MEDICION DE CAUDAL Y VELOCIDAD

I.-OBJETIVOSConocer las maneras de medicin de velocidad, caudal y tener una referencia relativa de los instrumentos a utilizar. II.-INTRODUCIONLa seleccin eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento prctico de la tecnologa del medidor, adems de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medir. Cuando la medida del caudal se utiliza con el propsito de facturar un consumo, deber ser lo ms precisa posible, teniendo en cuenta el valor econmico del fluido que pasa a travs del medidor, y la legislacin obligatoria aplicable en cada caso. En este estudio se examinan los conceptos bsicos de la medida de caudal y las caractersticas de los instrumentos de medidaIII.-FUNDAMENTO TEORICO1.- QUE ES MEDICION DE CAUDALLa medida de caudal en conducciones cerradas, consiste en la determinacin de la cantidad de masa o volumen que circula por la conduccin por unidad de tiempo. Los instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan habitualmente, caudalmetros o medidores de caudal, constituyendo una modalidad particular los contadores, los cuales integran dispositivos adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conduccin.

2.- INSTRUMENTOS PARA LA MEDICION DE CAUDAL INSTRUMENTOS DE PRESIN DIFERENCIALEsta clase de medidores presenta una reduccin de la seccin de paso del fluido, dando lugar a que el fluido aumente su velocidad, lo que origina un aumento de su energa cintica y, por consiguiente, su presin tiende a disminuir en una proporcin equivalente de acuerdo con el principio de la conservacin de la energa, creando una diferencia de presin esttica entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor. La frmula de flujo obtenida con los elementos de presin diferencial se basa en la aplicacin del Teorema de Bernoulli a una tubera horizontal, su frmula simplificada seria:

En la que H es la diferencia de alturas de presin del fluido o presin diferencial y k es una constante que depende de los dimetros de la placa y de la tubera, densidad del fluido, rugosidades de la tubera ect. Los instrumentos ms conocidos de este tipo son la placa orificio, tobera, tubo Venturi, tubo Pitot.

a)PLACA ORIFICIO Es la forma ms comn y utilizada para medir presin diferencial en tuberas donde se permita una gran prdida de energa. Consiste en una placa con un orificio que se interpone en la tubera dando como resultado de esta obstruccin una prdida de carga, que es la que se mide por comparacin con una sonda aguas arriba y otra aguas debajo de la instalacin.

La presin diferencial captada es proporcional al cuadrado del caudal (usando los principios de Bernoulli y Venturi para relacionar la velocidad con la presin del fluido). El orificio de la placa puede ser concntrico, excntrico o segmental con un pequeo orificio adicional para la purga de pequeas partculas de arrastres slidos cuando sea necesario (figura 2). La placa concntrica se utiliza para lquidos, la excntrica para los gases donde los cambios de presin implican condensacin, y la segmentada para caudales de fluido que contengan una cantidad pequea de slidos y gases. Tienen tal dimetro que no causan error y sus parmetros de diseo son el dimetro, la temperatura del fluido y el ambiente. - VENTAJAS Costo independiente del tamao de la tubera Salida repetible, aunque la placa tenga un dao -DESVENTAJAS Alta perdida de presin (40-80%) Mantenimiento constante por incrustaciones en la placa y en las tomas de presin

b) TOBERALa tobera es un elemento primario de medicin de flujo, colocado en el punto de medicin con objeto de crear una reduccin de presin diferencial, este instrumento se puede describir como una transicin entre la placa orificio y Venturi. Est situada en la tubera con dos tomas, una anterior y la otra en el centro de la seccin ms pequea (figura 3).Su capacidad es mayor que la de una placa orificio, de manera que puede manejarse un rgimen mucho mayor (hasta 60%) con la misma relacin de dimetros y con el mismo diferencial.

