Principios de medición del caudal

¿Qué es la medición del caudal?

Tipos de caudalímetros

Caudalímetros electro-magnéticos

Caudalímetros Coriolis

Caudalímetros ultrasónicos

Caudalímetros másicos térmicos

Caudalímetros de turbina

Caudalímetros de vórtice

Caudalímetros de presión diferencial

Caudalímetros de área variable

¿Cómo seleccionar un caudalímetro?

1) ¿Qué fluido se mide?

2) ¿Cuáles son las condiciones del proceso?

3) ¿Dónde se instala el caudalímetro?

4) ¿Cuáles son las condiciones ambientales?

5) ¿Cuál es el nivel de rendimiento requerido del caudalímetro?

6) ¿Qué inversiones están previstas?

¿Necesita más información sobre los caudalímetros?

¿Qué es la medición del caudal?

La medición del caudal es el proceso de cuantificar el caudal de un medio determinado. El flujo de líquidos y gases, por ejemplo, es una de las variables que más se miden en la industria de procesos. Se utiliza en diferentes industrias con distintos fines; desde el control de variables secundarias, como la calefacción mediante el control del flujo de vapor, hasta la monitorización y la facturación del consumo. En resumen, el caudal puede definirse como el volumen o la masa dividida por el periodo de tiempo.

Matemáticamente, el flujo puede representarse como:

Caudal másico (Q) = masa (kg) ÷ tiempo (s)

Caudal volumétrico (Q) = volumen (m³) ÷ tiempo (s)

Las unidades de medida del SI para el caudal másico y volumétrico son kg/s y m³/s respectivamente, no obstante, en la práctica, se pueden utilizar diferentes unidades como kg/h, t/h para el caudal másico, y l/min o m³/h para el caudal volumétrico.

También es posible determinar el caudal volumétrico en una tubería o conducto si se conoce la velocidad del fluido y el área de la sección transversal de la tubería, a lo que:

Caudal volumétrico (Q) = área (m²) ∙ velocidad (m/s)

El resultado de esta ecuación es el caudal volumétrico en la unidad del SI m³/s.

Si la densidad del fluido es conocida y constante, es posible obtener el caudal másico multiplicándolo por el caudal volumétrico.

Caudal másico (Q) = caudal volumétrico (m³/s) ∙ densidad (kg/m³)

El resultado de esta ecuación es el caudal másico en la unidad del SI kg/s.

En el caso de la medición del flujo volumétrico de los gases, las partículas de gas tienen enlaces intermoleculares más débiles que los líquidos, y su densidad está sujeta a cambios causados por las variaciones de presión y temperatura. Para una comparación directa, las tasas volumétricas suelen corregirse a una condición de referencia de temperatura y presión. Las dos condiciones de referencia más utilizadas son 0 °C (32 °F) y 1 bar (100 kPa) definidas por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), y 20 °C (68 °F) y 1013,24 mbar (101,325 kPa) definidas por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). En la medición del caudal másico de los gases, no se requiere ninguna compensación, ya que la masa es independiente de los cambios de temperatura y presión.

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Tipos de caudalímetros

La mayoría de los principios de medición del caudal se basan en la dinámica de fluidos o en sus características, como las propiedades térmicas, acústicas y electromagnéticas, y los caudales se miden directamente o se calculan indirectamente a partir de otras magnitudes medidas. Debido a las diferentes propiedades físicas entre los líquidos y los gases, la medición del caudal de los líquidos y la del caudal de los gases suelen considerarse por separado. Dependiendo de los requisitos de la aplicación, se distingue entre medición del caudal volumétrico y medición del caudal másico. Dependiendo de los principios de medición, los caudalímetros pueden instalarse de diversas maneras: en línea, mediante inserción o con pinzas.

