¿Qué es el caudalímetro de turbina?

En condiciones en las que el impulsor se ve obligado a girar, su velocidad es proporcional a la velocidad media del flujo en la tubería. La rotación del impulsor cambia periódicamente el valor de la resistencia magnética del convertidor magnetoeléctrico. El flujo magnético en la bobina de detección cambia periódicamente, generando un potencial inducido periódico, es decir, una señal de pulso eléctrico, que es amplificada por el amplificador y enviada al transmisor de flujo de la turbina para su visualización.

¿Cómo se calcula el factor/coeficiente del caudalímetro de turbina?

El factor del medidor de flujo de turbina está relacionado con el caudal (o número de Reynolds de la tubería)El factor del medidor de flujo de turbina está relacionado con el caudal (o número de Reynolds de la tubería)
La curva de relación del coeficiente del instrumento se muestra en la figura siguiente. Como se puede ver en la figura, el coeficiente del instrumento de medición de caudal se puede dividir en dos secciones, a saber, la sección lineal y la sección no lineal.

El segmento lineal representa aproximadamente dos tercios de su segmento de trabajo y sus características están relacionadas con el tamaño de la estructura del sensor de flujo TUF y la viscosidad del fluido.

Las características del factor del instrumento de medición de flujo se ven afectadas en gran medida por la fricción del cojinete y la resistencia a la viscosidad del fluido cuando el caudal es inferior al límite inferior del caudal del sensor.
Como el caudal cambia rápidamente, la pérdida de presión se encuentra aproximadamente en una relación cuadrática con el caudal. Cuando el caudal excede el límite superior, tenga cuidado con la cavidad.
Las formas de las curvas características de TUF con estructuras similares son similares y difieren solo en el nivel de error sistemático.

Curva característica del caudalímetro de turbina

1) Medidor de flujo de alta precisión: para la medición del flujo de líquidos, el medidor de flujo TUF generalmente tiene una precisión de ±0,25%R~±0,5%R, y el medidor de flujo de turbina de tipo de alta precisión puede alcanzar ±0,15%R; y para la medición del flujo de gas, la precisión del medidor de flujo de turbina es generalmente ±1%R~±1,5%R, y el tipo especial es ±0,5%R~±1%R. Es un medidor de flujo bastante preciso entre todos los medidores de flujo.

