Este documento presenta diferentes principios y métodos para medir caudal de fluidos, incluyendo medidores volumétricos, de velocidad, de presión diferencial, ultrasónicos, electromagnéticos, de turbina, Coriolis, Vórtex y térmicos. Explica conceptos como caudal volumétrico, másico, flujo laminar vs turbulento, y provee detalles sobre cómo funcionan y se aplican cada uno de estos tipos de medidores de caudal.

1. 1. Definiciones importantes Caudal Masa por unidad de tiempo (Qm) o Volumen por unidad de tiempo (Qv) de un fluido que atraviesa una sección de un cierto conducto. Caudal volumétrico Depende solo de la sección considerada y de la velocidad del fluido. Caudal másico Depende además de la densidad del fluido y ésta, a su vez, de la presión y temperatura.

2. 1. Definiciones importantes Medidores volumétricos. Medir el caudal en unidades de volumen en el tiempo. La medición volumétrica esencialmente se logra mediante la medición de presión diferencial. Medidores másicos. Medir el caudal volumétrico tomando en cuenta las variaciones en la densidad o directamente la masa del fluido. Medidores de velocidad del fluido. Medir la velocidad a la que viajan las partículas del fluido.

3. 1. Definiciones importantes Tipos de flujo Flujo laminar. Se caracteriza por un movimiento ordenado de las partículas del fluido.

4. 1. Definiciones importantes Tipos de flujo Flujo turbulento. Se caracteriza por presentar un movimiento caótico de las lineas del fluido

5. Medición de Presión Diferencial. El principio es causar una restricción al paso del fluido con la finalidad de hacer tomas de presión antes y después de la restricción.

6. Medición de Presión Diferencial – Placa orificio. Es la forma más común y utilizada para medir presión diferencial. Los pequeños orificios adicionales son para la purga de partículas sólidas cuando sea necesario y tienen tal diámetro que no causen error. El orificio interior puede ser concéntrico, excéntrico o segmentado. Estos últimos cuando se trata de fluidos de 2 fases. Los parámetros de diseño son D, d, temperatura del fluido y del ambiente, etc.

7. Medición de Presión Diferencial – Placa orificio. Las tomas pueden ser de varias formas: Tomas en la brida Tomas angulares

8. Medición de Presión Diferencial – Tubo Venturi. La relación de caída de presión no se puede cambiar luego de la instalación. Permite la medición de caudales mayores con una baja pérdida de carga.

9. Medición de Presión Diferencial – Tobera. Este método permite medir caudales mayores que con placa orificio. Tiene una pérdida de carga mayor.

10. Los elementos primarios que miden presión diferencial entregan el caudal elevado al cuadrado por lo que los instrumentos receptores o transmisores requieren una unidad de cálculo que extraiga la raíz cuadrada. He aquí un ejemplo de un transmisor multi variable de caudal que toma en cuenta variaciones en el fluido.

11. Area Variable – Rotametro Su funcionamiento es muy simple, el elemento indicador es un flotador que es impulsado hacia arriba por el fluido a través de un segmento cónico de vidrio con una escala. Como el área es variable se logra mantener constante la relación peso del flotador y altura.

12. Desplazamiento Positivo Sobre un cuerpo cilíndrico en la cámara del instrumento se dispone longitudinalmente un disco que es empujado por la acción del flujo, el peso del disco es tal que el torque efectuado por el fluido en movimiento sea proporcional y logre el giro del vástago que se utiliza para indicación.

13. Medidores de Tubo Pitot Henri Pitot fue el primero en medir la rapidez del agua en el río Sena utilizando un aparato de su invención que más adelante se adaptó a los aviones para medir su rapidez en al aire. El tubo de Pitot como se le llama a su invención consiste de un tubo con una abertura delantera y otras a los lados como se muestra en la figura. El aire al chocar con el tubo se dispersa formando en la parte central un remanso donde el aire tiene mayor presión que en los costados. Esto produce una diferencia de presión en el tubo en “U” que permite calcular la rapidez del avión respecto al aire a través de la siguiente fórmula.: g aceleración de gravedad h el desnivel en el tubo en U. r ´ la densidad del líquido en el tubo en U r la densidad del aire.

