LABORATORIO DE SENSORES Y TRANSDUCTORES

PRÁCTICA 4

NOMBRE: Christian Amendaño

FECHA: 15 de Enero de 2013

1. TEMA

MEDICIÓN DE CAUDAL Y FLUJO

2. OBJETIVOS Comprender los principios básicos de la medición de caudal y flujo. Investigar y determinar las características de los elementos para

medición de caudal y flujo existentes en el laboratorio. Aplicar los conceptos en la realización de un micro proyecto.

3. MARCO TEÓRICO

[I] INTRODUCCIÓN

El estudio del movimiento de los fluidos se puede realizar a través de la dinámica como también de la energía que estos tienen en su movimiento.

Una forma de estudiar el movimiento es fijar la atención en una zona del espacio, en un punto en un instante (t), en él se especifica la densidad, la velocidad y la presión del fluido. En ese punto se examina lo que sucede con el fluido que pasa por él.

Al movimiento de un fluido se le llama “flujo” y dependiendo de las características de este se les puede clasificar en:

Flujo viscoso y no viscoso: los flujos viscosos son aquellos que presentan resistencia al avance. Todos los fluidos reales son viscosos.

Flujo incompresible y compresible: Los flujos incompresibles son aquellos en que la densidad (ρ = Masa/Volumen) prácticamente permanece constante.

Flujo laminar y turbulento: En el flujo laminar, el fluido se desplaza en láminas o capas paralelas. En el turbulento las partículas se mueven siguiendo trayectorias muy irregulares.

Flujo permanente: Si las propiedades como la densidad, la velocidad, la presión no cambian en el tiempo en un punto del espacio, entonces se dice que el flujo es permanente, pudiendo cambiar de un punto a otro.

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Existen varios métodos para medir el caudal según sea el tipo de fluido, la precisión deseada, el control requerido y el tipo de caudal volumétrico o másico dándole más importancia a los medidores volumétricos que a los de caudal masa, pues los primeros son los que se utilizan más frecuentemente.

[II] SELECCIÓN DE UN MEDIDOR DE FLUJO

Un caudalímetro es un instrumento usado para medir lineal, no lineal, la masa o caudal volumétrico de un líquido.

La base de una buena selección de caudalímetro es una clara comprensión de los requisitos de la aplicación en particular. Por lo tanto, se debe invertir tiempo en la evaluación completa de la naturaleza del fluido de proceso y de la instalación en general. Estas son algunas de las preguntas clave que hay que responder antes de seleccionar un caudalimetro:

Tipo de fluido que está siendo medido. La viscosidad del líquido. La existencia de impurezas en el fluido. Caudal mínimo y máximo a medir. La presión de proceso mínima y máxima. La temperatura de proceso mínima y máxima. Es el líquido químicamente compatible con el medidor en las piezas

húmedas. Si se trata de una aplicación de proceso, el tamaño de la tubería.

ORIENTACIÓN DE LA MEDICIÓN DE FLUJO

Al elegir medidores de flujo, se debe considerar factores intangibles como el conocimiento del personal de planta, su experiencia con la calibración y mantenimiento, disponibilidad de piezas de repuesto, historial de fallos, etc., en el complejo industrial en particular. También se recomienda que el coste de la instalación se calcule sólo después de tomar estas medidas. Uno de los errores más comunes en la medida de flujo es la inversión de esta secuencia: en lugar de seleccionar un sensor que funciona correctamente, se realiza un intento para justificar el uso de un dispositivo, ya que es menos caro. Esas instalaciones "baratas" pueden ser las instalaciones más costosas.

La base de una buena selección del medidor de flujo es una clara comprensión de los requisitos de la aplicación en particular. Por lo tanto, se debe invertir tiempo en la evaluación completa de la naturaleza del fluido de proceso y de la instalación en general.

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El primer paso en la selección del sensor de flujo es para determinar si la información de la velocidad del flujo debe ser continua o totalizada, y si esta información es necesaria de forma local o remota. Si es remota, debe ser la transmisión analógica, digital, o compartida. Y, si es compartida, ¿cuál es la frecuencia de datos deseada (como mínimo) de actualización? Una vez que estas preguntas son respondidas, debe tener lugar una evaluación de las propiedades y características del flujo del fluido de proceso y de las tuberías en se acomoda el medidor de caudal. Con el fin de abordar esta tarea de una manera sistemática, se han desarrollado modelos, los que requieren completar los siguientes tipos de datos para cada aplicación:El fluido y las características del flujo: En esta sección de la tabla, se debe suministrar, el nombre del fluido, su presión, temperatura, caída de presión permisible, densidad (o peso específico), la conductividad, la viscosidad (newtoniano) y la presión de vapor a la temperatura máxima de funcionamiento se enumeran, junto con una indicación de cómo estas propiedades pueden variar o interactuar. Además, toda la información de seguridad y de toxicidad debe ser proporcionada, junto con datos detallados sobre la composición del fluido, la presencia de burbujas, los sólidos (abrasivo o blanda, tamaño de partículas, fibras), tendencia a recubrir, y las cualidades de transmisión de luz (opaco, translúcido o transparente).

