4.4 Medicion Del Caudal

4.4. Medición de caudal.

Introducción

La selección eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento práctico de la tecnología del medidor, además de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medir. Cuando la medida del caudal se utiliza con el propósito de facturar un consumo, deberá ser lo más precisa posible, teniendo en cuenta el valor económico del fluido que pasa a través del medidor, y la legislación obligatoria aplicable en cada caso.

En este estudio se examinan los conceptos básicos de la medida de caudal y las características de los instrumentos de medida. Entré los principales medidores que se estudian se citan, en primer lugar, los medidores de presión diferencial. Después se estudian los medidores con accionamiento mecánico, es decir, los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina, para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagnético y los medidores de tipo ultrasónico. Aquí se clasifican y describen sucintamente los dispositivos más utilizados para la medida de caudales que circula por una conducción, que en realidad se basan en la medida de velocidades por las que el fluido circula por una conducción. En la mayoría de estos instrumentos, el caudal se calcula de forma indirecta mediante el cálculo directo de la diferencia de presión que se produce en el mismo.

Existen instrumentos que miden la velocidad local en un punto de la conducción, y equipos que miden la velocidad media a su paso por una sección

Definición:

CAUDAL

Decimos que un río es caudaloso cuando trae mucha agua. El concepto de caudal entonces, ya sea para el agua, el aceite o el aire (en general para cualquier fluido) está relacionado con la cantidad de fluido que se mueve por unidad de tiempo. Más específicamente, el caudal es el volumen de fluido que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

Unidades empleadas

El caudal corresponde a un volumen de agua por unidad de tiempo , siendo las unidades de medición más utilizada las siguientes:

Litros por segundo = L/s

Litros por minuto = L/min

Litros por hora = L/h

Metros cúbicos por hora = m^3/ h

Medidor de caudal.

Es un dispositivo que, instalado en una tubería, permite conocer el flujo volumétrico o caudal que está circulando por la misma, parámetro éste de muchísima importancia en aquellos procesos que involucran el transporte de un fluido. La mayoría de los medidores de caudal se basan en un cambio del área de flujo, lo que provoca un cambio de presión que puede relacionarse con el caudal a través de la ecuación de Bernoulli.

El caudal es la variable de proceso básica más difícil de medir.

Flujo a través de restricciones ecuaciones:

CC

Clasificación:

El presente artículo trata de los diversos métodos para la medición del caudal líquido. Existe una primera clasificación de los métodos de medición según se trate de la medición del caudal en un flujo a la presión atmosférica, o de un flujo a presiones superiores a la presión atmosférica, es decir en tuberías.

Medición del caudal en corrientes libres

La medición del caudal en ríos, arroyos y canales se puede hacer con base en los siguientes procedimientos:

Procedimientos basados en la geometría de la sección y en la velocidad media del flujo

Para aplicar este procedimiento se debe conocer exactamente la geometría de la sección en la cual se efectuará la medición, lo cual permite conocer el área A (h) que corresponde a la altura h, y se debe determinar en la forma más precisa posible:

El nivel del agua en la sección, h

La velocidad media del fluido en la sección, Vmedia

Como consecuencia, el caudal Q será igual a: Vmedia * A (h)

Una vez conocidas varias parejas de datos [h - Vmedia], se dice que la sección ha sido calibrada, y se puede determinar una fórmula empírica de transformación de nivel en caudal. A partir de este momento, y mientras la sección no se modifique, se puede estimar el caudal midiendo el nivel del agua en la sección, y utilizando la ecuación de transformación. Las ecuaciones de transformación son más precisas para secciones regulares, cuya geometría sea próxima a la de un rectángulo, un triángulo o un trapecio. Por esa razón, cuando es compatible con los costos, se introducen en los canales, secciones específicas para la medición del caudal.

Procedimientos para determinar la velocidad media del agua en un flujo

Mediante el uso de correntómetro;

Mediante el uso de instrumentos basados en el efecto Doppler;

Mediciones mediante el tubo de Pitot;

Procedimientos basados en la dilución de trazadores

Para la determinación del caudal, se puede utilizar también un trazador químico o atómico, para determinar el grado de dilución alcanzado y, por lo tanto, el volumen en el cual se ha diluido.

