differential flow meters (Principles, Applications, and Considerations)
Medidores de Flujo Diferencial: Principios, Aplicaciones y Consideraciones - Introducción
La medición de caudal es una de las variables más importantes en el control de procesos industriales. Los medidores de flujo diferencial, especialmente las placas de orificio, son métodos históricos y ampliamente utilizados debido a su confiabilidad y versatilidad. Esta técnica mide el flujo de un fluido al crear una diferencia de presión mediante una restricción colocada en la tubería, como una placa de orificio, tubo Venturi, boquilla de flujo, o tubo Dall.
Principio de Funcionamiento
El principio básico de los medidores de presión diferencial se basa en la ecuación de Bernoulli. Cuando un fluido pasa a través de una restricción en una tubería, su velocidad aumenta, generando una caída de presión proporcional al cuadrado de la velocidad del flujo.
La relación matemática simplificada es:
Donde:
Q: Caudal volumétrico
K: Constante del sistema
ΔP (Delta P) : Diferencia de presión
La diferencia de presión se mide a través de dos puntos de toma ubicados a cada lado de la restricción.
Placa de Orificio: Características y Aplicaciones
Figura : Tipos de constricciones utilizadas en los dispositivos de medición de caudal (a) placa de orificio, (b) tubo Venturi, (c) boquilla de flujo y (d) tubo Dall.
(a)
(b)
(c)
Figura. Caudalímetro
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.
La placa de orificio es el método más antiguo y utilizado de medición de flujo. Consiste en una lámina metálica con un orificio circular, que se instala entre las bridas de una tubería. Genera una caída de presión que permite calcular el caudal. Se utiliza en líquidos, gases y vapores bajo condiciones de flujo turbulento.
Figura : (a) placa de orificio
Ventajas de las Placas de Orificio
Sencillez y bajo costo: Son económicas y fáciles de instalar.
Versatilidad: Funcionan en una amplia variedad de fluidos y condiciones.
Confiabilidad: Es un método bien estudiado y documentado.
Flexibilidad: Permite modificar el tamaño del orificio para ajustar el rango de medición.
Desventajas
Requiere tramos rectos de tubería largos para evitar perturbaciones en el flujo.
La precisión depende de una instalación y mantenimiento adecuados.
Es sensible a desgaste, corrosión y acumulación de sólidos.
Genera pérdidas de presión permanentes.
Configuración y Tipos de Placas de Orificio
Placa de orificio concéntrica: Ideal para líquidos limpios, gases y vapor.
Placa de orificio excéntrica: Se usa cuando el fluido contiene sólidos o condensados; el orificio se ubica en la parte inferior de la tubería.
Placa segmentada: Empleada para líquidos y gases con impurezas no abrasivas.
Figura : Diagramas excéntricos ( figuras A, B, C y D )
Figura. Secciones transversales típicas de orificios
Figura : Las formas y ubicaciones de los orificios se utilizan (a) con fluidos y (b) y (c) con sólidos en suspensión.
Ubicación de Tomas de Presión
Tomas en bridas: Son las más comunes y se colocan a 1 pulgada aguas arriba y aguas abajo de la placa.
Tomas en vena contracta: Ubicadas a una distancia específica donde el flujo alcanza su punto más estrecho.
Tomas en la tubería: Situadas más alejadas de la placa (2.5D aguas arriba y 8D aguas abajo).
Elementos del Sistema de Medición de Caudal
Los medidores diferenciales constan de dos componentes principales:
Elemento primario: La restricción (placa de orificio, tubo Venturi, etc.) que crea la caída de presión.
Elemento secundario: Transductor o transmisor de presión diferencial, encargado de medir y convertir la señal de presión en un caudal volumétrico.
Figura (a) Disposición de las tomas de
con tomas en la brida
Figura (b) Disposición de las tomas de presión diferencial en la vena contracta
Transmisores de Presión Diferencial
Inicialmente, se utilizaban manómetros de tubo en U rellenos de agua o mercurio para medir la diferencia de presión. Actualmente, se emplean transmisores electrónicos que convierten la diferencia de presión en una señal estándar de 4-20 mA.
Instalación y Requisitos de Tubería
Una correcta instalación es crítica para garantizar mediciones precisas. Los requisitos mínimos de tubería recta aguas arriba y aguas abajo del medidor dependen de la configuración de la instalación y la naturaleza del fluido. La presencia de válvulas, codos o bombas cerca del medidor puede distorsionar el perfil de flujo.
Líneas de Detección
Las líneas de detección deben ser lo más cortas posible y protegidas contra congelación, especialmente en aplicaciones exteriores. Se pueden utilizar colectores de tres válvulas para equilibrar presiones y calibrar el sistema.
Figura - Caída de presión a través de una restricción
Figura : Tomas en "vena contracta"
Figura : Tomas en la tubería
Errores Comunes y Mantenimiento
A pesar de su confiabilidad, las placas de orificio no son infalibles. Algunos errores comunes incluyen:
Desgaste del orificio: La arista viva debe mantenerse para garantizar precisión.
Instalación incorrecta: Tomas de presión mal ubicadas o tuberías rugosas.
Acumulación de sólidos o condensado: Requiere limpieza periódica de las líneas.
Un programa regular de inspección y mantenimiento es fundamental para evitar errores significativos en la medición.
Figura - Requerimientos mínimos de tubería recta para colocar placas orificio
Alternativas a las Placas de Orificio
Aunque las placas de orificio siguen siendo las más utilizadas, existen alternativas modernas con ventajas significativas:
Tubo Venturi: Proporciona menor pérdida de presión y es ideal para aplicaciones de alto caudal.
Medidores de turbina: Ofrecen alta precisión, pero requieren fluidos limpios.
Medidores ultrasónicos: No invasivos y adecuados para fluidos sucios o corrosivos.
Medidores electromagnéticos: Funcionan bien con líquidos conductivos y tienen alta exactitud.
Medidores Coriolis: Miden el caudal másico directamente, independientemente de las propiedades del fluido.
Normas y Cálculo de Placas de Orificio
Para asegurar mediciones precisas, el diseño y fabricación de las placas orificio deben cumplir con normas internacionales como:
ISO 5167: Medición del flujo con placas orificio, toberas y tubos Venturi.
ASME MFC-3M: Medición de flujo en tuberías.
AGA-3: Normas específicas para medición de gas natural.
Conclusión
Los medidores de flujo diferencial continúan siendo una herramienta clave en la industria debido a su simplicidad y bajo costo. Las placas de orificio, aunque tradicionales, son efectivas en una amplia variedad de aplicaciones, siempre que se instalen y mantengan correctamente.
El uso adecuado de transmisores electrónicos, la calibración periódica y el cumplimiento de normas garantizan mediciones precisas y confiables. No obstante, para aplicaciones donde se requiere mayor precisión y eficiencia, las tecnologías modernas como medidores ultrasónicos o electromagnéticos son opciones viables.
En última instancia, la selección del medidor adecuado dependerá de las características del fluido, la precisión requerida, y las condiciones de operación.
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Engranaje del diferencial / Engrane del diferencial