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El mtodo ms ampliamente utilizado para la medida industrial de caudales es el que se realiza a partir de la presin diferencial. Existen varios tipos de elementos de medida basados en este principio, como son: placas de orificio con diversas formas, tubos Venturi, toberas, tubos Pitot, tubos Annubar, etc., aunque dentro de ellos los ms utilizados son las placas de orificio. A su vez, dentro del grupo de placas de orificio, la ms utilizada es la concntrica con aristas vivas, como la que aparece en la Figura, montada entre las bridas correspondientes.

A partir de ahora solo vamos a ver, a modo de ejemplo y de forma simplificada, el comportamiento de una placa de orificio como elemento primario de medida. A veces se conoce con el nombre de diafragma. Este elemento primario es una restriccin al paso de fluido que hace aumentar la velocidad disminuyendo al mismo tiempo la pre-sin, de tal forma que la suma de energa potencial, energa cintica y energa interna permanece constante.

Para el clculo de placas de orificio hay que tener en cuenta una serie de conceptos, entre los cuales los ms importantes son:

Nmero de Reynolds. El comportamiento dinmico de los fluidos depende de las magnitudes relativas de inercia y friccin. Las fuerzas de friccin son dominantes en corrientes de baja velocidad y tienden a producir flujo laminar. Las fuerzas inerciales son grandes cuando la velocidad es alta, tendiendo a producir flujo turbulento. El nmero de Reynolds es un parmetro adimensional formado por la relacin entre inercia y viscosidad, expresado como:

La magnitud de este parmetro indica si el flujo puede ser laminar o turbulento. Valores inferiores a 2000 son caractersticos de flujo laminar, mientras que valores superiores a 4000 describen flujos turbulentos. Entre estos dos puntos es difcil definir las condiciones del fluido. El flujo turbulento es ms comn que el laminar y por tanto ms importante.Relacin Beta. Beta es la relacin entre el dimetro del orificio de restriccin o medida y el dimetro interior de la tubera. Valores bajos de P hacen que aumente la diferencia de presin, reduciendo la capacidad del medidor.

Coeficiente de descarga. Ningn elemento primario sigue exactamente la ecuacin de Bernouilli. El coeficiente de descarga C, relaciona los caudales terico y real y se obtiene empricamente en funcin de la relacin |3 y del nmero de Reynolds. Recuperacin de presin. La presin disminuye al pasar por el orificio de restriccin y se eleva aguas abajo. Este fenmeno es consecuencia de la conversin de energa potencial en cintica. Parte de la energa se disipa en la turbulencia, por lo que una parte de la cada de presin no se recupera. Factor de expansin. Para fluidos compresibles se utiliza en el clculo de elementos primarios el factor de expansin e. Este factor tiene en cuenta el cambio en la energa interna de un fluido que acompaa a las variaciones en trminos de energas cintica y potencial. Para lquidos el factor de expansin vale uno.A) Determinacin de la ecuacin de clculo de caudal con placa de orificioVamos a considerar una tubera que contiene una placa de orificio cuya seccin de paso obviamente es menor que la correspondiente a la tubera, tal como indica la Figura.

El clculo se basa en la aplicacin del teorema de Bernouilli en una tubera horizontal, segn el cual, la suma de altura cintica + altura debida a la presin + altura potencial es constante. En este desarrollo solo se van a tener en cuenta los valores y coeficientes ms importantes, puesto que no se trata de un procedimiento de clculo exhaustivo.Siendo d el dimetro del orificio en metros y D el de la tubera en metros, se tiene la relacin p=d/D, o tambin p2 = d2/D2 = S2/S1, es decir, la relacin entre las secciones correspondientes al orificio (S2) y la tubera (S1).Si llamamos P1 y P2 a las presiones absolutas en Kg/cm2 antes y despus del orificio respectivamente y aplicamos el teorema de Bernouilli a las dos secciones S1 y S2 se tiene, despreciando las prdidas y sabiendo que la altura potencial es la misma en ambas secciones:

agrupando trminos:

Como se sabe, el caudal es: Q = S * Y por tanto, V = Q / S. De esta forma:

Las secciones, tanto de la tubera como del orificio de restriccin son constantes. Como consecuencia se llega a la ecuacin genrica del caudal en funcin de la presin diferencial.

