PRINCIPIO DE MEDIDOR DE FLUJO CORIOLIS

MEDIDORES POR FRECUENCIA NATURAL DE OSCILACIÓN.

Medidor de caudal de masa directo que trabaja mediante el efecto que tienen las oscilaciones de frecuencia natural de vibración con respecto al caudal de masa que pasa por tramo de tubería que está construido con materiales de buena elasticidad y de una forma geométrica muy particular.

Un objeto que se mueve en un sistema de coordenadas que rota con una velocidad angular, experimentará una fuerza de Coriolis proporcional a la masa, a la velocidad del objeto y a la velocidad angular del sistema. Esta fuerza es perpendicular a la velocidad del objeto y a la velocidad angular del sistema de coordenadas.

En la nueva generación de los medidores de Coriolis, comercialmente disponibles, el fluido a la entrada del medidor se divide entre dos tubos en forma de U, los cuales tienen un diámetro menor que el de la tubería del proceso. El flujo sigue la trayectoria curva de los tubos, y converge a la salida del medidor. Estos tubos se hacen vibrar a su frecuencia natural por medio de un mecanismo magnético. Si en vez de hacerlos rotar continuamente los tubos vibran, la magnitud y dirección de la velocidad angular es alternada. Esto crea una fuerza Coriolis alterna. Si los tubos en forma de U son suficientemente elásticos, las fuerzas de Coriolis inducidas por la masa del fluido producen una pequeña deformación elástica. A partir de ella se mide y calcula el flujo de masa.

Hasta hace poco tiempo, no existía ningún método práctico para medir la masa . Tales mediciones son necesarias en infinidad de aplicaciones entre las cuales se encuentran: los balances de masa de productos procesados y obtenidos en la planta, transferencia de custodia.

La medición directa de la masa de flujo evita la necesidad de utilizar cálculos complejos y como estándar fundamental de medición, la masa no deriva sus unidades de otra fuente ni se ve afectada por variaciones de temperatura o presión; tal constancia hace a la masa, la propiedad ideal para medir. El primer Medidor de Flujo Másico (MFM) fue desarrollado por la compañía Micro Motion y funciona según el principio Coriolis.

El medidor de Coriolis se basa en el teorema de Coriolis, matemático francés (1795- 1843) que observó que un objeto de masa m que se desplaza con una velocidad lineal V a través de una superficie giratoria que gira con velocidad angular constante w, experimenta una velocidad tangencial (velocidad angular x radio de giro) tanto mayor cuanto mayor es su alejamiento del centro. Si el móvil se desplaza del centro hacia la periferia experimentará un aumento gradual de su velocidad tangencial, lo cual indica que se le está aplicando una aceleración, que es precisamente la aceleración de Coriolis. Este fenómeno es el causante de que el remolino que se forma en el fondo de un depósito al vaciarlo, gira a derechas en el hemisferio Norte y a izquierdas en el hemisferio Sur. Asimismo todos los vientos de la circulación general que soplan desde el Norte al Sur en el hemisferio Norte son desviados, debido a la rotación de la Tierra de Oeste a Este, constituyendo los vientos predominantes de oeste. Por otro lado, el célebre péndulo de Foucault demuestra también el fenómeno.

La figura siguiente muestra la configuración de un medidor tipo Coriolis; debido a que la masa no cambia, el medidor es lineal y no tiene que ser ajustado para variaciones en las propiedades del líquido. También elimina la necesidad de compensar por variaciones en la presión y temperatura. Este medidor es útil especialmente para líquidos cuya viscosidad varía con la velocidad. La exactitud típica de estos medidores está entre un +0,20% a +0,40% del valor máximo del flujo de diseño. Generalmente se emplean con fluidos líquidos, aunque también puede utilizarse con gases secos y vapor sobrecalentado.


 
PARTES DE UN MEDIDOR DE FLUJO MÁSICO CORIOLIS

 

Representación de la fuerza reactiva. Fuerza Coriolis y velocidad vertical del flujo en el extremo de salida del sensor.

• La Unidad Sensora.
  
• La Unidad Electrónica
  

 
La Unidad Sensora :

La Unidad Sensora constituye el componente que está en contacto directo con el proceso.

