La Instrumentación de Flujo es un Mercado Complejo

Revista InTech Automatización
Edición Octubre Diciembre 2002

Artículo tomado de InTech 2.2002
Titulado “A complex flow, instrumentation market”,
por Jesse Yoder.


El deseo de exactitud y confiabilidad empujan a los usuarios a utilizar nuevas tecnologías de medidores de flujo.


Hay diez tecnologías principales que se utilizan para medir el flujo. Los proveedores compiten con otras compañías que hacen el mismo tipo de medidor de flujo y también con las que hacen tipos diferentes. Así, se origina una calidad mayor que no tienen otros mercados de instrumentos.

La tecnología y la novedad diferencian a estos dispositivos. La nueva tecnología comprende a los dispositivos tipo Coriolis, magnético, ultrasónico, vortex y de presión diferencial multivariable.


Coriolis

En 1977 Micro Motion introdujo el primer medidor de flujo tipo Coriolis que tuvo éxito comercial. Este dispositivo utiliza uno o más tubos vibratorios que generalmente tienen forma curveada. El fluido pasa a través de los tubos vibratorios, y se acelera según pasa hacia el punto de máxima vibración y se desacelera a medida que abandona este punto. El desbalance de fuerzas produce una deformación en los tubos. El grado de deformación es directamente proporcional a la masa del fluido que circula en los tubos. La posición de los tubos se mide mediante unos detectores sensibles al desplazamiento de los mismos.

Magnético

Estos medidores de flujo debutaron en Holanda en 1952. Son dispositivos que utilizan bobinas de alambre montadas fuera de la tubería. Se aplica un voltaje a la bobina para que circule una corriente y se induzca un campo magnético dentro de la tubería. La Ley de Inducción Electromagnética de Faraday establece que cuando circula un fluido conductivo en un campo magnético se genera un voltaje. Este voltaje es proporcional a la magnitud del flujo y se puede detectar con un medidor eléctrico apropiado.

Ultrasónico

 En 1963 Tokyo Keiki (ahora Tokimec) ofreció a la venta en Japón medidores de flujo ultrasónico. Hay dos tipos principa les de dispositivos ultrasónicos: de tiempo de tránsito y de efecto Doppler. El primero tiene un emisor y un receptor que envían dos señales ultrasónicas a través de la tubería: una de ellas viaja en dirección del flujo y la otra en contra. La señal que viaja en la dirección del flujo es más rápida que la que viaja en contra. El medidor ultrasónico mide el tiempo de tránsito de ambas señales. La diferencia entre estos dos tiempos es proporcional al flujo que circula en la tubería. Por lo regular, este método se utiliza para monitorear líquidos limpios. Los medidores ultrasónicos bajo el principio del efecto Doppler se utilizan para medir líquidos turbios. Calculan el flujo basándose en el corrimiento de frecuencia que ocurre cuando sus señales ultrasónicas se reflejan en las partículas del fluido que circula en la tubería.

Vortex

Los primeros intentos para comercializar medidores de flujo de este tipo ocurrieron en 1958, Y finalmente, Eastech los introdujo en 1969. En 1979 Yokogawa liberó el Yewflo, convirtiéndose así en el primer gran proveedor de control de proceso en ofrecer medidores de flujo vortex. Estos dispositivos utilizan un principio llamado Efecto Von Karman. De acuerdo a este principio, cuando el paso de un fluido se obstruye con un objeto sólido se forman vórtices o rizos, tal como se puede observar en un río cuando la corriente de agua choca con un guijarro. El cuerpo obstructor en el medidor vortex es una pieza metálica que, por lo regular, tiene una cara plana y ancha montada en ángulo recto respecto a la dirección del flujo. La velocidad del flujo que circula en la tubería es proporcional a la frecuencia en la formación de bucles. El flujo volumétrico que pasa en el tubo es igual al área transversal del fluido circulante multiplicado por la velocidad.

Presión Diferencial Multivariable

En 1992 Bristol Babcock ofreció el primer transmisor multivariable de presión. Típicamente estos dispositivos miden más de una variable de proceso, incluyendo presión diferencial, presión estática y temperatura. Conociendo estas variables se puede calcular el flujo volumétrico y másico.

