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Medidadeflujoypresión
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MEDICIÓN DE FLUJO Y PRESIÓN
6.1.- Introducción a la metrología: Calibración y medida de los errores
6.2.- Introducción a la medida de flujos
6.3.- Sondas de Velocidad
6.4.- Tipos principales de medidores de flujos
6.5.- Introducción a la medida de la presión
6.6.- Manómetros y barómetros
6.7.- Transductores de presión
Medidadeflujoypresión
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Los errores son inherentes a cualquier sistema la medida. Podemos consideramos de partida que estos
aparatos están calibrados, y por tanto se han eliminado de ellos todos los errores sistemáticos, pero aún
así, siempre existen errores que es imposible eliminar, asociados al mismo aparato, como a la forma de
medir. Por tanto, debemos partir siempre de esta base, la medida que obtenemos siempre conllevará
cierto error. Lo que debemos hacer es intentar cuantificarlo y acotarlo, para así que me resulten de utilidad
los resultados obtenidos.
6.1.- Introducción a la metrología: Calibración y medida de los errores
Veamos una serie de conceptos que son de utilidad, y que no
siempre están bien definidos o utilizados. No es lo mismo un
instrumento preciso que uno exacto. Un instrumento exacto es
un instrumento que proporciona una medida que como término
medio se acerca mucho al valor real, en cambio, un instrumento
preciso es un instrumento que proporciona medidas poco
dispersas, es decir, proporciona un alto grado de ‘repetibilidad’ .
Podemos tener un instrumento muy preciso que nos
proporcione una lectura erronea, pero que si repetimos la
medida muchas veces, siempre nos de el mismo valor, o muy
parecido, eso es un instrumento preciso. En el esquema de la
figura se explica la diferencia entre exactitud y precisión
Medidadeflujoypresión
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Para medir la exactitud debemos comparar el valor promedio con el real, mientras que para medir la
precisión debemos comparar las medidas con las medida promedio
Podemos definir:
• Exactitud: Grado de cercanía de la lectura de un instrumento de medida respecto al valor verdadero de
la variable medida.
• Precisión: Grado de repetibilidad de las mediciones. Seria la medida de la dispersión de medidas
sucesivas respecto a la medida promedio de todas ellas
• Incertidumbre: grado de exactitud, seguridad o confianza con que fue hecha la medición.
• Error: Diferencia absoluta entre el valor verdadero y el valor medido.
Así, cuando midamos una magnitud con instrumento, lo haremos repetidas veces, para así poder
proporcionar un valor promedio:
∑=
=
N
i
ir
N
r
1
1
Y una medida de la dispersión:
∑
−
−
=
=
N
i
i
r
N
rr
1
2
1
)(
σ
Medidadeflujoypresión
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Así, podemos dar el valor de la medida como
rrr σ±=
Como podemos ver, podemos proporcionar la precisión de la medida, ya que sólo depende de un
análisis estadístico, pero no su exactitud, ya que para ello deberíamos conocer la del valor que
queremos saber. Cuando se calibra un instrumento de medida, lo que se hace es comprobar el valor
medido sobre una referencia patrón.
Medidadeflujoypresión
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6.2.- Introducción a la medida de flujos
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.
Medidadeflujoypresión
6/64
6.3.- Sondas de la Velocidad
6.3.A.- Tubo de Pitot
0
2
00
1
2
11
22
z
g
VP
z
g
VP
++=++
γγ
Punto de Estancamiento
V1=0
g
VPP
2
2
001 +=
γγ
2
2
22
1
2
11
22
z
g
VP
z
g
VP
++=++
γγ
V2=0V1=0
Patm
lzz
P
=−= 12
1
γ
Donde se ve que p1 será la presión total o presión de
estancamiento, que tiene en cuenta tanto la presión estática
como la presión dinámica producida por la velocidad.
Si conocemos la presión estática en el punto 0 podríamos
saber cual es el valor de la velocidad en el conducto.
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−=
γγγ
001
0
.2.2
P
lg
PP
gV
Medidadeflujoypresión
7/64
6.3.B.- Tubo de Prandtl
Como se ha visto, el tubo de Pitot nos permite
medir velocidades, pero necesitamos conocer la
presión estática de la tubería. Así, a Prandtl se le
ocurrió la idea de unir en un mismo dispositivo el
tubo de Pitot y un medidor de presión, con lo que
tener en un único dispositivo todo lo necesario
para conocer la velocidad. Así, lo que
comúnmente conocemos como tubo de Pitot en
realidad es un tubo de Prandtl.
Tubo de Pitot
Orificios que permiten
determinar la presión
estática del fluido ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−=
γγ
estáticacamientoes PP
gV tan
0
.2
En verdad, no nos interesa conocer la presión de
estancamiento o la estática, sino solamente la
diferencia entre ambas.
Pestancamiento
Pestática
Medidadeflujoypresión
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⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−=
γγ
estáticacamientoes
v
PP
gCV tan
0
.2.
Así, con un manómetro diferencial que nos proporcione el valor de la diferencia podríamos
obtener el valor de la velocidad del fluido. En verdad, la velocidad calculada de forma teórica no
coincide exactamente con la real, se ha de multiplicar por un coeficiente experimental de la
velocidad, Cv , el cual puede oscilar alrededor de la unidad.
Esquema de funcionamiento de un
Tubo de Pitot Comercial
Esquema de un Tubo de Pitot
Comercial Instalado
Medidadeflujoypresión
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Recordemos que la medida de la velocidad se realiza en un único punto, pero en las tuberías la
velocidad no es uniforme en todos los puntos sino que tiene cierto perfil. Por tanto, deberemos hacer
una serie de medidas para poder determinar el perfil de velocidades, y así poder promediarlo y
obtener una velocidad media.
Existen ciertos tubos de Pitot que ya hacen por si mismo el
promediado, introduciendo una serie de orificios distribuidos
a lo largo del diámetro de la tubería, calculando ya una
velocidad promedio directamente.
