INSTRUMENTACIÓN PARA LA MEDICIÓN DEL CAUDAL Instrumentación para la medición de caudal ETSEIB 17/12/10 - Instrumentació i mesura de fluids ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids INSTRUMENTACIÓN PARA LA MEDICIÓN DEL CAUDAL Objetivo: - Obtener una visión general de las diferentes tecnologías para medir el caudal (actuales, innovadoras) - Conocer ventajas y desventajas de cada una de estas tecnologías - Ver algunas aplicaciones Presenta: Carlos Lana Linati Ingeniero Industrial ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids INSTRUMENTACIÓN PARA LA MEDICIÓN DEL CAUDAL • Caudalímetros para tuberías llenas • Caudalímetros electromagnéticos: en línea / inserción • Caudalímetros ultrasónicos: no invasivos / invasivos • Caudalímetros mecánicos: desplazamiento positivo, turbinas • Caudalímetros másicos por coriolis • Otras tecnologías: vórtex, dispersión térmica, placa orifcio, etc. • Caudalímetros para tuberías semillenas y canales abiertos • Ultrasonidos-Doppler (CW) • Ultrasonidos por Correlación (Escáner) • Tiempo de tránsito • Otras tecnologías: canales parshall, vertederos normalizados, etc. ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros - Introducción La medición directa de caudal volumétrico se realiza calculando el tiempo que tardamos en llenar un volumen conocido. 100 50 0 El caudal también es el volumen que fluye a través de un área conocida por unidad de tiempo. Ej. caudalímetros de ruedas ovaladas Q= Q = vmedia * A [m3 /s] volumen v = tiempo t Medición de caudal indirecto Otras tecnologías permiten calcular el caudal Q midiendo la velocidad media y la sección mojada A. ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros - Introducción • Métodos indirectos usando la velocidad media La velocidad en un canal abierto no está uniformemente distribuida. Para calcular el caudal Q utilizamos la velocidad media multiplicándola por el área mojada. v vn v2 Para calcular el área mojada debemos de conocer exactamente la geometría del canal y la altura de la lámina. vL También deberemos saber si existen depósitos asentados en el canal. v1 v Suelo del canal Q= v A v = velocidad media A = area mojada ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros - Introducción Velocidades de caudal bajas dan lugar a flujos laminares. Esto se representa mediante un caudal estratificado donde las “capas” de agua no se mezclan unas con otras. Debido a la rugosidad, la velocidad del caudal en las paredes es 0. En tuberías llenas la velocidad máxima se encuentra en el medio de la tubería. ? El flujo transitorio es la mezcla entre flujos laminares y turbulentos. Este estado se caracteriza por tener un perfil de velocidades inestable y cambiante. El aumento de la velocidad del caudal conduce a flujos turbulentos. Cuando el flujo es turbulento las diferentes capas de agua se mezclan. La rugosidad de las paredes tienen poca influencia y el perfil de velocidades es uniforme. El número de Reynolds nos ayudará a saber en que condiciones nos encontramos (Re = v • d / cinematic viscosity). El número de Reynolsd crítico para líquidos está alrededor de 2300. Por encima de este valor las condicones son turbulentas. ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros - Introducción 1. Perfil de velocidades (sección) de una tubería ideal sin rugosidad: 2. Perfil de velocidades (sección) de una tubería con la rugosidad usual del hormigón : V middle ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids V middle V middle Caudalímetros - Introducción Forma del perfil de velocidad (sección transversal) de una tuberías con rugosidad „normal“ variando la altura y aumentando la velocidad Nivel hpart<< 1/3 DN DN vorticity only, no flow profile shaping NIvel hpart< 1/3 DN whirl band going down, increasing flow profile shaping Nivel hpart> 1/3 minimum whirl band, good flow profile shaping Forma del perfil de velocidad (sección transversal) Con el mismo nivel de agua variando la rugosida Nivel hpart < 1/3 DN poca rugosidad strong flow profile shaping, small whirl band ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids rugosidad media low flow profile shaping, medium whirl band rugosidad alta almost no flow profile shaping, broad whirl band Caudalímetros - Introducción ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros - Introducción Perfiles de Caudal Caudal después de un codo de 90º ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros - Introducción ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros - Introducción • Al final este caudal en la mente de nuestros clientes es: • • • • Dinero / unidad tiempo Energía / unidad tiempo Recursos / unidad tiempo Eficiencia ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros - Introducción Preguntas fundamentales para definir un caudalímetro: - rango de caudal - fluido a medir - geometría aplicación (diámetro de la tubería, forma y tamaño del colector o canal - tramos rectos - exactitud requerida - presión - temperatura - zona segura / zona peligrosa - comunicación: 4-20 mA, buses de comunicación, etc. ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros tuberías llenas • • • • • Caudalímetros electromagnéticos: en línea / inserción Caudalímetros ultrasónicos: no invasivos / invasivos Caudalímetros másicos por Coriolis Caudalímetros vórtex Caudalímetros mecánicos: desplazamiento positivo, turbinas – Principio de funcionamiento – Ventajas / Desventajas – Aplicaciones ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros electromagnéticos ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros electromagnéticos - Principio de medición • La ley de Faraday de inducción es la base de la medición de los caudalímetros electromagnéticos • ”Cuando un conductor se mueve dentro de un campo magnético se genera un voltaje en este conductor “ • e=KxBxLxV • • • • B es la fuerza del campo magnético (inducción), mantenida constante por la construcción, L es la longitud del conductor (distancia entre electrodos), K es una constante de escala (depende de la sección del sensor). El voltaje inducido “e” en este punto, es proporcional la la velocidad V y por lo tanto al caudal Q. • Q = cost. x e ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros electromagnéticos - Principio de medición ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros electromagnéticos ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros electromagnéticos - general • Diámetro: DN3 … DN2000 / DN8000 (inserción) • Exactitud: +/- 0,2 % v.m. o +/- 4% v.m. (típicos) • Material cuerpo: Acero al carbono (pintado RAL6028); AISI304 o AISI316 opcional • Recubrimiento interno: Polipropileno; PTFE; Ebonita • Electrodos: AISI316L; Hastelloy; Tántalo; Platino; (2 o 3) • Conexión : Brida (UNI, DIN, ANSI, etc.) • Presión: PN10, PN16, PN40, etc. • Versión: • Protección: compacta; separada IP67 / IP68 ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros electromagnéticos - innovaciones • Caudalímetros electromagnéticos a baterías + GPRS • no requieren alimentación externa (ej. no requieren placas solares) • vida baterías entre 3-10 años • comunicación vía GPRS: la información se envía vía email a una cuenta de correo electrónico (.csv) ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros electromagnéticos - Ventajas • • • • No partes móviles = muy bajo mantenimiento No se necesita filtro a la entrada (líquidos sucios) No hay pérdida de carga Medición bidireccional ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros electromagnéticos - Ventajas • Gran exactitud: típicamente 0,2% o 0,4% del valor medido • Gran variedad de tamaños: típicamente DN3 hasta DN2000 en línea y hasta DN8000 en inserción • En los caudalímetros en línea necesidad de pocos tramos rectos (típicamente 3D aguas arriba y 2D aguas abajo) ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros electromagnéticos - Desventajas • Se necesita cortar la tubería para su instalación • En tamaños grandes >DN400 empiezan a ser difíciles de manejar a nivel de instalación. • Se requiere de muchos tamaños diferentes para las diferentes aplicaciones en f(caudal), stocks caro: DN3,DN20,DN150,DN500, etc….. ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros magnéticos - aplicaciones Detección de fugas de agua Es uno de los problemas más debatidos en la actualidad, representa sin duda alguna, una de las aplicaciones más adecuada para los caudalímetros electromagnéticos alimentados con baterías. ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros magnéticos - aplicaciones Fugas de agua Estos 4 componentes ayudan a la gestión real de las fugas ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros magnéticos - aplicaciones Fugas de agua Índice de crecimiento natural de las fugas ocultas ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros magnéticos - aplicaciones Sectorización: detección de fugas ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros magnéticos - aplicaciones Estaciones de bombeo ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros magnéticos - aplicaciones Regadío: caudalímetros de inserción ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros ultrasónicos no invasivos ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us – Principio de medición • Tiempo de vuelo o tiempo de tránsito d 1 señal en la dirección del caudal 2 señal en contra del caudal 3 diferencia de tiempos ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us – Características generales Tipo M2N Tipo Q3N Tipo de transductorr 100 6500 max M 50 25 400 Q 10 1000 10 100 = rango diámetro recomendado = posible rango de diámetros S 5 0 200 400 600 800 Tamaño tubería mm ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids 1000 1200 1400 1600 Caudalímetros us – Características generales • Diámetro: DN6 … DN6500 • Exactitud: +/- 1,2 % v.m. (0,5% v.m en condiciones calibración) • Rango velocidades: 1 cm/s hasta 35 m/s • • • • Acero inox clamp-on (abrazaderas) portátil / fija IP65 / IP68 Material sensores: Conexión : Versión: Protección: ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us – Características generales • • • • • • ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Fluxus F/G601: Caudalímetro portátil 2 canales (estándar) Tuberías 10-6.500 mm Datalogger Programación muy fácil y rápida Caudalímetros us – Características generales • • • • • ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Fluxus F/G7407: Caudalímetros fijos Montaje pared o rack 1 o 2 canales Zona segura Caudalímetros us – Características generales • Fluxus F/G800: • Caudalímetros fijos para zonas peligrosas ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us no invasivos - ventajas · · · · Independència del medio y la presión Muy fácil instalación Cambios en la instalación muy sencillos No altera el flujo y no hay riesgos de fugas · Rango dinámico > 1 : 2000 (1 cm/s > 20 m/s) ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us no invasivos - ventajas · No interrumpimos el proceso para realizar la instalación y/o mantenimiento · Con sólo 2 modelos de sensores cubrimos toda la gama de tuberías (stock/repuestos) · Gran ahorro en tuberías de gran diámetro · Medición en 2 tuberías al mismo tiempo ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us no invasivos - deventajas · Tramos rectos requeridos: típicamente 10D aguas arriba y 5 aguas abajo, dependiendo de la alteración del flujo · Precio para diámetros pequeños (>DN300) · No es posible medir en tuberías de hormigón (única excepción) ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones Verificación de caudal: - bombas - válvulas - caudalímetros - dimensionados Canal Isabel II ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids • Foto: • DN1400 • Tubería ac. Carbono • Agua residual Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones Medición de caudal: - Desaladoras - Irrigación - Aguas residuales - Aguas potables •DN400 • Tubería fibra de vidrio • Agua salada Desaladora Tordera UTE FCC Pridesa Cadagua ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones Entrada Depuradora de Olot: DN800 ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones Entrada depuradora Tarragona - Aqualia ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones • DN1400 a DN2600 • Tuberías de fibra vidrio y acero carbono • Agua de regadío Aguas del Duero Corsan Corviám Obra de regadío en Payuelos Se instalan 25 caudalímetros ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones Distillation/Fraction Cracking/Conversion Refinery Diagram Aplicaciones que buscamos ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones Coker feed: traceado térmico intacto ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Medición en Termosolares ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Medición en termosolares ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us no invasivos - aplicaciones Estaciones bombeo Sorea – DN800 Hidroeléctrica – Iberdrola - Endesa DN1000-DN6000 Enagas – agua de mar para refrigeración Navantia – verificación circuitos en submarinos y barcos ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros ultrasónicos invasivos ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros ultrasónicos invasivos ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros ultrasónicos invasivos ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids screw-in