¿Qué es un caudalímetro de turbina?

Al forzar la rotación del impulsor, su velocidad es proporcional a la velocidad media del flujo en la tubería. La rotación del impulsor modifica 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 el amplificador amplifica y envía al transmisor de caudal 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 a continuación. Como se puede observar en la figura, el coeficiente del instrumento de medición de caudal se puede dividir en dos secciones: la sección lineal y la sección no lineal.

El segmento lineal es 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.
Dado que el caudal varía rápidamente, la pérdida de presión es aproximadamente cuadrática con el caudal. Si el caudal supera 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 entre el 0,05 % y el 0,2 %. Gracias a esta alta repetibilidad, el medidor de flujo de turbina puede alcanzar una precisión extremadamente alta si se calibra con frecuencia o en línea.
3) Medidor de flujo de turbina electrónico: señal de frecuencia de pulso de salida o salida de 4-20 mA, adecuado para la medición de cantidad total y conexión con la computadora, sin deriva de cero y tiene una fuerte capacidad antiinterferente.
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 mediano 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 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 un período prolongado, por lo que se requiere una calibración regular. En el caso de líquidos no lubricantes, estos contienen partículas en suspensión. La abrasividad del caudalímetro puede causar desgaste y atascamiento de los rodamientos, lo que limita su rango de aplicación. El uso de ejes y rodamientos de carburo resistentes al desgaste ha mejorado esta situación. Para el almacenamiento y transporte comerciales, así como para requisitos de medición de alta precisión, es recomendable contar con un equipo de calibración in situ que pueda calibrarse periódicamente para mantener sus características.
10) El caudalímetro de turbina para líquidos 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) influyen considerablemente en las características de los instrumentos de medición de caudal. Los caudalímetros de gas se ven fácilmente afectados por la densidad, mientras que los 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 la planta. Se deben tomar medidas de compensación según su impacto en la precisión para mantener una alta precisión de medición en los caudalímetros de turbina.
12) El caudalímetro se ve muy afectado por la distorsión de la distribución de velocidad y el flujo rotacional del caudal entrante. Se requiere una sección de tubería recta más larga en los lados aguas arriba y aguas abajo 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 es adecuado para la medición del caudal de flujo pulsante y flujo mixto.
14) El requisito de limpieza del medio a medir es alto, lo que limita su campo de aplicación. Como es sabido, los caudalímetros de turbina para líquidos solo funcionan con líquidos limpios y de baja viscosidad. Si bien se pueden instalar filtros para adaptarse a medios sucios, esto también conlleva efectos secundarios como una mayor pérdida de presión y un mayor mantenimiento.

Tipos de medidores de caudal de turbina

1) Medidor de caudal de turbina de líquido
a. El medidor de caudal de turbina para líquidos de tipo normal es adecuado para medir el caudal volumétrico de líquidos de baja viscosidad (≤45 mPa·s), con un diámetro nominal de DN4 a DN300, un nivel de precisión de 0,25 a 0,5 %, una temperatura del medio de -20 a +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 temperaturas inferiores a 150 °C. La temperatura del líquido medido está limitada por la resistencia térmica de la bobina de detección.
Medidor de flujo de turbina tipo Tri-Clamp para fines higiénicos. Se puede utilizar para medir agua potable, aceite comestible y leche. Fabricado íntegramente en acero inoxidable, cuenta con conexión Tri-Clamp para facilitar su instalación y limpieza.

e. Caudalímetro de turbina de alta presión. El caudalímetro de turbina puede adaptarse para soportar presiones de 1000 psi, 2000 psi o incluso superiores. El caudalímetro de turbina con conexión de oblea puede adaptarse fácilmente para su uso en caudalímetros de turbina 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 medidor de caudal de turbina de gas es adecuado para gas de petróleo, gas artificial, gas natural, gas licuado de petróleo, aire, N₂, CO₂, etc. Los engrasadores automáticos pueden utilizarse para lubricar y proteger los cojinetes, evitar la entrada de impurezas en las piezas móviles y prolongar la vida útil. La mayoría de las estructuras utilizan dispositivos de visualización local digital, y el transmisor de caudal de turbina también puede utilizarse para generar señales de pulso de alta resolución de 4-20 mA o incluso con protocolo HART o MODBUS.

