Medición de caudal – Técnico superior

Introducción

La selección eficaz de un medidor de caudal exige un conocimiento práctico de la tecnología del medidor, además de un profundo conocimiento del proceso y del fluido que se quiere medir. Cuando la medida del caudal se utiliza con el propósito de facturar un consumo, deberá ser lo más precisa posible, teniendo en cuenta el valor económico del fluido que pasa a través del medidor, y la legislación obligatoria aplicable en cada caso.

En este estudio se examinan los conceptos básicos de la medida de caudal y las características de los instrumentos de medida. Entré los principales medidores que se estudian se citan, en primer lugar, los medidores de presión diferencial. Después se estudian los medidores con accionamiento mecánico, es decir, los medidores de desplazamiento positivo y los medidores de tipo turbina, para finalizar con los medidores de caudal de tipo electromagnético y los medidores de tipo ultrasónico. Aquí se clasifican y describen sucintamente los dispositivos más utilizados para la medida de caudales que circula por una conducción, que en realidad se basan en la medida de velocidades por las que el fluido circula por una conducción. En la mayoría de estos instrumentos, el caudal se calcula de forma indirecta mediante el cálculo directo de la diferencia de presión que se produce en el mismo.

Existen instrumentos que miden la velocidad local en un punto de la conducción, y equipos que miden la velocidad media a su paso por una sección

Medidor de caudal.

Es un dispositivo que, instalado en una tubería, permite conocer el flujo volumétrico o caudal que está circulando por la misma, parámetro éste de muchísima importancia en aquellos procesos que involucran el transporte de un fluido. La mayoría de los medidores de caudal se basan en un cambio del área de flujo, lo que provoca un cambio de presión que puede relacionarse con el caudal a través de la ecuación de Bernoulli.

El caudal es la variable de proceso básica más difícil de medir.

Flujo a través de restricciones ecuaciones:

Tipos de Medidores de Caudal.

La medida de caudal en conducciones cerradas, consiste en la determinación de la cantidad de masa o volumen que circula por la conducción por unidad de tiempo.

Los instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan, habitualmente, caudalímetros o medidores de caudal, constituyendo una modalidad particular los contadores, los cuales integran dispositivos adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conducción.

Principales medidores de presión diferencial:

Entre los principales tipos de medidores de presión diferencial se pueden destacar los siguientes:

• Placas de orificio,

• Toberas,

• Tubos Venturi,

• Tubos Pitot,

• Tubos Annubar,

• Codos,

• Medidores de área variable,

• Medidores de placa.

Se estima que, actualmente, al menos un 75% de los medidores industriales en uso son dispositivos de presión diferencial, siendo el más popular la placa de orificio.

• Las principales ventajas de dichos medidores son:

• su sencillez de construcción, no incluyendo partes móviles,

• su funcionamiento se comprende con facilidad,

• no son caros, particularmente si se instalan en grandes tuberías y se comparan con otros medidores,

• pueden utilizarse para la mayoría de los fluidos, y

• hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usos.

• Sus principales desventajas son:

• la amplitud del campo de medida es menor que para la mayoría de los otros tipos de medidores

• pueden producir pérdidas de carga significativas,

• la señal de salida no es lineal con el caudal,

• deben respetarse unos tramos rectos de tubería aguas arriba y aguas abajo del medidor que,

• según el trazado de la tubería y los accesorios existentes, pueden ser grandes,

• pueden producirse efectos de envejecimiento, es decir, acumulación de depósitos o la erosión de las aristas vivas,

• la precisión suele ser menor que la de medidores más modernos, especialmente si, como es habitual, el medidor se entrega sin calibrar.

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.

Figura 1.1 y 1.2

En la figura 2 se muestra el perfil de un tubo venturi clásico, donde se puede apreciar la disposición de las tomas de presión para determinar la presión diferencial.

Figura 2

Como se aprecia en la figura 2 se pueden destacar tres partes fundamentales: a) una sección de entrada cónica convergente en la que la sección transversal disminuye, lo que se traduce en un aumento de la velocidad del fluido y una disminución de la presión; b) una sección cilíndrica en la que se sitúa la toma de baja presión, y donde la velocidad del fluido se mantiene prácticamente constante, y c) una tercera sección de salida cónica divergente en la que la sección transversal aumenta, disminuyendo la velocidad y aumentando la presión. La incorporación de esta sección de salida permite una recuperación de la mayor parte de la presión diferencial producida y, por tanto, un ahorro de energía.

Tubo pitot.

