Como Manejar la Medición de Volumen Estándar en los Instrumentos de Flujo

Ednah Georgette González Rivera
Universidad Autónoma de Querétaro, México
ednah.gonzalez@gmail.com

RESUMEN. El volumen estándar es resultado de un cálculo, de un cómputo, propiamente hablando, que incluye condiciones reales de proceso y las propiedades de cada gas, pudiendo ser único ese cálculo, según la composición de cada gas. Conocer cómo se obtiene este cómputo con la instrumentación industrial existente en el mercado, es el objetivo de este artículo.

PALABRAS CLAVES: Medición, Volumen, Instrumentos, Flujo.

1. ¿Qué es el volumen estándar?

El volumen estándar es una definición para cuantificar un gas a condiciones de referencia de presión y temperatura. Sustentado por un conjunto de leyes, principalmente la ley de los gases ideales y la ley de Avogadro (figura 1), un volumen estándar es una unidad de masa y, la relación entre ambas unidades, depende del peso molecular del gas y sus condiciones reales de presión y temperatura.

Los valores de presión y temperatura de referencia, están definidos por cada estándar.
Las ecuaciones siguientes son la base para este cálculo:

Los datos que utilizan los instrumentos para hacer el cómputo, son:

  • La presión de referencia, la cual depende del estándar que aplique según el tipo de industria, la zona geográfica, la empresa que comercializa el gas y el contrato particular de esa operación comercial.
  • La temperatura de referencia, aplica lo mismo que para la presión de referencia.
  • La presión real del gas en condiciones de operación. Y más aún, la medición continua de esa presión en caso de realizar el cómputo en cada instante, es decir, de manera dinámica.
  • La temperatura real del gas en condiciones de operación o bien, su medición continua para cómputo dinámico.
Figura 1. Ley de Avogadro.

La medición de volumen real que el gas ocupa a condiciones de operación y, para medición de flujo, el flujo volumétrico proveniente del instrumento de medición de flujo.

  • La compresibilidad del gas, o bien, su composición en cada instante, como en el caso del gas natural. Este término si bien, no aparece en las ecuaciones de gases ideales, sí debe ser introducido al tratar con gases a condiciones reales. En cálculos básicos, se desprecia.
  • La densidad del gas y su relación de cambio con la presión y temperatura. En cálculos básicos, se desprecia.
  • La viscosidad del gas y su relación de cambio con la presión y temperatura. En cálculos básicos, se desprecia.
  • El volumen estándar es el volumen que un gas ocuparía si se encontrase a condiciones de presión estándar y temperatura estándar; el flujo volumétrico estándar es el flujo de un gas si se encontrase a condiciones de presión estándar y temperatura estándar.

En ambos casos, se refiere a ese volumen de gas como la masa del gas y al flujo másico del gas, respectivamente.

2. Cómputo para calcular el volumen estándar o flujo volumétrico estándar

La forma más fácil de expresarlo, es utilizando la ecuación (2) y sustituyendo los subíndices, quedando:

Esta forma básica ayuda a comprender el efecto del cambio de presión y temperatura en el cálculo (cómputo) del volumen estándar.

El cálculo completo forma parte de los estándares, tales como:

  • Reporte de AGA No. 3
  • Reporte de AGA No. 7
  • Reporte de AGA No. 9
  •  ISO 13443
  •  NX-19
  •  IUPAC
  •  NIST
  •  En México: PEMEX (lo que era PGPB)
  •  En México: Cryo Infra

Algunos fabricantes de instrumentos llaman a este cálculo “compensación por presión y temperatura”, otros lo llaman “corrección de volumen” y al resultado lo llaman “volumen corregido”.

3. Instrumentación con capacidades de llevar a cabo el cómputo de flujo volumétrico estándar

Por definición, el instrumento que hace el cómputo de flujo que incluya los efectos del cambio de presión y temperatura (compensación o corrección), es un computador de flujo, que es un dispositivo electrónico que recibe mediante cables las señales analógicas o protocolizadas de los instrumentos involucrados: un transmisor de presión, un elemento o transmisor de temperatura y la medición del transmisor de flujo, el cual puede ser un transmisor de presión diferencial, en el caso de este principio de medición, ver figura 2.

Figura 2. Computadores Fijos.

