Introducción a la medición de flujo

Mediciones Industriales II
INSTITUTO SUPERIOR POLITÉCNICO
"JOSÉ ANTONIO ECHEVERRÍA "
Facultad de Ingeniería Eléctrica
INGENIERÍA EN AUTOMÁTICA
Curso 2015-2016

Tema III: Mediciones de flujo o caudal.
Conferencia 8: Introducción a la medición de flujo.
Introducción al trabajo con fluidos.
Clasificación de los instrumentos
de medición de flujo.
Métodos de Presión Diferencial.
 Captador Tubo Pitot.
 Captador Tubo Annubar
 Placa Orificio.
 Tobera.
 Captador Tubo Venturi.

Bibliografía:
 “Measurement systems, application and design”.
Cuarta Edición. Doebelin. Pags. 566-597.
 “Instrumentación Industrial”. Antonio Creus.
6ta edición. Pags. 80-123.
 “Instrumentación Industrial”. Antonio Creus. 8va edición.
2011. Pags. 105-161.

Objetivos
 Analizar la importancia de la medición de caudal en la
industria.
 Enunciar la clasificación de principios y métodos para
la medición de caudal volumétrico y másico.
 Definir el principio de funcionamiento de los medidores
volumétricos basados en presión diferencial.

Instrumentos de medición de flujo.
La medición de flujo o de caudal es una de las funciones
más importantes en las plantas industriales como método
de conocimiento de la cantidad de materiales utilizados
en la fabricación o desarrollo de un proceso tecnológico.
Sus aplicaciones fundamentales se relacionan con la
medición de gasto de agua, de vapor o de hidrocarburos.
Por lo que resulta una etapa esencial para aumentar la
eficiencia de las operaciones productivas.

Propiedades físicas de los fluidos.
La materia puede clasificarse por las formas físicas en que se
presenta. Estas formas, conocidas como fases son: la sólida, la
líquida y la de gas o vapor. Los fluidos comprenden las fases
líquida y gaseosa de la materia.
En general, todos se encuentran familiarizados con las
características distintivas de esas fases; por lo tanto, se debe
buscar una característica común que permita clasificarlos
simplemente como fluidos.

Este rasgo común y distintivo se establece como sigue:
Un fluido se deformará continuamente bajo esfuerzos
(tangenciales) cortantes, no importa cuán pequeños sean
éstos. Un sólido, por otra parte, se deformará
proporcionalmente a la fuerza aplicada, después de lo cual
se llegará al equilibrio estático.

Las propiedades de los fluidos más interesantes son:
a) La isotropía.
b) La movilidad.
c) La viscosidad.
d) La compresibilidad.

Propiedades de los Fluidos Hidráulicos
Densidad de Masa de una sustancia (ρ):
Es la cantidad de masa por unidad de volumen
Para el agua a presión atmosférica estándar 1.0133 x 105
N/m2
y a temperatura estándar 4°C, la densidad de masa
es:
m
V
 
3
1000
kg
m
 

Volumen específico de una sustancia (v):
Es el recíproco de la densidad ρ
Peso específico de una sustancia (𝛾):
Es su peso por unidad de volumen. Por ejemplo para el
agua a presión y temperatura estándar, su valor
corresponde con:
1



3
3
9.807 10
N
m
  

Existe una relación entre el peso específico y la
densidad de masa dada por:
Siendo g la aceleración de la gravedad
m w
g g
V V
     

Viscosidad:
La viscosidad expresa la facilidad que tiene un fluido para fluir
cuando se le aplica una fuerza externa.
Viscosidad absoluta o dinámica:
El coeficiente de viscosidad absoluta, o simplemente la
viscosidad absoluta de un fluido, es una medida de su
resistencia al deslizamiento o a sufrir deformaciones internas.
La unidad de viscosidad dinámica en el sistema internacional
(SI) es el pascal segundo.
(Pa•s) → (N•s/m2
) →(kg/m•s)

Coeficiente de Viscosidad dinámica (μ):
Es la resistencia causada por una lámina del fluido al movi-
miento paralelo de esa lamina u otra lámina del fluido a una
distancia unitaria de ella, con una velocidad relativa
unitaria.
Viscosidad cinemática (n):
Es la viscosidad dinámica dividida entre la densidad de
masa:

Presión Atmosférica:
Fuerza ejercida por la atmósfera por unidad de superficie.
Presión Relativa o Efectiva:
Es la presión medida con relación a la presión
atmosférica. Los manómetros miden presiones positivas.
Los vacuómetros miden presiones negativas.
Presión Absoluta:
Es la presión por encima del cero absoluto
Pabs = Pa + Pr

Número de Reynolds
Número de Reynolds (R):
Es la relación adimensional de la fuerza de
inercia con respecto a la fuerza viscosa.
Osborne Reynolds en 1904

Número de Reynolds

Tipos de Flujos
Flujo Laminar: Es aquel que es dominado por la fuerza de
viscosidad, se caracteriza por el movimiento suave, según
líneas paralelas, para un número de Reynolds por debajo
de 2000 el flujo es laminar.