VENTAJAS Menor perdida de carga que una placa orificio (la perdida de la tobera es de 30 a 80%) Resistentes a la abrasin y pueden usarse con fluidos sucios y en suspensin DESVENTAJAS Costo de 8 a 16 veces ms que una placa orificio

c) TUBO VENTURI

Es un tipo de boquilla especial, seguida de un cono que se ensancha gradualmente (figura 4), accesorio que evita en gran parte la prdida de energa cintica debido al rozamiento. Es por principio un medidor de rea constante y de cada de presin variable.Permite la medicin de caudales mayores con una baja prdida de carga y se usa donde es importante la recuperacin de presin, puesto que esta recuperacin del cuello Venturi es mucho ms elevada que para otros elementos primarios, especialmente en comparacin con los de placas de orificio.

VENTAJAS Permite la medicin de caudales 60% superiores a los de la placa orificio en las mismas condiciones de servicio y con una prdida de carga de slo 10 a 20% de la presin diferencial. Posee una gran precisin Resistentes a la abrasin y pueden usarse con fluidos sucios y en suspensin. DESVENTAJAS Ms grandes, caros y pesados que las placas orificios El Tubo Venturi puede tener muchas aplicaciones, por ejemplo en la industria automotriz, en el carburador del carro, el uso de ste se pude observar en lo la Alimentacin de Combustible. Los motores requieren aire y combustible para funcionar. Un litro de gasolina necesita aproximadamente 10.000 litros de aire para quemarse, y debe existir algn mecanismo dosificador que permita el ingreso de la mezcla al motor en la proporcin correcta. A ese dosificador se le denomina carburador, y se basa en el principio de Venturi: al variar el dimetro interior de una tubera, se aumenta la velocidad del paso de aire.

d) TUBO PITOT

El tubo de Pitot puede ser definido como el instrumento para medir velocidades de un flujo mediante la diferencia de presiones esttica y dinmica en una lnea de corriente. Consta de un orificio alineado con el flujo que se aproxima y est cerrado por uno de sus extremos con un tapn redondo que tiene un pequeo orificio en la lnea central del tubo . El fluido dentro del tubo Pitot es estacionario, en tanto que el que se aproxima fluye alrededor de este. Una partcula de fluido que se mueve a lo largo de la lnea de corriente, que coincide con el eje del tubo Pitot, alcanza el reposo al acercarse a la punta del tubo, debido a que debe dividirse y pasar por ambos lados del tubo.

Al entrar momentneamente en reposo, la presin del fluido se eleva a un valor, el cual se conoce como presin de estancamiento y se relaciona con la velocidad del tubo corriente arriba. La presin del flujo estacionario en el interior del tubo Pitot es igual a la presin de estancamiento del flujo externo con el que est en contacto a travs del pequeo orificio localizado en el punto de estancamiento del tubo. VENTAJAS Bajo costo y prdida de presin despreciable DESVENTAJAS Miden la velocidad en el punto y las mediciones volumtricas son poco precisas. La mxima exactitud se consigue efectuando varias medidas en puntos determinados y promediando las races cuadradas de las velocidades medidas. Baja precisin del orden de 1.5-4% No trabaja bien a velocidades bajas del flujo ni a velocidades muy altas (supersnica) Suelen utilizarse tubos de Pitot para la medida de caudales de gas en grandes conducciones, como chimeneas de industrias pesadas. Un inconveniente del uso del tubo en flujos gaseosos es la pequea diferencia de presin que se genera, esto se ha corregido con una modificacin del instrumento que se conoce con el nombre de Tubo de Pitot invertido o pitmetro. INSTRUMENTOS DE REA VARIABLE: a) ROTMETROSEn los medidores de carga: orificio, boquilla, Venturi, la variacin de la velocidad de flujo a travs de un rea constante produce una cada de presin variable que est relacionada con dicha velocidad. Mientras que en los medidores de rea variable la cada de presin permanece constante y es el rea a travs del cual circula el fluido el que vara con la velocidad del flujo, relacionndose estos mediante un calibrador adecuado.

El Rotmetro consta bsicamente de un flotador indicador que se puede mover libremente en el interior de un tubo vertical ligeramente cnico con el dimetro menor hacia abajo . El fluido ingresa por el extremo inferior y hace que el flotador suba hasta que el rea circulare entre l y la pared del tubo sea tal que la cada de presin en este estrechamiento sea suficiente para sostener el flotador.