Existen en el mercado, instrumentos de flujo que tienen la capacidad de hacer ciertos cálculos. Puesto que prácticamente la mitad de las mediciones de flujo en el mundo son hechas con presión diferencial, un instrumento que tiene esta cualidad para estas aplicaciones, es el transmisor multivariable. Este transmisor luce como un transmisor de presión diferencial, tiene dos tomas de presión hacia proceso para la medición de la presión diferencial, en el elemento de medición, en el lado de alta presión incluye un elemento para la medición de la presión estática de la línea y, en sus terminales de cableado, recibe la señal de un elemento primario de temperatura. Su configuración es más compleja que la de un transmisor de presión diferencial que solo requiere la extracción de raíz cuadrada, ya que es la de un computador de flujo, ver figura 3.

Figura 3. Transmisores Multivariables.

Otro instrumento que tiene la capacidad de cómputo es el transmisor de flujo tipo Vortex, el cual es un instrumento de medición volumétrica. En sus terminales puede recibir la medición del transmisor de presión y del elemento de temperatura y requiere la configuración del algoritmo o estándar de compensación o cómputo. En este caso están algunos transmisores ultrasónicos y algunas turbinas para aplicaciones de transferencia de custodia, ambos también de medición volumétrica, ver figura 4.

Figura 4. Transmisores volumétricos con compensación de presión y temperatura.

Un caso particular es cuando el instrumento ya mide masa (recordar que el volumen estándar es una unidad de masa), como los transmisores de dispersión térmica o tipo Coriolis. La medición no requiere la compensación o cómputo porque la medición es inferida hacia masa o flujo másico, directamente desde el instrumento debido a su principio de medición.

Para este tipo de instrumentos, lo que se debe comprender y realizar es la configuración de estas unidades de volumen estándar. Los fabricantes las llaman unidades definidas por el usuario (user defined) o unidades especiales (special units). Su configuración requiere contar con el dato de la equivalencia de una unidad de volumen estándar a unidades de masa como kilogramos, libras, toneladas, etc., y una base de tiempo para el flujo, es decir, por hora, por minuto, por día, etc.

La equivalencia de unidades de volumen estándar a unidades de masa conocidas depende del peso molecular del gas, es decir, depende de su composición y debe tenerse particular cuidado al momento de definir esta equivalencia, al elegir como unidad base, una unidad de masa, nunca de volumen, ver figura 5.

Figura 5. Transmisores de Flujo Másico.

El caso particular en el que el gas, o más bien dicho, la mezcla de gases cambia su composición, requerirá además de un cromatógrafo. El ejemplo común es el gas natural. El cromatógrafo obtiene la composición del gas y esta información debe ser enviada a un computador de flujo, el cual calcula el peso molecular de la mezcla de gases, su compresibilidad, su densidad y otras propiedades a partir de la composición. Esta información se transmite mediante un protocolo digital de comunicaciones, típicamente ModBus.

ACERCA DEL AUTOR

Ednah G. González Rivera es egresada de la Universidad Autónoma de Querétaro de la carrera de Ingeniería en Instrumentación y Control de Procesos, donde funge como docente de tiempo libre desde enero de 1997 para los cursos de Instrumentación I, Instrumentación II, e Instrumentación Analítica, entre otros cursos en el pasado. Su experiencia profesional empieza en 1996 en Celanese Mexicana como instrumentista, posteriormente, en 1998 se integra a la empresa Fisher-Rosemount (que luego cambió su razón social a Emerson Process Management) como Ingeniero de Aplicaciones, siendo el soporte técnico a la fuerza de ventas. En 2001 recibe la oportunidad de ser Ingeniero de Servicio y en 2003 de ser parte de la fuerza de ventas, con resultados sobresalientes. En 2014 se integra a la empresa Medición y Tecnología Industrial, representante del fabricante de instrumentación Endress+Hauser, como parte de la fuerza de ventas, y en 2016 se integra a la empresa iSolve Energy como parte de la fuerza de ventas para  promover productos y servicios de eficiencia energética, donde hasta agosto 2018. Desde enero de 2019 forma parte del cuerpo docente de la Universidad Politécnica de Querétaro, donde, junto con la docencia en la Universidad Autónoma de Querétaro, donde actualmente se desempeña. Además, de manera independiente realiza algunos servicios de consultoría, servicio a instrumentos y capacitación.

 

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