La relación más importante es:
ΔP ∝ Q², entonces Q ∝ √ΔP
En otras palabras, la presión diferencial cambia aproximadamente con el cuadrado del flujo. Por lo tanto, un transmisor DP mide primero la presión; El flujo se infiere de esa diferencia de presión. Si desea una introducción más amplia al instrumento en sí, consulte esta descripción general detransmisores de presióny estotransmisor de presión diferencialpágina.
¿Qué mide realmente un transmisor DP?
Un transmisor DP tiene un lado de alta-presión y un lado de baja-presión. Mide la diferencia entre esas dos presiones:
ΔP = P1 − P2
Si el transmisor está conectado a través de un elemento de flujo primario diseñado adecuadamente, la presión diferencial medida tiene una relación conocida con el flujo.
Esta distinción es importante porque el transmisor por sí solo no crea una medición de flujo. Un sistema de flujo DP completo normalmente incluye:
- un elemento primario que crea la presión diferencial;
- grifos de presión que detectan la presión aguas arriba y aguas abajo;
- líneas de impulso o una disposición-de montaje directo que transfiera esas presiones al transmisor;
- un transmisor DP que mide la diferencia de presión; y
- un transmisor, PLC, DCS o computadora de flujo que convierte DP en la variable de flujo requerida.
La relación más amplia entre presión y flujo se analiza en esta guía para elrelación-de flujo y presión.
Cómo funciona la medición del flujo DP paso a paso
1. El elemento primario cambia el área de flujo
Considere una placa de orificio convencional. Su diámetro interior es menor que el diámetro de la tubería, por lo que el área de flujo disponible disminuye a medida que el fluido pasa a través de la restricción.
El mismo principio general de medición se puede implementar con otros elementos primarios. La geometría difiere, pero cada dispositivo está diseñado para producir una diferencia de presión que puede relacionarse con el flujo en condiciones específicas.
2. La velocidad del fluido aumenta y la presión estática disminuye
A medida que el fluido acelera a través del área restringida, su velocidad aumenta y su presión estática disminuye. Por lo tanto, la presión aguas arriba de la restricción es mayor que la presión en el punto de toma apropiado aguas abajo.
Esta es la presión diferencial medida por el transmisor.
3. El transmisor mide la presión del lado alto-y del lado bajo-
La toma aguas arriba normalmente está conectada al puerto de alta-presión y la toma aguas abajo al puerto de baja-presión. El transmisor detecta la diferencia en lugar de tratar las dos presiones como mediciones de flujo independientes.
A medida que aumenta el flujo, la restricción produce una presión diferencial mayor. La relación, sin embargo, no es lineal.
4. La presión diferencial se convierte en flujo
Para la medición de flujo de presión-diferencial convencional:
ΔP ∝ Q²
Por lo tanto:
Q ∝ √ΔP
El cálculo de la raíz cuadrada-se puede realizar dentro del transmisor o en el DCS, PLC o computadora de flujo. La orientación técnica de Yokogawa sobreExtracción de raíz-cuadrada en aplicaciones de flujo DPseñala que se puede utilizar cualquier ubicación, pero el punto de cálculo debe definirse claramente.
Por qué es importante la relación-de raíz cuadrada
Es fácil suponer que un 50% de presión diferencial significa un 50% de flujo. Esto es incorrecto para una relación de flujo de DP convencional.
| Fluir | Presión diferencial correspondiente |
|---|---|
| 100% | 100% |
| 75% | 56.25% |
| 50% | 25% |
| 25% | 6.25% |
Si el DP medido es el 25% del DP de diseño, el flujo correspondiente es aproximadamente el 50% del flujo de diseño, suponiendo que las otras variables en el cálculo permanezcan sin cambios.
Esta relación también explica por qué el extremo inferior del rango de flujo DP merece atención. Con un flujo del 25 %, el transmisor ya está midiendo solo el 6,25 % del DP de escala completa-. A medida que el flujo se acerca a cero, el ruido de presión, la compensación del cero, las pequeñas fluctuaciones del proceso y los efectos de la línea de impulso-se vuelven cada vez más significativos en relación con la señal medida.
El límite de flujo bajo-no es solo una configuración de visualización
La extracción de raíz-cuadrada tiene una alta ganancia cercana a cero presión diferencial. Por lo tanto, pequeñas fluctuaciones de DP pueden crear un flujo calculado visiblemente inestable. Yokogawa describe este comportamiento en su guía sobresalida de corte bajo-para flujo de DP, mientras que Emerson también recomienda un corte de flujo bajo-en configuraciones de transmisor relevantes para estabilizar la salida en condiciones de flujo muy bajo o nulo-.
