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El Probador Bidireccional de Esfera, Concepto yPrincipio de Funcionamiento

Jonhatan H. Bernal Salinasjonhbs@yahoo.com

Jhon Fredy Ramirez Bejaranoancelotjfrb@hotmail.com

Resumen—Existen muchos tipos de probadores para medido-res de flujo como lo son por ejemplo los probadores unidireccio-nales de pistón o esfera, los probadores para volúmenes pequeños“small prover” y los probadores bidireccionales de esfera. Sobreeste ultimo enfocaremos el documento, explicando cual es suconcepto y su principio de funcionamiento, el por qué del diseñoy configuración de tubos y válvulas en la construcción de unprobador de este tipo y la manera en que se utilizan para laverificación de caudalímetros o medidores de flujo.

Index Terms—Caudalimetros, Principio de Desplazamiento,Valvulas, Flujo

I. INTRODUCCIÓN

El hecho de que un probador sea de desplazamiento bidi-reccional, supone una gran ventaja sobre los Unidireccionalesy más si su operación es automática, debido a que al serbidireccional permite un gran número de carreras de pruebasconstantes una tras de otra y por largos tiempos sin necesidadde esperar a que el desplazador se devuelva a su posicióninicial para iniciar un nuevo conteo. No importa la direccióndel desplazamiento pues ya sea en un sentido o en otro, alpasar la esfera por los detectores se inicia una corrida deprueba y el conteo dentro del volumen calibrado. Lo anteriores una de las razones del porque la forma del diseño de estetipo de probadores como lo veremos posteriormente.

II. PRINCIPIO DE OPERACIÓN O FUNCIONAMIENTO DEUN PROBADOR BIDIRECCIONAL

Su operación se basa en el principio de desplazamiento.En la página de internet http://www.ltssales.com/Prover.aspxse puede ver una animación que ayuda a entender el funcio-namiento del probador. Así que de acuerdo al principio dedesplazamiento, su funcionamiento es el siguiente[4]

Inicia el flujo en la línea principal y el fluido pasa porel medidor (Figura2). Se abren las válvulas de entraday de salida del probador y se activa el bloqueo de flujocerrando la válvula en la línea principal (Figuras 3, 4,5). Lo anterior se realiza para permitir el flujo a travésdel probador sin interrmpir el curso normal de este. Deesta manera entra en funcionamiento el probador para laverificación del medidor.El fluido que acaba de pasar por el medidor (o lo que esmenos común, el fluido que va en camino al medidor)empuja a la esfera, en un probador compacto, a lo largo

Figura 1. Probador Bidireccional de Esfera (Calibración de un probadorbidireccional. CENAM. p 2)

Figura 2. Flujo en la línea principal a través del medidor

del probador. La esfera realiza un sello hermético contrala pared del probador.Al entrar la esfera a la sección de volumen conocidoun sensor detecta su proximidad y envía una señaleléctrica que abre una compuerta electrónica para admitiry contar los pulsos que son emitidos por el medidor bajocalibración.Cuando la esfera abandona la sección de volumen co-nocido entonces un segundo sensor de proximidad envía

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Figura 3. Apertura válvula de entrada del probador

Figura 4. Apertura válvula de salida del probador

la señal eléctrica para cerrar la compuerta electrónica yfinalizar el conteo de pulsos.Después de realizar las correcciones pertinentes se com-para el total de pulsos acumulados durante el viaje de iday vuelta de la esfera contra el volumen base del probador(round trip volume).En los probadores bidireccionales el problema de retornara la esfera al punto de partida se resuelve por medio deuna válvula de 4 vías, con la cual se puede invertir elflujo que pasa por el probador sin interferir con el flujo

Figura 5. Bloqueo de flujo en la línea principal

Figura 6. Apertura de la válvula de cuatro vías

Figura 7. La esfera recorre la sección de volumen conocido

uniforme que pasa a través del medidor bajo calibración.Para evitar golpes hidráulicos, la válvula de 4 vías sediseña de tal forma que el paso de fluido no se veainterrumpido en ningún momento durante la operaciónde la válvula (ver figura 10).En estas condiciones, la esfera empieza a moverse haciala zona de volumen conocido mientras la válvula de4 vías continua girando; bajo estas circunstancias esnecesario estar seguros que la válvula de 4 vías haya

Figura 8. La esfera apenas activa el segundo sensor de proximidad indicaque ha salido de la sección de volumen conocido

