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Technical Documents - Documentos Técnicos: Medidores de flujo diferencial. Placas de orificio.

Medidores de flujo diferencial

La placa de orificios es el método más antiguo conocido de medición de flujo. Durante el Imperio Romano, el agua llegaba a los hogares de la ciudad de Roma por viaductos. Un impuesto era pagado a la ciudad y una placa orificio se instalaba en la línea hacia la casa. El tamaño del orificio en la línea regulaba la cantidad de agua recibida. El impuesto pagado era proporcional al tamaño del orificio. Este fue el primer medidor de agua.

La caída de presión a través de un orificio, tobera, venturi, u otro dispositivo con un diámetro de paso fijo en una tubería es una función de la velocidad de flujo. A medida que aumenta o disminuye el caudal, la caída de presión varía exponencialmente con el cambio en la velocidad de flujo. Si la velocidad de flujo se duplica, la caída de presión se cuádruplica. A la inversa, si la velocidad de flujo disminuye a la mitad, la caída de presión disminuye a un cuarto de la caída. Cuando se mide el cambio en la caída de presión, la velocidad de flujo está implícita. En los primeros días, una placa de orificio era instalada en la línea de flujo y un simple manómetro de tubo en U era instalado para observar la diferencia de presión a través del orificio. El tubo en U se llenaba típicamente con agua. La diferencia en altura del agua de una pierna contra la otra indicaba la diferencia de presión. La mayoría de las veces se medía en pulgadas de columna de agua (en W.C.). El relleno era a veces de mercurio, antes de que todos el peligros del mercurio fueran tan conocidos como lo son hoy. El tubo en U, naturalmente, era muy largo y engorroso. Diferenciales de 100 pulgadas son todavía comunes.

(a)

(b)

(c)

Figura. de presión diferencial. (a) Efecto de la restricción orificio en la creación un diferencial de presión a través de la placa y la recuperación de pérdida de presión corriente abajo de la placa se muestran gráficamente en la vista superior. Un manómetro de líquido se usa para fines ilustrativos. Otros transductores de presión diferencial se utilizan en la práctica. El diferencial de presión creado depende del tipo de restricción utilizada. Con una placa de orificio, la contracción de flujo es abrupta, con una boquilla de flujo, es más gradual. (b) La relación entre la presión diferencial medida y la tasa de flujo es una función de las ubicaciones de las tomas, el tipo particular de restricción utilizada, y las tuberías asociadas corriente arriba y corriente abajo. Estos factores se incluyen en el coeficiente de descarga, que relaciona el caudal real con la tasa calculada teóricamente. (c) Disposición de tuberías utilizado comúnmente para la instalación de un caudalímetro de presión diferencial.

A medida que la instrumentación cambió y se hicieron mejoras, un transmisor de presión diferencial sustituyó al tubo en U. Donde las líneas de detección transmiten la presión a ambos lados de un diafragma. El lado de alta presión, el lado de corriente arriba, desvía el diafragma hacia el lado de menor presión. Esto hace que la salida del transmisor cambie su salida, que se mantiene proporcional al diferencial presión. La salida era originalmente neumática, 3-15 psi. Esto ya se ha desplazado casi por completo por la electrónica con una salida de 4 a 20 mA. Dado que la relación de la caída de presión al flujo es del tipo geométrico, la caída de presión varía con el cuadrado del flujo. Se requiere un extractor ya sea interno o externo de  raíz cuadrada.

Debido a que esta es una relación cuadrática, las graduaciones de la escala resultante también deberán tener una separación en una relación  cuadrática, lo que limita en gran medida la relación de rango eficaz. Esto significa que se tiene las graduaciones en el extremo inferior de la escala demasiado juntas para ser útiles. Por esta razón, la relación de rango del transmisor de presión diferencial se considera normalmente 03:01 (33%  -100% ).

Una fórmula simplificada para la determinación de la caída de presión versus flujo es

donde QX es la tasa de flujo desconocido, QK es la tasa de flujo conocida que genera una caída de presión conocida, ΔPK es la caída de presión conocida a un régimen de flujo QK, y ΔPX es la caída de presión que es producida a una velocidad de flujo QX  Esta fórmula supone que las condiciones de operativas de temperatura, presión, densidad y viscosidad y son las mismas que las condiciones originales para las que la placa orificio  fue seleccionada.

