SENSOR CORIOLIS

Introducción

Hasta hace poco tiempo, ningún método práctico para medir la masa existía. Tales mediciones son necesarias en infinidad de aplicaciones entre las cuales se encuentran: los balances de masa de productos procesados y obtenidos en la planta, transferencia de custodia.

La medición directa de la masa de flujo evita la necesidad de utilizar cálculos complejos y como estándar fundamental de medición, la masa no deriva sus unidades de otra fuente ni se ve afectada por variaciones de temperatura o presión; tal constancia hace a la masa, la propiedad ideal para medir.

El medidor de Coriolis se basa en el teorema de Coriolis, matemático francés (1795- 1843) que observó que un objeto de masa m que se desplaza con una velocidad lineal V a través de una superficie giratoria que gira con velocidad angular constante w, experimenta una velocidad tangencial (velocidad angular x radio de giro) tanto mayor cuanto mayor es su alejamiento del centro. Si el móvil se desplaza del centro hacia la periferia experimentará un aumento gradual de su velocidad tangencial, lo cual indica que se le está aplicando una aceleración, que es precisamente la aceleración de Coriolis. Este fenómeno es el causante de que el remolino que se forma en el fondo de un depósito al vaciarlo, gira a derechas en el hemisferio Norte y a izquierdas en el hemisferio Sur. Asimismo todos los vientos de la circulación general que soplan desde el Norte al Sur en el hemisferio Norte son desviados, debido a la rotación de la Tierra de Oeste a Este, constituyendo los vientos predominantes de oeste. Por otro lado, el célebre péndulo de Foucault demuestra también el fenómeno.

Principio de funcionamiento

Todos los medidores de flujo másico trabajan bajo el mismo principio que consiste en la aplicación de la segunda ley de Newton: “fuerza es igual a Masa por Aceleración “ (F= m.a ). Esta ley es utilizada para determinar la cantidad exacta de masa que fluye a través del medidor. Un objeto que se mueve en un sistema de coordenadas que rota con una velocidad angular, experimentará una fuerza de Coriolis proporcional a la masa, a la velocidad del objeto y a la velocidad angular del sistema. Esta fuerza es perpendicular a la velocidad del objeto y a la velocidad angular del sistema de coordenadas. En la nueva generación de los medidores de Coriolis, comercialmente disponibles, el fluido a la entrada del medidor se divide entre dos tubos en forma de U, los cuales tienen un diámetro menor que el de la tubería del proceso. El flujo sigue la trayectoria curva de los tubos, y converge a la salida del medidor. Estos tubos se hacen vibrar a su frecuencia natural por medio de un mecanismo magnético. Si en vez de hacerlos rotar continuamente los tubos vibran, la magnitud y dirección de la velocidad angular es alternada. Esto crea una fuerza Coriolis alterna. Si los tubos en forma de U son suficientemente elásticos, las fuerzas de Coriolis inducidas por la masa del fluido producen una pequeña deformación elástica. A partir de ella se mide y calcula el flujo de masa.

Por ejemplo, cuando el tubo se está moviendo hacia arriba durante la primera mitad de un ciclo, el líquido que fluye en el metro resiste el ser forzado para arriba empujando hacia abajo en el tubo.

En el lado opuesto, el líquido que fluye del metro resiste el tener de su movimiento vertical disminuido empujando hacia arriba en el tubo. Esta acción causa el tubo a la torcedura. Cuando el tubo se está moviendo hacia abajo durante la segunda mitad del ciclo de la vibración, tuerce en la dirección opuesta. Esta torcedura da lugar a una diferencia de fase (retraso de tiempo) entre el lado de la entrada y el lado de enchufe y esta diferencia de fase es afectada directamente por la masa que pasa a través del tubo. Finalmente, la vibración es introducida por las bobinas eléctricas y medida comúnmente por los sensores magnéticos.

Tipos de Sensores Coriolis

El teorema de Coriolis dice que la aceleración absoluta de un móvil es la resultante de la relativa, la de arrastre y la de Coriolis. Los medidores de caudal másico basados en este teorema son de dos tipos.

El primer tipo consta de un tubo en forma de U, el cual se hace vibrar perpendicularmente al sentido del desplazamiento del flujo. Esta vibración controlada crea una fuerza de aceleración en la tubería de entrada del fluido y una fuerza de deceleración en la de salida, con lo que se genera un par que provoca la torsión del tubo, que es proporcional a la masa instantánea del fluido circulante.

El segundo tipo está formado por dos tubos paralelos; estos se hacen vibrar de forma controlada a su frecuencia de resonancia. Con los sensores adecuados (generalmente ópticos) se detecta la fase de la vibración y con ella el caudal masa, ya que es proporcional. Cuando el caudal masa es cero, la diferencia de fase también es nula. La gran ventaja de los caudalímetros basados en la aceleración de coriolis es que son inmunes a prácticamente todo: presión (tanto nominal como posibles pulsaciones), temperatura (excepto variaciones bruscas), densidad, viscosidad, perfil del flujo, y flujos multifase (con sólidos en suspensión). Un posible problema es la vibración, que si no está controlada y no actúa en forma correcta sobre los elementos preparados para tal fin, se puede transmitir a los tubos y, consecuentemente, someterlos a un proceso de fatiga que conduciría a finalizar con un deterioro prematuro.

