Curso de Titulación: PROGRAMACIÓN GRÁFICA PARA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL.
Curso de Instrumentación
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INSTRUMENTACIÓNMEDICIÓN DE FLUJO DE GAS
Universidad SurColombiana
Neiva
Ing. M.Sc. PhD. JOSE ALDEMAR MUÑOZ HERNANDEZ.
Septiembre, 2008
7/18/2019 Curso de Instrumentación
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CARACTERISTICAS DE LOS
INSTRUMENTOS
Ing. M.Sc. PhD. JOSE ALDEMAR MUÑOZ HERNANDEZ.
Septiembre, 2008
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CLASES DE INSTRUMENTOS
Elemento final de control : recibe la señal del controlador ymodifica el control del fluído o agente de control.
En función del instrumento
Instrumentos de controlInstrumentos de nivelInstrumentos presiónInstrumentos de temperatura
Instrumentos de flujoInstrumentos de humedadInstrumentos de pHInstrumentos de medición de oxigeno disuelto
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Los instrumentos de medida, como todos los sistemas,
tienen un comportamiento dinámico, que puede evaluarseen términos de tiempo de respuesta, tiempo de subida (risetime), constante de tiempo, factor de amortiguamiento(dumped factor), frecuencia natural, respuesta en
frecuencia, etc.
CARACTERISTICAS DINÁMICAS
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CARACTERISTICAS DINÁMICAS
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CARACTERISTICAS DINÁMICAS
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CARACTERISTICAS DINÁMICAS
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CARACTERISTICAS DINÁMICAS
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Transductores
Un transductor convierte la información suministrada por un sensor (piezo, resistencia,…) en una señal estandarizadala cual puede ser procesada digitalmente.
Algunos transductores tienen directamente una salidadigital (Fieldbus) y están integrados en el sensor.
Otros están ubicados a algunos metros del sensor
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Loop estándar 4-20mATransducer instrument
1
instrument
2
instrument
3
0, 4..20 mA
R1 R2 R3
Object
i = f(v)
10..24V
voltagesource
measurand
– El transductor actúa como una fuente de corriente la cual entrega unacorriente entre 4 y 20 mA, proporcional a la medida.
– La información es transportada por una corriente, la caída de voltaje a lolargo del cable no induce error.
– Un error de señal de 0 mA (desconexión del cable)
– El numero de cargas conectadas en serie esta limitado por el voltaje deoperación (10..24V).e.g. if (R1 + R2+ R3) = 1.5 k , i = 24 / 1.5 = 16 mA, which is < 20
mA: NOT o.k.)
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Transmisores de Caudal
Presión diferencial Electromagnéticos
Turbina
Vortex
Efecto Doppler
Másicos (Coriolis) …..
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Transmisores
Sensor: Elemento primario sensible a una propiedad física relacionada con la variableque se quiere medir.
Transmisor: Sistema unido al sensor queconvierte, acondiciona y normaliza su señal para transmitirla a distancia.
Indicador: Combina un sensor y un sistemade medida analógica o digital.
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Transmisores
Señal neumática: 0.2 - 1 Kg/cm2
3 - 15 psi
Señal electrica: 4 - 20 mA
1 - 5 V cc, ....
Frecuencia: pulsos/tiempo
Otras: RTD, Contactos,... Señal digital: HART, Fieldbus,
RS-232...
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4-20 mA
Transmisor mA
FC
•La señal de corriente es la misma encualquier punto de la línea
•Puede diferenciarse una avería o ruptura delínea del rango inferior de medida
•Pueden conectarse un número máximo de
cargas o instrumentos
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Pulsos/Frecuencia
Transmisor Contador
de pulsos
El número de pulsos de tensiónrecibidos por unidad de tiempo es
proporcional al valor de la magnitudmedida
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Parámetros de medición Las mediciones de flujo son un aspecto
importante del control de procesos Rata de flujo másico
– Qm [kg/h, ton/h, kg/s, …]
Rata de flujo volumétrico – Qv [m3/h, l/s, …]
Rata de flujo másico: es un valor demedición ideal (independinte de P y T)
Rata de flujo volumétrico : técnicamentemás fácil de medir (más barato!)
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Propiedades de los fluidos En fluidos normales (incompresibles), el
efecto de la presión es despresiable
Los efectos de la temperatura pueden ser significativos:
– [K -1
] Coeficiente de expansión volumétricatermal
– T [K] Temperatura
T V V 112
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Propiedades de los fluidos En mediciones de gas, los efectos de P y T
son importantes. Las mediciones son basadas en condiciones
normales:
– V [m3] volumen a condiciones de operación
– T [K] Temperatura de operación – P [bar] Presión de operación
El flujo volumétrico es entonces dado en: Nm3/h
013,1013,1273 P
T V V n
C t d i d
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Conceptos de mecánica de
f lu idos
Viscosidad
– Viscosidad o “stickiness” caracteriza la abilidad para resistir cambios de forma.