Medición del caudal en tuberías

En el caso de tuberías, la sección transversal es conocida con la suficiente precisión. Para la medición de la velocidad se utilizan, entre otros los siguientes procedimientos:

Mediante el uso de correntómetro;

Mediante el uso de instrumentos basados en el efecto Doppler;

Mediciones mediante el tubo de Pitot;

Introduciendo un estrangulamiento del tubo, el que puede ser gradual, mediante una pieza especial denominada Tubo de Venturi; o abrupta, mediante la inserción de un diafragma.

Tipos de Medidores de Caudal.

La medida de caudal en conducciones cerradas, consiste en la determinación de la cantidad de masa o volumen que circula por la conducción por unidad de tiempo.

Los instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan, habitualmente, caudalímetros o medidores de caudal, constituyendo una modalidad particular los contadores, los cuales integran dispositivos adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conducción.

Instrumentos empleados para la medicion

Principales medidores de presión diferencial:

La fórmula para el caudal para este tipo de funcionamiento se deduce de la aplicación del teorema de Bernouilli. Este teorema relaciona la energía cinética, la potencial y la presión de un fluido en diferentes puntos de la vena fluida. Mediante la interposición de un Diafragma, una Tobera, un tubo Venturi, un tubo Pitot o un tubo Annubar, se puede relacionar el cambio de velocidad y presión que experimenta el fluido con el caudal.

Entre los principales tipos de medidores de presión diferencial se pueden destacar los siguientes:

Placas de orificio,

Toberas,

Tubos Venturi,

Tubos Pitot,

Tubos Annubar,

Codos,

Medidores de área variable,

Medidores de placa.

Se estima que, actualmente, al menos un 75% de los medidores industriales en uso son dispositivos de presión diferencial, siendo el más popular la placa de orificio.

Las principales ventajas de dichos medidores son:

su sencillez de construcción, no incluyendo partes móviles,

su funcionamiento se comprende con facilidad,

no son caros, particularmente si se instalan en grandes tuberías y se comparan con otros medidores,

pueden utilizarse para la mayoría de los fluidos, y

hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usos.

Sus principales desventajas son:

la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoría de los otros tipos de medidores

pueden producir pérdidas de carga significativas,

la señal de salida no es lineal con el caudal,

deben respetarse unos tramos rectos de tubería aguas arriba y aguas abajo del medidor que,

según el trazado de la tubería y los accesorios existentes, pueden ser grandes,

pueden producirse efectos de envejecimiento, es decir, acumulación de depósitos o la erosión de las aristas vivas,

la precisión suele ser menor que la de medidores más modernos, especialmente si, como es habitual, el medidor se entrega sin calibrar.

Tubo Venturi.

El tubo Venturi es similar a la placa orificio, pero está diseñado para eliminar la separación de capas próximas a los bordes y por lo tanto producir arrastre. El cambio en la sección transversal produce un cambio de presión entre la sección convergente y la garganta, permitiendo conocer el caudal a partir de esta caída de presión. Aunque es más caro que una placa orificio, el tubo Venturi tiene una caída de presión no recuperable mucho menor.

En la figura se muestra el perfil de un tubo venturi clásico, donde se puede apreciar la disposición de las tomas de presión para determinar la presión diferencial.

Como se aprecia en la imagen se pueden destacar tres partes fundamentales:

a) una sección de entrada cónica convergente en la que la sección transversal disminuye, lo que se traduce en un aumento de la velocidad del fluido y una disminución de la presión;

b) una sección cilíndrica en la que se sitúa la toma de baja presión, y donde la velocidad del fluido se mantiene prácticamente constante

c) una tercera sección de salida cónica divergente en la que la sección transversal aumenta, disminuyendo la velocidad y aumentando la presión. La incorporación de esta sección de salida permite una recuperación de la mayor parte de la presión diferencial producida y, por tanto, un ahorro de energía.

Tubo 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.

Medida de la velocidad local.

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. Cuando el dispositivo empleado para la medida de la diferencia de presión es un tubo manométrico, circunstancia habitual en equipos de medida de campo, la altura que alcanza el líquido manométrico, hm es muy pequeña. Se ha pretendido corregir este inconveniente con una modificación del instrumento que se conoce con el nombre de tubo de Pitot invertido o pitómetro. Probablemente la principal desventaja sea su dificultad para medir bajas velocidades del aire. Para líquidos quizás el principal problema sea la rotura de la sonda.

Placa Orificio.

