El principio parece simple, pero la medición confiable del flujo por orificio depende de algo más que la placa en sí. El diámetro del orificio, la relación beta, la condición del borde, la ubicación de la toma de presión, la densidad del fluido, el número de Reynolds, el perfil de flujo aguas arriba, el rango del transmisor DP y la instalación influyen en el resultado.
Esta guía explica el principio de funcionamiento del medidor de flujo de orificio desde la restricción hidráulica hasta la señal de flujo final, luego muestra qué afecta la incertidumbre de la medición, dónde funciona bien la tecnología y qué deben verificar los ingenieros antes de especificar un sistema.
¿Qué constituye un medidor de flujo de orificio?
Un medidor de orificio debe tratarse como un completo sistema de medición de presión diferencial-en lugar de una placa metálica instalada entre dos bridas.
Placa de orificio
La placa crea la restricción. Una placa concéntrica convencional con bordes afilados-tiene un orificio circular centrado en la tubería. El tamaño del orificio, el espesor, el borde aguas arriba y la orientación de instalación deben coincidir con la base de diseño utilizada para el cálculo del flujo.
Se encuentran disponibles diferentes geometrías de placas para servicios particulares. la guía paraelegir un tipo de placa de orificioproporciona un contexto adicional cuando una placa concéntrica estándar puede no ser adecuada para el fluido.
Tomas de presión y conexiones de impulso
Las tomas de presión detectan la presión estática en los lados aguas arriba y aguas abajo de la restricción. Los tubos o pasajes integrados llevan estas señales de presión al instrumento de presión diferencial.
La disposición de la toma forma parte del diseño de medición. No se puede mover arbitrariamente una vez que se ha dimensionado la placa porque la presión varía con la posición alrededor de la restricción.
Transmisor de presión diferencial
El elemento de medición secundario detecta la diferencia entre los lados de alta-presión y de baja-presión. Un adecuadotransmisor de presión diferencialconvierte esa diferencia de presión mecánica en una señal electrónica utilizable.
Más ampliamente,configuraciones del transmisor de presióndebe seleccionarse según la presión del proceso, la temperatura, el intervalo requerido, las condiciones ambientales y los requisitos del sistema de control-.
¿Cómo funciona un medidor de flujo de orificio?
1. El fluido se acerca a la restricción
Aguas arriba de la placa, el fluido ocupa toda la sección transversal-de la tubería. Para una medición estandarizada, el flujo entrante debe cumplir con las condiciones de instalación requeridas por el método de cálculo elegido. Los codos, válvulas y otras perturbaciones cercanas pueden cambiar el perfil de velocidad antes de que el fluido llegue al orificio.
2. La velocidad aumenta a través del orificio
El orificio proporciona menos área de flujo que la tubería. Para mantener la continuidad, el fluido acelera a medida que pasa a través de la abertura.
Esta aceleración es fundamental para la medición del flujo de presión-diferencial. El medidor no mide directamente la velocidad en la placa; en cambio, mide el cambio de presión asociado con la aceleración.
3. Caídas de presión estática
A medida que aumenta la velocidad, la presión estática disminuye. El principio de Bernoulli proporciona la relación física básica entre presión, velocidad y elevación para un flujo ideal, mientras que los cálculos prácticos de orificios agregan coeficientes que explican el comportamiento real del fluido.
Por lo tanto, la presión aguas arriba es mayor que la presión medida en el lado aguas abajo de la restricción.
4. Se forma una vena contracta aguas abajo
La corriente de fluido no se expande inmediatamente hasta el diámetro total de la tubería después de cruzar la placa. Continúa contrayéndose en una corta distancia aguas abajo. El lugar donde el chorro alcanza su área de sección transversal mínima-se llamavena contracta.
Después de este punto, la corriente se expande y se recupera algo de presión estática. La recuperación no es completa porque la separación y la turbulencia disipan la energía mecánica. Esta porción no recuperada aparece como una pérdida de presión permanente.
5. El sistema mide la presión diferencial
El transmisor ve dos señales de presión:
ΔP = P1 − P2
donde P1 es la presión de toma aguas arriba y P2 es la presión de toma aguas abajo.
A medida que aumenta el flujo, aumenta la presión diferencial. La relación, sin embargo, no es lineal.
6. La presión diferencial se convierte en flujo
Para una geometría fija y condiciones de proceso estables, la relación simplificada es:
Q ∝ √ΔP
Esto tiene una importante consecuencia práctica. Si la presión diferencial cae al 25 % de su valor de escala total-, el flujo teórico correspondiente es aproximadamente el 50 % de la escala total, no el 25 %.
