Medidores De Caudal

Tema 18.- Medidores de caudal

En las plantas de proceso es muy frecuente tener que medir caudales volumétricos y/o másicos de corrientes de líquido, gas, vapor, lechada e incluso de mezclas bifásicas líquido-vapor. El ingeniero tendrá que seleccionar en cada caso el más apropiado, teniendo en cuenta el factor económico de coste y factores de proceso tales como rango de caudal a medir, precisión requerida, presencia de sólidos en suspensión, pérdida de carga que provoca, viscosidad y corrosividad del fluido, etc.. Los diferentes tipos de medidores de caudal (presión diferencial, turbina, magnéticos, sónicos,etc.) se pueden agrupar en dos categorías, aquellos que se montan en un carrete de tubo que se integra en la tubería y los que se insertan en la misma. Estos medidores que son más económicos, especialmente para tamaños de tubería superiores a DN200, pero menos precisos que los que se integran en la tubería.

18.1.- Medidores de presión diferencial.

Un caudalímetro de presión diferencial consiste en una restricción en la tubería que reduce el área de flujo. Al aumentar la velocidad del fluido y, en consecuencia, su energía cinética, disminuye la presión estática. Esta diferencia de presión es función del cuadrado del caudal, de propiedades del fluido (densidad y viscosidad), de cómo sea la restricción y de la distancia a la que se coloquen las tomas de presión respecto de la restricción. Aunque la presión vuelve a aumentar una vez pasada la zona en la que el área de flujo es menor que el área de la sección transversal de la tubería, no llega a alcanzar el valor que tenía aguas arriba de la restricción. Esta pérdida irrecuperable de presión depende del tipo de medidor y constituye un factor negativo importante a considerar en el momento de decidir si se instala o no un caudalímetro de presión diferencial.

18.1.1.- Tipos de medidores de presión diferencial.

Básicamente existen tres tipos de medidores que operan bajo el mismo principio, generando una diferencia de presiones entre dos tomas proporcional al cuadrado del caudal: los orificios, las toberas y los ventori. El tubo pitot y el tubo annubar son también instrumentos que generan una proporcional al cuadrado del caudal, pero son elementos de inserción que no provocan una restricción en el flujo del fluido.

A.- Placa de orificio.

El caudalímetro de placa de orificio es en esencia una placa plana en la que se practica un orificio para paso del fluido. Es el tipo de medidor de presión diferencial más simple y barato, con un coste prácticamente independiente del tamaño de la tubería. Los dos inconvenientes principales de este tipo de medidor son que requiere tramos rectos de tuberías largos antes y después de la placa y que provoca una pérdida de carga irrecuperable elevada. Existen básicamente cuatro tipos de orificios para cubrir diferentes servicios dependiendo del tipo de fluido.

B.- Tubos ventori.

El tubo ventori está constituido por una sección tronco-cónica convergente de entrada, una garganta y una sección tronco-cónica divergente de salida. Los ventori requieren también tramos rectos de tubería aguas abajo y aguas arriba, y son sensiblemente más caros que los orificios debido a su construcción más delicada.

C.- Toberas.

Las toberas tienen una sección de entrada elíptica o radial que evita la posibilidad de que se deposite suciedad sobre el elemento. Al no tener una sección divergente de salida provocan una pérdida de carga superior a los venturi, pero inferior a la de los orificios. Se suelen emplear para medir caudales de vapor de agua a elevadas velocidades (>30 m/s) y también para fluidos agresivos y lechadas.

18.2.- Medidores de impacto.

El medidor de impacto o placa (target meter) consiste básicamente en una placa circular instalada en el centro de la tubería. La aceleración del fluido en torno al disco hace que la presión en la cara posterior del mismo sea menor que en la anterior, lo cual produce una fuerza que es proporcional al cuadrado de la velocidad del fluido aguas arriba de la placa. El disco se monta en una barra que atraviesa la pared de la tubería a través de un sello de diafragma flexible. El desplazamiento del disco y de la barra debido a la fuerza se mide mediante un mecanismo estándar de equilibrio de fuerzas que genera una señal neumática o eléctrica proporcional al cuadrado del caudal. Este tipo de medidor puede ser empleado para cualquier fluido, incluyendo líquidos con burbujas de gas o vapor, gases con gotas de líquido y fluídos con partículas en suspensión.

18.3.- Medidores lineales.

Son unos medidores que generan una señal proporcional a la velocidad media del fluido en la tubería.

18.3.1.- Medidor de ultrasonidos.

Los llamados de diferencia de tiempo se basan en el tiempo que tarda el sonido en recorrer una cierta trayectoria en el sentido del flujo y en sentido contrario. Este tipo de medidor tolera un cierto porcentaje de sólidos en suspensión, pero menos de un 1% de burbujas. Los medidores basados en el principio de Doppler consisten en proyectar ondas ultrasónicas, con un cierto ángulo respecto del eje de la tubería, mediante un cristal emisor montado en el exterior de la tubería. Parte de la energía sónica se refleja en burbujas o partículas y vuelve al cristal receptor situado también por fuera de la tubería. Como los elementos reflectores de las ondas (partículas, burbujas) se mueven a la velocidad del fluido, de acuerdo con el principio Doppler, se produce un cambio de frecuencia en la onda reflejada proporcional a la velocidad del fluido: . En esta expresión, es la diferencia entre la frecuencia emitida y la reflejada, es la frecuencia de la onda emitida, es el ángulo del cristal emisor-receptor respecto del eje de la tubería y es la velocidad del sonido a través del transductor. La mayoría de los fabricantes de este tipo de medidor especifican una concentración y un tamaño mínimo de burbujas y partículas, así como una velocidad mínima para mantenerlos en suspensión (1’8 m/s para sólidos y 0’75 m/s para burbujas).

18.3.2.- Medidor electromagnético.

Este tipo de medidor se basa en la ley de Faraday que establece que cuando un conductor se mueve dentro de un campo magnético, se induce en él una fuerza electromotriz que es proporcional a la velocidad relativa entre el conductor y el campo. El líquido es el conductor eléctrico de longitud igual al diámetro interno del medidor D. La velocidad relativa entre el conductor y el campo es la velocidad media del fluido y, de acuerdo con la ley de Faraday, el voltaje inducido E es éste: donde B es la intensidad del campo magnético aplicado. Las principales ventajas de los caudalímetros magnéticos son éstas:

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