2) Buena repetibilidad: la repetibilidad a corto plazo puede alcanzar el 0,05 % ~ 0,2 %. Debido a su buena repetibilidad, si el medidor de flujo de turbina se calibra con frecuencia o en línea, puede lograr una precisión extremadamente alta.
3) Medidor de flujo de turbina electrónico: señal de frecuencia de pulso de salida o salida de 4-20 mA, adecuado para medición de cantidad total y conexión con computadora, sin deriva de cero y tiene una fuerte capacidad antiinterferencia.
4) Se pueden obtener señales de frecuencia muy alta (3~4 kHz) con una fuerte resolución de señal.
5) El medidor de flujo de turbina de amplio rango y diámetro medio y grande puede alcanzar 40:1 ~ 10:1, el diámetro pequeño es 6:1 o 5:1.
6) El sensor de flujo de turbina tiene una estructura compacta y liviana, fácil instalación y mantenimiento y gran capacidad de flujo.
7) El medidor de flujo de turbina es adecuado para la medición de flujo de alta presión, no es necesario abrir orificios en el cuerpo del instrumento y es fácil hacer un instrumento de medición de flujo de estilo de alta presión.
8) Hay muchos tipos de sensores de flujo de turbina especiales, que pueden diseñarse en varios sensores especiales según las necesidades especiales de los usuarios, como medidores de flujo pequeños , medidores de flujo de tipo de alta presión, medidores de flujo de turbina de conexión de triple abrazadera, medidores de flujo de turbina de alta temperatura, etc.
9) Es difícil mantener las características de calibración durante mucho tiempo y se requiere una calibración regular. En el caso de los líquidos no lubricantes, el líquido contiene materia en suspensión. La abrasividad del caudalímetro puede provocar el desgaste y el atascamiento de los cojinetes, lo que limita su rango de aplicación. El uso de ejes y cojinetes de carburo resistentes al desgaste ha mejorado la situación. Para el almacenamiento y transporte comerciales y los requisitos de medición de alta precisión, es mejor equipar un equipo de calibración in situ, que se pueda calibrar periódicamente para mantener sus características.
10) El caudalímetro de turbina para líquidos de uso general no es adecuado para medios de alta viscosidad (como la medición del caudal de miel, betún o resina). A medida que aumenta la viscosidad, aumenta el límite inferior de medición del caudalímetro, disminuye el rango y se deteriora la linealidad.
11) Las propiedades del fluido (densidad, viscosidad) tienen una gran influencia en las características de los instrumentos de medición de caudal. Los caudalímetros de gas se ven fácilmente afectados por la densidad, mientras que los caudalímetros de líquido son sensibles a los cambios de viscosidad. Dado que la densidad y la viscosidad están estrechamente relacionadas con la temperatura y la presión, las fluctuaciones de temperatura y presión son inevitables en el lugar de trabajo. Se deben tomar medidas de compensación según el grado de su impacto en la precisión para mantener una alta precisión de medición del caudalímetro de turbina.
12) El caudalímetro se ve muy afectado por la distorsión de la distribución de la velocidad y el flujo rotacional del caudal entrante. Se requiere una sección de tubería recta más larga en los lados de entrada y salida del sensor de caudal TUF. Si el espacio de instalación es limitado, se puede instalar un regulador de caudal (rectificador) para acortar la longitud de la sección de tubería recta.
13) No apto para la medición del caudal de flujo pulsante y flujo mixto.
14) El requisito de limpieza del medio medido es alto, lo que limita su campo de aplicación. Como todos sabemos, los caudalímetros de turbina para líquidos solo funcionan con líquidos limpios y de baja viscosidad. Aunque se pueden instalar filtros para adaptarse a medios sucios, esto también trae consigo efectos secundarios como una mayor pérdida de presión y un mayor mantenimiento.

Tipos de caudalímetros de turbina

1) Medidor de caudal de turbina líquida
a. El caudalímetro de turbina de líquido de tipo normal es adecuado para medir el caudal volumétrico de líquidos de baja viscosidad (≤45 mPa·s), con un diámetro nominal de DN4~DN300, un nivel de precisión de 0,25~0,5 %, temperatura del medio de -20~+150 ℃ y una presión de 6,3 MPa.
b. Tipo resistente a la corrosión: adecuado para fluidos corrosivos como ácido sulfúrico diluido, ácido clorhídrico diluido, ácido nítrico diluido, etc., generalmente solo productos de diámetro pequeño (DN20 ~ DN50).
c. Tipo de alta temperatura: aplicable a líquidos con una temperatura inferior a 150 ℃. La temperatura del líquido medido está limitada por la resistencia térmica de la bobina de detección.
d. Caudalímetro de turbina de tipo Tri-Clamp para fines higiénicos. Se puede utilizar para medir agua potable, aceite comestible y leche. El caudalímetro de turbina, fabricado íntegramente en acero inoxidable, tiene una conexión Tri-Clamp para una fácil instalación y limpieza.

e. Caudalímetro de turbina de tipo de alta presión. El caudalímetro de turbina se puede convertir en un caudalímetro de alta presión para soportar presiones como 1000 psi, 2000 psi o incluso más altas. El caudalímetro de turbina de tipo conexión tipo wafer se puede convertir fácilmente en un caudalímetro de turbina de tipo de alta presión.

2) Medidor de caudal de turbina de gas

El medidor de flujo de turbina de gas mide el flujo de gas limpio, con un diámetro nominal de DN25 ~ DN400, una temperatura de fluido de -20 ~ +120 ℃, una presión de 2,5 ~ 10 MPa y un nivel de precisión del 1% o 1,5%.