Una placa orificio es una restricción con una abertura más pequeña que el diámetro de la cañería en la que está inserta. La placa orificio típica presenta un orificio concéntrico, de bordes agudos. Debido a la menor sección, la velocidad del fluido aumenta, causando la correspondiente disminución de la presión. El caudal puede calcularse a partir de la medición de la caída de presión en la placa orificio, P1-P3. La placa orificio es el sensor de caudal más comúnmente utilizado, pero presenta una presión no recuperable muy grande, debido a la turbulencia alrededor de la placa, ocasionando un alto consumo de energía.

Estos instrumentos se caracterizan por:

Es una forma sencilla de medir caudal (es una chapa precisamente agujereada).

Es importante diferenciar entre una medición de proceso y una medición fiscal.

En ciertos casos, cuando circula gas se utiliza un transmisor multivariable.

Suelen requerir arreglos de piping específicos para poder cumplimentar con sus importantes requisitos de tramos rectos.

Entre los diversos perfiles de orificio que se utilizan, según se muestra en la figura, se pueden destacar los siguientes: de cantos vivos, de cuarto de círculo y de entrada cónica.

Aplicaciones típicas de los instrumentos en un control de proceso.

Dado que la mayoría de las aplicaciones de los instrumentos de medición de caudales se hacen con tubos venturi, se verán con más detalle que los demás, pues el uso de tubos venturi esta mucho mas plasmado en muchas más áreas como industrias, mecánica, y ahorro de energía; mientras que los medidores de placa orificio y de tobera de flujo son usados mayoritariamente para, valga la redundancia, medir caudales.

Aplicaciones del efecto Venturi:

Hidráulica: La depresión generada en un estrechamiento al aumentar la velocidad del fluido, se utiliza frecuentemente para la fabricación de máquinas que proporcionan aditivos en una conducción hidráulica. Es muy frecuente la utilización de este efecto "Venturi" en los mezcladores del tipo Z para añadir espumógeno en una conducción de agua para la extinción.

Aeronáutica: Aunque el efecto Venturi se utiliza frecuentemente para explicar la sustentación producida en alas de aviones, este efecto por sí solo no es suficiente para explicar la sustentación aérea. En la sustentación intervienen además el principio de Bernoulli, en virtud del cual el aire adquiere mayor velocidad al pasar por la región más convexa del ala de un avión. La tercera ley de Newtonestá también involucrada en este principio. Además, se utiliza este tubo para proveer succión a los instrumentos que trabajan con vacío, (Coordinador de giro, Horizonte artificial, etc.) en los aviones que no están provistos de bombas mecánicas de vacío.

Motor: el carburador aspira el carburante por efecto Venturi, mezclándolo con el aire (fluido del conducto principal), al pasar por un estrangulamiento.

Hogar: En los equipos ozonificadores de agua, se utiliza un pequeño tubo Venturi para efectuar una succión del ozono que se produce en un depósito de vidrio, y así mezclarlo con el flujo de agua que va saliendo del equipo con la idea de destruir las posibles bacterias patógenas y de desactivar los virus y otros microorganismos que no son sensibles a la desinfección con cloro.

Tubos de Venturi: Medida de velocidad de fluidos en conducciones y aceleración de fluidos.

Acuarofilia: En las tomas de bombas de agua o filtros, el efecto Venturi se utiliza para la inyección de aire y/o CO2.

Neumática: Para aplicaciones de ventosas y eyectores.

Cardiología: El efecto Venturi se utiliza para explicar la regurgitación mitral que se puede dar en la miocardiopatía hipertrófica, y que es causa de muerte súbita en deportistas. La explicación es que el movimiento sistólico anterior (MSA) que realiza la valva anterior de la válvula mitral, se produce porque la hipertrofia septal y el estrechamiento del tracto de salida provocan una corriente de alta velocidad sobre la v. mitral, que debido al efecto Venturi, succiona el extremo de la valva anterior contra el septo, que impide la salida de sangre, por lo que regurgita hacia la aurícula izquierda.

Neumología: El efecto Venturi se utiliza en máscaras para la administración de concentraciones exactas de oxígeno, para controlar la FiO2; se denominan máscaras de Venturi o Ventimask. El oxígeno al 100% suministrado durante cierto periodo de tiempo es tóxico, por lo que se mezcla con aire externo cuya concentración de oxígeno es del 21%, de modo que en función de la cantidad de aire que se mezcle con el oxígeno al 100%, la concentración de oxígeno será mayor o menor, normalmente se suministra entre un 26%-50%. El oxígeno puro al pasar por el conducto con un calibre menor, se produce el efecto Venturi, se genera una presión negativa que permite la entrada del aire procedente del exterior a través de unos orificios circundantes, dependiendo del tamaño de los orificios, entra más o menos aire y por tanto menor o mayor concentración de oxígeno que finalmente el paciente recibirá.

Odontología: el sistema de aspiración de saliva en los equipos dentales antiguos utilizaban tubos finos Venturi. Ahora la aspiración está motorizada.

Aplicaciones del tubo pitot:

Las aplicaciones de los tubos de Pitot están muy limitadas en la Industria, dada la facilidad con que se obstruyen por la presencia de cuerpos extraños en el fluido a medir. En general, se utilizan en tuberías de gran diámetro, con fluidos limpios, principalmente gases y vapores. Su precisión depende de la distribución de las velocidades y generan presiones diferenciales muy bajas que resultan difíciles de medir.

El tubo de pitot se utiliza como instrumento de medida de la velocidad de los aviones respecto el aire. Hay que tener en cuenta que es justamente la velocidad relativa entre el avión y el aire (IAS, Indicated Air Speed) que se conoce como la velocidad del aire indicada, es la que mantiene al avión en vuelo, no la velocidad respecto el suelo (GS ground speed). El GPS da la velocidad del avión respecto el suelo y mediante el tubo de pitot se obtiene la velocidad respecto el aire.

Criterios de selección

FACTORES PARA LA ELECCIÓN DEL TIPO DE MEDIDOR DE FLUIDO

Rango: los medidores disponibles en el mercado pueden medir flujos desde varios mililitros por segundo (ml/s) para experimentos precisos de laboratorio hasta varios miles de metros cúbicos por segundo (m3/s) para sistemas de irrigación de agua o agua municipal o sistemas de drenaje. Para una instalación de medición en particular, debe conocerse el orden de magnitud general de la velocidad de flujo así como el rango de las variaciones esperadas.

Exactitud requerida: cualquier dispositivo de medición de flujo instalado y operado adecuadamente puede proporcionar una exactitud dentro del 5 % del flujo real. La mayoría de los medidores en el mercado tienen una exactitud del 2% y algunos dicen tener una exactitud de más del 0.5%. El costo es con frecuencia uno de los factores importantes cuando se requiere de una gran exactitud.

Pérdida de presión: debido a que los detalles de construcción de los distintos medidores son muy diferentes, éstos proporcionan diversas cantidades de pérdida de energía o pérdida de presión conforme el fluido corre a través de ellos. Excepto algunos tipos, los medidores de fluido llevan a cabo la medición estableciendo una restricción o un dispositivo mecánico en la corriente de flujo, causando así la pérdida de energía.

Tipo de fluido: el funcionamiento de algunos medidores de fluido se encuentra afectado por las propiedades y condiciones del fluido. Una consideración básica es si el fluido es un líquido o un gas. Otros factores que pueden ser importantes son la viscosidad, la temperatura, la corrosión, la conductividad eléctrica, la claridad óptica, las propiedades de lubricación y homogeneidad.

Calibración: se requiere de calibración en algunos tipos de medidores. Algunos fabricantes proporcionan una calibración en forma de una gráfica o esquema del flujo real versus indicación de la lectura. Algunos están equipados para hacer la lectura en forma directa con escalas calibradas en las unidades de flujo que se deseen. En el caso del tipo más básico de los medidores, tales como los de cabeza variable, se han determinado formas geométricas y dimensiones estándar para las que se encuentran datos empíricos disponibles. Estos datos relacionan el flujo con una variable fácil de medición, tal como una diferencia de presión o un nivel de fluido.

Área variable

Los medidores de caudal de área variable se deben instalar verticalmente. Su principio de funcionamiento se basa en un flotador que cambia de posición dentro de un tubo de área variable. El área del tubo es pequeña en la parte inferior y va aumentando hasta alcanzar la mayor sección en la parte superior.

El flotador, sólido, tiende a bajar debido a la fuerza de gravedad (su peso) y el fluido, que circula de abajo hacia arriba, tiende a levantarlo debido a la fuerza de arrastre de este. Además de la fuerza de arrastre, existe una fuerza que ejerce el fluido sobre el flotador, que es igual al peso del volumen del fluido que desaloja. El flotador queda en la posición de equilibrio de fuerzas, indicando en el tubo el caudal del fluido que pasa. El tubo debe estar convenientemente graduado, además de permitir la visualización del flotador. El tubo se puede graduar teniendo en cuenta que la fuerza de arrastre depende de la velocidad del fluido, y una vez se conoce esta, se puede obtener el caudal. Como se puede intuir, la fuerza de arrastre depende de la viscosidad del fluido. La medida puede ser directa al estar la escala graduada en el tubo, pero también existen modelos en los que el flotador da una señal en función de su posición, y se puede utilizar esta para extraer la medida en otra escala graduada, o bien para acondicionar la señal y adecuarla para un bus de campo o bien transmitirla a un regulador. El medidor mas representativo de esta clase es el rotametro, el cual opera con el mecanismo anteriormente descrito.

. Rotámetro

Velocidad

Principalmente existen tres elementos para caudalímetros que basan su principio de funcionamiento en la velocidad del fluido: Los vertederos (para canales abiertos), las turbinas y las sondas ultrasónicas. Los primeros, en este artículo no serán de mucho interés, los medidores de caudal tipo turbina se basan en un rotor que gira a una velocidad proporcional al caudal

del fluido que pasa. Para obtener la velocidad de giro del rotor se pueden utilizar dos técnicas. La primera de ellas consiste en la variación de la reluctancia que experimenta un circuito magnético exterior al paso de cada una de las palas del rotor. Dentro del grupo de los medidores rotativos, destacan el cicloidal, el birrotor y eloval.

Los cicloidales consisten en dos lóbulos engranados entre sí que giran en direcciones opuestas y desplazando un volumen fijo de fluido en cada revolución. El sistema birrotor consta de dos rotores sin contacto mecánico entre sí que giran sincronizados gracias a un acoplamiento con engranajes externo a la cámara por donde pasa el fluido (donde están los dos rotores). El desgaste mecánico es mínimo por no existir contacto entre los dos rotores y porque estos están equilibrados estática y dinámicamente. Además, se apoyan en rodamientos de bola de acero inoxidable. Su aplicación principal es la medición de caudales de productos petrolíferos. Los medidores ovales están formados por dos ruedas ovales que engranan entre sí. Su movimiento de giro es debido a la presión diferencial creada por el fluido.

•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 W, 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.

•Térmico:

Los medidores térmicos de caudal usan dos técnicas para la determinación del caudal másico. La primera es la elevación de temperatura que experimenta el fluido en su paso por un cuerpo caliente y la segunda es la pérdida de calor experimentada por un cuerpo caliente inmerso en un fluido. Sea cual sea la técnica que utilicen los caudalímetros térmicos, se basan en la general insensibilidad de los fluidos a la variación de su calor específico en función de la presión y de la temperatura, es decir, el calor específico de los fluidos se puede considerar prácticamente independiente de la presión y de la temperatura.

Según la primera ley de la termodinámica, la pérdida de calor del fluido (q) es proporcional al caudal másico (m), al calor específico (cp) y al salto térmico (DT): q = m * cp * DT

Si se conoce el fluido, se sabe su calor específico, el salto térmico se puede medir mediante sensores y el calor cedido es el aportado externamente para poder realizar la medición. Solo queda el caudal másico como incógnita y por tanto, se puede calcular.

Actualmente en el mercado existen una gran variedad de medidores los cuales tienen diversos principios de funcionamiento, como también diversos tipos de usos por lo tanto de acuerdo a las necesidades se seleccionara determinado medidor.

Diversos medidores.

A continuación se mostrará una lista de algunos medidores que actualmente se pueden conseguir en el mercado, a excepción de los medidores tradicionales, mencionados anteriormente.

Sensor de caudal con ruedas de paleta: se utiliza cuando los datos sobre el caudal deben trasmitirse como salida de impulsos. este sensor contiene un transductor que trasmite una señal de 0-100Hz. La señal de la salida es linealmente proporcional al caudal. Este medidor funciona en medios como: el agua y líquidos de baja viscosidad

Sensor de caudal con ruedas de paleta.

Sensor de caudal de turbina: La alta precisión es la característica principal de este sensor. Mide con precisión el caudal de los líquidos transparentes sobre una amplia gama de caudales. Este medidor puede instalarse en cualquier orientación deseada siempre y cuando se tenga cuidado de mantener el medidor lleno de líquido. El movimiento del líquido a través del medidor provoca la rotación de la turbina. Un sensor de proximidad externo detecta la rotación de la turbina sondeando el movimiento de las partículas. La rotación de la turbina es lineal con respecto al caudal. La pantalla y módulo de control convierten la señal del impulso en un número visualizado, este medidor presenta una tolerancia en cuanto a viscosidad a la de fluidos similares al agua.

Componentes (caudal por inducción)

Principio de lectura

Un caudalímetro es un instrumento de medida para la medición de caudal o gasto volumétrico de un fluido o para la medición del gasto másico. Estos aparatos suelen colocarse en línea con la tubería que transporta el fluido. También suelen llamarse medidores de caudal, medidores de flujo o flujómetros.

Existen versiones mecánicas y eléctricas. Un ejemplo de caudalímetro eléctrico lo podemos encontrar en los calentadores de agua de paso que lo utilizan para determinar el caudal que está circulando o en las lavadoras para llenar su tanque a diferentes niveles.

Un hidrómetro1 permite medir el caudal, la velocidad o la fuerza de los líquidos que se encuentran en movimiento, dependiendo de la graduación y aplicación de este mismo.

Evítese la confusión con el término utilizado en inglés “hydrometer” como equivalente a lo que en español es un densímetro, esto es, un instrumento que sirve para medir la densidad de los líquidos.

Tipos de caudalimetro

Mecánicos visuales (de área variable) (rotámetros)

Se trata de un cono transparente invertido con una bola plástica en su base. El fluido al circular impulsa la bola hacia arriba, a mayor caudal más sube la bola. La gravedad hace bajar la bola al detenerse el flujo. El cono tiene unas marcas que indican el caudal.

Generalmente empleado para medir gases en lugares donde se requiere conocer el caudal con poca precisión. Un ejemplo lo podemos ver en los hospitales, unidos de la llave del suministro de oxígeno.

Una modificación de este modelo permite medir la capacidad pulmonar de una persona que haya sufrido alguna lesión recogiendo una exhalación a través de un adaptador para los labios.

Mecánico de molino

Consisten en un molino cuyas aspas están transversales a la circulación de fluido. El flujo hace girar el molino cuyo eje mueve un contador que acumula lecturas.

Un ejemplo de este uso son los contadores de agua de las viviendas o los antiguos contadores de gas natural.

Electrónicos de molino

Sus partes mecánicas consisten en un molino con aspas transversales a la circulación de flujo, el molino tiene en un extremo un imán permanente. Cuando este imán gira genera un campo magnético variable que es leído por un sensor de efecto de campo magnético (sensor de efecto Hall), después el circuito electrónico lo convierte en pulsos que transmite a través de un cable.

En otra versión de este tipo de caudalímetro se instalan imanes en los extremos de las aspas. Al girar los imanes pasan cerca de un reed switch que cuenta los pulsos. La desventaja de este diseño está en la limitación de las revoluciones por minuto (RPM) que puede alcanzar a leer un reed switch.

También existe de tipo de caudalímetro de molino en versión transparente donde solo se requiera confirmar que existe circulación sin importar el caudal.

Electrónicos de turbina

Una turbina colocada de frente al flujo, encapsulada en las paredes de un tubo, rota proporcionalmente al caudal. La turbina, fabricada con un compuesto de resina y polvo dealnico, genera un campo magnético que es leído y codificado por un sensor de efecto Hall.

Diferencial de presión[

Los más comunes. La tubería disminuye su diámetro levemente (por ejemplo, con un plato de orificio) y después regresa a su diámetro original. El fluido obligado a circular por esta reducción disminuye su presión a la salida. La diferencia de presión de antes y después es medida de manera mecánica o electrónica. A mayor diferencia de presión mayor es el caudal.

Existen otras variantes pero todas basadas en la diferencia de la lectura de presión antes y después. Un ejemplo se observa en los motores de combustión interna a la entrada del aire del motor. Parámetro que necesitan las computadoras de los automóviles para determinar que cantidad de aire está entrando al motor para logar una mezcla (aire-combustible) ideal.

V-Cone

El medidor de flujo de presión diferencial V-Cone es una tecnología patentada de medición de flujos con alta precisión, aplicable a gran variedad de fluidos, todo tipo de condiciones y un amplio intervalo de números de Reynolds. Utiliza el mismo principio físico que otros medidores de flujo de presión diferencial: el teorema de conservación de la energía del flujo de fluidos a través de una tubería. No obstante, las características de desempeño del V-Cone, muy notable, son el resultado de su exclusivo diseño, que incluye un cono central en el interior del tubo.