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Figura 9. Se comparan los pulsos contados de ida y vuelta

Figura 10. Funcionamiento de la válvula de cuatro vías (Calibración de unprobador bidireccional. CENAM. p 3)

finalizado su movimiento antes de que la esfera alcance elprimer sensor. Para asegurar que suceda esto, se deja unaporción de tubo sin calibrar entre la posición de reposode la esfera y el detector, a esta porción del probadorse le conoce como sección de pre-corrida o tramo dellegada.1

Para no invalidar la comparación entre el probador y elmedidor bajo calibración, es imprescindible garantizar quetodas las válvulas instaladas entre el medidor de volumen y elprobador tengan un cierre hermético. En el MPMS de API serecomienda que todas las válvulas tengan un mecanismo deverificación de hermeticidad, y que las válvulas de bloqueo,incluida la válvula de 4 vías, posean doble sello.

III. ACCESORIOS Y CARACTERISTICAS DE UN PROBADORBIDIRECCIONAL DE ESFERA

Refiriendonos directamente al Manual de Medición de Hi-drocarburos capitulo 4, Sistemas Probadores, los probadoresbidireccionales tienen los siguientes accesorios y caracterisiti-cas (ver figura 6):

Al menos una tapa de apertura rápida (instalada en lacámara de lanzamiento de la esfera), con dispositivoindicador de presión, con capacidad que cubra la máximapresión del sistema.Válvulas de venteo en los puntos más altos de las cámarasde lanzamiento.

1En el Manual de Medición de Hidrocarburos a esta parte también se lellama “Tubería de carrera previa del probador”.

Figura 11. Accesorios Probador Bidireccional de Esfera (Manual deMedición de Hidrocarburos, capitulo 4, Sistemas Probadores)

Válvulas de alivio térmico en la salida del probador.Válvulas de drenaje en los puntos más bajos fuera de lasección calibrada y en las cámaras de lanzamiento.Transmisores de presión y temperatura, manómetros (op-cional) y conexión para termómetro certificados en laentrada y salida del probador. En el caso especificode núestro probador bidireccional se podria prescindirinicialmente de estos elementos, asi como los sensoresde temperatura, debido a que inicialmente el probador seutilizará para verificar los caudalímetros por ultrasónidoy como vimos antes: el método de medir el caudal o lavelocidad del fluido en el tubo por el tiempo de transitode la señal ultrasónica es independiente de factores comola temperatura, la presión y la composición del fluido.Sin embargo tal vez si se instalen sensores y transmi-sores de presión para controlar esta variable dentro delprobador.Conexiones permanentes para re-calibración en campo.Esfera elastómera2, los materiales empleados en la cons-trucción de esferas elastómeras varían de acuerdo a lasaplicaciones para las cuales son usadas, las de uso comúntienen tres materiales básicos, neopreno, nitrilo y uretano,como ya se dijo, estas son las encargadas de activar losswitches del detector y transportar el volumen de líquidocalibrador.Detectores de esfera (2 ó 4).Se deber proteger el probador internamente con materialque proporcione un acabado sólido, suave y durable,reduzca la corrosión y prolongue la vida útil tanto deldesplazador como del probador.Cámaras de lanzamiento que envían la esfera en lacorrida de prueba, como también desaceleran la mismaal llegar a ellas.Tuberia de carrera previa del probador (o sección de pre-recorrida o tramo de llegada): El volumen interno de latubería de carrera previa del probador debe permitir ala máxima rata de operación el suficiente tiempo a laválvula de cuatro vías para hacer sello completo antes

2Los elastómeros son aquellos polímeros que muestran un comportamientoelástico. El término, que proviene de polímero elástico, es a veces intercambia-ble con el término goma, que es más adecuado para referirse a vulcanizados.(http://es.wikipedia.org/wiki/Elast %C3 %B3mero)

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que la esfera actúe los switches, asegurando que el fluídoregistrado por el medidor este pasando completamente através de la sección calibrada del probador. La longitudde la carrera previa se calcula de la siguiente forma:

LongCP =

(CicloV al

2+ 0, 5seg

)Vesfera (1)

Donde: LongCP : Longitud carrera previa, CicloV al:Ciclo de la válvula de 4 vias en segundos, Vesfera:Velocidad de la esfera o desplazador. La carrera previase mide desde el punto donde se reduce la tubería y elsitio donde esta instalado el detector.La sección de volumen calibrado en el probador es lacomprendida entre los switches detectores y se comparacon el volumen registrado en el Medidor bajo prueba;de ésta relación resulta el factor de corrección llamado“FACTOR DEL MEDIDOR.El volumen base calibrado es la suma de los volúmenesen ambas direcciones entre detectores (Ver Figura 4 y 6).