– Resulta de la fricción interna en el fluidocausada por las fuerzas entre las moléculas
– La viscosidad es función de la temperatura
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Viscosidad Suponga:
– Dos platos – Distancia „l‟ : separación
– Liquido entre ellos
– Un plato es jalado con velocidad „v‟
La fuerza requerida para mover elotro plato es :
El factor proporcional es llamadocoeficiente de fricción interna.
l
v A F
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Viscosidad Viscosidad absoluta o dinámica
Viscosidad cinemática
s Pam
s N
smm
m N
22
s
m
kg
m s Ps 23
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Número de Reynolds Número adimensional
Usado para comparar fluidos Proyecta valores medidos con un fluido en
movimiento a otro fluido
– D [m] = diámetro del tubo
– [kg/m3] = densidad – [Pa .s] = viscosidad dinámica – v [m/s] = velocidad de flujo promedio – [m2/s] = viscosidad cinemática
Dv Dv Re
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Regimenes de flujo
Flujo laminar : el fluido fluye en capas, las cuales
no se mezclan una a otra. – Velocidad de fluido baja
– Viscosidad del fluido alta
Flujo turbulento: el fluido fluye al azar en todas lasdirecciones – Velocidad de fluido alta
– Viscosidad del fluido baja
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Regimenes de flujo Criterio para el regimen de flujo: valor del número de
Reynolds
Casi todos los medidores de flujo operan en elrango turbulento!!
Característica de flujo Re < 2300 Re > 2300
Regimen de flujo laminar turbulentoPérdida de presión pequeño Alto
Perfil de velocidad parabólico aprox. rectangular
Promedio a velocidadmáxima
0,5 0,8 .. 0,9
2300Re cr
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Ecuaciones de energía y rata
de flujo – Ley de Bernouilli
En un fluido fluyendo (liquido o gas) están
presentes los siguientes tipos de energía: – Energy potential : energy de posición
energy de presión
– energy cinética
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Ley de Bernouilli Estos tipos de energía estan dados por:
– energy de posición :
m = masag = gravedad
h = altura – Energía cinética:
v = velocidad de flujo
– Energía de presión:
P = presión estática
= densidad
h g m
2
2
1vm
pm
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Ley de Bernouilli La suma es:
La ley de conservación de energía deBernouilli‟s establece que la energía total enun fluido permanece constante, cuando ni seagrega ni se retira energía desde el exterior.
2
2
1vm
pmh g m E
const v ph g 2
2
1
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Ley de Bernouilli
Si el tubo es horizontal, la energía de posición se
puede despreciar:
O cuando se mira en un tubo en dos locaciones, se
tiene:
const v p
2
2
1
22
222
211 v pv p
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Ley de Bernouilli
Al rearreglar la última formula, la ecuación básica para la caída de presión llega a ser:
2
1
2
2212vv p p p
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Ley de Bernouilli Si se tiene una retricción en el tubo, se tiene:
El flujo volumétrico a través del tubo esta dado por
Para fluidos incompresibles, la rata de flujo permanece igual
Av D
vqv
4
2
2
2
1
2
2
2
1
2211
44
D
d
v
v
d v
Dvq
Av Avq
v
v
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Ley de Bernouilli Introduciendo una nueva variable, la
relación de area m resulta:
Introduciendo esto en el deltaP se logra:
21
2
1
2
vmv
vvm
D
d m
22
2
2
2
22
2 1
22mvvmv p
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Ley de Bernouilli Reemplazando v2 por
Se consigue para la rata de flujo
La restricción resulta en – Un incremento en la velocidad del fluido
– Una reducción en la presión estática debido auna conservación de la energía cinética
2
2
2
2
2
2
12m
A
q p
A
qv
v
v
221
2
m
p Aqv
pq
pq
v
v
~
~2
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Presión Total Si la velocidad se reduce a cero por una
restricción, la presión se incrementa mediante elcambio de la energía cinética a presión:
En el centro de la obstrucción, en el punto deestancamiento, se tiene:
2
112
2
2
2
11
2
2
2
0
2
0
v p p
pv p
v
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Presión Total La „presión total‟ p2 en el punto de
estancamiento es la suma de la presiónestática p1 y la presión dinámica convertida
Asi, si se conocen ambas, la presión estáticay la dinámica, la velocidad de flujo se puede
calcular de:
2
1
2
v pdyn
statictotal p pv
2
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Contracción y expansión
Las formulas anteriores solo son validas para
fluidos ideales. Los fluidos reales tienen pérdidas de presión sobre
una restricción, debido a la fricción interna.
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Med ido res t ipo cabeza
Es el tipo mas común de medidor usado para
medir ratas de flujo. Mide el flujo de fluido indirectamente creando una
presión diferencial por medio de una obstrucción. – Son generalmente simples, confiable, y ofrece mas
flexibilidad que otros métodos de medición de flujo.
– El medidor de flujo tipo cabeza casi siempre consiste dedos componentes: el mecanismo primario y elmecanismo secundario.
– El mecanismo primario es colocado en el tubo pararestringir el flujo y desarrollar un diferencial de presión.
– El mecanismo secundario provee una lectura o señal para transmisión a un sistema de control.
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Medidores t ipo cabeza
– Con estos medidores, no se requiere en campo lacalibración de un mecanismo de medición. El mecanismo
primario se puede seleccionar por
compatibilidad con el fluido especifico o
aplicación y el mecanismo secundario se
puede seleccionar por el tipo o lectura de
transmisión de señal deseada.
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Placas de orificio
Una placa de orificio concéntrica es
el mas simple y barato de losmedidores de cabeza.
La placa de orificio restringe el flujode un fluido para producir un
diferencial de presión a través del plato.
El medidor de orificio consiste de un plato de orifico plano con un agujero
circular perforado en este. Hay unflanche( pressure tap) corriente arribadesde la placa de orificio y otrocorriente abajo.