No se debe elegir un límite arbitrariamente. Debe reflejar el transmisor, el elemento primario, el ruido del proceso, el rango operativo requerido y la necesidad de la aplicación de distinguir el ruido de flujo bajo genuino del ruido de flujo cero-.
¿Qué es la fórmula de flujo DP?
Una expresión conceptual útil es:
Q = K × √(ΔP / ρ)
dónde:
- Qes el caudal volumétrico;
- ΔPes la presión diferencial;
- ρes la densidad del fluido; y
- Krepresenta las características relevantes del elemento primario y el cálculo.
Esta es una relación conceptual, no una ecuación de tamaño universal.
Los cálculos de flujo de presión diferencial-real también pueden involucrar la geometría del elemento-primario, el diámetro del orificio, el diámetro de la tubería, la relación de diámetros, el coeficiente de descarga, el número de Reynolds, la disposición de las tomas de presión y, para fluidos comprimibles, un factor de expansibilidad.
el funcionarioISO 5167-1:2022El estándar define principios generales para la medición de flujo con dispositivos-de presión diferencial, incluidas placas de orificio, boquillas, tubos Venturi, medidores de cono y medidores de cuña. También define los requisitos de instalación y de incertidumbre. Su alcance declarado se aplica a un conducto completo, flujo subsónico a través de la sección de medición, fluido que puede tratarse como monofásico y flujo no-pulsante.
Para placas de orificio específicamente,ISO 5167-2:2022aborda la geometría, la instalación, las condiciones de funcionamiento y las disposiciones de toma de presión-específicas.
Un ejemplo simple de DP-a-flujo
Supongamos que un sistema está diseñado de modo que el flujo máximo requerido corresponda a una presión diferencial de 100 unidades de presión. El transmisor mide actualmente 36 unidades de presión.
El DP normalizado es:
36 / 100 = 0.36
El flujo normalizado es:
√0.36 = 0.60
Por lo tanto, el caudal indicado es aproximadamente el 60 % del caudal máximo configurado, siempre que las condiciones de fluido y funcionamiento asumidas sigan siendo válidas.
Este ejemplo demuestra únicamente la conversión de raíz-cuadrada. No sustituye al tamaño del elemento-principal ni al cálculo de flujo que cumple con el estándar-.
¿Qué elemento primario se debe utilizar?
El transmisor mide DP, pero el elemento primario determina cómo se genera ese DP. Por lo tanto, la elección del elemento principal es parte del diseño del caudalímetro, no una idea de último momento.
| Elemento primario | Fuerza típica | Comercio principal-Off |
|---|---|---|
| Placa de orificio | Construcción sencilla y métodos de cálculo bien-establecidos | Pérdida de presión permanente relativamente alta |
| tubo venturi | Buena recuperación de presión | Tamaño más grande y construcción más sustancial |
| Boquilla de flujo | Adecuado para servicios exigentes de alta-velocidad y algunos servicios de vapor | La aplicación y la instalación deben diseñarse adecuadamente |
Un Venturi puede resultar atractivo cuando es importante una pérdida de presión permanente. Para obtener más detalles sobre esa opción, consulte la guía paraVentajas y desventajas del medidor de flujo Venturi. Las instalaciones Venturi existentes también pueden desarrollar problemas-específicos de la aplicación, que se tratan en esta descripción general deProblemas y soluciones del medidor Venturi..
El mejor elemento primario depende de las propiedades del fluido, el tamaño de la tubería, el rango de flujo, la presión, la temperatura, la pérdida de presión permanente permitida, el espacio de instalación, las condiciones de mantenimiento y el estándar de medición aplicable.
Cómo los líquidos, los gases y el vapor cambian la medida
Líquidos
Para líquidos de densidad-relativamente estable, la relación DP-a-flujo puede ser comparativamente sencilla. Sin embargo, la instalación sigue siendo importante. El gas atrapado en una línea de impulso, grifos de presión parcialmente bloqueados, fugas o un desequilibrio de elevación pueden introducir una presión diferencial falsa.
El fluido también debe coincidir con las suposiciones utilizadas cuando se dimensionó el elemento primario. Un cambio de densidad significativo cambia la relación entre el DP medido y el flujo calculado.
gases
La densidad del gas puede cambiar significativamente con la presión y la temperatura de funcionamiento. Por lo tanto, un DP determinado no siempre representa el mismo flujo másico cuando cambian las condiciones del gas.
Las aplicaciones que requieren flujo compensado pueden utilizar presión diferencial junto con información sobre presión estática, temperatura y propiedades-del fluido. La distinción entre medición volumétrica y de masa se analiza más a fondo en esteguía de flujo másico versus flujo volumétrico.
