INSTRUMENTOS DE

MEDICION DE CAUDAL

¿Qué es un caudal?

Es la cantidad de fluido que pasa por un área en una determinada unidad detiempo. Existen varios métodos para medir el caudal según sea el tipo decaudal volumétrico o másico deseado.

¿Qué es presión diferencial?

La presión diferencial es la diferencia entre dos presiones en un punto C y unpunto C´.

Medidores VolumétricosDeterminan el caudal en volumen de fluido, puede ser directamente

(desplazamiento) o indirectamente por deducción (Presión diferencial,área variable, velocidad, fuerza, tensión inducida, torbellino).

Instrumentos de Presión Diferencial

La formula de caudal obtenida con los elementos de presión diferencial sebasa en la aplicación del teorema de Bernuolli a una tubería horizontal.

Altura Cinética + Altura de Presión + Altura de Potencial = Cte.

La siguiente ecuación conocida como "Ecuación de Bernoulli" consta de lostérminos citados anteriormente.

V = velocidad del fluido en la sección considerada.

g = aceleración gravitatoria

z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.

P = presión a lo largo de la línea de corriente.

ρ = densidad del fluido.

Para aplicar la ecuación se deben realizar los siguientes supuestos:

• Viscosidad (fricción interna) = 0 Es decir, se considera que la línea de corrientesobre la cual se aplica se encuentra en una zona 'no viscosa' del fluido.

• Caudal constante

• Flujo incompresible, donde ρ es constante.

• La ecuación se aplica a lo largo de una línea de corriente o en un flujoirrotacional

Ecuación de Bernuolli

Principio de Bernuolli• El principio de Bernoulli expresa que en un fluido ideal en régimen de

circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluidopermanece constante a lo largo de su recorrido. La energía de un fluidoen cualquier momento consta de tres componentes:

•Cinética•Potencial Gravitacional•Energía de flujo

Principio de Bernuolli aplicado en un diafragma

En cualquiera de las imágenes puedenverse los valores de las presiones alo largo de la tubería en una placaorificio o diafragma.

El cálculo se basa en la aplicación delteorema de Bernuolli en unatubería horizontal.

En este desarrollo solo se van a tener en cuenta los valores y coeficientesmás importantes, puesto que no se trata de un procedimiento de cálculoexhaustivo.

Si P1, P2 y V1, V2 son las presiones absolutas y velocidades en la zonaanterior a la placa donde el fluido llena todo el conducto y en la venacontraída respectivamente, y S1, S2 son las secciones correspondientesresulta:

Principio de Bernuolli aplicado en un diafragma

RESULTA LO SIGUIENTE:

Agrupando términos:

Las secciones, tanto de la tuberíacomo del orificio de restricciónson constantes. Comoconsecuencia se llega a laecuación genérica del caudal enfunción de la presión diferencial.

Sabiendo que caudal es Q=SV por lo tanto V=Q/S, tenemos:

Principio de Bernuolli aplicado en un diafragma

Las ecuaciones teóricas anteriores seconvierten en la ecuación generalpara cálculo de caudalessiguiente, de acuerdo a la NormaISO 5167:

Donde:

QM= Caudal, en Kg/seg

C = Coeficiente de descarga, sindimensiones

E = Coeficiente de velocidad deacercamiento, sin dimensiones

e = Coeficiente de expansión, sindimensiones

d = Diámetro del orificio, en metros

g = Aceleración de la gravedad, enm/seg2

h = Presión diferencial, en kg/m2

o

• A partir de estos datos hemos detener en cuenta las siguientesconsideraciones para hacer lasunidades coherentes:

• Al pasar QM a kg/h hay quemultiplicar el segundo término dela ecuación por 3600.

• Sabiendo que |32 (beta) = d2 / D2,para expresar ambos diámetros enmm hay que mul­tiplicar elsegundo término de la ecuaciónpor 10-6, por estar elevados alcuadrado.

• La presión diferencial h enkg/m2 es igual que en mm C A.

Según estas conversiones, elcoeficiente a aplicar a laecuación anterior es:

Quedando la ecuación generalpara cálculo de caudal enmasa como:

Medidores de presión diferencial

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.

Se sabe que cualquier restricción de fluido produce una caída de presión después de esta, lo cual crea una diferencia de presión antes y después de la restricción. Esta diferencia de presión tiene relación con la velocidad del fluido y se puede determinar aplicando el Teorema de Bernoulli, y si se sabe la velocidad del fluido y el área por donde esta pasando se puede determinar el caudal.

La ecuación de Bernoulli es una de la más útiles y famosas en la mecánica de fluidos y su principio físico es utilizado para medir el caudal.