INSTRUMENTOS DE VELOCIDAD

a) VERTEDEROS En la medicin de caudal en canales abiertos se utilizan vertederos, los cuales provocan una diferencia de alturas del lquido en el canal entre la zona anterior del vertedero y su punto ms bajo. Y existen diferentes tipos (figura 7). La diferencia de alturas H se mide mediante un instrumento de flotador o burbujeo, el cual puede indicar, registrar y regular directamente el caudal o bien transmitirlo a distancia con un transmisor de tipo potencio mtrico, neumtico de equilibrios de movimientos, o digital.

b) TURBINAS

Las turbinas son medidores que poseen un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre en el rotor, la diferencia de presiones debida al cambio de reas entre el rotor y el cono posterior ejerce una fuerza igual y opuesta. Debido a ello el rotor est equilibrado hidrodinmicamente, sin la necesidad de utilizar rodamientos axiales. Para captar la velocidad de la turbina existen dos tipos de convertidores, de reluctancia e inductivos, para ambos la frecuencia que genera el rotor de turbina es proporcional al caudal, siendo del orden de 250 y 1200 ciclos por segundo para el caudal mximo.

c) TRANSDUCTORES ULTRASNICOS

Dos tipos de medidores ultrasnicos son utilizados fundamentalmente para la medida de caudal en circuitos cerrados. El primero (tiempo de trnsito o de propagacin) utiliza la transmisin por impulsos, mientras que el segundo (efecto Doppler) usa la transmisin continua de ondas. Los medidores por tiempo de transito miden el caudal por diferencia de velocidades del sonido al propagarse ste en el sentido del fluido y en el sentido contrario. Los sensores estn ubicados en una tubera de la que se conocen el rea y el perfil de velocidades. Los principios de funcionamiento de estos instrumentos son variados.

INSTRUMENTOS DE TENSIN INDUCIDA:a) MEDIDOR MAGNTICO DE CAUDAL

El medidor magntico de caudal funciona segn la ley de Faraday que establece que la tensin inducida a travs de cualquier conductor, al moverse este perpendicularmente a travs de un campo magntico, es proporcional a la velocidad del conductor.VENTAJAS _ No producen prdidas de presin DESVENTAJAS _ Requiere fluidos conductores_ No sirve para fluidos gaseosos_ Requiere de tubera siempre llena de fluido

b) MEDIDORES DE VORTEX Y TORBELLINOS El Medidor de vortex se basa en el hecho de que los vrtices se forman a continuacin de un obstculo, en el sentido de la corriente. Cuando un lquido fluye por el tubo de medida en el que se encuentra un cuerpo que obstaculiza el flujo, los vrtices se forman sucesivamente una vez a un lado y luego al otro a continuacin de dicho cuerpo. La frecuencia de los vrtices que se esparcen a cada lado es directamente proporcional a la velocidad de circulacin media y, por consiguiente, al caudal volumtrico. El Medidor de caudal por torbellino se basa en la determinacin de la frecuencia del torbellino producido por una hlice esttica situada dentro de la tubera por la cual pasa el fluido. La frecuencia del torbellino es proporcional a la velocidad del fluido.

INSTRUMENTOS POR DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Los medidores de desplazamiento positivo miden el caudal en volumen (contando o integrando) volmenes separados de lquido. Las partes mecnicas del instrumento se mueven aprovechando la energa del fluido y dan lugar a una prdida de carga. a)MEDIDOR DE DISCO OSCILANTE Est compuesto por: una cmara circular con un disco plano mvil dotado de una ranura en la que est intercalada una placa fija. Esta placa separa la entrada de la salida e impide el giro del disco durante el paso del fluido. La cara baja del disco est siempre en contacto con la parte inferior de la cmara en el lado opuesto .Cuando pasa el fluido, el disco toma un movimiento parecido al de un trompo cado de modo que cada punto de su circunferencia exterior sube y baja alternativamente estableciendo contacto con las paredes de la cmara desde su parte inferior a la superior. Este movimiento de balanceo se transmite mediante el eje del disco a un tren de engranajes.

