5.- TIPOS DE FLUJOMETROS. FLUJOMETROS. Los flujómetros se pueden agrupar en cuatro tipos, cada tipo de medición tiene diferentes formas:
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Volumétricos Velocidad Inferencial/Energía Cinética Masa
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5.1 Flujómetros Volumétrios. Volumétrios. 5.1.1 Flujómetros !e Des"l#$#mie%to Positi&o. Los flujómetros volumétricos miden el flujo rompiendo el flujo en determinados volm volmen enes es cono conocid cidos os!! "n ejempl ejemplo o son son los los de despl despla#a a#amie mient nto o posit positiv ivo! o! Es importante destacar $ue las mediciones de flujo o%tenidas a partir de los metros tipo despla#amiento positivo siempre son en condiciones de fluido ó de línea! Los metros de despla#amiento positivo se utili#an de manera e&tensiva para medir el flujo de lí$uidos ' gases para aplicaciones de transferencia custodiada!
Metros !e Des"l#$#mie%to Positi&o "#r# L'(ui!os) (ipos: • • • •
)isco *utatorio! +aleta rotatoria! pistón reciprocante! ló%ulo rotatorio!
*o%si!er#io%es *omu%es) Pri%i"io) La corriente del flujo se rompe mecnicamente mecnicamente en volmenes volmenes directos! El nmero de esto estos s vol volme mene nes s disc discre reto tos s se cuen cuenta ta ento entonc nces es para para calc calcul ular ar un fluj flujo o volumétrico total a través del metro! "sualmente se conecta un odómetro tipo de displa' a las pie#as rotatorias del metro con un engranaje mecnico! Este displa' es ajustado por el fa%ricante a fin de indicar en las unidades de flujo re$ueridas -es decir: galones, litros, %arriles estadounidenses, etc!.
I%st#l#ió%) -
Los re$uerimientos de tu%erías antes ' después -upstream or donstream. del instrumento no son necesarios -es decir: el perfil del flujo -características flu'entes del flujo. no es importante.!
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El metro de%e ser instalado sin esfuer#o mecnico 'a $ue esto afectaría de manera adversa el 0suave funcionamiento1 del flujómetro! Cual$uier espacio de aire en la corriente del flujo se contar como lí$uido, por consiguiente se re$uiere de un eliminador de aire -deareador.! Los fluidos sucios u o%jetos o%turar -tupir. o da2arn las pie#as móviles del metro, por lo tanto se re$uiere de un tami# o filtro!
-
Restriio%es !e +u%io%#mie%to) Cuando se utilicen los metros de )espla#amiento +ositivo para lí$uidos en una aplicación en específico, de%en 3acerse correcciones de%ido a:
1. Visosi!#!) Esta tiene un efecto significativo en el desempe2o del metro 'a $ue un fluido menos viscoso tendr ms desli#amiento -fuga, filtración.! El desli#amiento depende del dise2o del metro ' de la viscosidad del fluido! La prue%a en flujo %ajo condiciones de funcionamiento tomar en cuenta o corregir la viscosidad, siempre $ue se mantengan constantes esas condiciones!
,. Tem"er#tur#) La e&pansión de las pie#as del metro de%ido a los cam%ios de temperatura 3ar $ue cam%ien las dimensiones del metro! )e%ido a $ue la e&pansión térmica es predeci%le, por lo general los fa%ricantes adjuntan al metro un dispositivo de compensación automtica de la temperatura! "na ve# ms, la compro%ación en flujo %ajo condiciones de funcionamiento tomar en cuenta o corregir la temperatura, siempre $ue se mantengan constantes esas condiciones!
. Presió%) Esta solamente tendr un efecto mínimo en el metro, ' casi siempre se ignora! 4in em%argo, si la presión de funcionamiento est cerca de la presión de vapor del fluido del proceso, las %ur%ujas ocasionarn errores! En este caso, sern necesarias las correcciones para la presión de vapor! *uevamente, la compro%ación en flujo %ajo condiciones de funcionamiento corregir estos errores, siempre $ue se mantengan constantes estas condiciones!
1. Diso %ut#torio)
Fi. Diso %ut#torio. *#!# rot#ió% !es"l#$# u% &olume% +ijo !e l'(ui!o iu#l #l &olume% !e l# 2m#r# !e me!iio%es me%os el &olume% !el !iso.
"li#io%es) •
líneas de suministro de agua doméstica e industrial!