Ventajas y desventajas

• ventajas• Su sencillez de construcción.

• 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.

• desventajas• 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

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.

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.

FACTORES PARA LA ELECCIÓN DEL TIPO DE MEDIDOR DE FLUIDO

• 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 datosempíricos disponibles. Estos datos relacionan el flujo con una variable fácil de medición, tal como una diferencia de presión o un nivel de fluido.

Placa orificio• La placa de orificio consiste en

una placa perforada que se instala en la tubería, el orificio que posee es una abertura cilíndrica o prismática a través de la cual fluye el fluido. El orificio es normalizado, la característica de este borde es que el chorro que éste genera no toca en su salida de nuevo la pared del orificio. El caudal se puede determinar por medio de las lecturas de presión diferenciales. Dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la placa captan esta presión diferencial.

Placa orificio

• La placa de orificio es el elemento primario para la medición de flujo más sencillo, es una lamina plana circular con un orificio concéntrico, excéntrico ó segmentado y se fabrica de acero inoxidable, la placa de orificio tiene una dimensión exterior igual al espacio interno que existe entre los tornillos de las bridas del montaje, el espesor del disco depende del tamaño de la tubería y la temperatura de operación, en la cara de la placa de orificio que se conecta por la toma de alta presión, se coloca perpendicular a la tubería y el borde del orificio, se tornea a escuadra con un ángulo de 900 grados, al espesor de la placa se la hace un biselado con un chaflán de un ángulo de 45 grados por el lado de baja presión, el biselado afilado del orificio es muy importante, es prácticamente la única línea de contacto efectivo entre la placa y el flujo, cualquier rebaba, ó distorsión del orificio ocasiona un error del 2 al 10% en la medición, además, se le suelda a la placa de orificio una oreja, para marcar en ella su identificación, el lado de entrada, el número de serie, la capacidad, y la distancia a las tomas de presión alta y baja. En ocasiones a la placa de orificio se le perfora un orificio adicional en la parte baja de la placa para permitir el paso de condensados al medir gases, y en la parte alta de la placa para permitir el paso de gases cuando se miden líquidos.

3 tipos de placas orificios

• La placa concéntrica sirve para líquidos.

• Excéntrica para los gases donde los cambios de presión implican condensación. Cuando los fluidos contienen un alto porcentaje de gases disueltos.

• Segmentada, partículas en suspensión implican turbulencias que limpiarán (para que no se aglomeren partículas) el lado de alta presión evitando errores en la medición.

Desventajas en el uso de la placa de orificio• Es inadecuada en la medición de fluidos con sólidos en suspensión.

• No conviene su uso en medición de vapores, se necesita perforar la parte inferior.

• El comportamiento en su uso con fluidos viscosos es errático ya que la placa se calcula para una temperatura y una viscosidad dada.

• Produce las mayores pérdidas de presión en comparación con otros elementos primarios de medición de flujos.

Existen dos tipos de placas de orificio segmentadas

Fijas

Orificio segmentado fijo:

Se usa para medir flujos pequeños y es una combinación de orificio excéntrico y una parte segmentada, la parte concéntrica se diseña para obtener un diámetro del 98% del diámetro interior de la tubería, se usa para en la medición de flujos como son las pulpas y pastas, no es recomendable para líquidos de alta viscosidad.

Ajustables

Orificio segmentado ajustable:

En este caso la relación entre el diámetro interior y exterior (0.25-0.85), se modifica por medio de un segmento móvil, el cuerpo de la placa de orificio se fabrica con bridas de conexión similares a la de una válvula, las guías son de acero al carbón, el material del segmento es de acero inoxidable, se utiliza en tuberías con variaciones de flujo del 10:1 bajo variaciones de presión y temperatura considerables.

Boquilla O Tobera De Flujo

Es una contracción gradual de la corriente de flujo seguida de una sección cilíndrica recta y corta. Debido a la contracción pareja y gradual, existe una pérdida muy pequeña

Tobera

La tobera de flujo, es un instrumento de medición que permite medir diferencial de presiones cuando la relación de ß, es demasiado alta para la placa orificio, esto es, cuando la velocidad del flujo es mucho mayor y las pérdidas empiezan a hacerse notorias. Luego, al instalar un medidor de este tipo se logran mediciones mucho más exactas. Además este tipo de medidor es útil para fluidos con muchas partículas en suspensión o sedimentos, su forma hidrodinámica evita que sedimentos transportados por el fluido queden adheridos a la tobera.