Tipos de Flujos.
Flujo Turbulento: Es aquel que es dominado por la fuerza
de Inercia, se caracteriza por el movimiento irregular y como
remolino, para un número de Reynolds por encima de 4000
el flujo es turbulento.

Flujos
La solución de cualquier problema de flujo de fluidos
requiere un conocimiento previo de las propiedades
físicas del fluido en cuestión. De los valores exactos de
las propiedades de los fluidos que afectan a su flujo,
principalmente la viscosidad y el peso específico.
Para los fluidos que son utilizados normalmente, estos
datos se encuentran en las tablas y cuadros ofrecidos
por los distintos fabricantes.

Medidores de caudal
 Medidores Volumétricos:
Determinan el caudal a través de la medición de volumen
del fluido. Utilizan mediciones directas como los medidores
de desplazamiento, o medición indirecta como los
medidores de presión diferencial, o de área variable.
 Medidores Másicos:
Se determina el caudal a partir de la determinación de una
medida volumétrica compensándola para las variaciones
de densidad de fluidos; o bien determinando de forma
directa el caudal a partir de las características medibles de
la masa del fluido.

Flujómetro Método de medición Denominación
Medidores
Volumétrico
Presión diferencial
Plato orificio
Tobera
Tubo Venturi
Tubo Pitot
Tubo Annubar
Área Variable Rotámetro
Velocidad Vertedero
Turbina
Ultrasónica
Fuerza Placa de impacto
Tensión inducida Medidor Magnético
Desplazamiento Positivo
Disco giratorio
Pistón Oscilante
Medidor rotatorio
Torbellino Medidor de frecuencia

Flujómetro Método de medición Denominación
Medidores de
caudal de Masa
Térmico
Momento
Fuerza de coriolis

Instrumentos de medición de flujo basados
en presión diferencial.

Ecuación de Bernoulli
Altura potencial + altura cinética + altura de presión =
Constante 2 2
1 1 2 2
1 2
2 2
p p
z z
g g
 
 
    
 
Daniel Bernoulli

Tubo Pitot
El Tubo Pitot mide la diferencia entre la presión de
impacto y la presión estática.
Presión estática: fuerza por unidad de área que actúa
en una pared; la ejercida por un líquido en reposo
sobre el recipiente que la contiene; o aquella ejercida
por un líquido que se mueve paralelamente a la
tubería.

Tubo Pitot
El Tubo Pitot es sensible a las variaciones de la
velocidad en la sección de tubería donde se
encuentra, de aquí que en su empleo es esencial que
el flujo sea laminar, instalándolo en un tramo recto de
la tubería.
Es un instrumento empleado normalmente para medir
grandes caudales de fluidos limpios, con una baja
pérdida de carga.

Variantes de tubo de Pitot:
Variante 1:

Variante 2:

Tubo Pitot
Para una tubería horizontal la ecuación de conservación
de la energía del
fluido es la
siguiente:
 
   



1212
1
121
2
112
22
2
2
ppg
g
ppg
V
ppV
g
V
g
p
g
p






P2 = Presión de impacto o total absoluta
en el punto donde el líquido anula sus
velocidad;
P1 = Presión estática absoluta en el fluido;
ω: peso específico;
ρ = Densidad; V1 = Velocidad del fluido
en el eje de impacto.

Tubo Pitot
A partir de aquí, se introduce el coeficiente de
velocidad C. Este coeficiente se determina
experimentalmente y su objetivo es tener en cuenta la
distribución irregular de velocidades y las
irregularidades de la tubería.
 

gPP
CV
212
1



Tubo Pitot
Si la medición de presión se realiza con un manómetro de
mercurio la expresión tendría otra forma:
ghCV
fm
21

 


Tubo Pitot
Ventajas Desventajas
Simple montaje No puede ser utilizado
para medir fluidos con
partículas sólidas
Amplia gama de medición Presenta una precisión
baja del orden del 1,5 al 4
%.
Puede ser utilizado lo
mismo en canales
abiertos que en tuberías
de gran diámetro
La presión de trabajo
puede llegar a los 400
Kg/cm2
y la temperatura
hasta 500 °C.

