Nombre: Andrés Guevara
Nivel: 9no “A”
Módulo de Pequeñas Centrales Hidroeléctricas
Tema: Los Macromedidores, características, componentes y funcionamiento
1. Objetivos:
•
Hacer una recapitulación de los tipos de medidores de flujo volumétrico y
másico con sus componentes y métodos de medición.
•
Investigar acerca de los componentes básicos que conforman un medidor de
caudal.
•
Determinar criterios de selección de los diversos medidores de caudal, así como
de los puntos de ubicación de estos.
2. Medidores de Caudal o Macromedidores
Un medidor de caudal es un componente con la tarea de medir, e indicar en el visor una
magnitud que permite ver el volumen de agua que pasa a través de un dispositivo llamado
transductor de medición. A continuación, se mencionará los componentes básicos con los
que operan los llamados medidores de caudal. [3]
a) Transductor de medición
Este peculiar componente transforma el flujo o el volumen de agua en señales que son
transferidas al calculador. Su mecanismo puede estar basado en principios mecánicos,
eléctricos o electrónicos, en algunas ocasiones pueden ser autónomos o estar alimentados
por una fuente de energía eléctrica exterior.
b) Sensor de flujo
Censa o capta el volumen del agua que pasa a través del medidor
c) Calculador
A este componente llegan y se reciben las señales de salida del transductor y de
instrumentos de medición, el calculador transforma las señales y en algunos casos los
almacena o archiva hasta que sean usados.
d) Indicador o Visualizador
Es la parte del medidor que muestra los resultados de la medición en forma continua o a
solicitud por medio de una pantalla digital. Además, un medidor de caudal suele poseer
dispositivos de corrección, dispositivo de ajuste y varios dispositivos auxiliares. Los
cuales cumplen la función de corregir errores en la lectura, medición.
En ingeniería experimental, en el control y medición de procesos es importante la
medición de los caudales de líquidos y gases. Existen varios tipos de sistemas para medir
caudal volumétrico o másico a continuación se detallan los mismos en la tabla 1.
Tabla 1. Métodos de medición de flujo
Fuente: [1]
3. Medidores Volumétricos
Los medidores volumétricos determinan el caudal directo e indirectamente, es decir
directamente con el desplazamiento e indirectamente con la presión diferencial, fuerza,
tensión inducida y el área variable.
3.1. Presión Diferencial
El caudal se mide por la aplicación de la conservación mecánica a través de la conversión
de la velocidad del fluido a presión, el principio de la continuidad (Teorema de Bernoulli).
Figura 1. Principio de Bernoulli
Fuente: [2]
Ecuación de Bernoulli:
𝑝1 𝑣12 𝑝2 𝑣22
+
= +
𝜌
2
𝜌
2
Ecuación de la continuidad es:
𝑄 = 𝐴1 𝑉1 = 𝐴2 𝑉2
El caudal en volumen es:
∆𝑝
𝜋
𝑄𝑣 = 𝐴2 𝑉2 = 𝐸 𝑑 2 √2
4
𝜌
El caudal en masa es:
𝜋
𝑄𝑚 = 𝐸 𝑑2 √2∆𝑝𝜌
4
Donde:
p1, p2 = presiones absolutas
𝜌 = densidad
v1, v2 = velocidades
D = diámetro interior aguas arriba
A1, A2 = áreas
d = diámetro del orificio
Para el cálculo del caudal en las ecuaciones de masa y volumen se consideran que son
ideales, a menudo en la práctica se consideran factores de corrección. El sistema de
presión diferencial considera varios elementos primarios los cuales son: tubo Pitot,
tobera, tubo Annubar, tubo Venturi, y placa orificio.
Figura 2. Componentes del medidor de presión diferencial
Fuente: [2]
2.1. Medidores de Velocidad
2.1.1. Turbinas
En los medidores de turbina se caracteriza el rotor que se encuentra en la trayectoria del
flujo y gira en función de la fuerza que está impartida por el fluido que atraviesa el
conducto con una velocidad que es directamente proporcional al caudal. La diferencia de
presiones debida al cambio de sección entre el rotor y el cono posterior equilibra la fuerza
de arrastre en el rotor producida por la velocidad inducida a la turbina, el rotor se
encuentra equilibrado hidrodinámicamente y éste gira contra el cono anterior y posterior
sin necesidad de rodamientos axiales.