Es una contracción gradual de la corriente de flujo seguida de una sección cilíndrica recta y corta. Debido a la contracción pareja y gradual, existe una pérdida muy pequeña

Toberas 2 tipos

las toberas son de dos tipos , las de radio grande y las de radio pequeño. Las pérdidas no recuperables siguen siendo grandes, ya que, no hay difusor para la expansión gradual posterior.

Éstas se pueden utilizar como elementos medidores de caudal tanto en conductos (tuberías) como en cámaras impelentes y se instalan con brindas roscadas con un macho, de acuerdo con las normas ASME o con otras especificaciones de normas.

Si se requiere instalar un medidor de caudal (Q) aguas abajo de una válvula, de un codo o de otro accesorio, se debe colocar también un tramo rectilíneo de tubería entre el accesorio y el medidor; para las toberas se pueden necesitar un tramo de tubería rectilínea hasta de 4 veces el diámetro.

La tobera cuesta menos que el medidor venturi. Tiene la desventaja de que las pérdidas totales son mucho más grandes debido a la falta de guía del chorro aguas abajo de la abertura de la tobera.

Las toberas para instalaciones en cámaras impelentes se pueden fabricar utilizando aluminio centrifugado, fibra de vidrio o algún otro material de bajo costo. De este modo resultan simples y baratas de fabricar e instalar. Dado que la presión en la cámara impelente o de distribución es igual a P2, la localización de la tobera para medir la presión en la zona aguas abajo no representa ninguna dificultad. Se pueden instalar varias toberas en una cámara con objeto de obtener mediciones apropiadas para un alto intervalo de (Q). Para caudales pequeños, se pueden tapar la mayor parte de las toberas con pelotas de hule o algún otro objeto similar. Para grandes gastos (Q), se pueden emplear mayor número de toberas.

El Tubo de Venturi

El Tubo de Venturi es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar por él un fluido. En esencia, éste es una tubería corta recta, o garganta, entre dos tramos cónicos. La presión varía en la proximidad de la sección estrecha; así, al colocar un manómetro o instrumento registrador en la garganta se puede medir la caída de presión y calcular el caudal instantáneo, o bien, uniéndola a un depósito carburante, se puede introducir este combustible en la corriente principal

Las dimensiones del Tubo de Venturi para medición de caudales, tal como las estableció Clemens Herschel, son por lo general :

La entrada es una tubería corta recta del mismo diámetro que la tubería a la cual va unida.

El cono de entrada, que forma el ángulo a1, conduce por una curva suave a la garganta de diámetro d1. Un largo cono divergente, que tiene un ángulo a2, restaura la presión y hace expansionar el fluido al pleno diámetro de la tubería. El diámetro de la garganta varía desde un tercio a tres cuartos del diámetro de la tubería.

La presión que precede al cono de entrada se transmite a través de múltiples aberturas a una abertura anular llamada anillo piezométrico. De modo análogo, la presión en la garganta se transmite a otro anillo piezométrico. Una sola línea de presión sale de cada anillo y se conecta con un manómetro o registrador. En algunos diseños los anillos piezométricos se sustituyen por sencillas uniones de presión que conducen a la tubería de entrada y a la garganta.

Medido tubo venturiEl medidor venturi es uno de los dispositivos más precisos para medir el gasto en tuberías y tiene la desventaja de tener un costo elevado. Causa una muy baja pérdida de carga y, con las precauciones debidas, se puede usar para líquidos con deteminadas concentraciones de sólidos.

Se compone de 3 secciones:

1. Entrada

2. Garganta

3. Salida

Cono de

entrada Cono de

Salida

Garganta

TUBO VENTURI *

Este elemento primario de medida se inserta en la tubería como si fuera un tramo de la misma. Puede instalarse en todo tipo de tuberías mediante bridas de conexión adecuadas. El tubo Venturi clásico está caracterizado por su entrada convergente y salida divergente. La presión interna se mide en su sección de entrada, la cual tiene el mismo diámetro que la tubería. Luego sigue una sección de transición, en la cual el diámetro interno se reduce hasta el diámetro de la sección de la garganta. La presión estática se mide en la sección de la garganta, la cual se dimensiona para producir un diferencial de presión deseado a una determinada tasa de flujo

La presión interna se mide en su sección de entrada, la cual tiene el mismo diámetro que la tubería. Luego sigue una sección de transición, en la cual el diámetro interno se reduce hasta el diámetro de la sección de la garganta. La presión estática se mide en la sección de la garganta, la cual se dimensiona para producir un diferencial de presión deseado a una determinada tasa de flujo

Ventajas

1. Pérdida de carga permanente poco elevada, menor que la del diafragma y la dela tobera, gracias a los conos de entrada y salida.