Caudalímetros electromagnéticos

Los caudalímetros electromagnéticos, también conocidos como caudalímetros magneto-inductivos, funcionan sobre la base de la ley de inducción electromagnética de Faraday, usándose comúnmente para medir el caudal volumétrico de líquidos conductores, como el agua, los productos químicos o las bebidas, dentro de diversas industrias. El cuerpo de medición sin obstrucciones no provoca prácticamente ninguna pérdida de presión, lo que lo convierte en una buena opción cuando se miden medios viscosos densos y, gracias a su material especialmente humedecido y a su diseño, también puede utilizarse para líquidos corrosivos y abrasivos.

Los caudalímetros magneto-inductivos se construyen con dos bobinas de campo, instaladas en lados opuestos del tubo de medición, produciendo un campo magnético. Cuando el líquido pasa a través del campo, induce un voltaje, el cual se mide por un par de electrodos. El voltaje inducido es directamente proporcional a la velocidad del caudal. Debido al principio de medición aplicado, los caudalímetros magneto-inductivos pueden medir líquidos conductores y no son adecuados para líquidos no conductores como aceites, hidrocarburos o agua desmineralizada, ultrapura y destilada.

A los caudalímetros magneto-inductivos

Vídeo 1: vista general del principio de medición del caudal magnético

Ventajas de los caudalímetros magnetoinductivos:

Alta precisión
Puesta en marcha sencilla
Sin pérdida de presión
Amplia gama de tamaños disponibles
Medición bidireccional del caudal

Limitaciones de los caudalímetros magnetoinductivos:

Solo aptos para líquidos conductores
No aptos para las altas temperaturas

Caudalímetros Coriolis

Los caudalímetros Coriolis son uno de los más versátiles, avanzados y precisos disponibles, ya que funcionan basándose en el efecto Coriolis, desarrollado por primera vez por el científico francés Gaspard-Gustave de Coriolis en 1835. Los caudalímetros Coriolis pueden medir el caudal másico, la densidad y la temperatura, y también pueden calcular otras variables como el flujo volumétrico, la concentración y la viscosidad. Suelen utilizarse en aplicaciones que exigen una gran precisión y fiabilidad, por ejemplo, las aplicaciones de dosificación en las industrias de alimentos y bebidas y farmacéutica, o la transferencia de custodia en las industrias química y del petróleo y el gas.

Vídeo 2: vista general del principio de medición del caudal Coriolis

Los caudalímetros Coriolis pueden tener diferentes diseños según el fabricante y el modelo, no obstante, todos siguen un mismo principio básico: una bobina excitadora excita el tubo sensor en una frecuencia resonante, mientras que un par de captadores instalados en la entrada y en la salida del tubo miden la frecuencia del tubo oscilante. Cuando no hay flujo, ambos extremos del tubo oscilan de forma síncrona. En cuanto hay flujo en la tubería, a causa del movimiento del tubo provocado por la bobina excitadora, el movimiento del fluido impone una torsión alternativa en el tubo, y los captadores detectan un cambio de fase en el movimiento de ambos extremos del tubo. El flujo másico es entonces proporcional a la diferencia de tiempo entre las respuestas de los captadores de entrada y de salida.

La frecuencia de resonancia del tubo es dependiente de la densidad del fluido: cuanto mayor sea la densidad, menor será la frecuencia de resonancia. Teniendo en cuenta esta propiedad, los caudalímetros Coriolis también miden con precisión la densidad de los líquidos y, con la densidad medida, también es posible calcular el caudal volumétrico. Un sensor de temperatura incorporado ayuda al caudalímetro Coriolis a calcular valores de concentración específicos como Brix, Plato, Baumé y API.

Esta tecnología tan avanzada tiene un coste elevado en comparación con otras tecnologías, no obstante, la inversión es rentable con el tiempo gracias al aumento de la precisión y la productividad que puede aportar este tipo de dispositivos.