La función de raíz cuadrada-se puede realizar dentro de un transmisor inteligente o en un PLC, DCS o computadora de flujo. Normalmente no se debe aplicar dos veces. Emersonguía de ingeniería de flujo DPseñala específicamente que la extracción de raíz-cuadrada se puede realizar en el transmisor o en cualquier otro lugar del sistema de control y advierte contra su realización en ambas ubicaciones.
La señal resultante también puede ser acumulada por untotalizador de flujocuando la aplicación requiere volumen o masa total en el tiempo.
¿Qué entra en la ecuación de flujo de orificio real?
La relación de raíz cuadrada-explica el principio, pero no es una ecuación de dimensionamiento de ingeniería completa. Los cálculos reales tienen en cuenta la geometría y el comportamiento del elemento primario y las propiedades del fluido.
Las variables importantes incluyen:
- diámetro del orificio;
- diámetro interior de la tubería;
- presión diferencial;
- densidad del fluido;
- coeficiente de descarga;
- relación beta;
- número de Reynolds;
- Factor de expansibilidad para fluidos compresibles.
Coeficiente de descarga
El coeficiente de descarga, comúnmente representado por C, representa la diferencia entre un cálculo de flujo ideal y el flujo real a través de la restricción. Está influenciado por la geometría y el régimen de flujo, por lo que no se puede reemplazar una placa de orificio estándar con un orificio aproximadamente similar y se espera que produzca la misma base de cálculo.
El estado del borde de la placa también importa. El redondeo, los depósitos, la erosión o los daños mecánicos pueden cambiar el comportamiento del flujo local y, por lo tanto, afectar el rendimiento de la medición.
Factor de expansibilidad
Para los líquidos, los cambios de densidad a través del elemento de presión diferencial suelen ser lo suficientemente pequeños como para tratar el fluido como esencialmente incompresible para el cálculo aplicable. El gas y el vapor se comportan de manera diferente.
Cuando un fluido compresible pasa a través de la restricción, los cambios de presión van acompañados de cambios de densidad. El factor de expansibilidad tiene en cuenta este efecto en el cálculo del orificio aplicable. Esta es una de las razones por las que el dimensionamiento del gas y el vapor requiere más información del proceso que simplemente el diámetro de la tubería y el flujo máximo.
¿Qué es la relación Beta y por qué es importante?
La relación beta, escrita como , es la relación entre el diámetro del orificio y el diámetro interior de la tubería:
= d / D
donde d es el diámetro del orificio y D es el diámetro interior de la tubería aguas arriba.
Un diámetro más pequeño en relación con la tubería crea una restricción más fuerte y generalmente produce más presión diferencial para un flujo determinado. Un orificio más grande produce menos presión diferencial y, por lo general, menos pérdida de presión permanente.
Eso no significa que una proporción beta muy pequeña o muy grande sea automáticamente mejor. La relación beta interactúa con el número de Reynolds, el coeficiente de descarga, el DP disponible, la incertidumbre y la sensibilidad de la instalación. Debe calcularse a partir de las condiciones reales del proceso en lugar de elegirse únicamente para crear un intervalo de transmisión conveniente.
¿Qué disposición de grifo de presión se utiliza?
ISO 5167-2:2022 cubre las placas de orificio estándar utilizadas con grifos de brida, grifos de esquina y grifos D y D/2. Elespecificación oficial ISO 5167-2También define la geometría, la instalación y las condiciones de funcionamiento de las placas estándar utilizadas en conductos circulares completos.
Grifos de brida
Las conexiones de presión se encuentran en las bridas a distancias estandarizadas cerca de la placa. Este es un acuerdo industrial común.
Grifos de esquina
La presión se detecta inmediatamente adyacente a las caras aguas arriba y aguas abajo de la placa.
Grifos D y D/2
El grifo aguas arriba está situado a un diámetro de tubería aguas arriba, mientras que el grifo aguas abajo está situado a medio diámetro de tubería aguas abajo.
Estas disposiciones no proporcionan simplemente tres formas diferentes de conectar tubos. La ubicación del grifo cambia la presión diferencial que se mide, por lo que la configuración del grifo debe coincidir con el método de cálculo utilizado para determinar el flujo.
¿Qué afecta la precisión del medidor de flujo de orificio y la incertidumbre en la medición?
Es más útil pensar en la incertidumbre del sistema de medición completo que asignar un número de precisión genérico a cada medidor de orificio.
Geometría del elemento primario
El diámetro del orificio, la planitud de la placa, el espesor, el estado-de los bordes afilados y el diámetro de la tubería influyen en la medición principal. Una placa fabricada correctamente pero instalada al revés también puede producir un resultado fuera de la base de diseño prevista.