2. Posibilidad de medir caudales superiores a un 60% a los obtenidos por eldiafragma para la misma presión diferencial e igual diámetro de tubería.

3. En general, el Venturi requiere un tramo recto de entrada más corto que otroselementos primarios.

4. Facilidad para la medida de líquidos con sólidos en suspensión. Generalmentelos tubos Venturi se utilizan en conducciones de gran diámetro (de 12" enadelante), donde las placas de orificio producirían pérdidas de carga muyimportantes y no conseguirían una buena medida. También se utilizan enconductores de aire o humos con conductos no cilindricos, en grandes tuberías decemento, para conducción de agua, etc.

TUBO VENTURI

• EFECTO VENTURI

• El efecto Venturi consiste en que la corriente de un fluido dentro de un conducto cerrado disminuye la presión del fluido al aumentar la velocidad cuando pasa por una zona de sección menor.

Un tubo de Venturi es un dispositivo inicialmente diseñado para medir la velocidad de un fluido aprovechando el efecto Venturi. Sin embargo, algunos se utilizan para acelerar la velocidad de un fluido obligándole a atravesar un tubo estrecho en forma de cono.

TUBO DE PITOT

Un tubo de Pitot o tubo de remanso opera según las bases de la dinámica de fluidos y es un ejemplo clásico para la aplicación práctica de las ecuaciones de Bernoulli. Un tubo de remanso es un tubo abierto en la parte delantera que se dispone contra una corriente de forma que su eje central se encuentre en paralelo con respecto a la dirección de la corriente para que la corriente choque de forma frontal en el orificio del tubo. La parte trasera se fija a un manómetro. Estos aparatos pueden ser recalibrados para garantizar una precisión continua

FUNCIONAMIENTO:El orificio del tubo de Pitot toma la presión total y la

conduce a la conexión (a) en la sonda de presión. Lapresión estática pura se toma desde una parte lateral yse conduce a la conexión (b). La presión diferencialresultante es una presión dinámica que depende de lavelocidad y que es analizada e indicada.

Una vez obtenido la diferencia de presiones, y calculadode la velocidad del fluido según la formula que utiliza eltubo de Pitot, es posible a través de la ecuación debernoulli determinar el caudal total que pasa a travésdel fluido.

F(x) para obtener velocidad Datos obtenidos a través de un tubo

Pitot

TUBO ANNUBAR

El tubo Annubar es una innovación del tubo Pitot. Consta de un tubo exterior situado a lo largo de un diámetro transversal de la tubería, y de dos tubos interiores.

El tubo exterior consta de cuatro orificios en la cara aguas arriba de la corriente, que se utilizan para interpolar los perfiles de velocidad y poder realizar un promedio, y otro orificio en el centro del tubo pero en la cara aguas debajo de la corriente. De los dos tubos que están en el interior, uno sirve para promediar las presiones obtenidas en los cuatro orificios, midiendo la presión total, mientras que el otro tubo que se encuentra en la parte posterior, mide la presión estática en el orificio central aguas debajo de la corriente. Tiene mayor precisión que el Pitot y baja pérdida de carga.

Instrumentos de área variable (rotámetros).

Los rotámetros son medidores de caudal de área variable en los cuales un flotador cambia su posición dentro de un tubo, proporcionalmente al flujo del fluido.

Así partiendo de una calibración previa del dispositivo, conociendo la posición del flotador podremos deducir el caudal de paso.

El tubo medidor está protegido por una carcasa protectora de acero inoxidable.

EL flotador medidor se desplaza verticalmente a lo largo de una varilla guía, razón por la cual pueden ser utilizados para medir fluidos de una alta viscosidad.

Los rotámetros son caudalímetros simples, confiable y económicos.

Su principal ventaja es que el costo es muy inferior a otro tipo de caudalímetros.

Básicamente, esta formado por un cono (normalmente de un materialtransparente), y un flotador que se sitúa dentro de ese cono.

El fluido circula desde la parte inferior del cono (la de menor diámetro) a laparte superior (mayor diámetro).

Si el caudal es cero, el flotador estará en laparte más baja, y podríamos decir que hacede "tapón".

Si existe un caudal, el flotador tenderá alevantarse y su posición exacta vendrádeterminada por el equilibrio entre el pesodel flotador y la fuerza ascendente provocadapor el fluido.

Cuanto más caudal, el flotador estará más arriba, por lo que midiendo su posición podemos llegar a saber el caudal.

Se utilizan diversos diseños, para obtener la escala deseada .

Los tubos cónicos son los componentes mas críticos del equipo, ya que la calidad de su elaboración dependerá la precisión de la medición

Sirven tanto para gases como para líquidos. Su precisión no es muy alta.