Medidadeflujoypresión
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Tubo de Pitot Comercial
Medidadeflujoypresión
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6.3.C- Otras Sondas de Velocidad
Existen otros métodos de determinar la velocidad en un punto de un fluido más sofisticados y mucho
más precisos, pero tienen varios inconvenientes a nivel industrial, el primero y que más pesa sobre el
resto es el precio, la imposibilidad de trabajar en ambientes industriales en forma continuada, la
necesidad de elaborar un procedimiento de medida un tanto complicado, y la necesidad de personal
muy cualificado. De entre estos métodos destacan dos:
C1.- Anemometría de Hilo Caliente ( CTA, Constant Temperature Anemometry )
C2.- Anemometría Laser ( LDA, Laser Doppler Anemometry )
Normalmente estos sistemas se restringen a departamentos de I+D de grandes empresas, o a
laboratorios de Investigación, cualquiera de los equipos anteriores sobrepasa la decena de millones de
pesetas, siento el láser significativamente más caro.
Medidadeflujoypresión
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6.3.C1.- Anemometría de Hilo Caliente ( CTA, Constan Temperature Anemometry )
Velocity U
Current I
Sensor (thin wire)
Sensor dimensions:
length ~1 mm
diameter ~5 micrometer
Wire supports
(St.St. needles)
Se basa en el siguiente principio: Se hace pasar una
corriente por un hilo muy fino. El paso de la corriente
hace que se caliente. El hilo se refrigera por el paso
de fluido, por convección. Así, la “cantidad” de
enfriamiento será función de la velocidad del fluido.
Cuando un conductor se calienta varía su resistencia,
así variaciones en la velocidad del fluido producirán
variaciones en la refrigeración del hilo, y por tanto en
su temperatura, la cual afecta a la resistencia. Así, de
forma electrónica el anemómetro intenta mantener
constante la temperatura del hilo, y para ello controla
la corriente que circula por el hilo. La medida de esa
corriente la podemos correlacionar con la velocidad
del fluido.
Existen un gran número de probetas con diferentes
disposiciones de los hilos de medida, con dos tres y
hasta cinco hilos combinados para determinar
velocidades en 3D, diferentes fases, etc...
Medidadeflujoypresión
13/64
Principio de Funcionamiento Del CTA
Equipo Completo de Anemometria de Hilo Caliente
Medidadeflujoypresión
14/64
6.3.C2.- Anemometría Láser ( LDA, Laser Doppler Anemometry )
Esquema del principio de funcionamiento del equipo de
anemometría láser
Medidadeflujoypresión
15/64
El principio de funcionamiento es sencillo. Dos haces láser inciden sobre un punto de medida, creando
una zona de medida formada por franjas de interferencia de alto contraste de separación conocida.
Cuando una partícula pasa a través de dicha zona, la partícula emitirá pulsos de luz al pasar por las
franjas luminosas. Al captar esta señal en un fotodiodo podremos calcular la frecuencia de estas
señales y, por lo tanto, la velocidad de la partícula.
Flow with particles
d (known) t (measured)
Signal
Time
Laser
Bragg
Cell backscattered light
measuring volume
Detector
Processor
Medidadeflujoypresión
16/64
Laser (Ar -ion)+
60X41
4 ×
60X24
60X61
Láser Transmisor y receptor
del haz láser a las
sondas de medida
Sonda de
Medida
Volumen de
Medida
Medidadeflujoypresión
17/64
Equipo de Anemometría Láser
Medidadeflujoypresión
18/64
6.4.- Tipos principales de medidores de flujos
A.-Caudalímetros de Área Constante
A1.- Diafragma
A2.- Toberas
A3.- Tubo de Venturi
Este tipo de Caudalímetro se caracteriza por aprovechar el cambio entre el aumento de la energía cinética
y la consecuente disminución de la presión.
1
2
Reducción del
área de paso
• Precisión ±2%
• Rango de medida limitado (3:1)
• Pérdida de presión alta
• Económicos
• No es necesaria calibración
• 40% del mercado
Medidadeflujoypresión
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A1.- Diafragmas (ISO 5167-1)
Se trata de una placa de metal
interpuesta en la tubería, con un
agujero normalizado a través del cual
se produce el salto de presiones que se
medirán como en los casos anteriores.
Se produce una pérdida de presión
muy importante y es muy sensible al
tipo de flujo aguas arriba, pero es el
sistema más barato.
Medidadeflujoypresión
20/64
2211 .. AVAV =
2
1
12 .
A
A
VV =
Por la ecuación de conservación de la masa:
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=−=− 1
2
.
2
1
22
2
2
1
2
12
1
2
2
1
1
2
1
2
221
A
A
g
V
V
A
A
V
gg
V
g
VPP
γγ
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−
=
1
.2
2
2
1
21
2
1
A
A
PP
g
V
γγ
( )212
2
1
1 .
2
.
1
1
PP
g
A
A
V −
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
γ
( )212
1
2
2 .
2
.
1
1
PP
g
A
A
V −
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−
=
γ
( )21
2
1
2
2
22 .
2
.
1
PP
g
A
A
A
VAQ −
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−
==
γ
Caudal Teórico
Como Q1=Q2
2
2
22
1
2
11
22
z
g
VP
z
g
VP
++=++
γγ
Utilizando Bernoulli entre ambos puntos:
g
V
g
VPP
22
2
1
2
221 −=−
γγ
Medidadeflujoypresión
21/64
( ) ( )21
2
1
2
2
22 .
2
.
1
.
.. PP
g
A
A
AC
VCAQ v
vreal −
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−
==
γ
Se ha de tener en cuenta las pérdidas, que no hemos considerado en la ecuación de Bernoulli,
eso se consigue mediante la introducción de una parámetro adimensional,Cv , que afecta a la
velocidad:
Cv oscila entre un valor de 0.95 y una valor ligeramente superior a la unidad, pero como regla
general podemos tomar un valor de 0.98.
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−
=
2
1
2
2
1
.
A
A
AC
C v
qSi definimos el Coeficiente de Caudal como:
( )212 .
2
.. PP
g
ACQ qreal −=
γ
Medidadeflujoypresión
22/64
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−=
γγ
21
2 .2..
PP
gACQ qreal
Como resulta habitual en ciertas aplicaciones medir la presión como la altura de columna de agua
encima de los puntos 1 y 2 la expresión se puede escribir como:
( )212 .2.. hhgACQ qreal −=
En verdad Cq no es una variable que englobe a las otras, sino que se convierte en una verdadera
constante experimental que se determina por ensayo para cada caudalímetro, y lo proporciona el
fabricante.
Esto es debido a que además es necesario corregir las hipótesis de flujo incompresible y no viscoso, así
como la sinplificación de vena contracta realizadas en la ecuación de Bernoulli.
Lo que se hace es tarar el instrumento, obteniendo experimentalmente una curva Cq=f(Re)
Medidadeflujoypresión
23/64
A2.- Toberas
El principio de funcionamiento es idéntico
al del diafragma, convirtiendo energía
potencial en cinética, midiendo la
depresión entre el flujo aguas arriba y el
flujo en la tobera. Si se mira en la figura se
ve que la toma de baja presión se realiza
en la parte baja. Experimentalmente se ha
comprobado que la presión es ese punto
coincide con la que existe en el punto
medio de la tobera. La constnate de
caudal Cq variará, y tendrá valores
diferentes a los que tiene el Venturi, pero
la expresión genérica para el cálculo es la
misma.
La pérdida de presuón es menos
importante, pero su coste es superior
( )212 .2.. hhgACQ qreal −=( )21
2
1
2
2 .
2
.
1
.
PP
g
A
A
AC
Q v
real −
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−
=
γ
Medidadeflujoypresión
24/64
A1.- Tubo Venturi.
Esquema de un Tubo Venturi Esquema de un Tubo Venturi Industrial
Tiene la pérdida de presión más reducida,
sin embargo es el sistema más grande y
de mayor coste.
Es poco sensible al tipo de flujo aguas
arriba
Medidadeflujoypresión
25/64
Medidadeflujoypresión
26/64
Tabla Comparativa de los tres sistema de medida de aria constante: Venturi, Toberas ( nozzle ), y
diafragmas ( Orifice )
Medidadeflujoypresión
27/64
Tipos y características de los diafragmas
Disposición estándar del diafragma y posición de las tomas de presión normalizadas
Medidadeflujoypresión
28/64
Una de las diferencias más importantes
entre los tres sistemas es la caída de
presión que introduce el sistema de
medida en la tubería, aunque esta se
puede recuperar, en general suele ser
uno de los factores determinantes en la
elección entre los tres sistemas. Como
se puede ver, el diafragma y la tobera
tiene una gran caída de presión,
mientras que el venturi introduce una
caída mucho menor. El venturi cuando
más larga sea la parte convergente,
menores pérdidas tendrá.
El otro factor determinante será la
economía, así como el tipo de flujo a
medir, el diámetro de la tubería, etc...
Relación entre diámetros de garganta y de la tubería principal.
Medidadeflujoypresión
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Tabla Comparativa de los tres sistema de mediad de aria constante: Venturi, Toberas ( nozzle ), y
diafragmas ( Orifice )
Medidadeflujoypresión
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B.-Caudalímetros de Área Variable ( Rotámetros )
En general podemos decir que un medidor de área variable no es más que un sistema en el que el
flujo arrastra un flotador. El flotador está sometido a tres tipos de fuerza, el peso propio, hacia
abajo, y el empuje más el arrastre del propio fluido ambos hacia arriba. Cuando se alcanza el
equilibrio se puede correlacionar la velocidad del fluido y la posición del flotador. Como el área es
conocida, podemos deducir el caudal que pasa.
Medidadeflujoypresión
31/64
Existen una gran variedad de modelos de
rotámetros, cada uno indicado para un
caudal, naturaleza del fluido, y
condiciones de utilización. En general los
podemos dividir en:
• Rotámetros de Purga
• Rotámetros de indicación directa
• Rotámetros armados con indicación
magnética, neumática o eléctrica
• Rotámetros de Bypass
Su aplicación es importante en tuberias
de menos de 100 mm de diámetro.
Características:
• Simple y robusto
• Pequeña pérdida de presión
• Rango de aplicación de 10:1
• Resiste alta temperatura (400 ºC) y
presión (40 bar)
• Precisión del 1% - 4%
Medidadeflujoypresión
32/64
Rotámetro de Purga: Es un rotámetro
con una válvula de aguja añadida. El
rotámetro se coloca en paralelo a la
tubería principal.
Medidadeflujoypresión
33/64
Medidadeflujoypresión
34/64
Medidadeflujoypresión
35/64
C.-Caudalímetros Mecánicos
C1.- Turbinas
C2.- Desplazamiento Positivo
C1.- Turbinas
Se trata de un rotor con paletas que gira
libremente en el interior de el conducto. La
velocidad de giro de la turbina es
proporcional al caudal volumétrico que
trasiega. Existen dos tipos principalmente:
• Turbinas tipo Reluctivo
• Turbinas tipo Inductivo
Sistema de equilibrado
Medidadeflujoypresión
36/64
Las turbinas se dividen según los tipos de convertidores de la señal para captar la señal de velocidad. Los
del tipo reluctancia, un bobina exterior capta la interacción de las paletas sobre un imán exterior
permanente. El paso de las paletas cambia el circuito magnético, provocando un campo eléctrico en la
bobina proporcional al giro de las paletas. La del tipo inductivo , es el rotor el que lleva incorporado un imán
permanente. EL campo magnético giratorio origina una corriente en la bobina exterior, proporcional al giro.
Medidadeflujoypresión
37/64
Medidadeflujoypresión
38/64
Medidadeflujoypresión
39/64
C2.- Desplazamiento Positivo
C2.1.- De disco oscilante
C2.2.- De pistón oscilante
C2.3.- De pistón Alternativo
C2.4.- Rotativos
C2.1.- De disco oscilante
Induce un par de giro en el vástago
superior. El par es pequeño, pero suficiente
como para transmitir la información del giro
del disco. El caudal trasegado será
proporcional al giro.
Precisión: +/- 1-2 %
Caudal máximo: 600 l/min
Diámetro Tubería: Hasta 2 “
Medidadeflujoypresión
40/64
C2.2.- De pistón oscilante
Dispone de un par bastante elevado.
Precisión: +/- 1-2 % pero puede llegar a 0.5 %
Caudal máximo: 600 l/min
Medidadeflujoypresión
41/64
C2.3.- De pistón Alternativo
Precisión: +/- 0.5 %
Caudal: 4-250 l/min
Se trata de uno de los primeros medidores
construidos, son caros, difíciles de reparar y un tanto
en desuso.
Medidadeflujoypresión
42/64
C2.4.- Rotativos
Los rotativos son sistemas que introducen válvulas rotativas que giran de forma excéntrica,rozando
con las paredes, las cuales giran transportando líquido.
C2.4.1.- Cicliodales
Son dos lóbulos que giran en ejes fijos, transportando fluido de
forma continua y siempre en la misma cantidad.
Precisión: +/- 1 %
Caudal máximo: [30-60000] l/min
Diámetro Tubería: 2 “- 24 ”
Medidadeflujoypresión
43/64
C2.4.2.- Birrotor
Precisión: +/- 0.2 %
Caudal máximo: [0-65000] l/min
Diámetro Tubería: 3 “- 12 ”
Muy usado en la industria del petróleo. Ambos
engranajes no tienen contacto mecánico así mantienen
una vida útil muy elevada.
Medidadeflujoypresión
44/64
C2.4.3.- Medidores Ovales
Precisión: +/- 0.5 %
Caudal máximo: [-] l/min
Diámetro Tubería: 0.5 “- 3 ”
Se construyen en casi todos los materiales, y están
ampliamente implantados tanto en la industria como en
el uso doméstico
Medidadeflujoypresión
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D.-Otros medidores de Caudal Volumétrico
Existen una gran variedad de dispositivos que sirven para medir caudal. La lista sería interminable. A
continuación vamos a citar los sistemas en los que se basan los más extendidos y habituales.
D.1.- Vortex
Para Reynolds moderados y
elevados, si el fluido pasa por un
obstáculo, creará torbellinos a su
paso, tal como indica la figura.
Medidadeflujoypresión
46/64
La frecuencia del torbellino es proporcional a
la velocidad del fluido, según la expresión:
v
df
St
.
=
St: nº de Strouhal
f: Frecuencia del torbellino
d: Ancho del torbellino
V: Velocidad del fluido
El número de Struhal se mantiene constante si nos movemos en el rango del Reynolds [ 10.000 –
1.000.000], d lo proporciona el fabricante, y es proporcional al ancho del obstáculo que produce el
torbellino. Así:
St
df
v
.
= Kf
St
df
AvAQ .
.
.. === EL caudal es proporcional a la
frecuencia.
Medidadeflujoypresión
47/64
La detección de la frecuencia se
realiza mediante sensores de
presión piezométricos que detectan
los picos de presión creados por el
torbellino, o bien con resistencias de
baja inercia térmica que aprovechan
el efecto refrigerante del aumento de
la velocidad creada por el torbellino
en la región de cola.
Medidadeflujoypresión
48/64
Otro sistema alternativo es aprovechar la variación en la fuerza de empuje creada por los remolinos:
Sensor
piezoeléctrico
Medidadeflujoypresión
49/64
Medidadeflujoypresión
50/64
D.2.- ElectroMagnéticos
Se basan en la ley de de inducción electromegnética de Faraday, el voltaje inducido entre dos puntos de
un conductor , en este caso el fluido, que se mueve perpendicularmente a las líneas de flujo de un
campo magnético es proporcional a la velocidad del conductor.
EL caudalímetro lo que mide es el voltaje
inducido entre ambos electrodos.
Medidadeflujoypresión
51/64
Medidadeflujoypresión
52/64
D.3.- Ultrasonidos
Existen dos tipos:
Por tiempo de tránsito: Los medidores de
ultrasonidos por tiempo de tránsito se basan en
la velocidad de recepción de los ultrasonidos
entre un emisor y un receptor. Los ultrasonidos
viajarán más rápidamente en el sentido de
avance del fluido. Midiendo el retraso entre
ambos receptores se puede encontrar la
velocidad del mismo.
Por efecto Doppler: Los medidores de
ultrasonidos por efecto Doppler se basan en el
cambio de la frecuencia de las ondas
ultrasónicas debidas a la velocidad del medio por
el que se propagan.
Medidadeflujoypresión
53/64
Medidadeflujoypresión
54/64
D.3.- Coriolis
Se basan en la fuerza de coriolis que aparece en el fluido cuando pasa a través de un tubo,
normalmente en U, al se le somete a una vibración muy controlada.
