Tipos de medidores de flujo

Jul 10, 2023

Conocer la tasa de flujo dentro de un sistema de tuberías de fluidos es una de las medidas más útiles para comprender las operaciones del sistema.

El equipo utilizado para medir las tasas de flujo generalmente es mantenido y calibrado por los grupos de instrumentación y control de la planta. Los medidores de flujo de las instalaciones generalmente monitorean la transferencia de custodia o se usan como elementos principales del circuito de control de flujo.

Los medidores que se utilizan para la transferencia de custodia están diseñados para proporcionar valores precisos y repetibles de caudales cuando se venden o compran productos. Estos tipos de medidores de flujo a menudo miden un volumen positivo cuando se trata de cuantiles pequeños, o el volumen se puede totalizar con el tiempo cuando se miden cuantiles grandes. El valor del caudal utilizado para la transferencia de custodia también ayuda a operar y mantener otros equipos de la planta.

Cuando el objetivo de diseño de un sistema de tuberías es establecer una tasa de flujo establecida de un fluido de proceso, se usa un circuito de control de flujo (ver Imagen 1). Los elementos de control del sistema trabajan juntos para lograr el caudal adecuado.

El medidor de flujo mide un valor que es una función de la tasa de flujo a través del medidor. El medidor luego transmite un valor medido al controlador. En el controlador, se ingresa el valor deseado para el caudal.

Luego, el controlador compara el valor medido del medidor con el valor establecido y envía una señal de salida al actuador. Luego, el actuador ajusta el elemento final (una válvula de control o un variador de frecuencia [VFD]) para eliminar el exceso de energía necesario para equilibrar el caudal al valor establecido. El controlador proporciona al operador el caudal real medido.

El costo inicial del equipo y el esfuerzo necesario para calibrar y mantener estos tipos de medidores de flujo pueden tener un costo prohibitivo para un uso amplio dentro de una planta. En esta columna, veremos formas de medir la tasa de flujo dentro de un sistema de tuberías sin el costo de los medidores de transferencia de custodia o la complejidad de un circuito de control de flujo.

Los medidores de flujo se dividen en dos categorías generales: los que determinan el flujo en función de la caída de presión a través del medidor y los que miden un valor que tiene una relación lineal con la tasa de flujo a través del medidor.

Los medidores de flujo de presión diferencial consisten en una restricción de flujo dentro de la corriente de flujo que provoca una presión diferencial en todo el medidor. Basado en el principio de Bernoulli, la velocidad de flujo a través del medidor es una función de la raíz cuadrada de la presión diferencial a través de la restricción de flujo. El medidor calcula la raíz cuadrada de la presión diferencial y muestra los resultados en una escala calibrada que muestra el caudal.

Un medidor de flujo lineal consta de una señal medida que está directamente relacionada con la tasa de flujo a través del medidor.

El medidor de flujo más común es un medidor de presión diferencial que consta de un orificio con un orificio redondo concéntrico maquinado a un valor específico.

El orificio proporciona la restricción al flujo, mientras que las tomas de presión en los lados aguas arriba y aguas abajo de la restricción proporcionan la presión diferencial necesaria.

Cuando el fluido del proceso pasa de la tubería aguas arriba al medidor, la restricción en el orificio provoca un aumento en la velocidad del fluido a medida que pasa a través de la restricción. Dentro de la restricción, parte de la carga de presión se convierte en carga de velocidad.

Después de pasar por la restricción, el flujo se ralentiza como resultado de la conversión de la cabeza de velocidad nuevamente a la cabeza de presión. Conociendo las leyes físicas detrás de esta relación, podemos determinar el caudal en función de la diferencia de presión. Trabajar con las ecuaciones muestra que la raíz cuadrada de la presión diferencial a través de la placa del orificio es una función de la tasa de flujo a través del orificio.

La razón de la amplia aceptación de las placas de orificio es su operación simple. Se pueden incorporar utilizando instrumentos fácilmente disponibles para leer presiones diferenciales y se fabrican fácilmente para cumplir con los requisitos de flujo de diseño. En América del Norte, los orificios se pueden dimensionar utilizando estándares desarrollados por el estándar de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME-MFC-3M) o el estándar 2530 del Instituto Americano del Petróleo (API). El estándar proporciona requisitos para la ubicación de las tomas de presión diferencial. y el método para dimensionar el diámetro de la bodega en la placa de orificio.