sensor plug-in sensor for pipe installation from outside for pipe installation from inside Caudalímetros us invasivos – características generales • Diámetro: DN200 … DN12000 • Exactitud: +/- 0,5 % v.m. (en función del número de haces y de las condiciones hidráulicas) • Rango de velocidades: 0,1 a 20 m/s • Material sensores: Acero inox • Conexión : roscada • Protección: IP68 • Hasta 8 pares de sensores (8 haces) en una tubería ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us invasivos – Ventajas · Podemos colocar haces ultrasónicos que no pasen por el centro de la tubería. Interesante cuando no tenemos tramos rectos suficientes · Con sólo 2 modelos de sensores cubrimos toda la gama de tuberías (stock/repuestos) · Gran ahorro en tuberías de gran diámetro ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros us invasivos – Desventajas · Es necesario mecanizar la tubería · Les afecta la presión y la abrasión · Tramos rectos requeridos: típicamente 10D aguas arriba y 5 aguas abajo, dependiendo de la alteración del flujo · La alineación de los sensores es crítica ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros másicos coriolis ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros másicos coriolis – Principio de funcionamiento · Los tubos del sensor se ponen a oscilar a su frecuencia de resonancia mediante un electroimán · En los dos lados de los tubos opuestos al electroimán, se encuentran dos sensores emplazados simétricamente. · Cuando fluye líquido o gas por el tubo de medida, la fuerza de Coriolis actúa sobre el mismo y genera una deflexión cuyo desplazamiento de fase es medido por los dos sensores. Este desplazamiento de fase es proporcional al caudal másico. ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros másicos coriolis – Principio de funcionamiento ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros másicos coriolis – Principio de funcionamiento ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros másicos coriolis – Características generales • Diámetro: DN1,5 … DN200 • Exactitud: +/- 0,1 % del valor medido de la masa • Material cuerpo: Acero inoxidable, Hstelloy • Conexión : Brida (UNI, DIN, ANSI, etc.), rosca, etc. • Presión: PN100 – PN400 • Versión: compacta; separada • Protección: IP66 / IP67 ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros másicos coriolis - Aplicaciones • Custody Transfer – facturación • Líquidos no conductivos • Sectores: • Alimentación y bebidas • Químico y farmacéutico • Petróleo y gas ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros vórtex ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros vórtex – Principio de funcionamiento · Cuando un fluido (líquido, gas o vapor), con una cierta velocidad, encuentra un cuerpo dentro de la tubería, se producen unos remolinos que viajan por una corriente . denominada “Pista de remolinos Karman”. La frecuencia de los remolinos es proporcional a la velocidad del flujo.. ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros vórtex – Características generales • Diámetro: DN15 … DN300 • Exactitud: vapor y gases +/- 1% ; líquidos +/-0,75% • Material cuerpo: Acero inoxidable, Hstelloy • Conexión : Brida • Presión: PN10 – PN100 • Versión: compacta; separada • Protección: IP66 / IP67 ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros Vórtex - Aplicaciones • Medición de vapor • Medición del consumo en quemadores • Monitorización de calderas • Control del caudal en compresores • Medición en sistemas de aire comprimido • Medición de gases industriales ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros mecánicos ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros mecánicos – Principio de medición · Turbinas · Ruedas ovales · Desplazamiento positivo ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros mecánicos – Ventajas · Económicos · No necesitan alimentación ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Caudalímetros mecánicos – Desventajas · Generan pérdidas de carga · Sensibles a la suciedad y sobrecaudales · Para velocidades muy bajas pueden marcar cero o tener un gran error · Limitación en cuanto a tamaño (DN200-DN300) ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Otros Caudalímetros · · · · · Presión diferencial Área variable V-cone Dispersión térmica Etc. ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids Fin primera parte – Caudalímetros tuberías llenas ETSEIB 17/12/10 – Instrumentació i mesura de fluids