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Placas de orificio El resultado es una presión alta corriente arriba y una presión
baja corriente abajo que es proporcional al cuadrado de lavelocidad de flujo.
Este usualmente produce una caída de presión total masgrande que otros mecanismos primarios.
Una ventaja practica de este mecanismo es que el costo no seincrementa significativamente con el tamaño del tubo.
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Placas de orificio
Excéntrico
– Fluidos con cantidades pequeñas de sólidos no-abrasivos
– Gases con pequeñas cantidades de liquido Una abertura en el fondo del tubo retirara los sólidos/líquidos
Segmentado – Líquidos o gases con impurezas no-abrasivas
Lechadas ligeras
Gases sucios
– Exactitud mas baja que en placas concéntricas
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Placas de orificio
El orificio debe ser dimensionado de tal manera que
se consiga una lectura DP de alrededor de 250mbar – Limita la perdida de presión estática
Uso de placa de orificio removible – Ajuste del orificio (Daniel Senior)
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Calculo de la platina de orificio
De la anterior parte teórica discutida se conoce
(Ley de Bernoulli), que la velocidad del liquidoesta dada por
donde β = D b/Da = (A b/Aa)0.5
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Calculo de la platina de orificio En el medidor de orificio aparece una aplicación
importante que no se encuentra en el venturi. Elárea de flujo decrece desde Aa en la sección 'a' auna sección transversal de abertura de orificio (Ao)en el orificio y luego a A b en la vena contracta.
El área de la vena contracta puede ser convenientemente relacionada al área del orificio
por el coeficiente de contracción Cc definido por la
relación: Cc = A b / Ao
Asi, v bA b = voAo , esto es, vo = v bCc
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Calculo de la platina de orificio Insertando el valor de A b = CcAo en la ecuación
Usando el coeficiente de descarga Co (coeficientede orificio) para tener en cuenta las perdidas por fricción en el medidor y el parámetro Cc, la rata deflujo (Q) se obtiene la rata de flujo,
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Calculo de la platina de orificio
Co varia considerablemente con cambios enla razón Ao/Aa y el numero de Reynolds.
Un coeficiente de orificio (Co) de 0.61 se
puede tomar para le medidor standard paranúmeros de Reynolds por encima de 104, pero el valor cambia notablemente a valores bajos del numero de Reynolds.
Rec peracion de presion de
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Recuperacion de presion de
orificio:
La perdida de presión permanente dependedel valor de β. (β = Do/Da).
Para un valor de β = 0.5, la cabeza perdidaes de alrededor del 73% de la diferencial delorificio.
F l St d d
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Formula Standard En estándares internacionales, las
ecuaciones de rata de flujo másico yvolumétrico están dadas por:
La velocidad del factor de aproximación Ese define como
pd E C q
pd E C q
m
v
24
2
4
2
2
44
2
41
1
d D
D E
ECUACIÓN DE UNA PLACA DE ORIFICIO
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ECUACIÓN DE UNA PLACA DE ORIFICIO
Orificio de orilla recta:
F l St d d
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Formula Standard El coeficiente de descarga C es una función
de la razón de diámetros β , el numero deReynolds Re, el diseño de la restricción, lalocalización de las tomas (taps) de presión y
la fricción debida a la rugosidad de latubería
El factor de expansión de gas determinado
empíricamente esta dado en curvas y tablas.Este considera los cambios en densidad delos gases y el vapor debido a la reducciónde presión en la restricción.
C l l l id l
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Calculo en la vida real AGA-3
Spreadsheet demo
M t j t b í
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Montaje en tubería
El ensamblaje de placa de orificio se debe instalar
entre el tubo acoplado a los flanches como semuestra en la figura
Es importante asegurar que el chaflán de 45°debe estar downstream,
esto se logra encarando
en la dirección upstream
la cara plana del disco.
R i i t d i t l ió
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Requerimientos de instalación
R i i t d i t l ió
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Requerimientos de instalación
I t l ió t b í d
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Instalación en tubería de gas
La posición de las tomas de presión debe ser – vertical o – Dentro de 45° de la horizontal.
G L t d d
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Gas - Layout recomendado El transmisor se debe instalar en una posición mas
alta que la placa de orificio. La línea impulse debe tener una subida mínima de
1:20, y no debe contener
algún codo donde puedaacumularse liquido
cuasando serios errores en
las lecturas del transmisor
DP.
G L t d d
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Gas - Layout recomendado Los dos tubos impulse deben seguir la misma ruta,
preferiblemente anclados juntos. El tubo impulse debe tener
un O/D mínimo de ½”
(12.7mm) y tener gradoconveniente de presión
y temperatura para la
aplicación.
Instalación en tuberías no
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Instalación en tuberías nohorizontales
La tubería impulse debe colocarse como en la figura.
La diferencia en cabeza de presión estática causada por el diferente layout del tubo impulso usado, se puede compensar usando ajuste a cero del
transmisor.
Desempeño de las placas de
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ese pe o de as p acas deorificio
El desempeño de un sistema de medición de placa de orificio puede ser influenciadograndemente por las variables deinstalación, las cifras abajo se dan solo
como guía: Exactitud:
– típicamente +/- 3% del flujo actual. (equivalente a +/- 1.5% deflexión de escala
completa a 50% del flujo máximo ajustado).
