Medidas de Caudal
Las medidas de caudal tienen una gran importancia dentro de los procesos ya que se utilizan habitualmente para control del proceso y para medidas de contabilidad (facturación, importación/exportación de productos, etc.), por lo que la selección de la mejor tecnología tiene una gran implicación.
Así por ejemplo, los caudalímetros se utilizan para contabilizar productos dentro de la propia planta, con el exterior, etc. En cuanto al control de procesos, la medición de caudal es imprescindible para poder realizar control automático, así como para optimizar rendimientos en las unidades de producción aplicando balances de materia.
A continuación se incluye una gráfica representativa de las diferentes tecnologías y su porcentaje de utilización.
Hay muchas formas de diferenciar los diferentes tipos de mediciones de caudal, siendo una de ellas la siguiente:
- · Medidores Deprimógenos
- · Medidores de Área Variable.
- · Medidores de Desplazamiento Positivo.
- · Medidores Másicos.
- · Medidores magnéticos
- · Medidores ultrasónico y vortex
Medidores Deprimógenos
El método más ampliamente utilizado para la medida de caudal en las plantas de proceso es el utilizado por presión diferencial. Para esto se utilizan elementos primarios del tipo:
Dentro de los anteriores, el sistema más barato y utilizado son las placas de orificio.
Los elementos Deprimógenos están basados en crear una restricción en la tubería al paso de un fluido, lo que hace aumentar la velocidad disminuyendo al mismo tiempo la presión, permaneciendo la energía total (cinética, potencial e interna) constante.
Hay una serie de conceptos hidráulicos que influyen notablemente en los cálculos de los elementos primarios de caudal, como son el nº de Reynolds, Relación Beta (relación de diámetros), Coeficiente de descarga, recuperación de presión, factor de expansión, etc.
En definitiva, el cálculo del orificio es un cálculo hidráulico basado en el teorema de Bernoulli, que dice como resumen, que el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la presión diferencial. Como se puede entender perfectamente, estos elementos requieren de un transmisor de presión diferencial para medir la presión antes y después del elemento, y así poder sacar el caudal, ya que una presión diferencial es función del caudal.
Las principales ventajas de estos elementos se pueden enumerar en:
- · Sencillez de construcción, no hay partes móviles.
- · Tecnología sencilla.
- · Baratos para grandes dimensiones de tuberías.
- · Válidos para casi todas las aplicaciones.
- · Las principales desventajas de estos elementos se pueden enumerar en:
- · No válidos para condiciones de proceso (presión, temperatura, densidad, etc.) cambiantes.
- · Producen caídas de presión no recuperables.
- · Señal de salida no es lineal (hay que extraer su raíz cuadrada).
- · Se necesita un flujo laminar, es decir, tramos rectos de tuberías antes y después del elemento.
Medidores de Área Variable
Los medidores de caudal por área variable utilizan el mismo principio de medida que los medidores por presión diferencial, es decir, la relación entre la energía cinética y la energía debida a la presión.
En estos instrumentos el área de la restricción cambia al mismo tiempo que el caudal, permaneciendo constante la presión diferencial. El instrumento de área variable por excelencia es el rotámetro, el cuál consta básicamente de un tubo vertical troncocónico, de cristal o con armadura metálica, en cuyo interior se encuentra un flotador. El fluido entra por la parte inferior del tubo, arrastrando el flotador en dirección ascendente. Al ascender el flotador va dejando libre un área en forma anular hasta que la fuerza producida por la presión diferencial en las caras superior e inferior del flotador se equilibra. Es por lo tanto un sistema basado en equilibrio de fuerzas. La posición de equilibrio alcanzada por el flotador dentro del tubo es una indicación directa del caudal de paso, marcado sobre el propio tubo o armadura. Esta técnica de medición se utiliza para bajos caudales y fluidos limpios.
Las precisiones para este tipo de instrumentos vienen a ser del +/- 2%, por lo que no son aconsejables cuando se requieren altas precisiones, tiene alguna limitación en cuanto a instalación (montaje vertical), y habitualmente son utilizados para medidas locales. Por otra parte, son instrumentos baratos, simples, aptos para caudales pequeños y la lectura de caudal es lineal.
Medidores de Desplazamiento Positivo
Los medidores de desplazamiento positivo operan atrapando un volumen unitario y conocido de líquido, desplazándolo desde la entrada hasta la salida, y contando el número de volúmenes desplazados en un tiempo determinado. También se suelen conocer con el nombre de contadores por que cuentan el volumen de líquido independientemente del tiempo transcurrido.
En cada medidor se pueden destacar tres componentes:
- − Cámara.
- − Desplazador.
- − Mecanismo que cuenta en número de veces que el desplazador se mueve.
Un punto importante a tener en cuenta en este tipo de instrumentos, es el conseguir una buena estanqueidad de las partes móviles, evitando un par de rozamiento inaceptable y que la cantidad de líquido de escape a través del medidor sea moderada. Por esto es necesario calibrar el medidor para varios caudales, dentro del margen de utilización y con un fluido de viscosidad conocida.
