ES2234280T3 - Dispositivo para medicion del caudal de un fluido en una tuberia. - Google Patents

Abstract

Dispositivo para medir el caudal de un fluido en una tubería (1), comprendiendo el dispositivo una tubería (1), un primer y un segundo objeto (5, 6; 11, 12; 13, 14; 15, 16) con diferentes forma y/o diámetro dispuestos en la tubería (1), un primer sensor dispuesto en la tubería para determinar una frecuencia con la que aparecen vórtices que se generan tras los objetos cuando el fluido fluye alrededor de los objetos, y medios para determinar el caudal del fluido a partir de dicha frecuencia, caracterizado porque el dispositivo está provisto de un segundo sensor (7, 8) dispuesto en la tubería, midiendo el primer y el segundo sensor las frecuencias de vórtices (fv1 y fv2) que corresponden al primer y al segundo objetos, respectivamente, y un sensor adicional (9) en la tubería para determinar la frecuencia de pulsación que puede aparecer en la velocidad de aproximación del fluido, siendo la diferencia de forma y/o diámetro de los objetos tal que la frecuencia de vórtices del primer objeto es independiente de la frecuencia de pulsación para una frecuencia de pulsación en la que la frecuencia de vórtices del segundo objeto depende de la frecuencia de pulsación, y viceversa, determinando los medios para la determinación del caudal el caudal a partir de una frecuencia seleccionada de las frecuencias de vórtices, que se determina para que sea independiente de la frecuencia de pulsación.

Description

Dispositivo para medición del caudal de un fluido en una tubería.

La presente invención se refiere a un dispositivo para medir el caudal de un fluido en una tubería, que comprende al menos dos objetos de forma y/o diámetro diferentes destinados a ser dispuestos en la tubería, un sensor para determinar la frecuencia con la que aparecen los vórtices que se generan tras los objetos cuando el fluido fluye alrededor de los mismos, y medios para determinar el caudal del fluido a partir de dicha frecuencia.

Un dispositivo tal es conocido del documento DE-A-3714344.

En dicho documento, el medidor de caudal por vórtice o medidor "vórtex" comprende dos objetos, o mejor dicho, un objeto que se divide en dos partes de diferente forma. La finalidad de este objeto (estas dos partes) es proporcionar una única medición de frecuencia de vórtices. Las dos partes del objeto han de presentar medidas sustancialmente iguales. Aunque, en dicho documento, se describe la aparición de más frecuencias de vórtices, la construcción está dirigida a suprimir las componentes de alta frecuencia mediante el redondeo de las esquinas del objeto, de tal manera que resulta una única componente de frecuencia de vórtices.

Al colocar un objeto en un flujo de un fluido, se genera tras dicho objeto la denominada calle de vórtices de Von Karman al fluir el fluido a su alrededor. Dicha calle de vórtices está representada, por ejemplo, en "An Album of Fluid Motion"("Un álbum del movimiento de los fluidos") de Milton van Dyke, Universidad de Standford, California, 1982. Dependiendo de la forma y dimensiones del objeto, aparecen vórtices en el fluido con una frecuencia determinada. En general, esta frecuencia f_{v} puede ser representada mediante la siguiente relación:

f_{v} = \left(\frac{St}{D}\right)\cdot U_{0}

en la que St constituye el número de Strouhal determinado por la forma del objeto, D representa el diámetro del objeto, es decir, la distancia sobre la cual el flujo del fluido es interrumpido por el objeto, y (U_{0}) representa la velocidad de aproximación al objeto del flujo de un fluido. Midiendo, con una velocidad de aproximación conocida, la frecuencia de los vórtices, puede determinarse, para cada objeto, el número de Strouhal asociado. Dentro de un cierto intervalo, el número de Strouhal resulta ser sustancialmente independiente del número de Reynolds Re y presenta un valor constante; dicho número de Reynolds presenta la siguiente relación con la anteriormente mencionada velocidad de aproximación (U_{0}):

Re = \frac{\rho u _{0}d}{\eta}

en la que \rho representa la densidad del fluido, d representa el diámetro de la tubería a lo largo de la cual es conducido el fluido y \eta representa la viscosidad dinámica del fluido. Por consiguiente, dentro del intervalo al que se hace referencia, puesto que el número de Strouhal es independiente de la densidad y de la viscosidad del fluido, existe una relación lineal entre la frecuencia de vórtices f_{v} y la velocidad de aproximación (U_{0}), tal como se ha representado anteriormente.

