Thread Content
I. Principio de funcionamiento: Se coloca un elemento generador de vórtices (dispositivo que genera resistencia al flujo) en el fluido. De ambos lados de este elemento se generan, de forma alternada, vórtices regulares. Estos vórtices se denominan cadenas de vórtices de Karman, como se muestra en la Figura 1. Las filas de vórtices se disponen de manera asimétrica aguas abajo del generador de vórtices. Supongamos que la frecuencia de aparición de los vórtices es f, que la velocidad promedio del flujo del medio a analizar es U, que el ancho del cuerpo que genera los vórtices es d, y que el diámetro del mismo es D. Según el principio de las cadenas de vórtices de Karman, se tiene la siguiente relación: f = SrU₁/d = SrU/m·d (1). En esta ecuación, U₁ representa la velocidad promedio del flujo a ambos lados del cuerpo que genera los vórtices, en m/s ； Sr--Número de Strouhal ； m– Relación entre el área en forma de arco a cada lado del generador de vórtices y el área de la sección transversal del tubo. Figura 1: Flujo volumétrico qv en el tubo con efecto de vórtices de Karman. qv = πD²U/4 = πD²mdf/4Sr (2). K = f/qv = -1 (3). Donde K es el coeficiente del medidor de flujo, expresado en pulsos/m³ (P/m³). Además de estar relacionado con las dimensiones geométricas del generador de vórtices y del tubo, K también está relacionado con el número de Strouhal. El número de Strouhal es un parámetro adimensional que está relacionado con la forma del generador de vórtices y con el número de Reynolds. La Figura 2 muestra la relación entre el número de Strouhal para un generador de vórtices en forma de cilindro y el número de Reynolds del conducto. Como se puede observar en el gráfico, en el rango de ReD=2×104 a 7×106, el valor de Sr puede considerarse constante; este es el rango en el cual el instrumento funciona correctamente. Al medir el caudal de gas, la fórmula para calcular el caudal en VSF es la que se muestra en la figura 2: la curva que relaciona el número de Strouhal con el número de Reynolds. En esta fórmula, qVn representa el caudal volumétrico en condiciones estándar (0 °C o 20 °C, 101,325 kPa), mientras que qV representa el caudal volumétrico en las condiciones reales de operación, en m³/h ； Pn y P representan, respectivamente, la presión absoluta en condiciones estándar y en las condiciones reales de operación, en unidades de Pa ； Tn y T representan, respectivamente, la temperatura termodinámica en condiciones estándar y en las condiciones reales de operación, en K ； Zn, Z: son, respectivamente, el coeficiente de compresión del gas en condiciones estándar y en las condiciones reales de operación. Como se puede ver en la ecuación anterior, la señal de frecuencia de pulso generada por el VSF no se ve afectada por las propiedades físicas del fluido ni por los cambios en su composición. Es decir, los coeficientes del instrumento, dentro de un rango determinado de números de Reynolds, dependen únicamente de las características del elemento que genera los vórtices y de las dimensiones del tubo. Sin embargo, como medidor de caudal, en el balance de materiales y en la medición de energía es necesario determinar el caudal masivo. En este caso, la señal de salida del medidor debe permitir la medición tanto del caudal volumétrico como de la densidad del fluido. Las propiedades físicas y los componentes del fluido también tienen un impacto directo en la medición del caudal. II. Estructura: El VSF está compuesto por sensores y convertidores, como se muestra en la Figura 3. Los sensores incluyen generadores de vórtices (elementos de resistencia al flujo), elementos de detección, cuerpo del instrumento, etc ； El convertidor incluye un amplificador de entrada, circuitos de filtrado y formación de señal, circuitos de conversión D/A, circuitos de interfaz de salida, terminales, soportes y cubiertas de protección, entre otros. En los últimos años, los medidores de caudal inteligentes también han incorporado en el convertidor microprocesadores, módulos de visualización y comunicación, además de otras funciones. Figura 3: Medidor de caudal por vórtices (1). El generador de vórtices es el componente principal del detector. Está estrechamente relacionado con las características de caudal del instrumento (coeficiente del instrumento, linealidad, rango, etc.) y con sus características de resistencia (pérdida de presión). Las exigencias para este componente son las siguientes. 