Pag. 1

Tiempos de calibración para

medidores de gasto tipo

ultrasónicos

(Hidrocarburos en estado gaseoso)

M. en C. Juan José Mercado Pérez

Centro Nacional del Metrología

Dirección de Metrología Mecánica

Metrología de flujo y volumen

+52 442 211 0501, ext. 3814

jmercado@cenam.mx

Pag. 2

FLUJO.-

Acción y efecto de fluir.

CAUDAL.-

Cantidad de un fluido que discurre en un determinado lu

gar por unidad de tiempo.

GASTO.-

Cantidad de fluido que, en determinadas circunstancias,

pasa por un orificio o por una tubería cada unidad de tiempo.

Vocabulario

Pag. 3

Medidor tipo ultrasónico

md u

2 2

md u

d u

L 1 1v

2 cos t t

D L 1 1 DQ v

4 2 cos t t 4

1 1Q K

t t

D

L

velocidad axial

principal, Up

transductor

transductor

Pag. 4

Legislación

La Comisión Nacional de Hidrocarburos da a conocer los lineamientos técnicos en

materia de medición (CNH 06.001/11), Título II, Capítulo I, artículo 7, fracción II,

apartado c, inciso i, el cual menciona: “En ausencia de la documentación o los

procedimientos para la verificación de la calibración de los Instrumentos de Medida y

Patrones de referencia en relación con su frecuencia, éstos deben ser recalibrados

tomando en consideración los datos obtenidos de las calibraciones e historia de

confirmaciones metrológicas, así como a partir de conocimientos y tecnologías

avanzadas existentes que puedan ser usadas para determinar intervalos entre

confirmaciones metrológicas. Los registros obtenidos del uso de técnicas de control

estadístico de los procesos para mediciones pueden utilizarse para modificar, en su

caso, los intervalos de verificación.” Inciso ii, menciona: “Si no existe un plan o planes

de verificaciones, toda instrumentación y Patrones de referencia deben ser verificados

mínimo anualmente, salvo justificación documentada.”

Pag. 5

LegislaciónResolución Núm. RES/776/2015 por la que La Comisión Reguladora de Energía expide

las disposiciones administrativas de carácter general en materia de medición aplicables

a la actividad de transporte por ducto de hidrocarburos, petrolíferos y petroquímicos;

Apartado 3, Sección E, Punto 37.2, el cual menciona que: “Cuando no se adopte un

programa de mantenimiento basado en la condición real del sistema de medición, el

periodo de re-calibración deberá determinarse en cada caso particular, para lo cual

deberá aplicarse lo dispuesto en los Anexos II y III de estas DACG.” Y el punto 37.3,

menciona: “La experiencia recopilada con medidores ultrasónicos muestra que las

desviaciones registradas se dan, más o menos, durante los primeros 6 meses de haber

sido instalados”. Aparentemente, la pared interna del medidor se impregna y se adapta a

las propiedades del gas, por lo que la limpieza inicial debe evitarse y permitir que el

medidor se asiente. Por lo anterior, los medidores deben calibrarse a partir del estado en

que se encuentran, de tal forma que cualquier desviación registrada, con relación a la

calibración previa, esté documentada. Cualquier alteración en las condiciones

superficiales de la pared interna del medidor puede ocasionar errores de medición

significativos.”

El Anexo III, tabla II (Medición de Flujo de Gases en una fase), declara que el

periodo máximo para un medidor de caudal debe ser de 1 año y de 5 años para un

medidor de caudal de referencia.

Pag. 6

Normatividad

La norma internacional ISO 10012:2003 (NMX-CC-10012-IMNC-2004), con título:

“Measurement management systems- requirements for measurement processes and

measuring equipment”, en el punto 7.1.1 señala: “La confirmación metrológica (véase

la figura 2 y el anexo A) debe ser diseñada e implementada para asegurar las

características metrológicas del equipo de medición cumplan los requisitos

metrológicos del proceso de medición. La confirmación metrológica está compuesta

por la calibración y verificación del equipo de medición”.