Figura 3. Componentes del medidor de presión diferencial
Fuente: [3]
Una de las limitaciones de la turbina es la viscosidad del fluido si esta aumenta produciría
un cambio en la velocidad del perfil del líquido a través de la tubería. Un fenómeno que
identifica que en las paredes del fluido se mueve mas lento que en el medio lo que dificulta
el movimiento rotatorio del rotor. Para captar la velocidad de la turbina se emplea dos
tipos de transductores magnéticos:
Transductor de reluctancia. -La velocidad está dada por el paso de las palas
individuales de la turbina a través del campo magnético creado por un imán permanente
montado en una bobina. La determinación de la velocidad se a que el paso de cada pala
varía la reluctancia del circuito magnético. Esta variación cambia el flujo induciendo una
corriente alterna en la bomba captadora.
Transductor Inductivo. -El imán permanente se encuentra colocado en el rotor y el
campo magnético originado produce una corriente una corriente alterna en una bobina
captadora exterior. La frecuencia que genera el rotor es proporcional al caudal, el caudal
máximo está en el orden de 250 a 1200 ciclos por segundo.
2.1.2. Caudalímetros ultrasónicos
Por medio de una onda sonora ultrasónica se puede realizar una medición de caudal, esta
onda se propaga a través del líquido. Este tipo de medición consta de dos transductores
piezoeléctricos, uno actúa como transmisor y otro como receptor de la onda sonora. Para
hacer uso de este tipo de medidores se necesita conocer la velocidad de propagación de
la onda ultrasónica en el líquido, los transductores se encuentran ubicados a cada extremo
de la tubería. Entre los medidores que usualmente se utiliza se encuentran el de tiempo
de tránsito y el de efecto Doppler. [3]
Ventajas
•
No obstruyen el paso del fluido, no son invasivos
•
Son resistentes a la corrosión
•
El caudalímetro con efecto Doppler se puede instalar fuera de la tubería
•
Tienen bajo consumo de energía
•
La precisión se encuentra en un orden del ±2%
Recomendaciones de instalación
•
Se debe dotar a los sensores de un protector térmico que lo protegerá de la
intemperie este protector debe tener un diámetro adecuado para evitar la
interferencia con la emisión-recepción del sonido.
•
Se respetará la distancia de bloqueo bajo el sensor entre 300 mm y 500 mm.
•
Se cuidará una perfecta verticalidad del sensor y se tendrá en cuanta el ángulo de
emisión del sonido.
a) Caudalímetro de tiempo de tránsito
En el caudalímetro de tiempo de tránsito el transmisor y el receptor se ubican uno en
cada extremo de la tubería. El transmisor ultrasónico envía una onda pulsante de una
frecuencia determinada, y se efectúa la medición del tiempo en que la onda tarda en
llegar al receptor.
Figura 4. Caudalímetro de tiempo de tránsito
Fuente: [1]
Para el cálculo de la velocidad de propagación de la onda sonora se establece la
siguiente ecuación:
𝑣 =
𝐶 2 𝑡𝑔(𝛼)
∆𝑡
2𝐷
Donde:
𝑚
C: Velocidad del sonido en el fluido (𝑆2 )
𝛼: Ángulo del haz del sonido con relación al eje longitudinal de la tubería (°).
𝐷: Diámetro interior de la tubería (m)
∆𝑡: Tiempo de vuelo de la onda del transmisor al receptor (S)
𝑄 =𝐴
𝐶 2 𝑡𝑔(𝛼)
∆𝑡
2𝐷
b) Caudalímetros de efecto Doppler
En el método Doppler se proyectan ondas sónicas a lo largo del flujo y se mide el
corrimiento de frecuencia que experimenta la señal de retorno al reflejarse el sonido
en partículas contenidas en el fluido. El empleo del método Doppler está limitado a
fluidos que contengan partículas sólidas en suspensión, pero permite medir caudales
de mezclas gas-líquido. [1,2]
Figura 5. Caudalímetro de tiempo de tránsito
Fuente: [1]
La velocidad del fluido se expresa como:
𝑣 =
𝐶(𝑓𝑟 − 𝑓𝑓 )
2𝑐𝑜𝑠(𝛼)
Donde:
𝑓𝑟 : Frecuencia de la onda recibida (Hz)
𝑓𝑡 : Frecuencia de la onda transmitida (Hz)
𝑄 = 𝐴
𝐶(𝑓𝑟 − 𝑓𝑓 )
2𝑐𝑜𝑠(𝛼)
2.1.3. Medidor de Fuerza
a) Placa de Impacto
Consiste en una placa instala directamente instalada en el centro de la tubería y
sometida al empuje del fluido, la placa se encuentra conectada a un transmisor de
equilibrio de fuerzas piezoresistivo. El movimiento dinámico sobre la placa es
transmitido a través de una palanca a un puente de Wheatstone de cuatro galgas
extensiométricas activas que proporciona una señal de salida de 4 – 20 mA c.c.