1) Puede controlar la separación sincrónica de los vórtices a lo largo del eje del generador de vórtices ； 2) En un rango amplio de números de Reynolds, existe un punto estable de separación de vórtices, lo que permite que el número de Strouhal se mantenga constante ； 3) Puede generar fuertes corrientes de vórtices, lo que permite obtener una alta relación señal-ruido en la señal ； 4) Forma y estructura simples, lo que facilita su procesamiento y la estandarización de los parámetros geométricos, así como la instalación y combinación de diversos elementos de inspección ； 5) El material debe cumplir con los requisitos propios de las propiedades del fluido: ser resistente a la corrosión, al desgaste y a los cambios de temperatura ； 6) La frecuencia natural está fuera de la banda de frecuencias del señal de vórtices. Se han desarrollado numerosos generadores de vórtices, los cuales se pueden dividir en dos categorías: generadores de vórtice simples y generadores de vórtice múltiples, como se muestra en la Figura 4. Las formas básicas de un generador de vórtices simples son el cilindro, el cilindro rectangular y el prisma triangular; todas las demás formas son deformaciones de estas formas básicas. El generador de vórtices en forma de prisma triangular es el tipo más utilizado, como se muestra en la Figura 5. En la imagen, D representa el diámetro del instrumento. Para mejorar la intensidad y estabilidad de las corrientes de vórtices, se pueden utilizar varios generadores de vórtices; no obstante, su uso no es común. d/D=0,2～0,3; c/D=0,1～0,2; b/d=1～1,5; θ=15°～65°. ⑵ El medidor de flujo que utiliza elementos de detección cuenta con 5 formas diferentes de detectar las señales de vórtices. 1) Detectar directamente la diferencia de presión entre los dos lados del generador de vórtices, mediante los elementos de detección instalados en su interior ； 2) Se abren orificios de regulación de presión en el generador de vórtices; en dichos orificios se instalan elementos de detección para medir la diferencia de presión entre los dos lados del generador ； 3) Detección de la circulación alternativa alrededor del generador de vórtices ； 4) Detección de la presión diferencial alterna en la parte posterior del generador de vórtices ； 5) Detección de filas de vórtices en la estela. Según estos 5 métodos de detección, al utilizar diferentes técnicas de detección (sensibles al calor, ultrasónicos, de estrés, de deformación, capacitivos, electromagnéticos, fotoeléctricos, de fibra óptica, etc.), se pueden crear diferentes tipos de VSF, como se muestra en la tabla 1. Tabla 1: Resumen de los generadores de vórtices y métodos de detección. Los elementos de detección convierten la señal generada por los vórtices en señales eléctricas. Estas señales son débiles y contienen ruidos de diferentes tipos. Por lo tanto, es necesario amplificarlas, filtrarlas y darles una forma adecuada para obtener señales de pulso que estén en proporción con el caudal. ⑶ Los diferentes métodos de detección del conversor deben estar equipados con amplificadores previos con características distintas, como se indica en la Tabla 2. ⑷ El cuerpo del instrumento puede dividirse en tipo de sujeción y tipo de brida, como se muestra en la Figura 7. Figura 7: Cuerpo del instrumento. III. Consideraciones para la instalación. El VSF es un medidor de caudal sensible a distorsiones en la distribución de la velocidad del flujo en las tuberías, así como a corrientes rotativas y fluctuaciones en el flujo. Por lo tanto, es necesario prestar especial atención a las condiciones de instalación en las tuberías en el lugar donde se instalará el dispositivo, siguiendo las instrucciones del fabricante. El VSF puede instalarse en interiores o en exteriores. Si se instala en un pozo, existe la posibilidad de que se inunde, por lo que es necesario utilizar sensores de tipo saliva. Los sensores pueden instalarse en las tuberías de forma horizontal, vertical