Las ecuaciones tericas anteriores se convierten en la ecuacin general para clculo de caudales siguiente, de acuerdo a la Norma ISO 5167:

o lo que es igual:

siendo: QM = Caudal, en Kg/segC = Coeficiente de descarga, sin dimensionesE = Coeficiente de velocidad de acercamiento, sin dimensionese = Coeficiente de expansin, sin dimensionesd = Dimetro del orificio, en metrosg = Aceleracin de la gravedad, en m/seg2h = Presin diferencial, en kg/m2

A partir de estos datos hemos de tener en cuenta las siguientes consideraciones para hacer las unidades coherentes: Al pasar QM a kg/h hay que multiplicar el segundo trmino de la ecuacin por 3600. Sabiendo que |32 (beta) = d2 / D2, para expresar ambos dimetros en mm hay que multiplicar el segundo trmino de la ecuacin por 10-6, por estar elevados al cuadrado. La presin diferencial h en kg/m2 es igual que en mm C A.Segn estas conversiones, el coeficiente a aplicar a la ecuacin anterior es:

quedando la ecuacin general para clculo de caudal en masa como:

Si el clculo se quiere en unidades de volumen, basta con dividir la ecuacin anterior entre la densidad utilizada como base, normalmente densidad a 15 C. Por tanto:

Los coeficientes de descarga, expansin y velocidad de acercamiento se calculan para cada tipo de medidor, como: Placa de orificio de arista viva, de cuarto de crculo y con entrada cnica. Placa de orificio con tomas de presin a D y D/2 2 '/2 D y 8 D. Toberas ISA 1932 y de radio largo. Tubos Venturi. Placas de orificio con tomas de presin crner appings. Orificios de restriccin.Dado que el objeto de este captulo no es el de desarrollar completamente los clculos para la medida de caudal, no se incluyen los coeficientes anteriores, los cuales pueden ser obtenidos de la Norma ISO 5167 y del libro Flow Measurement Engineering Handbook de Miller.

La tabla siguiente muestra las principales ventajas y limitaciones que tienen estos tipos de medidores de caudal por placa de orificio:

VentajasLimitaciones

No tienen componentes mviles.Utilizable solo para rangos de caudal 4 : 1

Se dispone de un amplio margen de rangos y tamaos.Relacin cuadrtica entre presin diferencial y caudal.

Aptos para la mayora de gases y lquidos.Relativamente baja exactitud.

Ampliamente establecido y aceptado.Prdida de presin no recuperable.

No necesita calibracin del elemento.La viscosidad afecta al rango de caudal.

Simplicidad.La instalacin puede llegar a ser costosa.

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Technical Documents - Documentos Tcnicos: Medidores de flujo diferenciales. Placas de orificio

Medidores de flujo diferencialesLos medidores de flujo de tipo diferenciales son los ms comnmente 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 presin diferencial por medio de una obstruccin al flujo. El principio de operacin se basa en medir la cada de presin que se produce a travs de una restriccin que se coloca en la lnea de un fluido en movimiento, esta cada de presin es proporcional al flujo. La proporcionalidad es una relacin de raz cuadrada, en la cual el flujo es proporcional a la raz cuadrada del diferencial de presin. Esta relacin hace que la medicin de flujos menores del 30% del flujo mximo, no sea prctica debido a la prdida de precisin.Los medidores de flujo de tipo diferencial generalmente estn constituidos por dos componentes: el elemento primario y el elemento secundario. El elemento primario es el dispositivo que se coloca en la tubera para obstruir el flujo y generar una cada de presin. El elemento secundario mide la cada de presin y proporciona una indicacin o seal de transmisin a un sistema de indicacin o control. El elemento primario se calcula y se selecciona de acuerdo al fluido y las caractersticas del proceso. Se han desarrollado ecuaciones que toman en cuenta casi todos los factores que afectan la medicin de flujo a travs de una restriccin. La ecuacin bsica a partir de la cual fueron desarrolladas estas ecuaciones, es la ecuacin de Bernoulli.Los diafragmas de orificio concntrico o placas de orificio pueden utilizarse para todo caudal permanente de fluido limpio y homogneo (lquido, gas o vapor) en el campo de caudales turbulentos normales para los cules el nmero 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, nquel, Hastelloy, se utilizan cuando se necesita prevenir la corrosin o contaminacin. Dos tomas de presin colocadas antes y despus de la placa, captan la presin diferencial producida por la placa de orificio. Se han establecido coeficientes para tuberas desde 1" (40 mm) a 14" (350 mm) y nmeros de Reynolds desde 5.000 a 10.000.000. Con el fin de obtener una buena medida del caudal, la construccin 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 mecnicos 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 dimetro interior de la tubera (D) 1/8 del dimetro del orificio (d) 1/4 del valor (D - d) / 2