Repetibilidad:
– tipicamente +/- 0.3%.
D ñ d l l d
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Desempeño de las placas de
orificio
El borde del orificio debe permanecer siempre agudo!!
La placa de orificio debe ser perfectamente plana
El hueco no debe estar dañado
El agujero debe ser circular El orificio puede ser sensible a
contaminación y abrasión si no se tiene encuenta lo anterior
Transmisor multivariable
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Transmisor multivariable
Rosemount 3095MV – Presión – Presión diferencial
– Temperatura
Calcula flujo masico – Usando propiedades del fluido (e.g. tablas de vapor)
Placas de orificio
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Placas de orificio
Medidores de veloc idad
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Medidores de veloc idad
Cuando se usa velocidad para medir la rata deflujo de un fluido, el mecanismo primario generauna señal proporcional a la velocidad del fluido.
La ecuación QV = AxV ilustra que la señalgenerada es lineal con respecto a la rata de flujovolumétrico.
Ventajas sobre los medidores de cabeza( headmeters): – Menos sensibles que los medidores de cabeza al perfil
de velocidad
– Algunos están sin obstrucciones(obstructionless) Proveen salida lineal con respecto al flujo(no hay relación deraíz cuadrada con respecto al flujo), como en los medidores de
presión diferencial
– Tienen una rangeabilidad mayor en comparación con lamayoría de los medidores de cabeza.
Medidores de Turbina
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Medidores de Turbina Un medidor de turbina usa un rotor multi-bladed soportado
por cojinetes dentro de una sección de tubería perpendicularal flujo.
El fluido conduce el rotor a una velocidad que es proporcional a la velocidad del fluido y, consecuentemente,a la rata de flujo volumétrico total.
Una bobina fuera del medidor
produce un voltaje alterno a
medida que cada blade corta
las líneas de flujo magnético dela bobinas.
Cada pulso, axial, representa un
volumen discreto de liquido.
Medidores de Turbina
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Medidores de Turbina
Un portador modulado (RF) o un pick-off Magnetico sensa
la rotacion del rotor y proveee una salida de frecuenciaelectrica proporcional a la rata de flujo de proceso.
El uso del pick-off RF optimiza la habilidad del medidor para medir flujos puesto que este no produce algunafriccion magnetica en el movimiento del rotor como si lohacen los pick-off Magneticos.
Esta salida de frecuencia se puede procesar por electronicacomplementaria, partiendo desde amplificadores basicos,indicadores y totalizadores, hasta linealizadores y
computadores de flujo mas complejos los cualescompensan para todos los parametros de proceso medibles para exactitud en las mediciones de flujo volumetrico ymasico.
Desempeño
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Desempeño Tamaño compacto, 3” conexión cara a cara con NPT.
Opera en rangos de flujo bajos cuando no lo pueden hacer las turbinas Standard.
Exactitud ±0.2% en líquidos, ±0.3% engas cuando se usan con electrónica de linealizacion.
Mide ratas de flujo tan bajas como 0.001gpm en líquidos, y 0.0015 scfm en gas.
Tiempo de repuesta rápido hasta 3 - 4 ms en líquidos.
Temperatura: desde – 270 ºC a +150 ºCdesde – 50 ºC a +650 ºC
Presiones: hasta 400 bar standardhasta 4000 bar posible
Medidores de Turbina
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Medidores de Turbina
Como el rotor es hecho de acero inoxidable, estees compatible con muchos fluidos.
Sin embargo, los rodamientos, que son necesarios para soportar el rotor y deben permitirle girar
libremente a altas velocidades, requiere un proceso bastante limpio.
Los medidores de turbina son disponiblestípicamente en tamaños desde ½” hasta 12”.
Tienen rápida respuesta y buena exactitud (usadoscomo medidores fiscal).
Medidores de Turbina
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Medidores de Turbina
Para altas viscosidades, se debe preparar una curva
de calibración, la cual es no-lineal. Tener cuidado con sobre velocidad y choque
hidráulico (ej. apertura/cierre rápido de lasvalvulas)
Medidores tipo Vortex
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Medidores tipo Vortex El principio de medición de un medidor de flujo tipo vortex se basa en
el fenómeno de vertimiento de vortice( vortex shedding) conocido
como el efecto von Karman. A medida que el fluido pasa
un cuerpo escarpado amplio(bluff body), separa y genera pequeños remolinos(eddies) o vortices
que son vertidos alternadamente alo largo y detrás de cada lado delcuerpo.
Estos vortices causan áreas de presión fluctuante que son
detectadas por el sensor. Lafrecuencia de generación devortex es directamente
proporcional a la velocidad del fluido.
Medidores Vortex
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Medidores Vortex
La frecuencia vortex esta dada por
siendo St el numero de Strouhal
v, la velocidad del fluidod, el ancho del cuerpo bluff
d
vSt f
Medidores Vortex
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Medidores Vortex Combinando el numero de Strouhal y el ancho en un
factor, K, se encuentra que el factor K varia con el numero
de Reynolds, pero este es virtualmente constante sobre unamplio rango de flujo
Los medidores de flujo Vortex proveen ratas de flujoaltamente lineales y exactas cuando se operan dentro de suregión plana.
Medidores Vortex
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Medidores Vortex
Piezo elementos
dentro del sensor convierten la fuerza de presion resultante enuna señal de pulso
electrica que puede ser amplificada.