Dado que el funcionamiento y la precisión de la placa de orificio son bien conocidos, y la placa de orificio y las tomas de presión se pueden ubicar en las caras de las bridas dentro de un sistema de tuberías, este estilo de medidor de flujo puede fabricarse localmente e insertarse en la tubería cuando sea necesario.

Un annubar es otro tipo de medidor que se puede insertar en una tubería para medir con precisión el caudal. El medidor funciona midiendo la diferencia entre la presión total del fluido y la presión estática sobre un área transversal grande de la tubería. El diseño del annubar permite que se inserte fácilmente en la corriente de flujo cuando sea necesario. Este tipo de medidor está diseñado y probado por los fabricantes del producto antes de la instalación.

A continuación, veremos los medidores en los que el valor medido en el medidor es una función directa de la tasa de flujo a través del medidor.

Un medidor de vórtice utiliza una barra especialmente diseñada que se inserta en la corriente de flujo para crear vórtices de fluido dentro de la corriente de flujo. El medidor cuenta el número de vórtices creados con el tiempo, que es una función lineal de la velocidad de flujo a través del medidor.

Los medidores de vórtice están disponibles en una variedad de fabricantes de instrumentos como una unidad total. La barra insertada en la corriente de flujo provoca una pérdida de presión, pero es mucho menor que la caída de presión causada por una placa de orificio.

Los medidores de flujo ultrasónicos miden el cambio de frecuencia de una onda de sonido que viaja a través del fluido del proceso. Los medidores de flujo ultrasónicos pueden medir en función del tiempo de vuelo de la onda de sonido a través del fluido del proceso o el cambio de frecuencia causado por el efecto Doppler.

En un medidor de flujo de tiempo de vuelo, un transductor proyecta una onda de sonido en la tubería. La onda de sonido viaja a través del fluido del proceso y se refleja en la pared opuesta de la tubería. Luego viaja a un segundo transductor aguas abajo del primero.

Una segunda onda de sonido sale del transductor aguas abajo y hace el viaje en la dirección opuesta. Conociendo la distancia y el tiempo que toma hacer el viaje de ida y vuelta, le proporciona al medidor la velocidad del fluido en la tubería, proporcionando una relación lineal con la tasa de flujo a través de la tubería.

En un medidor de tipo Doppler, un transductor envía una onda de sonido a una frecuencia determinada a la corriente de flujo.

Cuando la onda de sonido se refleja en una pequeña partícula o burbuja dentro de la corriente de flujo, la frecuencia de la onda de sonido reflejada cambia. Usando el principio Doppler, el medidor mide el cambio en la frecuencia de la onda de sonido para determinar la velocidad del fluido del proceso. La velocidad del fluido proporciona una relación lineal entre la velocidad del fluido y el caudal.

Instalar un medidor de flujo dentro de un sistema de tuberías es un proceso costoso. Por lo tanto, la mayoría de los medidores de flujo se utilizan para aplicaciones de transferencia de custodia o cuando se requiere que el caudal de un proceso cumpla con los requisitos de diseño del sistema.

Como hemos comentado en columnas anteriores, conocer el caudal a través de una bomba, tubería, calentador o válvula de control puede ser útil para determinar si ese equipo está funcionando correctamente o necesita mantenimiento. Todos los ejemplos presentados en esta columna se pueden instalar para usar dentro del sistema de tuberías cuando sea necesario. Por ejemplo, se puede instalar un orificio entre las caras de las bridas existentes que conectan los segmentos de la tubería. Los Annubar se pueden insertar rápidamente en una tubería cuando la planta está cerrada y proporcionarán un caudal cuando sea necesario.

Se debe instalar un medidor de vórtice en una tubería, pero la calibración y el mantenimiento de este tipo de medidor son menores que los de un medidor de presión diferencial típico.

Finalmente, los medidores de flujo ultrasónicos portátiles se pueden instalar en el exterior de una tubería sin afectar la operación del sistema. El medidor se puede fijar a la tubería y la medición del caudal se puede tomar cuando sea necesario, y luego se puede mover a una ubicación diferente.

Cada uno de estos tipos de medidores de flujo brindará excelentes resultados cuando se usen correctamente, lo que ayudará a los usuarios finales a obtener una imagen clara del funcionamiento de todo el sistema de tuberías.

Ray Hardee es uno de los principales fundadores de Engineered Software, creadores del software PIPE-FLO y PUMP-FLO. En Engineered Software, ayudó a desarrollar dos cursos de capacitación e imparte estos cursos a nivel internacional. Puede comunicarse con él en [email protected].