Los medidores de flujo de tipo diferenciales son los más comúnmente utilizados. Entre ellos pueden mencionarse: la placa de orificio, el tubo Venturi, el tubo Pitot, la tobera y el medidor de impacto (Target). Estos miden el flujo de un fluido indirectamente, creando y midiendo una presión diferencial por medio de una obstrucción al flujo. El principio de operación se basa en medir la caída de presión que se produce a través de una restricción que se coloca en la línea de un fluido en movimiento, esta caída de presión es proporcional al flujo. La proporcionalidad es una relación de raíz cuadrada, en la cual el flujo es proporcional a la raíz cuadrada del diferencial de presión. Esta relación hace que la medición de flujos menores del 30% del flujo máximo, no sea práctica debido a la pérdida de precisión.

Los medidores de flujo de tipo diferencial generalmente están constituidos por dos componentes: el elemento primario y el elemento secundario. El elemento primario es el dispositivo que se coloca en la tubería para obstruir el flujo y generar una caída de presión. El elemento secundario mide la caída de presión y proporciona una indicación o señal de transmisión a un sistema de indicación o control. El elemento primario se calcula y se selecciona de acuerdo al fluido y las características del proceso. Se han desarrollado ecuaciones que toman en cuenta casi todos los factores que afectan la medición de flujo a través de una restricción. La ecuación básica a partir de la cual fueron desarrolladas estas ecuaciones, es la ecuación de Bernoulli.

Los diafragmas de orificio concéntrico o placas de orificio pueden utilizarse para todo caudal permanente de fluido limpio y homogéneo (líquido, gas o vapor) en el campo de caudales turbulentos normales para los cuáles el número de Reynolds alcanza un valor superior a 5.000. Generalmente se construye de acero inoxidable con un espesor que oscila entre 1/8 y 1/2 pulgada. Otros tipos de materiales tales como Monel, níquel, Hastelloy, se utilizan cuando se necesita prevenir la corrosión o contaminación. Dos tomas de presión colocadas antes y después de la placa, captan la producida por la placa de orificio. Se han establecido coeficientes para tuberías desde 1½" (40 mm) a 14" (350 mm) y números de Reynolds desde 5.000 a 10.000.000. Con el fin de obtener una buena medida del caudal, la construcción y el empleo de placas de orificio deben responder a las siguientes condiciones esenciales:

- La arista exterior del orificio debe ser viva y neta. No son tolerables defectos mecánicos tales como rebabas, ranuras o salientes.

- El espesor de la placa de orificio debe estar de acuerdo con las prescripciones de la norma ISO 5167, no debiendo sobrepasar:

  • 1/30 del diámetro interior de la tubería (D)
  • 1/8 del diámetro del orificio (d)
  • 1/4 del valor (D - d) / 2

Estas son las condiciones mínimas. Cuando el espesor real del diafragma deba sobrepasar este mínimo, la arista posterior puede ser achaflanada con un ángulo de 45 grados por lo menos, a partir de la cara de la placa o bien fresada al espesor adecuado. Debe instalarse el diafragma siempre de forma que la arista viva quede aguas arriba, no pudiendo ser utilizado para la medida de caudales que fluyan en sentido inverso.

- La placa del diafragma (o placa de orificio), se fija entre y debe ser completamente plana, con una tolerancia de 0,01 mm.

- La relación de diámetros del orificio y la tubería d/D, habitualmente denominada relación de apertura ß, debe estar comprendida, para una medida correcta, entre 0,2 y 0,7. En tuberías grandes (de 4" en adelante), la ß podría estar comprendida entre 0,1 y 0,75 aunque no es recomendable llegar a estos extremos. Además, con este tipo de diafragma no se debe medir en tuberías de diámetro inferior a 1½" (40 mm), ya que la rugosidad de las paredes interiores puede modificar significativamente los coeficientes característicos.

El orificio de la placa puede ser de tres tipos, figura siguiente: concéntrico, excéntrico y segmental. Las placas de orificio de tipo excéntrico y segmental se utilizan principalmente en aplicaciones de fluidos que contienen materiales en suspensión o condensado de vapor. Las placas de orificio de tipo concéntrico se recomiendan para aplicaciones de líquidos limpios, de baja viscosidad; para la mayoría de los gases; y vapor a baja velocidad.