Ventajas:

•Es económico para caudales bajos y tuberías con diámetros menores a 2”. •Cubre un rango amplio de caudales. •Sirve para líquidos y gases.•Provee una información visual directa.• La caída de presión es baja. •Instalación y mantenimiento simple

Desventajas:

•No es sencillo ni económico obtener señal eléctrica a partir de la indicación.• Se incrementa mucho su costo para tuberías de diámetro grande.• No se consiguen rotámetros para tuberías grandes. •Debe instalarse en sentido vertical de modo que el caudal sea ascendente. •Son de baja precisión.

VARIABLE A MEDIR Y SISTEMA

• CAUDAL

• VELOCIDAD

VERTEDERO

En la medición de caudal en canales abiertos, se utilizan vertederos de formas variadas que provocan una diferencia de altura del liquido en el canal entre la zona anterior del vertedero y su punto mas bajo

El vertedero debe formar un ángulo recto con la dirección del caudal y el canal aguas arriba debe ser recto como mínimo en una distancia de 10 veces la anchura. La diferencia de alturas debe medirse en aguas arriba lo suficientemente alejado como para no ser influido por la curva de bajada de la superficie del agua y es conveniente incluso utilizar un pozo de protección(tubería de diámetro ligeramente mayor que el flotador) para el flotador del instrumento de medida, caso de utilizar este sistema.

RECTANGULAR

CON CONTRACCION LATERAL, SIMPLE Y FACIL DE CONSTRUIR Y EL MAS ECONOMICO . es apto para la medida de caudal de 0 a 60 m3/h a 0-2.000m3/h.

TriangularConsiste en una placa

con corte en V de vértice dirigido hacia abajo y con cada lado igualmente inclinado respecto ala vertical. A igualdad de tamaño su campo de medida es mas amplio que el de los otros vertederos. Es capaz de medir caudales dentro de los intervalos 0-30 m3/h a 0-2.300 m3/h

PARSHALSe emplea normalmente en aquellas aplicaciones en las que un vertedero normal no es siempre adecuado tal como ocurre cuando el liquido transporta solido o sedimentos en cantidad excesiva, o bien cuando no existe altura de presión suficiente , o bien cuando no es posible construir un tramo recto de longitud suficiente(un mínimo de 10 veces la anchura del acanala). Puede utilizarse para caudal superior a 0-30 m3/h

Un instrumento de flotador, mide la diferencia de alturas dada y puede indicar, regular y registrar directamente el caudal o bien trasmitirlo a distancia con un trasmisor de tipo potenciometrico

Los captadores de caudal de este tipo utilizan un reten en lugar de la placa con orificio u otra restitución del flujo. Miden la fuerza con que la corriente fluida choca contra una superficie interpuesta en su camino, para un captador fabricado por la Foxboro Company. El reten, de forma circular y bordes afilados, apropiado para el margen de caudal a medir, se fija al extremo bajo de la barra de fuerza y queda exactamente centrado con la tubería.

El empuje que el fluido ejerce sobre el reten tiende por medio de la barra de fuerza, a variar la distancia entre la tapa o paleta y la tobera, lo que provoca la variación de la presión de aire en el relevador, en los fuelles de retroalimentación y en la salida de señal hacia el receptor

Los caudalímetros a turbina son transductores que generan trenes de pulsosde forma proporcional a la velocidad del fluido en la cañería. Lo pulsos

generados son transmitidos a unidades electrónicas integradas o remotas donde son convertidos en lecturas de caudal y volumen.

Caudalímetro a Turbina.

Consiste de un juego de paletas o aspas acopladas a un eje, las cualesgiran cuando pasa un fluido a través de ellas. La velocidad a la cual giranestas aspas es proporcional a la velocidad del flujo, y si tenemos lavelocidad y el área del conducto se puede determinar el caudal.

El fluido provoca que el rotor de la turbina gire a una velocidad que depende de la velocidad de flujo. Conforme cada una de las aspas de rotor pasa a través de una bobina magnética, se genera un pulso de voltaje que puede alimentarse de un medidor de frecuencia, un contador electrónico u otro dispositivo similar cuyas lecturas puedan convertirse en velocidad de flujo.

Ventajas:

•Es el instrumento más preciso disponible para medir caudal. •Rápida respuesta y excelente repetibilidad. •Fácil interface a sistemas de computación. •Operación sobre un muy amplio rango de temperaturas y presiones.