Medidadeflujoypresión
55/64
Medidadeflujoypresión
56/64
Medidadeflujoypresión
57/64
Medidadeflujoypresión
58/64
Medidadeflujoypresión
59/64
6.5.- Introducción a la medida de la presión
• Tipos de presión
Absoluta
Relativa
Diferencial
• Unidades
1 Pa=10-5 bar
1 psi=6.9 Kpa
• Medida a partir de la deformación de un elemento elástico
Diafragma plano Cápsula Tubo de Bourdon
Medidadeflujoypresión
60/64
6.6.- Manómetros y barómetros
• Industrialmente tan solo se utilizan los manómetros
• Los más utilizados son los de Bourdon:
Económicos
Alta presión
Baja precisión
Medidadeflujoypresión
61/64
6.7.- Transductores de presión
A. Transductores capacitivos
• Un diafragma metálico o de silicio constituye un electrodo de un condensador
• La medida de la capacitancia dependerá de la distancia entre los electrodos
Medidadeflujoypresión
62/64
6.7.- Transductores de presión
A. Transductores capacitivos
• Amplio rango de medida: 10-3 Pa – 108 Pa
• Alta precisión 0.1%
• Alta resistencia (temperatura, vibraciones, etc)
• Precio elevado
Medidadeflujoypresión
63/64
6.7.- Transductores de presión
B. Transductores piezoresistivos
• Utilizan materiales piezoresistivos (su resistencia eléctrica varía con la presión)
• El material más utilizado es el silicio (transductor integrado en un chip)
Medidadeflujoypresión
64/64
6.7.- Transductores de presión
B. Transductores piezoresistivos
• Son los más utilizados (80% del mercado)
• El silicio es el material piezo resistivo más
utilizado por su alta elasticidad y coeficiente
piezoresistivo
• Necesidad de corrección de la medida por
temperatura
• Amplio rango de medida: 103 Pa – 108 Pa
• Alta precisión 0.1% (0.5% real)
• Precio reducido

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  • 1. Medidadeflujoypresión 1/64 MEDICIÓN DE FLUJO Y PRESIÓN 6.1.- Introducción a la metrología: Calibración y medida de los errores 6.2.- Introducción a la medida de flujos 6.3.- Sondas de Velocidad 6.4.- Tipos principales de medidores de flujos 6.5.- Introducción a la medida de la presión 6.6.- Manómetros y barómetros 6.7.- Transductores de presión Medidadeflujoypresión 2/64 Los errores son inherentes a cualquier sistema la medida. Podemos consideramos de partida que estos aparatos están calibrados, y por tanto se han eliminado de ellos todos los errores sistemáticos, pero aún así, siempre existen errores que es imposible eliminar, asociados al mismo aparato, como a la forma de medir. Por tanto, debemos partir siempre de esta base, la medida que obtenemos siempre conllevará cierto error. Lo que debemos hacer es intentar cuantificarlo y acotarlo, para así que me resulten de utilidad los resultados obtenidos. 6.1.- Introducción a la metrología: Calibración y medida de los errores Veamos una serie de conceptos que son de utilidad, y que no siempre están bien definidos o utilizados. No es lo mismo un instrumento preciso que uno exacto. Un instrumento exacto es un instrumento que proporciona una medida que como término medio se acerca mucho al valor real, en cambio, un instrumento preciso es un instrumento que proporciona medidas poco dispersas, es decir, proporciona un alto grado de ‘repetibilidad’ . Podemos tener un instrumento muy preciso que nos proporcione una lectura erronea, pero que si repetimos la medida muchas veces, siempre nos de el mismo valor, o muy parecido, eso es un instrumento preciso. En el esquema de la figura se explica la diferencia entre exactitud y precisión
  • 2. Medidadeflujoypresión 3/64 Para medir la exactitud debemos comparar el valor promedio con el real, mientras que para medir la precisión debemos comparar las medidas con las medida promedio Podemos definir: • Exactitud: Grado de cercanía de la lectura de un instrumento de medida respecto al valor verdadero de la variable medida. • Precisión: Grado de repetibilidad de las mediciones. Seria la medida de la dispersión de medidas sucesivas respecto a la medida promedio de todas ellas • Incertidumbre: grado de exactitud, seguridad o confianza con que fue hecha la medición. • Error: Diferencia absoluta entre el valor verdadero y el valor medido. Así, cuando midamos una magnitud con instrumento, lo haremos repetidas veces, para así poder proporcionar un valor promedio: ∑= = N i ir N r 1 1 Y una medida de la dispersión: ∑ − − = = N i i r N rr 1 2 1 )( σ Medidadeflujoypresión 4/64 Así, podemos dar el valor de la medida como rrr σ±= Como podemos ver, podemos proporcionar la precisión de la medida, ya que sólo depende de un análisis estadístico, pero no su exactitud, ya que para ello deberíamos conocer la del valor que queremos saber. Cuando se calibra un instrumento de medida, lo que se hace es comprobar el valor medido sobre una referencia patrón.
  • 3. Medidadeflujoypresión 5/64 6.2.- Introducción a la medida de flujos 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. Medidadeflujoypresión 6/64 6.3.- Sondas de la Velocidad 6.3.A.- Tubo de Pitot 0 2 00 1 2 11 22 z g VP z g VP ++=++ γγ Punto de Estancamiento V1=0 g VPP 2 2 001 += γγ 2 2 22 1 2 11 22 z g VP z g VP ++=++ γγ V2=0V1=0 Patm lzz P =−= 12 1 γ Donde se ve que p1 será la presión total o presión de estancamiento, que tiene en cuenta tanto la presión estática como la presión dinámica producida por la velocidad. Si conocemos la presión estática en el punto 0 podríamos saber cual es el valor de la velocidad en el conducto. ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −=⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= γγγ 001 0 .2.2 P lg PP gV