b)MEDIDOR ROTATIVO Este tipo de instrumento tiene vlvulas rotativas que giran excntricamente rozando con las paredes de una cmara circular y transportan el lquido en forma incremental de la entrada a la salida. Los medidores rotativos se emplean mucho para la medicin de crudos y gasolinas, con intervalos de medida que van de unos pocos lpm de lquidos limpios de baja velocidad hasta 64000 lpm de crudos viscosos. Principalmente hay dos sistemas El Medidor bi-rotor est diseado para medir el flujo total de productos lquidos que pasa a travs del mismo por medio de una unidad de medicin que separa el flujo en segmentos separndolos momentneamente del caudal que pasa a travs del medidor. Son diseados para que los efectos adversos de lneas fuera de alineacin no puedan ser transmitidas a la unidad de medicin. El Medidor oval realiza mediciones en productos difciles sin comprometer la precisin, tales como: cido sulfrico sper saturado, dixido de titanio, azufre derretido y mantequilla de man

3.- QUE ES MEDICION DE VELOCIDAD

El conocimiento de la velocidad de los movimientos es de gran importancia para el ingeniero, desde la determinacin de las fuerzas de inercia en una pieza alternativa hasta la potencia transmitida por una pieza rotativa de una mquina. En la mayora de los casos, las maquinas son impulsadas por elementos rotativos, tales como poleas y motores. Conocer la velocidad angular es importante.4.- INSTRUMENTOS PARA MEDIR LA VELOCIDAD TACOMETROTACOMETRO MECANICO

El tacmetro mecnico ms utilizado es el tpico contador de revoluciones empleado para medir localmente la velocidad de rotacin de toda clase de mquinas o dispositivos giratorios. Este contador consiste bsicamente en un eje elstico terminado en punta que se apoya sobre el centro de la pieza giratoria. El eje elstico al girar mueve a travs de un tren de engranajes dos diales calibrados concntricos. Cada divisin del dial exterior representa una vuelta del eje giratorio mientras que en el dial interior una divisin da una revolucin del dial exterior; conocido el tiempo de trabajo del contador, medido mediante un cronmetro, es fcil calcular la velocidad media en rpm

TACOMETRO OPTICO

En general estos aparatos producen un haz luminoso ya sea de tipo LSER, de luz visible, o infrarrojo que se dirige a la pieza en movimiento, en la pieza se ha marcado una zona de color blanco que refleja el haz luminoso en mayor proporcin que el resto de la superficie, de manera que cada vez que pasa la zona blanca frente al tacmetro se produce por un instante una reflexin mayor del haz. Este pulso luminoso reflejado es detectado por un sensor colocado junto al emisor de luz y convertido a pulso elctrico dentro del tacmetro. Un circuito convenientemente calibrado a unidades de velocidad de rotacin mueve la aguja al valor apropiado o genera un nmero en una pantalla digital.

ANEMOMETROSEs un instrumento que mide especficamente la velocidad del aire (viento), algunos modelos adems miden la temperatura ambiente, y hasta la humedad.

TUBO DE PITOTLosmanmetrosde tubo de Pitot es un instrumento elemental para la medicin de velocidades de flujo de gases o de aire en canales. Los manmetros de tubo de Pitot son una derivacin de los clsicos tubosPrandtl, una combinacin de tubo de Pitot para medir la presin total y una sonda de medicin de la presin esttica. Estrechamente relacionados con los manmetros surgen losanemmetrospara medir velocidades de flujo. La ventaja de los manmetros de tubo de Pitot frente a otros mtodos de medicin consiste en el hecho de que un orificio relativamente pequeo sobre la pared del canal en las zonas ms importantes del recorrido es suficiente para realizar en cualquier momento una medicin rpida de la velocidad de flujo. Adems, podr utilizarlos a altastemperaturasy a velocidades de flujo muy elevadas (hasta 120 m/s dependiendo del modelo).