Se trata de un dispositivo sumamente simple para medir la presión cinética. Consta, básicamente de dos sondas de presión, una toma cuya superficie se coloca perpendicular a la dirección de la corriente (justo en el punto donde se desea conocer la velocidad), y de otra toma de presión con superficie paralela a la dirección de la corriente. Con la primera toma se mide la presión de impacto, y con la segunda la presión estática, de forma que la diferencia entre ambas (medidas con un manómetro diferencial) es la presión cinética. En ésta se basa el cálculo de la velocidad local en el punto donde se colocó la sonda de la presión de impacto.

Figura 3. Medida de la velocidad local.

Suelen utilizarse tubos de Pitot para la medida de caudales de gas en grandes conducciones, como chimeneas de industrias pesadas. Un inconveniente del uso del tubo de Pitot en flujos gaseosos es la pequeña diferencia de presión que se genera. Cuando el dispositivo empleado para la medida de la diferencia de presión es un tubo manométrico, circunstancia habitual en equipos de medida de campo, la altura que alcanza el líquido manométrico, hm es muy pequeña. Se ha pretendido corregir este inconveniente con una modificación del instrumento que se conoce con el nombre de tubo de Pitot invertido o pitómetro. Probablemente la principal desventaja sea su dificultad para medir bajas velocidades del aire. Para líquidos quizás el principal problema sea la rotura de la sonda.

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.

Estos instrumentos se caracterizan por:

• 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.

Entre los diversos perfiles de orificio que se utilizan, según se muestra en la figura, se pueden destacar los siguientes: de cantos vivos, de cuarto de círculo y de entrada cónica.

Aplicaciones típicas de los instrumentos en un control de proceso.

Dado que la mayoría de las aplicaciones de los instrumentos de medición de caudales se hacen con tubos venturi, se verán con más detalle que los demás, pues el uso de tubos venturi esta mucho mas plasmado en muchas más áreas como industrias, mecánica, y ahorro de energía; mientras que los medidores de placa orificio y de tobera de flujo son usados mayoritariamente para, valga la redundancia, medir caudales.

Aplicaciones del efecto Venturi: 

• Hidráulica: La depresión generada en un estrechamiento al aumentar la velocidad del fluido, se utiliza frecuentemente para la fabricación de máquinas que proporcionan aditivos en una conducción hidráulica. Es muy frecuente la utilización de este efecto "Venturi" en los mezcladores del tipo Z para añadir espumógeno en una conducción de agua para la extinción.

• Aeronáutica: Aunque el efecto Venturi se utiliza frecuentemente para explicar la sustentación producida en alas de aviones, este efecto por sí solo no es suficiente para explicar la sustentación aérea. En la sustentación intervienen además el principio de Bernoulli, en virtud del cual el aire adquiere mayor velocidad al pasar por la región más convexa del ala de un avión. La tercera ley de Newtonestá también involucrada en este principio. Además, se utiliza este tubo para proveer succión a los instrumentos que trabajan con vacío, (Coordinador de giro, Horizonte artificial, etc.) en los aviones que no están provistos de bombas mecánicas de vacío.

• Motor: el carburador aspira el carburante por efecto Venturi, mezclándolo con el aire (fluido del conducto principal), al pasar por un estrangulamiento.

• Hogar: En los equipos ozonificadores de agua, se utiliza un pequeño tubo Venturi para efectuar una succión del ozono que se produce en un depósito de vidrio, y así mezclarlo con el flujo de agua que va saliendo del equipo con la idea de destruir las posibles bacterias patógenas y de desactivar los virus y otros microorganismos que no son sensibles a la desinfección con cloro.

• Tubos de Venturi: Medida de velocidad de fluidos en conducciones y aceleración de fluidos.

• Acuarofilia: En las tomas de bombas de agua o filtros, el efecto Venturi se utiliza para la inyección de aire y/o CO2.

• Neumática: Para aplicaciones de ventosas y eyectores.

• Cardiología: El efecto Venturi se utiliza para explicar la regurgitación mitral que se puede dar en la miocardiopatía hipertrófica, y que es causa de muerte súbita en deportistas. La explicación es que el movimiento sistólico anterior (MSA) que realiza la valva anterior de la válvula mitral, se produce porque la hipertrofia septal y el estrechamiento del tracto de salida provocan una corriente de alta velocidad sobre la v. mitral, que debido al efecto Venturi, succiona el extremo de la valva anterior contra el septo, que impide la salida de sangre, por lo que regurgita hacia la aurícula izquierda.