Con este tipo de instrumentos la medida es directa, sin tener que recurrir a ningún tipo de cálculo. Existen varios tipos de medidores del tipo desplazamiento positivo, siendo los más utilizados los de ruedas ovales, helicoidales, tipo pistón, paletas deslizantes y tipo turbina.
Este último es el sistema más utilizado en la industria, y consta de un carrete de tubería en el centro del cual hay un rotor de paletas múltiples, montado sobre cojinetes para que pueda girar con facilidad, y soportado aguas arriba y aguas abajo por un dispositivo de centrado. También suelen incorporar un enderezador de vena fluida. La energía cinética del fluido circulando hace girar el rotor con una velocidad angular que es proporcional a la velocidad media axial del fluido, y por lo tanto al caudal volumétrico. La salida, mediante impulsos eléctricos, se produce cuando se detecta el paso de cada paleta alrededor de uno o más sensores situados en el campo del medidor.
Las principales ventajas de estos tipos de instrumentos son:
- · Buena exactitud y amplio rango de medida.
- · Buena repetitibilidad.
- · Buen comportamiento para fluidos muy viscosos, y para aquellos fluidos con condiciones cambiantes.
- · Medida directa de caudal volumétrico.
- · Los principales inconvenientes son:
- · Alto costo para grandes tamaños (>6”).
- · Alta pérdida de carga (limitación de caudal).
- · Mal funcionamiento para fluidos sucios (posibles bloqueos de las partes móviles).
- · Pueden dañarse por sobre velocidad
Al presentar resistencia a la fricción, para bajos caudales su funcionamiento no es correcto, siendo su margen idóneo de funcionamiento entre el 20 y el 65%.
Medidores Másicos
Los medidores de caudal másicos están diseñados para medir directamente el caudal del fluido en unidades de masa, como por ejemplo Kg/h, en lugar de medir el caudal en volumen, como m3/h.
Se suelen utilizar dos tecnologías:
- · Instrumentos volumétricos compensados por Presión y Temperatura.
- · Medidores másicos directos.
El primer tipo más sencillo puede ser una placa de orificio, con transmisor de presión diferencial compensado por presión y temperatura incorporados en el mismo conjunto.
Del segundo tipo, el más utilizado es el medidor por efecto coriolis. Según este efecto, un objeto que se mueve en un sistema de coordenadas que rota con una velocidad angular experimenta una fuerza coriolis proporcional a la masa y velocidad del fluido, así como a la velocidad del sistema. Los medidores del tipo coriolis pueden ser de tubo en “U” o tubo recto.
Las principales ventajas de estos tipos de instrumentos son:
- · Muy buena exactitud.
- · Amplia rangeabilidad.
- · Lectura directa en caudal de masa.
- · Reducidos costes de mantenimiento.
- · Salida Lineal.
Los principales inconvenientes son:
- · Alto costo.
- · Alta pérdida de carga (respecto a otras tecnologías).
- · Límite de utilización en altas temperaturas.
- · Da problemas en tuberías de gran tamaño.
Otro tipo de medidor de caudal másico es el “másico térmico”, que están basados en los principios de elevación de la temperatura del fluido en su paso por un cuerpo caliente y en la pérdida de calor experimentada por un cuerpo caliente inmerso en el fluido. El más utilizado es el primero, se utiliza para medir bajos caudales de gases y la precisión típica es del +/- 1%.
Medidores magnéticos
Como su nombre indica, este tipo de instrumento se basa en las leyes de los campos magnéticos. A grandes rasgos, el instrumento lleva unos electrodos, siendo la f.e.m... Generada a través de los electrodos directamente proporcional a la velocidad media del fluido. El material de los electrodos tiene que ser compatible con el fluido.
Las principales ventajas de estos tipos de instrumentos son:
- · Buen comportamiento con fluidos sucios, viscosos, pasta de papel, etc.
- · Poca pérdida de carga.
- · Buen comportamiento con tuberías grandes.
- · Buen comportamiento ante cambios de densidad, viscosidad, etc.
- · Suelen ser bidireccionales.
- · Salida Lineal.
Los principales inconvenientes son:
- · El fluido debe tener una conductividad eléctrica razonable (no válido para gases y líquidos orgánicos).
- · Puede llegar a calentarse el instrumento por el efecto de las bobinas.
- · Se pueden ver afectados por el ruido.
- · La precisión típica es del +/- 0,5%.
Medidores Ultrasónicos
Como su nombre indica, este tipo de instrumento mide el caudal por diferencia de velocidades del sonido al propagarse este en el sentido del fluido y en el sentido contrario. Existen dos tipos: por desviación del haz de sonido emitido por un transmisor perpendicularmente a la tubería y por efecto Doppler. Al igual que los magnéticos, no presentan obstrucciones al flujo, no tienen pérdida de carga y no son intrusivos. Son adecuados para casi todos los líquidos y la precisión puede llegar al +/- 0,5%.
Medidores Vortex
Utilizados principalmente para medir gases, aunque a veces también se utilizan para líquidos y vapores. Tiene una baja pérdida de carga, larga estabilidad y amplios rangos de medida.
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