Análisis del rango de medición de caudal por diferencia de presión

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　En el control de procesos, es común encontrar medidores de caudal basados en la diferencia de presión. Aunque existen diversos tipos, como placas de orificio avanzadas, placas de orificio simples, medidores de caudal con tubo curvo y tubos Venturi, su principio es el mismo: todos se basan en la ecuación de Bernoulli. En los materiales promocionales de los fabricantes, a menudo se encuentra información sobre la relación de rango de estos medidores de caudal. Por ejemplo: 10:1, 20:1, e incluso 40:1 o 100:1. Es decir, incluso cuando el caudal medido es 1/40 o incluso 1/100 del caudal máximo, se sigue manteniendo la precisión del orificio de medición. ¿Cuál es, entonces, la verdad? ¿Hasta qué punto puede ser grande el rango de medición? A continuación, se realiza un análisis tomando como ejemplo la placa de orificios. 　　　　1 Análisis de los parámetros que afectan la relación de rango de la placa de orificio. La fórmula para calcular el caudal en los instrumentos basados en la diferencia de presión es: (1). De esta fórmula se puede deducir que el caudal está relacionado con el coeficiente de salida C, la relación de aperturas β, el coeficiente de expansión ε, la diferencia de presión y la densidad ρ. Por lo tanto, la relación de rango de la placa de orificio también está relacionada con estos parámetros. Para discutir el problema de la relación de rango, primero hay que analizar los parámetros que intervienen en él. 　　　　1.1 Coeficiente de salida C El coeficiente de salida es la relación entre el caudal real y el caudal teórico. Desde principios de la década de 1990, los laboratorios occidentales llevaron a cabo numerosos experimentos, acumulando una gran cantidad de datos experimentales y estableciendo estándares internacionales. Por eso, la placa de orificios es, hasta el día de hoy, uno de los medidores de caudal que permite garantizar la precisión de las mediciones simplemente asegurando las dimensiones geométricas adecuadas, sin necesidad de realizar calibraciones con flujo real. Además, dado que la parte de la placa de orificios que está en contacto con el fluido es, en su mayor parte, un componente puramente mecánico, capaz de resistir altas temperaturas y presiones, esto determina su amplio campo de aplicación. En particular, la aparición de placas de perforación intercambiables de alta calidad **ha ampliado su campo de aplicación. 　　　　Sin tener en cuenta otros factores, la incertidumbre del coeficiente de caudal de la placa de orificios es, por lo general, del 0,6 %. 　　　　La Tabla 1 muestra, según la norma ISO5167, el coeficiente de caudal de las placas de orificio con conexión en ángulo, en función del caudal. 　　　　En la tabla se utiliza el número de Reynolds. En el mismo medio, dentro de la misma tubería, el número de Reynolds es directamente proporcional al caudal. Tomando como ejemplos β=0,5, un número de Reynolds de 3′105 y otro de 3′104, se observa que cuando el caudal varía 10 veces, el coeficiente de descarga pasa de 0,6037 a 0,6096. Se puede ver, entonces, que el coeficiente de descarga cambia significativamente con las variaciones en el caudal; una variación del caudal de 10 veces provoca un cambio en el coeficiente de descarga de casi el 1%. Actualmente, muchas personas creen que, siempre y cuando se compense la densidad, se puede garantizar la precisión en un amplio rango de valores; sin embargo, esto no es científico. Si se utiliza el coeficiente de caudal correspondiente a la apertura de la placa de orificio en todo el rango de caudales, inevitablemente se generarán grandes errores. Por lo tanto, es necesario un potencial de compensación para el coeficiente de fugas. 　　　　Ahora, en la ISO5167 se proporciona la fórmula del coeficiente de flujo. La fórmula para la medición de presión en las uniones en ángulo es:　　　　　　　　　　　Donde, a medida que cambia el caudal, ReD se convierte en una variable. Incorporar esta fórmula en la computadora resuelve, básicamente, el problema de compensación del coeficiente de salida. 　　　　Las fórmulas de otros métodos de toma de presión también pueden introducirse en la computadora según las normas, a fin de realizar compensaciones. 　　　　