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Curso AADECA 2008 Instrumentación Caudal Capítulo 04
Coriolis
Ultrasonido Ing. Eduardo Néstor Álvarez
Mediciones másicas en líquidos Mediciones másicas en líquidos (endress)(endress)
Discontinua , directaDiscontinua , directa Continua e indirectaContinua e indirecta
m = V •m = V •
ρρ
ρ
= Densidad
V= caudal V= caudal volumétricovolumétrico
2.1002.100
mmii
En cambio Coriolis
mide en forma continua directa en linea
(dm/dt) = (dV/dt) •(dm/dt) = (dV/dt) •
ρρ
Medidores CoriolisLos medidores Coriolis, miden
masa
en forma
directa
y pueden
medir
densidad
y volumen. Ventajas: No tiene partes móviles, asegurando una mejor exactitud a lo largo del tiempo.No requiere instalaciones especiales, en consecuencia, bajos costos de instalación.
La alternativa
indirecta
para
medir
el masa
es
la de utilizar
un medidor
volumétrico
y un densitómetro
pero
se incrementan
los
costos
y errores
al utilizar dos instrumentos.
Medicion
de Masa ComparaciónMétodo/ Característica Coriolis Dispersión Térmica
Tipo de Fluido Gases y Líquidos Gases Puros y Límpios
Rangeability 100:1 1000:1
Linealidad
dentro Rangeability
0,1% 2%
Temperaturas Límite Usuales Cº
-50 ... +250 -10 ... +100
Que Medimos Masa Verdadera Masa Verdadera
Como Leemos Lectura Directa Lectura Directa
Dimensiones En conductos y hasta 6”(depende del Fabricante)
En conductos , independiente de la forma
Instrusiva
o No Intrusiva Intrusiva
Aceleración de coriolis
Fc= Fuerza
de CoriolisFc
= -2 m (W x v)m= Masav = VelocidadW = Velocidad
angular
(x es
producto
Vectorial)
Si
una
persona se desplazase desde
el centro
de una
calesita
y tratase
de caminar
en una línea
recta radial hacia
el borde
, tendría
que
inclinarse
de tal manera
de compensar
la fuerza
de coriolis
que
obraría
sobre ella. Dicha
fuerza
se calcula
mediante
la fórmula
aquí expuesta, que
incluye
la masa
en movimiento
(persona), la velocidad
angular del sistema
en el que
se mueve(calesita) , y la velocidad
lineal de la
persona respecto
de dicha calesita.
Aceleración de coriolis
(calesita)
Fuerza de Coriolis (expresión)
Aceleración de coriolis
(endress)
W = Velocidad Angular
VV = = Velocidad Radial
FF = = Fuerza de Coriolis
UU = Velocidad tangencial= Velocidad tangencial
w
U´´U´´
U´U´
UU
V´´
V´
V
F´
F
F¨
Medidores Coriolis
Características que lo hacen un buen elemento de medición: Bajo mantenimiento, sin partes móvilesAlta rangeabilidad (100 a 1)Repuesta linealCalibración estableExactitud en el orden de 0.1 % para liquidos (muchos la mejor de las tecnologías actuales)
¿Qué es un medidor Coriolis?
A. Un medidor volumétricoB. Un medidor másicoC. Un densitómetroD.
Todos los anteriores
En general incluye medición de Temperatura con el fin de efectuar compensaciones
Medidores Coriolis
Los medidores Coriolis
son objeto de interés en la medición de gas natural (Reporte AGA 11, Apéndice C, Catálogo No. XQ0112 –
Diciembre 2001)
La fuerza de coriolis influye en la forma de vibración del tubo
Medidores CoriolisLa fuerza de coriolis influye en la forma de vibración del tubo
Como se mide en Coriolis (endress)(rectos)
w = Velocidad Angular Fc = Furerza de CoriolisΔϕ= Diferencia de fase A,B = Sensoresy = Amplitudt = Tiempo
Δϕ ~ Fc
~ dm/dt
Tubo vibrante para transductor coriolis
Principio de funcionamiento
Medidores CoriolisLa fuerza de coriolis influye en la forma de vibración del tubo(Foxboro)
Medidores CoriolisLa fuerza de coriolis influye en la forma de vibración del tubo(Foxboro)
Las Bobinas Motoras impulsan eltubo para oscilar a la frecuencianatural.Las Bobinas Captoras midenla oscilacion:Densidad es medida porla frecuencia deVibracionCaudal masico seobtiene por el desfasaje.Tubo Foxboro:Un tubo de doble paso(sin split).Doble Impulsor (Drive).
