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Principios de Medida - Flujo James Robles Departamento de Instrumentación Huertas Junior College.

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1 Principios de Medida - Flujo James Robles Departamento de Instrumentación Huertas Junior College

2 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College En esta presentación: Definición de Flujo Unidades de medida de Flujo Consideraciones en medidas de Flujo Medida de Flujo utilizando métodos Mecánicos Medida de Flujo utilizando método Diferencial de Presión Teorema de Bernoulli Medida de Flujo utilizando método Ultrasónico Medida de Flujo utilizando método Magnético Medida de Flujo utilizando método Coriolis Medida de Flujo utilizando método Dispersión Térmica

3 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Definición de Flujo: Flujo es el movimiento de un fluido desde una presión mayor a una presión menor Este fluido puede ser líquido ó gas Flujo es la razón de transferencia de un volumen por unidad de tiempo Válvula Cerrada Flujo = 0

4 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Definición de Flujo: Flujo es el movimiento de un fluido desde una presión mayor a una presión menor Si hay diferencia en presión y ambas cámaras se interconectan, habrá flujo hasta que se equalize la presión en ambas cámaras.

5 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Definición de Flujo: Flujo es el movimiento de un fluido desde una presión mayor a una presión menor Cuando se equalize la presión en ambas cámaras, el flujo será cero. Válvula Abierta Flujo Δ P Si Δ P = 0 entonces Flujo = 0

6 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Definición de Flujo: Flujo se representa con la letra Q Flujo es la razón detransferencia de un volumen por unidad de tiempo: Flujo = Volumen ÷ tiempo Q = Vol ÷ t

7 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Q = Vol ÷ t Unidades de Volumen – galones, in 3, m 3, ft 3, etc. Unidades se tiempo – segundos, minutos, horas, etc. Unidades de Flujo: galones por minuto (gpm) pulgadas cúbicas por segundo (in 3 /s) pies cúbicos por hora (SCFH) – para gases

8 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Q = Vol ÷ t Ejemplo para ilustrar unidades de medida: 1 in 3 /s: Volumen de 1 in 3 Tubería Dirección de Flujo Si este movimiento se hace en 1 segundo, entonces el flujo es 1 in 3 /s

9 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Q = Vol / t Al examinar esta fórmula observamos que se puede derivar la siguiente: Q =(ÁreaDistancia)/tiempo Q =Área(Distancia/tiempo) Recordemos que distancia/tiempo = velocidad, por lo tanto: Q = Área x velocidad Q = A v

10 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Q = Área x Velocidad Q = Volumen / tiempo es equivalente a:

11 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Área de 1 in 2 Tubería Dirección de Flujo Al analizar esta relación, se puede concluir lo mismo. El área de la tubería multiplicada por la velocidad del fluido es el mismo cómputo. Q = Área x Velocidad

12 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Factores que afectan las Medidas de Flujo: Medio de Flujo (Densidad) – Líquido ó Gas Temperatura Presión Turbidez Conductividad pH (Acidez ó Alcalinidad) Tamaño de Tubería o Conducto Material de Tubería ó Conducto Cantidad de Flujo

13 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Métodos Mecánicos de Medida de Flujo: Paddle Wheel – Rueda con aspas para convertir la energía del flujo a movimiento circular visible a través de una ventana: A mayor velocidad de la rueda, mayor es el flujo indicado. Además de indicar, se puede añadir dispositivos para que transmita una señal

14 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Métodos Mecánicos de Medida de Flujo: Paddle Wheel – Rueda con aspas para convertir la energía del flujo a movimiento circular visible a través de una ventana: Flujo A mayor velocidad de la rueda, mayor es el flujo indicado. Además de indicar, se puede añadir dispositivos para que transmita una señal

15 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Métodos Mecánicos de Medida de Flujo: Rotámetro – Utiliza un balance de fuerzas para posicionar una pesa suspendida entre un diferencial de presión producido por el flujo: El Flujo produce un diferencial de presión el cual mueve una pesa calibrada para la densidad del fluido. La pesa tiene un área mayor arriba (en la región de menor presión) y un área menor abajo (en la región de mayor presión). La pesa se mueve hasta que se balancean las fuerzas.

16 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Métodos Mecánicos de Medida de Flujo: Rotámetro – Utiliza un balance de fuerzas para posicionar una pesa suspendida entre un diferencial de presión producido por el flujo: 3 gpm gpm - 2 gpm gpm - 1 gpm -.5 gpm - 0 gpm - Flow In Flow Out El Flujo produce un diferencial de presión el cual mueve una pesa calibrada para la densidad del fluido. La pesa tiene un área mayor arriba (en la región de menor presión) y un área menor abajo (en la región de mayor presión). La pesa se mueve hasta que se balancean las fuerzas.