Una de las principales ventajas de los medidores de flujo multivariables de presión diferencial es el ahorro que se logra al comprar un instrumento y no tres. En lugar de comprar separadamente un transmisor de presión, uno de presión diferencial y uno de temperatura, los usuarios obtienen las funciones de los tres instrumentos en uno sólo.El costo de los transmisores multivariables  están en el rango de $2,000 dólares, en lugar de los $2,700 ó $ 2,800 dólares que costaría comprar estos dispositivos separadamente.

La selección de los usuarios se basa en la exactitud

El principal factor que perfila el mercado de medidores de flujo es la demanda por obtener una exactitud muy grande. Como parte del análisis del mercado mundial de estos dispositivos se entrevistó a 300 usuarios de medidores de flujo en Estados Unidos, Europa y Asia. Les preguntamos a los usuarios de los medidores Coriolis la razón por la que ellos escogieron tal tecnología. La exactitud fue la principal respuesta con un 63% de menciones. Muchos medidores de flujo Coriolis tienen una exactitud en el rango Flow del 0.1 %. Son los que ofrecen mayor exactitud.

En la misma encuesta, 36% de los usuarios de medidores de flujo de tipo magnético mencionaron la exactitud como razón de compra. Muchos medidores magnéticos tienen una exactitud en el rango de 0.5%. La exactitud de un medidor de flujo es importante para los usuarios por muchas razones, pero principalmente cuando las aplicaciones son la transferencia de custodia, o en la medición de compuestos líquidos durante los procesos de manufactura

Los medidores magnéticos de flujo se utiliza n mucho en aplicaciones para la industria de alimentos y la farmacéutica, en donde la exactitud es lo más importante, no sólo por los aspectos de salud pública y seguridad, sino por la responsabilidad legal en que se puede incurrir por un error en las mediciones. Los medidores Coriolis y magnéticos están entre los más precisos.

Esta tendencia de la industria hacia la exactitud ha beneficiado también a los medidores de flujo ultrasónico. La exactitud de estos medidores ha mejorado sustancialmente debido al desarrollo de los medidores de haz múltiple. Estos medidores de exactitud extrema utilizan múltiples pares de transmisores que envían un haz ultrasónico a través de la corriente del flujo en diferentes ángulos. De esta manera, se puede utilizar un método de promedios para calcular la cantidad de fluido que circula en la  tubería.

Debido a que se mide el flujo en diferentes lugares, los medidores ultrasónicos de este tipo son significativamente más exactos que los que utilizan un haz sencillo.

En 1998 la Asociación Americana de Gas (AGA) aprobó el uso de los medidores ultrasónicos de haz múltiple para utilizarse en aplicaciones de transferencia de custodia – un catalizador para el crecimiento de este mercado. La necesidad de exactitud no beneficia de igual manera a los medidores vortex y multivariable, ya que no son tan precisos como los Coriolis, magnéticos, o ultrasónicos.

Sin embargo, tanto los vortex como los multivariables de presión  diferencial tienen otra ventaja. El primero, es el medidor de tecnología de más bajo costo; el segundo, ofrecen una de presión en el mismo. Exactitud mayor que la mayoría de los transmisores de presión diferencial de una sola variable.

Tanto el medidor vortex como el multivariable pueden ser alternativas muy atractivas para aplicaciones que no requieren tanta exactitud como la que proveen los medidores Coriolis y magnéticos.

Desgaste de elementos primarios

Aparte de la exactitud,la confiabilidad es otro de los principales factores que toman en cuenta los usuarios para seleccionar un medidor de flujo.

Los usuarios de hoy prefieren medidores de flujo que no tengan que recalibrarse constantemente y que su exactitud no se tenga que verificar muy seguido. Esto quiere decir que los usuarios se están alejando de los medidores de flujo que tienen partes móviles sujetas a desgaste. Ninguno de los medidores de flujo de nueva tecnología tienen partes móviles, aunque el tubo en forma de U de los medidores Coriolis está sujeto a vibración, y en los medidores vortex, la barra generadora de rizos está sujeta en ocasiones a cierto movimiento debido a la presión del fluido circulante.