Estas son las condiciones mnimas. Cuando el espesor real del diafragma deba sobrepasar este mnimo, la arista posterior puede ser achaflanada con un ngulo 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 bridas y debe ser completamente plana, con una tolerancia de 0,01 mm.- La relacin de dimetros del orificio y la tubera d/D, habitualmente denominada relacin de apertura , debe estar comprendida, para una medida correcta, entre 0,2 y 0,7. En tuberas grandes (de 4" en adelante), la podra estar comprendida entre 0,1 y 0,75 aunque no es recomendable llegar a estos extremos. Adems, con este tipo de diafragma no se debe medir en tuberas de dimetro inferior a 1" (40 mm), ya que la rugosidad de las paredes interiores puede modificar significativamente los coeficientes caractersticos.El orificio de la placa puede ser de tres tipos, figura siguiente: concntrico, excntrico y segmental. Las placas de orificio de tipo excntrico y segmental se utilizan principalmente en aplicaciones de fluidos que contienen materiales en suspensin o condensado de vapor. Las placas de orificio de tipo concntrico se recomiendan para aplicaciones de lquidos limpios, de baja viscosidad; para la mayora de los gases; y vapor a baja velocidad.

Diagramas excntricos ( figuras 5A, 5B, 5C y 5D )Los Diafragmas Excntricos son aquellos cuyo orificio est practicado de tal forma que al colocar la placa entre las bridas, quedan en la parte superior o inferior de la tubera. Si se miden fluidos que contengan partculas slidas en suspensin, el orificio se sita en la parte inferior (figura 5C),de esta forma, las partculas slidas que se depositan en la tubera son arrastradas por el fluido en lugar de ir formando depsitos a ambos lados del diafragma. Por otra parte, si se trata de medir lquidos que contengan gases o vapores, el orificio se colocar en las parte superior para que pasen los gases que tendern a circular por arriba (figura 5B). Al medir caudales de aire o vapor donde se pueden producir pequeas condensaciones, se realiza un pequeo orificio de drenaje en la parte inferior de los diafragmas concntricos, por donde se evacua el condensado sin que la precisin de la medida sea afectada. Generalmente no es necesario utilizar diafragmas excntricos para la medida de la mayor parte de los gases. Se puede realizar as mismo un orificio similar en la parte superior de los diafragmas concntricos, utilizados en la medida de lquidos, con el fin de facilitar el paso de las pequeas burbujas de gas habitualmente creadas por el movimiento del los lquidos.La disposicin de las tomas de presin puede verse en la figura siguiente (a), (b) y (c). Los tipos de tomas de presin comnmente ms utilizados son:- Tomas sobre la brida: es el tipo ms comnmente utilizado, figura (a). En este caso las tomas estn taladradas sobre las bridas que soportan la placa y estn situadas a una distancia de 1 pulgada de la misma. Este tipo de tomas no se recomienda para dimetros de tubera 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) Disposicin de las tomas de presin diferencial con tomas en la brida- Tomas en la vena contracta: localizados a una distancia de 1 D (D = dimetro nominal de la tubera) 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 vara con la relacin de dimetros d/D, producindose errores en la medicin si se cambia el dimetro del orificio.

Figura (b) Disposicin de las tomas de presin diferencial en la vena contractaTomas en la tubera: estn localizadas a una distancia de 2 1/2 D aguas arriba y 8 D aguas abajo de la placa, figura (c) siguiente. Miden la prdida de presin permanente a travs de un orificio. Este tipo de tomas requiere mayor cantidad de tramos rectos de tuberas.

Figura (c) Disposicin de las tomas de presin diferencial en la tuberaDiafragmas Segmentados Se denominan diafragmas segmentados aqullos cuyo orificio es un segmento circular concntrico con la tubera. Se emplean habitualmente para la medida de lquidos o gases con impurezas no abrasivas (tales como barros ligeros) normalmente ms pesados que el lquido, o de gases excepcionalmente cargados (ver figura 5D).Tomas de PresinLa presin diferencial generada por la insercin del diafragma en la tubera, se recoge mediante tomas de diversos tipos. El mtodo ms corrientemente utilizado es el de tomas realizadas en las bridas, pero son frecuentes tambin otros tipos de tomas, como en la vena contracta o en la tubera. Tomas en las bridas

Figura - Cada de presin a travs de una restriccinEl orificio de la toma de presin est practicado en las misma bridas de sujecin de la placa de orificio, y se realizan para que su eje est a 1" (25,4 mm) aguas arribas y aguas abajo de la placa, segn se indica en la norma ANSI-B 16.36. El dimetro de la toma oscila entre " y " (6,35 a 12,7 mm), segn la citada norma.

