Este artículo se publica con la intención de compartir una recopilación estudiantil que necesariamente está sujeta a correcciones ortográficas, gramaticales, de forma  y de contenido.  Por este motivo debe considerarse como material en proceso de elaboración, aún no terminado.


 MEDIDORES DE CAUDAL EN TUBERÍAS

Los fluidos están presentes en la mayoría de los procesos industriales, ya sea porque intervienen en forma directa en el proceso de producción o porque pertenecen a los circuitos secundarios necesarios. Sea por la razón que sea, los fluidos están ahí y, por tanto, hay que controlarlos, para lo que es necesario saber en todo momento cuáles son las principales características de los fluidos, que pueden variar mucho de una aplicación a otra. En el mercado existe una gran variedad de medidores, tanto desde el punto de vista de tamaños y rangos de operación como de principios de funcionamiento. Esto es debido a que se intenta conseguir la máxima precisión para la mayor cantidad de aplicaciones.

 

Los medidores a tratar en este articulo, se utilizan para estimar el gasto en determinada sección de la tubería, y se clasificaran como; medidores volumétricos y másicos, teniendo en cuenta que ambos pueden servir para la misma aplicación, ya que volumen y masa son proporcional entre sí.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

El principio de funcionamiento es el fenómeno físico en que se basa el medidor, y es una característica de diseño. Para los medidores de caudal volumétricos, los principales sistemas son  presión diferencial, área variable, velocidad, tensión inducida , desplazamiento positivo y vórtice. Para los másicos se deben destacar el sistema térmico y el sistema basado en la fuerza de Coriolis.

  · Presión diferencial

   La formula 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.

DIAFRAGMA: Consiste en una placa con un orificio que se interpone en la tubería. Como resultado de esta obstrucción existe una pérdida de carga, que es la que se mide por comparación con una sonda aguas arriba y otra aguas debajo de la instalación. Este tipo de medidor es utilizado en tuberías donde se permita una gran pérdida de energía. El cambio de área que se genera al colocar el diafragma, provoca un estrangulamiento de la sección, lo que da lugar a un cambio de presiones antes y después del diafragma, cuyo valor determina el gasto en la sección.

Utilizados en tuberías donde se permita una gran pérdida de energía para efectuar el aforo.

TOBERAS: En este medidor al igual que en el diafragma, se dispone de una toma de presión anterior y otra posterior, de manera que se puede medir la presión diferencial. La tobera permite caudales muy superiores a los que permite el diafragma (del orden de 60% superiores). Se utilizan en el caso de tuberías con diámetros mayores de 30cm.

VENTURI: La función básica de este medidor consiste en producir un estrangulamiento en la sección transversal de la tubería, el cual modifica las presiones, con la medición de este cambio es posible conocer el gasto que circula por la sección, el estrangulamiento de esta es muy brusco, pero la ampliación hasta la sección original es gradual. Generalmente es una pieza fundida que consta de (1) una porción aguas arriba, la cual tiene el mismo tamaño de la tubería, tiene  un revestimiento en bronce y contiene un anillo piezométrico  para medir la presión estática; (2) en una región cónica convergente, (3) una garganta cilíndrica con un revestimiento en bronce que contiene un anillo piezométrico y (4) una región cónica gradualmente divergente que desemboca en una sección cilíndrica del tamaño de la tubería. Un manómetro diferencial conecta los dos anillos piezométricos. El precio de este se dispara, pudiendo llegar a un costo 20 veces superior a un diafragma. Para obtener resultados acertados este medidor debe ser precedido de una tubería recta con una longitud de por lo menos 10 diámetros.

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Figura 1.  Medidor venturi.

AFORADOR DE CODO:

Es uno de los medidores de caudal mas simple, las aberturas piezométricas en el lado interno y externo del codo se conectan a un manómetro diferencial. Debido a la fuerza centrífuga en la curva, la diferencia de presiones está relacionada con el caudal. Una longitud recta de apaciguamiento debe preceder el codo, y para resultados mas exactos el medidor debería calibrarse in situ. Debido a que la mayoría de las tuberías tienen un codo este puede utilizarse como medidor. Después de la calibración los resultados son tan confiables como los obtenidos con los dispositivos anteriormente mencionados.   

PITOT:

Mide la velocidad del flujo en un punto del fluido, consta de un hueco alineado con el flujo que se aproxima y está cerrado por uno de sus extremos con un tapón redondo que tiene un pequeño orificio en la línea central del tubo. El fluido dentro del tubo Pitot es estacionario, en tanto que el que se aproxima fluye alrededor de este. Una partícula de fluido que se mueve a lo largo de la línea de corriente, que coincide con el eje del tubo Pitot, alcanza el reposo al acercarse a la punta del tubo Pitot (S), debido a que debe dividirse y pasar por ambos lados del tubo. Al entrar momentáneamente en reposo, la presión del fluido se eleva a un valor Ps el cual se conoce como presión de estancamiento y se relaciona con la velocidad del tubo corriente arriba. La presión del flujo estacionario en el interior del tubo Pitot es igual a la presión de estancamiento del flujo externo con el que está en contacto a través del pequeño orificio localizado en el punto de estancamiento S del tubo.