Construcción

En la siguiente figura se muestra la arquitectura de un sensor coriolis:

Conexión a Proceso:

Es utilizado para instalar el sensor en tuberías de proceso, esta disponible tipo bridada, roscada y conexiones sanitarias.

RTD:

Es un sensor tipo PT-100 de platino. Se encarga de sensar la temperatura de los tubos de flujo, lo cual corresponde a la temperatura del fluido.

Bobinas Detectoras:

Las bobinas detectarás (Pick-off Coils) y sus magnetos respectivos, están localizadas en cada lado de los tubos del sensor. Estos elementos producen una señal que representa la velocidad de oscilación del tubo de flujo. El flujo masico es determinado por la medición de la diferencia de tiempo entre las señales.

Distribuidor de flujo:

El distribuidor de flujo (Flor Splitter), se encuentra entre las conexiones a proceso y los tubos de flujo, se encarga de dividir el flujo del proceso permanente para distribuir la misma cantidad a los dos tubos de flujos.

Tubo de Flujo:

Los tubos de flujo son las partes húmedas y están construidas de Acero Inoxidable 316L o aleaciones de Níkel, dependiendo de la naturaleza del fluido de proceso. Sensores con materiales de construcción Tantalum y Tefzel también están disponibles para aplicaciones especiales.

Bobina Principal y Magneto (Drive Coil and Magnet):

La bobina principal es usada con un magneto, para producir la oscilación de los tubos de flujo a una frecuencia natural.

Sistema de Acondicionamiento

La Bobina Drive es energizada, la cual se encarga de mantener a los tubos vibrando a su frecuencia natural, luego esta es detectada por las bobinas Pick-off coil, las cuales producen una señal que representan la velocidad de oscilacion de los tubos de flujo. La siguiente figura representa el circuito de acondicionamiento de la señal:

Aplicación en la Industria Petrolera

Medición de Liquido

• La medición de liquido se realiza mediante un medidor de Flujo Másico Micro-Motion que tiene asociado un sensor Coriolis instalado en la salida de liquido del separador, el cual proporciona precisión en la medición en tiempo real, medición de la densidad y el cálculo de la gravedad especifica.
• La medición en tiempo real es llevada al sistema SCADA, el cual se encargará de acumular en el tiempo que sea necesario la producción de potencial, esta filosofía genera gran confiabilidad en la medición.

Medición de Gas

• La medición de gas es efectuada mediante un medidor de Flujo Masico Micro-Motion instalado en la salida de gas del depurador, el cual proporciona la cantidad de gas producido.

Aplicación Industrial del Sensor Coriolis

• Transferencia de custodia de Líquidos y Gases
• Fiscalización
• Balances de masa
• Mediciones de materias primas costosas
• Aplicaciones difíciles: fluidos sucios, corrosivos, con propiedades cambiantes, altamente viscosos

Problema Practico Industrial

Actualmente PDVSA utiliza el método de inyección de diluente para algunos pozos que se encuentran en el zona de morichal, ya que es considerada como una de las áreas más ricas del mundo en petróleo pesado, entre 9 y 13 grados API (AMERICAN PETROLEUN INSTITUITE) y extrapesados en 8 grados API, debido al grado de su viscosidad es extraído mediante un método tradicional y muy efectivo como lo es la inyección de diluentes. Este proceso es necesario para aumentar la gravedad API de este hidrocarburo y así darle mayor fluidez y facilitar el transporte por medio de tuberías hasta las estaciones de flujo, donde se cumple un proceso de cuatro fases principales que son calentamiento, separación, almacenamiento y bombeo a planta.

La inyección de diluente se realiza desde un múltiple, el cual cuenta con un sistema de control para ajustar el flujo de diluente inyectado a cada pozo asociado al múltiple, a través de válvulas de control de actuador neumático y posicionador inteligente, por lo tanto es necesario colocar un sensor coriolis para la realizar la medición de diluente inyectado a cada pozo.

La medición con el sensor coriolis en el sistema de inyección de diluente permitirá además de garantizar la dosificación correcta de diluente y evitar el consumo excesivo del mismo en el levantamiento y transporte del crudo extraído, lo cual, ayuda a prevenir los incidentes ocurridos en las tuberías de transportación. En la siguiente figura se muestra el diagrama de proceso para la inyeccion de diluente a pozos:

En la siguiente figura se muestra los sensores instalados en el multiple de inyección de diluente para realizar la medicion correspondiente a la dosificación de cada pozo: