Medición de caudal:
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.
Movimiento de fluidos:
El estudio del movimiento de los fluidos
se puede realizar a través de la dinámica como también de la energía que estos
tienen en su movimiento. Una forma de estudiar el movimiento es fijar la
atención en una zona del espacio, en un punto en un instante t, en el se
especifica la densidad, la velocidad y la presión del fluido. En ese punto se
examina lo que sucede con el fluido que pasa por él. Al movimiento de un fluido
se le llama “flujo” y dependiendo de las características de este se les puede
clasificar en:
(a) Flujo viscoso y no
viscoso: los flujos viscosos son aquellos que presentan resistencia al avance.
Todos los fluidos reales son viscosos.
(b) Flujo incompresible y
compresible: Los flujos incompresibles son aquellos en que la densidad (ρ =
Masa/Volumen) prácticamente permanece constante.
(c) Flujo laminar y
turbulento: en el flujo laminar, el fluido se desplaza en láminas o capas
paralelas. En el turbulento las partículas se mueven siguiendo trayectorias muy
irregulares.
(d) Flujo permanente: si las propiedades como
la densidad, la velocidad, la presión no cambian en el tiempo en un punto del
espacio, entonces se dice que el flujo es permanente, pudiendo cambiar de un
punto a otro.
Principios
de funcionamiento:
El
principio de funcionamiento hace referencia al 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.
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.
Clasificación de
los transductores y características:
Existen varios métodos para medir el caudal según
sea el tipo de fluido, la precisión deseada, el control requerido y el tipo de
caudal volumétrico o másico. En el presente capítulo, se nombrarán y se
explicarán algunos de ellos, dándole más importancia a los medidores volumétricos
que al los de caudal masa, pues los primeros son los que se utilizan más
frecuentemente.
•
Existen
numerosos tipos de medidores y transmisores:
Elementos deprimógenos
-
Transmisores
de presión
-
Másicos
(Coriolis)
-
Desprendimiento
de vórtices (Vortex)
-
Ultrasónicos
-
Electromagnéticos
-
Otros
Elementos deprimógenos:
Deprimógeno:
Se denomina así al elemento primario
cuya instalación produce una diferencia de presiones(pérdida de carga), que se
vincula con el caudal que circula, en una relación determinable. Los elementos
deprimógenos más usados son:
- Placa orificio
- Tuvo Venturi
- Boquilla / Codo
- Tubo Pitot / Annubar
- Cuña
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. En la (figura 1) se muestra la placa
orificio.
Figura 1.
Placa Orificio
Fuente: CREUS,A.
(2010). Instrumentación Industrial.
Ventajas
•
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.
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 2) se muestra el tubo venturi.
Figura 2. Tubo venturi.
Fuente: CREUS, A. (2010). Instrumentación Industrial.
Boquilla
y codo
Una boquilla es una restricción
con una sección de aproximación de contorno elíptico que termina en una
garganta de sección circular. Se mide la caída de presión entre un diámetro
aguas arriba y un diámetro y medio aguas abajo de la cañería. Las boquillas
proveen una caída de presión intermedia entre la placa orificio y el tubo
Venturi.En la (figura 3) se puede observar la boquilla y codo.
El codo produce un cambio de dirección en el flujo del fluido en una
cañería, generando una presión diferencial, resultante de la fuerza
centrífuga. Dado que en las plantas de procesos se dispone de codos, el
costo de estos medidores es muy bajo. Sin embargo la exactitud es muy pobre.
Figura 3. Boquilla y codo.
Fuente: instrumentación. Antonio Creus.
Annubar:
Es una versión mejorada 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. En la (figura 4) se muestra el dispositivo annubar.
Figura 4. Tubo Annubar.
Fuente: http://sagautomation.com/Files/Emerson/Measurement/measurementprod.html(2014)
Rotámetros:
Son medidores de caudal en tuberías de área variable, de caída de
presión constante. El Rotámetro consiste de un flotador (indicador) que se
mueve libremente dentro de un tubo vertical ligeramente cónico, con el extremo
angosto hacia abajo. El fluido entra por la parte inferior del tubo y hace que
el flotador suba hasta que el área anular entre él y la pared del tubo sea tal,
que la caída de presión de este estrechamiento sea lo suficientemente para
equilibrar el peso del flotador. El tubo es de vidrio y lleva grabado una
escala lineal, sobre la cual la posición del flotador indica el gasto o caudal.