IV.-MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAREquipo a utilizar en la medicin de caudal caudalimetro de placa orificio en un sistema de tuberas Rotmetro

Equipo a utilizar en la medicin de velocidad Tacmetro ptico- mecnico Materiales Esmeril Motor de compresora (eje del motor) Sistema de transmisin de la compresora (rueda conducida) Banco de termodinmico (rotmetro)V.- PROCEDIMIENTORegistrar el valor de la cada de presin utilizando la placa de orificio, y calcular el caudal mediante la siguiente ecuacin

PRIMERA EXPERIENCIA

P1=80mmhg P2=28mmhgP1-P2=52mmhg=6932, 76 Pa

=0.98D=1/2 d=1.125

h = presin en Pa =6932, 76 Pa

Caudal del caudalimetro

CAUDALERROR (% )

PLACA ORIFICIO (m^3s)CAUDALIMETRO(m^3s) ((VB-VE)/VB)*100

VEVB

0.00047150.00045114.52

Registrar el valor del caudal utilizando el rotmetro275

Registrar los valores registrados utilizando el tacmetro en cada equipo o motor elctrico

COMPRESORA

TACOMETROTACOMETROMEDICION EN LA PLACA BASE (RPM)

EJE DE LA POLEARUEDA CONDUCIDA

LECTURASCONTACTO (RPM)OPTICO (RPM)OPTICO(RPM)

135833584944

235803586942.5

335833587945

435833589946

535843587946

635863590947

PROMEDIO358335879453480

Se observa que en el eje la velocidad es mayor que en la rueda conducida

ESMERIL

TACOMETROMEDICION EN LA PLACA BASE

ESMERIL

LECTURASCONTACTO (RPM)

183428500 RPM

VI.- CONCLUSIONESCon la medicin del caudal de placa orificio hemos podido obtener la cada de presin gracias a las lecturas de presin a la entrada y salida del orificio de esta manera con la ecuacin ya mostrada hemos podido hallar el caudal y comparndolo con el del caudalimetro el error es poco pude ser menos pero esto se debi a la poca cantidad de mercurio en el tubo de vidrio para medir las presiones diferenciales es por eso el error.En la utilizacin del rotmetro se pudo comprobar la cantidad agua (caudal) que sedapar proporciona a la universidad que es de 275 En la medicin de las velocidades con el tacmetro ptico-mecnico se pudo determinar que la velocidad del eje es mayor que la de la rueda conducida

VIII.- CUESTIONARIO1. Explique en que consiste el mtodo para medicin de caudal por medicin salinaEl mtodo de trazador de sal se utiliza para medir caudales en corrientes pequeas como arroyos, riachuelos o quebradas. En las corrientes pequeas se cuenta con valores de nivel o alturas cada 30 minutos que se toman automticamente con los limngrafos. Para convertir estos valores de nivel a caudal, se miden los caudales con este mtodo en diferentes momentos de tal forma que se tomen valores a varios niveles de la corriente. Se iniciar con las mediciones de caudales en verano. Una vez se tengan suficientes datos (aproximadamente 20 datos en temporada seca) se tendr una relacin de niveles y caudales que permitir tener una ecuacin que convierta todos los valores de nivel a caudal. El mtodo de trazadores de sal consiste en verter en un punto de la quebrada una cantidad de sal conocida disuelta en agua y unos 20 metros ms abajo medir el cambio de conductividad en el agua de la corriente. La conductividad inicial de la quebrada cambiar, elevndose hasta llegar a un pico para posteriormente descender y llegar a su valor inicial. Al graficar los datos de tiempo y conductividad, se tendr un rea bajo esa curva que servir para calcular el caudal2.-Hasta que valor de velocidad de rotacin pueden medir un tacmetro mecnico ptico como mximo.. Amplio margen de medida desde 0.5 RPM hasta 10000 RPM.