  • 4. Medidadeflujoypresión 7/64 6.3.B.- Tubo de Prandtl Como se ha visto, el tubo de Pitot nos permite medir velocidades, pero necesitamos conocer la presión estática de la tubería. Así, a Prandtl se le ocurrió la idea de unir en un mismo dispositivo el tubo de Pitot y un medidor de presión, con lo que tener en un único dispositivo todo lo necesario para conocer la velocidad. Así, lo que comúnmente conocemos como tubo de Pitot en realidad es un tubo de Prandtl. Tubo de Pitot Orificios que permiten determinar la presión estática del fluido ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= γγ estáticacamientoes PP gV tan 0 .2 En verdad, no nos interesa conocer la presión de estancamiento o la estática, sino solamente la diferencia entre ambas. Pestancamiento Pestática Medidadeflujoypresión 8/64 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= γγ estáticacamientoes v PP gCV tan 0 .2. Así, con un manómetro diferencial que nos proporcione el valor de la diferencia podríamos obtener el valor de la velocidad del fluido. En verdad, la velocidad calculada de forma teórica no coincide exactamente con la real, se ha de multiplicar por un coeficiente experimental de la velocidad, Cv , el cual puede oscilar alrededor de la unidad. Esquema de funcionamiento de un Tubo de Pitot Comercial Esquema de un Tubo de Pitot Comercial Instalado
  • 5. Medidadeflujoypresión 9/64 Recordemos que la medida de la velocidad se realiza en un único punto, pero en las tuberías la velocidad no es uniforme en todos los puntos sino que tiene cierto perfil. Por tanto, deberemos hacer una serie de medidas para poder determinar el perfil de velocidades, y así poder promediarlo y obtener una velocidad media. Existen ciertos tubos de Pitot que ya hacen por si mismo el promediado, introduciendo una serie de orificios distribuidos a lo largo del diámetro de la tubería, calculando ya una velocidad promedio directamente. Medidadeflujoypresión 10/64 Tubo de Pitot Comercial
  • 6. Medidadeflujoypresión 11/64 6.3.C- Otras Sondas de Velocidad Existen otros métodos de determinar la velocidad en un punto de un fluido más sofisticados y mucho más precisos, pero tienen varios inconvenientes a nivel industrial, el primero y que más pesa sobre el resto es el precio, la imposibilidad de trabajar en ambientes industriales en forma continuada, la necesidad de elaborar un procedimiento de medida un tanto complicado, y la necesidad de personal muy cualificado. De entre estos métodos destacan dos: C1.- Anemometría de Hilo Caliente ( CTA, Constant Temperature Anemometry ) C2.- Anemometría Laser ( LDA, Laser Doppler Anemometry ) Normalmente estos sistemas se restringen a departamentos de I+D de grandes empresas, o a laboratorios de Investigación, cualquiera de los equipos anteriores sobrepasa la decena de millones de pesetas, siento el láser significativamente más caro. Medidadeflujoypresión 12/64 6.3.C1.- Anemometría de Hilo Caliente ( CTA, Constan Temperature Anemometry ) Velocity U Current I Sensor (thin wire) Sensor dimensions: length ~1 mm diameter ~5 micrometer Wire supports (St.St. needles) Se basa en el siguiente principio: Se hace pasar una corriente por un hilo muy fino. El paso de la corriente hace que se caliente. El hilo se refrigera por el paso de fluido, por convección. Así, la “cantidad” de enfriamiento será función de la velocidad del fluido. Cuando un conductor se calienta varía su resistencia, así variaciones en la velocidad del fluido producirán variaciones en la refrigeración del hilo, y por tanto en su temperatura, la cual afecta a la resistencia. Así, de forma electrónica el anemómetro intenta mantener constante la temperatura del hilo, y para ello controla la corriente que circula por el hilo. La medida de esa corriente la podemos correlacionar con la velocidad del fluido. Existen un gran número de probetas con diferentes disposiciones de los hilos de medida, con dos tres y hasta cinco hilos combinados para determinar velocidades en 3D, diferentes fases, etc...
  • 7. Medidadeflujoypresión 13/64 Principio de Funcionamiento Del CTA Equipo Completo de Anemometria de Hilo Caliente Medidadeflujoypresión 14/64 6.3.C2.- Anemometría Láser ( LDA, Laser Doppler Anemometry ) Esquema del principio de funcionamiento del equipo de anemometría láser
  • 8. Medidadeflujoypresión 15/64 El principio de funcionamiento es sencillo. Dos haces láser inciden sobre un punto de medida, creando una zona de medida formada por franjas de interferencia de alto contraste de separación conocida. Cuando una partícula pasa a través de dicha zona, la partícula emitirá pulsos de luz al pasar por las franjas luminosas. Al captar esta señal en un fotodiodo podremos calcular la frecuencia de estas señales y, por lo tanto, la velocidad de la partícula. Flow with particles d (known) t (measured) Signal Time Laser Bragg Cell backscattered light measuring volume Detector Processor Medidadeflujoypresión 16/64 Laser (Ar -ion)+ 60X41 4 × 60X24 60X61 Láser Transmisor y receptor del haz láser a las sondas de medida Sonda de Medida Volumen de Medida
  • 9. Medidadeflujoypresión 17/64 Equipo de Anemometría Láser Medidadeflujoypresión 18/64 6.4.- Tipos principales de medidores de flujos A.-Caudalímetros de Área Constante A1.- Diafragma A2.- Toberas A3.- Tubo de Venturi Este tipo de Caudalímetro se caracteriza por aprovechar el cambio entre el aumento de la energía cinética y la consecuente disminución de la presión. 1 2 Reducción del área de paso • Precisión ±2% • Rango de medida limitado (3:1) • Pérdida de presión alta • Económicos • No es necesaria calibración • 40% del mercado
  • 10. Medidadeflujoypresión 19/64 A1.- Diafragmas (ISO 5167-1) Se trata de una placa de metal interpuesta en la tubería, con un agujero normalizado a través del cual se produce el salto de presiones que se medirán como en los casos anteriores. Se produce una pérdida de presión muy importante y es muy sensible al tipo de flujo aguas arriba, pero es el sistema más barato. Medidadeflujoypresión 20/64 2211 .. AVAV = 2 1 12 . A A VV = Por la ecuación de conservación de la masa: ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ =−=− 1 2 . 2 1 22 2 2 1 2 12 1 2 2 1 1 2 1 2 221 A A g V V A A V gg V g VPP γγ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = 1 .2 2 2 1 21 2 1 A A PP g V γγ ( )212 2 1 1 . 2 . 1 1 PP g A A V − ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = γ ( )212 1 2 2 . 2 . 1 1 PP g A A V − ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = γ ( )21 2 1 2 2 22 . 2 . 1 PP g A A A VAQ − ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − == γ Caudal Teórico Como Q1=Q2 2 2 22 1 2 11 22 z g VP z g VP ++=++ γγ Utilizando Bernoulli entre ambos puntos: g V g VPP 22 2 1 2 221 −=− γγ