Pag. 7

Documentos de apoyo

Para solventar los puntos de las legislaciones o normas es común utilizar el documento

OIML D 10, con título: “Guidelines for the determinatión of calibración intervals of

measuring instruments”, como referencia. Este documento es una recomendación que

ayuda a definir el tiempo entre las verificaciones o calibraciones de los equipos de

medición. Menciona los siguientes cinco métodos:

Method 1: Automatic adjusment or “staircase” (calendar-time)

Method 2: Control chart (calendar-time)

Method 3: “In use” time

Method 4: In service cheking, or “Blsck-box” testing

Method 5: Other statistical approaches

Pag. 8

Documentos de apoyoCualquier proceso estadístico para generar cartas de control requiere de información

previa para predecir el comportamiento y establecer valores que ayudan a definir los

límites en las cartas de control (por ejemplo: Carta de medias y rangos, Carta de medias

y desviaciones estándar, Carta de individuales, procedimiento descrito en el documento

MPMS API Chapter 13, etc). El documento OIML D 10 proporciona algunas sugerencias

para define los tiempos de calibración iniciales, como:

Recomendaciones del fabricante

Los requerimientos del valor de la incertidumbre en la medición

Máximos errores permisibles

Etc.

Pag. 9

Cartas de Control

Herramienta

Pag. 10

Control estadístico

Se dice que un proceso está bajoControl Estadístico cuandopresenta causas aleatoriasúnicamente. Cuando ocurre estotenemos un proceso estable ypredecible.

Cuando existen causasespeciales, el proceso está fuerade control estadístico; las cartasde control detectan la existenciade estas causas en el momentoen que se dan, lo cual permiteque podamos tomar accionesinmediatas.

Predicción

Tiempo

24222018161412108642

70

60

50

40

30

20

10

0

-10

-20

_X=17.30

UCL=48.55

LCL=-13.94

1

1

1

Causas especiales

Pag. 11

Cartas de Control

Son la herramienta más útil para monitorear la variación en la mayoría delos procesos

Enfocan la atención hacia las causas especiales de variación cuandoestas aparecen

Las causas especiales o atribuibles, son por ejemplo: mediciónequivocada, equipo dañado, falta de capacitación, mantenimiento deficiente

Las causas comunes o aleatorias se deben a la variación natural delproceso.

Sirven para prevenir la ocurrencia de defectos

Pag. 12

Anatomía de una carta de control

Número de Muestra

Re

spu

est

a

24222018161412108642

14

13

12

11

10

9

8

7

__X=10.008

UCL=12.930

LCL=7.086

1

Carta de Control

LSC

LC

LIC

Límite Superior

de Control

Línea Central

(promedio)

Límite Inferior de

Control

RE

SP

UE

STA

Número de muestra

•La media y los límites de control se calculan a partir de

los datos

•Los datos se grafican en orden secuencial en el tiempo

(conforme ocurren). Se trata de detectar los cambios

•Los puntos graficados dependen del tipo de Carta:

media, rango, etc.

±3s

Pag. 13

Procedimiento general para la elaboración

de cartas de control

1. Definir el problema y los objetivos de la mejora

2. Identificar la característica crítica a controlar. Ej.: tensión eléctrica, presión,

temperatura, flujo, etc.

3. Selección del tamaño de muestra (n)

n = 2 a 10 (cartas de medias y rangos)

n 10 (cartas de medias y desviaciones estándar)

n > 1 (cartas de Individuales)

Pag. 14

4. Frecuencia del muestreo:

Durante un estudio inicial, los subgrupos (m) pueden sertomados consecutivamente o a intervalos cortos paradetectar si el proceso cambia o muestra inconsistencia, Ej.:cada hora, diario, semanal.

5. Cuando el proceso es estable los periodos de tiempoen cada subgrupo pueden ser incrementados.

Ej.: quincenal, mensual, semestral

Procedimiento cartas de control

Nota: El tamaño de muestra y la frecuencia dependen del tipo de proceso que se este analizando

Pag. 15

Es posible tener un proceso estable (en control) que tiene

variación inaceptable. Asuma que ambos procesos A y B están

estadísticamente desempeñandose “en control”

PROCESO A

LIE LSEEl Proceso A tiene variación

aceptable cuando lo evaluamos

contra los limites de especificación

del cliente.

PROCESO B

LIE LSE

El Proceso B tiene variación

inaceptable cuando lo comparamos

con los límites de especificación

Límites de control y de especificaciones

Pag. 16

Carta de Medias y rangos

Carta Cálculo de Límites

(Medias)

Cálculo de límites

(Rangos)

Descripción

DondeDonde

monitorea la

media y la

variación de las

variables del

proceso

MediasdeMediaX

promedioRangoR

controldeeriorLímiteSLIC

CentralLíneaLC

controldeeriorLímiteSLSC

inf

sup

RX RAXLSCX 2

XLC

RAXLICX 2

m

N

XXXX

N

XXXX

.......