COMPONENTES DE LA UNIDAD SENSORA.

Tubos de flujo : Son tubos en forma de U por donde circula el fluido de proceso, están constituidos básicamente de acero inoxidable 316L libre de obstrucciones y diseñados para vibrar a su frecuencia natural. Este hecho, permite una reducción en la energía requerida por éstos para oscilar. Están soldados a tubos de unión múltiple.

Tubos de Unión Múltiple (Manifolds): Su función es la separar el fluido en dos partes iguales en la entrada del medidor para luego recombinarlo en la salida. Estos tubos están soldados al espaciador, a la placa base, accesorios de fluido y a los tubos de flujo. El fluido fluye a través de los accesorios de fluido, tubos de unión múltiple y tubos de flujo.


 
Espaciador: Son segmento de tubería de acero inoxidable 304 usados para tres propósitos. Primero, separa los tubos de unión múltiple de modo que se alínien debidamente con los tubos de flujo. Segundo, actúa como un conducto para cables desde adentro del compartimiento del sensor hacia la Unidad Electrónica. Tercero, provee estabilidad dimensional para el sensor y ayuda a neutralizar las tensiones de la tubería que podrían afectar la operación del medidor.

Hay una plaqueta sobre una de las placas del espaciador para permitir un fácil acceso a conexiones de cables.

Placa Base: Consiste en una de las piezas lisas rectangulares de acero inoxidable. La placa está soldada a los tubos de unión múltiple como también a la cubierta.


 
Barreras Expansoras: Las barreras son piezas rectangulares lisas que abrazan a los tubos de flujo y los posicionan en forma precisa, a fin de mantener las zonas de vibración separadas de las soldaduras de conexión de los tubos de unión múltiple.


 
Bobina Impulsora: La bobina impulsora es un dispositivo magnético que convierte la señal eléctrica proveniente de la Unidad Electrónica en una fuerza que hace vibrar a los tubos de flujo. Esta bobina lleva anexo un magneto y juntos están fijados al centro de los brazos de soporte.


 
Brazos de Soporte : Los brazos de soporte, uno abraza a los tubos de flujo, el otro sirve de soporte a la bobina impulsora y a los detectores de posición. Las bobinas y detectores están unidos a uno y los magnetos asociados, al otro.


 
Detectores de Posición: Son los elementos sensores primarios para determinar el ángulo de torsión del tubo de flujo en función del tiempo. Los detectores, envían esta información a la Unidad Electrónica, donde se procesa y convierte a un voltaje proporcional a la rata de masa de flujo. Están constituídos por una bobina y un magneto asociado a ésta.

Se usan bases de cerámicas para las bobinas, lo que garantiza la estabilidad térmica.

Los magnetos están posicionados de manera que las bobinas se mantengan dentro de un campo magnético, bajo cualquier circunstancia de vibración.

Sensores de Temperatura : Para todos los modelos, una resistencia detectora de temperatura (RTD) está unida a la parte inferior de uno de los tubos de flujo. Este sensor es utilizado con dos objetivos: Primero, a través de la Unidad Electrónica, compensa los efectos de la temperatura sobre el modo de rigidez de los tubos de flujo controlando así, la escala de conversión necesaria de voltaje/frecuencia de la señal de flujo.

A medida que sube la temperatura del fluido, los tubos se tuercen cada vez más para la rata de flujo dada. El segundo objetivo de este sensor, consiste en convertir la señal que éste produce en variaciones de voltaje el cual cambia linealmente con la temperatura. Posteriormente esta señal de voltaje a ser convertida en lectura de temperatura.

Accesorios de Fluidos: Las bridas están fabricadas de acero inoxidable 316 L. Los Cuellos, entre las bridas y los Tubos de Unión Múltiple, son de acero inoxidable 304.

Cubierta o Caja del Sensor: Es de acero inoxidable 304 y esta soldada a la placa base, formando esta soldadura, un sello que protege el ensamblaje del tubo contra influencias exteriores. En la parte superior de cada cubierta existe un terminal llamado "Snnuber" que puede ser usado para satisfacer los requerimientos de tierra (GND) de circuitos eléctricos.


