Los caudalímetros de turbina son un tipo de medidor de flujo de velocidad que se utiliza ampliamente en diversas aplicaciones industriales, entre ellas la aeroespacial, la criogénica y la transferencia de custodia, para realizar mediciones de alta precisión. Inventado por Reinhard Woltman en el siglo XVIII, el medidor de flujo de turbina es fiable tanto para líquidos como para gases. Consiste en un rotor de múltiples palas montado en ángulo recto con respecto al flujo del fluido y suspendido en la corriente del fluido sobre un cojinete de libre giro. El diámetro del rotor es ligeramente inferior al diámetro interior de la cámara de medición, y su velocidad de rotación es proporcional al caudal volumétrico. La rotación de la turbina puede detectarse mediante dispositivos de estado sólido (sensores de reluctancia, inductancia, capacitivos y de efecto Hall) o mediante sensores mecánicos (engranajes o accionamientos magnéticos).
En el sensor de reluctancia, la bobina es un imán permanente y las palas de la turbina están fabricadas con un material que es atraído por los imanes. A medida que cada pala pasa por la bobina, se genera un voltaje en la bobina (Figura 1-A). Cada pulso representa un volumen discreto de líquido. El número de pulsos por unidad de volumen se denomina factor K del medidor.
Figura 1: Generación de la señal de flujo de la turbina En el captador de inductancia, el imán permanente está incrustado en el rotor, o las palas del rotor están fabricadas con material magnetizado permanentemente (Figura 1-B). A medida que cada pala pasa por la bobina, genera un pulso de tensión. En algunos diseños, solo una pala es magnética y el pulso representa una revolución completa del rotor.
Las salidas de las bobinas de detección inductiva y de reluctancia son ondas sinusoidales continuas con una frecuencia de tren de pulsos proporcional al caudal. A caudales bajos, la salida (la altura del pulso de tensión) puede ser del orden de 20 mV pico a pico. No es aconsejable transportar una señal tan débil a largas distancias. Por lo tanto, la distancia entre el captador y la electrónica de visualización o el preamplificador asociados debe ser corta.
Los sensores capacitivos producen una onda sinusoidal generando una señal de radiofrecuencia que es modulada en amplitud por el movimiento de las palas del rotor. En lugar de bobinas captadoras, también se pueden utilizar transistores de efecto Hall. Estos transistores cambian de estado cuando se encuentran en presencia de un campo magnético de muy baja intensidad (del orden de 25 gauss).
En estos caudalímetros de turbina, se incrustan imanes muy pequeños en las puntas de las palas del rotor. Los rotores suelen estar fabricados con un material no magnético, como polipropileno, Ryton o PVDF (Kynar). La señal de salida de un sensor de efecto Hall es una serie de impulsos de onda cuadrada, a una frecuencia proporcional al caudal volumétrico.
Dado que los sensores de efecto Hall no tienen resistencia magnética, pueden funcionar a velocidades de flujo más bajas (0,2 pies/segundo) que los diseños de captación magnética (0,5-1,0 pies/segundo). Además, el sensor de efecto Hall proporciona una señal de alta amplitud (normalmente una onda cuadrada de 10,8 V), lo que permite distancias de hasta 3000 pies entre el sensor y los componentes de la electrónica sin necesidad de amplificación.
En la industria de la distribución de agua, los caudalímetros de turbina tipo Woltman de accionamiento mecánico siguen siendo el estándar. Estos medidores de turbina utilizan un tren de engranajes para convertir la rotación del rotor en la rotación de un eje vertical. El eje pasa entre el tubo de medición y la sección del registro a través de una caja de empaquetadura mecánica, haciendo girar un conjunto de registro mecánico con engranajes para indicar el caudal y accionar un contador totalizador mecánico.
Más recientemente, la industria de la distribución de agua ha adoptado un accionamiento magnético como mejora con respecto a los medidores de turbina de accionamiento mecánico, que requieren un alto mantenimiento. Este tipo de medidor tiene un disco de sellado entre la cámara de medición y el registro. En el lado de la cámara de medición, el eje vertical gira un imán en lugar de un engranaje. En el lado del registro, se monta un imán opuesto para girar el engranaje. Esto permite utilizar un registro completamente sellado con un mecanismo de accionamiento mecánico.
En Estados Unidos, la AWWA establece las normas para los caudalímetros de turbina utilizados en los sistemas de distribución de agua. El estándar C701 establece dos clases (Clase I y Clase II) de caudalímetros de turbina. Los caudalímetros de turbina de Clase I deben registrar entre el 98 % y el 102 % de la tasa real al flujo máximo al someterse a prueba. Los caudalímetros de turbina de Clase II deben registrar entre el 98,5 % y el 101,5 % de la tasa real. Tanto los caudalímetros de Clase I como los de Clase II deben tener registros mecánicos.