Diagramas excéntricos ( figuras 5A, 5B, 5C y 5D )

Figura. Secciones transversales típicas de orificios

Los Diafragmas Excéntricos son aquellos cuyo orificio está practicado de tal forma que al colocar la placa entre las bridas, quedan en la parte superior o inferior de la tubería. Si se miden fluidos que contengan partículas sólidas en suspensión, el orificio se sitúa en la parte inferior (figura 5C),de esta forma, las partículas sólidas que se depositan en la tubería son arrastradas por el fluido en lugar de ir formando depósitos a ambos lados del diafragma. Por otra parte, si se trata de medir líquidos que contengan gases o vapores, el orificio se colocará en las parte superior para que pasen los gases que tenderán a circular por arriba (figura 5B). Al medir caudales de aire o vapor donde se pueden producir pequeñas condensaciones, se realiza un pequeño orificio de drenaje en la parte inferior de los diafragmas concéntricos, por donde se evacua el condensado sin que la precisión de la medida sea afectada. Generalmente no es necesario utilizar diafragmas excéntricos para la medida de la mayor parte de los gases. Se puede realizar así mismo un orificio similar en la parte superior de los diafragmas concéntricos, utilizados en la medida de líquidos, con el fin de facilitar el paso de las pequeñas burbujas de gas habitualmente creadas por el movimiento del los líquidos.

La disposición de las tomas de presión puede verse en la figura siguiente (a), (b) y (c). Los tipos de tomas de presión comúnmente más utilizados son:

- Tomas sobre la brida: es el tipo más comúnmente utilizado, figura (a). En este caso las tomas están perforadas sobre las bridas que soportan la placa y están situadas a una distancia de 1 pulgada de la misma. Este tipo de tomas no se recomienda para diámetros de tubería menores de dos pulgadas (2”), debido a que la vena contracta puede estar a menos de 1 pulgada de la placa de orificio.

Figura (a) Disposición de las tomas de con tomas en la brida

- Tomas en la vena contracta: localizados a una distancia de 1 D (D = diámetro nominal de la tubería) aguas arriba de la placa, y 1/2 D aguas abajo de la placa, o sea sobre la vena contracta, figura 8.6 (b). Sin embargo, el punto de la vena contracta varía con la relación de diámetros d/D, produciéndose errores en la medición si se cambia el diámetro del orificio.

Figura (b) Disposición de las tomas de presión diferencial en la vena contracta

Tomas en la tubería: están localizadas a una distancia de 2 1/2 D aguas arriba y 8 D aguas abajo de la placa, figura (c) siguiente. Miden la pérdida de presión permanente a través de un orificio. Este tipo de tomas requiere mayor cantidad de tramos rectos de tuberías.

Figura (c) Disposición de las tomas de presión diferencial en la tubería

Diafragmas Segmentados

Se denominan diafragmas segmentados aquéllos cuyo orificio es un segmento circular concéntrico con la tubería. Se emplean habitualmente para la medida de líquidos o gases con impurezas no abrasivas (tales como barros ligeros) normalmente más pesados que el líquido, o de gases excepcionalmente cargados (ver figura 5D).

Tomas de Presión

La presión diferencial generada por la inserción del diafragma en la tubería, se recoge mediante tomas de diversos tipos. El método más corrientemente utilizado es el de tomas realizadas en las , pero son frecuentes también otros tipos de tomas, como en la «vena contracta» o en la tubería.

Tomas en las bridas

Figura - Caída de presión a través de una restricción

El orificio de la toma de presión está practicado en las mismas de sujeción de la placa de orificio, y se realizan para que su eje esté a 1" (25,4 mm) aguas arribas y aguas abajo de la placa, según se indica en la norma ANSI-B 16.36. El diámetro de la toma oscila entre ¼" y ½" (6,35 a 12,7 mm), según la citada norma.