Si la medición directa de la masa de gas es más apropiada que un sistema DP, unmedidor de flujo másico de gasPuede valer la pena compararlo para aplicaciones adecuadas.
Vapor
Las instalaciones de vapor DP requieren especial atención a las condiciones de las tuberías de impulso y del condensado. Las cabezas de líquido desiguales en los lados alto y bajo pueden crear una presión diferencial artificial que el transmisor no puede distinguir del proceso DP.
La densidad también cambia con las condiciones del vapor, por lo que el flujo másico compensado puede requerir información de presión y temperatura. Cuando se esté considerando un principio de medición diferente, semedidor de flujo de vaporbasado en la medición de vórtices proporciona un punto de comparación útil.
¿Dónde se debe calcular la raíz cuadrada?
La conversión de raíz-cuadrada se puede realizar en varios lugares:
- dentro del transmisor DP;
- en un PLC o DCS; o
- dentro de una computadora de flujo dedicada.
No hay ningún beneficio en aplicarlo dos veces. Si un transmisor ya envía una salida proporcional al flujo y el sistema de control aplica otra función de raíz cuadrada-, el valor final será incorrecto.
También ocurre el error opuesto: un transmisor envía DP lineal mientras que el sistema receptor trata esa señal como un flujo lineal.
Durante la puesta en servicio, documente si cada variable transmitida representa la presión diferencial bruta o el flujo calculado. EmersonDocumentación de configuración de flujo 4051Sproporciona un ejemplo de conversión de raíz cuadrada-basada-en un transmisor y configuración de corte de flujo bajo-.
Calibrar no es lo mismo que verificar la precisión del flujo
Esta distinción es una de las más importantes en un circuito de flujo DP.
Un técnico puede aplicar presiones diferenciales conocidas y confirmar que el transmisor las mide correctamente. Eso verifica la medición de presión. No prueba que todo el sistema instalado esté calculando el caudal correcto.
Una verificación completa debe considerar:
- datos de tamaño y tipo de elemento-principal;
- dimensiones correctas del diámetro interior y de la tubería;
- disposición del grifo de presión-;
- impulso-condición de línea;
- rango cero y DP del transmisor;
- configuración de raíz cuadrada-;
- Escalado DCS o PLC;
- entradas de densidad y compensación de fluidos;
- unidades de ingeniería; y
- las condiciones de la tubería instalada alrededor del elemento primario.
Las prácticas generales de calibración están cubiertas en estosMejores prácticas de calibración de medidores de flujo. Para el cuidado rutinario de los instrumentos, la guía del sitio sobremantenimiento del transmisor de presiónproporciona un contexto de mantenimiento adicional.
Por qué un transmisor DP preciso aún puede proporcionar un flujo incorrecto
La precisión del transmisor es solo una parte del rendimiento del-sistema de flujo. El flujo calculado final también depende de la calidad de los datos del elemento-primario, los supuestos de propiedad-del proceso, la instalación y la configuración de la señal.
Por ejemplo, un transmisor calibrado con precisión seguirá informando un flujo engañoso si una línea de impulso está parcialmente bloqueada. Del mismo modo, una medición perfecta de DP no puede corregir un tamaño de orificio del elemento primario- o una densidad de fluido ingresados incorrectamente.
Esta es la razón por la que la especificación de un transmisor no debe tratarse como la especificación de precisión de todo el sistema de flujo DP. ISO 5167 incluye explícitamente la determinación de la incertidumbre de la medición como parte del método de medición más amplio, en lugar de tratar el sensor de presión como la única fuente de incertidumbre.
Problemas comunes de flujo de DP y qué verificar primero
| Síntoma | Posible causa | Primera comprobación útil |
|---|---|---|
| El flujo sigue siendo alto cerca del cierre | Desplazamiento cero, cabezal de línea de impulso-desigual o manejo incorrecto de flujo bajo- | Verifique el DP cero verdadero y verifique la tubería de impulso |
| La lectura de flujo-bajo es inestable | Amplificación-de raíz cuadrada del ruido | Verifique la estabilidad del DP sin procesar y la configuración de corte de flujo-bajo |
| La lectura cambia lentamente o parece congelada | Línea de impulso restringida o bloqueada | Inspeccionar las tomas de presión, el colector y la respuesta de la línea-impulso |
| El flujo es consistentemente mayor o menor de lo esperado | Datos de densidad, rango,-elemento primario o error de escala | Compare la configuración con los datos de tamaño aprobados. |
| La lectura cambió después del mantenimiento. | Error de posición, reconexión, cero o configuración de la válvula | Verifique la alineación del colector, las conexiones H/L y el cero del transmisor. |
Las fallas de la línea-de impulso merecen especial atención porque el transmisor solo conoce las presiones entregadas a sus puertos. No puede saber automáticamente que una línea de presión tiene fugas u obstrucción a menos que el transmisor específico incluya diagnósticos adecuados.