Desventajas:

•Al tener piezas móviles que giran sobre rodamientos, el desgaste suele ser el problema principal de la turbina. •Es un instrumento delicado en comparación con otros caudalímetros. •Cualquier exceso de velocidad puede dañar sus rodamientos. •Es caro y su costo aumenta desmedidamente con el tamaño de la turbina. •Requiere que el flujo a medir sea limpio y tenga propiedades lubricantes. •Alto costo de mantenimiento. •No es utilizable en fluidos de alta viscosidad.

Los transductores del ultrasonidos miden el caudal pordiferencia de velocidades del sonido al propagarse éste en elsentido del flujo y en el sentido contrario. Existen diversasdisposiciones de distribuir los sensores.

FLUXOMETRO DE ULTRASONIDO

Consta de unas Sondas, que trabajan por pares, como emisor y receptor. La placa piezo-cerámica de una de las sondas es excitada por un impulso de tensión, generándose un impulso ultrasónico que se propaga a través del medio líquido a medir, esta señal es recibida en el lado opuesto de la conducción por la segunda sonda que lo transforma en una señal eléctrica.

Son alimentados eléctricamente, y es posible encontrar dos tipos según su principio de medición:

DOPPLER: Miden los cambios de frecuencia causados por el flujo del líquido. Se colocan dos sensores cada uno a un lado del flujo a medir y se envía una señal de frecuencia conocida a través del líquido. Sólidos, burbujas y discontinuidades en el líquido harán que el pulso enviado se refleje, pero como el líquido que causa la reflexión se está moviendo la frecuencia del pulso que retorna también cambia y ese cambio de frecuencia será proporcional a la velocidad del líquido.

Tiempo de Tránsito; 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. Los de Tiempo de Tránsito son más exactos que los de efecto 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.

El convertidor de medida determina los tiempos de propagación del sonido en sentido y contrasentido del flujo en un medio líquido y calcula su velocidad de circulación a partir de ambos tiempos. Y a partir de la velocidad se determina el caudal que además necesita alimentación eléctrica.

COMPARATIVA DE LOS DISTINTOS SENSORES DE FLUJO

Sensor de flujo Líquidos recomendadosPérdida de

presión

Exactitud típica

en %

Medidas y

diámetros

Efecto

viscosoCoste Relativo

OrificioLíquidos sucios y limpios;

algunos líquidos viscososMedio

±2 a ±4 of full

scale10 a 30 Alto Bajo

Tubo VenturiLíquidos viscosos, sucios

y limpiosBajo ±1 5 a 20 Alto Medio

Tubo Pitot Líquidos limpios Muy bajo ±3 a ±5 20 a 30 Bajo Bajo

TurbinaLíquidos limpios y

viscososAlto ±0.25 5 a 10 Alto Alto

Electromagnet.

Líquidos sucios y limpios;

líquidos viscosos y

conductores

No ±0.5 5 No Alto

Ultrasonic. (Doppler)Líquidos sucios y líquidos

viscososNo ±5 5 a 30 No Alto

Ultrasonic. (Time-of-

travel)

Líquidos limpios y líquidos

viscososNo ±1 a ±5 5 a 30 No Alto

APLICACIONES DE ALGUNOS MEDIDORES DE FLUJO

Es una magnitud física que mide la intensidad del intercambio de momento linealentre dos partículas o sistemas de partículas. Según una definición clásica,fuerza “es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o laforma de los cuerpos materiales”.

PLACA DE IMPACTO.Instrumentos basados en la medida de fuerza (medidor de placa)El medidor de placa consiste en una placa instalada directamente en el centrode la tuberíay sometida al empuje del fluido. La fuerza originada es proporcional al caudaldel fluido, por lo que de ella se deduce.

Medidor de flujo tipo magnético

Para fluidos con baja conductividad eléctrica (del orden de los μS/cm), se puede hacer uso de equipos con placas capacitivas capaces de medir el voltaje inducido.

Basados en la Ley de Faraday.

Es necesario que el fluido a medir tenga conductividad eléctrica.

Se utiliza el hecho que la velocidad del fluido es proporcional al campo magnético aplicado.

Medidor de flujo tipo magnético

U = K·B·v·D, voltaje inducido

qv = v·D²·π/4 = (U / K·B)·D·π/4, tasa de flujo volumétrico

Medidor de flujo tipo magnéticoVentajas

Carencia de partes mecánicas. Implica bajo coste de mantenimiento.

Puede ser utilizado en ambientes peligrosos y es capaz de medir el flujo para fluidos corrosivos y con sólidos.

Obstrucción mínima al paso del fluido, por lo que casi no hay caída de presión en el medidor.

Linealidad en el fenómeno físico utilizado para deducir el flujo, lo que hace de este instrumento muy exacto.