....

21

21

minmax XXR

N

RRRR K......21

Los valores de los Factores de control (A2, D3, D4) se localizan en las tablas (Ver anexo)

RDLSCR 4

RLC

RDLICR 3

promedioestándardesviaciónS

controldeeriorLímiteS

LIC

CentralLíneaLC

controldeeriorLímiteS

LSC

inf

sup

Pag. 17

Carta de medias y desviaciones estándar

Carta Cálculo de Límites

(Medias)

Desviaciones

Estándar

Descripción

Donde: Donde:

Usada para

monitorear la

media y la

variación de las

variables

cuando

n 10

SX

SAXLIC

XLC

SAXLSC

X

X

3

3

SBLIC

SLC

SBLSC

S

s

3

4

Los valores de los factores de control (A3y B4) se localizan en las tablas (ver Anexo)

mediasdeMediaX

promedioestándardesviaciónS

controldeeriorLímiteXLIC

promedioocentralLíneaLC

controldeeriorLímiteXLSC

inf

sup

promedioestándardesviaciónS

controldeeriorLímiteSLIC

promediooCentralLíneaLC

controldeeriorLímiteSLSC

inf

sup

Pag. 18

Carta de Individuales

Carta Cálculo de Límites Descripción

“I”

Donde:

MR = Rango Móvil, es el

rango entre la primera y

segunda lectura, segunda y

tercera y así sucesivamente.

Monitorea la tendencia de un

proceso con datos variables que no

pueden ser muestreados en lotes o

grupos.

Este tipo de gráfica es utilizada

cuando las mediciones son muy

costosas o cuando tenemos muy

pocos datos

XLC 2

3d

RMXLSC

2

3d

RMXLIC

El valor del factor d2 ,se localiza en las tablas (Ver anexo)

Pag. 19

Análisis de patrones no aleatorios

LSC

LC

LIC

Zona A

Zona B

Zona C

Zona C

Zona B

Zona A

LSC

LC

LIC

Zona A

Zona B

Zona C

Zona C

Zona B

Zona A

Las cartas de control se dividen en zonas:

C : ±1s

B : ±2s

A : ±3s

El objetivo es detectar errores no aleatorios para corregir el

proceso

Pag. 20

Fuente: J.M. Juran, Análisis y planeación de la calidad, Mc.Graw Hill 1995

Análisis de errores no aleatorios

Pag. 21

Límites de control y de especificaciones

Límite de control: utilizados para monitorear la variación del

proceso y detectar causas especiales.

Límite de especificaciones: es la máxima variación que es

permitida en un proceso

0 10 20

35

40

45

LIE LSE

Pag. 22

Análisis de errores no aleatorios

Pag. 23

¿El control estadístico con cartas X y R serán suficientes para solventarla necesidad en un sistema de medición de caudal?

¿Cómo hacer una carta de control con un número reducido de datos oun solo dato?

¿Las especificaciones indicadas en el MPMS API para temperatura,será adecuada para establecer los límites en una carta de control?

¿Seguir el procedimiento del MPMS API Chapter 13, solventará lanecesidad actual?

¿La carta de control de un elemento secundario de medición como partede un sistema de medición de caudal cumplirá con lo especificado porlos lineamientos de la CNH?

Pag. 24

Introducción

¿El control estadístico con cartas clásicas o X y R serán suficientes parasolventar la necesidad en un sistema de medición de caudal?

Pag. 25

Método Alternativo que se propone

¿Cómo hacer una carta de control con un número reducido de datos oun solo dato?

Pag. 26

Introducción

¿Las especificaciones indicadas en el MPMS API para temperatura,será adecuada para establecer los límites en una carta de control?

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Err

or

[°F

]

Temperatura

Temp

media

LS

LI

LS CNH

LI CNH

LS API

LI API

Pag. 27

Introducción

¿Seguir el procedimiento del MPMS API Chapter 13, solventará lanecesidad actual?

Pag. 28

Introducción

¿La carta de control de un elemento secundario de medición como partede un sistema de medición de caudal cumplirá con lo especificado porlos lineamientos de la CNH?

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Err

or

[Psi]

Presión

Pres

media

LS

LI

LS CNH

LI CNH

Pag. 29

Propuesta para solventar los requerimientos

de la CNH

Pag. 30

Procedimiento

1. Contar con la estimación de incertidumbre del sistema de medición

en el cual se analizará alguna de las variables involucradas en este

cálculo.

