medidores masicos
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Operación, calibración y diagnóstico de Medidores Másicos
GRL-03
Objetivo
Esta presentación trata los principios básicos de funcionamiento de los
medidores másicos, ampliamente usados en el campo para la medición
de parámetros como flujo y corte de agua de los pozos.
Con base en esto, el estudiante debe responder un examen teórico.
Introducción
Los medidores másicos son instrumentos de alta precisión que miden
ciertas propiedades de los fluidos como caudal, flujo de masa, densidad,
temperatura, corte de agua (para el petróleo), entre otros. Son muy
usados en la industria petroquímica y en las relacionadas con alimentos
y bebidas.
Su funcionamiento se basa en aprovechar una aceleración de los
cuerpos en movimiento llamada coriolis; por eso también se les conoce
como CFM (Medidores de flujo de coriolis).
El principal fabricante de estos aparatos en el mundo es Micro Motion®
nombre por el cual también se le conoce a los medidores másicos
dentro del campo de Caño Limón.
Micro Motion, Sensor D, RFT 9712, NOC y ALTUS son marcas registradas de Emerson Co.
Contenido
¿Qué es un medidor másico?Descripción
SensorPartes • funcionamiento • medición de masa • medición de densidad • medición de volumen
Transmisor¿Para que sirve el transmisor? • partes • señales de salida • aprobaciones internacionales • cable del transmisor • programación
Periférico¿Qué es un periférico? • NOC • señales de salida del NOC • ALTUS 3700
Diagnóstico y CalibraciónDiagnóstico • calibración por temperatura • calibración por densidad • calibración por flujo.
¿Que es un medidor másico?
Descripción
Un medidor másico es un conjunto de elementos que sirven para medir propiedades de un fluido (en nuestro caso crudo). Los medidores másicos, cuando están correctamente calibrados arrojan datos con una gran precisión.
Los medidores Micro Motion se componen de:
•Un sensorEs el instrumento que toma los datos
•Un transmisorEs el “cerebro” o parte que procesa los datos
•Un periféricoFinalmente, un periférico muestra los datos al usuario o los envía a una sala de control.
Sensor
Al entrar al medidor, el fluido es desviado hacia los tubos de flujo (flow tubes) que son elaborados en Acero Inoxidable 316 o en aleación de níquel, dependiendo de la naturaleza corrosiva del fluido.
Tubos de Flujo
La bobina conductora (drive coil) junto con un electroimán (magnet) son los encargados de hacer vibrar los tubos de flujo. Esto ocurre cuando son energizados.
Bobina conductora
Los detectores electromagnéticos que se componen cada uno de una bobina (pickoff coil) y un imán, están localizados a lado y lado del medidor. Ellos emiten una señal de acuerdo a la posición de los tubos, cuando estos vibran.
Detector Electromagnético
La RTD (Resistal Termal Detector) o termoresistencia es una lámina de platino (resistencia eléctrica de 0 a 100 que emite una señal eléctrica proporcional a la temperatura.
RTD
Entre las bridas del medidor y los tubos de flujo hay una sección llamada el múltiple divisor de flujo (flow splitter manifold), que se encarga de distribuir equitativamente el flujo entre los dos tubos.
Múltiple
El cableado de los detectores electromagnéticos (pickoff coils), la bobina conductora (drive coil) y la termoresistencia (RTD) es dirigido hacia la caja de conexiones, que es resistente a las condiciones ambientales.
Caja de conexiones
Partes
En Caño Limón, los sensores usados en los medidores másicos son los Micro Motion Tipo D. Sus partes principales son:
En Caño Limón, se usan sensores Tipo D de dos clases:
Sensor DSUsado para bajas tasas de flujo. Debido a que el grosor de los tubos es menor, este sensor es menos resistente al desgaste por abrasión.
Sensor DHEl grosor del tubo es mayor, por lo tanto se emplea en pozos con altos caudales. Es más resistente a la abrasión.
Funcionamiento
Aquí se muestra cómo el medidor másico emite las señales que se interpretan como flujo de masa.
Durante la operación, la bobina conductora o drive coil (que no se muestra en la figura) es energizada. Esto causa que los tubos oscilen hacia arriba y abajo de manera contraria.