Valores mínimos y máximos en presión y temperatura deben ser añadidos a los valores nominales de funcionamiento cuando se selecciona un caudalímetro. Hay que indicar los casos en que, el flujo se puede invertir, no siempre llene la tubería, se pueda desarrollar lodo (aire-sólido-líquido), la aireación o la pulsación es probable, cambios bruscos de temperatura, o se necesiten precauciones especiales durante la limpieza y mantenimiento.

En cuanto a la tubería y el área en la que los medidores de flujo se encuentran, considerar: Para las tuberías, su dirección (evitar el flujo hacia abajo en aplicaciones de líquidos), el tamaño, el material, registros, brida de presión calificada, accesibilidad, giros hacia arriba o aguas abajo, válvulas, reguladores y tiradas rectas de tubería disponibles.

Se debe saber si hay campos de vibración o magnéticos presentes o posibles en la zona, si la energía eléctrica o neumática está disponible, si la zona está clasificada por riesgo de explosión, o si existen otros requisitos especiales.

Si se puede obtener un rendimiento de medición aceptable de dos categorías diferentes de medidores de flujo y uno no tiene partes móviles, seleccione el que no tiene partes móviles. Las partes móviles son una potente fuente de problemas, no sólo por las razones evidentes de desgaste, lubricación, y sensibilidad a la capa, sino también porque las partes móviles requieren espacios libres que a veces introducen "deslizamiento" en el flujo que se está midiendo. Incluso con medidores bien mantenidos y calibrados, este flujo no medido varía con los cambios en la viscosidad del fluido y la temperatura.

Los cambios de temperatura, también cambian las dimensiones internas del medidor y requieren una compensación.

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Además, si se puede obtener el mismo rendimiento de los dos un caudalímetro completo y un sensor de punto, en general es aconsejable utilizar el caudalímetro. Puesto que los sensores de puntos no observan el flujo total, estos leen con precisión sólo si se insertan a una profundidad donde la velocidad del flujo es la media del perfil de velocidad a través de la tubería. Incluso si este punto se determina cuidadosamente en el momento de la calibración, es probable que no se mantenga inalterado, ya que los perfiles de velocidad cambian con el caudal, la viscosidad, la temperatura y otros factores.

Antes de especificar un medidor de flujo, también es aconsejable determinar si el flujo de información será más útil si se presenta en masa o unidades volumétricas. Cuando se mide el flujo de materiales compresibles, el flujo volumétrico no es muy significativo a menos que la densidad (y algunas veces también la viscosidad) sea constante. Cuando la velocidad (flujo volumétrico) de líquidos incompresibles es medida, la presencia de burbujas en suspensión provocará error, por lo tanto, el aire y el gas debe eliminarse antes de que el fluido alcance el medidor.

[III] SENSORES DE FLUJO DE RUEDA DE PALETAS FP-5300

Fabricante del sensor de flujo repetible FP-5300: OMEGA Inc.

Descripción del Sensor:

Fácil de instalar con un rendimiento fiable, Modelo 5300 Rotor-X “paddlewheel” sensor de flujo repetible, figura 1, son sensores resistentes, con poco o ningún mantenimiento. La señal de salida del Modelo 5300 es una frecuencia sinusoidal capas de activar un medidor de flujo con alimentación. El amplio rango de flujo dinámico es de 0,3 a 6 m/s (1 a 20 m/s), permite que el sensor mida el flujo de líquido en las tuberías completas y aparte se puede utilizar en sistemas de baja presión.

Principio de Funcionamiento:

El sensor trabaja en un principio electromecánico simple pero preciso, basada en la medición de la velocidad y el volumen de flujo en la tubería. Cuatro imanes permanentes, empotrados en las palas del rotor, giran dentro de una bobina en el cuerpo del sensor. A medida que el flujo de fluido provoca que el rotor se mueva, se produce una señal de onda sinusoidal, directamente proporcional a la velocidad de flujo. El sistema patentado de "célula abierta" característica del rotor asegura una salida lineal, repetible, hasta 20 fps, con una precisión de ± 0,2 fps. El resultado es una pérdida de carga mínima y sin cavitación.