Sin embargo, cuando la velocidad de aproximación no es constante, pueden aparecer problemas en dicho dispositivo de medición de caudal. Debido a variaciones en la velocidad de aproximación, aparecen frecuencias de pulsación en la misma. Los problemas citados en la presente descripción son dependientes de la proporción entre la frecuencia de pulsación f_{p} de la velocidad de aproximación y la frecuencia de vórtices f_{v}. En el artículo de M.C.A.M Peters y otros, "Impact of pulsations on vortex flowmeters" ("Impacto de las pulsaciones en medidores de caudal por vórtice") , artículo presentado en FLOMEKO'98, Lund, Suecia 15-17 de junio de 1998, se observa que cuando f_{v}/f_{p} < 0,4 y f_{v}/f_{p} > 2,5, la frecuencia de vórtices f_{v} adopta un valor que corresponde aproximadamente a una frecuencia de vórtices asociada con una velocidad de aproximación promedio. En ambos casos, existe una única relación lineal entre la frecuencia de vórtices y la velocidad de aproximación, y esta última magnitud puede ser determinada mediante la medición de la frecuencia de vórtices. Cuando, por el contrario, se cumple que 0,4 < f_{v}/f_{p} < 2,5, aparecen los denominados fenómenos de bloqueo. "Bloqueo" significa que, dentro de unos límites determinados, con variaciones de la velocidad de aproximación, la frecuencia de vórtices permanece constante, es decir, la frecuencia de vórtices dentro de estos límites está dominada fuertemente por la frecuencia de pulsación de la velocidad de aproximación. Del artículo citado, en particular de las figuras 11 y 12, se deduce que estas frecuencias de vórtices dominadas por la frecuencia de pulsación se reproducen en relaciones f_{v}/f_{p} de ½, 1, 1½ y 2. A amplitudes de la frecuencia de pulsación de aproximadamente un 5% de la velocidad de aproximación, se observa que los errores en la frecuencia de vórtices medida están entre +8% y -18%. Dichos errores llevan a errores iguales en la velocidad de aproximación a determinar. Por consiguiente, para una velocidad de aproximación pulsante con 0,4 < f_{v}/f_{p} < 2,5, los dispositivos conocidos de medición de velocidad de aproximación del tipo expuesto en el preámbulo son muy poco fiables.

El objetivo de la presente invención consiste en evitar esta desventaja y dar a conocer un dispositivo del tipo descrito en el preámbulo que, también para pulsaciones aleatorias, continúa permitiendo una determinación precisa de dicha velocidad de aproximación.

A tal fin, según la presente invención, el dispositivo tal como es descrito en el preámbulo se caracteriza porque presenta al menos dos objetos de forma y/o diámetro tan diferente que al menos una de las frecuencias de vórtices determinadas mediante los mismos es independiente de una frecuencia de pulsación que pueda aparecer en la velocidad de aproximación del fluido.

Mediante la colocación de dos objetos de diferente forma y/o diámetro en la tubería, la proporción St/D de los dos objetos puede elegirse de manera tal que sea tan diferente que para una velocidad de aproximación pulsante dada, al menos una de las dos frecuencias de vórtice presenta un valor tal que la proporción f_{v}/f_{p} está fuera del intervalo (0,4; 2,5). Únicamente a partir de dicha frecuencia de vórtices puede determinarse una velocidad de aproximación correcta. Obviamente, esto requiere la presencia de un sensor para determinar la frecuencia de pulsación. En muchos casos, la proporción f_{v}/f_{p} estará fuera de este intervalo para ambas frecuencias de vórtice; en dicha situación, mediante la medición de la frecuencia de vórtices en cada una de las dos calles de vórtices, se obtendrá el mismo valor de la velocidad de aproximación. Aunque, por supuesto, pueden colocarse más de dos objetos en la tubería, esto resulta básicamente innecesario, y únicamente dos objetos resultan suficientes en la práctica.