Requerimientos de instalacion
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Requerimientos de instalacion
Los medidores de flujo Vortex requieren secciones
largas de entrada y salida
Requerimientos de instalacion
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Requerimientos de instalacion
Cuidado especial que debe
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p qtenerse
Vortices solo ocurren desde una ciertavelocidad de fluido hacia adelante,consecuentemente ellos tienen un ceroelevado referido como el punto „cut-off‟. El
flujo mínimo medible esta limitado por alguno de los siguientes factores: – Bajo numero de Reynolds , causando que cese
el fenómeno de vertimiento ( shedding );
– Velocidad de fluido mínima; – Razón señal/ruido muy baja (los sensores no
pueden distinguir entre frecuencia de la señal yruido).
Cuidado especial que debe
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p qtenerse
Los medidores de flujo Vortex solo funcionaranadecuadamente bajo condiciones de fluidomonofásico. – En aplicaciones de liquido, el perfil de presión a través
del medidor de vortex no resultara en cavitacion bajoalguna condición de operación.
– La cavitacion causara perdida de la señal de salida y podría dañar el medidor y el tubo downstream.
Los medidores de flujo Vortex son susceptibles aflujos oscilantes y vibración mecánica. – Si las frecuencias entran al rango de frecuencia del
vortex, se introducen mayores errores sistemáticos y al
azar.
Seleccion de medidores vortex
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Seleccion de medidores vortex
El numero de Reynolds debe ser al menos de 20,000, pero preferiblemente estar sobre 40,000 bajo algunacondición normal o anormal de proceso.
Los medidores vortex en servicio de liquido se debenseleccionar tal que no ocurra cavitacion durantealguna condicon de proceso normal o anormal.
Los medidores vortex no deben ser usados enaplicaciones de gas o vapor húmedos o en alguna otraaplicación bifásica (ej. líquidos con burbujas de gas o
espuma, líquidos inflamables, línea a medio llenar). Los medidores vortex no se deben considerar para
servicios en fluidos muy viscosos, con ceras oerosivos.
Desempeño
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Desempeño
Se pueden usar para líquidos, gases y
vapores Exactitud
– 0,75% de la rata para líquidos
– 1% para gases y vapor Limites de temperatura
– – 40 ºC a 440 ºC
Conveniente para líquidos con viscosidadeshasta de 7.5 mPas
Tamaños desde DN 15 a DN 300
Medidores Vortex
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Medidores Vortex
Medidores de flujo
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ultrasónicos Ultrasonido es sonido con frecuencias sobre el limite
audible para el hombre (típicamente 18 kHz).
Las ondas sonoras se propagan a la velocidad del sonido „c‟.
Para que las ondas acústicas se propaguen, si es posible enel estado no amortiguado, – Los medidores de flujo ultrasónico para líquidos operan con
frecuencias sonoras en el rango de "Megahertz", – Los medidores de flujo ultrasónico para gases operan con
frecuencias acústicas en el rango "100 Kilohertz".
Medidores de flujo
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jultrasónicos
Medidores de flujo
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ultrasónicos Doppler Principio
– Los medidores de flujo Doppler operan similarmente a lastrampas de velocidad de radar usadas en la carretera.
– Un emisor envía ondas ultrasónicas a la frecuencia f1(aprox. 1 - 5 MHz) a un ángulo α dentro del productofluyendo. Las ondas ultrasónicas impactan las partículasque se mueven a través del campo de sonido a la velocidadvP.
Medidores de flujo
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ultrasónicos Doppler – La longitud de onda de la onda emitida a la frecuencia f1 es:
– Debido a su rata de movimiento vP, la partícula que se muevelejos del emisor “ve” la longitud de onda:
11 f c
1cos f vc p p
Medidores de flujo ultrasónicosD l
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Doppler – Alternadamente, el receptor ahora „ve‟ la
frecuencia reflejada fuera de la línea porque la partícula reflectora se está moviendo más lejostodo el tiempo y la longitud de onda cambia asi:
– De aqui para vP « c we obtain:
– Esta diferencia en frecuencia es asi una medida
lineal de la rata de movimiento de las particulas.
12 cos2 f vc p
cos2
1
2
pvc
c f f
c
f v f f f p
cos21
12
Medidores de flujolt ó i D l
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ultrasónicos Doppler Ventajas
– Fácil de instalar en tuberías existentes , versiones deabrazadera (clamp-on)
– no-invasivo, sin partes en movimiento, sin desgaste
Desventajas y limitaciones
– El método de medición necesita un numero suficientede particulas reflectoras en el medio sobre una basecontinua.
– Las partículas deben ser lo suficientemente grandes
como para poder proveer reflexiones suficientemente buenas (> λ/4).
– La velocidad del sonido del material particulado debeser diferente a la del liquido.
Desventajas
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Desventajas – La velocidad del sonido del medio es incluida
directamente en el resultado de medición.
– La velocidad de la partícula a menudo difierenotablemente de la del liquido.
– Usualmente, el campo ultrasónico se extiende solo en elflujo periférico. Esto es el porque la indicación esaltamente dependiente del perfil de flujo.
– La velocidad necesita estar lejos de la velocidad criticaa la cual las partículas s asientan.
– Se necesitan entradas muy largas y sin impedimentos(20 x D) para permitir sacar conclusiones de la rata deflujo.
