Bancos de prueba de medidores de gas de múltiples posiciones: por qué el mismo medidor puede dar resultados diferentes

Los equipos de verificación de medidores de gas de múltiples posiciones permiten verificar simultáneamente varios medidores de gas conectados en serie, mejorando la eficiencia de las pruebas. Sin embargo, las diferencias dependientes de la posición pueden afectar la exactitud de los resultados de la verificación. Basándose en la experiencia práctica, los autores combinaron análisis teóricos y experimentos para investigar tres fuentes de diferencias dependientes de la posición: la pérdida de presión, las características de error del medidor y la distribución del campo de flujo. Los hallazgos identifican medidas que pueden reducir estas diferencias y mejorar la fiabilidad de la verificación de medidores de gas en serie.

Palabras clave: medidor de gas; equipo de verificación; dispersión de posición; precisión

El gas natural desempeña un papel importante en el sistema energético. A medida que se expandieron las ciudades y las redes de distribución de gas en China, aumentó la demanda de medidores de gas y la correspondiente carga de trabajo de verificación. La conexión de medidores en serie permite que un banco de múltiples posiciones pruebe varias unidades en una sola ejecución. Los autores observaron que un mismo medidor podía dar resultados de verificación diferentes en distintas posiciones del banco. Tales diferencias pueden afectar la forma en que se evalúa el desempeño metrológico de un medidor. El estudio investiga sus causas y posibles remedios para orientar el uso y el diseño de bancos de múltiples posiciones.

El banco de boquillas sónicas de seis posiciones utilizado en el estudio tenía un rango de caudal de 0,04–65 m³/h y una incertidumbre expandida relativa de Uᵣ = 0,36 % (k = 2). Constaba de un sistema de boquillas sónicas de referencia, instrumentos de temperatura y presión, tuberías y un sistema de accionamiento, posiciones de montaje y un sistema de muestreo, y un sistema de control por computadora. Cuando la relación entre la presión estática en la garganta de la boquilla y la presión de estancamiento aguas arriba alcanza su valor crítico, el flujo másico a través de la boquilla alcanza su máximo para las condiciones aguas arriba dadas. Reducir aún más la relación de contrapresión deja el flujo de la boquilla sin cambios. El sistema de muestreo registra los volúmenes acumulados por el medidor bajo prueba y por la boquilla de referencia. El error de indicación se obtiene comparando el volumen del medidor con el volumen de referencia corregido por temperatura y presión. Los medidores de prueba eran medidores de gas ultrasónicos G25 de clase 1,5 con un rango de caudal de 0,25–40 m³/h.

¿Puede un medidor de gas producir diferentes errores de indicación cuando se monta en diferentes posiciones en el mismo banco de verificación en serie? El estudio pregunta cómo la pérdida de presión, las características de error del medidor y la distribución del flujo de entrada contribuyen a la dispersión observada, y si un cambio en la tubería puede reducirla bajo las condiciones probadas.

Los autores combinaron un análisis de presión y caudal de entrada con dos comparaciones experimentales. Se utilizó un banco de boquillas sónicas de seis posiciones para comparar los errores de indicación entre posiciones para seis medidores de clase 1.5. Se empleó un banco separado de tres posiciones para comparar el mismo medidor ultrasónico a 40 m³/h antes y después de añadir una sección de tubería recta, manteniendo sin cambios las condiciones ambientales declaradas. Los tres mecanismos y los respectivos datos de prueba se presentan a continuación en el orden del artículo original.

La pérdida de presión es la caída de presión media entre la entrada y la salida de un medidor de gas a un caudal especificado. El artículo la relaciona con la fricción dentro del medidor, incluida la fricción asociada con sus conductos de flujo y componentes móviles. Los autores citan la normativa de Jiangsu entonces aplicable JJG (Su) 206–2018, que especificaba una pérdida de presión máxima de 300 Pa para medidores con 16 m³/h ≤ Qₘₐₓ ≤ 65 m³/h. Estiman que la diferencia de presión de entrada entre la primera y la sexta posición de un banco de seis posiciones puede superar los 1.000 Pa y afectar la comparación.

El análisis considera que las entradas del medidor están a la misma elevación y aproxima el aire como un gas ideal. El artículo aplica la siguiente relación de Bernoulli en las entradas:

p + ½ρv² + ρgh = C　(1)

p = presión de entrada (Pa); ρ = densidad del gas (kg/m³); v = velocidad (m/s); g = aceleración gravitacional (m/s²); h = elevación de entrada (m); C = constante.

v = √[2(C − p − ρgh)/ρ]　(2)

En el análisis de los autores, considerando C como constante, la Ecuación (2) asocia una presión de entrada p más baja con una velocidad de entrada v más alta. Para un área de sección transversal fija s, Q = v × s, por lo que los cambios en la velocidad modifican el caudal volumétrico local. Los autores sostienen que las pérdidas de presión en los medidores conectados en serie pueden, por lo tanto, alterar las condiciones de flujo en diferentes posiciones y afectar sus resultados de verificación. Proponen reducir la fricción dentro del medidor, mejorar la tubería entre posiciones y evaluar la pérdida de presión acumulada al establecer una diferencia de posición admisible y elegir el número de posiciones de prueba.