Pag. 31

Procedimiento

2. Llevar la incertidumbre combinada expandida manifestada en los

lineamientos de la CNH a una incertidumbre estándar, es decir, hay

que dividir la incertidumbre entre 2.

3. Teniendo como referencia la contribución de cada variable (ver punto

1), calcular el valor de 𝜕𝐹 𝑥𝑖

𝜕𝑥𝑖∗ 𝑢(𝑥𝑖)

2, para la variable a evaluar.

4. Conocido el coeficiente de sensibilidad del punto 1, se estimará el

valor de la incertidumbre estándar, haciendo uso del valor

encontrado del punto 3 (despejando la ecuación del punto 3).

5. La incertidumbre estándar estimada del punto anterior se expandirá

y será utilizada como límite de control.

Pag. 32

Ejercicio

Pag. 33

Ejercicio

Pag. 34

Ejercicio

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Err

or

[°F

]

Temperatura

Temp

media

LS

LI

LS CNH

LI CNH

LS API

LI API

Pag. 35

Ejercicio

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Err

or

[Psi]

Presión

Pres

media

LS

LI

LS CNH

LI CNH

Pag. 36

Ejercicio

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1.05

1.1

1.15

1.2

Desvia

ció

n

MF

MF

media

LS

LI

LS CNH

LI CNH

0.988

0.989

0.99

0.991

0.992

0.993

0.994

0.995

MF

Pag. 37

La configuración que se sugiere, utilizando el principio de

medición ultrasónica para la medición del flujo y poder

asegurar el resultado de las mediciones con un máximo

de tiempo entre cada calibración y verificación es la

siguiente:

El sistema de medición debe ser instalado acorde a las

sugerencias del fabricante, contar con medición

redundante y un medidor de referencia.

Pag. 38

Pag. 39

Beneficios

Aseguramiento de la trazabilidad de los resultados

de medición para los sistemas de medición de flujo

de fluidos en estado gaseoso, cuando se utiliza

medidores tipo ultrasónicos.

Prolongar al máximo los periodos de calibración y

verificación del sistema de medición.

Pag. 40

Conclusión

Aunque la opción que se describe en este documento

puede requerir una inversión inicial mayor, este costo

puede irse amortizando en el tiempo creando ahorro

económico al incrementar el tiempo entre calibración y

generar tranquilidad al demostrar la trazabilidad de los

resultados de medición.

Pag. 41

Patrón

La comparación durante una calibración es contra

un medidor de referencia (patrón). El patrón está

compuesto por el sistema de bombeo, tuberías,

fluido, instrumentación, calidad en la medición de

referencia, cálculos y operadores. El conjunto de

todos provee una medición de la cantidad de fluido

que pasa a través del dispositivo medidor de

caudal bajo calibración.

Patrón:

Realización de la definición de

una cantidad dada, con un valor

de cantidad dada y una

incertidumbre de medición

asociada, usada como

referencia. VIM 2008 (5.1)

O

Instrumento de medición o

sistema de medición destinado a

conocer o reproducir una unidad

o uno o más valores de una

cantidad para ser utilizado como

referencia. VIM 1995 (6.1)

Pag. 42

La cantidad medida por el instrumento de

referencia puede ser diferente de la cantidad que

pasó a través del dispositivo debido a los

cambios en volumen o de masa entre el medidor

bajo calibración y el medidor de referencia.

Temperatura

Presión

Viscosidad

Expansión

Perfil de velocidades

Fluido

Tipo de medidor de

referencia

Etc.

Pag. 43

Pag. 44

Bibliografía

Resolución Núm. RES/776/2015, “Disposiciones Administrativas de Carácter

General en Materia de Medición”, DOF: 17/12/2015.

Comisión Nacional de Hidrocarburos CNH.06.001/11, “Lineamientos Técnicos en

Materia de Medición”, DOF, 30/06/2011.

NMX-CC-10012-IMNC-2004, “Sistema de Gestión de las Mediciones –

Requisitos para los procesos de medición y los equipos de medición”,

OIML D 10, ILAC-G24, “Guidelines for the determination of calibration intervals of

measuring instruments”, 2007.

PTB G18, “Messgeräte für Gas”, 2019

API MPMS, Chapter 13, “Statistical Aspects of Measuring and Sampling, Section

1-Statistical Concepts and Procedures in Measurements”, 2011.