,. Velet# /P#let#0 Rot#tori#)
Fi. Velet#. Este metro est2 +orm#!o "or "#let#s #r#!#s "or muelles /los muelle em"uj#% l#s "#let#s 3#i# el 3ousi%0 4 u% rotor mo%t#!o eé%tri#me%te. El +lui!o es !es#r#!o !e6i!o # u% &olume% !ereie%te. *#!# rot#ió% !es"l#$# u% &olume% +ijo !e l'(ui!o.
"li#io%es) se utili#a ampliamente en la industria del petróleo para la transferencia custodiada! •
. Pistó% rei"ro#%te.
"li#io%es) •
Fi. Pistó% rei"ro#%te. *#!# ilo !el "istó% !es"l#$# u% &olume% +ijo !e l'(ui!o.
se utili#a en la industria del petróleo!
7. Ló6ulo rot#torio)
Fi. Ló6ulo rot#torio. L# #'!# !e l# "resió% # tr#&és !el metro 3#e (ue los ló6ulos rote%. Los om"#rtime%tos 4 9 e%ierr#% los &ol:me%es +ijos !e l'(ui!o 4 tr#%s+iere% me!i#%te los ló6ulos el l'(ui!o # tr#&és !el metro; eiste% e%r#%#jes (ue o%et#% los ló6ulos rot#torios #l tot#li$#!or /(ue ue%t# l#s &uelt#s0.
5.1., Metros !e Des"l#$#mie%to Positi&o !e 8#s) Ti"os)
(am%or 4ellado con lí$uido! Ló%ulo 5otatorio! 6uelles! Los metros de 7as de )espla#amiento +ositivo estn dise2ados para totali#ar el volumen de gas $ue flu'e a través del metro! +ara lograr esta tarea, estos metros por lo general cuentan con un tren de engranaje mecnico $ue mueve o gira un odómetro -contador. tipo displa'! Cuando se emplean los metros de )+ de gas para una aplicación particular, puede $ue se re$uieran 3acerse correcciones de%ido a la temperatura del metro! La e&pansión de las pie#as del metro por los cam%ios de temperatura cam%iar el volumen del metro ' el desli#amiento! Los gases no tienen propiedades lu%ricadoras, por consiguiente el desgaste mecnico es un pro%lema ms comn comparado con los metros de )+ de lí$uidos!
Ve%t#j#s< Des&e%t#j#s !e los +lujómetros !e Des"l#$#mie%to Positi&o !e L'(ui!os 4 8#ses. • • • • • • • • •
E&actitud e&celente -de 3asta 8!9 de la tasa.! ;lta rangea%ilidad! La potencia para impulsar el totali#ador proviene de la corriente del fluido! *o se re$uiere tu%ería específica después del instrumento -upstream.! El fluido de%e estar limpio!!! necesita tami#adores -filtros.! El desgaste de las pie#as es una de las fuentes principales de error! 5e$uiere de pie#as de ma$uinaria de precisión costosas! Errores por fugas a %aja ra#ón de flujo! +ueden da2arse por so%revelocidad o por golpe de lí$uidos!
5.,.- Flujómetros !e Veloi!#!. Los flujómetros de velocidad miden el flujo midiendo la velocidad promedio ' multiplicndola por el rea $ue atraviesa el flujo! Ejemplo de estos tenemos los metros de tur%ina, los metros vorte&, los flujómetros magnéticos, los ultrasónicos, etc!
5.,.1 Flujómetros !e Tur6i%#! Flujometro !e Tur6i%# "#r# l'(ui!os /i#l0.
Fi. Flujometro !e tur6i%# "#r# li(ui!os /i#l0
Pri%i"io) "n flujómetro de tur%ina consiste en un rotor multi
1. Me2%i#me%te. En este, el rotor est acoplado al engranaje del totali#ador mecnico!
,. ="ti#me%te) En este un ra'o de lu# es interrumpido por la rotación de las cuc3illas, lo cual resulta en una salida pulsada! 7eneralmente se usa en las tur%inas tangenciales -ruedas con paletas.!
. M#%éti#me%te) #0 Ti"o Relut#%i#) "n imn permanente se encuentra en el sensor! Este imn permanente produce un campo magnético $ue el cono concentra en un punto! Las aspas de la tur%ina desvían el campo magnético, 3aciendo $ue se genere un voltaje en la %o%ina! El voltaje aparece a medida $ue un aspa se acerca ' decae a medida $ue esta se acerca! 4e produce una pulsación por aspa!