Los dos objetos citados pueden ser dispuestos uno detrás del otro, seleccionando la distancia entre ellos para que sea lo suficientemente grande como para mantener tan pequeña como sea posible cualquier interacción mutua entre ambos objetos. Dicha interacción puede también ser minimizada mediante la disposición de los dos objetos de manera transversal en la tubería. Los objetos pueden disponerse no sólo uno detrás del otro, sino también uno al lado del otro, de nuevo sujetos al requerimiento de que la distancia entre sí sea lo suficientemente grande como para reducir la interacción entre los objetos hasta un mínimo. Además, también es posible, en especial cuando el diámetro de la tubería es grande en comparación con las dimensiones de los objetos, diseñar los dos objetos como un conjunto.

Tanto las mediciones de la frecuencia de vórtices como las mediciones de la frecuencia de pulsación se realizan mediante sensores de presión que se disponen en un punto adecuado o en la pared de la tubería, aunque también es asimismo posible que los sensores que determinan la frecuencia de vórtices se dispongan dentro de o sobre los respectivos objetos, dado que los vórtices inducen una fuerza medible que actúa sobre los objetos. Además, es posible integrar el sensor para determinar la frecuencia de pulsación dentro de uno de los sensores o dentro de ambos sensores para determinar la frecuencia de vórtices.

La invención será a continuación explicada haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

las figuras 1A y 1B muestran de manera esquemática una sección longitudinal y una sección transversal, respectivamente, de un dispositivo según el estado de la técnica anterior para la medición del caudal de un fluido en una tubería;

las figuras 2A y 2B muestran de manera esquemática una sección longitudinal y una sección transversal, respectivamente, de una primera realización ejemplar del dispositivo según la presente invención;

las figuras 3A y 3B muestran de manera esquemática una sección longitudinal y una sección transversal, respectivamente, de una segunda realización ejemplar del dispositivo según la presente invención;

las figuras 4A y 4B muestran de manera esquemática una sección longitudinal y una sección transversal, respectivamente, de una tercera realización ejemplar del dispositivo según la presente invención; y

las figuras 5A y 5B muestran de manera esquemática una sección longitudinal y una sección transversal, respectivamente, de una cuarta realización ejemplar del dispositivo según la presente invención;

las partes correspondientes de las distintas figuras son identificadas con los idénticos numerales de referencia.

La figura 1 muestra una tubería (1), en la que se dispone un objeto (2). El objeto (2) se extiende desde el comienzo hasta el final del diámetro de la tubería (1) y tiene una sección transversal triangular de un diámetro (D). Cuando un fluido es conducido en la dirección indicada por la flecha (P) con una velocidad de aproximación (U_{0}) a lo largo de la tubería (1), se desarrolla - el objeto (2) una denominada calle de vórtices de Von Karman (3) a lo largo de una determinada longitud. La frecuencia con la que se generan los vórtices de esta calle de vórtices, esto es, la frecuencia de vórtices, se determina mediante la forma y el diámetro (D) del objeto (2). Esta frecuencia f_{v} se mide mediante un sensor de presión (4) en la pared interior de la tubería (1). La anteriormente citada velocidad de aproximación (U_{0}) a determinar es proporcional a la frecuencia de vórtices f_{v}. La constante de proporcionalidad se determina mediante calibración con una velocidad de aproximación conocida.

Como ya se ha expuesto anteriormente, esta construcción conlleva problemas si la velocidad de aproximación presenta pulsos con una frecuencia de pulsación f_{p} tal que 0,4 < f_{v}/f_{p} < 2,5. Por esta razón, se han dispuesto dos objetos de diferente forma y/o diámetro en la tubería.