Diferencial ultrasónico delt á it ti
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tránsito-tiempo Convertidores electro-acústicos ("piezos", algo
como los altavoces y los micrófonos piezoeléctricos del alto-tono) emiten y reciben los pulsos ultrasónicos cortos a través del producto
que fluye en el tubo . Los convertidores están endirección longitudinal localizados diagonalmentecompensado de cualquier lado del tubo demedición.
Diferencial ultrasónico delt á it ti
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tránsito-tiempo Un pulso que viaja con la corriente del piezo A a B
necesita un tiempo de tránsito de:
Un pulso que viaja en contra de la corrientedesde el piezo hasta el A necesita un tiempode transito de:
La diferencia de tiempo de los
dos pulsos es:
cos
1
sin vc
DT B A
cos
1
sin vc
DT A B
D
T T
vT T T B A A B B A A B
2sin
Diferencial ultrasónico delt á it ti
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tránsito-tiempo Entonces se tiene
La rata de flujo esta dada por
La diferencia del tiempo de transito es asi
una medida lineal precisa de la velocidad deflujo promedio v a lo largo del camino demedición (ultrasonic beam). La diferencia
del tiempo de transito es muy pequeña
B A A B
B A A B
T T
T T Dv
2sin
Av Dvqv
4
2
Diferencial ultrasónico delt á it ti
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tránsito-tiempo
El convertidor de señal, el cual conduce los piezos
con pulsos y evalúa las señales recibidas, debegarantizar esta resolución de alto tiempo.
Diferencial ultrasónico delt á it ti
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tránsito-tiempo Determinación de la velocidad del sonido c
– Adicionalmente, la velocidad del sonido c puede ser determinada on-line de la suma totalde tiempos de transito :
– la velocidad del sonido c es dependiente deltipo de producto en el tubo de medición.
– Esta puede ser usada para medir el contenido deagua en el aire de procesos de secado, paramedir el contenido de agua en aceite, o laconcentración de un liquido.
sin21 Dc
T T T B A A B
Flujometros ultrasónicos enlí
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línea Para líquidos y gases
– Medidor de flujo de rayo doble
– Para mediciones de flujo de proceso continuocon requerimientos de alta exactitud, sin
mantenimiento absolutamente, y laindependencia mas grande posible del numerode Reynolds y otras condiciones de proceso.
– Los mecanismos de medición son permanentemente instalados en el tubo
(in-line).
Flujometros ultrasónicos enlí
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línea El arreglo de estos caminos a una distancia
definida de la línea central del tubo asegurala independencia prácticamente completadel número de Reynolds
La misma exactitud de la medición seobtiene en los perfiles de flujo laminar yturbulento.
Además, usando dos caminos de lamedición considerablemente reduce elefecto de perfiles de flujo distorsionadosasimétricamente sobre la exactitud de la
medición
Flujometros ultrasónicos enlí
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línea Amplio rango de tamaños de medidor y
ratas de flujo – Disponible desde DN 25 a DN 3000. – Ellos se pueden usar para mediciones de flujo
exacta en el rango de aprox. 1 m3/h a 100.000m3/h.
Medición exacta sobre spans amplios
– Los medidores de flujo ultrasónicos de este
tipo, los cuales son calibrados con agua enequipos de calibración exacta, ofrecen unaexactitud suficientemente alta para aplicacionesde proceso, y sobre todo un span de medición
amplio
Flujometros ultrasónicos enlínea
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línea Las versiones “normales" , dependen del
fabricante y del tipo, permiten temperatura de proceso hasta de 150°C o 200°C.
Alta Temperatura, Presiòn
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p ,
Diferencial de tiempo de transito ultrasónico
Temperaturas hasta 500°C, presiones hasta1500 bar
– Estas versiones operan bajo el mismo principio comose describió antes.
– Para proteger los sensores piezoeléctricos de lastemperaturas altas, estos se posicionansuficientemente lejos al final de la varilla de acople.
Condiciones limite
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Condiciones limite para medidores de
flujo de gas ultrasónicos. – El sonido no puede ser transmitido en el vació.
– Así que la transmisión de sonido entre los
sensores requiere que el gas tenga una densidadmínima definida.
– También es necesaria una presión mínima
Versiones especiales paraductos air/flue gas
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ductos air/flue gas
Flujo ultrasónico- desempeño
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j p Desempeño
– Rangeabilidad hasta 1500:1
– Exactitud
1% de la lectura – Temperaturas
-200ºC a 360 ºC clamp on
-200ºC a 500 ºC húmedo (wetted)
– Presiones 240 barg húmedo (wetted)
– Para líquidos, gas y vapor
Flujo ultrasónico- desempeño
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j p
Flu jo másico Corio lis
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j á
El medidor de coriolis usa un tubo en forma de U sin
obstrucción como sensor y aplica la segunda ley demovimiento de Newton para determinar la rata deflujo.
Dentro del alojamiento del sensor, el tubo del sensor
vibra a su frecuencia natural
Flu jo másico Cor io lis
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j á
Flu jo másico Cor io lis
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Caudalímetro de CoriolisCon la configuración del equipo indicado,
poniendo a los tubos en oscilación a una frecuenciafija uno contra otro; el movimiento entre los tubos
en U será estable. Con el ingreso del fluido alsistema, este circulará en el primer brazo de la Ualejándose del eje de rotación, mientras que en elsegundo brazo de la U estará acercándose al eje derotación. Esto generará una fuerza de Coriolis quedistorsionará la oscilación fija en vacío. Estadistorsión será entonces una función de la masa y dela velocidad de flujo. La velocidad angular estáfijada por la frecuencia de excitación.
j á
F lujo másico Coriolis
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Flu jo másico Corio lis
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á
Vibración del tubo:
– El fluido de proceso entrando al sensor esdividido, la mitad pasando a través de cada tubode flujo. Durante la operación, una bobinaconductora es energizada. La bobina
conductora causa que los tubos oscilen arriba yabajo en oposición.
Flu jo másico Corio lis
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Generación de la señal:
– El magneto y el ensamble de bobina llamados pick-offs, se montan
sobre los tubos de flujo. Los alambres del bobinado están montadosen los brazos laterales de un tubo de flujo, y los imanes estánmontados en brazos laterales del tubo de flujo contrario.
– Cada bobina se mueve a través del campo magnético uniforme delimán adyacente.
El voltaje generado de cada bobinadel pickoff crea una onda seno.
Debido a que los imanes están montados en
un tubo, y las bobinas en el tubo contrario,
las ondas seno generadas representan el
movimiento de un tubo relativo al otro
Flu jo másico Corio lis
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Sin flujo – movimiento del tubo:
– Los tubos de flujo oscilan 180 grados en oposición unoa otro; mientras un tubo se mueve hacia abajo, el otro semueve hacia arriba y luego viceversa.
– Ambos pickoffs – uno al lado de la entrada y el otro a lasalida – generan ondas de corriente sinusoidalescontinuamente cuando los tubosestán oscilando.Cuando no hay flujo, las ondas
sinusoidales están en fase.
Flu jo másico Corio lis
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Sin flujo - No hay efecto de Coriolis:
– Durante una condición en que no hay flujo, no hayefecto coriolis y las ondas seno están en fase entres si.
Flu jo másico Cor io lis
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Flujo – Efecto Coriolis:
– Cuando el fluido se esta moviendo a través de los tubosdel sensor, son inducidas fuerzas de Coriolis. Estasfuerzas causan que los tubos de flujo se doblen(twist)en oposición uno a otro. Cuando el tubo se esta
moviendo hacia arriba durante la mitad de su ciclo devibración, el fluido fluyendo dentro del sensor se resisteal movimiento hacia arriba, empujando hacia abajo enel tubo.
– Teniendo el momentum del tubo hacia arriba a medidaque el fluido viaja alrededor de la curvatura, el fluidofluyendo hacia afuera del sensor se resiste teniendo sumovimiento vertical disminuido empujando hacia arribaen el tubo. Esto causa que el tubo se tuerza (twist).
Flu jo másico Corio lis
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Flujo - Delta-T:
– Como resultado de este torcimiento en los tubos deflujo, las ondas seno generadas por los pickoffs estánahora desfasadas debido a que el lado de la entrada estaretrasado con respecto al de salida.
– La cantidad de diferencia de tiempo entre
las ondas seno se mide en microsegundos,
y es llamada Delta-T.
– Delta-T es directamente proporcional a la
rata. Mientras mas grande Delta-T, mayor la rata de flujo másico.
Flu jo másico Corio lis
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Factores de calibración de flujo Los factores de
calibración consisten de 10 caracteres, incluyendodos puntos decimales. Un factor de calibración deflujo típico para un sensor CMF podría ser:4.27454.75
El valor tiene dos componentes: – Los primeros 5 dígitos (4.2745) corresponden al factor
de calibración de flujo. Cada sensor tiene un únicofactor de calibración. Este factor de calibración
multiplicado por un Delta-T dado (medido en microsegundos), reporta la rata de flujo másico en gr/s.
Flu jo másico Cor io lis Ejemplo:
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Ejemplo:
dado un Delta-T de 5 microsec
5 X 4.2745 = 21.3725 gr/s rata de flujo
– Los últimos tres dígitos (4.75) corresponden aun coeficiente de temperatura para el material
del tubo sensor. Este coeficientecompensa el efecto de la temperatura
sobre la rigidez del tubo. Este es
expresado en términos de un cambioen porcentaje en la rigidez por 100°C.
Medidores tipo Coriolis
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Desempeño:
– Exactitud 0,1% del valor medido para flujo másico en líquidos
0,5% del valor medido para flujo másico en gases
0,5 g/l a 9g/l para densidad
– Presión hasta 350 bar
– Temperatura -50 a +250 º C
– Rangos desde 0,006 kg/min hasta 6000 kg/min, dependiendo
del tipo y tamaño
Medidores Coriolis – instalación
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Instalación
– No se requiere tuberías rectas para su corrida No requiere condiciones especiales de montaje o
flujo
– Se puede montar horizontalmente, con pendiente hacia arriba y verticalmente
– Evite ambientes de mucha vibración
– Evite caídas verticales después del medidor
Medidores Coriolis – instalación
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– Bombas pulsando
– Evite montarlo en el punto mas alto en el tubo
– Prefiera diámetros grandes(velocidad mas baja, presión mas
alta)
Medidores tipo Coriolis
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p
Medición de flujo en una planta
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Medido res de masa térm icos
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Principio: medición de propiedades de
absorción de calor de un fluido. – Usado principlamente para mediciones de gas.
