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Gestión de la Medición Del Gas Natural_________________________________________________

Doc. No. 3 MEDIDORES TIPO VORTEX

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MEDICIÓN DE GAS POR VORTEX Pertenecen a la familia de los medidores de flujo oscilatorios que emplean la formación de vortices, con la cual producen una salida digital o pulso que provienen de la naturaleza dinámica y física del fluido. Este pulso natural relaciona la frecuencia con un caudal y es producido sin partes móviles, por lo cual se consideran muy confiables este tipo de mediciones. El fenómeno de emisión de vortices no es nuevo, ocurre en la naturaleza. Las primeras observaciones registradas fueron hechas por Leonardo Da Vinci hace más de 400 años cuando percibió la formación de remolinos aguas abajo de una roca en una corriente de agua. En aquel momento, a pesar de que se intereso por observar, el fenómeno no tenía valor práctico. Se requirió los avances en la electrónica moderna para hacer algún uso de este fenómeno. 1. Principio de operación Cuando un medio fluido golpea un objeto no aerodinámico u obstrucción, se separa y mueve alrededor del objeto continuando su movimiento aguas abajo. En el punto de contacto con el objeto, una corriente de vortices o remolinos se separan del objeto alternativamente a los lados de este. Cuando esto ocurre, la separación o emisión causa un incremento local en la presión y un decremento en la velocidad sobre un lado del objeto, y un decremento local de la presión con su correspondiente aumento en la velocidad en el otro lado del objeto (Figura 1). Después de la emisión en uno de los lados, el proceso se invierte y un remolino o vértice es formado en el otro lado del objeto, de esta manera los vortices se forman continuamente. La frecuencia del proceso de emisión es proporcional a la velocidad del material que fluye alrededor del objeto conocido como cuerpo no aerodinámico (bluff body). Una ilustración del fenómeno de emisión de vortices es una bandera ondeando en el viento. Como el viento pasa por el asta de la bandera, el asta actúa como el cuerpo no aerodinámico, provocando la formación de vortices. Como los vortices son formados por el asta, la turbulencia pasa la bandera con las áreas alternativas de alta y baja presión sobre uno y otro lado de la bandera. Estas áreas alternativas de alta y baja presión son las que causan el ondeo de la bandera con el viento. Los primeros estudios fueron conducidos por Theodor von Karman en 1912 usando un cilindro circular como cuerpo no aerodinámico. Trabajos mas

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recientes han probado que el uso de un objeto no aerodinámico con bordes afilados para definir el punto de separación de los vortices produce una turbulencia de vortices de mayor consistencia. Debido a los trabajos de von Karman, esta serie de vortices ha sido llamada “calle de vortices de von Karman” (Figura 2). Figura 1. Generación de vortices Disminución de la velocidad Aumento de la presión

FLUJO

Disminución de la presión Aumento de la velocidad

Figura 2. Calle de vortices de Von Karman

FLUJO

Calle de vortices de Von Karman

El fenómeno de emisión de vortices no ocurre únicamente en las corrientes alrededor de las rocas, también alrededor de columnas en los puentes, alrededor de los soportes en las plataformas de perforación y alrededor de los edificios altos. Los ingenieros deben tener en cuenta el fenómeno de emisión de vortices cuando se diseñan estas estructuras, ya que pueden ocurrir daños si la turbulencia generada por los vortices, mientras se mueven aguas abajo, golpea otro objeto que se encuentra directamente en su ruta. En una tubería, este efecto es normalmente disipado con unos pocos diámetros aguas abajo del cuerpo no aerodinámico, por lo cual no se espera que ocurran daños en los sistemas de tubería por esta causa.

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1.1 Modelo matemático La frecuencia de emisión de vortices es directamente proporcional a la velocidad del flujo en la tubería, lo cual permite medir el caudal mediante la detección de la frecuencia de formación de los vortices a los lados del cuerpo no aerodinámico. La velocidad del fluido es proporcional a la frecuencia de los vortices y al ancho del cuerpo. La relación de proporcionalidad es llamada como el número de Strouhal, el cual es adimensional. St 

fd __

Ecuación 1

v

Donde, Número de Strouhal, St : Frecuencia de emisión, f: Ancho del cuerpo no aerodinámico, y d: __

v:

Velocidad promedio del fluido.