Los medidores pueden diferir en el error de indicación, la estabilidad y la repetibilidad debido a diferencias en la fabricación. Los autores identifican tales diferencias como un contribuyente importante a los resultados obtenidos en diferentes posiciones del banco. Definen la dispersión de posición Δ de la siguiente manera:

Δ = |Eₘₐₓ − Eₘᵢₙ|　(3)

Eₘₐₓ y Eₘᵢₙ son los errores de indicación más alto y más bajo medidos para el mismo medidor de prueba en las posiciones del banco.

Utilizando el criterio citado en el artículo, la dispersión de posición se limitó a una cuarta parte de la clase de exactitud numérica del medidor bajo prueba. Los autores probaron seis medidores de clase 1,5 en las mismas condiciones ambientales en el banco de seis posiciones, aplicando un umbral del 0,375 %. Los datos se reproducen en la Tabla 1.

Dos de los seis medidores superaron el umbral del 0,375 % utilizado en el estudio. Esto demuestra que la dispersión de posición medida puede diferir entre medidores probados en el mismo banco. Los autores recomiendan mejorar la estabilidad y la fiabilidad del medidor. Para evaluar la consistencia de posición en un patrón de medida, recomiendan seleccionar un medidor de prueba con características metrológicas estables.

Los codos son comunes en los bancos de prueba de medidores de gas y en las instalaciones de campo. El artículo explica que las diferencias de velocidad y de fuerza centrífuga a través de un codo pueden generar flujo secundario, aumentando la perturbación y reduciendo la uniformidad del perfil de velocidad. Esto puede influir en los resultados entre las posiciones del banco, particularmente para medidores sensibles a los perfiles de flujo de entrada, como los medidores de gas ultrasónicos y térmicos.

Para investigar el efecto de una sección de tubería recta añadida, los autores utilizaron un banco de boquillas sónicas de tres posiciones que incorporaba codos. Tenía un rango de caudal de 0,04–65 m³/h y una incertidumbre expandida relativa de Uᵣ = 0,34% (k = 2). Probaron el mismo medidor ultrasónico, número de serie 35180824128, a 40 m³/h con y sin la sección añadida mientras mantenían las condiciones ambientales sin cambios. El resultado del ensayo de estabilidad del medidor reportado fue de 0,23%. Véase la Tabla 3 original para las mediciones.

Después de añadir la sección recta, la dispersión de posición medida cayó del 0,70% al 0,28%. Los autores interpretan el resultado como evidencia de que la sección recta añadida mejoró la distribución del flujo y la consistencia de posición en su configuración. Sugieren longitudes rectas de 8D–15D, donde D es el diámetro interno de la tubería, y proponen guías de flujo donde el espacio disponible es limitado. También recomiendan reducir el número de codos en la tubería del banco.

Los resultados de seis posiciones muestran que la elección del medidor de prueba importa al evaluar la consistencia de la posición del banco. Dos medidores superaron el criterio del 0,375 % del estudio, mientras que los otros cuatro no. En el banco separado de tres posiciones, añadir una sección recta redujo la dispersión del 0,70 % al 0,28 % para el medidor probado, una reducción de 0,42 puntos porcentuales. En conjunto, los experimentos respaldan la verificación tanto de la estabilidad del medidor como de la disposición de la tubería de entrada al diagnosticar un resultado dependiente de la posición. La comparación de la sección recta abarca un medidor en un punto de caudal.

Basándose en la experiencia práctica de verificación, el análisis teórico y los experimentos, el artículo examina las causas de las diferencias dependientes de la posición y las posibles soluciones en términos de pérdida de presión, características de error del medidor y distribución del campo de flujo. Los autores pretenden que estos hallazgos ayuden a los laboratorios de verificación y a los fabricantes de medidores de gas a mejorar la precisión y la fiabilidad de las pruebas en múltiples posiciones.

Un estudio de seguimiento podría repetir la comparación de tramos rectos en varios puntos de flujo, tecnologías de medidores y configuraciones de entrada. Registrar la presión y la temperatura específicas de cada posición, las lecturas repetidas y la incertidumbre de medición ayudaría a separar el efecto de la tubería de la variabilidad del medidor y a establecer hasta qué punto la mejora observada se transfiere a otros bancos de pruebas.

Las ecuaciones (1)–(3) reproducen el análisis de la fuente. En un banco de pruebas real, las pérdidas entre posiciones deben tenerse en cuenta antes de usar la relación de Bernoulli para predecir una diferencia de velocidad. Los criterios históricos del estudio, las lecturas de muestra y las longitudes de tubería recta deben interpretarse dentro del contexto original de la prueba.

Xu Z., Zhao Z., Zhou Y. Análisis de causas y contramedidas para las diferencias de posición en equipos de verificación de medidores de gas de múltiples posiciones [título traducido]. 2022, 32(2), pp. 34–36. Registro DOI.

Foto de portada editorial: Betty Carrell, Departamento de Energía de EE. UU.. Trabajo del Gobierno de EE. UU. según el registro de origen. Recortada para el diseño de la portada con superposición de título. La fotografía ilustra el trabajo de ingeniería.