  • 11. Medidadeflujoypresión 21/64 ( ) ( )21 2 1 2 2 22 . 2 . 1 . .. PP g A A AC VCAQ v vreal − ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − == γ Se ha de tener en cuenta las pérdidas, que no hemos considerado en la ecuación de Bernoulli, eso se consigue mediante la introducción de una parámetro adimensional,Cv , que afecta a la velocidad: Cv oscila entre un valor de 0.95 y una valor ligeramente superior a la unidad, pero como regla general podemos tomar un valor de 0.98. ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = 2 1 2 2 1 . A A AC C v qSi definimos el Coeficiente de Caudal como: ( )212 . 2 .. PP g ACQ qreal −= γ Medidadeflujoypresión 22/64 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= γγ 21 2 .2.. PP gACQ qreal Como resulta habitual en ciertas aplicaciones medir la presión como la altura de columna de agua encima de los puntos 1 y 2 la expresión se puede escribir como: ( )212 .2.. hhgACQ qreal −= En verdad Cq no es una variable que englobe a las otras, sino que se convierte en una verdadera constante experimental que se determina por ensayo para cada caudalímetro, y lo proporciona el fabricante. Esto es debido a que además es necesario corregir las hipótesis de flujo incompresible y no viscoso, así como la sinplificación de vena contracta realizadas en la ecuación de Bernoulli. Lo que se hace es tarar el instrumento, obteniendo experimentalmente una curva Cq=f(Re)
  • 12. Medidadeflujoypresión 23/64 A2.- Toberas El principio de funcionamiento es idéntico al del diafragma, convirtiendo energía potencial en cinética, midiendo la depresión entre el flujo aguas arriba y el flujo en la tobera. Si se mira en la figura se ve que la toma de baja presión se realiza en la parte baja. Experimentalmente se ha comprobado que la presión es ese punto coincide con la que existe en el punto medio de la tobera. La constnate de caudal Cq variará, y tendrá valores diferentes a los que tiene el Venturi, pero la expresión genérica para el cálculo es la misma. La pérdida de presuón es menos importante, pero su coste es superior ( )212 .2.. hhgACQ qreal −=( )21 2 1 2 2 . 2 . 1 . PP g A A AC Q v real − ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = γ Medidadeflujoypresión 24/64 A1.- Tubo Venturi. Esquema de un Tubo Venturi Esquema de un Tubo Venturi Industrial Tiene la pérdida de presión más reducida, sin embargo es el sistema más grande y de mayor coste. Es poco sensible al tipo de flujo aguas arriba
  • 13. Medidadeflujoypresión 25/64 Medidadeflujoypresión 26/64 Tabla Comparativa de los tres sistema de medida de aria constante: Venturi, Toberas ( nozzle ), y diafragmas ( Orifice )
  • 14. Medidadeflujoypresión 27/64 Tipos y características de los diafragmas Disposición estándar del diafragma y posición de las tomas de presión normalizadas Medidadeflujoypresión 28/64 Una de las diferencias más importantes entre los tres sistemas es la caída de presión que introduce el sistema de medida en la tubería, aunque esta se puede recuperar, en general suele ser uno de los factores determinantes en la elección entre los tres sistemas. Como se puede ver, el diafragma y la tobera tiene una gran caída de presión, mientras que el venturi introduce una caída mucho menor. El venturi cuando más larga sea la parte convergente, menores pérdidas tendrá. El otro factor determinante será la economía, así como el tipo de flujo a medir, el diámetro de la tubería, etc... Relación entre diámetros de garganta y de la tubería principal.
  • 15. Medidadeflujoypresión 29/64 Tabla Comparativa de los tres sistema de mediad de aria constante: Venturi, Toberas ( nozzle ), y diafragmas ( Orifice ) Medidadeflujoypresión 30/64 B.-Caudalímetros de Área Variable ( Rotámetros ) En general podemos decir que un medidor de área variable no es más que un sistema en el que el flujo arrastra un flotador. El flotador está sometido a tres tipos de fuerza, el peso propio, hacia abajo, y el empuje más el arrastre del propio fluido ambos hacia arriba. Cuando se alcanza el equilibrio se puede correlacionar la velocidad del fluido y la posición del flotador. Como el área es conocida, podemos deducir el caudal que pasa.
  • 16. Medidadeflujoypresión 31/64 Existen una gran variedad de modelos de rotámetros, cada uno indicado para un caudal, naturaleza del fluido, y condiciones de utilización. En general los podemos dividir en: • Rotámetros de Purga • Rotámetros de indicación directa • Rotámetros armados con indicación magnética, neumática o eléctrica • Rotámetros de Bypass Su aplicación es importante en tuberias de menos de 100 mm de diámetro. Características: • Simple y robusto • Pequeña pérdida de presión • Rango de aplicación de 10:1 • Resiste alta temperatura (400 ºC) y presión (40 bar) • Precisión del 1% - 4% Medidadeflujoypresión 32/64 Rotámetro de Purga: Es un rotámetro con una válvula de aguja añadida. El rotámetro se coloca en paralelo a la tubería principal.
  • 18. Medidadeflujoypresión 35/64 C.-Caudalímetros Mecánicos C1.- Turbinas C2.- Desplazamiento Positivo C1.- Turbinas Se trata de un rotor con paletas que gira libremente en el interior de el conducto. La velocidad de giro de la turbina es proporcional al caudal volumétrico que trasiega. Existen dos tipos principalmente: • Turbinas tipo Reluctivo • Turbinas tipo Inductivo Sistema de equilibrado Medidadeflujoypresión 36/64 Las turbinas se dividen según los tipos de convertidores de la señal para captar la señal de velocidad. Los del tipo reluctancia, un bobina exterior capta la interacción de las paletas sobre un imán exterior permanente. El paso de las paletas cambia el circuito magnético, provocando un campo eléctrico en la bobina proporcional al giro de las paletas. La del tipo inductivo , es el rotor el que lleva incorporado un imán permanente. EL campo magnético giratorio origina una corriente en la bobina exterior, proporcional al giro.
