Medidor de gas

Este es el tipo más común de medidor de gas, presente en casi todas las instalaciones residenciales y comerciales pequeñas. Dentro del medidor hay dos o más cámaras formadas por diafragmas móviles . Con el flujo de gas dirigido por válvulas internas , las cámaras se llenan y expulsan gas alternativamente, produciendo un flujo casi continuo a través del medidor. A medida que los diafragmas se expanden y contraen, unas palancas conectadas a manivelas convierten el movimiento lineal de los diafragmas en el movimiento rotatorio de un eje que actúa como elemento principal de flujo . Este eje puede accionar un mecanismo contador tipo odómetro o generar impulsos eléctricos para un computador de flujo .

Los contadores de gas de diafragma son contadores de desplazamiento positivo .

Los medidores rotativos son instrumentos de alta precisión, capaces de manejar mayores volúmenes y presiones que los medidores de diafragma. Dentro del medidor, dos lóbulos en forma de "8", los rotores (también conocidos como impulsores o pistones), giran alineados con precisión. Con cada giro, mueven una cantidad específica de gas a través del medidor. El principio de funcionamiento es similar al de un soplador Roots . El movimiento rotatorio del cigüeñal actúa como elemento primario de flujo y puede generar impulsos eléctricos para una computadora de flujo o accionar un contador tipo odómetro .

Los medidores de gas de turbina infieren el volumen de gas determinando la velocidad a la que fluye a través del medidor. Dado que el volumen de gas se infiere del flujo, es importante que las condiciones de flujo sean óptimas. Una pequeña turbina interna mide la velocidad del gas, que se transmite mecánicamente a un contador mecánico o electrónico. Estos medidores no obstaculizan el flujo de gas, pero tienen limitaciones para medir caudales bajos.

Un medidor de gas de orificio consiste en un tramo recto de tubería dentro del cual una placa de orificio de diámetro conocido crea una caída de presión, afectando así el flujo. Los medidores de orificio son un tipo de medidor diferencial, los cuales infieren el caudal de gas midiendo la diferencia de presión a través de una perturbación de flujo diseñada e instalada específicamente. Para que el medidor mida con precisión el fluido, además de la presión diferencial, es necesario medir o conocer la presión estática, la densidad, la viscosidad y la temperatura del gas. Los medidores de orificio generalmente no manejan un amplio rango de caudales . Sin embargo, son aceptados y comprendidos en aplicaciones industriales debido a su fácil mantenimiento en campo y a que no tienen partes móviles.

Los caudalímetros ultrasónicos son más complejos que los medidores puramente mecánicos, ya que requieren una capacidad significativa de procesamiento de señales y cálculo. Los medidores ultrasónicos miden la velocidad del movimiento del gas midiendo la velocidad a la que el sonido viaja en el medio gaseoso dentro de la tubería. La Asociación Americana del Gas ^{[ 1 ]} abarca el uso e instalación adecuados de estos medidores y especifica un cálculo estandarizado de la velocidad del sonido que predice la velocidad del sonido en un gas con una presión, temperatura y composición conocidas .

Los caudalímetros ultrasónicos más sofisticados miden la velocidad media del sonido en múltiples trayectorias dentro de la tubería. La longitud de cada trayectoria se mide con precisión en fábrica. Cada trayectoria consta de un transductor ultrasónico en un extremo y un sensor en el otro. El medidor genera un pulso con el transductor y mide el tiempo transcurrido antes de que el sensor lo reciba. Algunas de estas trayectorias apuntan aguas arriba, de modo que la suma de los tiempos de vuelo de los pulsos sónicos se puede dividir entre la suma de sus longitudes de vuelo para obtener la velocidad media del sonido en esa dirección. Esta velocidad difiere de la velocidad del sonido en el gas en la velocidad a la que este se mueve dentro de la tubería. Las demás trayectorias pueden ser idénticas o similares, con la única diferencia de que los pulsos de sonido viajan aguas abajo. El medidor compara la diferencia entre las velocidades aguas arriba y aguas abajo para calcular la velocidad del flujo de gas.

Los medidores ultrasónicos son costosos y funcionan mejor sin la presencia de líquidos en el gas medido, por lo que se utilizan principalmente en aplicaciones de alto caudal y alta presión, como las estaciones de medición de gasoductos, donde el gas siempre es seco y pobre en combustible, y donde las pequeñas imprecisiones proporcionales son intolerables debido a la gran cantidad de dinero en juego. El rango de medición de un medidor ultrasónico es probablemente el mayor de todos los tipos de medidores de gas natural, y la precisión y el alcance de un medidor ultrasónico de alta calidad superan a los de los medidores de turbina con los que se comparan.