Aunque el rango de flujo de los probadores bidireccionales esfunción del espesor de tubería, de la velocidad de la válvulade 4-vías y, especialmente desde el punto de vista práctico, dela velocidad mínima (0.5 pies/seg.) y máxima (5 pies/seg.) dela esfera, el tamaño de probador se puede estimar a partir dela siguiente tabla [1]:

Probador BidireccionalTamaño Tubo

Probador Tamaño Cámara deLanzamiento

Rango de Flujo

[Pulgadas] [Pulgadas] BPH4 8 30-3006 10 65-6508 12 110-110010 14 180-180012 16 250-250014 18 300-300016 20 410-410018 24 500-500020 24 650-650024 30 930-930030 36 1100-11000

Cuadro IPROBADOR BIDIRECCIONAL (MANUAL DE MEDICIÓN DE

HIDROCARBUROS, CAPITULO 4. P 17)

IV. CITERIOS PARA LA CONSTRUCCIÓN

En el documento API MPMS capitulo 4 sección 2 “ProvingSystems - Displacement Provers” se habla específicamente deeste tipo de probadores y debe ser construido de acuerdo conesa norma teniendo como base los siguientes criterios [1]

1. El número de pulsos generados para el volumen comple-to no será inferior a 20,000 pulsos (equivalente a 10,000pulsos entre detectores de esfera).

2. Para medidores de flujo con baja resolución de pulsosse puede utilizar el método de interpolación de pulsosdescrito en el API MPMS 4.6 “Proving Systems – PulseInterpolation” para obtener el valor de 0.01 % pulsos deresolución.

3. La resolución del conjunto detector/esfera en la cali-bración del probador, deberá ser tal que el conjuntoasegure una repetibilidad que no exceda el 0.02 % entreel volumen mayor y menor obtenido en 5 corridasconsecutivas de calibración del probador.

4. Para probadores de pequeño volumen o aquellos queusen métodos de interpolación se puede usar métodosestadísticos.

5. Los probadores existentes poseen dos (2) detectores deesfera (uno en cada extremo de la sección calibrada) yun volumen de calibración certificado.

6. Todos los probadores nuevos deben tener instaladoscuatro (4) detectores de esfera (dos en cada extremo) ydos (2) volúmenes calibrados certificados. El volumencalibrado entre los dos pares de detectores debe sersuficiente para permitir la identificación del par dedetectores que están siendo utilizados (la diferencia devolúmenes calibrados no deberá ser mayor a 0.05 %).

7. La mínima velocidad de la esfera será de 0.5 pies/seg.y la máxima será de 5 pies/seg.

8. El margen de incertidumbre serán de ± 0.04 % delvolumen calibrado (incertidumbre expandida con unfactor de cobertura k=2).

9. El cambio de alguno de los dos “optical switch” (corres-pondientes a la cámara de medición), obliga a calibrar elprobador. En este punto se tiene la misma consideraciónde los probadores bidireccionales en el sentido de cam-biar los “switches”, para este caso los del tipo óptico,siempre en parejas, o cada vez que se haga calibracióndel probador.

V. DIAGRAMA DE FLUJO

De acuerdo a la descripción del principio de funcionamientodel probador bidireccional, básicamente el diagrama de flujodel funcionamiento del probador sería como el mostrado en laFigura12.

REFERENCIAS

[1] Ecopetrol. Manual de Medición de Hidrocarburos, Capitulo 4 - SistemasProbadores. Colombia. 2008

[2] Peter Syrnyk & Dave Seiler. Use liquid ultrasonic meters for custodytransfer. Estados Unidos. 2007

[3] Antonio Creus Solé. Instrumentación Industrial. Ed. Alfaomega-Marcombo. 1999

[4] CENAM, División Flujo y Volumen. Calibración de un probador bidirec-cional. México

[5] Endress+Hausser. Medición de Caudal, Guía Practica: Tecnologías deMedición-Aplicación-Soluciones. Estados Unidos. 2005

[6] American Petroleum Institute. Manual of Petroleum Measurement, Cap4. API. Estados Unidos. 2003

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Figura 12. Diagrama de Flujo Probador Bidireccional