1.2 Relación de aberturas β: La relación de aberturas es la proporción entre las aberturas de la placa de orificios y el diámetro interno del tubo. Una vez terminada la placa de orificios, su relación de orificios ya está determinada. Pero como los tubos y las placas de orificio suelen estar hechos de materiales diferentes, sus coeficientes de expansión también son distintos. Por lo tanto, a medida que cambian la presión y la temperatura, el ratio de apertura también varía ligeramente. Al calcular la placa de orificios, generalmente se determina el diámetro de los orificios en función de la temperatura y presión de operación indicadas por el proceso; posteriormente, ese valor se convierte al valor correspondiente a 1 atmósfera y 20 °C. Aunque la relación entre este valor y la relación de caudal no es muy grande, si las temperaturas y presiones de operación no se indican con precisión, eso afectará directamente la exactitud de los cálculos; por supuesto, la relación de caudal también se verá influenciada. Siempre que se cumplan los requisitos de pérdida de presión, se recomienda que el valor de β sea de aproximadamente 0,5 a 0,6. 　　　　1.3 Coeficiente de expansión El coeficiente de expansión también varía en función de la diferencia de presión; es decir, varía con el caudal. Si se utiliza el mismo coeficiente de expansión ε para todo el rango de caudal, se generarán errores significativos. Actualmente, la norma ISO5167 establece la fórmula para el coeficiente de expansión. Con el desarrollo de las computadoras, y de forma similar a lo que ocurre con los coeficientes de caudal, solo es posible **mejorar la precisión de las mediciones** si esta fórmula se incluye en las fórmulas de cálculo relacionadas con las placas de orificio en los sistemas de control centralizado. 　　　　1.4 Valor de la diferencia de presión Es bien sabido que la precisión y el rango del transmisor de diferencia de presión tienen una gran influencia en la precisión y el rango de la placa de orificios. Por eso, en los últimos años, los fabricantes han ido mejorando constantemente la precisión y el rango de los transmisores de diferencia de presión. A continuación, se realiza un análisis tomando como ejemplo el transmisor de diferencia de presión ROSEMENT3051CD2-5, que es de uso común. 　　　　Este transmisor tiene una precisión del 0,065% en un rango de 10:1; fuera de ese rango, su precisión disminuye. 　　　　Según la ecuación (1), el caudal es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de presión. Por lo tanto, cuando la relación de caudal del transmisor de diferencia de presión es de 10:1, la relación en el rango de caudal será de 1 = 3,6:1. Y una relación de amplificación de 3,16:1 está lejos de satisfacer las necesidades en el sitio. 　　　　A continuación, se realizan cálculos tomando como ejemplo un punto de caudal 1/10 del valor más alto. El caudal es 1/10 del caudal mayor, y la diferencia de presión es 1/100 de la diferencia de presión mayor. Entonces, según la fórmula anterior, la precisión del transmisor de diferencia de presión en ese punto es del 0,515%. Si la diferencia de presión correspondiente a un caudal específico es de 100 kPa, entonces la diferencia de presión en ese punto debería ser de 1 kPa. Por lo tanto, 1 ± 1 * 0.515% = 1 ± 0.00515; es decir, la diferencia de presión en ese punto está entre 0.99485 y 1.00515 kPa. Al tomar la raíz cuadrada, se obtiene un valor entre 0.9974 y 1.00257. Esto significa que el caudal real está entre el 99.74% y el 100.26% del caudal calculado, con un error del 0.26%. Además, debido a la influencia de parámetros como el coeficiente de descarga C y el coeficiente de expansión, es muy difícil garantizar una precisión del 1% o incluso del 0,5% en la medición del caudal en el punto de 1/10Qmax. Los lectores interesados pueden calcular que, cuando el caudal es 1/20 del caudal máximo, el error del transmisor de diferencia de presión en ese punto ya es mucho mayor al 1%. Por lo tanto, si se dice que una relación de flujo de 10:1 aún permite garantizar más o menos la precisión, entonces con una relación de 20:1 ya resulta muy difícil asegurarla. Si se utiliza un transmisor de diferencia de presión de rango bajo, dado que su precisión y relación de rango