En la figura 2, se han dispuesto en la tubería (1) un primer objeto (5) con sección transversal circular y un diámetro (D_{1}), y un segundo objeto (6) de sección transversal triangular y un diámetro (D_{2}). Ambos objetos se extienden desde el comienzo hasta el final del diámetro de la tubería, uno detrás del otro. El dispositivo está provisto en este caso con dos sensores (7) y (8) para medir las frecuencias de vórtices f_{v1} y f_{v2} en las calles de vórtices de Von Karman que aparecen por detrás de los respectivos objetos. La forma y el diámetro de los objetos (5) y (6) son diferentes, de manera tal que la proporción St_{1}/D_{1} difiere de la proporción St_{2}/D_{2} lo suficiente como para que las frecuencias de vórtices difieran por al menos un factor de aproximadamente 6. St_{1} y St_{2} son los números de Strouhal de los objetos (5) y (6), respectivamente. Dado que las frecuencias de vórtices f_{v1} y f_{v2} difieren al menos por un factor de aproximadamente 6, al menos una de las proporciones f_{v1}/f_{p}, f_{v2}/f_{p} siempre quedará fuera del intervalo (0,4; 2,5) y de esta manera será siempre posible una medición precisa de una de las frecuencias de vórtices, y con ello una determinación precisa de la velocidad de aproximación proporcional a la misma. Para poder seleccionar la proporción correcta, se dispone un sensor de presión (9) para permitir la determinación de la frecuencia de pulsación f_{p} del flujo de un fluido. Además, se disponen medios (10), que comprenden, por ejemplo, un microprocesador, para determinar la velocidad de aproximación a partir de las señales procedentes de los sensores de presión (7), (8) y (9). De hecho, únicamente es seleccionable como medida para la velocidad de aproximación una frecuencia de vórtices, o únicamente las frecuencias de vórtices, para las que la proporción o proporciones entre la frecuencia de vórtices y la frecuencia de pulsación queda o quedan fuera del intervalo (0,4; 2,5). Para impedir la aparición de una interacción entre los dos objetos (5) y (6) por la que la calle de vórtices de von Karman por detrás del objeto (5) sea afectada por el objeto (6), la distancia (L) entre los objetos debe elegirse para que sea suficientemente grande. Obviamente, esta distancia dependerá de la forma y diámetro de los objetos.

La figura 3 muestra una segunda realización ejemplar del dispositivo según la presente invención. Los dos objetos (11) y (12) se disponen en este caso en la tubería (1) de tal manera que se cruzan perpendicularmente entre sí. El objeto (11) presenta una sección transversal circular, mientras que el objeto (12) presenta una sección transversal semicircular; ambos objetos se extienden nuevamente de principio a fin del diámetro de la tubería (1). Debido a la disposición mutuamente transversal de los objetos, cualquier interacción entre los dos objetos queda minimizada, incluso si la distancia entre los dos objetos es relativamente pequeña. De nuevo en este caso, la forma y el diámetro de los objetos difieren tanto entre sí que, al igual que en la primera realización ejemplar, las frecuencias de vórtices medidas difieren al menos en un factor de aproximadamente 6.

La figura 4 muestra dos objetos (13) y (14) dispuestos uno junto al otro en la tubería. Los objetos presentan secciones transversales circular y triangular, respectivamente, y diámetros diferentes, y se extienden paralelos entre sí en la tubería (1). La distancia mutua (\ell) entre los objetos se ha seleccionado lo suficientemente grande para que cualquier interacción entre los objetos quede minimizada. Aquí también, la forma y diámetro de los dos objetos son tan diferentes que las frecuencias de vórtices en cuestión se diferencian al menos por un factor de aproximadamente 6.

En las realizaciones ejemplares descritas hasta ahora, tanto la forma como el diámetro de los dos objetos son diferentes. También son posibles, sin embargo, realizaciones en las que es diferente únicamente la forma o únicamente el diámetro del objeto. La figura 5 proporciona un ejemplo de una realización en la que los dos objetos presentan la misma forma pero difieren en el diámetro. Los dos objetos (15) y (16) se disponen uno junto al otro en este caso y forman un conjunto (17) entre sí. Los sensores de presión para la medición de las frecuencias de vórtices se disponen de manera similar uno junto al otro en este caso. Debido a los diferentes diámetros de los objetos (15) y (16), en este caso también, de nuevo, se miden frecuencias de vórtices que se diferencian entre sí al menos por un factor de aproximadamente 6.

La invención no queda limitada por las realizaciones ejemplares mostradas en la presente descripción, sino que abarca todo tipo de modificaciones de las mismas, naturalmente siempre que caigan dentro del ámbito de protección de las reivindicaciones adjuntas. Como ya se ha indicado anteriormente, es posible disponer los sensores para la determinación de las frecuencias de vórtices en o sobre los objetos en cuestión, en vez de en o sobre la pared de la tubería (1). También es posible, como ya se ha mencionado anteriormente, integrar el sensor para determinar la frecuencia de pulsación dentro de un sensor para determinar la frecuencia de vórtices. Además, son posibles todo tipo de formas y dimensiones diferentes a las dadas en la presente descripción, siempre y cuando las frecuencias de vórtices medidas difieran entre sí en una magnitud tal que al menos una de estas frecuencias sea independiente de una frecuencia de pulsación que puede aparecer en la velocidad de aproximación del fluido.

Claims (6)

1. Dispositivo para medir el caudal de un fluido en una tubería (1), comprendiendo el dispositivo una tubería (1), un primer y un segundo objeto (5,6; 11, 12; 13, 14; 15, 16) con diferentes forma y/o diámetro dispuestos en la tubería (1), un primer sensor dispuesto en la tubería para determinar una frecuencia con la que aparecen vórtices que se generan tras los objetos cuando el fluido fluye alrededor de los objetos, y medios para determinar el caudal del fluido a partir de dicha frecuencia, caracterizado porque el dispositivo está provisto de un segundo sensor (7, 8) dispuesto en la tubería, midiendo el primer y el segundo sensor las frecuencias de vórtices (f_{v1} y f_{v2}) que corresponden al primer y al segundo objetos, respectivamente, y un sensor adicional (9) en la tubería para determinar la frecuencia de pulsación que puede aparecer en la velocidad de aproximación del fluido, siendo la diferencia de forma y/o diámetro de los objetos tal que la frecuencia de vórtices del primer objeto es independiente de la frecuencia de pulsación para una frecuencia de pulsación en la que la frecuencia de vórtices del segundo objeto depende de la frecuencia de pulsación, y viceversa, determinando los medios para la determinación del caudal el caudal a partir de una frecuencia seleccionada de las frecuencias de vórtices, que se determina para que sea independiente de la frecuencia de pulsación.

2. Dispositivo, según la reivindicación 1, caracterizado porque se disponen medios (10), en los que, en respuesta a señales procedentes de los sensores antes citados (7,8 y 9), la velocidad de aproximación se determina a partir de aquella frecuencia de vórtices, o aquellas frecuencias de vórtices, para las cuales se cumple que la proporción entre la frecuencia de vórtices y la frecuencia de vórtices se encuentra fuera del intervalo entre 0,4 y 2,5.

3. Dispositivo, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque, visto en la dirección del flujo, se disponen dos objetos (5, 6) uno detrás del otro.

4. Dispositivo, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque, visto en la dirección del flujo, se disponen dos objetos (11, 12) que se cruzan entre sí.

5. Dispositivo, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque, visto en la dirección del flujo, se disponen dos objetos (13, 14) situados uno junto al otro.

6. Dispositivo, según la reivindicación 5, caracterizado porque, visto en la dirección del flujo, los dos objetos (15, 16) situados uno junto al otro, forman un conjunto.