Instrumentos De Medicion (mecanica De Fluidos)

Introducción

Existe una amplísima variedad de dispositivos que permiten medir parámetros cinéticos en fluidos. Los hay que miden exclusivamente velocidad ( Sondas de Velocidad ), Caudal volumétrico o Caudal másico. Dentro de cada una de estas clase, existen otras que se clasifican según su método de funcionamiento.

Es difícil dar una regla general que nos permita determinar cual será la más conveniente en nuestro proceso. Depende de que queremos medir, velocidad, caudal volumétrico ( m3/s) o másico ( kg/s ), del tipo y geometría de la tubería, de la naturaleza del fluido a medir ( gas, líquido, o mezcla de los dos, limpio o sucio, sin o con partículas disueltas, conductividad, etc ) , de la precisión que se desee alcanzar, y sobre todo, de la economía. Por regla general, los aparatos de medida son bastante caros si se desea cierta precisión.

En primer lugar vamos a estudiar las sondas de velocidad, las cuales miden exclusivamente velocidad en un punto, desde los sencillos tubos de Pitot hasta los sofisticados sistemas de anemometría de hilo caliente o láser por efecto Doppler. A continuación se detallarán los medidores de caudal más comunes en la industria como son los tubos venturi, los diafragmas o las toberas, así como los caudalímetros de área variable.Seguidamente se introducirán otros sistemas de medida del caudal tanto volumétricos como másicos más sofisticados y precisos, analizando su principio de funcionamiento y las principales características.

Velocidad teórica, velocidad real

El orificio de aforo se utiliza para medir el gasto que sale de un recipiente. El orifcio puede hacerse en la pared o en el fondo. Es una abertura generalmente redonda a través de la cual fluye el líquido.

El gasto se mide en función de la carga (H) que hay desde el centro del orificio hasta la superficie libre, se supone que esta altura debe permanecer constante. Aplicando la ecuación de Bernoulli desde el punto 1 en la superficie libre, hasta el punto 2, inmediatamente a la salida del chorro a través del orificio tomando como referencia el punto 2 y despreciando las pedidas.

Por lo tanto V2=(2gH)^(1/2)

Esta es la velocidad teórica ya que las pérdidas se han despreciado. La relación entre la velocidad real (Vr) y la velocidad teórica (Vt) es determinada coeficiente de velocidad (Cv), que es:

Cv=Vr/Vt

La velocidad real en la práctica se ca a determinar midiendo, con cada una de la agujas que tiene el tablero, la trayectoria horizontal y vertical del chorro.

Diafragmas, boquillas y venturímetros

Los diafragmas, boquillas y venturímetros disminuyen la sección de paso de la corriente, aumentando momentáneamente la velocidad del fluido; el aumento de energía cinética de éste se compensa por una disminución de su presión estática, que es fácilmente medible. Los tres dispositivos indicados se diferencian por el modo de conseguir el estrechamiento de la sección de la corriente.

se esquematiza un diafragma, consistente en una placa metálica con un orificio circular, generalmente en su centro, que bloquea parcialmente la conducción por donde circula el fluido. Dependiendo del espesor de la placa, que a su vez dependerá de la diferencia de presiones que se establezca a su través, el orificio podrá ser de cantos vivos (cilíndrico, troncocónico o cilíndrico-troncocónico) o de cantos redondeados), siendo los últimos más difíciles de construir y menos frecuentes. La pérdida de presión a través del diafragma se mide mediante un manómetro diferencial conectado a puntos situados antes y después del mismo. La construcción de los diafragmas se realiza de acuerdo a reglas estandarizadas, reflejadas en normas (como las alemanas DIN o americanas ASTM), con objeto de que los resultados obtenidos entre los distintos diafragmas sean comparables.

El venturímetro se diferencia de los diafragmas y boquillas en que la sección transversal de la conducción se reduce gradualmente hasta una mínima denominada garganta para luego ir aumentando de nuevo más paulatinamente hasta recuperar la sección original de la conducción. El diámetro de la garganta suele variar entre 1/2 y 1/4 del de la conducción no excediendo la longitud de la misma a su diámetro. El cono anterior a la garganta no debe rebasar los 25° y el posterior los 7°, a fin de impedir separaciones de la capa límite. Por este mismo motivo, también habrán de evitarse posibles rebabas interiores en las soldaduras de los conos con la garganta. La toma de presión anterior suele situarse entre 1/4 y 1/2 del diámetro de la conducción, antes del cono de entrada y la toma posterior en la misma garganta.