Las partes móviles no son la única fuente potencial de falta de confiabilidad. Otra fuente es el desgaste. Los elementos primarios sujetos a desgaste son otra de las principales razones por lo que los usuarios reemplazan a los medidores tradicionales de presión diferencial por los de nueva tecnología. Esto sucede con las placas de orificio, los elementos primarios que se utilizan más a menudo.

Los baleros de los medidores de desplazamiento positivo también están sujetos a desgaste como es el caso de los medidores de turbina. Los medidores de nueva tecnología son más confiables que los de tecnología tradicional, en parte, porque tienen muy pocas fuentes de desgaste.

Para el usuario de hoy es importante disponer de medidores de flujo que no invadan al proceso. Cualquier medidor de flujo, o sus componentes que invaden la línea del proceso, provocan una caída de presión. Esto es motivo de preocupación, porque es caro restaurar la presión a sus condiciones iniciales. Para regresar la presión a sus niveles originales se utilizan bombas de compresión que aumentan el consumo de energía eléctrica. Ademas,cuando hay un componente que invade la línea del proceso no faltará quien accidentalmente lo mueva de su posición.

Por tal motivo, es muy importante encontrar un medidor de flujo que no invada la línea de corriente del flujo y no provoque caídas de presión en el mismo.

Los medidores de mordaza tienen poca exactitud

Los medidores de flujo Coriolis crean una caída de presión porque requieren que el fluido pase por esquinas y curvas. Mucha de la tendencia hacia el uso de medidores Coriolis de tubos rectos se debe al deseo de evitar la caída de presión que se produce en los medidores con tubos en forma de “U”.

La mayoría de las veces, los medidores magnético de flujo invaden la corriente del proceso, con la excepción de los medidores en línea, cuyo diámetro interior es menor que el de la tubería.

Los medidores ultrasónicos tampoco son invasores, aunque si lo son sus transductores que se sumergen en la corriente de flujo y causan cierta caída de presión. Los medidores ultrasónicos de mordaza no son invasores en absoluto porque se basan en una señal que se genera desde un transductor fuera de la tubería. Sin embargo, este tipo de medidor típicamente no tiene el mismo nivel de exactitud que los medidores que tienen contacto con el proceso.

Los medidores vortex son más invasores que los magnéticos o los ultrasónicos debido a la barra metálica que genera los rizos. Aunque en la mayoría de los medidores esta barra es bastante pequeña, provoca cierta caída de presión cuando invade la corriente del flujo. En los medidores multivariables de presión diferencial, la caída de presión y el grado de invasión en la corriente del flujo se debe a los elementos primarios – placas de orificio y boquillas de flujo – que causan una caída sustancial de presión. Los tubos Pitot causan una caída de presión comparable a los que provoca la barra generadora de bucles en los medidores de tipo vortex.

Aunque las razones más importantes para que los usuarios seleccionen medidores de flujo de nueva tecnología son el deseo de que sean precisos, confiables y que no obstruyan la corriente de proceso; hay otros factores que también juegan un rol: el precio, la mejora tecnológica, y los Protocolos de comunicación.

También es importante la aplicación. El proceso de selección del medidor de flujo comienza con el tipo de aplicación, ya que esta define las clases de medidores que se pueden utilizar, por ejemplo, los medidores magnéticos de flujo simplemente no operan con fluidos que no son conductivos. Después de identificar los medidores de flujo de nueva tecnología, nuestro estudio encontró que los usuarios consideran que la exactitud, confiabilidad y la capacidad de no invadir el proceso son los factores más importantes.

ACERCA DEL AUTOR

Jesse Yoder tiene 15 años de experiencia como analista y escritor en control de proceso. Es fundador de Flow Research en Wakefield, Mass. En noviembre del año pasado Flow Research y Ducker Worldwide publicaron un estudio titulado “El mercado mundial para medidores de flujo de nueva tecnología”.

 

 

 

 

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