son menores que las de los manómetros de diferencia de presión de rango medio, entonces, a medida que varía el caudal, el error en sus lecturas aumentará aún más. No hay necesidad de repetirlo aquí. 　　　　1.5 Densidad ρ      La variación de la densidad tiene una importancia crucial en el cálculo del caudal, especialmente cuando se trata de medir el caudal de gases o vapores. Con el desarrollo de la tecnología informática, la compensación de la densidad se ha vuelto algo muy sencillo. Es posible escribir fácilmente en la computadora las ecuaciones relacionadas con las leyes del estado gaseoso, así como las tablas de densidad del vapor o las fórmulas que describen cómo varía la densidad de los líquidos en función de la temperatura y la presión. Por lo tanto, aunque la densidad es de vital importancia, si se aplican adecuadamente los métodos de compensación correspondientes, su impacto en la relación de rango es relativamente pequeño. Pero no todos los cambios en las temperaturas y presiones dentro de un rango determinado pueden compensarse mediante la modificación de la densidad. 　　　　Además, el lugar de instalación, la concéntrica de la instalación, los tramos de tubería rectos, los elementos que generan resistencia, la deriva de temperatura del transmisor y la deriva en el valor cero son factores que tienen una gran influencia en el caudal. También afectará naturalmente a la relación de rango. 　　　　　　　　2. Algunos métodos para ampliar el rango de medición de las placas de orificio. Las placas de orificio con un amplio rango de medición siguen siendo un tema que merece ser estudiado en profundidad. Si se realiza una compensación de densidad de forma independiente, no se puede garantizar la precisión de las mediciones en un rango tan amplio. Si, además de la compensación por densidad, también se realiza la compensación de los demás parámetros mencionados anteriormente, y las condiciones de instalación en el sitio cumplen con los requisitos estándar, además de que el rango de caudal esté dentro del intervalo de 10:1, la precisión general del medidor de caudal con placa orificial puede alcanzar entre el 1,0% y el 1,5%. Si la relación de rango ya supera 10:1, el autor recomienda elegir otro tipo de medidor de caudal según las características del medio, o bien utilizar otros métodos para aumentar dicha relación de rango. 　　　　Los métodos para ampliar el rango de medición de las placas de orificio se dividen generalmente en tres categorías: 1) Combinar varios flujos de gran volumen en paralelo para realizar la medición ； Por lo general, este método se utiliza en los equipos de calibración. Las diferentes tuberías tienen rangos de caudal distintos. Para obtener un caudal mayor, basta con utilizar la tubería cuyo caudal sea igual al necesario. 2) Se puede realizar la medición cambiando el valor de β mediante el reemplazo de la placa de orificio; de este modo, se puede sustituir el medidor de caudal con placa de orificio, comúnmente conocido como válvula de placa de orificio ； 3) Se utiliza un medidor de caudal con placa perforada en paralelo con diferenciadores de presión de diferentes rangos para realizar las mediciones. En la práctica, se utiliza un medidor de caudal de placa perforada en paralelo con tres transmisores de diferencia de presión: uno para diferencias de presión bajas, otro para diferencias de presión medias y otro para diferencias de presión altas. Los tres transmisores funcionan al mismo tiempo, enviando sus lecturas simultáneamente a la unidad de cálculo. La unidad de cálculo, a través de un programa, selecciona los tres valores de diferencia de presión; además, también determina los coeficientes de caudal C y de expansibilidad ε. La temperatura y la presión siguen siendo compensadas en tiempo real. Este método permite mantener la incertidumbre del sistema de medición del caudal en un rango de ±1,2%, mientras que el rango de medición puede ampliarse hasta 15:1. 　　　　3 Conclusión     En resumen, el medidor de caudal por diferencia de presión sigue siendo un instrumento de medición de caudal con grandes posibilidades de desarrollo. Para superar sus desventajas, es necesario explorar constantemente nuevos métodos, a fin de que pueda ser utilizado de manera más amplia y precisa.