Perfil de flujo
Los codos, válvulas parcialmente abiertas, reductores y otros accesorios pueden crear perfiles de velocidad asimétricos o en forma de remolino. El efecto depende de la perturbación, de su distancia a la placa y de la geometría del medidor.
Esta es la razón por la que no existe una afirmación universal útil de que cada medidor de orificio necesita exactamente el mismo número de diámetros de tubería aguas arriba. Se deben verificar los requisitos de instalación estándar para la configuración de tubería real.
Número de Reynolds
El número de Reynolds describe la relación entre los efectos inerciales y viscosos en el fluido que fluye. Debido a que el coeficiente de descarga está relacionado con el régimen de flujo, el número de Reynolds forma parte del cálculo estandarizado y de los límites de aplicabilidad.
ISO 5167-2 especifica condiciones operativas definidas y límites de aplicación en lugar de tratar el coeficiente de la placa como independiente del régimen de flujo.
Rango del transmisor DP
Un transmisor que funciona bien cerca de su rango operativo diseñado puede contribuir proporcionalmente a más incertidumbre cuando la presión diferencial se vuelve muy pequeña.
Esto es importante porque el DP cae rápidamente a medida que disminuye el flujo. Si el flujo es el 30% del flujo de diseño, la presión diferencial es sólo aproximadamente el 9% del DP de diseño correspondiente según la relación cuadrática simplificada.
Por lo tanto, el rendimiento de flujo bajo-depende de algo más que la precisión nominal del transmisor impresa en una hoja de datos.
Tomas de presión y líneas de impulso
Los grifos bloqueados, las fugas, las cabezas de líquido desiguales, el gas atrapado o el condensado pueden producir una presión diferencial falsa incluso antes de que el transmisor procese la señal.
Esta es la razón por la cual verificar la trayectoria completa de la presión suele ser más útil que recalibrar inmediatamente el transmisor cuando una lectura se vuelve inestable.
Densidad y compensación del fluido
Para condiciones cambiantes de gas o vapor, la densidad puede variar lo suficiente como para afectar el flujo calculado. Un sistema multivariable puede incorporar presión y temperatura estáticas para que el cálculo refleje las condiciones cambiantes del proceso.
La calibración sigue siendo parte del proceso general de gestión de mediciones-. La guía del sitio sobrecómo calibrar un medidor de flujoproporciona más antecedentes, mientras que la instrumentación de presión puede necesitar su propia información documentada.intervalo de calibración del transmisor de presión.
¿Dónde se utilizan los medidores de flujo de orificio?
Flujo de líquido
Las placas de orificio pueden medir muchos líquidos monofásicos-limpios cuando la pérdida de presión y las condiciones de instalación son aceptables. El agua, los líquidos de proceso y los hidrocarburos son ejemplos comunes.
Los líquidos sucios requieren más precaución. Los depósitos pueden cambiar la geometría del orificio, mientras que los sólidos pueden erosionar el borde u obstruir los grifos de presión.
Flujo de gas
La medición de presión diferencial-también se utiliza ampliamente para el gas. Sin embargo, se deben considerar la variación de la compresibilidad y la densidad. Un sistema destinado a informar un volumen estándar o un flujo másico puede necesitar compensación de presión y temperatura además del DP.
Los lectores que evalúen aplicaciones de gas pueden continuar con el sitiomedición del flujo de gases industrialesrecursos.
Flujo de vapor
El vapor es una importante aplicación de flujo DP-porque el elemento principal no tiene ningún mecanismo de medición giratorio expuesto al proceso de alta-temperatura.
La parte difícil muchas veces no es la placa sino el sistema de medición de presión. En disposiciones convencionales de patas mojadas-, el condensado en las líneas de impulso debe gestionarse de modo que ambos lados presenten una carga de presión estable y comparable al transmisor. Una mala pendiente de la línea, tramos de condensado desiguales o vapor que ingresa al transmisor pueden crear problemas de medición y confiabilidad.
La densidad del vapor también cambia con las condiciones de funcionamiento, por lo que un sistema utilizado en un amplio rango de presión o temperatura puede requerir compensación. Las tecnologías de vapor alternativas se analizan en el sitiomedidor de flujo de vaporsección.
¿Cuándo es una mala elección una placa de orificio?
Un sistema de orificios es atractivo porque el elemento principal es simple y estandarizado, pero sus ventajas y desventajas-son importantes.
- Costo de pérdida de presión permanente-alta:Si la energía de la bomba o del compresor es crítica, otro elemento primario puede proporcionar una mejor recuperación de presión.