Los dos pickoff coils (detectores electromag-néticos) ubicados al lado izquierdo (LPO) y derecho (RPO) del medidor, emiten un voltaje inducido al cambiar el campo magnético sobre cada bobina.
Los imanes están montados sobre un mismo tubo, mientras que las bobinas están acopladas con el otro tubo.
El movimiento de los tubos es exagerado para efectos de ilustración.
Funcionamiento
Mientras un tubo va hacia arriba el otro lo hace hacia abajo.
En este caso no hay flujo por el medidor porque los dos pickoffs (LPO y RPO) están en fase (se desplazan de manera simétrica).
Movimiento de los tubos SIN FLUJO
Medición de Masa
Ahora compliquemos un poco el asunto. Cuando un fluido pasa a través del medidor, es forzado a tomar el momento vertical que tiene el tubo debido a la
vibración de éste.
Movimiento CON FLUJO
Cuando el fluido atraviesa los tubos, la señal de los pickoffs queda desfasada. La razón es que los lados del tubo ya no se mueven al tiempo.
El desfase de tiempo T (delta te) entre los pickoffs es un lapso de tiempo de millonésimas de segundo s (microsegundos).
En el instante en que el tubo esta subiendo, el fluido se resiste a ser levantado ejerciendo una fuerza hacia abajo.Como el fluido avanza conservando este momento, cuando el tubo este descendiendo lo harán juntos haciendo que el tubo se doble.
A esto se le llama el efecto CORIOLIS, que es proporcional al flujo de masa.
Calibración (medición de masa)
El factor de calibración consiste en un número de 8 cifras con dos puntos decimales, por ejemplo 2.90985.13
2.90985.13
Factor de calibración Coeficiente de TemperaturaLa primera parte del número se refiere al factor de calibración (2.9098). Este número, multiplicado por el T da el flujo de masa en gramos por segundo.
Ejemplo para un T = 5s y Factor = 2.9098
seggramos
549.149098.25
La otra parte del número (5.13) es un coeficiente de temperatura para el material del tubo del sensor. Este número es el porcentaje del cambio en la rigidez del tubo por cada 100ºC de temperatura.
Ejemplo: El valor de 5.13 indica que el tubo pierde 5.13% de rigidez por cada 100ºC de temperatura.
Medición de Densidad
El número de oscilaciones en un segundo es llamado frecuencia. En los medidores masicos la densidad del fluido es inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia.
Alta densidadBaja Frecuencia
Baja densidadAlta Frecuencia
2Frecuencia1
Densidad
La señal es tomada del pickoff izquierdo (LPO).
Una frecuencia mayor implica una menor densidad.
Para medir la frecuencia, el medidor registra el periodo que es el tiempo entre pico y pico de la señal (en seg).
Periodo1
Frecuencia
Calibración (medición de densidad)
Los medidores masicos son calibrados con la densidad del aire y del agua. Los periodos de tiempo (en microsegundos) de estas sustancias se registran como K1 y K2.El factor de calibración de densidad (Dc) es un número de 13 cifras con un punto decimal.
Periodo2 contra Densidad
El coeficiente de temperatura compensa la elongación de los tubos expresado en porcentaje por cada 100ºC.
Con los dos puntos K1 y K2 se traza una recta para determinar las densidades con cualquier otro valor del periodo en la señal.
10484109964.39
Periodo del Aire (K1)Periodo del Agua (K2)Coeficiente de Temperatura
agua22
22Fluido
aireaguaFluido )1K2K()1KK(
Donde es densidad y K el periodo.
Medición de Volumen
Con los valores de flujo de masa y densidad, el medidor másico puede deducir también el volumen por unidad de tiempo o caudal.
Volumen actual:El volumen medido en las condiciones actuales de temperatura y presión. Se usa generalmente para cerciorarse que los tanques a presión no queden sobrellenados.
Volumen estándar:El volumen se referencia a las condiciones estándar de temperatura y presión (60ºF y 14,7 psi). Es muy usado para gases.
DensidadMasa
Volumen
Calibración (medición de volumen)
Volumen a condiciones estándarComo la densidad es constante a la misma temperatura y presión sin importar el caudal, el volumen es directamente proporcional al flujo de masa.
psi7.14@Fº60
mV
Volumen actualLos líquidos son sensiblemente afectados por los cambios de temperatura. Cuando cambia la temperatura la medición del volumen es afectada.
Variación de la densidad con la temp.