El caudalímetro de turbina de tipo gas es adecuado para gas de petróleo, gas artificial, gas natural y gas licuado de petróleo, aire, N2, CO2, etc. Los engrasadores automáticos se pueden utilizar para lubricar y proteger los cojinetes, evitar que las impurezas entren en las piezas móviles y aumentar la vida útil. La mayoría de las estructuras utilizan dispositivos de visualización local digital, y el transmisor de caudal de turbina también se puede utilizar para emitir señales de pulso de alta resolución o 4-20 mA o incluso con protocolo HART o MODBUS.

Estructura del sensor de flujo de turbina

El sensor TUF consta de un cuerpo medidor, un cuerpo guía (deflector), un impulsor, un eje, un cojinete y un detector de señal.
1) Cuerpo del caudalímetro de turbina: El cuerpo del caudalímetro es la parte principal del sensor, que soporta la presión del fluido medido, fija los componentes de detección y conecta la tubería. El cuerpo del caudalímetro está hecho de acero inoxidable no magnético o aleación de aluminio duro. Para sensores de caudal de gran calibre, también se puede utilizar una estructura de mosaico compuesta de acero al carbono y acero inoxidable, y el detector de señal se instala en la pared exterior del cuerpo del caudalímetro.

2) Cuerpo guía: El cuerpo guía se instala en la entrada y salida del sensor de flujo. Guía y rectifica el fluido y sostiene el impulsor. Por lo general, está hecho de acero inoxidable no magnético o aluminio duro. La guía trasera del sensor de flujo de turbina de empuje inverso también es necesaria para generar suficiente empuje inverso, y sus formas estructurales son muchas. La guía delantera tiene un producto patentado que puede resistir interferencias severas con el flujo de fluido.
3) La turbina, también conocida como impulsor, es el elemento de detección del sensor y está hecha de materiales altamente permeables al magnetismo. Los impulsores incluyen palas rectas, palas espirales y palas en forma de T. También se puede utilizar un anillo de protección poroso incrustado con muchos conductores magnéticos para aumentar la frecuencia de una cierta cantidad de palas. El impulsor está soportado por un cojinete en el soporte y es coaxial con el cuerpo del medidor. El número de sus palas depende del tamaño del calibre. La forma geométrica y el tamaño del impulsor tienen una gran influencia en el rendimiento del sensor. Debe diseñarse de acuerdo con las propiedades del fluido, el rango de flujo y los requisitos de uso. El equilibrio dinámico del impulsor es muy importante y afecta directamente el rendimiento y la vida útil del instrumento de medición de flujo.

4) Eje y cojinetes: Sostienen el impulsor para girar y deben tener suficiente rigidez, resistencia, dureza, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, etc. Determinan la confiabilidad y la vida útil del sensor de caudal de la turbina. La falla del sensor generalmente es causada por el eje y los cojinetes, por lo que su estructura, selección de materiales y mantenimiento son muy importantes.

5) Los detectores de señales se utilizan comúnmente en China. Están compuestos de imanes permanentes, varillas magnéticas (núcleos de hierro), bobinas, etc. Los imanes permanentes tienen una fuerza de atracción sobre las aspas, generando un par de resistencia magnética. Cuando el caudal es pequeño para los sensores de flujo de turbina de diámetro pequeño, el par de resistencia magnética se convierte en el elemento principal entre los pares de resistencia. Por esta razón, los imanes permanentes se dividen en dos especificaciones, grandes y pequeños. Los sensores de diámetro pequeño están equipados con especificaciones pequeñas para reducir el par de resistencia magnética. Las señales de salida con un valor efectivo de más de 10 mV se pueden utilizar directamente con los computadores de flujo y, cuando están equipados con amplificadores, pueden emitir señales de frecuencia de nivel de voltaje.