- Abrasivo o fluido{0}}formador de depósitos:La erosión de los bordes y los grifos bloqueados pueden perjudicar la medición.
- Rango de funcionamiento muy amplio:El flujo bajo produce un DP muy pequeño, lo que puede hacer que el sistema completo sea menos adecuado que otra tecnología.
- Pulsación fuerte:El alcance de la norma ISO 5167-2 excluye el flujo pulsante.
- Tuberías aguas arriba deficientes:una distorsión severa del perfil-de velocidad o remolino puede hacer que una instalación estándar no sea práctica sin un rediseño.
- Flujo másico directo requerido:un sistema de orificios generalmente requiere información adicional de presión, temperatura y densidad en lugar de medir la masa inherentemente.
Orificio vs Venturi, Vortex, Turbina y Coriolis
| Tecnología | Fortaleza principal | Consideración principal |
|---|---|---|
| Orificio | Elemento primario estandarizado y simple | Mayor pérdida de presión permanente y dependencia de la instalación. |
| venturi | Mejor recuperación de la presión | Costo inicial del equipo mayor y generalmente más alto. |
| Vórtice | Útil para muchos servicios de vapor, gas y líquidos. | Necesita un número de Reynolds y condiciones de flujo adecuados |
| Turbina | Medición responsiva para fluidos-limpios y de flujo libre | Contiene un elemento de medición giratorio. |
| Coriolis | Medición directa de flujo másico y densidad. | Diferentes consideraciones de costo, caída de presión-e instalación |
A medidor de flujo venturiVale la pena compararlo especialmente cuando la pérdida de presión permanente es importante. Las secciones graduales de convergencia y recuperación normalmente retienen más presión que la expansión abrupta aguas abajo de un orificio.
Para servicio de vapor o de servicios públicos, compare la aplicación con unamedidor de flujo de vórtice. Para líquidos limpios donde un rotor mecánico es aceptable, elgama de medidores de flujo de turbinaproporciona otro enfoque de medición. Cuando el flujo de masa directo es la prioridad, la guía del sitio para elPrincipio de funcionamiento del medidor de flujo Coriolisexplica un método fundamentalmente diferente.
Los servicios de líquidos conductores también pueden justificar la comparación con unmedidor de flujo electromagnético, particularmente cuando es deseable eliminar una restricción intrusiva.
Cómo seleccionar un medidor de flujo de orificio
Una especificación útil comienza con el proceso, no con el tamaño de la brida.
- Identificar el fluido y la fase.Indique si el proceso es líquido, gaseoso o de vapor y si permanece monofásico en condiciones de operación.
- Proporcionar flujo mínimo, normal y máximo.Un único flujo de diseño no es suficiente para evaluar el DP de flujo-bajo o la capacidad de rango requerida.
- Definir presión y temperatura.Incluya condiciones normales y de diseño. Los cálculos de gas y vapor también pueden necesitar estos valores para la compensación de densidad.
- Confirme el diámetro interior de la tubería.El tamaño nominal de la tubería no siempre es suficiente para realizar un cálculo preciso-del elemento primario.
- Determine la pérdida de presión permanente permitida.Esto puede convertirse en una limitación energética del ciclo de vida-en lugar de simplemente un problema de instrumentación.
- Seleccione la geometría y el material de la placa.Considere la limpieza del fluido, la corrosión, la temperatura y los estándares aplicables.
- Establecer ratio beta y diseñar DP.Estos deben calcularse juntos en lugar de seleccionarse de forma independiente.
- Elija la disposición de grifo requerida.Los grifos deben coincidir con la base de cálculo.
- Dimensione el transmisor DP.Evalúe el DP esperado en todo el rango operativo real, no solo al flujo máximo.
- Definir compensación y producción.Determine si el sistema necesita extracción de raíz cuadrada-, totalización, compensación de presión/temperatura o cálculo de flujo másico-.
- Verifique la disposición de las tuberías.Revise las perturbaciones aguas arriba, los requisitos-de recorrido directo, la ubicación del transmisor y el enrutamiento-de la línea de impulso antes de finalizar el diseño.