En la (figura 5) se muestra diversos tipos de rotámetros.
Figura
5. Rotámetros.
Fuente: http://tarwi.lamolina.edu.pe/~dsa/Medidores.htm(2014).
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.
Tipos
de Caudalímetros:
(a)
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.
(b) 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 electrónicolo 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 reedswitch 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
reedswitch. También existe de tipo de caudalímetro de molino en versión
transparente donde solo se requiera confirmar que existe circulación sin
importar el caudal. En la (figura 6) se muestra el caudalimetro electronico de
molino.
Figura
6. Caudalimetros electrónicos de molino.
Fuente: http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf(2014).
(c) Magnéticos:
Están basados en la ley de Faraday que enuncia 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 y medimos su voltaje de extremo a extremo 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. En la
(figura 7) se muestra el caudalimetro magnético.
Figura 7. Caudalimetro magnético.
Fuente:http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf (2014).
(d) Vortex:
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.
En la figura 8 se muestra el caudalimetro de vortex.
(e)
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. En la (figura
9) se muestra el caudalimetro de ultrasonido.
Figura 8. Caudalimetro de vortex.
Fuente: http://www.iquimica.com/nota.asp?Id=1520
(2014).
Figura 9. (a) Caudalimetro de tiempo de vuelo. (b) Caudalimetro de
efecto doppler.
Fuente:http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf
(2014).
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.
(f) 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 a la medición. En la (figura 10) se muestra la medición de
caudal por diferencial de temperatura.
Figura
10. Medidor de temperatura.
Fuente:http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf
(2014).
Medidores de
desplazamiento positivo:
Los
medidores de desplazamiento positivo miden el caudal volumétrico contando o
integrando volúmenes separados del líquido. Las partes mecánicas de éstos
instrumentos se mueven aprovechando la energía del fluido en movimiento. La
precisión depende de los espacios entre las partes móviles y las fijas y
aumenta con la calidad de la mecanización y con el tamaño del instrumento.
Dentro de los medidores de desplazamiento positivo se encuentran: el medidor de
disco giratorio y el medidor de pistón alternativo.
Medidor de disco giratorio:
El instrumento está compuesto por una cámara circular con un disco plano
móvil el cual posee una ranura en la que está intercalada una placa fija. Esta
placa separa la entrada de la salida e impide el giro del disco durante el paso
del fluido. La cara baja del disco está siempre en contacto con la parte
inferior de la cámara, mientras que su parte superior roza con la parte
superior de la cámara en el lado opuesto. De este modo la cámara está dividida
en compartimientos separados de volumen conocido. Cuando pasa el fluido, el
disco toma un movimiento de giro inclinado como un trompo caído y su eje
transmite el movimiento a un tren de engranajes de un contador mecánico (figura
13). Este instrumento se utiliza en aplicaciones domésticas para la medición de
consumo de agua, se utiliza industrialmente en la medición de caudales de agua
fría, agua caliente, aceite y líquidos alimenticios. La precisión es de ±1% a 2
%. En la (figura 11) se muestra el medidor de caudal de disco giratorio.
Figura 11. Medidor de
disco giratorio.
Fuente:http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf
(2014).
Medidor de pistón alternativo:
El medidor de pistón convencional (figura 14) es el más antiguo de los
medidores de desplazamiento positivo. Básicamente, está compuesto por un
cilindro en donde se aloja el pistón y las válvulas que permiten la entrada y
salida del líquido en su interior. El instrumento se fabrica en muchas formas:
de varios pistones, pistones de doble acción, que son los que el líquido se
encuentra en ambas caras del pistón, válvulas rotativas, válvulas deslizantes
horizontales, etc. Algunos caudalímetros, en lugar de tener válvulas, poseen
lumbreras por donde entra y sale el líquido del cilindro, en este caso, es el
pistón quien se encarga de abrirlas o cerrarlas con su cara lateral. En la
(figura 12) se muestra el medidor de pistón alternativo.
Figura 12. Medidor de
pistón alternativo.
Fuente: http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf.(2014).
Medidor de 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). En la
(figura 13) se muestra el medidor de Coriolis.
Figura 13. Vista interior del medidor de coriolis.
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