17 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Métodos de Medida de Flujo por Diferencial de Presión: Q1Q1 Q3Q3 Q2Q2 A1A1 A2A2 A3A3 Velocidad 1 Velocidad 2 Velocidad 3 El área de la tubería varía para producir un diferencial de presión: La velocidad aumenta con la reducción del área: P1P1 P2P2 P3P3 P 1 P 2 El flujo es constante a lo largo de la tubería:

18 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Métodos de Medida de Flujo por Diferencial de Presión:

19 James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Principios de Medida - Flujo Métodos de Medida de Flujo por Diferencial de Presión: Flujo Placa con Orificio P1P1 P2P2 El orificio provoca un diferencial de presión proporcional al flujo.

20 James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Principios de Medida - Flujo Métodos de Medida de Flujo por Diferencial de Presión: Flow Nozzle P1P1 P2P2 Al igual que el orificio, el Flow Nozzle provoca un diferencial de presión. Flujo

21 James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Principios de Medida - Flujo Métodos de Medida de Flujo por Diferencial de Presión: El Annubar produce un DP, pero con menos pérdida de presión total. Annubar Flujo P 1 P 2

22 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Métodos de Medida de Flujo por Diferencial de Presión: Sensores que utilizan el método de diferencial de presión: Placa con Orificio Annubar Flow Nozzle Pitot Tube Venturi Tube

23 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Métodos de Medida de Flujo por Diferencial de Presión: Otros sensores que utilizan el método de diferencial de presión: Conditioning Orifice Eccentric Orifice Tubos Detectores de ΔP

24 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Métodos de Medida de Flujo por Diferencial de Presión: Sensores que utilizan el método de diferencial de presión: Todos los sensores de diferencial de presión responden a la proporción: La fórmula más específica es:

25 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Métodos de Medida de Flujo por Diferencial de Presión: Teorema de Bernoulli

26 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Métodos de Medida de Flujo por Diferencial de Presión: Teorema de Bernoulli

27 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Métodos de Medida de Flujo por Diferencial de Presión: Teorema de Bernoulli P 1 P 2 D 1 D 2 β = D 1 /D 2

28 Principios de Medida - Flujo Método de Diferencial de Presión de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College

29 Principios de Medida - Flujo Método Ultrasónico de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Método Transit Time: Ondas ultrasónicas son transmitidas en la dirección del flujo Estas ondas son aceleradas levemente por la velocidad del fluido en la tubería Cuando la onda es transmitida en la dirección opuesta, el flujo del fluido causa que esta onda decelere. La diferencia en tiempo es directamente proporcional a la velocidad del fluido en la tubería. Midiendo la velocidad y conociendo el área de la tubería, se puede calcular fácilmente el flujo volumétrico Método Efecto Doppler: Un metro de flujo Doppler opera bajo el principio de desplazamiento Doppler Esta operación funciona cuando la frecuencia transmitida es alterada linealmente al ser reflejada por partículas y burbujas en el fluido Esta señal es recogida por un sensor recibidor La velocidad del fluido en la tubería es directamente proporcional al cambio en frecuencia entre las señales transmitida y reflejada Con tener conocimiento del tamaño de la tubería, los circuitos electrónicos del equipo puede correlacionar la velocidad del fluido con el flujo volumétrico

30 Principios de Medida - Flujo Método Ultrasónico de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Ventajas: No tiene contacto con el fluido Con fluidos homogéneos, este principio es independiente de la presión, temperatura, conductividad y viscosidad Util para diámetros grandes (15 o más) Se puede instalar en tuberías existentes Es una medida no-invasiva, por lo tanto no hay caída de presión No contiene partes movibles

31 Principios de Medida - Flujo Método Ultrasónico de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College La onda ultrasónica viaja por el fluido. La onda que produce el emisor es reflejada por el lado opuesto de la tubería y recibida por el electrodo receptor. El tiempo que tarda esa onda en llegar es la misma cuando el flujo es cero. Al comenzar el flujo,la onda ultrasónica es acelerada levemente por el fluido en movimiento. Esto reduce el tiempo en que tarda en llegar al electrodo receptor. Este cambio en tiempo es directamente proporcional a la velocidad Conociendo el diámetro de la tubería, podemos saber el flujo: Q = Área · velocidad Electrodo EmisorElectrodo Receptor FLUJO

32 Principios de Medida - Flujo Método Ultrasónico de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Para diámetros grandes o con superficies no-reflectivos, se utiliza el arreglo que se observa en la figura Electrodo Emisor Electrodo Receptor FLUJO