Las tomas de presión estática de diafragmas, boquillas y venturímetros puede hacerse mediante los denominados anillos piezométricos, consistentes en anillos conectados simultáneamente con diversas tomas de presión situadas simétricamente en la periferia de la conducción, en la sección de que se trate, y que permite la medida de una presión estática promedia en la misma.

Tubo de Pitot

Se trata de un dispositivo sumamente simple para medir la presión cinética. Consta, básicamente de dos sondas de presión, una toma cuya superficie se coloca perpendicular a la dirección de la corriente (justo en el punto donde se desea conocer la velocidad), y de otra toma de presión con superficie paralela a la dirección de la corriente. Con la primera toma se mide la presión de impacto, y con la segunda la presión estática, de forma que la diferencia entre ambas (medidas con un manómetro diferencial) es la presión cinética. En ésta se basa el cálculo de la velocidad local en el punto donde se colocó la sonda de la presión de impacto.

Para facilitar la exploración de velocidades en cada sección transversal de un sistema de flujo, se sustituye el dispositivo acabado de explicar por el que se esquematiza en la Figura las tomas de presión de impacto y estática se combinan en un simple instrumento que constituye realmente el tubo de Pitot propiamente dicho. Como la propia inserción del instrumento, según se indica en la figura, puede alterar la corriente de fluido dificultando la determinación correcta de la presión estática, se procura corregir tal inconveniente disponiendo varias tomas de presión estática en círculo, para medir así un valor medio. En la Figura se indica una de las series de especificaciones recomendadas para este instrumento.

Suelen utilizarse tubos de Pitot para la medida de caudales de gas en grandes conducciones, como chimeneas de industrias pesadas. Un inconveniente del uso del tubo de Pitot en flujos gaseosos es la pequeña diferencia de presión que se genera.

Tubo de Prandtl

El tubo de Prandtl es una variante del tubo de Pitot en donde las tomas de presión estática se realizan directamente en el instrumento en vez de hacer otra toma de presión en la tubería,

De hecho el tubo de Prandtl es el instrumento que comúnmente se usa para medir velocidad de un fluido, siendo el tubo de Pitot usado principalmente para medir la presión de estancamiento. Pero en la práctica se le suele llamar a este instrumento tubo de Pitot, siendo el nombre de tubo de Prandtl menos conocido.

De esta construcción normalizada el punto más importante a tomar en cuenta es la distancia en donde se realizan la toma de presión estática, la cual debe ubicarse suficientemente lejos para que el flujo no esté perturbado por el contacto con la punta del tubo. Por las mismas razones la distancia en donde se debe ubicar el tubo que sale perpendicular a la tubería también debe

respetar cierta distancia de las tomas de presión.

Las otras dimensiones y formas son solo recomendaciones que pueden o no tomarse en cuenta en la construcción. De hecho existen diversas formas posibles para estos instrumentos en donde la variación principal se encuentra en la forma de la punta para que esta afecte en menor medida la dirección del flujo, y así obtener una medida de la presión estática mas precisa.

El tubo de Prandtl es una variante del tubo de Pitot en donde las tomas de presión estática se realizan directamente en el instrumento en vez de hacer otra toma de presión en la tubería, tal como se muestra en la figura.

De hecho el tubo de Prandtl es el instrumento que comúnmente se usa para medir velocidad de un fluido, siendo el tubo de Pitot usado principalmente para medir la presión de estancamiento. Pero en la práctica se le suele llamar a este instrumento tubo de Pitot, siendo el nombre de tubo de Prandtl menos conocido.

De esta construcción normalizada el punto más importante a tomar en cuenta es la distancia en donde se realizan la toma de presión estática, la cual debe ubicarse suficientemente lejos para que el flujo no esté perturbado por el contacto con la punta del tubo. Por las mismas razones la distancia en donde se debe ubicar el tubo que sale perpendicular a la tubería también debe respetar cierta distancia de las tomas de presión.

Las otras dimensiones y formas son solo recomendaciones que pueden o no tomarse en cuenta en la construcción. De hecho existen diversas formas posibles para estos instrumentos en donde la variación principal se encuentra en la forma de la punta para que esta afecte en menor medida la dirección del flujo, y así obtener una medida de la presión estática mas precisa.

La precisión de estos instrumentos es pequeña

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