Estructura del sensor de flujo de turbina

El sensor TUF consta de un cuerpo de 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 fabricado en acero inoxidable no magnético o aleación de aluminio endurecido. Para sensores de caudal de gran calibre, también se puede utilizar una estructura de mosaico 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 soporta el impulsor. Generalmente está hecho de acero inoxidable no magnético o aluminio endurecido. 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 diversas. La guía delantera cuenta con un producto patentado que puede resistir interferencias severas con el flujo del fluido.
3) La turbina, también conocida como impulsor, es el elemento de detección del sensor y está fabricada con materiales de alta permeabilidad magnética. Los impulsores pueden ser de álabes rectos, espirales y en forma de T. También se puede utilizar un anillo de protección poroso con numerosos conductores magnéticos para aumentar la frecuencia de un número determinado de álabes. El impulsor se apoya en un rodamiento en el soporte y es coaxial con el cuerpo del medidor. El número de álabes depende del calibre. La forma geométrica y el tamaño del impulsor influyen considerablemente en el rendimiento del sensor. Debe diseñarse en función de las propiedades del fluido, el rango de caudal y los requisitos de uso. El equilibrio dinámico del impulsor es fundamental y afecta directamente al rendimiento y la vida útil del instrumento de medición de caudal.

4) Eje y cojinetes: Soportan la rotación del impulsor y deben tener suficiente rigidez, resistencia, dureza, resistencia al desgaste y a la corrosión. Determinan la fiabilidad y la vida útil del sensor de caudal de la turbina. Las fallas del sensor suelen deberse al eje y los cojinetes, por lo que su estructura, la selección de materiales y el mantenimiento son fundamentales.

5) Los detectores de señal son de uso común en China. Están compuestos por imanes permanentes, varillas magnéticas (núcleos de hierro), bobinas, etc. Los imanes permanentes ejercen una fuerza de atracción sobre las aspas, generando un par de resistencia magnética. Cuando el caudal es bajo en los sensores de flujo de turbina de diámetro pequeño, el par de resistencia magnética se convierte en el principal factor de par de resistencia. Por esta razón, los imanes permanentes se dividen en dos tipos: grande y pequeño. 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 superior a 10 mV se pueden utilizar directamente con computadores de flujo y, al equiparse 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. Con una precisión de 0,5, se puede utilizar con líquidos inferiores a 5 × 10-6 mm²/s sin tener en cuenta el efecto de la viscosidad. Si 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 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 y los parámetros del sensor, el tamaño de la apertura, etc. Existen varias maneras 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 a diversas viscosidades, y la relación entre el coeficiente del instrumento y la relación entre la frecuencia de salida dividida por la viscosidad cinemática, etc. Algunos fabricantes de caudalímetros de turbina disponen de esta información, pero no todos.

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.

Sus principales características son su ligereza, estructura simple y compacta, gran capacidad de flujo, fácil mantenimiento, tolerancia a ciertas impurezas sin bloquear el canal de flujo y una seguridad superior. Ya en la década de 1960, el yacimiento petrolífero del Mar del Norte, en el Reino Unido, utilizaba TUF para la medición de crudo, y la japonesa Tokiko también lanzó un TUF tipo Porter de amplia viscosidad para la medición de crudo pesado.

Requisitos de densidad de gas para medidores de caudal de turbinas de gas

El medidor de caudal de turbina de gas considera principalmente la influencia de la densidad del fluido en el factor del instrumento. La influencia de la densidad se concentra principalmente en la zona de bajo caudal, como se muestra en la figura siguiente. El aumento de la densidad (es decir, el aumento de la presión) hace que la línea recta de la curva característica se expanda hasta el límite inferior del caudal, lo que amplía el rango del sensor y mejora la linealidad. Si el medidor de caudal de turbina de gas se calibra en aire a presión normal, la presión de trabajo del medio medido varía durante el uso, y su límite inferior del caudal 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 medidor de caudal 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 elevado; la presión aguas abajo del instrumento puede ser cercana a la presión de vapor saturado, lo que puede provocar cavitación. Por ejemplo, el amoníaco líquido puede fluir libremente desde el tanque de nivel alto, por lo que no es adecuado para su instalación en el puerto de descarga; cerca de máquinas de soldar eléctricas, motores, relés con contactos, etc., existen interferencias electromagnéticas graves; la longitud de los tramos rectos de tubería aguas arriba y aguas abajo es muy insuficiente, como en la sala de máquinas de un barco; si el sistema automático de suministro de agua de la caldera arranca y detiene la bomba con frecuencia, se producirá un impacto en el impulsor y se dañará rápidamente el sensor; al seleccionar medios corrosivos o abrasivos, tenga cuidado y consulte con el fabricante.