Los diseños de captadores de estado sólido son menos susceptibles al desgaste mecánico que los medidores de clase I y clase II de la AWWA.
Variaciones de diseño y construcción
La mayoría de los caudalímetros de turbina industriales se fabrican con acero inoxidable austenítico (301, 303, 304SS), mientras que los caudalímetros de turbina destinados al servicio municipal de agua son de bronce o hierro fundido. Los materiales del rotor y los cojinetes se seleccionan para que se adapten al fluido del proceso y al servicio. Los rotores suelen estar fabricados en acero inoxidable y los cojinetes en grafito, carburo de tungsteno, cerámica o, en casos especiales, en rubí sintético o zafiro combinado con carburo de tungsteno. En todos los casos, los cojinetes y los ejes están diseñados para proporcionar una fricción mínima y una resistencia máxima al desgaste. Algunos diseños resistentes a la corrosión están fabricados con materiales plásticos como el PVC.
Los medidores de turbina pequeños suelen denominarse turbinas de barra porque, en tamaños de 3/4 pulgadas a 3 pulgadas, se fabrican a partir de barras hexagonales de acero inoxidable. La turbina está suspendida por un cojinete entre dos conjuntos de suspensión que también sirven para acondicionar el flujo. Este diseño es adecuado para altas presiones (hasta 5000 psig).
Similar a un medidor de flujo de presión diferencial con tubo de Pitot, el medidor de turbina de inserción es un dispositivo de velocidad puntual. Está diseñado para insertarse en una línea de líquido o gas a una profundidad en la que el rotor de pequeño diámetro leerá la velocidad media en la línea. Debido a que son muy sensibles al perfil de velocidad de la corriente que fluye, deben perfilarse en varios puntos a lo largo de la trayectoria del flujo.
Los medidores de turbina de inserción pueden diseñarse para aplicaciones de gas (rotor pequeño y ligero) o para líquidos (rotor más grande, cojinetes lubricados con agua). Se utilizan a menudo en tuberías de gran diámetro en las que sería prohibitivo instalar un medidor de tamaño completo. Pueden conectarse en caliente a tuberías existentes (de 6" o más) a través de un sistema de válvulas sin necesidad de detener el proceso. La precisión típica de un medidor de turbina de inserción es del 1 % de la escala completa, y la velocidad mínima de flujo es de aproximadamente 0,2 pies/seg.
Precisión del medidor de turbina
La figura 2 muestra una curva de calibración típica de un medidor de turbina que describe la relación entre el flujo y el factor K (impulsos/galón). La precisión de los medidores de turbina se suele expresar en porcentaje de la tasa real (% AR). Este medidor en particular tiene una banda de tolerancia de linealidad de ±0,25 % en un rango de flujo de 10:1 y una linealidad de ±0,15 % en un rango de 6:1. La repetibilidad es de ±0,2 % a ±0,02 % en el rango lineal.
Figura 2: Curva de calibración típica de un medidor de flujo de turbina Debido a que existen pequeñas inconsistencias en el proceso de fabricación, todos los medidores de flujo de turbina se calibran antes de su envío. El factor K resultante en impulsos por unidad de volumen variará dentro de las especificaciones de linealidad indicadas. Sin embargo, es posible registrar varios factores K para diferentes partes del rango de flujo y cambiar electrónicamente de uno a otro a medida que cambia el flujo medido. Naturalmente, el factor K solo es aplicable al fluido para el que se calibró el medidor.
Los medidores de turbina de barra suelen ser lineales hasta ±0,25 % AR en un rango de flujo de 10:1. La linealidad de los medidores más grandes es de ±0,5 % AR en un rango de flujo de 10:1. Los medidores de turbina tienen una no linealidad típica (la protuberancia del medidor de turbina, que se muestra en la Figura 2) en el 25-30 % inferior de su rango. Mantener la lectura de caudal mínimo por encima de esta región permitirá una linealidad de hasta el 0,15 % en medidores de turbina pequeños y del 0,25 % en medidores de turbina más grandes. Si el rango de 10:1 es insuficiente, algunos caudalímetros de turbina pueden proporcionar reducciones de hasta 100:1 si la precisión se reduce al 1 % de la escala completa (FS).