o inclinada. Sin embargo, al medir líquidos y gases, es necesario tener cuidado con la posición de instalación para evitar interferencias causadas por burbujas y gotas de líquido, como se muestra en la Figura 16. Figura 16 Instalación de fluidos en fase mixta (a) Instalación de instrumentos para medir el caudal de gas que contiene líquido ； (b) Al instalar los instrumentos de medición del caudal de líquidos gaseosos, es necesario asegurarse de que existan tramos rectos suficientemente largos aguas arriba y aguas abajo, como se muestra en la Figura 17. En los diversos datos existen diferencias, y la razón de ello podría ser que los elementos generadores de vórtices aún no están estandarizados; además, se debe verificar cuánto afectan las diferencias en sus formas y dimensiones ； Las investigaciones sobre la longitud necesaria de los tramos de tubería recta para los diferentes tipos de elementos de restricción aún no son suficientes; en otras palabras, todavía están en una fase inicial. En comparación con los medidores de caudal por diferencia de presión de tipo restrictivo, el trabajo en este área se encuentra aún en sus inicios. Figura 17: Requisitos en cuanto a la longitud de los tramos rectos aguas arriba y aguas abajo para el medidor de caudal de tipo turbina (a) Una curva de 90° ； (b) Expansión concéntrica ； (c) Contracción concéntrica de la válvula completamente abierta ； (d) Dos codos de 90° en planos diferentes ； (e) Válvula de regulación, válvula parcialmente abierta ； (f) La conexión de los dos sensores con curvatura de 90° en el mismo plano con la tubería se muestra en la Figura 18. Al conectar con tuberías, hay que tener en cuenta los siguientes puntos. Figura 18: Conexión del sensor con las tuberías. 1) El diámetro interno de las tuberías en la parte superior e inferior es igual al diámetro interno del sensor, D`. La diferencia entre ellos debe cumplir con la siguiente condición: 0,95D ≤ D` ≤ 1,1D. 2) Las tuberías deben estar concéntricas con los sensores, y la coaxialidad debe ser inferior a 0,05D`. 3) La junta de sellado no debe sobresalir dentro del tubo; su diámetro interno puede ser 1–2 mm mayor que el diámetro interno del sensor. 4) Si es necesario realizar pruebas de corte de flujo y limpiar los sensores, se debe instalar una tubería de derivación como se muestra en la Figura 19. Figura 19: Esquema del tubo de derivación 5) Reducir el impacto de las vibraciones en el VSF debe considerarse como un problema importante a abordar durante la instalación en sitio del VSF. En primer lugar, al elegir el lugar de instalación del sensor, trate de evitar las fuentes de vibración. En segundo lugar, se puede considerar el uso de mangueras elásticas para la conexión en diámetros pequeños. En tercer lugar, la instalación de soportes para las tuberías es un método eficaz para reducir las vibraciones; uno de los métodos de soporte para tuberías se muestra en la Figura 20. Figura 20: Ejemplo de instalación de soportes para tuberías. La instalación completa incluye secciones de tubería rectas en la parte delantera y trasera, así como dispositivos de ajuste del flujo. Estos elementos son fundamentales para lograr mediciones de alta precisión. En particular, su montaje en la fábrica de producción garantiza una mejor calidad en la instalación. La Figura 21 muestra un ejemplo de dicha instalación. Figura 21: En las instalaciones eléctricas relacionadas con mediciones de alta precisión, es necesario utilizar cables blindados o cables de bajo ruido para conectar los sensores y los convertidores. La distancia entre ellos no debe superar los valores especificados en el manual de instrucciones. Al cablear, se debe mantener una distancia adecuada de los cables de alimentación de alta potencia, y es recomendable protegerlos con manguitos metálicos separados. Debe seguirse el principio de “un punto de conexión al suelo”; la resistencia de conexión al suelo debe ser inferior a 10 Ω. Tanto los modelos integrales como los separados deben conectarse a tierra en el lado del sensor; el punto de conexión a tierra de la carcasa del convertidor debe estar en el mismo nivel de tierra que el sensor. IV. Síntomas de las fallas y su solución