El ancho del cuerpo dentro de un medidor es fijo, por lo tanto es una constante. La frecuencia de emisión entonces es linealmente proporcional al promedio de la velocidad del flujo sobre un amplio rango de número de Reynolds. El rango de frecuencia va desde un valor tan bajo como 1 o 2 ciclos por segundo a miles de ciclos por segundo dependiendo de la velocidad del fluido, el medio, y el tamaño del medidor. Los medidores empleados en gas normalmente tienen frecuencias típicas alrededor de 10 veces la frecuencia encontrada para aplicaciones de líquidos. Esto ocurre debido a que las velocidades de flujo de gas son normalmente mucho más altas que las velocidades de líquidos en tuberías del mismo tamaño. Figura 3. Modelo matemático

__

v

d

Puesto que es esencial la formación adecuada de los vortices, la forma y dimensiones del cuerpo no aerodinámico han sido experimentalmente determinadas para obtener el balance deseado de características, esto ha

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resultado en una gran cantidad de configuraciones para estos elementos. La única característica que se ha vuelto universal es que el cuerpo no aerodinámico debe tener un borde recto en su lado aguas arriba (el borde que esta de cara al flujo), este borde recto es el que mejora la fuerza y regularidad durante el fenómeno de emisión de vortices. También mejora la exactitud y alcance de medición necesaria para la mayoría de aplicaciones industriales. Los medidores Vortex funcionan dentro de la exactitud establecida por los fabricantes para todos los números de Reynolds desde 10000 o 20000 hasta 10000000. En algunos casos estos equipos son ofrecidos para medición en números de Reynolds muy bajos con un pequeña reducción en la exactitud, por ejemplo, si el medidor es usado para aplicaciones de control de procesos, esta reducción en la exactitud puede no causar ningún problema significativo para el usuario. 1.1.1 Obtención del caudal Para considerar el desarrollo matemático involucrado en los medidores Vortex, la relación de caudal volumétrico es: __

QV  A v Ecuación 2

Donde, QV : Caudal volumétrico, A: Área de la sección transversal y __

v:

Velocidad promedio.

Si se sustituye la velocidad promedio en términos del número de Strouhal (Ecuación 1 y 2), la relación se vuelve:

QV 

fdA Ecuación 3 St

Como el número de Strouhal es constante sobre un amplio rango de números de Reynolds, y el ancho del cuerpo no aerodinámico junto con el área de la sección transversal del medidor también lo son, se define un nuevo término que agrupa los anteriores, el cual es conocido como K-factor, reescribiendo la relación para caudal volumétrico como:

QV 

f Ecuación 4 K

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Al igual que en otros medidores de caudal que producen señales de frecuencia como las turbinas, el K-factor puede ser definido como los pulsos por unidad de volumen (pulsos por metro cúbico). Siendo este el caso, todo lo que se necesita es determinar que cantidad de pulsos por unidad de tiempo están siendo generados para encontrar el caudal. Cuando se requiere realizar la totalización del flujo, es necesario únicamente contar los pulsos para conocer cuanto volumen ha sido acumulado. Por otro lado, el caudal másico se obtiene a partir del caudal volumétrico (Ecuación 5) mediante la utilización de la densidad del fluido que esta siendo medido:

QM  f

f Ecuación 5 K

1.1.2 Caudal a condiciones base Se debe resaltar que los Vortex miden velocidad y no miden masa. Si el medidor es usado para medir gas, y la temperatura y presión del gas son constantes, el medidor puede ser programado para leer unidades de volumen “estándar”. Si la densidad está sujeta a cambios por la variabilidad en la temperatura y/o presión de operación del gas, se deben compensar estos cambios para no incurrir en error. Para obtener el caudal volumétrico a condiciones base, (por ejemplo: caudal volumétrico estándar), es necesaria la densidad a las condiciones de presión y temperatura de flujo.

 f  f QB    *  b  K Donde, QB : Caudal a condiciones base, f : Densidad a condiciones del fluido, b : Densidad a condiciones base.

Ecuación 6

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2. Aspectos constructivos Los medidores vortex están constituidos por dos elementos: el tubo de flujo (algunas veces referenciado como el dispositivo primario) y el dispositivo de salida (referenciado como el dispositivo secundario).