Dimensionamiento y selección
Los medidores de turbina deben dimensionarse de manera que el caudal medio previsto se sitúe entre el 60 % y el 75 % de la capacidad máxima del medidor. Si la tubería es demasiado grande (con una velocidad de flujo inferior a 1 pie/s), se debe seleccionar un captador de efecto Hall y utilizar un medidor más pequeño que el tamaño de la línea. Las velocidades de flujo inferiores a 1 pie/s pueden ser insuficientes, mientras que las velocidades superiores a 10 pies/s pueden provocar un desgaste excesivo. La mayoría de los caudalímetros de turbina están diseñados para velocidades máximas de 30 pies/s.
Los caudalímetros de turbina deben dimensionarse para una caída de presión de entre 3 y 5 psid al flujo máximo. Dado que la caída de presión aumenta con el cuadrado del caudal, reducir el medidor al siguiente tamaño más pequeño aumentará considerablemente la caída de presión.
La viscosidad afecta a la precisión y la linealidad de los medidores de turbina. Por lo tanto, es importante realizar la calibración del medidor para el fluido específico que se va a medir. Por lo general, la repetibilidad no se ve muy afectada por los cambios en la viscosidad, y los medidores de turbina se utilizan a menudo para controlar el caudal de fluidos viscosos. En general, los medidores de turbina funcionan bien si el número de Reynolds es superior a 4000 e inferior o igual a 20 000.
Dado que afecta a la viscosidad, la variación de temperatura también puede afectar negativamente a la precisión y debe realizarse la compensación o controlarse. La temperatura de funcionamiento del medidor de turbina oscila entre -200 y 450 °C (-328 y 840 °F).
Los cambios de densidad no afectan en gran medida a los medidores de turbina. En fluidos de baja densidad (SG < 0,7), el caudal mínimo aumenta debido a la reducción del par, pero la precisión del medidor no suele verse afectada.
Instalación y accesorios
Los medidores de turbina son sensibles a la geometría de las tuberías aguas arriba, que puede provocar vórtices y remolinos. Las especificaciones exigen 10-15 diámetros de tramo recto aguas arriba y cinco diámetros de tramo recto aguas abajo del medidor. Sin embargo, la presencia de cualquiera de las siguientes obstrucciones aguas arriba requeriría que hubiera más de 15 diámetros de tramo recto aguas arriba.
- 20 diámetros para codos de 90°, tes, filtros, coladores o termopozos
- 25 diámetros para válvulas parcialmente abiertas; y
- 50 o más diámetros si hay dos codos en planos diferentes o si el flujo es espiralado o en forma de sacacorchos.
Para reducir este requisito de tramo recto, se instalan álabes enderezadores. Se utilizan haces de tubos o elementos de álabes radiales como enderezadores de flujo externos situados al menos a 5 diámetros aguas arriba del medidor (Figura 3).
Figura 3: Los enderezadores de flujo reducen los tramos de tubería rectos En determinadas condiciones, la caída de presión a través de la turbina puede provocar destellos o cavitación. El primero hace que el medidor marque un valor alto, mientras que el segundo provoca daños en el rotor. Para evitarlo, la presión aguas abajo debe mantenerse en un valor equivalente a 1,25 veces la presión de vapor más el doble de la caída de presión. Pequeñas cantidades de aire arrastrado (100 mg/l o menos) harán que el medidor lea solo un poco alto, mientras que grandes cantidades pueden destruir el rotor.
Los medidores de turbina también pueden dañarse por los sólidos arrastrados en el fluido. Si la cantidad de sólidos en suspensión supera los 100 mg/l de tamaño +75 micras, se debe instalar un filtro en Y de lavado o un filtro de cartucho motorizado al menos a 20 diámetros de recorrido recto aguas arriba del caudalímetro.
Nuevos desarrollos
Las turbinas de líquido de doble rotor aumentan el rango de funcionamiento en aplicaciones de tamaño de línea pequeño (menos de 2 pulgadas). Los dos rotores giran en direcciones opuestas. El delantero actúa como acondicionador, dirigiendo el flujo hacia el rotor trasero. Los rotores se bloquean hidráulicamente y continúan girando a medida que el flujo disminuye, incluso a tasas muy bajas.
La linealidad de un medidor de turbina se ve afectada por el perfil de velocidad (a menudo dictado por la instalación), la viscosidad y la temperatura. Ahora es posible incluir funciones de linealización complejas en el preamplificador de un medidor de flujo de turbina para reducir estas no linealidades. Además, los avances en la tecnología de bus de campo permiten recalibrar continuamente los medidores de flujo de turbina, corrigiendo así los cambios de temperatura y viscosidad.
