Medición de caudal con placa de orificio: flujo por presión diferencial infiere la velocidad de flujo del fluido a partir de la caída de presión creada cuando el fluido pasa por una restricción mecanizada en una tubería. Sigue siendo uno de los principios de medición de caudal más utilizados en las industrias de proceso porque es sencillo, no tiene partes móviles y cuenta con décadas de datos estandarizados de dimensionamiento.
Una placa de orificio es un disco metálico delgado con un orificio mecanizado con precisión, sujetado entre dos bridas de tubería o montado en un porta-placas. A medida que el fluido se acelera al atravesar el orificio, su velocidad aumenta y la presión estática disminuye, siguiendo el principio de Bernoulli.
A valle, el flujo se contrae aún más hasta la vena contracta antes de expandirse de nuevo hacia la pared de la tubería.
La diferencia de presión entre una toma aguas arriba y otra aguas abajo se mide con un transmisor de presión diferencial (DP) y se convierte en caudal mediante una relación de raíz cuadrada, corregida por un coeficiente de descarga.
La relación beta (β) es la relación entre el diámetro del orificio y el diámetro interior de la tubería, el parámetro de dimensionamiento más importante. Una β pequeña produce una gran diferencia de presión, fácil de medir, pero también una mayor pérdida permanente y más desgaste del borde.
Una β grande da una señal menor pero una pérdida permanente menor. Los diseños típicos oscilan aproximadamente entre 0,2 y 0,75, siendo comunes entre 0,4 y 0,65 para servicio general de procesos.
El caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de presión, por lo que duplicar el caudal requiere aproximadamente cuatro veces la diferencia de presión, y el rango del transmisor DP debe elegirse para el rango de caudales esperado.
En el extremo bajo, la diferencial de presión se vuelve pequeña en comparación con el ruido del transmisor y la deriva del cero, por eso una placa única normalmente admite un rango utilizable de solo alrededor de 3:1 a 5:1 sin reajustarla o reemplazarla
una limitación real frente a tipos de medidores que mantienen la precisión en un rango más amplio, una compensación tratada en esta visión general de tipos de caudalímetros industriales .
Una placa concéntrica tiene el orificio centrado en el eje de la tubería, estándar para líquidos, gases y vapor limpias y monofásicos. Una placa excéntrica tiene el orificio desplazado hacia la parte superior o inferior de la tubería para evitar líquido arrastrado (arriba, gas húmedo) o sedimento (abajo, pulpas).
Una placa segmentada utiliza una abertura en forma de segmento de círculo cortada a ras con la pared de la tubería, para flujos que transportan sólidos donde un orificio excéntrico no es suficiente.
La ubicación de las tomas cambia la diferencial medida y debe coincidir con la ecuación del coeficiente de descarga usada para el dimensionamiento:
| Tipo de toma | Ubicación aguas arriba | Ubicación aguas abajo | Uso típico |
|---|---|---|---|
| Tomas en brida | 25,4 mm (1 pulg.) de la placa | 25,4 mm (1 pulg.) de la placa | Práctica norteamericana, tamaños de tubería fijos |
| Tomas en esquina | Inmediatamente junto a la placa | Inmediatamente junto a la placa | Práctica europea, diámetros pequeños |
| Tomas D y D/2 | 1 diámetro de tubería (D) aguas arriba | 0,5 diámetro (D/2) aguas abajo | Cerca de la vena contracta; sensible a la instalación |
A diferencia de un venturi o una boquilla de flujo, una placa de orificio provoca una pérdida de presión permanente relativamente alta e irreversible, porque la restricción de borde afilado genera turbulencias y vórtices aguas abajo que disipan energía en lugar de recuperarla como presión.
La pérdida es mayor con relaciones beta bajas y menor con las altas, típicamente del 40 al 90 por ciento de la diferencial medida según β.
Esto se suma directamente al coste de bombeo o compresión en servicios sensibles al consumo energético, una razón clave por la que a veces los ingenieros optan por medidores venturi a pesar del mayor coste de instalación.
El dimensionado de placas de orificio, la geometría de instalación y el cálculo del coeficiente de descarga están regidos internacionalmente por la ISO 5167 (la parte 1 cubre principios generales, la parte 2 cubre placas de orificio), con API MPMS Capítulo 14.3 (históricamente AGA Report No.
3) utilizado para la medición de gas natural para transferencia de custodia en Norteamérica. Estas normas establecen tolerancias de espesor de placa y nitidez del borde, longitudes mínimas de tramo recto, redondez permisible de la tubería y la correlación del coeficiente de descarga, la ecuación de Reader-Harris/Gallagher.
Desviarse de estas tolerancias introduce errores que no pueden corregirse a posteriori, por lo que los tramos con orificio suelen prefabricarse como un tramo (spool) dedicado.
Dado que la precisión depende de la nitidez del borde de entrada del orificio, las placas de orificio son vulnerables a la deriva por erosión, corrosión y acumulación de sarro o cera.
La inspección rutinaria normalmente implica extraer la placa durante una parada programada para comprobar la condición del borde y confirmar que el diámetro del orificio no se ha agrandado.
También es necesario verificar periódicamente el estado de la junta, la orientación de la placa y la integridad de la línea de impulsos, ya que una línea con fugas sesga silenciosamente la lectura.
El seguimiento de estos intervalos de inspección y calibración es un flujo de trabajo que Fabrico admite, junto con dispositivos relacionados como el coeficiente de flujo (Cv) de la válvula de control .
Las placas de orificio compiten con tubos venturi, boquillas de flujo, medidores de vórtice, medidores ultrasónicos y medidores Coriolis. Sus ventajas son bajo coste de capital, ausencia de partes móviles y una amplia base de datos de dimensionamiento.
Sus desventajas son el rango utilizable limitado, la alta pérdida de presión permanente y la precisión que se degrada con el desgaste del borde.
Los medidores de vórtice y los ultrasonidos ofrecen mayor rango utilizable con pérdidas permanentes bajas o nulas pero a mayor coste del instrumento, una compensación similar a la descrita para la medición de nivel por radar .
Para evaluar si un tramo con placa de orificio o un medidor alternativo se ajusta a un servicio, reserve una demo de Fabrico .
La relación beta es el diámetro del orificio dividido por el diámetro interior de la tubería. Define la compensación entre la intensidad de la señal DP y la pérdida de presión permanente, y es una entrada obligatoria en la ecuación del coeficiente de descarga de la ISO 5167.
Se deriva de las ecuaciones de energía y continuidad a través de la restricción. Debido a que el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la diferencial de presión, el rango utilizable es más estrecho que para medidores lineales, ya que la señal disminuye rápidamente a caudales bajos.
Los intervalos de inspección dependen de la severidad del servicio, pero las placas en servicios erosivos, corrosivos o con incrustaciones suelen revisarse en paradas programadas para comprobar la nitidez del borde del orificio y el crecimiento del diámetro, ya que ambos afectan la precisión del coeficiente de descarga.
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