Medidores CoriolisLa fuerza de coriolis influye en la forma de vibración del tubo(Foxboro)
Determinacion de caudal masico en linea:
Qmásico = K . ΔFi
K = Constante de elasticidad del material. Depende de latemperatura.
ΔFi= Desfasaje de frecuencias de oscilación de los Captores A y B.
En la ecuación no intervienen correcciones por presión de línea,temperatura (solamente al nivel de compensar la constante K),
densidad u otra propiedad de física del producto o de la operación.
Medidores CoriolisLa fuerza de coriolis influye en la forma de vibración del tubo(Foxboro)
Determinación de densidad en linea:Los tubos no vibran a cualquier frecuencia.Lo hacen a una frecuencia resonante característica.Esta frecuencia depende de:Factor de Forma del sensor.Material de construcción de los tubos (coeficiente de elasticidad del material: Acero Inoxidable, Hastelloy C, Titanio).Densidad del producto que llena los tubos.Al variar la densidad del producto, varia la frecuencia de resonancia del sensor.
Oscilador Simple W2 = ( K rigidez/Masa)La masa contenida en los tubos es función de la densidad, y en segundo orden de la temperatura ya que afecta al volumen de los mismos.
Medidores CoriolisLa fuerza de coriolis influye en la forma de vibración del tubo(Foxboro)
Principal requerimiento para una medición estable y confiable: Tubo sensor óptimo y balanceado.
Para mantener el tubo en un estado controlado de vibración resonante, necesariamente debe contener un fluido en una sola fase: líquida o gaseosa, pero una única fase.
QUE PASA CUANDO INGRESA UNA BURBUJA DE AIRE ?Transmisor tradicional (analógico o digital) controla la amplitud de
oscilación del tubo.
En el digital se configura una “VENTANA DE DENSIDAD”: Estado que define una frecuencia de resonancia media y se programa una ventana de variación de esa frecuencia (compensación electrónica).
Cuando hay un cambio brusco de densidad del fluido que circula por los tubos, se produce el desbalanceo y el transmisor pierde la resonancia del tubo.
Al estar fuera de la “VENTANA DE DENSIDAD” el transmisor “no sabe” si impulsar mas o menos el tubo.
Instrumento se detiene en la medición e indica STALL.LOS SENSORES DE CAUDAL MÁSICO NO PUEDEN OPERAR CON
FLUJO BIFÁSICO POR IMPEDIMENTO EN LA ELECTRÓNICA DE CONTROL.NO PUEDEN OPERAR CON UN VOLUMEN DE GAS SUPERIOR AL 5 %.
Medidores Coriolis
SOLUCIÓN A LOS PROBLEMAS DE FLUJO BIFÁSICO (Foxboro)
Nueva generación de transmisores digitales.DSP: Digital Signal Procesing Para mantener el sensor de caudal
en operación, las señales de los drivers o impulsores deben estar corregidas en frecuencia y en
fase para su oscilación resonante. Es posible seleccionando unaamplitud de impulso de los drivers (mediante la corriente deimpulso) deseada.Por todo esto se procesa digitalmente las señales.Así se mantiene un preciso control sobre los drives del sensor.Se adapta rápidamente a variaciones en las condiciones deproceso.DE ESTA FORMA NUNCA SE PIERDE EL CONTROL DEL CAUDALDENTRO DEL TUBO.No se configura ventana de densidad. No hay compensaciones pordesviaciones de densidad. No se establece un parámetro de
densidad media.
Tubo vibrante para transductor
coriolis. Principio de funcionamiento.
Siemens
Tubo vibrante para transductor coriolis. Principio de funcionamiento. Siemens
Montaje CentralAislación de las vibraciones de la cañería. Menores efectos debidos a las mismas y prolongala vida del sensor.Diámetro interior mas grande, disminuye las caidas de presión , trabaja con velocidades menores, y mejora la resistencia a la abrasiónLas paredes del tubo son mas gruesas, resistentes y seguras, estabilidad de largo período, un tubo solo tiene solo dos soldaduras.Una oscilación de mayor frecuenciaMejor aislación del ruido del proceso. Mayor Estabilidad y Repetibilidad.
Tubos vibrantes para transductor coriolis
(emerson)
Bobina
Generadora
BobinasCaptoras
Sensor Temperatura
Caja
Tubos
de Medición
Flecha
de Dirección
del flujo
BridaConexióna proceso
BridaConexióna proceso
Tubos vibrantes
para transduc-
tor coriolis
(emerson)
Tecnología de compensación de Vibraciones (Endress)
Péndulo
Recomendación
API para
Coriolis Figura
2 del
API MPM Capítulo
5.6m ABB
Recomendación Coriolis
Medidor coriolis en gasEl uso de materiales en contacto con las parteshúmedas deberá ser tenido en cuenta, por ejemplo:
Si hay presencia de halógenos en la mezcla
Si la condición de proceso está próxima al punto derocío de la mezcla de gas
Si los niveles de sulfuros exceden lo especificadosegún los lineamientos de NACE (NationalAssociation
of
Corrosion
Engineers)
Caída de Presión
2***2V
PgKfγ
Δ=
Coeficiente de Pérdida de Carga K:
Donde ΔP es la caída de presión
g la aceleración de la gravedad
γf peso específico del fluido
V velocidad del fluído
Caída de Presión
gVK
P f
*2** 2γ
=Δ
Reescribiendo la ecuación para resolver la caída de presión (ΔP), tenemos:
Montajes en línea horizontal y vertical para gases
Se debe asegurar que haya solo una fase dentro del sensor
Montajes en línea horizontal y vertical para líquidos
Se debe asegurar que haya solo la fase correspondiente dentro del sensor
Guía
de Instalación
Coriolis
Líquidos
Soportar
el medidor
en ó lo más
cercano
posible
de las
bridas
de conexión
Instalar
el medidor
en posición
“bandera” o con los tubos
hacia
abajo
Asegúrese
de la correcta
alineación
de las
bridasApropiado soporte del peso –
Evitar líneas
pandeadasLa caja del sensor no puede ser utilizada para soportar el sensor y/u otros equiposAlineación apropiada de la cañería y bridas.
Guía
de Instalación
Coriolis
Líquidos
Mantenga una contrapresión positiva en el medidor para reducir el riesgo de cavitación y flashingUtilizar un filtro de malla aguas arriba del medidor para protección, especialmente del probadorNo se requiere acondicionador de flujo tanto aguas arriba como abajoSe requieren válvulas de bloqueo tanto aguas arriba como abajo para poder establecer en forma adecuada el “cero”
Guía
de Instalación
Coriolis
Líquidos
Mantenga una contrapresión positiva en el medidor para reducir el riesgo de cavitación y flashing
Requerimientos de Instalación
Vibración:
los medidores coriolis
se deben aislar de las fuentes de vibración.
Temperatura:
dentro de –40 a 93°C para la temperatura de proceso del fluido (recomendación: es conveniente que la Temperatura del fluido esté por encima del punto de rocío en gas), y temperatura ambiente entre –25 y 55°C
Interferencias Electromagnéticas:
Los medidores coriolis
están diseñados para trabajar frente a EMI,
RFI, pero conviene que estén conectados lejos de estas fuentes de ruido.