Ventajas de los caudalímetros Coriolis:

Una de las tecnologías más precisas
Medición del caudal másico de líquidos y gases
Medición multivariable
Adecuados para condiciones de proceso de temperatura y presión extremas
Medición bidireccional del caudal

Limitaciones de los caudalímetros Coriolis:

Alto coste de inversión inicial
Pérdida de presión en función del diseño del tubo

Caudalímetros ultrasónicos

Los caudalímetros ultrasónicos son sensores de caudal volumétricos, normalmente con un diseño de abrazadera, que se instalan de manera externa en la pared de la tubería, sin contacto con el medio medido. La aplicación más común para este tipo de caudalímetro es la medición de agua, especialmente en tuberías grandes donde otras tecnologías resultan costosas. También se han hecho populares en la industria del agua y las aguas residuales, aunque también tienen otras aplicaciones, y algunos modelos están incluso diseñados para la medición de gases. Hay dos tecnologías diferentes disponibles en el mercado: el tiempo de tránsito y efecto Doppler, dependiendo del fabricante y del modelo.

El método del efecto Doppler requiere partículas o burbujas en el fluido. Un transductor emite una señal ultrasónica que se refleja en la partícula o burbujas en movimiento, regresando a una frecuencia diferente a la emitida originalmente. Este desplazamiento de frecuencia es proporcional a la velocidad del flujo.

Figura 1. Método del efecto Doppler

Vídeo 3: vista general del principio de medición de caudal por ultrasonidos

El método del tiempo de tránsito es la variación más común. Usa uno o varios pares de sensores. Cada sensor produce y también recibirá la señal ultrasónica procedente del otro sensor. El fluido en movimiento en la tubería cambiará el tiempo que tarda la señal en transitar entre los sensores, que es proporcional a la velocidad del flujo.

Los caudalímetros ultrasónicos pueden ser una buena alternativa a los caudalímetros magnetoinductivos, por ejemplo, en el caso de medios no conductores y para diámetros de tubería de mayor tamaño. Ya que los sensores de los caudalímetros ultrasónicos con abrazadera no entran en contacto con el medio, puede ser una buena opción para fluidos corrosivos y líneas de alta presión. Además, suele utilizarse para el retroadaptación sin interrumpir un proceso o como contador portátil para la medición temporal, por ejemplo, para la auditoría o la validación del caudal.

Ventajas de los caudalímetros ultrasónicos:

Independientes de la conductividad del fluido, la viscosidad o la presión
Sin pérdida de presión
Versión con abrazaderas: solución no intrusiva y económica para tubos de gran tamaño

Limitaciones de los caudalímetros ultrasónicos:

Se requieren largos recorridos de entrada y salida
Sensibles a los fluidos bifásicos

Caudalímetros másicos térmicos

Los medidores de flujo másico térmico funcionan sobre la base del principio de dispersión térmica, también conocido como Ley de King, según el cual un fluido en movimiento transporta el calor lejos de una fuente de calor. Este tipo de caudalímetro se suele usar como medidor de aire comprimido y también para diversos tipos de gases, por ser una tecnología fiable y, al mismo tiempo, económica, en comparación con otros caudalímetros másicos como el Coriolis.

La construcción del caudalímetro térmico puede variar según el fabricante, pero generalmente está formado por dos sensores de temperatura. Un sensor actúa como sensor de referencia, midiendo la temperatura del fluido, mientras que el segundo sensor se calienta mediante una corriente eléctrica, creando una diferencia de temperatura constante entre el sensor de referencia y el sensor calentado. Tan pronto como hay flujo en la tubería, el fluido arrastra parte del calor, enfriando el elemento calentado. Entonces, la electrónica suministrará más corriente al sensor calentado, garantizando que la diferencia de temperatura se mantenga siempre constante. A continuación, se puede calcular el caudal másico en función del consumo de corriente del sensor calentado.

Vídeo 4: vista general del principio de medición del caudal térmico

El transmisor de caudal debe conocer las propiedades térmicas del fluido, ya que estas son diferentes en cada fluido, lo que afecta a la medición. Los gases más comunes utilizados en las distintas industrias ya están preconfigurados en la mayoría de los caudalímetros térmicos.