El cono interactúa con el flujo del fluido, modificando su perfil de velocidad para crear una región de presión más baja inmediatamente aguas abajo del cono. La diferencia entre la presión estática de la línea y la presión más baja creada aguas abajo del cono se mide a través de dos tomas piezosensibles. Una de las tomas se coloca inmediatamente aguas arriba del cono y la otra se coloca en la cara orientada aguas abajo. Después, la diferencia de presión se puede incluir en una derivada de la ecuación de Bernoulli para determinar el régimen de flujo. La posición central del cono en la línea optimiza el perfil de velocidad del flujo en el punto donde se hace la medición, asegurando mediciones de flujo altamente precisas y confiables, sin importar la condición del flujo aguas arriba del medidor.

Magnéticos

Están basados en la fuerza de Lorentz (que experimentan cargas moviéndose en el seno de un campo magnético), de la que se deriva que el voltaje inducido a través de un conductor que se desplaza transversal a un campo magnético es proporcional a la velocidad del conductor.

Aplicamos un campo magnético a una tubería (en una zona con un recubrimiento interior aislante) y medimos la diferencia de potencial (voltaje) de extremo a extremo de un diámetro de la tubería. Este sistema es muy poco intrusivo pero solo funciona con líquidos que tengan algo de conductividad eléctrica. Es de muy bajo mantenimiento ya que no tiene partes móviles.

Vortex

Vortex montado en una cañería.

Está basado en el principio de generación de vórtices. Un cuerpo que atraviese un fluido generará vórtices flujo abajo. Estos vórtices se forman alternándose de un lado al otro causando diferencias de presión, esta son censadas por un cristal piezoeléctrico. La velocidad de flujo es proporcional a la frecuencia de formación de los vórtices.

Son equipos de bajo mantenimiento y buena precisión.

Desplazamiento positivo

Separan el líquido en porciones que llenan un recipiente mientras se desplaza. Después cada porción es contada para medir el caudal. Existen muchas variantes de este sistema. De tornillo, de engranajes, pistones, etc.

Desplazamiento positivo.

Interior de un equipo de desplazamiento positivo.

Engranajes: consiste en dos engranajes encontrados que hacen un sello perfecto, el fluido debe circular entre los dos engranajes forzándolos a girar. Es movimiento se puede medir de forma electrónica o mecánica.

Cada uno de los engranajes tiene un imán permanente que se usa para enviar información a la parte electrónica del equipo (se instala arriba mediante tornillos), y se detecta el paso del imán mediante un sensor de efecto Hall.

Pistones: el agua entra por el puerto A y comienza a desplazar el pistón amarillo mientras llena el espacio C. El agua que sigue entrado ahora llena el espacio B y sigue forzando al pistón amarillo a girar hasta que el agua que ocupaba el espacio C sale por el puerto D. Posteriormente el agua que ocupa el espacio B igualmente saldrá por el puerto D al momento de comenzar otro ciclo. El agua entre los puertos de entrada y salida (A y D) está aislada por la barrera E. La oscilación del pistón G (magnético) traza un círculo que rodea al eje F. Un medidor de campo colocado fuera del caudalímetro mide estas oscilaciones y las convierte en pulsos.

Ultrasónicos

Son alimentados eléctricamente, y es posible encontrar dos tipos según su principio de medición: de efecto Doppler y de tiempo de tránsito; este último consiste en medir la diferencia entre el tiempo que le toma a dos señales atravesar una misma distancia, pero en sentido contrario utilizando como medio un fluido. Si el caudal del fluido es nulo, los tiempos serán iguales, pero cuando hay flujo los tiempos serán diferentes, ya que las velocidades de las señales serán afectadas por la del fluido cuyo caudal se desea determinar; esta diferencia de tiempo más el conocimiento sobre la geometría de la cañería y la velocidad del sonido en el medio permiten evaluar la velocidad del fluido o el caudal.

Los de tiempo de tránsito son más exactos que los de efecto Doppler, pero para obtener lecturas se requiere que los fluidos tengan un bajo porcentaje de impurezas; en caso contrario, los de efecto Doppler son de utilidad y entregan una muy buena señal, ya que su principio de funcionamiento se basa en el cambio de frecuencia de la señal reflejada sobre algún elemento que se mueve con el fluido.

La exactitud de estos sistemas de medición es muy dependiente del cumplimiento de los supuestos de flujo laminar.