  • 20. Medidadeflujoypresión 39/64 C2.- Desplazamiento Positivo C2.1.- De disco oscilante C2.2.- De pistón oscilante C2.3.- De pistón Alternativo C2.4.- Rotativos C2.1.- De disco oscilante Induce un par de giro en el vástago superior. El par es pequeño, pero suficiente como para transmitir la información del giro del disco. El caudal trasegado será proporcional al giro. Precisión: +/- 1-2 % Caudal máximo: 600 l/min Diámetro Tubería: Hasta 2 “ Medidadeflujoypresión 40/64 C2.2.- De pistón oscilante Dispone de un par bastante elevado. Precisión: +/- 1-2 % pero puede llegar a 0.5 % Caudal máximo: 600 l/min
  • 21. Medidadeflujoypresión 41/64 C2.3.- De pistón Alternativo Precisión: +/- 0.5 % Caudal: 4-250 l/min Se trata de uno de los primeros medidores construidos, son caros, difíciles de reparar y un tanto en desuso. Medidadeflujoypresión 42/64 C2.4.- Rotativos Los rotativos son sistemas que introducen válvulas rotativas que giran de forma excéntrica,rozando con las paredes, las cuales giran transportando líquido. C2.4.1.- Cicliodales Son dos lóbulos que giran en ejes fijos, transportando fluido de forma continua y siempre en la misma cantidad. Precisión: +/- 1 % Caudal máximo: [30-60000] l/min Diámetro Tubería: 2 “- 24 ”
  • 22. Medidadeflujoypresión 43/64 C2.4.2.- Birrotor Precisión: +/- 0.2 % Caudal máximo: [0-65000] l/min Diámetro Tubería: 3 “- 12 ” Muy usado en la industria del petróleo. Ambos engranajes no tienen contacto mecánico así mantienen una vida útil muy elevada. Medidadeflujoypresión 44/64 C2.4.3.- Medidores Ovales Precisión: +/- 0.5 % Caudal máximo: [-] l/min Diámetro Tubería: 0.5 “- 3 ” Se construyen en casi todos los materiales, y están ampliamente implantados tanto en la industria como en el uso doméstico
  • 23. Medidadeflujoypresión 45/64 D.-Otros medidores de Caudal Volumétrico Existen una gran variedad de dispositivos que sirven para medir caudal. La lista sería interminable. A continuación vamos a citar los sistemas en los que se basan los más extendidos y habituales. D.1.- Vortex Para Reynolds moderados y elevados, si el fluido pasa por un obstáculo, creará torbellinos a su paso, tal como indica la figura. Medidadeflujoypresión 46/64 La frecuencia del torbellino es proporcional a la velocidad del fluido, según la expresión: v df St . = St: nº de Strouhal f: Frecuencia del torbellino d: Ancho del torbellino V: Velocidad del fluido El número de Struhal se mantiene constante si nos movemos en el rango del Reynolds [ 10.000 – 1.000.000], d lo proporciona el fabricante, y es proporcional al ancho del obstáculo que produce el torbellino. Así: St df v . = Kf St df AvAQ . . .. === EL caudal es proporcional a la frecuencia.
  • 24. Medidadeflujoypresión 47/64 La detección de la frecuencia se realiza mediante sensores de presión piezométricos que detectan los picos de presión creados por el torbellino, o bien con resistencias de baja inercia térmica que aprovechan el efecto refrigerante del aumento de la velocidad creada por el torbellino en la región de cola. Medidadeflujoypresión 48/64 Otro sistema alternativo es aprovechar la variación en la fuerza de empuje creada por los remolinos: Sensor piezoeléctrico
  • 25. Medidadeflujoypresión 49/64 Medidadeflujoypresión 50/64 D.2.- ElectroMagnéticos Se basan en la ley de de inducción electromegnética de Faraday, el voltaje inducido entre dos puntos de un conductor , en este caso el fluido, que se mueve perpendicularmente a las líneas de flujo de un campo magnético es proporcional a la velocidad del conductor. EL caudalímetro lo que mide es el voltaje inducido entre ambos electrodos.
  • 26. Medidadeflujoypresión 51/64 Medidadeflujoypresión 52/64 D.3.- Ultrasonidos Existen dos tipos: Por tiempo de tránsito: Los medidores de ultrasonidos por tiempo de tránsito se basan en la velocidad de recepción de los ultrasonidos entre un emisor y un receptor. Los ultrasonidos viajarán más rápidamente en el sentido de avance del fluido. Midiendo el retraso entre ambos receptores se puede encontrar la velocidad del mismo. Por efecto Doppler: Los medidores de ultrasonidos por efecto Doppler se basan en el cambio de la frecuencia de las ondas ultrasónicas debidas a la velocidad del medio por el que se propagan.
  • 27. Medidadeflujoypresión 53/64 Medidadeflujoypresión 54/64 D.3.- Coriolis Se basan en la fuerza de coriolis que aparece en el fluido cuando pasa a través de un tubo, normalmente en U, al se le somete a una vibración muy controlada.
  • 30. Medidadeflujoypresión 59/64 6.5.- Introducción a la medida de la presión • Tipos de presión Absoluta Relativa Diferencial • Unidades 1 Pa=10-5 bar 1 psi=6.9 Kpa • Medida a partir de la deformación de un elemento elástico Diafragma plano Cápsula Tubo de Bourdon Medidadeflujoypresión 60/64 6.6.- Manómetros y barómetros • Industrialmente tan solo se utilizan los manómetros • Los más utilizados son los de Bourdon: Económicos Alta presión Baja precisión
  • 31. Medidadeflujoypresión 61/64 6.7.- Transductores de presión A. Transductores capacitivos • Un diafragma metálico o de silicio constituye un electrodo de un condensador • La medida de la capacitancia dependerá de la distancia entre los electrodos Medidadeflujoypresión 62/64 6.7.- Transductores de presión A. Transductores capacitivos • Amplio rango de medida: 10-3 Pa – 108 Pa • Alta precisión 0.1% • Alta resistencia (temperatura, vibraciones, etc) • Precio elevado
  • 32. Medidadeflujoypresión 63/64 6.7.- Transductores de presión B. Transductores piezoresistivos • Utilizan materiales piezoresistivos (su resistencia eléctrica varía con la presión) • El material más utilizado es el silicio (transductor integrado en un chip) Medidadeflujoypresión 64/64 6.7.- Transductores de presión B. Transductores piezoresistivos • Son los más utilizados (80% del mercado) • El silicio es el material piezo resistivo más utilizado por su alta elasticidad y coeficiente piezoresistivo • Necesidad de corrección de la medida por temperatura • Amplio rango de medida: 103 Pa – 108 Pa • Alta precisión 0.1% (0.5% real) • Precio reducido