Sigma Sensor – Tendencias en la Medición Ultrasónica

Revista InTech México Automatización
Edición Enero – Marzo 2018.

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La medición ultrasónica se ha desarrollado de diferentes maneras, previo a la segunda guerra mundial, el desarrollo del sonar y la detección de fracturas e imperfecciones en las estructuras metálicas utilizando ondas sónicas ya era algo común, esto sin dejar a un lado algunas aplicaciones en el campo de la medicina.   La medición ultrasónica de flujo tanto en líquidos como en gases también se desarrolló más activamente a partir de la década de los 60´s en la que se comenzó a desarrollar en escala industrial la detección y medición de flujo en tuberías utilizando principalmente el efecto Doppler y tiempo de tránsito como principios.

Durante los últimos 17 años y mucho más activamente durante los últimos 5, la industria de la medición ultrasónica se ha desarrollado de manera sostenida y activa.

En 1995, la Organización Internacional de Metrología Legal (OIML) desarrollo los lineamientos de medición ultrasónica y sus características para la medición de líquidos, contenidas en la R 137 para la “Medición de Sistemas Líquidos diferentes al Agua” aunque el estándar aplica a los medidores Ultrasonicos, también aplica para otros tipos de medidores.

En 1998, la American Gas Association, publico lo que es el estándar en la medición ultrasónica para gases, el llamado AGA-9. Esta estándar norma hasta el día de hoy los criterios de selección, uso y arquitecturas de la medición con medidores de flujo ultrasónico, específicamente hablando de sistemas multi trayectorias, para transferencia de custodia, ha sufrido ya varias revisiones siendo la más reciente en el 2007.

En Febrero del 2005, el Instituto Americano del Petróleo (API) publicó su estándar para el uso de tecnología ultrasónica para la medición de hidrocarburos.

Sin embargo, es en al área de medición ultrasónica de gases donde se ha dado el mayor desarrollo de estos equipos, y hablamos específicamente en aplicaciones de medición de gas en transferencia de custodia, aunque actualmente esta tecnología puede ser aplicada también en aplicaciones de medición referencial en áreas donde tradicionalmente no se veía.

Para AGA 9 una medición ultrasónica valida se da a partir de 2 haces sónicos, sin embargo, por cuestiones de estabilidad, repetibilidad y confiabilidad los medidores de 4 haces son los más populares sin embargo hay tecnologías de mayor numero de haces las cuales si bien no mejoran la exactitud general del medidor si corrigen algunos efectos del flujo, como podría ser la turbulencia.

Tradicionalmente estos equipos de 4 trayectorias o más, para aplicaciones de transferencia de custodia requieren una arquitectura especifica  que puede ser expresada como una tubería inicial de 5 diámetros, un acondicionador de flujo, un tramo de tubería de 10 diámetros, el medidor y un tramo de salida de al menos 5 Diámetros, donde se instalaran transmisores de presión y temperatura datos que se utilizaran para la corrección del volumen, esto cuando la aplicación es de medición unidireccional.  En aplicaciones bidireccionales se deberá utilizar tramos de 10 diámetros a cada lado del medidor, acondicionadores de flujo y tramos de salida también a ambos lados del medidor.

Esta arquitectura de medición debería ser considerada el requisito mínimo de la medición ultrasónica para transferencia de custodia.

Como características generales de medidores Ultrasonicos de última generación, y esto es importante tenerlo en cuenta pueden ofrecer las siguientes características:

  • Poseer una exactitud de al menos ±0.1%
  • Medir a partir de presión Atmosférica
  • Medición interna de Presión y Temperatura
  • Contar con Transductores metálicos que permitan en caso de necesitarlo medir concentraciones altas de H2S sin sufrir daño
  • Tener una rangeabilidad de 200:1
  • Contar con respaldo eléctrico vía batería que lo haga no dependiente en datos de medición del computador de flujo
  • Ser prácticamente inmune a ruidos en la tubería que afecten la medición
  • Contar con medición interna de presión y temperatura.

Sin embargo en la actualidad se han desarrollado medidores los cuales no solo cumplen con estas características generales de medición, sino que proveen el medio de verificarla y comprobarla de manera dinámica.

A continuación, algunos ejemplos a estos medidores y sus aplicaciones.

MEDIDORES REFERENCIALES

Medidores referenciales, estos medidores manejan dos trayectorias sónicas y exactitudes que van alrededor de ±0.2%, la cual es muy buena si tomamos en cuenta que la incertidumbre total de la medición deberá estar alrededor del 1%.

Estos medidores pueden ser utilizados como referenciales para mediciones de cualquier gas, no únicamente de gas natural, pudiendo utilizarse en aplicaciones de refinación y en donde se deba manejar gas con alto contenido de H2S, prácticamente al 99%.

MEDIDORES CON MEDIDOR DE VERIFICACIÓN

Medidores con Medidor de Verificación, estos medidores manejan de manera independiente dos medidores utilizando el mismo cuerpo, uno dedicado a la medición fiscal y otro con una única trayectoria sónica el cual va a ser utilizado como medidor de verificación, esto permite utilizar las mismas variables de mecánica de fluidos de la tuberías y prácticamente haciendo nulas las diferencias entre los dos medidores y permitiendo tener un testigo de la medición fiscal el 100% del tiempo y diagnósticos mucho más expeditos del perfil de flujo que se utiliza

MEDIDORES DE 8 TRAYECTORIAS

Medidores con Redundancia, estos medidores albergan 2 medidores independientes utilizando un mismo cuerpo, estos medidores suelen ser utilizados para dar 100% redundancia a la medición, cada uno puede ser calibrado por una tercería y contar con su propio certificado de calibración, han sido utilizado para dar independencia a la medición del transportista de gas y del cliente final, en algunas otras ocasiones se ha manejado como medidor maestro uno del otro.

CONCLUSIONES

En cuanto a los medidores de 8 trayectorias, aunque es cierto que no por tener más trayectorias se mide mejor, si es cierto que tienen más capacidad para manejar efectos de flujo dentro de la tubería, esto es, son mucho mejores para el manejo de flujo turbulento, lo que hace posible el modificar su arquitectura de tubos de medición y generar arquitecturas donde no se requieren los acondicionadores de flujo y los diámetros tradicionales, esto de acuerdo a lo que pueda recomendar el fabricante y muchos de ellos ya se encuentran probados por la OIML R137 Clase 1.0 y clase 0.5 así como AGA. Por lo que su uso todavía viene a aumentar ya las posibilidades de implementación en cualquier tipo de aplicaciones.

La medición ultrasónica actualmente no está limitada a las aplicaciones tradicionales de gas natural, esta tecnología puede ser implementada en la medición de flujo de cualquier tipo de gas sin importar su composición, tiene la ventaja de no depender de la presión ni de un flujo mínimo por lo que en el futuro próximo se volverá más común el verlos en aplicaciones de medición referencial en gas ácido, medición de flujo de gas  a quemador, mediciones de C02, Etileno, gas a baja a presión etc.

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