Fotos
Sensor en el pozo MN21
Caja de conexiones y cable
Practica 1Las partes esenciales de un medidor másicos son:
Sensor, transmisor y periféricoSensor, cable y periféricoSensor y periféricoTransmisor y periférico
La parte del sensor que hace oscilar los tubos es:Pickoff coil (detector electromagnético)Drive coil (bobina conductora)RTD (termoresistencia)Caja de conexiones
La densidad es directamente proporcional al cuadrado de la frecuencia.FalsoVerdadero
Cuando los dos “pickoff coils” están en fase, no hay flujo a través del medidor.
FalsoVerdadero
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Transmisor
¿Para que sirve el transmisor?
El transmisor funciona junto con el sensor y los periféricos para completar la medición de flujo de masa y la densidad. Se puede considerar al transmisor como el cerebro de todo el sistema.
El transmisor envía una señal pulsada a la bobina e imán conductor (drive coil and magnet) que hace vibrar los tubos.
El transmisor procesa la señal que viene de los detectores electromagnéticos (pickoff coils), hace los cálculos y envía la señal a los perifericos conectados.
Tambien permite que la salida de los datos vaya a una sala de control o un Hand held.
Partes
Los transmisores usados en Caño Limón son los Micro Motion RFT 9712 y funcionan únicamente con los sensores tipo D.
El transmisor tiene 3 tarjetas:
Y conectores para:
El cableado del sensor (caja de conex.)
Señales de salida
Suministro de energía eléctrica
Tarjeta del ProcesadorControla los datos de entrada y salida
Tarjeta conductora (drive board)Procesa la señal para el drive coil
Tarjeta de Poder (Power Board)Suministra las tensiones requerida por cada circuito.
Corte de un Transmisor RFT 9712
Señales de salida
El transmisor RFT 9712 tiene cuatro posibles señales de salida:
Corriente en miliamperios (mA)Una corriente de 4 a 20mA puede ser interpretada como flujo de masa o caudal o como temperatura o densidad.
Voltaje de ControlUn voltaje entre 0 y 15VDC puede ser usado para indicar la dirección del flujo.
FrecuenciaUn pulso entre 0 y 10.000Hz puede ser configurado para representar flujo de masa o caudal.
Salida digitalPor medio de diferentes protocolos de comunicaciones (RS-485, Bell 202) el transmisor permite la conexión con un computador, un hand held o una sala de control.
Recuerde que el transmisor no tiene pantalla o interfaz alguna para mostrar los datos directamente al usuario. Para eso se requiere un periférico.
Aprobaciones Internacionales
Las aprobaciones internacionales (international approvals) son certificados de seguridad que expiden ciertas organizaciones para advertir de los tipos de peligros que pueden tener materiales, aparatos eléctricos, construcciones y sistemas.En Europa la entidad encargada de las aprobaciones es CENELEC (Comité europeo para la estandarización electrotécnica), para Estados Unidos es la UL (Underwriter Laboratories) mientras que Canada usa la CSA.Aquí se tratará únicamente las designaciones de la UL.
Las áreas clasificadas están de acuerdo a la presencia de una atmósfera explosiva (atmósfera peligrosa).
Clase I, División 1Mezclas de líquidos o gases inflamables pueden presentarse en cualquier momento.
Clase I, División 2Las mezclas inflamables pueden presentarse de forma ocasional.
Area SeguraLos líquidos o gases presentes nunca están presentes.
El Logo UL es marca registrada de Underwriters Laboratories Inc.
Cable del transmisor
La comunicación entre el sensor y el transmisor se hace mediante un cable. El transmisor está diseñado para enviar señales por cable sin crear interferencias de radio frecuencia.
El cable del medidor másico en realidad son 9 cables independientes, protegidos por un revestimiento plástico en PVC o FEP. También existe con revestimiento en plata.
Los cables que van dentro del revestimiento son:
•Un par de cables para cada pickoff coil (calibre 22).
•Un par de cables para el drive coil (calibre 18).
•Tres cables para la termoresistencia (calibre 22).
Programación del transmisor
Para visualizar los datos en el campo y configurar el transmisor se usan 3 diferentes dispositivos, pero sólo veremos los dos más usados:
Hand Held HART HC-275Envía y recibe datos del transmisor sin interrumpir su funcionamiento. Permite al usuario hacer diagnósticos, efectuar configuraciones e indagar variables durante el funcionamiento del sensor. Usa la conexión digital Bell 202.
ProLinkLa interfaz para computador y el software ProLink permiten monitorear y configurar el transmisor de una manera más amigable que con el HART. Usan las conexiones Bell 202 y RS-485.
Fotos
Interior del Transmisor RFT 9712
Transmisor RFT 9712
Practica 2¿Cual NO es un tipo de salida del transmisor RFT 9712?
Corriente en miliamperios (de 4 a 20mA)Voltaje de control (de 0 a 15VDC)Pantalla para mostrar los valores al usuarioSalida digital (Puerto RS-485 o Bell 202)
La tarjeta del transmisor que envía la señal a la bobina conductora (drive coil) es:
Tarjeta de poderTarjeta conductoraTarjeta del procesadorNinguna. La bobina conductora no recibe señal de ninguna tarjeta.
El cable del sensor al transmisor tiene 8 cables independientes en su interior.FalsoVerdadero
Para configurar o ver los parámetros de un transmisor, sólo se puede usar el Handheld Hart HC-275.
FalsoVerdadero
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Periféricos
¿Qué es un periférico?
El transmisor (RFT 9712) procesa las señales que llegan del sensor y emite otras señales de salida. Por sí solos, estos instrumentos no son capaces de mostrar al usuario los valores de caudal, flujo de masa, densidad o temperatura. Para eso están los periféricos.
Las funciones del periférico son:
•Mostrar las variables del transmisor como flujo de masa, temperatura y densidad.
•Computar variables adicionales como Barriles por día, Corte de Agua, etc.
•Enviar señales de alarma a otros dispositivos, por ejemplo un relé.
El periférico que se usa en los medidores másicos en Caño Limón es el NOC (Net Oil Computer). Tenga en cuenta que el NOC es tan sólo un periférico y no todo el sistema del medidor.
NOC
La medida del aceite neto y el agua de producción que viene de un pozo es fundamental para el monitoreo de la producción y del yacimiento.
El NOC recibe las señales del transmisor sobre la temperatura, flujo de masa y densidad del fluido que pasa por el sensor.
Haciendo unos cálculos, el NOC muestra en pantalla el corte de agua, flujo de crudo neto y de agua´.
Entre las características técnicas del NOC están:
•Medición total de crudo con corrección por temperatura (Barriles STB).
•Corte de agua lineal entre 0 y 100%
•Cubierta tipo NEMA 4 resistente a la lluvia y a explosiones.
Señales de salida del NOC
El NOC tiene tres tipos de señales de salida:
Volumen de Crudo y AguaEl NOC emite un pulso por cada 0.1 barriles que contabiliza, tanto para el agua como para el crudo de manera independiente. Estas señales son enviadas a la RTU (remote terminal unit).
Puerto RS-232CA este puerto serial se puede acoplar una impresora.
Corriente en miliamperios (mA)Una corriente de 4 a 20mA representa del 0 al 100% de corte de agua.
Fotos NOC
NOC
NOC
ALTUS 3700
Este nuevo instrumento combina el transmisor y el periférico todo en un mismo aparato. Aparte de esto, el ALTUS tiene funciones adicionales y mas entradas y salidas que cualquier periférico.
Señales de entrada:
Cable de 9 hilos, al sensor.Dos entradas discretas, que sirven para reinicializar un conteo, iniciarlo, pararlo, etc
Señales de salida:
Tres salidas discretas, para iniciar por ejemplo bombas o válvulas.Dos salidas de corriente en miliamperios (de 4 a 20mA).Un salida digital por puerto RS-485.Salida de frecuencia.
Al igual que los transmisores, se programan por medio de Hand Held (HART).
Practica 3
Una de las funciones del periférico es mostrar al usuario variables del proceso como densidad, flujo y temperatura.
FalsoVerdadero
Una de las diferencias principales entre el ALTUS 3700 y el NOC es:El ALTUS soporta mas caudal que el NOCEl NOC se puede usar en la intemperie.El NOC tiene señales de salida, el ALTUS no.EL ALTUS es un periférico y transmisor, todo en un mismo aparato.
El NOC es capaz de medir el crudo total con corrección por temperatura (STB).