3.- Por qu en algunos motores elctricos la velocidad de rotacin de la placa no coincide con el valor medido con el tacmetro?Por el fenmeno de la reluctancia(Lareluctancia magnticade unmaterialocircuito magnticoes la resistencia que este posee al paso de unflujo magnticocuando es influenciado por uncampo magntico. Se define como la relacin entre lafuerza magneto motriz(f.m.m.) (la unidad delSIes elamperio, aunque a menudo se la llamaamperio vuelta) y elflujo magntico(SI:weber). El trmino lo acuOliver Heavisideen1888). Y al rebobinado de motores en la que se le colocan mayor o menor nmero de vueltas de hilos 4.- Qu ventajas y desventajas presenta el utilizar el medidor de caudal tipo placa orificio?

VENTAJAS _ Costo independiente del tamao de la tubera _ Salida repetible, aunque la placa tenga un dao

DESVENTAJAS _ Alta perdida de presin (40-80%)_ Mantenimiento constante por incrustaciones en la placa y en las tomas de presin5.-Explique el funcionamiento del medidor del caudal tipo vertedero de CipolettiVertedero trapezoidal: ste vertedero tiene forma trapezoidal en su abertura, tal como lo indica su nombre, tambin conocido como vertedero Cipolletti. Esta estructura requiere que el talud de sus lados sea 1:4, es de construccin ms dificultosa que el triangular y el rectangular y no ofrece ventajas significativas que lo hagan destacar

Vertedero Cipolletti.

Ilustracin Vertedero Trapezoidal o Cipolletti

En este caso la escotadura del vertedero, tiene forma trapezoidal con una inclinacin de las paredes sobre la vertical de 0.25:1.

El gasto se calcula mediante la siguiente expresin:

Dnde:Q = Gasto (m3/s)L = Largo cresta (m)H = Carga de agua (m)

La tabla siguiente proporciona los gastos para diferentes cargas de agua para el vertedero Cipolletti

CAUDAL (l/s) VERTEDERO TRAPEZOIDAL

Altura H (cm)ANCHO DE LA CRESTA DEL VERTEDERO (m)

0,250,500,751,001,251,501,752,00

2,01,312,633,945,266,577,899,2010,52

2,51,843,675,517,359,1911,0212,8614,70

3,02,414,837,249,6612,0714,4916,9019,32

3,53,046,099,1312,1715,2218,2621,3024,35

4,03,727,4411,1514,8718,5922,3126,0329,74

4,54,448,8713,3117,7522,1826,6231,0635,49

5,05,2010,3915,5920,7825,9831,1836,3741,57

5,55,9911,9917,9823,9829,9735,9741,9647,96

6,06,8313,6620,4927,3234,1540,9847,8154,64

6,57,7015,4023,1130,8138,5146,2153,9161,61

7,08,6117,2125,8234,4343,0451,6460,2568,86

7,59,5519,0928,6438,1847,7357,2766,8276,37

8,010,5221,0331,5542,0652,5863,1073,6184,13

8,511,5223,0334,5546,0757,5969,1080,6292,14

9,012,5525,1037,6450,1962,7475,2987,84100,39

9,513,6127,2240,8254,4368,0481,6595,26108,87

10,014,7029,3944,0958,7973,4888,18102,88117,57

10,515,8131,6347,4463,2579,0694,88110,69126,50

11,016,9633,9150,8767,8284,78101,73118,69135,64

11,518,1236,2554,3772,5090,62108,75126,87145,00

12,019,3238,6457,9677,2896,60115,92135,24154,55

12,520,5441,0861,6282,16102,70123,24143,77164,31

13,021,7843,5765,3587,14108,92130,70152,49174,27

13,523,0546,1169,1692,21115,26138,32161,37184,42

14,024,3548,6973,0497,38121,73146,07170,42194,76

14,525,6651,3276,98102,64128,30153,97179,63205,29

15,027,0054,0081,00108,00135,00162,00189,00216,00

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA

LABORATORIO DE: MEDICION DE CAUDAL Y VELOCIDAD

ASIGNATUARA: MEDICIONES Y ENSAYOS EN ING. MECANICA

DOCENTE. ING. APAZA GUTIERREZ JORGE L.

PRESENTADO POR: COILA PANCCA JUAN JOSE

AREQUI PERU

2014