Tomas en la vena contractaCuando se emplean diafragma estndar siguiendo el mtodo de la vena contracta,se realizan las tomas a distancias mximas de D aguas arriba del diafragma (toma de alta presin) y del punto donde existe la ms baja presin y donde se sita el ms pequeo dimetro de la vena contracta del fluido (toma de baja presin), que se aproxima bastante a D. No pueden utilizarse tomas en vena contracta en tuberas 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 excntricos, es preciso disponerlas a 180 90 grados en relacin al orificio. En el caso de diafragmas segmentados se deben disponer a 180 grados del orificio. Tomas en la Tubera Cuando se hacen las tomas en la tubera, stas se sitan a 2D antes del orificio (toma de alta presin) y a 8D aguas abajo la toma de baja presin. Este tipo de tomas se utilizan raramente en la actualidad. Tiene la ventaja de que permiten la instalacin de una placa de orificio para medida de caudal donde existan una brida, y rene adems otras caractersticas 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 tuberaLa instalacin correcta de todos los medidores de flujo diferenciales, requiere la existencia de tramos rectos de tubera aguas arriba y aguas abajo del medidor con el fin de garantizar un perfil simtrico o uniforme de velocidad antes de la restriccin. En la figura siguiente se indican los requerimientos de tubera recta, aguas arriba y aguas abajo del medidor, en funcin de la configuracin de la instalacin.

Figura - Requerimientos mnimos de tubera recta para colocar placas orificioPara el clculo 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 seccin 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.

Bajar informacin complementaria : Medicin de caudal. Medidores volumtricos. Medidores de caudal msico. Instrumentos de presin diferencial. Placa orificio. Tobera. Tubo Venturi. Tubo Pitot. Tubo annubar. Instrumentos de rea variable. Rotmetro. De velocidad. Vertederos. Caudalmetro ultrasnico. Placa de impacto. Medidores de tensin inducida. Caudalmetro magntico. Medidores de desplazamiento positivo. Caudalmetro de pistn oscilante. Caudalmetro de pistn alternativo. Caudalmetro rotativo. Caudalmetro de paredes deformables. Caudalmetro de Torbellino y Vrtex. Caudalmetro oscilante. Caudalmetro de Coriolis.

(Imprimir - Download) Baja este contenido en un solo documento PDF, sin publicidad, con capacidades de impresin y bsquedas a tu PC: (pdf : 3.81MB - 96 pginas) Instrumentacin industrial. Introduccin. Qu es instrumentacin industrial. Clasificacin de instrumentos industriales. Caractersticas de los instrumentos. El sensor o captor. Tcnicas de control. Perturbaciones o ruidos en el proceso. Control retroalimentado (feed back). Control anticipado (feed forward). Control en cascada. Control de relacin. Medidas de presin. Conceptos de presin. Unidades. Elementos primarios de medicin de presin. Tubo de Bourdon. Transmisores electrnicos de equilibrio de fuerzas. Resistivos. Magnticos. Capacitivos. Extensiomtricos. Piezoelctricos. Elementos electrnicos de vaco. Mecnicos. Medidor de McLeod. Trmicos. De ionizacin. Presstato. Manmetro helicoidal. Manmetro espiral. Manmetro de fuelle. Manmetro de diafragma. Regulador de presin. Manmetro de aire libre. Manmetro de aire comprimido. Tubo de Pitot. Fsica de slidos y fluidos. Concepto de presin y Principio de Pascal Factores de conversin para unidades de presin. Instrumentos para medicin de la presin. Columnas de lquidos. Manmetro de pozo. Manmetro de tubo inclinado. Strain Gages o Extensmetros. Transductores Resistivos, capacitivos, magnticos, piezoelctricos. Puente de Wheatstone. Transmisor de presin. Principio de Arqumedes. Medida de caudal. Medidores diferenciales, de desplazamiento positivo. De rea variable, volumtricos. Medidores de flujo msico. Tipos de transductores. Orificios integrales. Medidor de flujo tipo turbina. Medidor de flujo tipo electromagntico. Medidor ultrasnico. Medidores de desplazamiento positivo. Medidor de disco oscilante. Medidor de pistn alternativo o convencional. Medidor bi-rotor. Medidores ovales. Rotmetros o medidores de rea variable. Ecuacin de Bernoulli. Tobera. Medidores de flujo diferenciales. Placa orificio. Disposicin de las tomas de presin. Tomas de vena contracta. Tubo Venturi. Venturi de insercin. Tubos de Pitot. Medidor de impacto Target. Sociedad Americana de Instrumentos. Normas. Definiciones. Simbologa de los instrumentos. Smbolos generales. Smbolos para vlvulas de control. Smbolos para actuadores. Autorreguladores. Ejemplos de sistemas varios, grficos de instrumental. Identificacin de instrumentos. Seales (analgica, discreta, elctrica, neumtica, seal Hart, etc.). Transmisin de la seal. Unidad terminal remota (RTU). Unidad lgica y procesamiento. Letras de identificacin.

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