Metodo Hot wire
– Un termometro de resistencia es o calentado conuna corriente constante y la diferencia detemperatura entre éste y un termómetro sincalentar determinada o la
corriente de calentamiento es en si
misma regulada tal que exista una
diferencia de tempertaura constante.
Medido res de masa térm icos
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Considere un alambre inmerso en un flujo de
fluído. Asuma que el alambre, que se calienta concon una entrada de corriente eléctrica, esta enequilibrio con su ambiente. La entrada de potenciaeléctrica es igual a la pérdida de potencia a la
transferencia de calor convectivo,
donde I es la corriente de entrada, Rw es laresistencia del alambre, T
w y T
f son las
temperaturas del alambre y el fluídorespectivamente, Aw es el area superficial delalmabre, y h es el coeficiente de transferencia de
calor del alambre
Med ido res de masa térm icos
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é La resistencia del alambre Rw es también una
función de la temperatura de acuerdo a,
donde α es el coeficiente térmico de resistencia y R Ref es la resistencia a la tempertaura de referenciaT Ref .
El coeficiente de transferecnia de calor h es unafunción de la velocidad del fluído v f de acuerdo a
la ley de King,
donde a, b, y c son coeficientes obtenidos decalibración (c ~ 0.5).
Medido res de masa térm icos
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Combinando las tres ecuaciones anteriores, se
puede eliminar h,
Continuando, se puede resolver para la velocidaddel fluído,
Medido res de masa térm icos D ti d ó t t i (h t i )
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Dos tipos de anemómetros termicos (hot-wire) soncomúnmente usados: temperatura constante – y
corriente constante. – Los anemómetros de temperatura constante son más
ampliamente usados debido a su sensibilidad reducida avariaciones en el flujo.
– El alambre se debe calentar suficientemente (por encima de la temperatura del fluído) para que seaefectivo, si el flujo fuera repentinamente suspendido odisminuido, el alambre se podría quemar en un
anemómetro de corriente constante. – Opuestamente, si la rata de flujo se aumentara
repentinamente, el alambre podría enfriarsecompletamente resultando en una unidad de corriente
constante inacapaz de registrar datos de calidad
Anemómetro hot-wire detemperatura constante
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temperatura constante Para un anemómetro alimentado por una corriente
ajustable para mantener una temperaturaconstante, T w y Rw son constantes. La velocidaddel fluído es una función de la corriente de entraday la temperatura de flujo,
Además, la temperatura del fluído T f puede ser medida. La velocidad del fluído es entoncesreducida a una función solo de la corriente de
entrada
Anemómetro hot-wire decorriente constante
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corriente constante Para un anemómetro alimentado por una corriente
constante I , la velocidad de flujo es una función de lastemperaturas del alambre y el fluído,
Si la temperatura de flujo es medida independientemente, lavelocidad del fluído se puede reducir a una función de la
temperatura del alambre T w solamente. A vez, latemperatura del alambre esta relacionada a la resistencia delalambre medida Rw. Asi, la velocidad del fluído se puederelacionar a la resistencia del alambre.
Medido res de masa térm icos
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Usados en
– Medidores de flujo de gas de exactitud baja – Switches de flujo de gas
– Gas limpio o gas mezclado
– Gas seco o saturado – Homogeneo y de composición casi constante
E.j. aire (ventilación, purga, combustión)
Med ido res de masa térm icos
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316SS construction
Range of process connections
Field Validation/Configuration
2% reading accuracy Very large installed base
Removable probe for recal/service
In-line flow conditioning Meters all process gases
Thermal mass flowmeasurement
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measurementpara gases
As shown in figure A a part of the gas flows through the sensor, and is warmed
up by heater R H. Consequently the measured temperatures T1 and T2 drift apart,as shown in figure B. The formulas for dT demonstrate that the temperaturedifference is directly proportional to mass flow. Electrically, temperatures T1
and T2 are in fact temperature dependent resistors R T1 and R T2.
Medido res de masa térm icos
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Desempeño
– exactitud: 1,5% of full scale – rangeabilidad hasta1000:1
– Tiempo de respuesta 0,2 to 3 s
– temperatura -50 to 260 degC
– presión hasta70 barg – velocidad 1-3 s para temperatura cst
20-60 s para potencia cst
Medidores de masa
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térm icos
Petroleum & Gas Industries:
Custody transfer - Landfill gas recovery - Flare gas
measurement - Gas mixing - Gas quality studies -Leak testing
Resumen
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Tipo de
medidor
Rango de
flujo
Limites de
eror en %de la rata
Caida de presion a Qmax en bar
Turbine meter 1:5 a 1:20 0,1 a 1 0,5 a 1
Vortex meter 1:15 a 1:20 0,75a 1 0,7 (water); 0,07 (air)
DP meter 1:5 a 1:10 2 0.005 a 1 depending on diameter ratio
Ultrasonic 1:10 1 same as pipeline
Coriolis 1:20 0,25 1
Thermal 1:20 a 1:30 2 0,002
BIBLIOGRAFIA
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Ernest O. Doebelin. Measurement Systems, Application andDesign. McGraw-Hill, 1990
Antonio Creus Sole. Instrumentación Industrial. Marcombo,
1992.James W. Dally, William S. Riley,Kenneth G. McConnel.Instrumentation for Engineering Measurements, 2nd Edition.
Mercado
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Emerson (Fisher-Rosemount): 27 %
Invensys: 4-5%
ABB: 4-5%
Honeywell: 3-4%
Omega