 
PRINCIPIOS DE OPERACIÓN

Todos los medidores de flujo másico trabajan bajo el mismo principio que consiste en la aplicación de la segunda ley de Newton: " fuerza es igual a Masa por Aceleración " (F= m.a ). Esta ley es utilizada para determinar la cantidad exacta de masa que fluye a través del medidor. Dentro de la Unidad Sensora, los tubos de flujo se han diseñado para vibrar a su frecuencia natural con respaldo de un sistema electromagnético. Esta vibración tiene una amplitud que es aproximadamente menor a 1 mm, y frecuencia entre 40 y 120 Hz dependiendo del tamaño del medidor.

La masa correspondiente a cierto flujo, adquiere una velocidad lineal al fluir a través del tubo. Las vibraciones de éste sobre un eje (eje de soporte) resultan perpendiculares al flujo y hacen que el mismo acelere en el extremo de entrada y desacelere en el de salida, causando que el tubo se doble. Esto se puede analizar de manera más sencilla y detallada a continuación: En primer lugar, imaginemos al tubo de flujo como un par de piernas, pierna 1 por donde entra el flujo y pierna 2 por donde sale.

El flujo entra al tubo por la pierna con una velocidad horizontal paralela a éste, pero al momento y por efecto de la vibración que es máxima al final de la pierna un poco antes del dobléz, se le induce una velocidad vertical y en consecuencia, una fuerza reactíva del flujo se opone a la acción del tubo creándose un desequilibrio de éste que a manera de compensarlo y por efecto del flujo saliente, causa que la segunda pierna se deforme con una fuerza igual en magnitud y en sentido opuesto a la pierna 1. Al momento de salida, esa velocidad vertical comienza a disminuir progresivamente debido a que la vibración se va haciendo nula justamente antes de abandonar la segunda pierna.

La fuerza de torsión inducida por el flujo crea un efecto llamado Coriolis que es un proporcional a la rata de flujo masivo. Este efecto constituye la fuerza utilizada para la detección de la masa de flujo.


 
CARACTERÍSTICAS DE LOS MEDIDORES DE FLUJO MÁSICO


 
Precisión: el grado de precisión de los MFM incluyen errores de interferencia, repetibilidad y estabilidad cero pero, ya que son considerados independientes, éstos suman por sus raíces cuadradas y no por valores acumulativos. Así, el error real casi siempre será del 0.2% de la rata de flujo (+/-) la estabilidad cero dada en las especificaciones.

Repetibilidad: para un MFM repetibilidad es menor del 0.1%.

Estabilidad del Cero: La señal de la rata de flujo permanece lineal cuando éste vale cero. Existe poca estabilidad a ratas de flujo muy bajas.

Rango de Flujo: El rango de flujo es especificado en libras o kilogramos por minuto, para cada tamaño de medidor. Las únicas limitaciones son caídas de presión aceptables del sistema y la poca estabilidad a ratas de flujo muy bajas.

Flujo Mínimo a Escala Completa: Es la rata más baja de flujo completo en el que el interruptor de selección de rango (Span Select Switch) del medidor puede ser ajustado.

En este valor el medidor no puede proveer salida a escala completa.

Flujo Máximo a Escala Completa: Es la rata más alta de flujo completo en el que el interruptor de selección de rango (Span Select Switch) del medidor puede ser ajustado. Es el valor más alto del rango de flujo.

Rango de Presión de Operación : Ésta es de al menos ¼ de la presión de ruptura del material utilizado en conformidad con ANSI/ASME * B31.3, a temperatura ambiente.


 
VENTAJAS DEL SISTEMA


 
Por utilizar como patrón de medida unidades de masa, ésta no se ve afectada por cambios en los parámetros de Temperatura o Presión.

Por no poseer partes móviles ni desarmables, requiere de mínimo mantenimiento.

Permite la medición de flujo en forma bidireccional.

La señal eléctrica proporcional al flujo ya viene corregida, es decir, que no amerita de cálculos complejos para la lectura.

Es de fácil calibración en el campo.

El error real es de menos del 0.2% de la rata de flujo (+/-) la estabilidad cero.


 
DESVENTAJA DEL SISTEMA

1.- Constituye el sistema de medición de flujo de mayor costo.