compatible con el protocolo HART. Esta señal es proporcional a la fuerza de impacto
del fluido sobre la placa y, a su vez, el caudal es proporcional a la raíz cuadrada del
caudal, siendo independiente de la temperatura del fluido o de su presión estática.
Figura 6. Caudalímetro de tiempo de tránsito
Fuente: [1]
La fuerza originada por el fluido es:
𝑣2
𝐹=
𝜌𝐶 𝐴
2𝑔 𝐷
Donde:
A: Área de la placa (𝑚2 )
𝑚
v: Velocidad del fluido (𝑠2 )
𝑘𝑔
𝜌: Densidad del fluido (𝑚3 )
𝐶𝐷 : Coeficiente experimental de rozamiento del disco. El valor es 1.28 para placas
planas y de 0,07 a 0,5 para esferas
𝐴: Área de la tubería sección interior de la tubería (𝑚2 )
𝑣 = 𝐴√
2𝑔𝐹
𝜌𝐶𝐷 𝐴
El método de placa de impacto permite medir caudales de fluidos sucios o corrosivos
y fluidos con pequeñas cantidades de sólidos en suspensión. Puede medir caudales de
𝑙
𝑙
un mínimo de 0.3 𝑚𝑖𝑛 hasta 40000 𝑚𝑖𝑛. Su vida útil alcanza los 20 millones de ciclos
de precisión de este tipo de caudalímetro está en el orden de ±1%. Su desventaja es la
pérdida de carga producida por la placa.
3. Conclusiones:
•
En todos los medidores de caudal ya sean volumétricos o másicos se basan de los
fenómenos físicos que produce el fluido, así como sus propiedades al circular por
espacios abiertos o cerrados, estos fenómenos físicos activan los elementos o
componentes de medición en los caudalímetros y entregan señales que van a los
transmisores, transductores, convertidores y por último a los receptores donde nos
indica el valor de la variable medida en este caso el caudal o flujo volumétrico.
•
Si se requiere hacer una instalación para la medición de caudal en algún proyecto,
lugar o zona de flujo de agua, se debe hacer un estudio de cada uno de estos
dispositivos de medición de caudal, sus métodos de medición y finalmente
seleccionar el que más se ajuste al entorno donde se requiere la instalación.
•
La distribución de los instrumentos de medición de caudal está en función de
algunas reglas y condiciones: mantenimiento: se debe tener libre acceso a los
instrumentos y accesorios, operación: los instrumentos deben estar ubicados en
lugares que faciliten su operación con mínima dificultad, espacio físico: si los
instrumentos estarán aguas arriba o abajo, si las tuberías tendrán distancias rectas
o si el tipo de terreno tiene irregularidades.
•
El ahorro económico será posible si la selección de los medidores son los
correctos, para esto se debe tomar en cuenta las características, funcionamiento de
los mismos y si su método de medición será el óptimo para una determinada
operación hidráulica.
4. Bibliografía
[1] Robert L. Mott. “Mecánica de fluidos aplicada. “ (Prentice Hall, 4ta Edición).
[2] Antonio Creus Solé. “Instrumentación Industrial” (Ediciones Técnicas Marcombo,
8va Edición).
[3] CÓRDOVA LASCANO, M., 2008. INSTALACIÓN Y MONTAJE DE UN BANCO
DE PRUEBAS DE CAUDAL, PARA EL LABORATORIO DE INSTRUMENTACIÓN
DE LA FACULTAD DE MECÁNICA. INGENIERO MECÁNICO. Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo.