SENSOR DE CAUDAL PLACA DE ORIFICIOESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES “ECCI”

TERRY JULIETH MENA SANCHEZCOD:2011270013

BOGOTA, SEPTIEMBRE 2013

INTRODUCCIÓNEn toda la industria se manejan grandes procesos como la seguridad de la planta, la calidad del producto, el impacto ambiental, entre otros, siendo la base o razón para hacer que los medidores de caudal sean más apetecidos no solo por su funcionalidad sino por su posibilidad de ahorro que pueden ofrecer.

El caudal es una indicación de que tanto fluido en peso o volumen se está moviendo, o sea es que tanta cantidad de fluido está pasando por un determinado punto dentro de un período específico de tiempo.(1)

Los sensores de caudal junto con el control automatizado de procesos proveen diferentes soluciones que son cada vez más requeridas por las diferentes organizaciones, buscando visualizar, totalizar y registrar la información que estos proveen.

Es por esto mismo que se presentan diversos tipos de sensores de caudal, algunos son más comunes que otros ya sea por su precio, su coste de operación, su tamaño entre otros grupos. Se estima que actualmente, al menos un 75% de los medidores industriales en uso son dispositivos de presión diferencial, siendo el más popular la placa de orificio.(2)

1. MARCO TEÓRICO Hay diferentes tipos de sensores de caudal, como se ilustra en la figura 1.

Figura 1.

En este caso se indagara sobre un sensor de caudal de presión diferencial llamado Placa de Orifico.

Los S.C.P.D o también conocidos como deprimógenos, se denominan así gracias al elemento primario cuya instalación produce una diferencia de presiones (pérdida de carga), que se vincula con el caudal que circula, en una relación determinable.(3)

Se sabe que cualquier restricción de fluido produce una caída de presión después de esta, lo cual crea una diferencia de presión antes y después de la restricción. Esta diferencia de presión  tiene relación con la velocidad del fluido y se puede determinar aplicando el Teorema de Bernoulli, y si se sabe la velocidad del fluido y el área por donde está pasando se puede determinar el caudal.(4)

El Teorema de Bernoulli recibe su nombre por Daniel Bernoulli que en el año 1726, proclama que en toda corriente de agua o de aire la presión es grande cuando la velocidad es pequeña y, viceversa.

El teorema maneja los tres tipos de energía que contiene un fluido y pueden cambiar de un punto a otro de la guía. Los tres tipos son:

Energía cinética: por la velocidad de flujo.

Energía potencial gravitatoria: Debida a la altitud del fluido.

Energía debida a la presión de flujo (hidrostática): referente la presión a la que está sometido el fluido.

Expresando el Teorema de Bernoulli en forma matemática se tiene que:

Dónde:

v es la velocidad de flujo del fluido en la sección considerada. g es la constante de gravedad. h es la altura desde una cota de referencia. p es la presión a lo largo de la línea de corriente del fluido (p minúscula). ρ es la densidad del fluido.

El S.C.P.D Placa de orifico es reconocido como uno de los mecanismos de medición más antiguos, fue diseñado para la medición de gases aunque es muy aplicado para los sistemas hídricos de cualquier edificio identificando el consumo de agua en las tuberías.

En el año 1991, se reúnen varios ingenieros de renombre mundial con el fin de establecer un estándar, el cual incluía las características geométricas, de instalación y operación de este S.C. Esta información fue recogida en la Norma ISO 5167-1.

1.1 COMPONENTES

1.1.1 ELEMENTO PRIMARIO

Se encuentran dentro de la tubería, se integran por el orificio y la placa de orificio, que consiste en una placa delgada y plana (de 1/8” a 3/8” de espesor) con una perforación circular que guarda diferentes posiciones en relación con el centro de la tubería, esta posición puede ser concéntrica, excéntrica o segmentada (Figura 2). El orificio de la placa puede tener diferentes posiciones. La placa se construye de acero inoxidable tipo 316 para garantizar su dureza.

Figura 2. (A)

Dónde:

A= Se utiliza para gases o líquidos. Es el más comúnmente utilizado y el orificio es circular.B=Líquidos con considerables cantidades de gas. El orificio es circular pero no es concéntrico con la tubería.C=Gases con considerable cantidad de líquido condensado, líquidos con arrastre de sólidos. El orificio es circular pero no es concéntrico con la tubería.D=Líquidos con posible sedimentación de sólidos. El orificio tiene la forma de un segmento circular tangente en un punto a la circunferencia interna de la tubería.

