Medición del caudal de líquidos utilizando sensores de presión

Los sensores de presión diferencial se utilizan ampliamente para medir el caudal de líquidos incompresibles, como el agua. El método más común consiste en medir la caída de presión a través de una placa de orificio en una tubería y calcular el caudal. Una placa de orificio es simplemente una placa instalada en la tubería, normalmente entre bridas, con un orificio central de tamaño conocido. Cuando el fluido fluye a través del orificio, se genera una caída de presión a través del orificio, desde el lado de aguas arriba hasta el lado de aguas abajo. Esta caída de presión es proporcional al caudal, y la señal del sensor puede utilizarse para calcular el caudal en unidades de ingeniería.
La figura muestra una configuración típica de placa de orificio. El lado aguas arriba de la placa de orificio tiene una presión más alta y está conectado al puerto "＋" del sensor de presión a través de un manifold de tres válvulas. El lado aguas abajo de la placa de orificio está conectado de manera similar al puerto "-" del sensor de presión. El manifold de tres válvulas protege al sensor de presión contra sobrepresión cuando está instalado en la tubería de trabajo.
El método de cálculo para determinar el caudal a partir de la caída de presión se basa en una ecuación física relativamente sencilla. Sin embargo, intervienen muchas variables en el cálculo, cada una con sus propias unidades de ingeniería. Estas variables incluyen la geometría del orificio, el tamaño de la tubería, la viscosidad del fluido y la densidad del fluido. El cálculo puede llegar a ser bastante complejo debido al número de términos y factores de conversión implicados en cada variable. Afortunadamente, existen muchas calculadoras en línea que permiten calcular el caudal para una caída de presión en el orificio dada, simplemente introduciendo las variables en cualquier unidad de ingeniería conveniente.
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El ejemplo que proporcionaste detalla cómo utilizar la relación entre la señal del sensor de presión diferencial (Vcc o mA) y la caída de presión en el orificio para obtener el caudal, y establece la fórmula de conversión correspondiente. Este método es una aplicación típica de la medición de caudal por presión diferencial.
El núcleo de su contenido es correcto y el proceso es claro. A continuación se presenta un resumen y una optimización menor basada en su proceso de cálculo y en conocimientos del sector (por ejemplo, la relación Q∝ΔP mencionada en los resultados de búsqueda), principalmente relacionada con el rigor en la expresión de la fórmula.
Resumen del proceso de cálculo
Su lógica de cálculo es correcta. A continuación se presenta un resumen de los pasos clave:
1. Confirmar la relación entre caudal y presión diferencial:
2. El caudal (Q) es proporcional a la raíz cuadrada de la presión diferencial (ΔP), es decir, Q=kΔP
3. Su hoja de datos confirma esto:
4.
- Cuando ΔP = 100 in H₂O, Q = 640 GPM
- Cuando ΔP = 25 in H₂O, Q ≈ 320 GPM (cálculo teórico) / 321 GPM (tabla real)
5. Calcular el coeficiente de orificio (k):
6. Realizar el cálculo con la fórmula k = Q / ΔP.
- Tome la primera fila de datos: k = 640 / 100 = 640 / 10 = 64
- Sugerencia de optimización: Escriba más rigurosamente la fórmula como k = Q / ΔP. Su texto original omitió el signo de la variable para k = GPM / √(ΔP).
7. Verifique el coeficiente de la placa de orificio (k):
8. Calcule otro punto de datos usando k=64 para verificar su aplicabilidad general:
- Cálculo: Q = 64 × 25 = 64 × 5 = 320 GPM
- Comparación: En su tabla, Q = 321 GPM cuando ΔP = 25 in H₂O.
- Análisis y Optimización: Existe una pequeña diferencia de 1 GPM entre el valor calculado (320 GPM) y el valor de la tabla (321 GPM). Esto confirma su referencia a "aproximadamente 1% de precisión" y "diferencia de 1-2 GPM", lo cual es aceptable en aplicaciones de ingeniería. Si busca una precisión extremadamente alta, debe verificar los datos o coeficientes originales.
9. Deduzca la fórmula de caudal basada en el tipo de señal del sensor:
- Para una señal Vdc (0-5V):
- El voltaje y la presión diferencial están relacionados linealmente: ΔP = (100 in H₂O/5V) × Vdc = 20 × Vdc. - La fórmula del caudal es: Q = kΔP = 64 × 20 × Vdc
- Calculaste k′ = 286,217 usando k′ = Q / Vdc, por lo tanto Q = 286,217 × Vdc. Esta fórmula es correcta; esencialmente, Q = 64 × 20 Vdc = 64 × 20 × Vdc ≈ 286,217 × Vdc.
- Para una señal en mA (4-20 mA):
- La presión diferencial está relacionada linealmente con la corriente efectiva: ΔP = [100 in H₂O / (20 − 4) mA] × (ImA − 4) = 6,25 × (ImA − 4).
- La fórmula del caudal es: Q = kΔP = 64 × 6,25 × (ImA − 4) = 64 × 2,5 × (ImA − 4) = 160 × (ImA − 4).
- Calculaste k′′ = Q / (ImA − 4) para obtener k′′ = 160, por lo tanto Q = 160 × (ImA − 4). Esta fórmula es correcta.
- Verificación: Q = 160 × (8 − 4) = 160 × 2 = 320 GPM. La discrepancia con los 321 GPM de la tabla refleja nuevamente los posibles pequeños errores en el sistema.
Cosas a considerar:
Se aplican algunas consideraciones prácticas. El manifold de tres válvulas debe utilizarse junto con una placa de orificio y un sensor de presión diferencial. Esto permite utilizar el sensor de presión mientras la tubería está bajo presión. Para hacerlo, conecte los puertos positivo y negativo del sensor de presión a válvulas de aislamiento cerradas, abriendo simultáneamente la válvula de equalización. Luego, abra lentamente las válvulas de aislamiento para distribuir uniformemente la presión estática de la tubería en ambos lados del sensor de presión. La apertura de la válvula de equalización elimina cualquier posibilidad de que se aplique al sensor una alta presión diferencial. Una vez que el sensor de presión esté completamente conectado, la válvula de equalización se cierra, permitiendo que el sensor detecte la diferencia de presión a través de la placa de orificio.
Para dar de baja el sensor de presión, primero abra las válvulas de equilibrio y luego cierre las válvulas de aislamiento. Cuando la válvula de aislamiento esté completamente cerrada, cualquier presión residual en la cavidad del sensor se ventilará a través del puerto de ventilación del sensor de presión. La válvula de equilibrio puede cerrarse entonces para desconectar el sensor de presión del colector. Tenga en cuenta que todas las operaciones deben realizarse en este orden exacto: al poner en servicio el sensor de presión, abra primero la válvula de equilibrio; al retirar el sensor de presión del servicio, cierre la válvula de equilibrio al final.
La compatibilidad de materiales es otra consideración. Las piezas mojadas de acero inoxidable 316 son la mejor opción para sensores de presión que miden el flujo de agua. Validyne también ofrece piezas mojadas de Inconel para fluidos más corrosivos. El material del anillo O en el cuerpo del sensor de presión también debe ser compatible con el fluido; Validyne ofrece una variedad de compuestos elastoméricos.
Para tuberías con un diámetro interior mayor a 2 pulgadas, la medición de caudal mediante placa de orificio se considera la más precisa. La placa de orificio debe ubicarse dentro de un tramo recto de tubería, alejada de codos o bifurcaciones. La tubería que conduce a la placa de orificio debe mantener una longitud de tramo recto varias veces superior al diámetro de la tubería. Las juntas en la brida de la placa de orificio deben alinearse cuidadosamente y no impedir el flujo del fluido dentro de la tubería, de lo contrario podrían producirse errores de medición. Existen otras tecnologías de medición de caudal disponibles, incluyendo medidores de paletas, medidores de turbina, medidores electromagnéticos de caudal y otros. Las placas de orificio y los sistemas de sensores de presión diferencial siguen utilizándose porque son de bajo costo, requieren poco mantenimiento y ofrecen mediciones razonablemente precisas en una amplia gama de tamaños de tuberías, tipos de líquidos y velocidades de flujo.