2.1 Tubo de flujo El tubo de flujo es una parte integral del sistema de tubería, está conformado por: cuerpo del medidor, cuerpo no aerodinámico (bluff body) y sensor. 2.1.1 Cuerpo del medidor El cuerpo del medidor está normalmente disponible en dos estilos: una versión con bridas la cual es ajustada directamente a las bridas del sistema de tubería y una versión tipo “wafer”, sin bridas, la cual se asegurada entre las dos bridas adyacentes de la tubería mediante pernos. La versión con bridas es disponible en diferentes tamaños y categorías y generalmente es mas costosa que la versión tipo “wafer”. Figura 4. Partes del medidor Dispositivo de salida

Dispositivo de indicación

Sensor

Cuerpo del medidor Cuerpo no aerodinámico Flujo

2.1.2 Cuerpo no aerodinámico (bluff body) El cuerpo no aerodinámico es un elemento estructural posicionado en la sección transversal del cuerpo del medidor. Su forma, dimensiones y su relación con el área abierta en la sección transversal en el cuerpo del medidor influencian la linealidad del K-factor.

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Figura 5 - Diferentes formas del bluff body

No existe una forma ideal para el cuerpo no aerodinámico, por lo cual existe gran variedad de diseños, en la Figura 5 se muestran algunos de los diseños más utilizados, los cuales son derivados a partir de formas básicas (cuadrados, triángulos, círculos). Los estudios acerca de los medidores Vortex que involucran la forma adecuada del cuerpo no aerodinámico, han determinado algunos aspectos importantes como:  



El cilindro que presenta un canal es ligeramente mejor que el cilindro sólido. La forma rectangular produce una relación alta entre la señal y el ruido, razón por la cual esta forma produce gran arrastre, impulsando los vortices de tal manera que estos pasan más rápidamente por la cara posterior, fortaleciendo y estableciendo la emisión de vortices. El cuerpo en forma de T fue el mejor, debido a que la parte posterior ayuda a controlar la emisión y produce una alta relación entre la señal y el ruido, la cual es aproximadamente constante a través de todo el alcance del medidor.

2.1.3 Detector de vortices Es el elemento encargado de realizar la detección del paso de los vortices generados por el cuerpo no aerodinámico, para realizar esta función existe una amplia variedad de técnicas de medición. Las características más importantes de estos elementos son: sensibilidad al efecto de los vortices e inmunidad a otras influencias tales como temperatura, pulsos de presión, vibraciones, etc. De igual forma las fluctuaciones en la velocidad y la presión en el área de emisión de los vortices pueden afectar la sensibilidad de los elementos.

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Los primeros diseños de medidores Vortex incorporaban un elemento magnético, que por efecto de los cambios de presión presentaba un movimiento alternativo (atrás y adelante) dentro del cuerpo no aerodinámico. Este método tiene una tendencia a causar problemas, porque los pequeños pasajes por los cuales se mueve el elemento son propensos a los taponamientos debido a la presencia de material extraño en la corriente del fluido. Otro de los primeros diseños incorporaba un termistor, el cual podría detectar las pequeñas diferencias de temperatura en el cuerpo no aerodinámico cuando los vortices se separan del elemento. Este diseño presenta inconvenientes por causa de las interferencias de la temperatura de proceso. Los últimos diseños utilizan cristales piezoeléctricos, los cuales generan un pulso eléctrico al paso de cada uno de los vortices. Otro método disponible es la detección de vortices mediante una onda sónica, la cual es dirigida diagonalmente a través del flujo, esta onda es desviada por el movimiento de los vortices, generando un pulso de salida. Con respecto al mejor método para la detección de vortices, se ha invertido considerable cantidad de tiempo y esfuerzo para desarrollar el mejor método de detección. Cada diseño tiene sus razones para afirmar la superioridad técnica con respecto a los demás, por lo cual, la selección se debe tener en cuenta la aplicación particular. A continuación se presentan un resumen de las diferentes opciones disponibles para la detección de los vortices (Tabla 1). Tabla 1. Detectores de vortices Fenómeno físico Método empleado  Sensor de esfuerzos piezoeléctrico Movimiento del esfuerzo mecánico  Sensor de esfuerzos capacitivos sobre el cuerpo no aerodinámico  Sensor óptico  Sensor de presión piezoeléctrico Cambio de la presión diferencial  Sensor de presión capacitivo lateralmente a través del cuerpo no  Bola de oscilación, lengüeta, cola aerodinámico  Inductancia variable  Termistor Cambio de la velocidad alrededor del  Anemómetro de hilo caliente cuerpo no aerodinámico  Sensor ultrasónico Los sensores pueden ser montados dentro o fuera del cuerpo no aerodinámico, o pueden ser localizados fuera del cuerpo del medidor.

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Se debe tener en cuenta que la densidad del fluido afecta el desempeño de los sensores de vortices. A baja densidad el fluido puede limitar el desempeño a bajos caudales, debido al relativamente bajo nivel de energía con que cuentan los vortices. Por otro lado, cuando se cuenta con alta densidad del fluido se puede limitar el desempeño en los caudales altos por causa del daño a los sensores por la gran energía de los vortices. 2.2 Dispositivo de salida Los dispositivos de salida convierten la señal medida en una lectura digital de caudal, lectura digital del flujo total, un pulso de una señal de pulsos escalada, y/o una salida análoga estandarizada. 3. Desempeño El desempeño de los medidores Vortex está definido por: K-factor, linealidad, alcance de medición y exactitud. 3.1 K-factor Relación del número de pulsos de salida del medidor con respecto al volumen total de fluido que pasa a través del medidor durante un periodo de tiempo medido. La variación en el k-factor puede ser considerada como una función del número de reynolds o del caudal a un conjunto especifico de condiciones termodinámicas (Figura 6). En metrología legal estas características son dadas normalmente en relación con el caudal, el cual puede ser obtenido a partir del número de Reynolds. El K-factor promedio (Kprom) es comúnmente usado y definido como: K prom 

K max  K min Ecuación 7 2

Donde, K max Máximo K-factor sobre un rango lineal designado K min Mínimo K-factor sobre el mismo el mismo rango

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Figura 6. K-factor

K-factor

Kmax

Kmin

Re El k-factor puede cambiar con la presión y los efectos térmicos en el cuerpo del medidor, para lo cual se deben tener ciertas consideraciones como se explicará mas adelante. Por otro lado, se deben consultar las especificaciones de cada medidor cuando este va a ser empleado en líquido o en gas, ya que el k-factor puede presentar ciertas diferencias.

3.2 Linealidad La linealidad (L) se refiere a la constancia del K-factor sobre un rango especificado, definido por el número de Reynolds en la tubería o por el caudal. Este rango lineal es usualmente especificado mediante una banda definida por el máximo y mínimo K-factor, dentro de la cual el K-factor se asume como igual al Kprom. La linealidad se define como:

L

K max  K min * 100% Ecuación 8 2 K prom

Los límites máximo y mínimo de la linealidad son especificados por el fabricante y generalmente están sujetos a las limitaciones de diseño del medidor, tales como: perfil de velocidad, viscosidad, densidad, presión, temperatura o efectos de la instalación.

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Figura 7. Linealidad

K-factor

Linealidad [%]

Rango lineal designado Re 3.3 Alcance de medición Relación entre el máximo y mínimo caudal o número de Reynolds en el rango sobre el cual el medidor conserva su linealidad (3.2). Bajo ciertas condiciones el medidor puede ser utilizado fuera del rango de linealidad. Como el número de Reynolds decrece por debajo del límite de linealidad, la emisión y detección de vortices puede volverse cada vez más difícil y eventualmente la emisión de los mismos puede cesar. 3.4 Características metrológicas Las características metrológicas en los medidores Vortex dependen de muchos factores como:    

Alcance de medición (30:1 para gases), Instalación apropiada del medidor, Compensación de temperatura (ejemplo, 0,3%/50ºC), y Calibración mediante un fluido similar al fluido de trabajo (similar número de Reynolds).

Para aplicaciones de gases y vapor con Reynolds superior a 20000 se acepta un nivel de exactitud del orden de 1 a 1,5%, en cuanto a linealidad se maneja un rango mejor que +/-1,0 % y para repetibilidad 0,2%. Algunos estudios han demostrado que es necesario adquirir gran número de pulsos para obtener buena repetibilidad debido a las variaciones de 10-20% en el periodo de emisión. La Figura 8 resume las características metrológicas típicas de los medidores Vortex.

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Figura 8. Características metrológicas Repetibilidad 0,2% Exactitud 1 a 1,5%

K-factor

Linealidad ±1,0 [%]

Kmax

Kmin

Relación 30:1 Re

4. Selección Como no existe un medidor de flujo universal que se pueda aplicar para todas las mediciones, es importante determinar las ventajas y limitaciones de cada tipo de medidor. Obtener un sistema de medición satisfactorio depende de que se conozcan las características del medidor y las necesidades de aplicación. Por tal motivo al realizar la selección de un medidor Vortex se debe tener en cuenta consideraciones tales como:        

Dimensionamiento – velocidad del fluido Densidad de operación Número de Reynolds Pérdida de presión permisible Flujo en dos fases Partes en contacto con el fluido Condiciones de presión y temperatura Alcance de medición y exactitud requerida

4.1 Dimensionamiento Como regla general, la selección del mejor diámetro usualmente es un tamaño de tubería más pequeño que la tubería en la cual será instalado. La razón para esto es que el medidor Vortex trabaja mejor cuando la velocidad de flujo es alta. Contrariamente, los diámetros de las tuberías son seleccionados para que la

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velocidad del flujo sea relativamente baja. Esta velocidad baja en la tubería crea menor perdida de presión y menor desgaste en las mismas tuberías. El tamaño del medidor vortex debería permitir mantener el caudal dentro del máximo y mínimo para la incertidumbre requerida. Debido a que la linealidad y el alcance de medición son dependientes del número de Reynolds, el número de Reynolds del flujo debería estar dentro de los límites especificados. El procedimiento para seleccionar el tamaño correcto de medidor varia, pero el dimensionamiento de todos los Vortex está basado en la velocidad de flujo aceptable dentro del medidor. Generalmente, la velocidad mínima para gas está entre 3 y 6 metros por segundo con una velocidad máxima entre 60 y 76 metros por segundo. Algunos casos particulares permiten velocidades de hasta 200, pero este valor es normalmente considerado como muy alto para la mayoría de tuberías estándar. El medidor puede operar a velocidades de flujo altas sin efectos adversos. Los medidores Vortex usualmente pueden ser excedidos en su alcance de medición tanto como un 50% sin efectos desfavorables. Debido a que no hay partes móviles en el, el exceder su caudal máximo no compromete el medidor. 4.2 Densidad de operación Si el medidor es utilizado para gas, la densidad de operación se vuelve importante. En algunos puntos la relación entre densidad y velocidad de flujo llega a ser tan baja que la energía en los vortices también lo es, por esta razón los vortices no tienen un pulso de presión lo suficientemente fuerte para activar los sensores y distinguir entre un vortice y el ruido en la tubería. Cuando esto ocurre, los elementos electrónicos usualmente indican una condición de noflujo. 4.3 Número de reynolds Usualmente se identifica un número de Reynolds que mantiene estable la exactitud del medidor, para números de Reynolds más bajos la indicación de flujo tendrá una reducción en la exactitud. El medidor puede ser usado en este rango de número de Reynolds con tal que la reducción en la exactitud no afecte la aplicación. Dependiendo de los requerimientos de la aplicación, puede ser aceptable la operación del medidor en el rango de número de Reynolds bajo. El principal aspecto en muchas aplicaciones es la repetibilidad del medidor en lugar de la

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exactitud. Este puede ser el caso cuando el medidor está siendo usado para aplicaciones de control de procesos. Si la aplicación es para contabilidad o transferencia de custodia, la exactitud es la prioridad. 4.4 Perdidas de presión Otra consideración importante en la selección de los medidores es la perdida de presión. Si está disponible el tamaño más grande de medidor (el mismo de la tubería) para obtener el alcance de medición requerido para la aplicación, entonces este medidor normalmente ofrecerá una perdida de presión baja. También tiene la ventaja de no tener que reducir el tamaño de la tubería cuando se instalará el medidor en una línea existente. En aplicaciones de líquidos donde la presión del flujo es cercana a la presión de vapor, las consideraciones de perdida de presión son muy importantes. La perdida de presión interna puede ser suficientemente alta para causar cavitación dentro de la tubería. Lo cual tiene un efecto perjudicial en la exactitud del medidor, pero, más importante, la cavitación puede causar daños internos a la tubería o al medidor. 4.5 Flujo en dos fases La medición de flujo en dos fases (gas y líquido) dentro del mismo medidor es difícil. Si está presente el flujo bifásico, el medidor Vortex no será exacto, ya que un Vortex es un dispositivo volumétrico y no puede distinguir que porción del flujo es líquido y que porción es gas. El medidor reportará todo el flujo como gas o todo el flujo como líquido dependiendo de la calibración original del medidor. El vortex puede ser usado para medir vapor húmedo, solo si se puede tolerar una reducción en la exactitud. En vapor húmedo, donde están presentes tanto el agua condensada como el vapor, la distribución del líquido condensado en el vapor no es homogénea y la medición se hace difícil y no es exacta. 4.6 Diseño Los fabricantes de Vortex han realizado un considerable número de pruebas y desarrollos para determinar cual es, en su opinión, la configuración óptima del cuerpo no aerodinámico. Muchos han sido incluso patentados por su diseño. El único punto que casi todos tienen en común es el borde afilado en el lado aguas arriba del cuerpo para mejorar la exactitud y la repetibilidad del Vortex.

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Muchos afirman tener la mejor forma de cuerpo no aerodinámico, pero el punto principal es que todos los medidores trabajan bien cuando son aplicados apropiadamente – combinando el medidor correcto con la aplicación requerida. Mientras un elemento ofrece un amplio rango de trabajo, otro puede tener mejor desempeño en algún otro punto que puede ser más importante para los requerimientos de la aplicación. 4.7 Materiales de construcción El material estándar de construcción es acero inoxidable 316. en algunos casos se ofrecen medidores construidos en titanio, Hastelloy (aleaciones de metal resistentes a la corrosión) o plástico. Las consideraciones de costo son las que usualmente prohíben la utilización de alguno de estos materiales. 4.8 Seguridad Puesto que los Vortex son dispositivos electrónicos que son montados en la tubería de proceso, frecuentemente deben ser instalados en atmósferas peligrosas. Para estas aplicaciones, los fabricantes de medidores presentan diseños que son aprobados por entidades competentes de tercera parte, a partir de lo cual se obtienen medidores en diseños “explosion-proof”, o intrínsecamente seguros. Las entidades encargadas revisan y prueban los medidores para ver si ellos son diseñados y fabricados de acuerdo con su estándar de seguridad. Cuando un Vortex es usado para medir materiales muy peligrosos, se debe considerar la utilización de los medidores con bridas en lugar de los del tipo “wafer”. Ya que se considera como un margen extra se seguridad la utilización de las dos bridas apernadas directamente en lugar de barras largas para conectar el medidor a la tubería. 5. Condiciones de instalación Aunque los medidores Vortex son de fácil instalación, ya que requieren pocos componentes y estructura, se debe realizar un montaje apropiado del medidor siguiendo algunos parámetros importantes, a continuación se presentan algunos de estos aspectos relacionados con la instalación de los medidores Vortex.

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5.1 Localización de la instalación Para la determinación de la localización del medidor se deben tener las siguientes precauciones generales: 

 

El ruido eléctrico puede interferir con la medición. La Interferencia por radio frecuencia, la interferencia electromagnética, una puesta a tierra inadecuada, y protección insuficiente en la señal pueden ser causas de interferencia en la medición. Se deben tener en cuenta los límites de temperatura, vibración y humedad especificados para el medidor. La ubicación seleccionada debe permitir la ejecución de las inspecciones regulares y las actividades de mantenimiento tanto de la tubería como del cableado.