Perfiles de Orificio: Su función es la de evitar arrastres de solidos o gases, y se clasifican en tres tipos (Figura 3).

Figura 3. (B)

1.1.2 ELEMENTO SECUNDARIOPueden ser identificados fácilmente pues se encuentra fuera de la tubería, puesto que son utilizados para medir la presión mediante tomas de presión. Generalmente se coloca una de presión antes de la placa de orificio y otra después (Figura 3).

Figura 4. (C)

Tomas en la brida: De fácil instalación, ya que las tomas están taladradas en las bridas que sostienen la placa. Se ubica a 1D corriente arriba y a 1 D corriente abajo; utilizada a menudo en tuberías de 2 D o más (Figura 5, (a)).

Tomas en la Vena Contraída: La toma de alta presión se posiciona a 1D, aguas arriba de la placa, y la de baja se presión puede colocarse según sea la elección del instalador, teniendo la precaución de situarla en un lugar donde la vena alcanza a su diámetro más pequeño (Figura 5, (b)).

Tomas en la Tubería: Las tomas de alta y baja presión se sitúan respectivamente a 2.5 y 8 D de tubería correspondientemente. Se utilizan cuando se quiere aumentar el intervalo

de medida en un S.C. Su instalación requiere un gran recorrido recto de tubería (Figura 5, (c)).

(a) (b) (c)

Figura 5. (D)

2. FUNCIONAMIENTOBasándose en la figura 6 se expondrá el funcionamiento. La explicación se toma de la publicación “SERIE AUTODIDÁCTICA DE MEDICIÓN DEL AGUA”. (6)

Figura 6. (E)

La placa de orificio (punto C) insertada en la tubería origina que el agua choque con la placa y disminuya su velocidad. Debido a la reducción de la velocidad, la presión justo antes del orificio (punto B) es un poco mayor que la presión de operación en la línea de conducción aguas arriba (punto A).

Al pasar el agua por el orificio, para compensar la disminución del área, la velocidad aumenta y la presión disminuye, llegando a su menor valor cuando la velocidad es máxima.

Aguas abajo de este punto, el flujo de dispersa, disminuye la velocidad y se presenta un aumento de la presión en el punto D.

Después de la placa, la velocidad se recupera porque el agua circula en toda la tubería (punto E). Vamos a llamar la presión aguas arriba de la placa de orificio como h1, mientras que la presión aguas abajo como h2. La diferencia entre ambas (h1-h2) se conoce como la presión diferencial, la cual simbolizaremos por h.

3. CONSIDERACIONESEl orifico generalmente es afilado aguas arriba y biselado aguas abajo, aunque con el paso de fluidos contaminados o sucios tienden a producir erosión en el filo de la placa y orifico.

CONCLUSIONESEl S.C.P.D de placa de orificio es el más utilizado en la industria por su facilidad de instalación y sus diversas presentaciones que permiten que puedan ser intercambiados entre si las diferentes placas, sin contar el beneficio que representa poder controlar la posición de las tomas de presión.

Cabe indicar que ha perdurado en el paso del tiempo por sus características técnicas y fácil funcionamiento.

Si se le compara con los otros S.C.P.D posiblemente se observaría que al requerir mediciones más específicas sería mejor recurrir a otro tipo, pero su mayor inconveniente radica cuando se pretende medir fluidos que atraviesan diferente fases, puesto que pueden arrojar un error.

REFERENCIAS WEB(1),(2),(4).http://www.industriaynegocios.cl/Academicos/AlexanderBorger/Docts%20Docencia/Seminario%20de%20Aut/trabajos/trabajos%202003/Sem%20Aut%20%20Caudal/web-final/Medidores%20Diferenciales.htm(3). http://materias.fi.uba.ar/7609/material/S0305MedicionCaudal1.pdf(5),(6). http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Noticias/Placa_orificio.pdf

FIGURAS(A).http://galia.fc.uaslp.mx/~cantocar/alfonso_perez_garcia/instrumentacion/texto/INSTRU.pdf(B),(C).http://www.industriaynegocios.cl/Academicos/AlexanderBorger/Docts%20Docencia/Seminario%20de%20Aut/trabajos/trabajos%202003/Sem%20Aut%20%20Caudal/web-final/Medidores%20Diferenciales.htm(D).http://webs.ono.com/instrumentacion/Medir_Caudales_1.htm(E). http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Noticias/Placa_orificio.pdf

ABREVIATURAD= Diámetro.S.C.= Sensor de Caudal.S.C.P.D= Sensor de Caudal de Presión Diferencial.