Contadores de caudal por turbina: exactitud, exactitud y exactitud

27 Septiembre 2010

 

 

 

Este tipo de contadores es uno de los más exactos que se han desarrollado. Por este motivo, su uso está ampliamente difundido en aplicaciones de medición de recuento de caudal de hidrocarburos refinados. Los modelos de precisión son caros de fabricar y calibrar.

No obstante, otros modelos más económicos están disponibles para consumo de agua y aplicaciones rutinarias de medición de caudal en plantas industriales. Todos los modelos se caracterizan por su alto nivel de repetibilidad, pero son sensibles a los efectos perturbadores debidos a las propiedades del fluido y del flujo.

 

 

 

 

Principio de medición

 

La Figura siguiente muestra los elementos básicos. Todos los tipos de contadores de turbina constan de un grupo de aspas giratorias fijado con pivotes a un eje central. El grupo va montado en el centro del cuerpo del caudalímetro. La energía cinética del fluido se transmite a la rueda de la turbina, que gira con una velocidad proporcional al caudal. La rueda de la turbina se conoce con el nombre de "rotor" en los contadores de turbina convencionales y "molinete" en los contadores mecánicos.

 

Fig.: Ejemplo de contador de turbina. Se observan con claridad el rotor (la hélice de la turbina) y el sensor de inducción, que cuenta las vueltas del rotor.

 

La velocidad del rotor se cuenta por medios mecánicos o inductivos según el modelo. En contadores de turbina convencionales, cada vez que una aspa de la hélice pasa por el sensor, se genera un impulso que corresponde a un volumen fijo de fluido. El número de impulsos da la cantidad de fluido que ha circulado en un intervalo de tiempo conocido y la frecuencia de los impulsos es un indicador de la velocidad del caudal.

 

El eje del rotor suele ser paralelo a la dirección de circulación del fluido. En algunos modelos, sin embargo, el rotor está montado en posición vertical respecto a la dirección del caudal (véase la Fig. siguiente). Las aspas están inclinadas un ángulo (p) respecto a la dirección del caudal para que el fluido ejerza un momento de fuerza sobre el rotor. El caudal volumétrico se calcula a partir de la rotación resultante, según la expresión siguiente:

 

 

Esta expresión tan simple muestra que el número y la forma de las aspas de la turbina son los factores más importantes en la velocidad del rotor. Por otra parte, la velocidad del fluido no es constante para todo el diámetro de la tubería. Lo cual nos permite observar que las fuerzas que actúan sobre las aspas de la turbina son complejas. La mayor velocidad se genera cerca del centro y en las puntas se produce un cierto arrastre. El equilibrio entre la fuerza impulsora y la fuerza de arrastre (a la cual contribuye también el rozamiento de los pivotes) mantiene el rotor a velocidad constante para un caudal fijo.

 

La teoría permite escribir una expresión general que relaciona el número de impulsos generados (n) y el caudal (Q). La siguiente ecuación expresa esta relación:

 

 

El primer sumando del segundo miembro (A) depende de la cantidad de movimiento lineal y es el término dominante para velocidades altas del caudal. El segundo sumando (B/Q) da cuenta de los efectos de la viscosidad y del flujo en los extremos de las aspas. Adquiere importancia en el tercio inferior de la curva característica. El último sumando (C/Q2) depende de las fuerzas de arrastre mecánicas, aerodinámicas y de los pivotes sobre él sensor. Es el sumando dominante a velocidades bajas del caudal y es un término de retardo. El balance relativo de estos tres sumandos se corresponde con un valor bajo de n/Qpara caudales bajos que aumenta hasta alcanzar un máximo ("joroba") y luego tiende hacia un valor constante de n/Q para caudales altos. La teoria completa es en realidad mucho más compleja porque la influencia del perfil de velocidades y de la geometría de las aspas implican el cálculo de complicadas integrales para hallar los valores de las constantes A, B y C de la ecuación anterior. La Figura abajo muestra la curva característica del caudalímetro de turbina. La pérdida de carga (Ap) se corresponde con la ecuación de Bemouffi, aumentando con el cuadrado del caudal Q.

 

Fig. :  Curva característica típica de un caudalímetro de turbina. a = Caudal inicial, b - Caudal mínimo para repetibilidad, c = Caudal mínimo de comportamiento lineal, d = Posición del factor de recuento máximo (joroba), e = Campo de comportamiento lineal de los valores de medida; zona sombreada = zona de comportamiento lineal

 

 

Dé lo dicho se deduce que los contadores de turbina son sensibles a los efectos de la viscosidad, en particular en relación con los distintos modelos de aspas. Las aspas en ángulo recto proporcionan mayor velocidad angular, pero las helicoidales (oblicuas) son mucho menos sensibles a los efectos de la viscosidad. Todos los modelos deberían mantenerse por debajo de un valor de viscosidad máximo de 30 cP o, de lo contrario, el contador pierde comportamiento lineal. La Figura siguiente muestra el cambio en la curva característica para dos tipos de aspa para varios fluidos viscosos.

 

 

Fig. : Curvas características de contadores de tipo turbina (línea continua) para distintas viscosidades. Abajo (B): Efecto de la viscosidad sobre rotores con aspas helicoidales

 

En general, los contadores pequeños (DN < 50/2") se ven más afectados por la viscosidad y no alcanzan campos de valores de medida tan amplios como los grandes, incluso con fluidos poco viscosos como los aceites ligeros. Esto es porque los momentos de fuerza de retardo y del pivote son proporcionalmente superiores.

 

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado ingeniero especializado en Control, Automatizacion e Instrumentación Industrial. Con mas 9 años de experiencia desarrollando proyectos y manteniendo sistemas de control en diversas plantas industriales. Soy director y webmaster de InstrumentacionyControl.NET y de MyAutomationClass.com. Cualquier consulta o comentario lo puedes hacer en la parte de abajo y escribiendo nuestro foro: http://instrumentacionycontrol.net/foros/.

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