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Figura 1.- Sensor FP-5300

*Cavitación .- es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli.

Rango de flujo:

Tamaño de Tubo

½"

¾"

1" 1¼"

1½"

2" 2½"

3" 4" 5" 6" 8" 10" 12"

Rango(gpm)

1a

19

1.7a

34

2.7a

54

4.7a

94

6.4a

127

10.6a

210

15a

300

24a

461

40a

794

63a

1247

91a

1801

156a

3119

246a

4915

349a

6977

Especificaciones Técnicas del Sensor:

Precisión: ± 1% del fondo de escala Señal de salida: 1 V pp / fps

Frecuencia de salida: 6 Hz/fps nominales Rango Flujo: de 1 a 20fps Impedancia de la fuente: 8 kW Presión máxima:

    FP-5300 Series: 180 PSIG máximo a 20 ° C (68 ° F)    FP-5100 Series: 200 PSIG máximo a 20 ° C (68 ° F)

Temperatura mínima: 0 ° C (32 ° F) Caída de presión: Igual a 2,5 m (8 ') de tubo recto Material:

    Cubierta del transductor: vidrio lleno de polipropileno o PVDF    Juntas: FKM (Caucho fluorado)    Eje: Titanio o Hastelloy C (aleación) y con PVDF opcional    Rotor: PVDF

Longitud de cable estándar: 7,5 m (25 ') Viscosidad Max: 1 centipoise (agua); hasta 5 cP por encima de la velocidad de 5

fps.

Campos de Aplicación:

Producción de Agua Pura. Sistemas de Filtración. Producción de sustancias químicas. Sistemas de distribución de líquidos. Protección de bombas. Sistemas Depuradores. Monitoreo del Agua.

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No es adecuado para los gases.

[IV] MICRO PROYECTO

FLUJO Y CAUDAL DE CRUDO (PETRÓLEO) TRANSPORTADO POR UN OLEODUCTO

PETRÓLEO CRUDO

El petróleo es un líquido oleoso bituminoso de origen natural, inflamable, cuyo color varía de incoloro a negro, y consiste en una mezcla completa de hidrocarburos con pequeñas cantidades de otros compuestos. También recibe los nombres de petróleo crudo, crudo petrolífero o simplemente “crudo”.

En la industria petrolera, la palabra "crudo" se refiere al petróleo en su forma natural no refinado, tal como sale de la tierra. Este petróleo crudo es una mezcla de gran variedad de aceites minerales, llamados "hidrocarburos", pues sus moléculas están formadas por hidrógeno y carbono, excepto cuando hay contaminación de azufre y otras impurezas indeseables.

La proporción de los diferentes hidrocarburos que integran el petróleo crudo varía en cada yacimiento, de lo que resulta la existencia de petróleos crudos que varían desde un líquido opaco, negro y grueso, tan pesado como el agua y que contiene muy poco, o nada de los hidrocarburos que se usan como gasolina, hasta aquellos crudos que pueden contener 40% o más de esos componentes de la gasolina, de color claro y transparente y con tres cuartos del peso del agua; en casos extremos, un yacimiento puede producir solamente hidrocarburos que se convierten en gas al salir a la presión de la superficie.

CARACTERÍSTICAS DEL PETRÓLEO

Color: Generalmente se piensa que todos los crudos son de color negro, lo cual ha dado origen a cierta sinonimia y calificativos: "oro negro", "más negro que el petróleo crudo". Sin embargo por transmisión de la luz, los crudos pueden tener color amarillo pálido, tonos de rojo y marrón hasta llegar a negro.

Densidad: Los crudos pueden pesar menos que el agua (livianos) o tanto o más que el agua (pesados y extra-pesados). De allí que la densidad pueda tener un valor de (0.75 a 1.1). Estos dos rangos equivalen a 57,2 y -3 ºAPI.

La clasificación de los crudos por rango de gravedad ºAPI utilizada en la industria de los hidrocarburos, a 15,5 ºC (60 ºF) es como sigue:

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Extra-pesados, menos de 16 º.

Pesados, menos de 21,9 º.

Medianos 22,0 – 29,9 º.

Livianos 30 º y más.

Súper-livianos 40 º en adelante.

Índice de refracción: Medido con un refractómetro, los hidrocarburos acusan valores de 1,39 a 1,49. Se define como la relación de la velocidad de la luz al pasar de uno a otro cuerpo.

Coeficiente de expansión: Varía entre 0,00036 y 0,00096. Temperatura ºC por volumen.

