Medidor de flujo ultrasónico

7/29/2019 Medidor de flujo ultrasónico

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Simposio de Metrología 2012 8 – 12 de Octubre, 2012

Registro ISBN e ISSN en trámite 1 SM2012-SC1_1427

MEDIDORES DE FLUJO ULTRASÓNICO PARA MEDICIÓN DETRANSFERENCIA DE CUSTODIA

Iván Job Contreras Córdova y José Carmen Pérez FloresFujisan Survey, S.A. de C.V.

Tel. [email protected]

El avance tecnológico y las nuevas generaciones de componentes electrónicos han hechoposible la evolución de sistemas de medición ultrasónica en diferentes áreas, haciendo másconfiable y facilitando diagnósticos, ensayos, pruebas y medición en una amplia gama deaplicaciones en las que destaca la medicina, industria metal mecánica, navegación, etc. Existenen el mercado una gran variedad de medidores en el mercado, desde los más sencillos hastalos más sofisticados utilizando tecnología de punta.

En esta oportunidad describiremos la experiencia que FUJISAN SURVEY ha tenido en lacalibración de sistemas de medición que utilizan medidores de flujo ultrasónico para uno de susmás importantes usos: la trasferencia de custodia.

1. INTRODUCCIÓN

Con la introducción al mercado de losmedidores de flujo ultrasónicos surgió unapolémica al ser comparados con losmedidores tradicionales, la controversiaprincipal se presentó en el comportamientode éstos, básicamente con la repetibilidad enlas pruebas de calibración utilizandocomprobadores de gasto volumétrico(convencionalmente llamados probadores) deigual forma al ser comparados con un

medidor maestro de la misma tecnología estodebido principalmente al principio demedición y el comportamiento natural de losfluidos en tuberías cerradas y bajo presión yaque los medidores de flujo ultrasónicos noresponden de forma similar a los medidoresde flujo tipo mecánico e incluso algunos detipo coriolis.

A diferencia de los medidores mecánicos enlos que el flujo hace rotar partes mecánicaslas que transmiten esta rotación a sistemaselectromagnéticos, ópticos o electrónicos

para entregar una señal en forma de pulsosproporcionales al flujo que está pasando por la tubería los medidores de flujo ultrasónicotrabajan por el principio de transmisión ydetección de señales ultrasónicas.

El sonido es la propagación de energíamecánica (vibraciones) a través de sólidoslíquidos y gases. La facilidad con que viaja elsonido depende, sobre todo, de su frecuencia

y la naturaleza del medio. Fluidos diferentespresentan diferentes impedancias acústicas,frecuencias mayores al rango audible (16 000a 20 000 ciclos/segundo) es conocido comoUltrasonido, el cual se propaga a través dela mayoría de medios sólidos y líquidos,considerados como medios elásticos.

A frecuencias mayores a 100 000ciclos/segundo y gracias a su energía elsonido forma un haz similar a la luz, por loque puede ser utilizado para rastrear el

volumen de un material. Un haz ultrasónicocumple con algunas de las reglas físicas deóptica por lo que puede ser reflejado,refractado, difractado y absorbido.

2. ¿CÓMO FUNCIONA LA MEDICIÓNDE FLUJO ULTRASÓNICO EN LATRANSFERENCIA DE CUSTODIA?

Los medidores para transferencia de custodiade tipo ultrasónico se basan en el método deltránsito-tiempo. Dos Transductores,construidos en lados opuestos de la tubería,

envían y reciben señales acústicas a travésdel flujo en dos direcciones opuestas. Unaseñal es enviada aguas abajo del flujo y unaes enviada aguas arriba, ambos a lo largo dela misma trayectoria. Una onda acústica viajamás rápidamente a favor del flujo que una encontra del flujo. La diferencia entre ambostiempos de tránsito de los flujos esproporcional a la velocidad media del fluido.





cosvc

t t

p

AB

(1)

cos

vc

t t

p

BA

(2)

Donde:

tp = es la longitud de la trayectoria

c = es la velocidad del sonido

v = es la velocidad promedio

= es el ángulo de la trayectoria

t AB, tBA son los tiempo de tránsito de lostransmisores de los pulsos acústicos.

Sustituyendo la ecuación 2 en 1:

BA AB

it t

lpv

11

cos2 (3)

De manera similar, la velocidad del sonidopuede ser obtenida de la suma de lasecuaciones 1 y 2

BA AB t t

lpc

11

2(4)

En medidores de multi-trayectoria, lavelocidad de las mediciones de lastrayectorias individuales es combinada por lafunción matemática que proporciona unestimado de la velocidad promedio:

n...vv f v1

(5)

Donde n es el número total de trayectorias.Debido a variaciones en la configuración dela trayectoria y las diferentes patentes seaproximan para resolver la ecuación 5,incluso para un dado número de trayectorias,esta expresión puede cambiar.