14. Medidores de caudal electromagnéticos El medidor de caudal electromagnético utiliza el mismo principio básico que el electrogenerador, es decir, cuando un conductor se mueve a través de un campo magnético se genera una fuerza electromotriz en el conductor, siendo su magnitud directamente proporcional a la velocidad media del conductor en movimiento. Si el conductor es una sección de un líquido conductor circulando por un tubo aislado eléctricamente, a través de un campo magnético y se montan los electrodos diametralmente opuestos en la pared de la tubería, tal como se muestra en la figura, la fuerza electromotriz generada a través de los electrodos es directamente proporcional a la velocidad media del fluido.

15. Medidores ultrasónicos Dos tipos de medidores ultrasónicos son utilizados, fundamentalmente, para la medida de caudal en circuitos cerrados. El primero (tiempo de tránsito o de propagación) utiliza la transmisión por impulsos, mientras que el segundo (efecto Doppler) usa la transmisión continua de ondas. Medidores ultrasónicos por impulsos Los medidores ultrasónicos modulados por impulsos son los más precisos y se utilizan, preferentemente, con líquidos limpios, aunque algunos tipos permiten medidas de líquidos con cierto contenido de partículas y gas. El método diferencial de medida por tiempo de tránsito, se basa en un sencillo hecho físico. Si imaginamos dos canoas atravesando un río sobre una misma línea diagonal, una en el sentido del flujo y la otra en contra del flujo, la canoa que se desplaza en el sentido del flujo necesitará menos tiempo en alcanzar su objetivo.

16. Medidores ultrasónicos utilizando el efecto Doppler El efecto Doppler puede entenderse fácilmente si se considera el cambio que se produce en la frecuencia cuando un tren se mueve hacia un observador con su bocina sonando. Cuando el tren se acerca, la bocina es percibida por el observador con una graduación de tono más alta, ya que la velocidad del tren da lugar a que las ondas sonoras sean más próximas que si el tren estuviera parado. De igual manera, si el tren se aleja aumenta el espaciamiento, dando como resultado una graduación de tono o frecuencia más baja. Este aparente cambio en la frecuencia se denomina efecto Doppler y es directamente proporcional a la velocidad relativa entre el objeto móvil, el tren, y el observador. Los medidores ultrasónicos de tipo Doppler utilizan el concepto de que si se deja pasar el ultrasonido en un fluido en movimiento con partículas, el sonido será reflejado de nuevo desde las partículas. La variación de frecuencia del sonido reflejado será proporcional a la velocidad de las partículas.

17. Medidores de turbina Los medidores para gas y para líquido funcionan bajo el mismo principio. La figura muestra la sección transversal de un medidor de turbina típico para líquidos. Consta de una longitud de tubería en el centro de la cual hay un rotor de paletas múltiple, montado sobre cojinetes, para que pueda girar con facilidad, y soportado aguas arriba y aguas abajo por un dispositivo de centrado tipo cruceta que, habitualmente, incorpora un enderezador de la vena fluida. La energía cinética del fluido circulando hace girar el rotor con una velocidad angular que, en el margen lineal del medidor, es proporcional a la velocidad media axial del fluido y, por tanto, al caudal volumétrico.

18. Medidores por Coriolis Si una masa en movimiento se somete a oscilaciones perpendiculares a su dirección de desplazamiento, aparecen fuerzas de Coriolis que dependen del caudal másico. Un medidor de caudal másico por Coriolis comprende tubos de medida osciladores para conseguir precisamente este efecto. Al pasar un fluido (= masa) a través de dichos tubos osciladores se generan fuerzas de Coriolis. Unos sensores situados en los extremos de entrada y salida registran la variación de fase que se produce en consecuencia en la configuración de oscilación del tubo. El procesador analiza esta información, utilizándola para calcular el caudal másico. La frecuencia de oscilación de los propios tubos de medida constituye además una medida directa de la densidad del fluido. Unos sensores registran también la temperatura del tubo de medida a fin de compensar las influencias térmicas. Esta señal corresponde a la temperatura de proceso, que el equipo proporciona también en forma de una señal de salida.

