando o integrando volúmenes separados de líquidos, es decir, toman una cantidad o porción definida de flujo y la conducen a través de un medidor, luego procede con la siguiente porción y así sucesivamente. Contando las porciones pasadas por el medidor se obtiene la cantidad total introducida a través del mismo. Las partes mecánicas del instrumento se mueven aprovechando la energía del fluido y dan lugar a una pérdida de carga. El eje al girar transmite su movimiento a un tren de engranajes y éste a un contador o un transmisor de pulsos eléctricos.

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO 1.3.3.1.TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE FLUJO, POR DESPLAZAMIENTO POSITIVO: a.

Volumétricos:

Constan de un recipiente que se llena con el fluido hasta cierto límite y después se vacía. Conociendo el volumen que determina una operación, se puede conocer el número de veces que la cantidad de fluido atravesó el contador en un tiempo determinado. (Véase la fig. 1.28).

Figura 1.28. Medidor de Flujo por Desplazamiento Positivo

b. Con Ruedas Ovales y Dentadas: Los elementos de medición en este tipo de contador son ruedas ovaladas y dentadas. (Véase fig. 1.29) tenemos tres posiciones de las ruedas. Las flechas rectas indican la dirección del flujo mientras que las flechas curvadas los momentos que trabajan sobre las ruedas. El área marcada es el volumen de líquido desplazado.

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO El movimiento de la aguja del indicador se obtiene de una rueda dentada montada sobre una de las dos ruedas ovaladas.

Figura 1.29. Medidor de Ruedas Ovales y Dentadas

c. Contador de Paletas: Un contador de paletas mide la cantidad de líquido por medio de la velocidad de la corriente. La rueda de paletas es accionada por varios líquidos y está montada en un cilindro que tiene algunas entradas tangenciales por su parte inferior y salidas de la misma naturaleza por su parte superior. (Véase fig. 1.30).

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO El área total de las entradas tangenciales es menor que el área de la entrada principal, lo que permite obtener un aumento del fluido del líquido, resultando así un momento mayor a la rueda de paletas.

Figura 1.30 Medidor de Paletas 1.3.4. MÉTODO POR VELOCIDAD. Los medidores de turbinas consisten en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre en el rotor. La diferencia de presiones debida al cambio de área entre el rotor y el cono posterior ejerce una fuerza igual y opuesta. De este modo el rotor esta equilibrado hidrodinámicamente y gira entre los conos anterior y posterior sin necesidad de utilizar rodamientos axiales evitando así un rozamiento que necesariamente se produciría. Existen dos tipos de convertidores para captar la velocidad de la turbina. En el de reluctancia la velocidad viene determinada por el paso de las aspas individuales de la turbina a través del campo magnético creado por un imán permanente montado en una bobina captadora exterior. El paso de cada aspa varía la reluctancia del circuito magnético. Esta variación cambia el flujo induciendo en la bobina captadora una corriente alterna que, es directamente proporcional al giro de las aspas de la turbina. En el tipo inductivo el rotor lleva incorporado un imán permanente y el campo magnético giratorio que se origina induce una corriente alterna en una bobina captadora exterior. (Véase fig. 1.31).

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Figura 1.31.a Medidor de Turbina

Figura 1.31.b Medidor de Turbina

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO En ambos casos, la frecuencia que genera el rotor de turbina es proporcional al caudal siendo del orden de 250 a 1200 ciclos por segundo para el caudal máximo. Por ejemplo, sí un rotor de seis aspas gira a 100 revoluciones por segundo, genera 600 impulsos por segundo. El número de impulsos por unidad de caudal es constante. La turbina está limitada por la viscosidad del fluido, debido al cambio que se produce en la velocidad del perfil del líquido a través de la tubería cuando aumenta la viscosidad. En las paredes, el fluido se mueve más lentamente que en el centro, de modo que, las puntas de las aspas no pueden girar a mayor velocidad. En general, para viscosidades superiores a 3-5 centistokes se reduce considerablemente el intervalo de medida del instrumento. La precisión es muy elevada, del orden de ± 0,3 %. La máxima precisión se consigue con un régimen laminar instalando el instrumento en una tubería recta de longitudes mínimas de 15 diámetros aguas arriba y 6 Diámetros aguas abajo. El campo de medida llega hasta la relación 15 a 1 entre el caudal máximo y el mínimo y la escala es lineal. El instrumento es adecuado para la medida de caudales de líquidos limpios o filtrados. Debe instalarse de tal modo que no se vacíe cuando cesa el caudal ya que el choque del agua a alta velocidad contra el medidor vacío lo dañaría seriamente. La sobrevelocidad por exceso de caudal puede ser también perjudicial para el instrumento. La frecuencia generada por el medidor de turbina se transmite a un convertidor indicador o totalizador. 1.3.5. METODO POR TENSION INDUCIDA (Magnético). La confiabilidad del caudalímetro magnético ha sido mejorada por medio del uso de la tecnología de circuito analógico y digital más reciente, la construcción tipo NEMA 4 y la eliminación de todo circuito electrónico del tubo de caudal. Si el servicio fuera necesario, la construcción modular y la capacidad de diagnóstico propio del transmisor permitirá una reparación fácil y rápida reduciendo así el tiempo fuera de servicio y la inconveniencia. Las características de diseño complementa la gran cantidad de beneficios de los caudalímetros magnéticos. El más obvio de éstos es la habilidad de medir caudal sin restringirlo. Una larga lista de materiales de construcción asegura su uso con todo tipo de fluido, desde procesos altamente corrosivos hasta suspensiones fibrosas consideradas difíciles o poco prácticas para la mayoría de los otros caudalímetros en el mercado. El rendimiento no es afectado por cambios de densidad, viscosidad, presión, temperatura, conductividad y composición. Combinado con una salida que es lineal con respecto al caudal, es fácil observar el porqué el caudalímetro magnético es un instrumento versátil por su variedad de aplicaciones. El principio de operación del caudalímetro magnético se basa en la ley de Faraday de Inducción Electromagnética, la cual indica que un voltaje será impuesto en un conductor cuando este se mueva a través de un campo magnético. La magnitud del voltaje impuesto E es directamente proporcional a la velocidad del conductor V, su longitud D y a la fuerza del campo magnético B.