Existen variedades económicas de medidores ultrasónicos de caudalímetro de abrazadera, que permiten medir el caudal en tuberías de cualquier diámetro sin necesidad de modificaciones intrusivas. Estos dispositivos se basan en dos tecnologías: (1) tiempo de vuelo o tiempo de tránsito; y (2) correlación cruzada. Ambas tecnologías emplean transductores que se fijan a la tubería y se programan con el diámetro y la especificaciones de la misma, lo que permite calcular el caudal. Estos medidores pueden utilizarse para medir prácticamente cualquier gas seco, incluyendo gas natural, nitrógeno, aire comprimido y vapor. También existen medidores de abrazadera para la medición de caudal de líquidos.

Un medidor Coriolis suele consistir en una o más tuberías con secciones desplazadas longitudinal o axialmente que vibran a una frecuencia de resonancia. Los medidores Coriolis se utilizan con líquidos y gases. Cuando el fluido dentro de la sección desplazada está en reposo, tanto la porción aguas arriba como la aguas abajo vibran en fase. La frecuencia de esta vibración está determinada por la densidad total de la tubería (incluido su contenido). Esto permite al medidor medir la densidad del gas en tiempo real. Sin embargo, una vez que el fluido comienza a fluir, entra en juego la fuerza de Coriolis . Este efecto implica una relación entre la diferencia de fase en la vibración de las secciones aguas arriba y aguas abajo y el caudal másico del fluido contenido en la tubería.

Debido a la complejidad de la inferencia, el control analógico y los cálculos inherentes a un medidor Coriolis, este no se compone únicamente de sus elementos físicos. Para su correcto funcionamiento, el medidor requiere de actuadores, sensores, componentes electrónicos y sistemas de cálculo.

Los medidores Coriolis pueden manejar una amplia gama de caudales y tienen la capacidad única de proporcionar flujo másico, lo que ofrece la mayor precisión de medición de flujo disponible actualmente. Dado que miden la densidad del flujo, los medidores Coriolis también pueden inferir el caudal de gas en condiciones de flujo.

El informe n.º 11 de la Asociación Americana del Gas proporciona directrices para obtener buenos resultados al medir el gas natural con un medidor Coriolis.

Los caudalímetros térmicos de masa representan una innovación fundamental en la tecnología de medición de gas, aprovechando los principios de transferencia de calor para medir con precisión los caudales de gas. Estos sensores funcionan introduciendo una pequeña cantidad de calor en la corriente de gas y midiendo el cambio de temperatura aguas abajo. La tasa de disipación de calor se correlaciona directamente con el caudal másico del gas, lo que proporciona mediciones precisas incluso a caudales bajos. ^{[ 2 ]}

Los sensores de flujo térmico son particularmente ventajosos para los contadores de gas debido a sus:

• Alta precisión: Adecuado para aplicaciones que requieren facturación precisa o monitorización del flujo de gases industriales.
• Amplio rango de caudal: capaz de medir caudales bajos y altos sin sacrificar el rendimiento.
• Diseño compacto: Ideal para su integración en contadores de gas inteligentes modernos que ahorran espacio.

Mantenimiento mínimo: La ausencia de piezas móviles reduce el desgaste, lo que garantiza una fiabilidad a largo plazo.

Estos sensores suelen combinarse con sistemas de compensación de temperatura y presión para tener en cuenta las variaciones en las propiedades del gas, lo que garantiza una medición precisa en diversas condiciones ambientales. Los sensores térmicos también son fundamentales para los contadores inteligentes avanzados, ya que permiten la transmisión de datos en tiempo real y el análisis para las empresas de servicios públicos y los usuarios finales.

Las innovaciones recientes en la tecnología de sensores térmicos incluyen sensores basados ​​en sistemas microelectromecánicos ( MEMS ), que ofrecen una mayor miniaturización, una sensibilidad mejorada y un menor consumo de energía, lo que los hace ideales para sistemas de medición de gas habilitados para IoT.

Las tecnologías de radiofrecuencia (RF) constituyen la base de los sistemas de medición inteligentes, ya que permiten la comunicación inalámbrica entre los contadores y las redes de servicios públicos. Varias tecnologías y protocolos de RF se utilizan ampliamente en los contadores de gas inteligentes:

• Wireless M-Bus (WMBus): WMBus, compliant with the European EN 13757 standard, is widely adopted across Europe for water, gas, and electricity metering. It offers secure, reliable, and energy-efficient communication tailored for utility applications.
• Wize technology: A protocol based on the 169 MHz frequency band, WIZE is designed for long-range, low-power communication. It is commonly used in Europe for water and gas metering due to its excellent signal penetration and scalability.
• LoRaWAN: LoRaWAN is valued for its long-range and low-power capabilities, making it suitable for large-scale deployments in both rural and urban settings. It is widely used in industrial and municipal applications.
• Zigbee: Known for its ability to create mesh networks, Zigbee is often used in urban environments where dense connectivity is required. It is energy-efficient and supports secure communication.
• NB-IoT and Cat-M: Narrowband Internet of Things (NB-IoT) and LTE Cat-M are cellular-based technologies that enable direct communication with cellular networks. These protocols are particularly suitable for large-scale deployments in areas with existing cellular infrastructure, offering extended battery life and robust coverage.