Tomas en la «vena contracta»

Cuando se emplean diafragma estándar siguiendo el método de la «vena contracta»,se realizan las tomas a distancias máximas de D aguas arriba del diafragma (toma de alta presión) y del punto donde existe la más baja presión y donde se sitúa el más pequeño diámetro de la «vena contracta» del fluido (toma de baja presión), que se aproxima bastante a ½D. No pueden utilizarse tomas en «vena contracta» en tuberías inferiores a 4", como consecuencia de la interferencia que se produce entre la brida y la toma aguas abajo.

Tomas en "vena contracta"

Cuando se utilizan tomas en «vena contracta» con diafragmas excéntricos, es preciso disponerlas a 180 ó 90 grados en relación al orificio. En el caso de diafragmas segmentados se deben disponer a 180 grados del orificio.

Tomas en la tubería

Cuando se hacen las tomas en la tubería, éstas se sitúan a 2½D antes del orificio (toma de alta presión) y a 8D aguas abajo la toma de baja presión. Este tipo de tomas se utilizan raramente en la actualidad. Tiene la ventaja de que permiten la instalación de una placa de orificio para medida de caudal donde existan una brida, y reúne además otras características necesarias, como tramos rectos anterior y posterior, etc. El error probable de la medida con este tipo de tomas es aproximadamente un 50% mayor que con tomas en las bridas y en la vena contracta.

Tomas en la tubería

La instalación correcta de todos los medidores de flujo diferenciales, requiere la existencia de tramos rectos de tubería aguas arriba y aguas abajo del medidor con el fin de garantizar un perfil simétrico o uniforme de velocidad antes de la restricción. En la figura siguiente se indican los requerimientos de tubería recta, aguas arriba y aguas abajo del medidor, en función de la configuración de la instalación.

Los transmisores de presión diferencial están disponibles en versión electrónica o neumática y son los caudalímetros comunicantes más ampliamente utilizados hoy en día. El transmisor base puede ser utilizado para medir flujo,  nivel, o variables de presión, lo que hace que sea muy versátil. El transmisor detecta sólo el diferencial de presión a través la restricción fija. Éste no sabe qué tamaño de tubería es, o cuáles pueden ser son las propiedades del fluido. Esto significa que el transmisor de presión diferencial puede ser colocado sobre tubería de cualquier tamaño para medir cualquier proceso fluido (líquido o gas) y sin tener que tener alguna característica o calibración especiales. Se ha calibrado sólo para detectar la presión diferencial esperada. Una presión diferencial de de 100 en W.C. es muy común. Si el transmisor está calibrado para tener una salida de 20-mA a 100 en WC, eso es todo lo necesario.

La clave para hacer funcionar un transmisor de presión para una aplicación dada es la correcta selección e instalación del productor de presión diferencial (la , más frecuentemente). El cálculo del tamaño del orificio es importante. Un diámetro de orificio erróneo no se puede esperar que proporcione una medición precisa del flujo.

Cuando el diámetro del orificio se calcula, hay ciertos límites de lo que puede ser el tamaño del agujero. Usted escuchará el término beta o coeficiente beta usado. Este es sólo la relación de la perforación del orificio al diámetro interno de la tubería.

Además de la instalación de la u otro productor de presión diferencial y el transmisor en sí, también es necesaria la instalación de líneas de detección para conducir la presión al transmisor. Las líneas de detección son frecuentemente tubos de ¼ de pulgada, pero también puede ser una tubería o tubo de ½ pulgada. Qué longitud pueden necesitar estas líneas sensoras variará con la aplicación, pero se deben mantener a una longitud tan corta como sea razonablemente posible. Si el sistema de medición será instalado en el exterior, puede ser necesario proteger las líneas sensores de la congelación en el invierno. Esto se puede hacer ya sea mediante el uso de una cinta de calor envuelta alrededor de la tubería o por suministro de calor llevando líneas de vapor cercanas. Para cualquier aplicación en la que pudieran haber ser sólidos o materia extraña presentes, es conveniente prever que se permita al usuario poder limpiar las líneas de detección según sea necesario. Para aquellos sistemas que se utilizan para medir fluidos calientes tales como vapor de agua, puede ser necesario mantener las líneas de detección llenas de agua u otro líquido para aislar de la alta temperatura del proceso al transmisor y  proteger así el sensor y la electrónica.