Existen dos diseños básicos de caudalímetros térmicos comerciales: de inserción y en línea. La versión de inserción se utiliza habitualmente para las tuberías más grandes, por lo que la sonda se introduce directamente en la tubería.

A los caudalímetros térmicos

Ventajas de los caudalímetros másicos térmicos:

Medición directa del caudal másico
Pérdida de presión insignificante
El tipo de inserción puede ser rentable con tubos grandes

Limitaciones de los caudalímetros másicos térmicos:

Susceptibles de inexactitudes debido a la humedad del gas
Susceptibles de inexactitudes debido a los cambios en la composición del gas

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Caudalímetros de turbina

Vídeo 5: vista general del principio de medición del caudal mediante turbina

Los caudalímetros de turbina son sensores de caudal volumétrico y son una de las tecnologías de medición de caudal más conocidas. Los caudalímetros de turbina pueden utilizarse para la medición del caudal volumétrico tanto de líquidos como de gases, representando una buena alternativa cuando se manejan líquidos no conductores como los aceites.

Los caudalímetros de turbina tienen un principio de funcionamiento relativamente sencillo, que consiste en un rotor con paletas montado sobre un cojinete, soportado en el interior del contador por un eje central. Cuando hay flujo en la tubería, la energía cinética del fluido hará girar el rotor. Un sensor de movimiento detecta el movimiento de las paletas, produciendo pulsos electrónicos, que se corresponden con la cantidad de volumen. El caudal volumétrico es entonces proporcional a la frecuencia de los pulsos.

Los caudalímetros con rueda de paletas, también conocidos como caudalímetros de rodete, suelen considerarse una variante del caudalímetro de turbina, comúnmente utilizado para aplicaciones sencillas, como la medición del caudal de agua. En lugar de turbinas, los caudalímetros están equipados con una rueda de paletas, que gira con la fuerza del flujo del fluido. Las revoluciones de la rueda de paletas son proporcionales al caudal. Un sensor de movimiento detecta el movimiento de las paletas, produciendo pulsos electrónicos, que se corresponden con la cantidad de volumen. En los modelos más sencillos, la rueda de paletas mueve un conjunto de engranajes que actuarán cambiando los dígitos de conteo. En esta versión, el instrumento es totalmente mecánico y no requiere alimentación eléctrica.

Figura 2. Caudalímetro con rueda de paletas

Ventajas de los caudalímetros de turbina:

Alta precisión y reproducibilidad
Independientes de la conductividad del fluido
Construcción sencilla con un precio bajo

Limitaciones de los caudalímetros de turbina:

Pérdida de presión
Las piezas móviles pueden desgastarse con el tiempo
Limitaciones de la viscosidad del fluido

Caudalímetros de vórtice

Vídeo 6: vista general del principio de medición del caudal por vórtice

Los caudalímetros de vórtice son sensores de caudal volumétrico con una amplia gama de aplicaciones, desde la medición del caudal de agua hasta el de gas. Sin embargo, debido a su resistencia a temperaturas y presiones elevadas, se usan ampliamente en aplicaciones de medición de caudal de vapor; la aplicación más común para este tipo de caudalímetro.

Los caudalímetros de vórtice funcionan sobre la base del principio de desprendimiento de vórtice, según el cual un fluido pasa por delante de un obstáculo, conocido como cuerpo, produciendo así zonas de baja presión detrás del cuerpo, y formando vórtices intercalados a ambos lados de este. Un sensor instalado después del cuerpo mide la frecuencia a la que se forman los vórtices y la velocidad del flujo y el caudal volumétrico son entonces proporcionales a la frecuencia a la que se producen los vórtices.