Errores comunes de instalación y puesta en servicio
| Problema | Por qué es importante | Qué comprobar |
|---|---|---|
| Placa instalada en la dirección incorrecta | Cambia la geometría de borde-filoso prevista. | Marcas de placa, dirección de bisel y dibujo. |
| ID de tubería incorrecta ingresada en el tamaño | Cambia la relación beta y el flujo calculado. | Horario de tubería real y diámetro interno. |
| Válvula o codo demasiado cerca aguas arriba | Puede distorsionar el perfil de velocidad de aproximación. | Requisito de ejecución directa aplicable- |
| Grifo de presión obstruido | Crea una respuesta DP falsa o lenta | Grifos, colectores y líneas de impulso. |
| Gas atrapado en la línea de impulso líquido | Cambia la cabeza de presión transmitida. | Enrutamiento y ventilación de líneas |
| Piernas de condensado desiguales en servicio de vapor | Introduce una altura diferencial no relacionada con el flujo. | Nivel de condensado y disposición de las líneas-impulso |
| Raíz cuadrada aplicada dos veces | Crea un error importante en el cálculo del flujo. | Configuración del transmisor y DCS |
| La amplitud del transmisor es demasiado amplia | Debilita el útil rendimiento de medición de DP-bajo | DP mínimo/máximo real y reducción requerida |
Emerson describe los sistemas de flujo DP como una combinación del elemento primario, el transmisor de presión diferencial y los componentes de soporte, como tuberías de impulso, válvulas y conectores. Esa vista-a nivel del sistema es útil durante la resolución de problemas porque una placa en buen estado no puede corregir una señal de presión incorrecta. Ver EmersonDescripción general de la medición de flujo de presión diferencialpara obtener información técnica adicional.
Preguntas frecuentes
¿Es un medidor de flujo de orificio un medidor de flujo de presión diferencial?
Sí. La placa de orificio crea una diferencia de presión controlada y el sistema de medición utiliza ese DP para determinar el flujo.
¿Por qué el flujo varía con la raíz cuadrada de la presión diferencial?
Para geometría fija y condiciones de fluido estables, la presión diferencial varía aproximadamente con el cuadrado del flujo. Por tanto, el caudal calculado varía con la raíz cuadrada de DP.
¿Cuál es la principal desventaja de un medidor de orificio?
La pérdida de presión permanente es una de las principales-ventajas. La restricción abrupta y la separación del flujo aguas abajo disipan la energía que no se recupera por completo.
¿Qué es la relación beta?
La relación beta es el diámetro del orificio dividido por el diámetro interior de la tubería. Afecta el DP generado, el comportamiento de descarga, la pérdida de presión y las condiciones de tamaño aplicables.
¿Puede un medidor de flujo de orificio medir el vapor?
Sí. El elemento primario es muy adecuado para servicios de alta-temperatura, pero la medición precisa del vapor también depende de la condición del vapor, el cálculo de la densidad, la información de presión y temperatura y la correcta instalación-de la línea de impulso.
¿Cada placa de orificio requiere la misma longitud de tubo recto?
No. El requisito depende de la perturbación aguas arriba, la relación beta, la disposición de las tuberías y la norma de cálculo aplicable. No se debe aplicar un único número de ejecución-a cada instalación.
¿Con qué frecuencia se debe calibrar un medidor de flujo de orificio?
No existe un intervalo universal para el sistema completo. La frecuencia de calibración debe reflejar la criticidad de las mediciones, la estabilidad del transmisor, las condiciones de servicio, el historial de mantenimiento y los requisitos de calidad-del sistema. La inspección de la placa y las comprobaciones de la ruta de presión-son independientes de la calibración del transmisor.
¿Se puede utilizar ISO 5167 para todas las aplicaciones de orificios?
No. ISO 5167-2 define un alcance específico para placas de orificio estandarizadas y condiciones de operación. Según el resumen de la norma oficial, se aplica a conductos completos, disposiciones de tomas de presión-específicas, flujo subsónico monofásico-y rangos de tamaño y número de Reynolds definidos; El flujo pulsante está fuera de su alcance establecido.
Conclusión
Un medidor de flujo de orificio convierte una restricción hidráulica controlada en una presión diferencial que puede relacionarse con el flujo. La placa crea el cambio de velocidad y presión, las tomas de presión transmiten las señales resultantes y el transmisor DP o sistema de control realiza la conversión necesaria para la indicación y totalización del flujo.
La medición confiable depende del sistema completo. La relación beta, el coeficiente de descarga, el número de Reynolds, la densidad del fluido, el estado de la placa, el perfil de flujo, la disposición de los grifos de presión, el alcance del transmisor y la compensación influyen en el resultado final.
Para una nueva aplicación, defina el fluido, la fase, el rango de flujo operativo, la presión, la temperatura, el diámetro interior de la tubería, la pérdida de presión permitida y el rendimiento de medición requerido antes de dimensionar la placa. Luego verifique que la disposición de las tuberías y el transmisor puedan soportar el rango de DP esperado. Ese proceso hace que sea mucho más fácil determinar si un medidor de orificio es apropiado o si la tecnología Venturi, vórtice, turbina, electromagnética o Coriolis ofrece un mejor ajuste.