5.2 Tubería El desempeño del medidor puede ser afectado por fenómenos que influencian el proceso de emisión de vortices, tales como perfil de velocidad, flujo con dos fases, ruido por bombas, efectos pulsantes, ruido por estrangulación a la entrada y cavitación (líquidos). Estos fenómenos pueden afectar adversamente la detección de los vortices, también como el corrimiento del k-factor. Tal influencia puede ser reducida o eliminada mediante la cuidadosa selección y ubicación de los componentes del sistema y un apropiado arreglo de tubería. 5.2.1 Tramos de tubería Aguas arriba y aguas abajo del medidor deben ser instalados tramos de tubería recta con el fin de obtener la exactitud deseada bajo condiciones de operación. La utilización de tramos rectos de tubería con longitud no adecuada conlleva a una disminución de la exactitud, la cual, para algunas aplicaciones puede ser admisible. En la Figura 9 se observa para algunas singularidades en los sistemas y las longitudes de tubería aguas arriba y aguas abajo del medidor. La longitud de la tubería recta puede diferir dependiendo de la construcción del medidor y la naturaleza de las perturbaciones aguas arriba. La tubería debe tener el mismo diámetro y sección transversal circular del medidor. Cuando esto no es posible se debe verificar si el sistema requiere ajuste en el K-factor. De igual forma, el diámetro interno de la tubería usado para la calibración del medidor debería ser el mismo, los cambios abruptos en el diámetro interno entre el medidor y su tubería de conexión pueden causar un cambio en el desempeño.

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Figura 9. Longitud aguas arriba y aguas abajo del medidor

5.2.2 Distorsión del flujo Con el fin de evitar distorsiones de flujo y flujo pulsante debido a la incorrecta instalación de los dispositivos auxiliares, se deben considerar los siguientes aspectos:  

Las válvulas de corte y las válvulas de control deben ser instaladas aguas debajo de la tubería de salida. Cuando se instala un bypass para mantenimiento, inspección y limpieza del medidor, las uniones “tee” necesarias deberían estar delante del tramo de tubería aguas arriba o del acondicionador de flujo y mas allá del tramo aguas abajo.

5.2.3 Acondicionadores de flujo Los tramos rectos de tubería pueden ser disminuidos mediante la utilización de un apropiado acondicionador de flujo. Varios diseños de acondicionadores de flujo pueden ser efectivos para reducir anomalías en la distribución del perfil axial de velocidad en la tubería o en la reducción del swirl, o las dos. De este modo pueden ser efectivos en la mejora del desempeño donde las condiciones

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de instalación no están de acuerdo con las recomendaciones del fabricante. Esto incluye el tipo de acondicionadores de flujo, su tamaño y su localización relativa al medidor. 5.3 Consideraciones de instalación Adicionalmente se debe tener en cuanta las siguientes consideraciones durante la instalación de un medidor Vortex:  

 





El medidor debe ser montado concéntrico con la tubería El medidor debería ser protegido de presión excesiva la cual puede el resultado de expansión térmica del fluido cuando las válvulas aguas arriba y aguas abajo son cerradas al mismo tiempo. El medidor debe ser protegido de esfuerzos excesivos en la tubería. Es importante seguir un procedimiento para el alineamiento del medidor. Si el Vortex no es montado y alineado apropiadamente en la tubería, la turbulencia causada por el desalineamiento interfiere con la apropiada formación de los vortices. Esto causa que la señal presente ruido, porque la turbulencia ocurre justo a la entrada del medidor donde los vortices son generados. Los vortices se vuelven irregulares, resultado del ruido hidráulico. Junto con el alineamiento del medidor, es importante que las juntas instaladas con el medidor no sobresalgan entre la corriente de flujo. Las protuberancias en las juntas también producen ruido hidráulico, el cual afecta el desempeño del medidor. Las juntas utilizadas deben tener un diámetro interno más grande que el diámetro del medidor. Los medidores deben ser instalados con la orientación recomendada para cada aplicación (Tabla 2).

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Tabla 2. Orientación de los medidores según aplicación Montaje

Gas

Vapor

Montaje recomendado

Recomendado para vapor sobrecalentado con adecuado aislamiento. No recomendado para vapor saturado

Montaje recomendado

Recomendado para vapor sobrecalentado con adecuado aislamiento. No recomendado para vapor saturado

Recomendado aplicaciones únicamente

No recomendado para para vapor sobrecalentado. limpias Recomendado para vapor saturado

Montaje recomendado

Recomendado para vapor sobrecalentado con adecuado aislamiento. No recomendado para vapor saturado

6. Mantenimiento Debido a que los medidores Vortex (como son construidos actualmente) no tienen partes móviles, las tareas de mantenimiento regular son pequeñas, además, las partes internas (cuerpo del medidor y cuerpo no aerodinámico) son muy robustas. Por otro lado, los bordes rectos del cuerpo no aerodinámico están sujetos a muy bajo uso debido a que en este borde se realiza el desprendimiento de los vortices.