Los caudalímetros de vórtice pueden medir el caudal tanto de líquidos como de gases. No obstante, requiere una velocidad de flujo mínima para que puedan formarse los vórtices. Los caudalímetros de vórtice son medidores de caudal volumétrico, no obstante, con la ayuda de sensores de temperatura y presión, pueden calcular el caudal másico de gases y de vapor. Algunos modelos incluyen incluso sensores de temperatura y de presión integrados.

A los caudalímetros Vortex

Ventajas de los caudalímetros de vórtice:

Solución rentable y fiable para la medición del vapor
Resistencia a altas temperaturas
Independientes de la conductividad eléctrica del fluido

Limitaciones de los caudalímetros de vórtice:

No adecuados para líquidos de alta viscosidad
Diámetros de tubería limitados
Requieren una velocidad de flujo mínima
Medición del caudal en una sola dirección

Caudalímetros de presión diferencial

Los caudalímetros de presión diferencial., comúnmente denominados contadores DP, son una de las técnicas de medición de caudal más utilizadas y versátiles, adecuadas para la medición del caudal volumétrico de líquidos, gases y vapor. Utilizan la diferencia de presión inducida por elementos primarios como placas de orificio, boquillas, tubos de Venturi, tubos de Pitot, etc. Un área principal de aplicación es la medición de vapor y condensados a altas temperaturas. Los tubos de Pitot son más adecuados para situaciones en las que no es deseable la pérdida de presión o para tubos de gran diámetro.

Los elementos primarios restrictivos, como las placas de orificio y los tubos Venturi, provocan una caída de presión en la línea. Midiendo la presión antes y después de la restricción. A continuación, es posible determinar el caudal volumétrico. Se pueden utilizar diferentes formas y tipos de elementos primarios restrictivos para diversas aplicaciones. El tipo más común es la placa de orificio, que también puede presentar una variedad de formas y diseños.

Figura 3 – Caudalímetro de presión diferencial con placa de orificio

Figura 4 – Tubo de Pitot promediador

Los elementos primarios de tipo inserción, como los tubos de Pitot, miden la presión dinámica. Es la suma de la presión estática de la línea más la presión ejercida por el movimiento del fluido contra el elemento sensor, mientras se realiza una medición separada solo de la presión estática. La velocidad del flujo y el caudal volumétrico pueden calcularse a partir de la diferencia de presión entre los dos puntos de medición.

Dado su diseño, los elementos primarios de tipo inserción también provocarán pérdidas de presión. No obstante, la pérdida de presión es menor que la causada por una placa de orificio, por ejemplo.

Ventajas de los caudalímetros de presión diferencial:

Menor coste en comparación con otras tecnologías
Medición de líquidos, gases y vapor
Resistencia a altas temperaturas y presión
Elementos primarios robustos sin partes móviles

Limitaciones de los caudalímetros de presión diferencial:

Pérdida de presión
La instalación puede ser más compleja en comparación con otras tecnologías
Menor precisión en comparación con otras tecnologías

Caudalímetros de área variable

Los caudalímetros de área variable, también conocidos como caudalímetros de elemento flotante o rotámetros, son caudalímetros volumétricos de estructura relativamente simple y coste reducido, para medir el caudal de gases y líquidos. Dado su bajo coste, los caudalímetros de área variable se emplean con frecuencia para control simple de caudal, especialmente las versiones con tubos de vidrio graduados con estrechamiento donde solo es precisa una indicación local. Los caudalímetros de área variable son particularmente adecuados para medir flujos en la parte baja de la escala de volúmenes.

Los caudalímetros de área variable constan de un tubo vertical de material transparente como vidrio, cuyo diámetro se ensancha progresivamente, y un flotador hecho a menudo de vidrio o metal. En pocas palabras, el caudal del fluido ejerce una fuerza contra el flotador empujándolo hacia arriba y, por la fuerza gravitatoria, el peso del flotador y el diseño de tubo estrechado, se alcanza un equilibrio en el sistema y el flotador queda fijo en una posición que indica el caudal actual. La posición del flotador se puede apreciar en una escala que indica el caudal; los modelos más avanzados llevan un sensor integrado para detectar la posición del flotador y transmitir una señal eléctrica proporcional, p. ej. 4-20 mA.