Diferencial de temperatura

Se colocan dos termistores y en el centro de ellos una pequeña resistencia calentadora. Si ambos termistores leen la misma temperatura el fluido no está circulando. Según aumenta el flujo uno de los termistores lee la temperatura inicial fluido mientras que el otro lee el fluido calentado. Con este sistema no solo se puede leer el caudal, sino que además se sabe el sentido de circulación.

La ventaja de este tipo de caudalímetro es que se puede conocer la cantidad de masa del fluido que ha circulado y las variaciones de presión en el fluido afectan poco la medición.

Medidor de Coriolis

Los medidores de Coriolis se basan en el principio de las fuerzas inerciales que se generan cuando una partícula en un cuerpo rotatorio se mueve con respecto al cuerpo acercándose o alejándose del centro de rotación. Si una partícula de masa dm se mueve con velocidad constante en un tubo T que está rotando con una velocidad angular w con respecto a un punto fijo P adquiere 2 componentes de aceleración Coriolis.

La gran cantidad de teorías y modelos de caudalímetros que existen nos confirman que no hay una fórmula ideal para medir caudal. La decisión final se debe tomar en base alcaudal, viscosidad, temperatura, composición química y presión del fluido que deseamos medir. Cada aplicación tiene una caudalímetro que se adapta mejor a su necesidad.

Los costos son también un factor a considerar, la confiabilidad, precisión y durabilidad son factores muy asociados al costo. No es lo mismo buscar un caudalímetro para un producto de consumo masivo como un calentador de agua, que buscar un caudalímetro para la medir la cantidad de sangre que está circulando por un baipás o un caudalímetro para medir la cantidad de vapor a presión que se desecha a una chimenea de una planta de energía de fisión nuclear.

Fabricantes de los instrumentos

METTLER TOLEDO es un fabricante y comerciante global de instrumentos de precisión para uso en laboratorios, aplicaciones industriales y de venta minorista de alimentos. La empresa cuenta con una sólida posición de liderazgo mundial. Una parte importante de nuestras ventas de instrumentos tiene lugar en segmentos en los que somos el líder mundial.

TECFLUID es un fabricante especializado en la instrumentación para fluidos que inicia su actividad en 1974 en la fabricación de instrumentos industriales de medición y control. TECFLUID diseña y fabrica equipos de instrumentación para gases y líquidos. Nuestro programa de fabricación incluye medidores de caudal de área variable, medición de nivel de transmisión magnética, contadores volumétricos, caudalímetros electromagnéticos, electrónica analógica y digital.

La empresa G.D.Industrie - Frankignoul se ha especializado en la medición, el control y la regulación de las variables de presión, temperatura, nivel, caudal y detección de gas. Poseemos en existencia un gran número de manómetros con o sin glicerina, termómetros y sensores de presión. Nuestro taller realiza reparaciones, modificaciones de esfera, montajes de separadores de fluido con o sin tubo capilar, montajes de contactos eléctricos, inductivos, electrónicos, etc.

FIMIGAS SPA,Diafragmas calibrados, accesorios para diafragmas. Reguladores de caudal, presión, temperatura - Flow computer y correctores de volumen - Sistemas de telelectura y telealarma.

Aplicaciones específicas

Aplicaciones industriales

Los medidores de caudal y densidad han estado ayudando a asegurar en los procesos una reacción precisa, a optimizar su producción, a aumentar la seguridad y a ahorrar miles de dólares. Como por ejemplo en:

Revisión de la medición de gas natural / gases industriales

Cumplimiento para gases de efecto invernadero

Productos certificados para seguridad (SIS)

Alimentación de alta rangeabilidad de reactores de batch y continuos

Caudal neto/catalizador y medida de concentración

Medición de ácidos muy corrosivos, bases y lodos líquido-sólido

Transferencia de custodia para carga y descarga de vagones de tren y camiones

Control de combustión de quemadores y calderas

Llenado de alta velocidad, dosificación y batch

Medición de los ingredientes de productos de consumo

Beneficios:

Medición de caudal másico, caudal volumétrico, densidad y temperatura con un solo dispositivo

No hay piezas móviles, así que no necesita reparaciones ni mantenimiento

Se puede instalar en cualquier lugar sin necesidad de acondicionadores de caudal o tramos rectos de tuberías

Precisión en un amplio rango de caudal con un solo medidor para optimizar la eficiencia de la planta

La medición directa y repetitiva de caudal másico elimina los problemas de la medición de volumen

Medidor de caudal certificado para seguridad para utilizarlo en lazos hasta SIL 3, según IEC 61508

...