¿Cuándo es la medición del flujo DP una buena opción?
La medición de DP sigue siendo práctica para muchos servicios industriales de líquidos, gases y vapor, particularmente cuando el proceso ya utiliza elementos primarios estandarizados y el personal de la planta está familiarizado con la instrumentación de presión.
No es automáticamente la mejor tecnología para cada servicio. Compare alternativas cuando la aplicación dé alta prioridad a una pérdida de presión permanente muy baja, medición de masa directa, líquidos conductivos difíciles, medición no-intrusiva o una reducción utilizable más amplia que la que el sistema DP propuesto puede ofrecer.
Los puntos de comparación útiles incluyenmedidores de flujo de vórticepara servicios adecuados de vapor y fluidos-de proceso,medidores de flujo másico térmicopara gases apropiados, ymedidores de flujo electromagnéticospara líquidos conductores.
La elección debe comenzar con las condiciones del proceso y el objetivo de medición, no con la tecnología de transmisor preferida.
Preguntas frecuentes
¿Un transmisor DP mide el flujo directamente?
No. Mide directamente la presión diferencial. El caudal se deduce del DP producido por un elemento primario y de los parámetros de cálculo utilizados por el sistema de medición.
¿Por qué se utiliza la raíz cuadrada de DP para el flujo?
Porque la presión diferencial a través de un elemento primario convencional cambia aproximadamente con el cuadrado del caudal. Si ΔP es proporcional a Q², entonces Q es proporcional a √ΔP.
¿50% de DP equivale a 50% de flujo?
No. Según la relación básica de raíz cuadrada-, el 25 % del DP del diseño corresponde aproximadamente al 50 % del flujo de diseño. Por el contrario, un 50 % de DP corresponde a aproximadamente un 70,7 % de flujo.
¿Puede un transmisor DP medir tanto líquidos como gases?
Sí, siempre que el elemento primario-completo y el sistema transmisor sean adecuados para la aplicación. La medición de gases a menudo requiere atención adicional a la presión, temperatura, densidad y compresibilidad.
¿Se puede utilizar un transmisor DP sin placa de orificio?
Sí. Las placas de orificio son sólo un tipo de elemento primario. También se pueden utilizar tubos Venturi, boquillas, medidores cónicos, medidores de cuña, dispositivos de presión promedio y otros elementos productores de DP-adecuados, según el diseño.
¿Se debe realizar la extracción de raíz-cuadrada en el transmisor o en el DCS?
Cualquiera de los dos puede ser válido. Lo que importa es que la ubicación del cálculo esté documentada y que la extracción de la raíz cuadrada-se realice una vez, no tanto en el sistema transmisor como en el receptor.
¿Por qué una señal de flujo DP se vuelve inestable con un flujo bajo?
Debido a que la presión diferencial generada se vuelve muy pequeña y la extracción de raíz cuadrada-tiene una ganancia alta cercana a cero. Por lo tanto, el ruido del proceso, las pequeñas fluctuaciones de DP y cero errores pueden crear cambios relativamente grandes en el flujo calculado.
¿La precisión del transmisor es igual a la precisión del flujo?
No. La incertidumbre en la medición del flujo también puede incluir el elemento primario, las dimensiones, las características de descarga, la densidad del proceso, las entradas de presión y temperatura, la instalación, las tomas de presión, las líneas de impulso y la configuración de cálculo.
Conclusión
Un transmisor DP mide el flujo detectando la diferencia de presión producida a través de un elemento de flujo primario y convirtiendo esa medición en flujo a través de una relación de raíz cuadrada-.
La cadena de medición esencial es:
Flujo → elemento primario → presión diferencial → transmisor DP → cálculo de flujo
El transmisor es sólo una parte de esa cadena. La medición confiable del flujo DP depende del tamaño correcto-del elemento primario, de la toma de presión adecuada, de las tuberías de impulso de sonido, de las suposiciones precisas sobre las propiedades del proceso-, de la configuración correcta de la raíz cuadrada- y de una puesta en servicio adecuada.
Para trabajos de ingeniería, utilice la relación de raíz cuadrada-simplificada para comprender el principio, pero utilice el estándar aplicable, los datos de tamaño aprobados, la documentación del transmisor y las condiciones reales del proceso al diseñar o verificar un bucle de medición. Esa distinción entre comprender el principio y validar el sistema completo es lo que evita que una señal DP aparentemente correcta se convierta en un valor de flujo incorrecto.