• Neumología: El efecto Venturi se utiliza en máscaras para la administración de concentraciones exactas de oxígeno, para controlar la FiO2; se denominan máscaras de Venturi o Ventimask. El oxígeno al 100% suministrado durante cierto periodo de tiempo es tóxico, por lo que se mezcla con aire externo cuya concentración de oxígeno es del 21%, de modo que en función de la cantidad de aire que se mezcle con el oxígeno al 100%, la concentración de oxígeno será mayor o menor, normalmente se suministra entre un 26%-50%. El oxígeno puro al pasar por el conducto con un calibre menor, se produce el efecto Venturi, se genera una presión negativa que permite la entrada del aire procedente del exterior a través de unos orificios circundantes, dependiendo del tamaño de los orificios, entra más o menos aire y por tanto menor o mayor concentración de oxígeno que finalmente el paciente recibirá.

• Odontología: el sistema de aspiración de saliva en los equipos dentales antiguos utilizaban tubos finos Venturi. Ahora la aspiración está motorizada.

Aplicaciones del tubo pitot:

Las aplicaciones de los tubos de Pitot están muy limitadas en la Industria, dada la facilidad con que se obstruyen por la presencia de cuerpos extraños en el fluido a medir. En general, se utilizan en tuberías de gran diámetro, con fluidos limpios, principalmente gases y vapores. Su precisión depende de la distribución de las velocidades y generan presiones diferenciales muy bajas que resultan difíciles de medir.

El tubo de pitot se utiliza como instrumento de medida de la velocidad de los aviones respecto el aire. Hay que tener en cuenta que es justamente la velocidad relativa entre el avión y el aire (IAS, Indicated Air Speed) que se conoce como la velocidad del aire indicada, es la que mantiene al avión en vuelo, no la velocidad respecto el suelo (GS ground speed). El GPS da la velocidad del avión respecto el suelo y mediante el tubo de pitot se obtiene la velocidad respecto el aire.

FACTORES PARA LA ELECCIÓN DEL TIPO DE MEDIDOR DE FLUIDO

Rango: los medidores disponibles en el mercado pueden medir flujos desde varios mililitros por segundo (ml/s) para experimentos precisos de laboratorio hasta varios miles de metros cúbicos por segundo (m3/s) para sistemas de irrigación de agua o agua municipal o sistemas de drenaje. Para una instalación de medición en particular, debe conocerse el orden de magnitud general de la velocidad de flujo así como el rango de las variaciones esperadas.

Exactitud requerida: cualquier dispositivo de medición de flujo instalado y operado adecuadamente puede proporcionar una exactitud dentro del 5 % del flujo real. La mayoría de los medidores en el mercado tienen una exactitud del 2% y algunos dicen tener una exactitud de más del 0.5%. El costo es con frecuencia uno de los factores importantes cuando se requiere de una gran exactitud.

Pérdida de presión: debido a que los detalles de construcción de los distintos medidores son muy diferentes, éstos proporcionan diversas cantidades de pérdida de energía o pérdida de presión conforme el fluido corre a través de ellos. Excepto algunos tipos, los medidores de fluido llevan a cabo la medición estableciendo una restricción o un dispositivo mecánico en la corriente de flujo, causando así la pérdida de energía.

Tipo de fluido: el funcionamiento de algunos medidores de fluido se encuentra afectado por las propiedades y condiciones del fluido. Una consideración básica es si el fluido es un líquido o un gas. Otros factores que pueden ser importantes son la viscosidad, la temperatura, la corrosión, la conductividad eléctrica, la claridad óptica, las propiedades de lubricación y homogeneidad.

Calibración: se requiere de calibración en algunos tipos de medidores. Algunos fabricantes proporcionan una calibración en forma de una gráfica o esquema del flujo real versus indicación de la lectura. Algunos están equipados para hacer la lectura en forma directa con escalas calibradas en las unidades de flujo que se deseen. En el caso del tipo más básico de los medidores, tales como los de cabeza variable, se han determinado formas geométricas y dimensiones estándar para las que se encuentran datos empíricos disponibles. Estos datos relacionan el flujo con una variable fácil de medición, tal como una diferencia de presión o un nivel de fluido.

República Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular

Para la Educación Universitaria

Del Estado Portuguesa

Universidad Politécnica de Portuguesa

Programa Nacional de Formación en Electricidad

Autor:

Pérez Ernesto

Calderón Víctor

Fonseca José

Blanco Carlos

Rafael Piñero

Xavier Bastidas

Sección: 611 – ING. Eléctrica