Tubo Annubar

Tubo Annubar
1. El tubo Annubar es una innovación del Tubo Pitot,
ya que consta de dos tubos: uno de presión total y
otro de presión estática.
2. El tubo que mide la presión total está situado a lo
largo de un diámetro transversal de la tubería y
consta de varios orificios de posición crítica
determinada por cálculos. Cada orificio cubre la
presión total en un anillo de área transversal de la
tubería.

Tubo Annubar
3. En tuberías de tamaño mayor que 1” se dispone
en el interior del tubo, otro que promedie las
presiones obtenidas en los orificios. El que mide la
presión estática se encuentra detrás del de presión
total con su orificio en el centro de la tubería y
debajo de la misma.

Características del Tubo Annubar
Es de mayor precisión que el tubo de Pitot
del orden de 1-3 %.
Tiene una baja pérdida de carga.
Se emplea para la medida de pequeños o
grandes caudales de líquidos y de gases.

Rosemount 485 Annubar® Primary Element

Placa (plato) Orificio

Placa Orificio
Una placa orificio es una restricción con una abertura
más pequeña que el diámetro de la tubería.
Debido a esta pequeña sección, la velocidad del fluido
aumenta, causando la correspondiente disminución de
la presión.
Dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior
de la placa, captan esta presión diferencial la cual es
proporcional al cuadrado del flujo.

Placa Orificio
El orificio de la placa orificio típica puede ser
concéntrico, excéntrico o segmentado. Con un
pequeño orificio de purga para los pequeños arrastres
sólidos o gaseosos que pueda llevar el fluido.

Placa Orificio

Features of the Rosemount 1495
Orifice Plate:
Features of the Rosemount 1595
Conditioning Orifice Plate
Wet Gas Flow Measurement
with Conditioning Orifice
Meter Flow Test Data Book
and Flow Handbook

Características de los platos orificios
La placa orificio es el sensor de caudal más
comúnmente utilizado. Principio de
funcionamiento muy simple.
Presenta una presión no recuperable muy
grande, debido a la turbulencia alrededor de la
placa, lo cual ocasiona un alto consumo de
energía.
Bajo costo y amplia aplicación.
Mayor pérdida de presión.
Precisión de 2 a 4%.

Desde el punto de vista dinámico, el plato-orificio
puede representarse por un modelo lineal de primer
orden con una constante de tiempo.
Donde: Cd = coeficiente de descarga.
Ao = área del orificio.
 = densidad del fluido.
l = distancia entre las tomas.
wo = caudal másico en el punto de operación.
Ap = área de la tubería.



C A l
w A
d o
o p
2 2

Tubo Venturi

Tubo Venturi
El tubo Venturi es similar a la placa orificio, pero está
diseñado para eliminar la separación de capas
próximas a los bordes y por lo tanto producir arrastre.
El cambio en la sección transversal produce un cambio
de presión entre la sección convergente y la garganta,
permitiendo conocer el caudal a partir de esta caída de
presión.
Aunque es más caro que una placa orificio, el tubo
Venturi tiene una caída de presión no recuperable
mucho menor.

Características del tubo Venturi
• Permite la medición de caudales mayores a los de
la placa orificio en iguales condiciones de servicio
con menores pérdidas de carga.
• Posee una gran precisión del orden de 0.75%.
• Permite el paso de fluidos con un gran por ciento
de sólidos.
• Su costo es elevado.

Tobera

Tobera
Se encuentra situada en la tubería con dos tomas
una anterior y la otra en el centro de la sección más
pequeña.
Se pueden emplear en las tuberías que poseen un
diámetro mayor que 50 mm, lo que permite
caudales superiores a los de la placa orificio en las
mismas condiciones de servicio.

Características de la tobera.
• Su pérdida de carga es de 30 a 80% de la presión
diferencial.
• Puede emplearse para fluidos que arrastren sólidos en
pequeñas cantidades.
• El costo de la tobera es mayor que el plato orificio y su
precisión es del orden del 1 al 1,5 %.

Conclusiones
Todos los métodos en que se basan los medidores de
caudal volumétricos de presión diferencial realizan una
conversión del caudal a la variable presión diferencial.
Por tanto se utiliza un instrumento de medida de
presión para expresar el caudal.
Estos instrumentos pueden tener indicación local o
utilizarse como transmisores.
La selección de estos instrumentos depende,
generalmente de la aplicación de los mismos y del tipo
de fluidos.

Estudio independiente
1. Investigue sobre nombres de los fabricantes
que comercializan los medidores de flujo
analizados en la conferencia.
2. Investigue aplicaciones de los medidores de
caudal volumétrico basados en presión
diferencial.

Estudio independiente
3. Investigue en la bibliografía de la conferencia
cuáles son las normas que se utilizan para el
diseño de placa orificio, toberas y tubos Venturi.

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