60 Ti"o i%!ut#%i#) El magnetismo permanente -imn. est en el rotor, el cual invierte el campo magnético en cada rotación! 4e genera una pulsación por cada rotación! La se2al de salida de estos elementos de tur%ina es un tren de pulsaciones -frecuencia.! Esta frecuencia es directamente proporcional a la ra#ón de flujo!
+> ?(
Flujómetro !e tur6i%# "#r#s #s /i#l0. Pri%i"io) Igual $ue el de los lí$uidos, pero de%ido a las %ajas densidades de los gases, se reduce grandemente la torsión motri# -tor$ue de impulso.! El uso de un ma'or dimetro en el difusor -3u%. proporciona un ma'or tor$ue de impulso -es decir: ma'ores velocidades. La fricción en los apo'os -cojinete. se mantiene al mínimo mediante el dise2o ' uso de rotores de %ajo peso! La frecuencia de salida es proporcional a la ra#ón de flujo volumétrico en condiciones de funcionamiento reales! +or consiguiente, el factor > de%e ser determinado %ajo condiciones de funcionamiento simuladas para o%tener una e&actitud de 9 de la ra#ón, ' 5angea%ilidad de ?8 : 9!
5.,.,. Flujómetro !e Vorte /Vórtie; Tor6elli%o0.
Fi. Flujómetro !e Vorte.
Pri%i"io) Cuando un fluido se encuentra con un cuerpo de forma no aerodinmica, el flujo no puede continuar el contorno del o%stculo! +or consiguiente, el flujo se enrolla en un vórtice o espiral %ien definida, primero de un lado ' luego del otro lado! La ra#ón a la cul estos vórtices se forman -frecuencia. es directamente proporcional a la velocidad del fluido dentro de ciertos límites! f
=
Sv H
+> frecuencia de los vórtices! S> nmero de 4trou3al! &> velocidad del fluido cuando flu'e li%remente! @> anc3o del cuerpo no aerodinmica!
5.,.- Flujómetro Ultr#só%io.
1. Flujómetro ultr#só%io !e tiem"o !el tr2%sito. ,.
Fi. 1. Flujómetro ultr#só%io !e tiem"o !el tr2%sito.
Pri%i"io) Este metro mide el tiempo $ue toma un pulso de onda ultrasónica en atravesar la sección de una tu%ería a través del fluido! La diferencia en el tiempo ser proporcional a la velocidad del fluido ' por ende del flujo! Midiendo los tiempos t ;@ ' t @; , se puede calcular la velocidad del flujo! La ra#ón de flujo volumétrico se calcularía entonces de la siguiente forma: $vAvB;
Ve%t#j#s
*o intrusivo 6cilmente de instalar o sujetar a la línea -asido con grapas. *o 3a' pérdida de presión E&isten dise2os %i < direccionales 4alida lineal *o es afectado por la viscosidad, la densidad, la temperatura, ni la presión! Es usado para lí$uidos ' gases - para gases el dise2o es diferente, pero tiene el mismo principio. Los lí$uidos tienen $ue estar relativamente li%res de sólidos o de %ur%ujas! La e&actitud es de ± 9 a ± ?! de la 5a#ón!
•
. Flujómetro Ultr#só%io Do""ler. 7.
Fi. Flujómetro Ultr#só%io Do""ler.
Pri%i"io) El transmisor emite una energía sonora a la frecuencia f (! Esta energía se refleja por la partícula del fluido $ue flu'e! La frecuencia $ue regresa -de valor f5. es diferente a la de f t de%ido a $ue la partícula est en movimiento -efecto )oppler.! La diferencia de frecuencia -f (< f 5. es proporcional a la velocidad de la partícula $ue refleja la onda! 4i esta partícula est a la velocidad promedio, entonces: (&
5.,.7- Flujómetro M#%étio.
Fi. Flujómetro M#%étio.
Pri%i"io)
+.
Le4 !e F#r#!#4) Cuando un conductor -el fluido. se mueve a través de un campo Magnético, se genera un voltaje $ue es proporcional a la velocidad del conductor!
E
=
BDv C
9> fuer#a del campo magnético D> distancia entre sensores V> velocidad promedio *> constante proporcional Aot#) C ' ) son constantes para un tu%o dado, ' @ es un valor conocido, por lo tanto:
EA >v donde >A
BD C es una constante!