Ajuste de Cero
¿Cuándo
debo
hacerlo?Cuando
se lo instala
por
primera
vez
o bien
se lo mueve
a
otra
posiciónEstablecer el “cero” del medidor requiere que el transmisor esté conectado al menos durante 30 minutosHaga circular el producto por el medidor asegurándose que se estabilizan las condiciones y que no hay aire en la líneaCierre las válvulas de bloqueo aguas arriba y abajoAsegúrese que el flujo se ha detenido completamenteAccione el inicio del proceso de “cero” del transmisor
Coriolis
ejemplo instalación (gases)
Ejemplo de Instalación (emerson)
Condiciones de Medición (Gas)
p . V = n . R . T (ecuación
de los
gases)Condiciones
Normal ( Normal )Métrico: p = 1,00 atm
/ t = 0o C
Americano:
p = 14,69 psi / t = 60o FEstándard
(Standard )
Métrico: p = 1,00 atm
/ t = 15o CAmericano:
p = 14,69 psi / t = 60o F
Real (de Proceso) (Actual )Presión
( p ) y Temperatura
( t ) de proceso
Sensores Ultrasónicos
La onda utrasónica
se genera mediante la excitación de un piezoelectrico
que
transmite su vibración a un elemento (parche) que genera ondas de presión en el
medio , fluído
en cuestión, esta onda debe ser detectada por un sensor de ultrasonido que usa el camino inverso al de la generación.
Pueden ser de Tiempo de Vuelo
o de efecto Doppler
Ultrasonido Doppler
El fluído
lleva partículas o burbujas que reflejan la señal
Q = K Δf
Ultrasonido tiempo de vuelo
Caudal y tiempo de vuelo
KQ21
21
•−
•=
MediciónMedición de caudal de caudal porpor ultrasonidoultrasonido
Haces de ultrasonido en sentidos distintos para sacar la diferencia de tiempo de vuelo.
MediciónMedición de caudal de caudal porpor ultrasonidoultrasonido
Clamp On (Externo, no Invasivo):Hay medidores que han sido diseñados para utilizar a la cañería como transductor ultrasónico, Aunque la mayoría usa la mayoríae el método donde los transuctores se clampean en las paredes del caño, eso produce rebotes secundarios que se filtran
De Inserción:Los transductores de inserción requieren cavidades en donde puede acumularse suciedad.Los transductores de inserción son susceptibes al efecto de “Beam Blowing”.Los transductores de inserción son susceptibles al Swirl.Los transductores de inserción requieren acondicionadores de flujo, e instalación en spool.
MediciónMedición de caudal de caudal porpor ultrasonidoultrasonido
MediciónMedición de caudal de caudal porpor ultrasonidoultrasonido ((Esco))
MediciónMedición de caudal de caudal porpor ultrasonidoultrasonido
Es Es unauna tecnologíatecnología nono--invasivainvasiva parapara aplicacionesaplicaciones de de CustodyCustody--Transfer de Transfer de líquidoslíquidos y gasesy gasesAlta Precisión.Alta Confiabilidad y Bajo Mantenimiento.Amplio rango de operación.Bajo costo de instalación y operación.Sin caída de presión.No afectado por el ruido producido por válvulas...
MediciónMedición de caudal de caudal porpor ultrasonidoultrasonido
Comparación entre hidrocarburo Gas y Líquido
En el Gas la velocidad de propagación del sonido es mucho
menor que en el Líquido.
EL Gas tiene una impedancia mucho menor que el Líquido.
Ambos llenan completamente la cañería y obedecen a la ley de Reynolds.
El Gas fluye a una velocidad mucho mayor que el Líquido.
Ambos son afectados del mismo modo por la aparición de otra fase: Aireacion en el líquido o líquido en el gas.
Para poder lograr un perfil de caudal totalmente desarrollado se requiere una longitud mayor de cañería
Similitudes y Diferencias entre hidrocarburos líquidos y gas naturalEn Gas la onda refractada tiene menor amplitud. Hay distintos índices de
refacción de las ondas, y difieren las impedancias entre líquido y gas.(esco)
MediciónMedición de caudal de caudal porpor ultrasonidoultrasonido
Vemos los montajes de los transductores
Abierto en prueba
Sin cables expuestos
Ultrasónicos nueva tecnologia. Cortesía Meditecnica
(Krohne)
Ultrasónicos nueva tecnologia. Cortesía Meditecnica
(Krohne)
Ventajas
Gran rango de DN diámetros nominales 15mm a 4000mm
Manejo de fluidos extremadamente corrosivos
Sin pérdidas de carga
Larga duración
Constante de tiempo entre 1 y 20 ms.