Independencia con respecto a las propiedades de densidad y viscosidad

Desventajas

• Necesita fluidos cuya conductividad eléctrica esté habitualmente por sobre los 3 μS/cm.

• No es capaz de realizar mediciones si el flujo es demasiado bajo.

DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Los medidores de desplazamiento positivo miden el caudal en volumen contando o integrando volúmenes separados del líquido.

Las partes mecánicas del instrumento se mueven aprovechando la energía del fluido y dan lugar a una perdida de carga.

Existen cinco tipos básicos de medidores:

• Disco Oscilante

• Pistón Oscilante

• Pistón Alternativo

• Rotativos

• Diafragma

DISCO OSCILANTE

Dispone de una cámara circular con un disco plano móvil dotado de una ranura en la que esta intercalada una placa fija. Esta placa separa la entrada de la salida e impide el giro del disco durante el paso del fluido.

Este movimiento de balanceo se transmite mediante el eje del disco de un tren de engranes.

Empleado originalmente en aplicaciones domesticas para agua fría, agua caliente, aceite y líquidos alimenticios. La precisión de ±1-2%. El caudal máximo es de 600l/min y se fabrica para pequeños tamaños de tubería.

DISCO OSCILANTEVentajas:

• Muy difundido y comprobado.

• Muy económico.

• Simple y de bajo mantenimiento.

Desventajas:

• Es el de menor precisión de los instrumentos de desplazamiento positivo.

• No se fabrica para tuberías de gran tamaño.

• El par disponible para el accionamiento de accesorios mecánicos es muy limitado.

PISTON OSCILANTE

El instrumento se compone de una cámara de medida cilíndrica con una placadivisora que separa los orificios de entrada y de salida. La única parte móvil esun pistón cilíndrico que oscila suavemente en un movimiento circular entre lasdos caras planas de la cámara, y que está provisto de una ranura que desliza enla placa divisora fija que hace de guía del movimiento oscilante.

El eje del pistón al girar, transmite su movimiento a un tren de engranajes y a uncontador.

Los diagramas adjuntos indican el movimiento del pistón desde que entra el liquido en la cámara hasta que ha sido medio

y descargado.

Para LIQUIDOS de BAJA VISCOSIDAD

En casos que una exactitud moderada es suficiente, estos medidores son la alternativa más económica. Aunque originalmente limitados a su uso con productos refinados del petróleo, los modelos ofrecidos hoy en día cubren muchas otras aplicaciones en todo tipo de industrias.

MEDIDORES DE PISTÓN ALTERNATIVO

Este pistón es el mas antiguo de los medidores de desplazamiento positivo. Elinstrumento se fabrica de diferentes formas ya sea de varios pistones , de dobleacción o de válvulas rotativas.

El movimiento alternativo del pistón en el es convertir el movimiento rectilíneodel pistón a un movimiento angular por medio del cigüeñal, se le llamaalternativo por la tendencia a subir y bajar.

MEDIDOR ROTATIVO

Este instrumento tiene válvulas rotativas que giran excéntricamente rozando con las paredes de una cámara circular y transportan el liquido de forma incremental de la entrada a la salida.

Se emplean mucho en la industria petroquímica para la medida de crudos y de gasolina con intervalos de medida que van de unos pocos litros por minuto de líquidos limpios de baja viscosidad, hasta 64,000 litros por minuto de crudos viscosos.

Hay varios tipos de medidores rotativos , siendo los mas empleados , los cicloidales , los de dos rotores (birrotor) y los ovales.

Contienen dos lóbulos del tipo root engranados entre si que giran en direcciones opuestas manteniendo una posición relativa fija y desplazando un volumen fijo de fluido liquido o gas en cada revolución.

Estos se fabrican en tamaños de 2 a 24 pulgadas y con caudales de líquidos de 30 a 66.500 litros por minuto..

MEDIDORES CICLOIDALES

Consiste en dos rotores sin contacto mecánico entre si que giran como únicoselementos móviles en la cámara de medida.

La relación de giro muto se mantiene gracias a un conjunto de engranajeshelicoidales totalmente cerrado y sin contacto con el liquido. Los rotores estánequilibrados estática y dinámicamente y se apoyan en rodamientos de bolas deacero inoxidable.

SISTEMA BIRROTOR

MEDIDORES OVALES

Este dispositivo cuenta con dos ruedas ovales que engranan entre si un movimiento de giro debido a la presión diferencial creada por el liquido.

La acción del liquido actúa de forma alternativa sobre cada una de las ruedas, dando lugar a un giro suave de una par prácticamente constante.