Aot#) • •
• • • •
"n flujómetro magnético es un dispositivo lineal $ue da una salida de voltaje $ue es proporcional a la velocidad del fluido! El tu%o de flujo tiene $ue ser no magnético para permitir $ue el campo magnético pase a través del fluido -es decir: $ue las líneas de flujo magnético viajarían a través de las paredes del tu%o ' por lo tanto se desviaría del fluido si el tu%o es magnético. El tu%o del flujo es usualmente fa%ricado con acero ino&ida%le D8 -no magnético.! El tu%o del flujo tam%ién puede estar fa%ricado de plstico refor#ado con fi%ra de vidrio -usado para %ajas presiones ' temperaturas.! +ara medir E, el fluido de%e tener una conductividad mínima -apro&imadamente 4/cm.! Esta cifra variar segn los fa%ricantes! +ara medir E, los sensores no pueden estar en corte con el tu%o, +or consiguiente, el tu%o de%e ser no conductor o de lo contrario de%e estar forrado o revestido con un material no conductor como por ejemplo el (eflón!
5.- Me!iió% !e Flujo I%+ere%i#l. 5..1- Flujómetros !e Presió% Di+ere%i#l.
Fi. Flujómetros !e Presió% Di+ere%i#l.
Los flujómetros de presión diferencial o flujómetros del tipo de presión constitu'en un gran porciento de los flujómetros utili#ados en la industria! Estos miden la presión diferencial causada por una restricción en el flujo! Esta presión diferencial es entonces relacionada con datos e&perimentales para determinar la ra#ón de flujo a través del metro! En este principio se %asan muc3os flujómetros utili#ados actualmente! Ellos re$uieren del uso de dos elementos:
Eleme%tos Prim#rios) los dispositivos $ue producen la presión diferencial! Eleme%tos Seu%!#rios) los dispositivos $ue miden la presión diferencial! Los elementos primarios inclu'en: placas de orificio, tu%os de Venturi, flujómetros, tu%os de pitot, tomas de codo, etc!, estos son los encargados de generar la presión diferencial ' es una medición del cam%io en la energía cinética de%ido a una restricción! En los clculos de las dimensiones una constante C relaciona la presión diferencial con la ra#ón de flujo en una cantidad particular $ue depende de las condiciones del flujo!
Cual$uier desviación en las condiciones de dimensionamiento resultara en errores! +ara la mejor e&actitud posi%le -custodia de transferencia., C es continuamente calculado %asado en las condiciones actuales! Las ecuaciones de flujo pueden ser reducidas %sicamente a:
5elacionaremos algunos de los elementos primarios:
Eleme%tos Seu%!#rios. El elemento primario crea una caída de presión diferencial -restricción fija.! El elemento secundario mide esta presión diferencial! La relación matemtica entre presión diferencial ' flujo es la siguiente:
El ∆+ tiene una relación cuadrtica con el flujo! +ara 3acer esta relación linear, la se2al de presión diferencial necesita $ue 0la raí# cuadrada sea e&traída1! 4i el elemento secundario es registrador mecnico, entonces una carta de raí# cuadrada es utili#ada! 4i el elemento secundario es un transmisor entonces un e&tractor de raí# cuadrada es re$uerido -nota, muc3os transmisores electrónicos tienen incluido en su construcción un e&tractor de raí# cuadrada.!
5.., Flujómetros !e 2re# &#ri#6le. Pri%i"io !e O"er#ió%)
Fi. U% i%reme%to e% el +lujo result# e% u%# +uer$# 3#i# #rri6# !e6i!o # (ue el +lui!o 3# i%reme%t#!o l# &eloi!#! #lre!e!or !el +lot#%te. Est# +uer$# 3#e (ue el +lot#%te su6#.
Cuando el flotante su%e, el rea anular entre el flotante ' el tu%o e&terior rotulado aumenta 3asta $ue las fuer#as 3acia arri%a ' 3acia a%ajo estén nuevamente en e$uili%rio! ;sí, cada posición del flotante inferir una ra#ón de flujo a través del metro!
5.7- Flujómetros !e M#s#. !!9< 6lujómetros Indirectos de Masa!
Fi. Flujómetro !e m#s#. FT es u% tr#%smisor !e +lujo &olumétrio (ue "ue!e ser m#%étio /&B; ultr#só%io /&B0; o !e !es"l#$#mie%to "ositi&o; et. DT es u% tr#%smisor !e !e%si!#!. FC es u% om"ut#!or !e +lujo el u#l "ue!e #lul#r l# r#$ó% !e m2sio; el +lujo m2sio tot#l; el +lujo &olumétrio; et...