DesventajasAlta dependencia del perfil de velocidades (5 juegos)
Exactitud media a baja por su dependencia de las propiedades acusticas
del fluido.
Los depósitos en caños o sensores (sarro etc) afectan la medición.
Doppler
solo puede usarse para monitoreo.
Las temperaturas no pueden ser extremas
Si hay contaminación del fluido cambian las propiedades acusticas
y hay errores.
Si se desacomoda el perfil usual de velocidades tiende a disminuir la exactitud.
Reporte de testeado (Controltron)
American Petroleum InstituteLiquid Ultrasonic Meter Task Group
PROVE REPORT DATA FOR ULTRASONIC FLOWMETERProve Complete Counts
Date Time Meter IDNominal Meter
KF [Pulses/BBL]
%STDEV and Avg Deviation
Run 1 Run 2 Run 3 Run 4 Run 5 Run 6 Run 7 Run 8 Run 9 Run 10
4925 7964 5943 5945 5947 5949 5951 5953 5955 5957 5959 5961 780911/16/01 8:05:09 CNTRLTRN 2000.0 0.069% 20547 20516 20525 20546 20511 20536 20528 20545 20554 20537 126711/16/01 8:23:21 CNTRLTRN 2000.0 0.148% 20527 20544 20524 20549 20627 20537 20527 20541 20542 20525 126711/16/01 8:38:06 CNTRLTRN 2000.0 0.035% 20500 20494 20504 20503 20515 20490 20497 20504 20492 20501 126711/16/01 8:51:13 CNTRLTRN 2000.0 0.023% 20501 20490 20495 20493 20501 20501 20492 20496 20497 20504 126711/16/01 9:04:46 CNTRLTRN 2000.0 0.027% 20491 20492 20493 20499 20487 20497 20507 20498 20496 20499 126711/16/01 9:34:54 CNTRLTRN 2000.0 0.024% 20475 20478 20474 20469 20476 20470 20482 20467 20474 20481 126711/18/01 13:26:30 CNTRLTRN 2000.0 0.045% 20369 20346 20353 20349 20337 20350 20353 20340 20351 20359 126711/20/01 2:15:03 CNTRLTRN 2000.0 0.085% 20488 20462 20443 20434 20451 20476 20441 20473 20451 20468 126711/25/01 0:25:54 CNTRLTRN 2000.0 0.029% 20467 20464 20475 20478 20459 20468 20465 20471 20474 20473 126312/02/01 17:49:22 CNTRLTRN 2000.0 0.106% 20351 20273 20296 20299 20313 20337 20311 20314 20305 20312 125512/02/01 18:03:52 CNTRLTRN 2000.0 0.194% 20294 20314 20324 20338 20295 20329 20425 20301 20304 20294 125512/03/01 17:49:29 CNTRLTRN 2000.0 0.032% 20464 20478 20466 20479 20465 20466 20477 20482 20473 20472 125712/03/01 18:05:07 CNTRLTRN 2000.0 0.038% 20469 20494 20486 20486 20490 20490 20490 20489 20474 20483 125712/03/01 18:28:52 CNTRLTRN 2000.0 0.083% 20495 20476 20497 20486 20482 20535 20484 20483 20483 20479 125712/09/01 19:52:52 CNTRLTRN 2000.0 0.059% 20260 20268 20295 20285 20281 20286 20295 20270 20285 20292 125412/19/01 7:10:42 CNTRLTRN 2000.0 0.068% 20492 20466 20463 20462 20467 20474 20449 20446 20476 20451 125212/19/01 8:38:29 CNTRLTRN 2000.0 0.040% 20442 20446 20463 20450 20450 20443 20451 20463 20441 20442 125212/21/01 7:31:36 CNTRLTRN 2000.0 0.123% 20495 20417 20410 20445 20434 20413 20422 20417 20446 20435 124912/25/01 0:23:14 CNTRLTRN 2000.0 0.024% 20273 20266 20265 20267 20266 20265 20259 20256 20262 20260 1250
Average Deviation= 0.066%Avg Standard Deviation= 0.048%
Prover Reports for Liquefied Gas Clamp-On Ultrasonic Flowmeter Operation
Current VOS {m/s]