En el caso de líquidos, se suele utilizar agua para calibrar el sensor de caudal de turbina. Cuando la precisión es de 0,5, se puede utilizar para líquidos inferiores a 5×10-6 mm²/s sin tener en cuenta el efecto de la viscosidad. Cuando la viscosidad del fluido es superior a 5×10-6 mm²/s, se puede calibrar con un fluido de viscosidad equivalente sin realizar correcciones de viscosidad. Además, se pueden tomar algunas medidas para compensar el efecto de la viscosidad, como reducir el rango de uso, aumentar el límite inferior del caudal o multiplicar el coeficiente del instrumento por el coeficiente de corrección del número de Reynolds, etc.

La influencia de la viscosidad en el coeficiente del instrumento está relacionada con el tipo de estructura del sensor y los parámetros, el tamaño de la apertura, etc. Hay varias formas de expresar el efecto de la viscosidad en el coeficiente del instrumento: la relación entre el coeficiente del instrumento y el número de Reynolds, la relación entre el coeficiente del instrumento y la frecuencia de salida en varias viscosidades y la relación entre el coeficiente del instrumento y la relación de la frecuencia de salida dividida por la viscosidad cinemática, etc. Algunos fabricantes de medidores de flujo de turbina tienen esta información, pero no todos los fabricantes la tienen.

En la aplicación de la industria petrolera, el TUF se ha promovido y utilizado debido a algunas características en comparación con el medidor de caudal volumétrico.

Las principales características son peso ligero, estructura simple y compacta, gran capacidad de flujo, fácil mantenimiento, tolerancia a algunas impurezas sin bloquear el canal de flujo y seguridad superior. Ya en la década de 1960, el campo petrolífero del Mar del Norte en el Reino Unido utilizó TUF para la medición de petróleo crudo, y Tokiko de Japón también lanzó un TUF tipo Porter de amplia viscosidad para la medición de petróleo pesado.

Requisitos de densidad de gas para caudalímetro de turbina de gas

El caudalímetro de turbina de gas considera principalmente la influencia de la densidad del fluido en el factor del instrumento. La influencia de la densidad se da principalmente en el área de bajo caudal, como se muestra en la siguiente figura. El aumento de la densidad (es decir, el aumento de la presión) hace que la parte de línea recta de la curva característica se expanda hasta el área de caudal límite inferior, se amplía el rango del sensor y se mejora la linealidad. Si el caudalímetro de turbina de gas se calibra en aire a presión normal, la presión de trabajo del medio medido es diferente durante el uso y su caudal límite inferior se calcula mediante la siguiente fórmula.

Donde qVmin y qVamina son el límite inferior del caudal volumétrico del medio medido y del aire bajo presión p y presión pa (101,325 kPa) respectivamente, m³/h;
P. Pa- presión de trabajo (presión absoluta) y presión atmosférica (101,325 kPa), kPa;
d - Densidad relativa del medio medido, adimensional.

Aplicación para la cual no es adecuado el caudalímetro de turbina

Fluidos con muchas impurezas, como agua de refrigeración circulante, agua de río, aguas residuales, fueloil, etc.; lugares con cambios rápidos de caudal, como sistemas de suministro de agua de calderas, sistemas de suministro de aire con martillo neumático, etc.; al medir líquidos, la presión de la tubería no es alta y el caudal es grande, la presión en el lado aguas abajo del instrumento puede estar cerca de la presión de vapor saturado y existe el riesgo de cavitación. Por ejemplo, el amoníaco líquido puede fluir libremente desde el tanque de alto nivel, por lo que no es adecuado para instalarlo en el puerto de descarga; cerca de máquinas de soldar eléctricas, motores, relés con contactos, etc., existen lugares con interferencias electromagnéticas graves; la longitud de los tramos de tubería recta aguas arriba y aguas abajo es gravemente insuficiente, como en la sala de máquinas de un barco; si el sistema automático de suministro de agua de la caldera enciende y detiene la bomba con frecuencia, provocará un impacto en el impulsor y dañará rápidamente el sensor; al seleccionar medios corrosivos o abrasivos, debe tener cuidado y comunicarse con el fabricante para obtener una consulta.

Costo al seleccionar un medidor de flujo de turbina

Al elegir un TUF para aplicaciones de alta precisión, se deben considerar los factores económicos desde muchos aspectos. El costo de compra del medidor de caudal de turbina es solo una parte del costo. También se deben considerar los siguientes gastos: el costo del equipo auxiliar para la instalación (como eliminadores, filtros, etc.) o derivaciones que incluyen válvulas, etc.; el costo de calibración, para mantener una alta precisión, debe calibrarse con frecuencia, e incluso debe instalarse un conjunto de equipos de calibración en línea en el sitio, lo que cuesta una cantidad considerable; el costo de mantenimiento, que se utiliza para reemplazar las piezas de desgaste del TUF, que es necesario para mantener un alto rendimiento.

Pasos para elegir un caudalímetro de turbina

1) Confirme qué tipo de fluidos medirá.
2) Seleccione el tipo de caudalímetro de turbina. Seleccione según las propiedades físicas del fluido. Para gas y líquido, utilice el caudalímetro de turbina de tipo gas y el caudalímetro de turbina de tipo líquido respectivamente. No se pueden utilizar indistintamente. Si la viscosidad del líquido supera los 5 mPa•s en condiciones de trabajo, se debe seleccionar un tipo de alta viscosidad. Para fluidos corrosivos ácidos, utilice el tipo resistente a los ácidos.
Elija según las condiciones ambientales, seleccione los instrumentos apropiados según la temperatura y la humedad ambiente, etc. Si hay una atmósfera explosiva o inflamable alrededor, se debe seleccionar un sensor a prueba de explosiones.
Según el método de conexión de la tubería, el sensor de caudal de turbina se puede instalar de forma horizontal o vertical. Cuando se instala horizontalmente, los métodos de conexión de la tubería incluyen conexión por brida, conexión roscada y conexión por abrazadera. La conexión por brida se utiliza para tuberías de calibre medio, la conexión roscada se utiliza para caudalímetros de turbina de tamaño pequeño y tuberías de alta presión, y la conexión por abrazadera solo es adecuada para tuberías de baja presión y de diámetro pequeño.
3) Seleccione las especificaciones. Según las condiciones de uso en el sitio, como el rango de caudal, el diámetro de la tubería, la presión y la temperatura del fluido, la ubicación de la instalación, etc. y los requisitos de rendimiento, como la precisión, la repetibilidad, el modo de visualización, etc., consulte la muestra de selección del fabricante del medidor de caudal de turbina o el manual de instrucciones para seleccionar especificaciones y modelos específicos. Puede ponerse en contacto con Silver Automation Instruments para obtener las especificaciones del medidor de caudal de turbina. También es posible que no se pueda encontrar un medidor de caudal adecuado y se deban seleccionar otros medidores de caudal.

Dado que existen muchos tipos y especificaciones de TUF, especialmente las diferencias en la calidad del producto entre los diferentes fabricantes de medidores de flujo de turbina, es necesario recopilar la mayor cantidad de información posible sobre los fabricantes y los estándares relevantes, realizar investigaciones y comparaciones repetidas antes de tomar una decisión.

Precauciones de instalación

Lugar de instalación
El sensor de caudal de turbina debe instalarse en un lugar que sea fácil de mantener y donde la tubería esté libre de vibraciones, fuertes interferencias electromagnéticas y radiación térmica. El TUF es sensible a la distorsión de la distribución de la velocidad del flujo y al flujo rotacional en la tubería. El flujo que ingresa al sensor debe estar completamente desarrollado. Por lo tanto, es necesario equipar la sección de tubería recta necesaria o el regulador de flujo de acuerdo con el tipo de bloqueador de flujo aguas arriba del sensor 2. Si la situación del bloqueador de flujo aguas arriba no está clara, generalmente se recomienda que la longitud de la sección de tubería recta aguas arriba no sea menor a 20D y la longitud de la sección de tubería recta aguas abajo no sea menor a 5D. Si el espacio de instalación no puede cumplir con los requisitos anteriores, se puede instalar un regulador de flujo entre el bloqueador de flujo y el sensor. Al instalar, se deben tomar medidas para evitar la luz solar directa y la lluvia.
Dirección del flujo
Todos los medidores de caudal de turbina SILVER están diseñados para medir el caudal en una sola dirección.
La dirección está indicada por la flecha en el cuerpo.
Longitudes requeridas de tramos rectos para medidores de caudal de turbina
Los dispositivos que alteran el caudal, como codos, válvulas y reductores, pueden afectar la precisión. Vea el diagrama a continuación para ver una instalación típica de un sistema de caudalímetro.

Las pautas recomendadas se brindan para mejorar la precisión y maximizar el rendimiento. Las distancias que se indican aquí son los requisitos mínimos; duplíquelas para obtener las longitudes de tubería recta deseadas.
Aguas arriba: permita una longitud mínima de tubería recta de al menos 10 veces el diámetro interno de la tubería. Por ejemplo, con la tubería de 50 mm, debe haber 500 mm de tubería recta inmediatamente aguas arriba. La longitud deseada de tubería recta aguas arriba es de 1000 mm.
Aguas abajo: deje una longitud mínima de tubería recta de al menos 5 veces el diámetro interno de la tubería. Por ejemplo, con una tubería de 50 mm, debe haber 250 mm de tubería recta inmediatamente aguas arriba. La longitud deseada de tubería recta aguas arriba es de 500 mm.
Consulte el diagrama a continuación para conocer los requisitos de longitud de tubería recta cuando hay un dispositivo de alteración.

Normas y procedimientos de verificación

Como uno de los principales caudalímetros para la liquidación de transacciones en la medición de energía, el caudalímetro de turbina otorga gran importancia a la formulación de documentos legales en todo el mundo, porque es una base importante para regular la relación entre la oferta y la demanda. La Organización Internacional de Normalización (ISO) promulga las normas internacionales ISO 2715, ISO 9951, y la Organización Internacional de Metrología Legal (OIML) promulga las recomendaciones internacionales R6, R32.

La norma ISO 2715 es la especificación para la medición TUF de hidrocarburos líquidos. Estipula la selección de caudalímetros y equipos auxiliares, las condiciones de caudal, la instalación de tuberías y conexiones eléctricas, así como el rendimiento, uso y mantenimiento de los caudalímetros.

ISO 9951 es el estándar internacional TUF para gas, que especifica la estructura del instrumento, prueba de presión, características del medidor de flujo, dispositivo de lectura, calibración de campo, pérdida de presión, requisitos de instalación de la sección de tubería, etc. En particular, para satisfacer las necesidades de instalación en campo, se requiere que el medidor de flujo se instale sin una sección de tubería recta larga bajo perturbaciones de flujo severas, lo que impone requisitos extremadamente altos en el rendimiento del producto del medidor de flujo, lo que es relativamente raro entre los medidores de flujo.

OIML R6, R32 son recomendaciones internacionales para caudalímetros de gas. Desde la perspectiva de los instrumentos de medición, además de la estructura general de los caudalímetros y las normas de rendimiento, también establecen disposiciones claras para la aprobación de tipo, la calibración inicial y la calibración posterior.

Las normas de los países industriales desarrollados, como API 2534, AGA NO7, JIS Z8765, JIS B7501, etc., sobre TUF son resúmenes de muchos años de uso práctico. Son muy prácticas y ampliamente reconocidas a nivel internacional.

China también concede gran importancia a la formulación de normas y reglamentos TUF. Ya en la década de 1980, se promulgó la norma industrial TUF. La norma estipula la terminología, la clasificación, los requisitos técnicos, los métodos de prueba y las reglas de inspección, e introduce los requisitos de instalación y la influencia de la temperatura del fluido, la presión y los cambios de viscosidad en los coeficientes del instrumento en el apéndice. La norma fue revisada en 1999. China promulgó las normas de verificación a principios de la década de 1980, y ha sido revisada varias veces. Además, TUF, como medidor estándar del dispositivo estándar de flujo del método de medidor estándar, ha formulado una regulación de verificación especial.