5.7.,- Flujómetro !e M#s# Diretos. 4e 3an desarrollado una serie de técnicas para la medición directa del flujo de masa con la finalidad de eliminar los errores ' los pasos para los clculos a la 3ora de usar métodos indirectos -flujo volumétrico. ;lgunos de los tipos de flujómetros de masa estn incluidos en: < Metros de momento angular -aplicaciones principalmente en aeronutica. < Metros Coriolis < Metros térmicos
5.7.,.1 Metros !e mome%to #%ul#r. Pri%i"io !e o"er#ió%) +ara cam%iar la velocidad de una masa, la masa de%e estar sometida a una fuer#a de des%alance! La cantidad de fuer#a re$uerida para cam%iar la velocidad de una masa ser proporcional a la propia masa! En términos angulares, para cam%iar la velocidad angular de una masa, la masa de%e estar sometida a un tor$ue de des%alance -fuer#a angular.! 4i la velocidad angular se mantiene constante, el tor$ue ser directamente proporcional a la masa -o al flujo msico en el caso de flujómetros msicos.!
4i el tor$ue se mantiene constante, la velocidad angular ser inversamente proporcional a la masa -o flujo msico.! Entre estos instrumentos tenemos: < (ur%ina Impelente -Impulsora. < (ur%ina )o%le
5.7.,.,- Flujómetro !e M#s# *oriolis. 6uncionamiento: El tu%o ) vi%ra a su frecuencia natural de resonancia! La vi%ración se sostiene • mediante el uso del impulso de una %o%ina magnética -similar a la %o%ina de una %ocina. • El tu%o ) se fija a la entrada ' al final de su salida! • ; medida $ue el fluido recorre el tu%o ), es o%ligado a incorporarse al movimiento del tu%o! )e%ido a $ue el fluido tiene masa, este le ofrece resistencia al movimiento de 0su%ida ' %ajada1 del tu%o! La resistencia al movimiento produce fuer#as opuestas! El fluido $ue entra dentro del tu%o se resiste al cam%io en la velocidad tangencial, ' el fluido $ue sale del tu%o se resiste al movimiento de la parte de atrs del tu%o a una velocidad tangencial de cero! La resistencia impuesta por el fluido en recorrido, trae como resultado una • torsión del tu%o mientras est en movimiento! La cantidad de torcimientos es directamente proporcional a la masa del flujo a través del tu%o! • *ote $ue la forma del tu%o varía de un fa%ricante a otro -no todos son tipo 1)1., pero el principio de operación es el mismo! 4ensaje -captación.de los torcimientos: La cantidad de torsión se mide mediante los sensores de velocidad instalados • a cada lado del tu%o )! Cada sensor emite una onda sinusoidal $ue corresponde al movimiento de su%ida ' %ajada del tu%o )! La acción de torsión en el tu%o causa un despla#amiento de fase -demora de tiempo. en una de las salidas del sensor con respecto a la otra salida del sensor! Este despla#amiento de fase es la medición $ue se 3ace para determinar la magnitud de la torsión impuesta al tu%o! • Los dise2os ms recientes del 6lujómetro de Masa de Micromovimiento tienen dos tu%os ) los cuales vi%ran en conjunto uno con otro! La torsión se mide relativa a cada tu%o, lo cual elimina errores de%ido a los efectos de la vi%ración! La frecuencia de resonancia del tu%o puede tam%ién utili#arse para determinar la densidad del fluido en los tu%os -similar al densímetro de carrete vi%rador.!
5.7.,.- Flujómetro !e M#s# !e Tr#%s+ere%i# !e *#lor.
Estos metros son utili#ados tanto para los gases como para los lí$uidos!
Fi. Flujómetro !e m#s# !e tr#%s+ere%i# !e #lor.
Eiste% !os méto!os "#r# us#r l# tr#%s+ere%i# !e #lor # +i% !e me!ir el +lujo !e m#s#) 1. ;plicar energía -potencia. constante al calentador, ' medir la temperatura antes ' después del calentador: La diferencia de temperatura es proporcional al flujo de masa! ,. Medir la potencia -energía. $ue se re$uiere para mantener un diferencial de temperatura constante entre los dos sensores de temperatura! La cantidad de energía re$uerida ser proporcional al flujo de masa!