Los ordenadores de caudal son capaces de realizar linealizaciones, compensaciones automáticas de temperatura, dosificación, cálculo del contenido de BTU, Registro de datos y almacenamiento de múltiples factores K. El controlador de dosificación se configura con el volumen objetivo deseado y, cuando su totalizador llega a cero, finaliza la dosificación. Estos paquetes están equipados con circuitos de flujo lento, preaviso o corte por goteo. Ya sea que funcionen a través de un contacto de relé o una función de rampa, estas funciones sirven para minimizar las salpicaduras o el sobrellenado y para terminar el lote con precisión.
Medidores de turbina de gas y derivación
Los medidores de gas compensan el menor par motor producido por la densidad relativamente baja de los gases. Esta compensación se obtiene mediante cubos de rotor muy grandes, conjuntos de rotor muy ligeros y un mayor número de palas de rotor. Los caudalímetros de turbina de flujo de gas están disponibles en tamaños de 2" a 12" y con caudales nominales de hasta 150 000 pies cúbicos por hora. Al operar a presiones de gas elevadas (1400 psig), se puede obtener una capacidad de variación de 100:1 en medidores de mayor tamaño. En condiciones de presión más baja, la capacidad de rango típica es de 20:1 con una linealidad de ±1 %. El requisito mínimo de tubería recta aguas arriba es de 20 diámetros de tubería.
Los caudalímetros en derivación se utilizan en servicios de gas y vapor. Consisten en un orificio en la línea principal y un conjunto de rotor en la derivación. Estos caudalímetros están disponibles en tamaños de 2 pulgadas y mayores, y tienen una precisión de ±2 % en un rango de 10:1.
Otros caudalímetros de elemento rotativo
Otros tipos de caudalímetros de elemento rotativo incluyen diseños de hélice (impulsor), derivación y rueda de paletas. Los medidores de hélice se utilizan comúnmente en sistemas de riego y distribución de agua de gran diámetro (más de 4 pulgadas). Su principal ventaja es su bajo costo y su baja precisión (Figura 4-A). El Estándar AWWA C-704 establece el criterio de precisión para los medidores de hélice en el 2 % de la lectura. Los medidores de hélice tienen un rango de medición de aproximadamente 4:1 y muestran un rendimiento muy deficiente si la velocidad cae por debajo de 1,5 pies/s. La mayoría de los medidores de hélice están equipados con registros mecánicos. Los requisitos de desgaste mecánico, enderezamiento y acondicionamiento son los mismos que para los medidores de turbina.
Propeller meters are commonly used in large diameter (over 4") irrigation and water distribution systems. Their primary trade-off is low cost and low accuracy (Figure 4-A). AWWA Standard C-704 sets the accuracy criterion for propeller meters at 2% of reading. Propeller meters have a rangeability of about 4:1 and exhibit very poor performance if the velocity drops below 1.5 ft/sec. Most propeller meters are equipped with mechanical registers. Mechanical wear, straightening, and conditioning requirements are the same as for turbine meters.
Figura 4: Diseños de caudalímetros rotativos Los caudalímetros de rueda de paletas utilizan un rotor cuyo eje de rotación es paralelo a la dirección del flujo (Figura 4-B). La mayoría de los medidores de rueda de paletas tienen rotores de palas planas y son intrínsecamente bidireccionales. Sin embargo, varios fabricantes utilizan rotores curvos que solo giran en la dirección hacia adelante. Para tubos más pequeños (1/2" a 3"), estos medidores solo están disponibles con una profundidad de inserción fija, mientras que para tubos de mayor tamaño (4" a 48") hay disponibles profundidades de inserción ajustables. El uso de captadores acoplados capacitivamente o sensores de efecto Hall amplía el rango de los medidores de rueda de paletas a la región de baja velocidad de flujo de 0,3 pies/s.
Los medidores de bajo flujo (normalmente de menos de 1 pulgada) tienen un pequeño orificio de chorro que proyecta el fluido sobre una rueda Pelton. Variando el diámetro y la forma del orificio del chorro se adapta al rango de caudal requerido y se obtiene un caudalímetro con una precisión del 1 % de la escala completa y un rango de medición de 100:1. Se puede lograr una mayor precisión calibrando el caudalímetro y reduciendo su rango. Debido al pequeño tamaño del orificio del chorro, estos caudalímetros solo pueden utilizarse con fluidos limpios y provocan una caída de presión de aproximadamente 20 psid. Los materiales de construcción incluyen polipropileno, PVDF, TFE y PFA, latón, aluminio y acero inoxidable.
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