19. Medidores de Vortex Este principio de medida se basa en el hecho de que los vórtices se forman a continuación de un obstáculo, en el sentido de la corriente, p.ej., tras el pilar de un puente. Este fenómeno se conoce comúnmente por el nombre de Vórtices de Kármán. Cuando un líquido fluye por el tubo de medida en el que se encuentra un cuerpo que obstaculiza el flujo, los vórtices se forman sucesivamente una vez a un lado y luego al otro a continuación de dicho cuerpo. La frecuencia de los vórtices que se esparcen a cada lado es directamente proporcional a la velocidad de circulación media y, por consiguiente, al caudal volumétrico. A medida que se esparcen corriente abajo, cada uno de estos vórtices alternantes crea localmente una zona de baja presión en el tubo de medida. Ésta se detecta mediante un sensor capacitivo, que emite entonces una señal primaria, lineal y digitalizada al procesador electrónico. Esta señal de medida no sufre desviaciones, por lo que los caudalímetros Vórtex no requieren ninguna recalibración durante toda su vida útil. Por ejemplo, los sensores capacitivos con sensor de temperatura integrado pueden registrar también directamente el caudal másico de un vapor saturado.

20. Medidores de caudal másico Termicos El principio de medida se basa en el hecho que un fluido que pasa junto a un sensor de temperatura calentado extrae durante su paso una cantidad conocida de calor. En el caso del caudalímetro térmico, el fluido pasa junto a dos sensores de temperatura PT 100. Uno de estos sensores obtiene un valor de referencia al medir la temperatura de proceso existente. El otro sensor consiste en un elemento calefactor, que recibe justo la cantidad de energía que necesita para compensar el calor difundido y mantener una diferencia de temperatura determinada. Cuanto mayor es el caudal másico que pasa junto al sensor de temperatura calentado, tanto mayor es el calor disipado y tanto mayor es la energía que ha de aportarse al elemento para mantener dicha diferencia de temperatura. La corriente aportada al segundo sensor constituye por tanto una medida del caudal másico del gas.

21. COMPARATIVA DE LOS DISTINTOS SENSORES DE FLUJO Sensor de flujo Líquidos recomendados Pérdida de presión Exactitud típica en % Medidas y diámetros Efecto viscoso Coste Relativo Orificio Líquidos sucios y limpios; algunos líquidos viscosos Medio ±2 a ±4 of full scale 10 a 30 Alto Bajo Tubo Venturi Líquidos viscosos, sucios y limpios Bajo ±1 5 a 20 Alto Medio Tubo Pitot Líquidos limpios Muy bajo ±3 a ±5 20 a 30 Bajo Bajo Turbina Líquidos limpios y viscosos Alto ±0.25 5 a 10 Alto Alto Electromagnet. Líquidos sucios y limpios; líquidos viscosos y conductores No ±0.5 5 No Alto Ultrasonic. (Doppler) Líquidos sucios y líquidos viscosos No ±5 5 a 30 No Alto Ultrasonic. (Time-of-travel) Líquidos limpios y líquidos viscosos No ±1 a ±5 5 a 30 No Alto

22. Criterios para la selección Parámetros, condiciones y factores a considerar: 􀁸􀀃 Rango de caudales a cubrir 􀁸􀀃 Precisión requerida (debe especificarse para todo el rango) 􀁸􀀃 Repetibilidad requerida 􀁸􀀃 Ambiente en que se realizará la medición 􀁸􀀃 Tipo de salida eléctrica requerida 􀁸􀀃 Ambiente en que se realizará la medición 􀁸􀀃 Pérdida de carga aceptable 􀁸􀀃 Presupuesto (debe considerarse no solo el costo del instrumento) 􀁸􀀃 Costo del instrumento en sí 􀁸􀀃 Costo de la energía necesaria para operarlo 􀁸􀀃 Costo de la instalación (adaptación de sistemas de control, paneles, etc.) 􀁸􀀃 Costo de mantenimiento 􀁸􀀃 Costo de la instrumentación asociada 􀁸􀀃 Costo de mano de obra calificada 􀁸􀀃 Tipo de fluido a medir 􀁸􀀃 Linealidad 􀁸􀀃 Velocidad de respuesta

23. Tarea: Hacer una tabla resumen con las ventajas, desventajas, aplicación típica y 1 modelo comercial de cada uno de los principios de medición presentados.