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO La relación física entre los componentes del caudalímetro magnético y la ley de Faraday se muestra en la (véase fig. 1.32). Las bobinas de campo, situadas en lados opuestos de la tubería generan un campo magnético. Al tiempo que el fluido de conducción se mueve a través del campo con la velocidad promedio V, los electrodos perciben el voltaje inducido. El largo del conductor está representado por la distancia entre los electrodos. Un revestimiento de aislamiento elimina la posibilidad de corto circuito entre la señal y la pared de la tubería. La única variable en esta aplicación de la ley de Faraday es V, porque la fuerza del campo es una constante controlada y la distancia entre los electrodos es fija. Por lo tanto la salida de voltaje E es directamente proporcional a la velocidad del fluido, resultando en la salida lineal propia del caudalímetro magnético.

Figura 1.32.a Caudalímetro Magnético

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Figura 1.32.b Instalación Típica del Caudalímetro Magnético 1.3.6 MÉTODO POR EFECTO DE CORIÓLISIS: La medición de flujo generalmente se hace en forma diferencial, determinando la velocidad de éste a través de un área conocida, éste método indirecto se representa matemáticamente.

Qv =

AxV

Donde: Qv = Flujo volumétrico A = Área. V = Velocidad. Así mismo, todas estas mediciones son afectadas por diferentes perturbaciones tales como: fricción, velocidad, temperatura, viscosidad, gravedad específica, etc. Cuando se procede al cálculo de un instrumento medidor de flujo estas perturbaciones se corrigen mediante los factores de corrección determinados por comportamiento de fluidos conocidos a diferentes condiciones de operación, dependiendo de la exactitud de estos factores, será la exactitud del cálculo.

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO Cuando se desea medir flujo másico directamente y no importa la variación de las propiedades de dicho flujo, se utiliza la aplicación de la 2da ley física de Newton expresada como: F = mxa F = Fuerza. m = Masa. a = Aceleración Cuando circula el flujo a través de un conductor éste trata de enderezarse produciendo un movimiento (elongación). (Véase fig. 1.33) cuando pasa el flujo a través de los tubos como lo indican las flechas se produce un movimiento de oscilación vertical, que es directamente proporcional al flujo másico circulante por los tubos, esta oscilación es detectada por un sensor electrónico que la amplificará.

Figura 1.33 Método por Efecto Coriolisís

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO 1.3.7 MÉTODO POR TORBELLINO El medidor de caudal por torbellino se basa en la determinación de la frecuencia del torbellino producido por una hélice estática ubicada dentro de la tubería por donde pasa el fluido (líquido o gas). La frecuencia del torbellino es proporcional al caudal volumétrico. La detección de la frecuencia se logra con una termistancia de muy baja inercia térmica que sigue los efectos de refrigeración del torbellino generado en el gas, o bien mediante un condensador de capacidad variable, función de la deformación de un diafragma (placa) ante las ondas de presión del torbellino o bien mediante la aplicación de un haz de ultrasonidos perpendicularmente al torbellino, midiendo el tiempo de tránsito del haz desde el trasmisor al receptor. (Véase fig. 1.34). Los transductores de torbellino son adecuados para medir caudales, de gases y líquidos, su intervalo de medida entre el valor máximo y el mínimo es de 100 a 1. La precisión del instrumento es de ± 0,75% del caudal instantáneo, por lo cual el error en tanto por ciento de la escala se hace mayor cuando más bajo es el caudal.

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO 1.3.8. METODO POR ULTRASONIDO: MEDIDORES DE FLUJO POR ULTRASONIDO: Miden el caudal por diferencia de velocidades del sonido al propasarse éste en el sentido del flujo del fluido y en el sentido contrario. Los sensores están situados en una tubería de las que se conocen por el área y el perfil de velocidades. La velocidad del fluido está determinada por la siguiente fórmula: C² tg a

T

V= 2D

Donde: V = velocidad del fluido; C = velocidad del sonido en el fluido;

a = ángulo de haz del sonido con relación al eje longitudinal de la tubería; D = diámetro interior de la tubería; T = diferencia entre los tiempos de tránsito del sonido aguas arriba y aguas abajo del fluido. Existen diferentes técnicas que miden la diferencia de frecuencias entre las ondas del sonido que recorren el fluido en ambos sentidos. (Véase fig. 1.35 a y 1.35 b).

Figura 1.35.a Haz Sónico

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO Desviación de haz de sonido emitido por un transmisor perpendicularmente e la tubería.

Figura 1.35.b Haz Sónico Método Doppler se proyectan ondas sónicas a lo largo del flujo del fluido y se mide el crecimiento de frecuencia que experimenta la señal de retorno al reflejarse el sonido en partículas contenidas en el fluido. El método viene limitado por la necesidad de la presencia en partículas, pero permite medir algunos caudales de fluidos difíciles tales como mezclas gas-líquido, fangos, etc. (véase fig. 1.36).

Figura 1.36 Método Doppler

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CURSO BASICO DE MEDICION DE FLUJO 1.4. Interruptor del Flujo: Este instrumento se usa en los casos que se quiere proteger el proceso por exceso de flujo o falta del mismo. (Véase fig. 1.37).

Figura 1.37 Partes de un Interruptor de Flujo

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