33 Principios de Medida - Flujo Método Ultrasónico de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College

34 Principios de Medida - Flujo Método Ultrasónico de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College

35 Principios de Medida - Flujo Método Ultrasónico de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College

36 Principios de Medida - Flujo Método Electro-Magnético de Medida de Flujo: La Ley de Inducción de Faraday indica que un conductor en movimiento dentro de un campo magnético induce un voltaje eléctrico Mientras más rápido este movimiento, mayor será el voltaje inducido La velocidad resultante está dada por la siguiente ecuación de Faraday: U e = B · L · velocidad Donde: U e = Voltaje Inducido B = Fuerza del campo Magnético L = Distancia entre los Electrodos de Medición v = velocidad velocidad = U e / (B · L) Las bobinas que crean el campo magnético están en lados opuestos de la tubería, mientras que los electrodos que recogen el voltaje inducido están situados en lados opuestos, pero perpendicular a las bobinas. Al tener el fuido sin movimiento, no se indice voltaje, ya que la Ley de Faraday nos indica que éste debe estar en movimiento. Al comenzar a moverse el fluido, el voltaje inducido es proporcional a la velocidad del fluido. Conociendo el diámetro de la tubería, podemos saber el flujo: Q = Área · velocidad = [U e /(B ·L)] · A James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College

37 Principios de Medida - Flujo Método Electro-Magnético de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Q = Área · velocidad = [U e /(B ·L)] · A Bobinas que producen Campo Magnético Electrodos que miden el Voltaje Inducido Campo Magnético (B) Distancia entre Electrodos (L) Voltaje Inducido (U e )

38 Principios de Medida - Flujo Método Electro-Magnético de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College

39 Principios de Medida - Flujo Método Electro-Magnético de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College

40 Principios de Medida - Flujo Método Vortex de Medida de Flujo: El principio de operación de este método está basado en el hecho de que se forman vórtices en el flujo luego de pasar por una obstrucción en la tubería. Este fenómeno es conocido como el Kármán Vortex Street Cuando un fluido pasa por un objeto contundente, dentro del tubo de medición, se forman vórtices alternándose en ambos lados La frecuencia con que se forman estos vórtices es directamente proporcional a la velocidad promedio del fluido Al formarse éstos vórtices, se producen zonas de baja presión asociadas Estas zonas de baja presión son detectadas por un sensor capacitivo y es convertido a una señal para ser procesada por la electrónica del sensor Al añadir un sensor de temperatura, se puede computar el flujo másico del fluido James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College

41 Principios de Medida - Flujo Métodos Vortex de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Objeto Contundente VórticesSensor

42 Principios de Medida - Flujo Métodos Vortex de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Efecto Vortex

43 Principios de Medida - Flujo Métodos Vortex de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Efecto Vortex

44 Principios de Medida - Flujo Métodos Vortex de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College

45 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Método Dispersión Térmica de Medida de Flujo: El principio de operación de este método está basado en la remoción de energía térmica que ocasiona un fluido al pasar por un objeto a gran temperatura La cantidad de energía removida es directamente proporcional a la cantidad de masa pasando por el objeto En un metro de flujo por dispersión térmica, el fluido tiene que pasar por dos (2) sensores de temperatura. Un sensor está midiendo la temperatura del proceso, mientras que la otra es un elemento de calentar que recibe un voltaje para mantenerlo una temperatura constante. Mientras mayor es la masa que pasa por los elementos, mayor será la cantidad de energía necesaria para mantenerse a una temperatura constante La medida de este emergía (en watts) es directamente proporciional al flujo

46 Principios de Medida - Flujo Métodos de Dispersión Térmica de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College FLUJO Elemento de Temperatura para medir Proceso Elemento de Temperatura para medir Potencia

47 Principios de Medida - Flujo Métodos de Dispersión Térmica de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College

48 Principios de Medida - Flujo Métodos de Dispersión Térmica de Medida de Flujo: James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College

49 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Métodos Coriolis de Medida de Flujo:. Si una masa móvil se somete a una oscilación perpendicular a su dirección de movimiento, las fuerzas de Coriolis ocurren dependiendo del flujo másico Un metro de flujo másico de Coriolis tiene tubos oscilantes de medición para medir este efecto precisamente Las fuerzas de Coriolis se generan cuando un fluido (= masa) fluye a través de unos tubos oscilantes. Sensores en la entrada y salida registran el desplazamiento de fase resultante de la geometría de oscilación del tubo El procesador analiza esta información y la utiliza para calcular el flujo de masa. La frecuencia de oscilación de los propios tubos de medición, por otra parte, es una medida directa de la densidad de los fluidos La temperatura del tubo de medición también está registrado para compensar las influencias térmicas. Esta señal corresponde a la temperatura del proceso y también está disponible como una señal de salida

50 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Métodos Coriolis de Medida de Flujo: Tubería sin Flujo Tubería con Flujo

51 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Métodos Coriolis de Medida de Flujo: Tubería sin FlujoTubería con Flujo

52 Principios de Medida - Flujo James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas Junior College Métodos Coriolis de Medida de Flujo:

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