Para obtener el gasto, qv, se multiplica elestimado de la velocidad promedio, v, por elárea sección transversal de la sección demedición, A, como sigue:

AvqV (6)

3. COMPONENTES PRINCIPALES DEUN MEDIDOR DE FLUJO ULTRASÓNICO.

Fig. 1. Principales componentes del medidor de flujo ultrasónico

Transductores acústicos: Elementostransductores de tipo piezoeléctrico máscomúnmente utilizado contenido dentro deltransductor, este elemento transforma laenergía eléctrica en energía ultrasónica(mecánica en forma de vibración), estemismo elemento recibe la energía ultrasónicay la transforma en energía eléctrica.

UPS: Unidad procesadora de señal: Sistemaelectrónico, que incluye fuentes de poder,microcomputadores, componentesprocesadores de señal y circuitos excitadores

para los transductores ultrasónicos acústicos,pueden estar alojados local o remotamenteen una o varias cajas de conexiones. (FuenteMPMS 5.8)

UPS Señal de salida (pulsos por unidadde volumen)

Transductores







que el MFU y su cableado estén cercade cables o equipos eléctricos quepuedan inducir ruido electromagnético alas señales de bajo nivel que generanestos. Todas las partes expuestas,conectores, forros de cables deben ser resistentes a los rayos ultravioleta,aceite y grasa.

h. La protección catódica y sistemas detierra que no estén bien diseñadospueden ser fuentes potenciales deinterferencia con las señales del MFU.(Fuente MPMS 5.8)

4. PARTICULARIDADES DE LA MEDICIÓNDE FLUJO UTILIZANDO TECNOLOGÍAULTRASÓNICA.

La experiencia obtenida en la calibración demedidores de flujo ultrasónico para los queestábamos acostumbrados a calibrar medidores de flujo mecánicos nos ha dejadoabierta la posibilidad de aceptar nuevastecnologías en la medición de flujo paratrasferencia de custodia.

Durante el desarrollo de esta actividadhemos encontrado medidores de diversasmarcas, formas y muy variadas instalaciones,desde los patines bien acondicionados

prefabricados e instalados con todas lasrecomendaciones normativas y del fabricantehasta los instalados en líneas existentes yaquellos que remplazaron a los anterioresbuscando mejorar la medición.

Como con cualquier otro medidor de flujo lacalibración realizada en laboratorio no essuficiente, por lo que se requiere realizar pruebas en sitio. Como mencionamosanteriormente la instalación de los MFU enalgunos casos no se aproximaba en lomínimo a las instalaciones del laboratorio en

que fue calibrado, de igual manera es difícilreproducir o utilizar el mismo producto quemedirán los MFU en campo y lo máscomplejo: reproducir las condicionesambientales y de localización geográfica enque se instalaron estos (ej. Altitud, humedadrelativa, temperatura ambiente, temperaturadel fluido, presión atmosférica, presión delproceso, densidad y viscosidad del fluido a

ser medido). Práctica aplicable a cualquier otro tipo de medidor de flujo.

Durante las primeras calibracionesencontramos que la repetibilidad para 5corridas consecutivas superaba el límite de

0.05 % (±

0.025 %) que nos entregaría unmedidor convencional utilizado para lamedición de transferencia de custodia, queestábamos acostumbrados a calibrar. Inclusoutilizando probadores de tubería(bidireccionales) que se usan para calibrar turbinas de medición y medidores dedesplazamiento positivo.

Teniendo como base las normas emitidaspara la utilización de medidores de pequeñosvolúmenes y operación de probadores APIMPMS 4.3 y 4.8, respectivamente, y el apoyo

de algunos fabricantes de medidores de flujoultrasónico Fujisan Survey desarrolló unmétodo para evaluar la repetibilidad de losMFU cuando son calibrados con probadoresde pequeño volumen ya que los probadoresbidireccionales con el suficiente volumen ydistancias antes de los detectores de esferaque se consideran en el método 2 del MPMS4.3, apéndice B, apartado B.3 así como en elMPMS 5.8 medición de hidrocarburoslíquidos por un medidor de flujo ultrasónicosegunda edición 2011, anexo B (verificacióny validación de desempeño de medidores)pueden llegar a ser 2 o 3 veces más largosque los utilizados para otros tipos demedidores como turbinas.

Este mismo manual MPMS 5.8 anexo Bmenciona que para la utilización deprobadores de pequeños volúmenes serequiere hacer muchas corridas o pasadas,por lo que se debe tener cuidado con laselección y utilización de probadores devolumen pequeño.

Para este caso el API MPMS Cap. 4.3apéndice B, recomienda aplicar el criterio deagrupar más de una pasada para integrar una corrida ya sea con promedio oacumulación de pulsos. Las corridasintegradas por este criterio deben cumplir conla repetibilidad recomendada en las tablas A-1 y A-2 de MPMS Cap. 4.8 según sea laincertidumbre requerida de 0.027% ó0.073%, respectivamente.







[3] BSI Standards. Measurement of fluid flowin closed conduits – Ultrasonic meters for gas. Part 1: Meters for custody transfer andallocation measurement. 2010-11-15

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