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Con respecto a las facilidades para la ejecución del mantenimiento, algunos diseños permiten el cambio del sensor sin remover el medidor de la tubería (Figura 10). Otros permiten el aislamiento del sensor del fluido de proceso para que no sea necesario parar el flujo para realizar el mantenimiento. Algunos diseños no permiten realizar el cambio del sensor en campo. Figura 10. Cambio del sensor

Si se sospecha que el medidor no está midiendo correctamente, se debe verificar primero la instalación, se ha demostrado que es más probable que el medidor presente un funcionamiento incorrecto debido a la instalación y no por problemas con el medidor mismo. 7. Calibración Normalmente los fabricantes proporcionan el k-factor promedio y la incertidumbre esperada bajo las condiciones de referencia especificadas. Este factor puede ser derivado de la medición dimensional, pero es mas comúnmente obtenido por calibración. Debido a que la relación entre la frecuencia de emisión y la velocidad del fluido permanece constante para un amplio número de Reynolds, la calibración puede ser realizada empleando cualquier fluido, siempre y cuando la frecuencia de emisión de los vortices y el número de Reynolds se mantengan dentro de los límites del instrumento. Si se cuenta con la información correcta acerca de la operación del medidor, este podrá ser calibrado para estas condiciones. En muchos casos, el medidor es instalado en un patrón de calibración donde puede ser empleada agua o aire

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para la calibración, posteriormente los elementos electrónicos son ajustados para que la señal de salida sea correcta de acuerdo con la aplicación. Las calibraciones in-situ mejoran los niveles de incertidumbre en la medición. Normalmente para flujo de gas, se emplean como patrones de referencia los tanques volumétricos con correcciones por presión y temperatura, o boquillas de flujo crítico; en el caso de líquidos son empleadas las técnicas de pesaje, transferencia o volumetría. Para la ejecución de las calibraciones se deben tener en cuenta algunos aspectos como:   

El medidor debe estar conectado con tramos de tubería aguas arriba y aguas abajo, considerando las condiciones de operación. Generalmente se realiza la calibración en 6 puntos de caudal (incluyendo el máximo y el mínimo) y el número de pruebas para cada punto debe ser de al menos tres, esto con el fin de estimar la repetibilidad. El volumen de cada prueba debe corresponder por lo menos a 1000 veces el intervalo de escala del dispositivo de indicación. Se recomienda tener un volumen considerablemente mayor a los 1000 intervalos de escala para cada prueba, ya que la frecuencia de emisión de vortices varia por causa del ruido presente en el flujo.

7.1 Efecto de la temperatura en la calibración El K-factor depende de los cambios en la geometría en el cuerpo del medidor los cuales son causados por el efecto de la temperatura y la presión en el material del medidor. De igual forma, un cambio en la temperatura del fluido puede también causar cambios en la viscosidad y en la densidad. Cuando el cuerpo no aerodinámico y el cuerpo del medidor son hechos del mismo material, los cambios en el K factor debido al efecto de la temperatura son estimados mediante la siguiente expresión: K  K 0 1  3 (TF  T0  Ecuación 9

Donde, K0 K-factor obtenido en la calibración inicial TF Temperatura a las condiciones de operación T0 Temperatura a las condiciones de calibración

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 Coeficiente lineal de expansión térmica del medidor y del cuerpo no aerodinámico Cuando el cuerpo no aerodinámico y el cuerpo del medidor tienen diferente coeficiente de expansión térmica, el K factor se obtiene mediante la expresión: K  K 0 1  (2 1   2 )(TF  T0  Ecuación 10

Donde, 1 Coeficiente lineal de expansión térmica del medidor y 2 Coeficiente lineal de expansión térmica del cuerpo no aerodinámico En la actualidad, no hay manera de estimar el efecto de los cambios de presión sobre el K-factor. Por lo tanto, es recomendable determinar el K-factor mediante calibración bajo la presión de operación.