FalsoVerdadero
Una de las características del NOC es que puede medir el corte de agua.FalsoVerdadero
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Diagnóstico y Calibración
Diagnóstico
Para verificar si el medidor másico está en correcto funcionamiento, se debe tomar una muestra del BSW en la cabeza del pozo y analizarla en el laboratorio.
Si el BSW del laboratorio es diferente al reportado en el NOC en menos del 2%, el equipo no requiere calibración.
Si el BSW del laboratorio difiere en más del 2%, tome 5 muestras de BSW en la cabeza del pozo a intervalos de 3 minutos cada una. Si dos o más muestras siguen difiriendo en más del 2%, proceda a:
•Revisar todo el equipo: cables, tierras, conexiones, tarjetas de la RFT o el NOC. Si es necesario, se debe calibrar por temperatura.
•Revisar la configuración de la RFT y NOC de parámetros tales como: factor de densidad, factor de flujo, unidades de trabajo, densidades de los fluidos que se están midiendo y los de calibración del sensor así como los periodos de
vibración.
Diagnóstico
•Revisar el funcionamiento de las bobinas del sensor (pickoff coil), las conexiones de las borneras y la integridad del cable que va del sensor al NOC.
•Si la diferencia persiste, proceda a calibrar el sensor por densidad y flujo.
•Además de estas diferencias en corte de agua, se tienen como prioridad para calibración en banco de la nave de bombas aquellos sensores que lleven mas de un año en servicio y con altos porcentajes de desgaste.
•Por ultimo, si no se ha logrado obtener igualdad en los valores se debe llevar a cabo un ajuste fino de los parámetros de la RFT y NOC.
Banco de calibración, Nave de bombas en PF1
Tipos de Calibración
Para ajustar los medidores másicos, se hacen tres tipos de calibración:
•Calibración por Temperatura
•Calibración por Densidad
•Calibración por Flujo (Volumen)
Calibración por temperatura
En este procedimiento se determinan las causas que ocasionan diferencia entre la temperatura leída en el NOC y la de la RFT y se hacen las correcciones respectivas.
La calibración por temperatura debe ser previa a la calibración por densidad debido a la influencia de la temperatura en el valor de densidad. Cuando la temperatura del NOC esta descalibrada, la corrección de densidades y volúmenes es incorrecta reportando de esta manera valores no confiables que influyen directamente en el Factor de Campo ("Lease Factor").
La variación del BSW es de 0.29% por cada °F de descalibración
Calibración por densidad
Obtener los nuevos valores de las constantes K1 y K2 que permiten compensar el error cometido en la medición del corte de agua por el desgaste de los tubos "U" de los sensores.
Algunos medidores másicos están sometidos a altas velocidades de flujo con concentraciones de arena. Esta mezcla erosiva ocasiona desgaste de los tubos de los sensores, por lo cual el valor obtenido por el NOC de la densidad del fluido del pozo es menor que el real y por consiguiente el corte de agua calculado
también es menor.
Calibración por flujo
Obtener un nuevo factor de flujo que permita compensar el error cometido en la medición de flujo másico debido al desgaste de los tubos. Este desgaste es, a su vez, interpretado por la RFT como mayor flujo másico.
Para hacer la compensación se debe recalibrar por flujo el medidor másico, corrigiendo así el error en la medición debido al desgaste del sensor.
Es importante notar que la calibración se debe hacer en el Banco de Pruebas puesto que se requiere hacer el montaje colocando dos sensores en serie (el
sensor del pozo y el sensor patrón).
Practica 4Los medidores que tienen prioridad para ser calibrados en la nave de bombas, son:
Los que tienen más de 2% en el BSW respecto a la muestra del laboratorio.
Los que requieran calibración por temperatura.Los que llevan más de un año en servicio o tienen un alto grado de
desgaste.Los de los pozos con menor BSW.
En la calibración por densidad hay que obtener nuevamente el valor de:Factor de temperaturaK1 y K2Factor de flujoFactor de Campo (“Lease Factor”).
Si el BSW de un pozo medido en el laboratorio varía menos de un 4% respecto al que indica el NOC, no es necesario efectuar una calibración.
FalsoVerdadero
La variación en el BSW es de 0.29% por cada ºF de descalibración en el medidor.
FalsoVerdadero
Haga click en la opción y verifique con el sonido
Haga click aquí para salir de la práctica
FIN