Costo al seleccionar un medidor de flujo de turbina

Al elegir un medidor de caudal de turbina TUF para aplicaciones de alta precisión, se deben considerar diversos factores económicos. El costo de adquisición del medidor de caudal de turbina es solo una parte del costo. También se deben considerar los siguientes gastos: el costo de los equipos auxiliares para la instalación (como eliminadores, filtros, etc.) o derivaciones, incluyendo válvulas, etc.; el costo de la calibración (para mantener una alta precisión, es necesario calibrarlo con frecuencia, e incluso instalar un equipo de calibración en línea in situ, lo cual tiene un costo considerable); y el costo del mantenimiento, que consiste en reemplazar las piezas de desgaste del medidor de caudal de turbina, necesarias para mantener un alto rendimiento.

Pasos para elegir un medidor de caudal 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 gases y líquidos, utilice el caudalímetro de turbina para gases y el caudalímetro de turbina para líquidos, respectivamente. No se pueden usar indistintamente. Si la viscosidad del líquido supera los 5 mPa·s en condiciones de trabajo, se debe seleccionar un caudalímetro de alta viscosidad. Para fluidos ácidos y corrosivos, utilice el caudalímetro 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 puede instalarse horizontal o verticalmente. En la instalación horizontal, los métodos de conexión incluyen brida, rosca y abrazadera. La brida se utiliza para tuberías de calibre medio, la rosca para caudalímetros de turbina pequeños y tuberías de alta presión, y la abrazadera solo es adecuada para tuberías de baja presión y diámetro pequeño.
3) Seleccione las especificaciones. Según las condiciones de uso in situ, como el rango de caudal, el diámetro de la tubería, la presión y temperatura del fluido, la ubicación de la instalación, etc., y los requisitos de rendimiento, como la precisión, la repetibilidad y el modo de visualización, consulte el ejemplo de selección o el manual de instrucciones del fabricante del caudalímetro de turbina para seleccionar las especificaciones y los modelos específicos. Puede contactar con Silver Automation Instruments para obtener las especificaciones del caudalímetro de turbina. También es posible que no se encuentre un caudalímetro adecuado y que sea necesario seleccionar otros.

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 flujo de turbina debe instalarse en un lugar de fácil mantenimiento 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 según 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 sea al menos 20D y la longitud de la sección de tubería recta aguas abajo sea al menos 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. Durante la instalación, 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 medidor de caudal de turbina
Los dispositivos que alteran el caudal, como codos, válvulas y reductores, pueden afectar la precisión. Consulte el diagrama a continuación para ver la instalación típica de un sistema de caudalímetro.

Las pautas recomendadas se ofrecen para mejorar la precisión y maximizar el rendimiento. Las distancias indicadas corresponden a 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 su diámetro interno. Por ejemplo, con una tubería de 50 mm, debe haber 500 mm de tubería recta inmediatamente aguas arriba. La longitud deseada de la tubería recta aguas arriba es de 1000 mm.
Aguas abajo: Permita una longitud mínima de tubería recta de al menos 5 veces su diámetro interno. 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 comercial en la medición de energía, el caudalímetro de turbina es fundamental para la elaboración de documentos legales a nivel mundial, ya que constituye una base fundamental para regular la relación entre la oferta y la demanda. La Organización Internacional de Normalización (ISO) promulga las normas internacionales ISO 2715 e ISO 9951, y la Organización Internacional de Metrología Legal (OIML) promulga las recomendaciones internacionales R6 y R32.

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

ISO 9951 es el estándar internacional TUF para gas, que especifica la estructura del instrumento, la prueba de presión, las características del medidor de flujo, el dispositivo de lectura, la calibración de campo, la pérdida de presión, los 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 cual es relativamente raro entre los medidores de flujo.

Las normas OIML R6 y 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 homologación, la calibración inicial y la calibración posterior.

Las normas de países industrializados, como API 2534, AGA NO7, JIS Z8765, JIS B7501, etc., sobre TUF, son el resumen de muchos años de uso práctico. Son muy prácticas y gozan de amplio reconocimiento internacional.

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