Otro elemento en el sistema de presión diferencial es un colector de tres válvulas que se une directamente al  transmisor de presión diferencial mismo, proporcionando una conexión a las líneas de detección. El propósito del colector de tres válvulas es permitir al usuario equilibrar la presión de un lado del orificio con la otra con el propósito de reducir a cero el medidor. Una vez que la reducción a cero está hecha, el medidor está listo para el funcionamiento. Dependiendo de cómo cuán crítica sea la aplicación, algunos usuarios deben volver a colocar el medidor a cero en forma mensual. Otros pueden ignorarlo por largos períodos de tiempo.

En algunas aplicaciones, puede ser deseable apagar el transmisor y aislarlo del proceso sin la necesidad de parar el proceso en sí. (Ver figura c arriba). En ese caso, se recomienda instalar dos válvulas de aislamiento, una en la línea de alta presión y  otra en la línea de baja presión. Si el transmisor debe ser aislado del proceso, todo lo que se necesita hacer es cerrar ambas válvulas. El proceso puede continuar después sin interrupciones.

Si la instalación es exterior, donde la temperatura ambiente puede caer por debajo de cero en el invierno, puede ser necesario proteger las líneas de detección de la congelación. El borde afilado de la placa orificio debe ser mantenido. En algunos transmisores de presión diferencial, cuando se supera el rango, puede ser necesario recalibrarlos para asegurarse de que estén funcionando correctamente.

 

Figura - Requerimientos mínimos de tubería recta para colocar placas orificio

Para el cálculo de placas orificios (diafragmas) se recomiendan como referencia obligatoria las Normas:

  • 5167-1980 Medida del flujo de fluidos por medio de placas-orificio, toberas o tubos Venturi, insertados en conductos de sección circular.
  • International Organization for Standardization, Ginebra, Suiza.
  • ASME 19.5 — Flowmeter Computation Handbook.
  • American Society for Mechanical Engineers, New York, 1971
  • A. P. I. 2530 — Septiembre 1985 para gas natural.
  • Principle and Practice of Flow Meter Engineering. L. K. Spink (1978)
  • Normas AGA-3 y AGA-7 – Gas Measurement Committee Report – American Gas Association, Cleveland, Ohio.

Errores en el sistema de placa de orificio

Durante muchos años, el transmisor de presión diferencial con placa de orificio ha sido el método más frecuentemente utilizado para medir el flujo en las tuberías. A pesar de que en la actualidad hay muchos métodos nuevos, y a menudo mejores medidores de flujo en el mercado, la vieja placa orificio sigue siendo la más utilizada. Debido a que la placa de orificio ha sido ampliamente utilizada  durante tanto tiempo, muchos usuarios de caudalímetros creen que la placa de orificios es siempre correcta y precisa. Muchas placas orificio se instalan y no se controlan nuevamente durante años. Aunque muchas empresas tienen un programa para comprobar la calibración del transmisor de presión con regularidad, es raro revisar la placa de orificio. Sobre esta base, los usuarios están convencidos de que tienen un medidor que es tan preciso como el día en que fue instalado. Esto no es simplemente cierto. A continuación se muestra una lista de algunas de las ventajas de las placas de orificio.

Ventajas

1. El sistema de presión diferencial con placas orificio ha existido por muchos años, es bien entendido por todos, desde el ingeniero de procesos al técnico de instrumento que debe mantenerla.
2. Es muy versátil. Es posible cambiar el diámetro del orificio (dentro de ciertos límites) para cambiar el medidor de rango de caudal. La diferencia de coste para un tamaño de tubo frente a otro es relativamente pequeña. Una presión diferencial de  100 pulgadas W. C. es la misma para cualquier tamaño de tubo.
3. El mismo transmisor puede ser utilizado para la medición de nivel y de medición de presión relativa y flujo.

Desventajas

1. La precisión del sistema es muy dependiente de la forma en que está instalado y mantenido.
2. Son necesarios recorridos largos de tubería recta, lo que limita dónde el medidor puede ser localizado.
3. Los sólidos en una corriente de flujo puede causar que el medidor que se obstruya.
4. Las líneas de detección debe ser protegido de la congelación en invierno, si el medidor está instalado fuera.
5. La precisión se ve afectada por el desgaste y los daños a la restricción.

 

 

 

 


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