Para los distintos fluidos hay diversos diseños de tubo y flotador con diferentes materiales, que deben elegirse según la aplicación prevista, si no el rendimiento y funcionamiento del dispositivo pueden verse afectados.

Figura 5 – Caudalímetro de área variable

Ventajas de los caudalímetros de área variable:

Caudalímetro económico con diseño sencillo
No se precisa potencia auxiliar
Baja pérdida de presión
Adecuado para aplicaciones con poco caudal

Limitaciones de caudalímetros de área variable:

Precisión moderada
No adecuados para fluidos con contenido sólido o líquidos con suciedad

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¿Cómo seleccionar un caudalímetro?

El número de diseños y tecnologías y la diversidad de aplicaciones pueden complicar la elección de los caudalímetros; la selección se ve influenciada por distintos factores.

Es importante antes de nada comprender el problema o tarea de medición, es decir, por qué se necesita un caudalímetro. Las tareas típicas incluyen: monitoreo, control, dosificación o llenado, dosificación de lotes y cambios de operación. Varios de los requisitos que debe satisfacer un caudalímetro se pueden deducir de la tarea concreta, p. ej. las aplicaciones de dosificación de lotes exigen una gran precisión y se necesitan funciones especiales de lote. Para las tareas de control se tolera una precisión menor, pero se requiere una alta repetibilidad de las mediciones.

Tras definir la tarea de medición, las siguientes consideraciones o requisitos básicos afectarán a la selección de su caudalímetro:

1) ¿Qué fluido hay que medir?	La selección del caudalímetro se basa en esencia en el fluido que hay que medir. Algunas tecnologías darán mejores resultados que otras según el tipo de fluido, mientras que otras pueden no funcionar para ciertos fluidos, p. ej. los caudalímetros magneto-inductivos no sirven para medir el flujo de un gas. Teniendo esto en cuenta, es importante que compruebe si la tecnología de caudalímetro es compatible con la aplicación.
2) ¿Cuáles son las condiciones del proceso?	Es importante comprender las condiciones del proceso en el que se instalará el caudalímetro, como: caudal esperado, temperatura de proceso y presión de proceso. El caudalímetro debe dimensionarse según estas condiciones para garantizar un buen rendimiento y durabilidad.
3) ¿Dónde se va a instalar el caudalímetro?	Las condiciones de instalación pueden ser también importantes al seleccionar un caudalímetro. Es importante que conozca el diámetro de tubería, conexión de proceso, tramo de entrada y salida y presencia de fuentes de perturbación del caudal, como válvulas de control, accesorios, bombas, etc.
4) ¿Cuáles son las condiciones ambientales?	Es conveniente saber si el caudalímetro se instalará en un lugar fácilmente accesible para los trabajadores. La temperatura ambiente, humedad, polvo y exposición a la intemperie también deben tenerse en cuenta.
5) ¿Cuál es el nivel de rendimiento requerido del caudalímetro?	Se pueden necesitar distintos niveles de rendimiento para diferentes aplicaciones. Si se comprenden los requisitos de proceso, se podrá elegir una tecnología de caudalímetro con niveles de rendimiento compatibles.
6) ¿Qué inversiones están previstas?	Al seleccionar un caudalímetro, hay que pensar en los costes iniciales de inversión, características de caudalímetro, costes de mantenimiento y costes de calibración. Un caudalímetro barato con componentes económicos puede salir muy caro a largo plazo, por la recalibración y mantenimiento precisos.

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¿Cómo seleccionar un caudalímetro?

1) ¿Qué fluido hay que medir?

2) ¿Cuáles son las condiciones del proceso?

3) ¿Dónde se va a instalar el caudalímetro?

4) ¿Cuáles son las condiciones ambientales?

5) ¿Cuál es el nivel de rendimiento requerido del caudalímetro?

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