Application-layer protocols operating above RF communication technologies to standardize data exchange, ensure interoperability, and enhance device functionality. These protocols enable seamless integration of meters into broader utility and Internet of Things (IoT) ecosystems.

DLMS/COSEM (Device Language Message Specification/Companion Specification for Energy Metering) is one of the most widely adopted protocols in smart metering. It provides a flexible and standardized framework for data exchange between metering devices and utility systems. The protocol supports various communication technologies, including RF, wired, and cellular networks, and facilitates secure data transfer, structured data management, and remote monitoring.

Other application-layer protocols, such as MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) and CoAP (Constrained Application Protocol), are also utilized in smart metering systems, particularly in IoT-centric deployments. These protocols focus on low-bandwidth, high-efficiency communication, ensuring reliable data exchange in diverse environments.^[7][8]

The adoption of these RF technologies and protocols enables seamless integration of smart water meters into utility systems, offering several advantages:

• Improved Efficiency: Automated data collection reduces manual labor and errors.
• Dynamic Billing: Enables more accurate and flexible billing based on real-time usage.

Los contadores de gas residenciales, comerciales e industriales tienen sus propios tamaños de rosca estándar. El contador de gas se conecta a la tubería del cliente mediante una tuerca giratoria, que tiene un conjunto específico de tamaños de rosca. ^{[ 9 ]} Las roscas son estructuras helicoidales que se utilizan en tornillos, pernos, tuberías y otros elementos de fijación para facilitar la unión de componentes. Su diseño y estandarización varían según su aplicación prevista, el material y la región.

Sistemas de roscas estandarizados Varias organizaciones y sistemas han establecido estándares para las roscas con el fin de garantizar la intercambiabilidad y la fiabilidad:

• Rosca métrica ISO (M)
  • El estándar de rosca más utilizado a nivel internacional.
  • Especificado por la Organización Internacional de Normalización (ISO). ^{[ 10 ]}
  • Las roscas se definen por su diámetro nominal y paso (distancia entre roscas) en milímetros. Por ejemplo, una rosca M10x1.5 tiene un diámetro nominal de 10  mm y un paso de 1,5  mm.
• Estándar de rosca unificada (UTS)
  • Se utiliza principalmente en Estados Unidos y Canadá.
  • Incluye roscas Unified Coarse (UNC), Unified Fine (UNF) y Unified Extra Fine (UNEF). ^{[ 11 ]}
  • Los tamaños de rosca se indican mediante un número o un diámetro fraccional (por ejemplo, 1/4-20 UNC, donde "1/4" es el diámetro en pulgadas y "20" indica 20 hilos por pulgada).
• Norma británica Whitworth (BSW)
  • Uno de los estándares de rosca más antiguos, utilizado principalmente en el Reino Unido y los antiguos territorios británicos. ^{[ 12 ]}
  • Definido por el perfil Whitworth, que tiene un ángulo de rosca de 55°.
  • Los tamaños se especifican mediante el diámetro nominal en pulgadas y el número de hilos por pulgada (TPI).
• Rosca de tubería nacional (NPT)
  • Norma estadounidense para roscas cónicas que se utilizan habitualmente en sistemas de tuberías para crear un sello hermético.
  • Las roscas se especifican por el tamaño nominal de la tubería (NPS) y el TPI (torres por pulgada).
• Roscas trapezoidales y Acme
  • Se utiliza en aplicaciones que requieren alta resistencia y capacidad de carga, como por ejemplo en husillos de bolas.
  • Las roscas trapezoidales son comunes en Europa, mientras que las roscas Acme son más frecuentes en Estados Unidos.

Los estándares de rosca pueden variar entre regiones e industrias, lo que a menudo requiere adaptadores o tablas de conversión para garantizar la compatibilidad. Por ejemplo:

• En Europa y Asia predominan las roscas métricas, mientras que en Norteamérica son más comunes las roscas UTS basadas en pulgadas.
• La adaptación de roscas entre diferentes sistemas puede implicar concesiones en cuanto a resistencia y ajuste.