Punto de ebullición: No es constante, Debido a sus constituyentes varía algo menos que la temperatura atmosférica hasta la temperatura igual o por encima de 300 ºC.

Punto de congelación: Varía desde 15,5 ºC hasta la temperatura de -45 ºC. Depende de las propiedades y características de cada crudo o derivado. Este factor es de importancia al considerar el transporte de los hidrocarburos y las estaciones, principalmente el invierno y las tierras gélidas.

Punto de deflagración: Varía desde -12 ºC hasta 110 ºC. Reacción vigorosa que produce calor acompañado de llamas y/o chispas.

Punto de quema: Varía desde 2 ºC hasta 155 ºC.

Viscosidad: La viscosidad es una de las características más importantes de los hidrocarburos en los aspectos operacionales de producción, transporte, refinación y petroquímica. La viscosidad, que indica la resistencia que opone el crudo al flujo interno, se obtiene por varios métodos y se le designa por varios valores de medición. El poise o centipoise (0,01 poise) se define como la fuerza requerida en dinas para mover un plano de un centímetro cuadrado de área, sobre otro de igual área y separado un centímetro de distancia entre sí y con el espacio relleno del líquido investigado, para obtener un desplazamiento de un centímetro en un segundo. La viscosidad de los crudos en el yacimiento puede tener 0,2 hasta más de 1.000 centipoise. Es muy importante el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de los crudos, en el yacimiento o en la superficie, especialmente concerniente a crudos pesados y extra-pesados.

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Viscosidad relativa: es la relación de la viscosidad del fluido respecto a la del agua. A 20 ºC la viscosidad del agua pura es de 1.002 centipoise.

Viscosidad cinemática: es equivalente a la viscosidad expresada en centipoise dividida por la gravedad específica, a la misma temperatura. Se designa en stokes o centistokes.

Viscosidad Universal Saybolt: representa el tiempo en segundos para que un flujo de 60 centímetros cúbicos salga de un recipiente tubular por medio de un orificio, debidamente calibrado y dispuesto en el fondo del recipiente, el cual se ha mantenido a temperatura constante.

TRANSPORTE DEL PETRÓLEO

En el mundo del petróleo los oleoductos son los medios por excelencia para el transporte del crudo. El paso inmediato al descubrimiento y explotación de un yacimiento es su traslado hacia los centros de refinación. 

Para ello se construye un oleoducto, trabajo que consiste en unir tubos de acero a lo largo de un trayecto determinado, desde el campo productor hasta el punto de refinación y/o de embarque, figura 2. La capacidad de transporte de los oleoductos varía y depende del tamaño de la tubería. Es decir, entre más grande sea el diámetro, mayor la capacidad. Estas líneas de acero pueden ir sobre la superficie o bajo tierra y atraviesan la más variada topografía.

En la parte inicial del oleoducto una “estación de bombeo” impulsa el petróleo y, dependiendo de la topografía por donde éste pase, se colocan estratégicamente otras estaciones para que le permitan superar sitios de gran altura. 

Los oleoductos disponen también de válvulas que permiten controlar el paso del petróleo y atender oportunamente situaciones de emergencia. EL gas natural se transporta en idénticas circunstancias, pero en este caso la tubería se denomina “gasoducto”. Hay ductos similares que cumplen funciones específicas: poliductos para gasolina y otros derivados.

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Figura 2.- Oleoducto

MEDICIÓN DEL FLUJO DE CRUDO PESADO

A causa de las condiciones extremas del proceso y de los altos requisitos de fiabilidad que se piden en las refinerías, muchos puntos de medición del flujo siguen equipándose convencionalmente con equipos de medición mecánica en húmedo, que funcionan de acuerdo con el principio de la diferencia de presión de Bernoulli. Sin embargo, incluso estos instrumentos de medición simples y supuestamente precisos son propensos a malfuncionamientos y en la práctica constituyen fuentes potenciales de peligro.

Una dificultad especial presente en el proceso de medición en todas las refinerías es representada por la medición del flujo de las fracciones pesadas del petróleo crudo. Estas mezclas altamente viscosas de hidrocarburos, que tienen que calentarse a temperaturas superiores a 350°C de manera que puedan seguir en condiciones de fluir, a menudo bloquean las delgadas líneas de impulsión de los equipos de medición. Eso implica altos costos de mantenimiento con las interrupciones consiguientes de amplias secciones de la planta.

SENSOR DE MEDICIÓN DEL FLUJO DE CRUDO PESADO

De acuerdo a las características que conforman el crudo de petróleo y por el efecto que produce su viscosidad sobre el sensor de flujo, por la existencia de elementos solidos dentro del crudo de petróleo he optado por emplear un sensor de flujo ultrasónico no intrusivo FLUXUS ADM 8027 junto con el dispositivo para altas temperaturas WaveInjector.

Descripción del Sensor:

Sensor de flujo ADM 8027, figura 3, ultrasónico para las áreas peligrosas sujetas a explosiones.

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Figura 3.- Sensor ADM 8027

Con su estructura de campo robusta y estanca, el sensor de flujo ha certificado ATEX para su uso como instrumento permanente en las zonas 1 y 2.

Todos los componentes electrónicos se han encerrado en un alojamiento anti-incendio. Los bornes y las borneras se han diseñado con una protección de tipo "de mayor seguridad" y las borneras para los IO, los transductores y los dispositivos electrónicos se han sellado y aislado herméticamente los unos de los otros. El transmisor puede controlarse a través de una llave magnética sin tener que abrir la estructura, figura 4. El sensor de flujo puede equiparse con varias salidas para un control de proceso sofisticado.

Figura 4.- colocación del Sensor de flujo ADM 8027

Como los transductores de flujo se enganchan en la parte externa de la tubería, no están sujetos a desgaste y consumo debido al medio que fluye en la tubería. El equipo de medición puede instalarse y configurarse sin ninguna intervención en la tubería y durante la operación normal de la planta.

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Principio de Funcionamiento:

Para la medición del flujo del medio, figura 5, las señales de ultrasonidos se utilizan, empleando el método de tiempo de tránsito. Ultrasónico las señales son emitidas por un transductor instalado en un lado de un tubo, que se refleja en el lado opuesto y recibida por un segundo transductor. Estas señales se emiten alternativamente en la dirección del flujo y en contra de ella.

A medida que el medio en el que las señales se propagan está fluyendo, el tiempo de tránsito de las señales ultrasónicas en la dirección del flujo es más corto que en contra de la dirección de flujo.

El tiempo de tránsito Dt diferencia se mide y permite determinar la velocidad de flujo promedio en la propagación camino de las señales ultrasónicas. Una corrección de perfil de flujo se realiza a continuación a fin de obtener la media de la zona de la velocidad de flujo, que es proporcional al flujo de volumen.

Las señales recibidas por ultrasonidos será revisado por su utilidad para la medición y la plausibilidad de los valores medidos se evaluaron. El ciclo de medición completo está controlado por un microprocesador. Las señales de perturbación son eliminadas.

Figura 5.- Principio de funcionamiento de los censores ADM 8027

Especificaciones Técnicas del Sensor:

Precisión con patrón de calibración de ± 1,6% de la lectura ± 0,01 m / scon la calibración extendida (opcional) ± 1,2% de la lectura ± 0,01 m / scon la calibración de campo de 2 ± 0,5% de la lectura ± 0,01 m / smedio de

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todos los líquidos conductores del sonido con <10% de contenido gaseoso o sólido en volumen

Fuente de alimentación: 100 ... 230 Hz o V/50...60 o 20 ... 32 V DC obajo pedido: 16 11 V DC ...el consumo de energía <15 Wcanales de circulación 1, opción 2:amortiguación de la señal 0 ... 100 s, ajustableciclo de medición (1 canal) 100 ... 1000 Hztiempo de respuesta de 1 s (1 canal), opcional: 70 ms

Material de fundición de aluminio de acero inoxidable 316Ti (1.4571)grado de protecciónsegún EN 60529IP 66

peso 6 kg 8,5 kginstalación de montaje en pared, tubería de 2 "de montaje

la temperatura de funcionamiento -20 ... +60 ° C -20 ... +50 ° C

4. CONCLUSIONES

La práctica fue elaborada conforme los objetivos planteados y llegando a las siguientes conclusiones.

Se pudo constatar que existen distintos tipos de sensores capases de medir el flujo y caudal que estos se dividen por su principio de funcionamiento, por las características especificas del petróleo es necesario el emplear un sensor no invasivo es decir no necesariamente el sensor va dentro de las tuberías del oleoducto ya que es propenso a desgastes y daños.

5. BIBLIOGRAFÍA

[PDF] Stainless Steel Pressure Transmitter with Silicon TechnologyOmega Engineeringhttp://www.omega.com/pptst/FP5100_5300.html

[WEB] El Salón Virtual de la IndustriaCirect Industri.http://www.directindustry.es/prod/georg-fischer-signet-llc/caudalimetros-de-rotor-58344-393754.html

[PDF] El petróleo y Polímeros Características Químicas del Petróleo

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