MEDIDORES OVALES

MEDIDOR DE PAREDES DEFORMABLES

O de membrana o de fuelle, esta formado por una envoltura a presión con orificios de entrada y salida que contiene el grupo medidor formado por

cuatro cámaras de medición.

TorbellinoEl medidor de caudal por torbellino se basa en la determinación de la frecuenciadel torbellino producido por una hélice estática situada dentro de la tubería através de la cual pasa el fluido (liquido o gas) . La frecuencia del torbellino esproporcional a la velocidad del fluido de acuerdo con la expresión conocida comonúmero de Strouhal

El número de Strouhal es constantepara números de Reynoldscomprendidos entre 10 000 y 1 000000 y d es mantenido constante porel fabricante del medidor, con lo cual,siendo:

Por lo tanto, el caudal volumétrico del fluido es proporcional a la frecuencia deltorbellino.La detección de la frecuencia se logra con sensores de presión de cristalespiezoeléctricos que detectan los picos de presión en el lado contrario deltorbellino, o con una termistancia de muy baja inercia térmica que sigue losefectos de refrigeración del torbellino generado en el gas, o bien mediante uncondensador de capacidad variable, función de la deformación de un diafragma (placa) ante las ondas de presión del torbellino o bien mediante la aplicación de unhaz de ultrasonidos perpendicularmente al torbellino, midiendo el tiempo detránsito del haz desde el transmisor al receptor.

Los transductores de torbellino son adecuados en la medida de caudales degases y de líquidos y su intervalo de medida entre el valor máximo y el mínimoes de 50 a 1. Deben instalarse en tubería recta con longitudes mínimas de 10diámetros aguas arriba y de 5 diámetros aguas abajo. El medidor debe instalarseperfectamente alineado con la tubería para asegurarse la formación correcta detorbellinos. La precisión del instrumento es de 0,2 % del caudal instantáneo, porel cual el error en tanto por ciento de la escala se hace mayor cuanto más bajoes el caudal.

El flujo de gases, vapores y líquidospuede ser medido sobre un ampliorango independiente de laspropiedades del fluido con el medidorde flujo tipo SWIRL o torbellino. Estemedidor es libre de mantenimiento yno contiene partes móvilesUn cuerpo guía estacionario escolocado a la entrada del medidor, suforma es similar al rotor utilizado enlos medidores de turbina. Este cuerpohace que el fluido se muevacircularmente ( torbellinos). Lacorriente de flujo se muevecircularmente en forma de espiral através de la sección del SWIRLMETER.

Los instrumentos de vórtex son parecidos al de torbellino, excepto que estánbasados en el efecto de Von Karman donde un cuerpo en forma de conogenera alternativamente vórtices (áreas de baja presión e inestabilidad)desfasados en 180°, cuya frecuencia es directamente proporcional a lavelocidad y , por lo tanto, al caudal. La precisión es de 1 %

Vórtex

El principio de operación del Vortex es basado en el camino de Vortex Karman. Siun fluido pasa a través de una obstrucción se causan vórtices, cuando laobstrucción es colocada en el centro de la tubería se forman vórtices a amboslados. El flujo causa que estos vórtices se dividan creando un camino de vortex.La distancia geométrica entre dos vórtices L y el tiempo T intervalo entre dosvórtices consecutivos, determinan la frecuencia del vortex como:

F~ 1/t

El medidor vortex es el ideal para la medición de vapores, gases y líquidos debajas viscosidades (max 10cps). Un piezo sensor dentro del medidor es elencargado de convertir la fuerza de presión resultante en señales de pulsoeléctricos las cuales pueden ser amplificadas. Normalmente este piezo sensores colocado detrás del cuerpo divisor de vórtices, sin embargo hay veces que secoloca dentro del mismo cuerpo divisor de vortex de tal manera que este puedavibrar libremente. El sensor es influenciado por las variaciones de presión lascuales están sincronizadas a la frecuencia de división de vórtices.

• Consiste en un pequeño orificio situado en el cuerpo del medidor, quegenera una presión diferencial y provoca el paso del fluido por el área demedida. Ésta contiene una válvula oscilante que perturba la circulación delfluido. A medida que este flujo turbulento pasa a través de la abertura secrea una zona de baja presión detrás de la válvula, con lo que ésta oscila auna frecuencia directamente proporcional al caudal. Un transductor deimpulsos capta las oscilaciones de la válvula e indica el caudal.

Oscilante

El medidor oscilante es adecuado en la medida de caudales de fluidos con partículas en suspensión , y en las mezclas de líquidos y

gases provocadas por vaporizaciones imprevistas del líquido al bajar la presión.

Su precisión es del orden 0,5 %.

Tipos de medidores de flujo o Caudal