Figura 2. Tubo pitot.

ANNUBAR: Es una mejora del tubo pitot, y se basa en medir la presión estática y la total. Con la diferencia que se obtiene la velocidad del fluido, y conociendo la sección se obtiene el caudal.

 Los Diafragmas, Toberas, y los tubos venturi se basan en cambiar el perfil de la vena fluida y, por consiguiente, su velocidad y presión; en cambio tanto los tubos Pitot como los Annubar se basan en introducir un sensor dentro de la tubería, intentando que no afecten la vena fluida.

·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.

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Figura 3. 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.

Product Line

Figura 4.  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

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Figura 5. 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.

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                                  Figura 6. Sensor de caudal de turbina.

Medidor de caudal con fuelles de paleta: este tipo de disposición es ideal para utilizarse en aplicaciones donde la suciedad y los contaminantes de granos sólidos son una gran preocupación. Este dispositivo opera de la siguiente forma: el caudal provoca que la paleta (1) sea desviada en la dirección del caudal contra la fuerza de un resorte (2). Un fuelle (3) fabricado de bronce (o de preferencia acero inoxidable), aísla en forma hermética el medio de la sección de medición. El movimiento de la paleta (1) se transmite directamente a un indicador (4) , este indica el caudal o la trasmite a un condicionador de señales. Un microinterruptor (6) y una lámpara indicadora (7) se activan cuando se alcanza el punto de referencia. La lámpara se acciona cuando el caudal está por debajo del punto de referencia. Las unidades están disponibles para instalación en línea de tuberías ya sea con extremos roscados o bridados.

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Figura 7. Medidor de caudal con fuelles de paleta.


Medidor de caudal magnético: es utilizado en el análisis de líquidos difíciles y fangos, este medidor es un tubo hueco forrado con varios eléctrodos periféricos metálicos. puesto que los eléctrodos sobresalen de manera insignificante en las paredes de la tubería del medidor, el medidor está casi totalmente libre en su interior, esto ayuda a hacer que este medidor sea adecuado para líquidos que varían desde lodos de alcantarilla hasta una gran variedad de aplicaciones químicas.

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Figura 8. Medidor de caudal magnético.

 
Sensor de caudal térmico compacto: utiliza el principio calorimétrico para monitorear en forma continua el caudal tanto de medios viscosos como de no viscosos. La velocidad del caudal se transmite por medio de una salida mientras que un interruptor opcional proporciona la función de alarma. La capacidad de transmisión se hace posible gracias al alto grado de estabilidad de temperatura proporcionado por su diseño. La integración de las funciones de calefacción y medición permite a la sonda estar estructurada en una superficie sencilla, continua y libre de salientes. La ausencia de salientes evita que los contaminantes se acumulen en la punta de la sonda.

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                               Figura 9.  Medidor de caudal térmico compacto.


Medidor de caudal bridado: este dispositivo funciona con el principio de área variable, es ideal para aplicaciones difíciles en las que se requiera una operación a alta presión o una pérdida de baja presión. Su diseño está disponible en acero. En la configuración estándar es un medidor puramente mecánico.

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Figura 10. Medidor de caudal bridado.


Medidor de caudal de presión diferencial: estos medidores están diseñados para aplicaciones en ambientes difíciles, la falta de sensibilidad ante campos magnéticos y la capacidad de resistir grandes presiones excesivas sin daños, se combinan para hacer de este un instrumento resistente. Es de fácil uso, fácil lectura y fácil mantenimiento, se puede utilizar en tuberías horizontales o verticales. Este dispositivo determina el caudal mediante la medición de la pérdida de presión a través de un orificio calibrado.

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Figura 11. Medidor de caudal de presión diferencial.


Medidor de caudal de masa electrónico: mide caudales de gas, en contraste con la mayoría de otros dispositivos de dosificación de caudal volumétrico, este medidor no necesita corrección de presión o temperatura. Esto hace que la unidad sea ideal para una amplia variedad de aplicaciones de caudal de gas, incluyendo el control de procesos generales, el caudal en sistemas de vacío, la prueba de fugas, y la calibración del caudal. Se encuentra disponible en aluminio o acero inoxidable, con o sin una pantalla digital.

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Figura 12. Medidor de caudal de masa electrónico.


Totalizador mecánico: este se puede ser muy funcional en las aplicaciones de dosificación que impliquen agua con temperaturas de 35ºF a 194ºF . el indicador estilo contador con rotación de 360º y un mecanismo acoplado magnéticamente ofrece una solución confiable. Se utiliza para control de dosificación en planta, monitoreo de filtros, sistemas de irrigación, maquinaria industrial.

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Figura 13. Totalizador mecánico.

 

REFERENCIAS

·        Revista automática e instrumentación, Nº 280. articulo “Medidores de caudal”. EPM.

·         Sotelo Avila, hidráulica aplicada

·        Fay James A, mecánica de fluidos, 1ª edición, editorial CECSA ,México 1996.

·        Streeter Victor L. Mecánica de fluidos, 9ª edición, Mc Graw Hill, 1999.

Sitios Web: Los sitios encontrados solo son lugares donde promocionan ciertos medidores.

www.torbar.co.uk/

www.mccrometer.com/mc/


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